小麥分蘗性狀分子遺傳研究進展

陳 悅，王同著，鄭躍婷，楊雨露，王 盈，張香粉，陳 鋒，趙 磊

(河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/省部共建小麥玉米作物學國家重點實驗室/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州 450046)

小麥是世界上種植面積最為廣泛的糧食作物，為全球約40%的人口提供食物來源。小麥同時也是中國的第二大糧食作物，是中國人民最主要的口糧之一。小麥生產(chǎn)與國家糧食安全和社會穩(wěn)定休戚相關，提高小麥產(chǎn)量一直都是科研人員關心的主要問題。在現(xiàn)有耕地面積逐年減少的情況下，培育具有更高單產(chǎn)潛力的小麥新品種就成為進一步提高小麥產(chǎn)量、解決糧食安全的必要舉措之一。

株型一般是指植株地上部分的形態(tài)特征，是作物諸多重要農(nóng)藝性狀的綜合，影響作物的適應性、產(chǎn)量以及收獲指數(shù)等。合理的株型對作物產(chǎn)量的提高至關重要，株型改良育種在小麥高產(chǎn)育種中發(fā)揮著重要作用。20世紀60年代在全球范圍內(nèi)興起的“綠色革命”正是通過利用矮稈基因?qū)崿F(xiàn)矮化育種，最終極大地提高了小麥和水稻的產(chǎn)量，成功地解決了當時全球糧食危機。因此，對小麥株型相關性狀的遺傳機理進行研究，挖掘株型調(diào)控基因，并借助分子手段輔助選擇育種，將有助于培育出株型合理的高產(chǎn)小麥新品種。

分蘗是小麥、水稻等谷類作物株型構(gòu)成的主要因素，包括分蘗能力和分蘗角度兩個方面，均是與產(chǎn)量相關的重要農(nóng)藝性狀。分蘗能力一般用分蘗數(shù)目來表示，是指植株近地面發(fā)生的分枝數(shù)目，其中能夠抽穗并結(jié)實的地上部分蘗稱為有效分蘗，其決定了作物的有效穗數(shù)和光合面積大小，直接影響產(chǎn)量；分蘗角度指分枝與豎直方向的夾角，體現(xiàn)了主莖與分蘗之間的集散程度，決定了植株的空間構(gòu)型，并通過影響群體的種植密度以及光合效率間接影響作物群體產(chǎn)量。研究表明，通過調(diào)控分蘗的發(fā)育進程，禾谷類植物能夠改變?nèi)后w結(jié)構(gòu)，最大限度的提高光能利用率，并提高對環(huán)境的適應性，進而影響產(chǎn)量。因此，對小麥分蘗相關性狀分子機理進行研究，不僅有助于認識小麥株型的遺傳特點，同時對株型改良育種也具有重要借鑒意義，有助于培育出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的小麥新品種，為提高中國乃至世界糧食產(chǎn)量以及解決糧食危機提供出路。本文從分子水平對近年來小麥分蘗性狀的遺傳研究進展進行總結(jié)，以期為開展相關研究提供參考。

1 分蘗的形成與調(diào)控

分蘗(分枝)是植株地上部形態(tài)的主要表現(xiàn)之一。從幼苗期至成熟期，植株對環(huán)境變化進行響應并不斷生長，由分生組織分裂產(chǎn)生新的細胞，進一步經(jīng)過分化形成組織和器官。莖尖分生組織(shoot apical meristem,SAM)促進植株在垂直方向的生長；葉腋分生組織(axillary meristem,AM)則可以經(jīng)過分化形成側(cè)枝或分枝。AM形成于葉原基近軸側(cè)的邊界區(qū)中心，邊界區(qū)將SAM與發(fā)育中的葉原基分開以維持分生組織和器官發(fā)育。分蘗的發(fā)育一般經(jīng)歷三個階段：腋芽分生組織起始階段、腋芽帶葉發(fā)育階段和腋芽長出階段。雖然腋芽可發(fā)育形成許多分蘗，但并非所有分蘗最終都能成為有效穗，有許多為無效分蘗。因此，分蘗的發(fā)育和生長在很大程度上影響植物的整體生長狀況及生產(chǎn)力。

植物分蘗(分枝)發(fā)育及其形成過程受多種植物激素相互作用共同調(diào)節(jié)。長期以來，一直認為植物分枝由生長素(indole acetic acid,IAA)和細胞分裂素(cytokinin,CK)兩種植物激素參與調(diào)控。尤其是IAA，一直被視作為一種經(jīng)典的、占主導地位的分枝調(diào)節(jié)激素。CK被認為是調(diào)節(jié)IAA作用的第二信使，其在根中合成，然后被轉(zhuǎn)運至腋芽中，打破芽的休眠狀態(tài)；同時IAA通過調(diào)節(jié)CK的濃度介導芽的生長。獨腳金內(nèi)酯(strigolactone,SL)是近些年新發(fā)現(xiàn)的第三類植物調(diào)控激素，也被認為參與調(diào)控植物的分枝發(fā)育，但IAA和SL如何相互作用控制腋芽生長仍存有爭議。Brewer等研究認為，SL作用于IAA的下游，直接抑制腋芽的生長；而Crawford等研究認為，SL通過調(diào)節(jié)IAA極性運輸來控制腋芽的生長。此外，F(xiàn)erguson等研究報道，SL抑制芽的生長，而CK促進芽的生長，IAA則通過維持高SL和低CK的含量負調(diào)控芽的生長。另外，光照也會對分蘗產(chǎn)生一定的影響。光感受器光敏色素有Pr(非活性)和Pfr(活性)兩種不同的構(gòu)象，當吸收紅光后，Pr轉(zhuǎn)化為Pfr，Pfr通過與光敏色素相互作用因子(phytochrome interacting factor,PIF)或PIL(PIF3-like)相互作用，穿梭于細胞核并調(diào)控基因表達；低Pr/Pfr光照比可誘導()基因上調(diào)表達，從而抑制分枝發(fā)生。此外，在植株生長條件下,磷和氮的含量也對分枝起調(diào)控作用。研究表明，在磷酸鹽饑餓條件下，促進了擬南芥、番茄、高粱和水稻中SL生物合成基因(如和)的表達；在低氮條件下，高粱和豌豆植株中SL的含量也明顯增加。對擬南芥IAA響應突變體和SL生物合成突變體的分析表明，在低氮條件下，完整的IAA信號轉(zhuǎn)導和SL生物合成途徑可以增加莖尖生長素的供應，進而抑制側(cè)枝生長。

2 分蘗性狀相關基因/QTL的定位研究

分蘗是復雜的發(fā)育性狀，其形成受基因型、植物激素、環(huán)境以及營養(yǎng)條件等諸多因素的影響，但更容易受到環(huán)境的影響，同時又具有較強的遺傳可塑性，通常認為分蘗是由多基因共同調(diào)控的數(shù)量性狀。以下分別圍繞小麥分蘗數(shù)目和分蘗角度對現(xiàn)有主要QTL定位研究進行簡要 綜述。

2.1 分蘗數(shù)目相關基因/QTL的定位研究

對小麥分蘗數(shù)目的遺傳定位研究最早主要是從分蘗抑制基因開始的。是最早在普通小麥中鑒定到的分蘗抑制基因，該基因為隱性基因，與穎殼稃毛和黑芒基因位點連鎖，定位在1AS染色體上，與微衛(wèi)星標記Xgwm136緊密連鎖。位于2A染色體上的基因是一個顯性基因，同樣具有抑制分蘗的效應。Kuraparthy等利用栽培一粒小麥單分蘗突變體在3AL染色體上鑒定到由單基因隱性突變引起的分蘗抑制基因，與標記Xpsr1205緊密連鎖，該基因的突變體植株只有一個主莖。Zhang等利用寡分蘗材料Pubing 3558與京4841雜交，在1AS染色體上鑒定到一個分蘗抑制基因，該基因與SSR標記Xcfa2153緊密連鎖，并推測是一個不同于的新位點。Wang等利用一個寡分蘗材料H461與川農(nóng)16構(gòu)建的RIL群體，定位到三個與低分蘗數(shù)目相關的QTL，分別為、和，可分別解釋達19.1%、14.6%和9.6 %的表型變異(表1)。

除鑒定到減少分蘗數(shù)目的QTL外，也鑒定到的增加分蘗數(shù)目的QTL。如Kato等利用染色體代換系中國春(Cappelle Desprez 5A)在5A染色體上定位到一個控制分蘗數(shù)目的QTL，該位點同春化基因相關聯(lián)，可解釋 37.0%的表型變異。Li等用普通小麥Opata85和人工合成的六倍體小麥W-7984構(gòu)建的RIL群體為材料，分別在1Ds、2Ds和6As染色體上鑒定到三個與單株分蘗數(shù)目相關的QTL，可解釋 11.0%～31.0%的表型變異。Campbell等和Dilbirligi等利用染色體重組代換系CNN(WI3A)在3A染色體上共鑒定到四個與單位面積穗數(shù)相關的QTL，可解釋9.0%～17.0%的表型變異。Narasimhamoorthy等以硬紅冬小麥品種卡爾92為輪回親本，以TA4152-4為供體親本，構(gòu)建BCF回交群體，在3B染色體檢測到一個與分蘗數(shù)目相關的QTL()，可解釋6.2%的表型變異。Li等利用花培3和豫麥57構(gòu)建的DH群體和永久F群體檢測到多個與最大分蘗數(shù)和有效分蘗數(shù)相關的QTL，可解釋4.5%～35.0%的表型變異。Zou等利用兩個春小麥品種Attila和CDC Go構(gòu)建的RIL群體為材料，在6A染色體上70 cM處檢測到一個與每平方米分蘗數(shù)相關的QTL()，可解釋11.2%的表型變異。Hu等利用川農(nóng)18和T1208構(gòu)建的RIL群體為材料，在4D染色體上定位到一個穩(wěn)定的穗形成率主效QTL()，可解釋18.2%～24.5%的表型變異。Wang等用UI Platinum和BSY Capstone構(gòu)建的DH群體為材料，定位到兩個與單位面積分蘗數(shù)相關的QTL(和)，分別可解釋19.0%和26.0%的表型變異。Ren等利用55K芯片對川農(nóng)18和T1208構(gòu)建的RIL群體進行分析，在多個環(huán)境下共檢測到7個穩(wěn)定的QTL，分布于2D、4A、4D、5A、5D和7D染色體上，單個QTL可解釋 1.6%～21.2%的表型變異。Liu等以20828和SY95-71構(gòu)建的RIL群體為材料，在1BL染色體上檢測到一個控制有效分蘗數(shù)的主效遺傳位點，可解釋12.1%～55.7%的表型變異。此外，前人也分別在1B、3A、3D、4B、5B、6B、6D、7A等染色體上均定位到與分蘗數(shù)目相關的QTL。上述研究結(jié)果表明，幾乎在所有染色體上都能定位到與分蘗數(shù)目相關的QTL(匯總結(jié)果見表1)，而且不同研究之間的結(jié)果不一致，在QTL數(shù)量、染色體分布以及QTL效應均有不同，這也進一步表明分蘗性狀遺傳的復雜性。而且截至目前，上述QTL仍停留在初步定位階段，沒有一個被克隆出來，研究任務仍然任重而道遠。

表1 平均表型貢獻率大于10%的分蘗數(shù)目主效QTL

2.2 分蘗角度相關基因/QTL的定位研究

與分蘗數(shù)目相比，前人對小麥中分蘗角度的遺傳研究較少。究其原因，可能由于該性狀更易受環(huán)境影響，難以進行準確測量，且長期以來不受重視所致，近幾年來相關研究逐漸增多。Marone等對184份硬粒小麥的“匍匐/直立”生長習性進行全基因組關聯(lián)分析(genome wide association study,GWAS)，共鑒定到12個調(diào)控分蘗角度的QTL，其中位于2B和5A染色體上的兩個穩(wěn)定位點均可在6個環(huán)境中檢測到。Zhao等以中麥871和中麥895為親本構(gòu)建的RIL群體為材料，在1AL和5DL染色體上檢測到兩個與分蘗角度相關的穩(wěn)定QTL，并進一步預測了5DL染色體位點上的候選基因，依據(jù)水稻中的同源基因?qū)⑵涿麨椋ζ涔δ苓M行初步分析，但未進行轉(zhuǎn)基因功能驗證。Liu等以3個RIL群體和1個雜交F群體為材料，在2BL染色體上檢測到一個調(diào)控分蘗角度的主效位點，可解釋18.1%～51.1%的表型變異；該位點距離較近，但獨立于，并通過分析預測了候選基因，但也未對候選基因功能進行驗證。

3 小麥分蘗性狀相關基因/QTL的功能研究

由于普通栽培小麥復雜的遺傳背景，在2018年之前一直未獲得完整的基因組序列，采用圖位克隆的方法從六倍體小麥中分離基因非常困難；此外，分蘗性狀易受環(huán)境因素的影響，因此，迄今為止，利用正向遺傳手段克隆小麥分蘗性狀相關基因仍罕有報道。

參考擬南芥、水稻等植物中的研究結(jié)果，在小麥中采用同源克隆的方法已克隆出數(shù)個與分蘗數(shù)目相關的基因。如基因是SPL(squamosa promoter binding protein-like)基因家族的成員之一，編碼一個含SBP-box結(jié)構(gòu)域的蛋白，受miR156的調(diào)控，參與調(diào)控理想株型，對小麥的分蘗、株高、莖粗和穗部發(fā)育均起著重要的調(diào)控作用；是植物GRAS家族調(diào)控AM起始和分枝的基因，其編碼的蛋白具有保守功能域VHIID，與水稻中的MOC1、擬南芥中的LAS和番茄中的LS具有較高的同源性，參與小麥分蘗的形成和穗的發(fā)育；其啟動子上存在一個順式作用元件CAT-box，決定了TaMOC1的表達部位，并影響啟動子的活性，但具體如何發(fā)揮作用調(diào)控啟動子的活性尚不清楚；基因同水稻中的同源基因具有相似的功能，通過參與SL合成途徑進而調(diào)控小麥分蘗的發(fā)生；基因可通過參與SL信號轉(zhuǎn)導途徑來調(diào)控小麥分蘗數(shù)目相關基因的表達，且基因與和基因互作，共同調(diào)控小麥分蘗的發(fā)生；硬粒小麥中基因除參與調(diào)控小麥分蘗的發(fā)生外，可能還參與根系的分枝發(fā)育。此外，Liu等研究顯示，過表達可增加小麥分蘗數(shù)目，SL信號抑制因子TaD53可直接與miR156控制的TaSPL3/17的N端結(jié)構(gòu)域相結(jié)合，通過多個基因相互作用，最終影響小麥分蘗的形成。研究還發(fā)現(xiàn)，AP2類多效基因和可能參與調(diào)控小麥分蘗數(shù)目，基因可能參與調(diào)控小麥分蘗的形成。在分蘗角度調(diào)控基因研究上，曹 鑫等利用同源克隆的方法分離獲得小麥分蘗角度調(diào)控基因，通過分析認為該基因可調(diào)控小麥的分蘗角度、分蘗數(shù)、旗葉夾角等性狀，同時推測該基因可能參與生長素極性運輸。另外，Marone等利用GWAS的方法鑒定出多個小麥分蘗角度調(diào)控位點，并推測小麥春化()、矮稈()和光周期()相關基因可能也參與調(diào)控小麥分蘗角度的形成。此外，Cu等研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控分蘗數(shù)目的基因也可能參與調(diào)控小麥分蘗角度。

上述研究結(jié)果進一步表明，小麥分蘗相關性狀是受多基因控制的數(shù)量性狀。對小麥分蘗調(diào)控基因同源基因的研究也表明，該類基因在不同植物中的功能高度保守，對其他植物中相關重要基因的研究也可促進和加快對小麥分蘗分子遺傳機制研究的進程。不足之處是目前對重要基因的研究還比較匱乏，且比較分散，根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果還未能獲得具體的、可信的調(diào)控分蘗相關性狀的作用機制途徑。

4 討論與展望

高產(chǎn)是作物研究永恒不變的追求目標，而株型改良育種一直以來都是作物高產(chǎn)育種的主要方向。分蘗模式是植物株型建成的重要構(gòu)成因素，在過去的一二十年中，通過對模式植物擬南芥以及水稻、玉米、番茄、大豆等農(nóng)作物的研究，加深了我們對植物分蘗(分枝)遺傳機制的理解。在大多數(shù)作物中，馴化品種的分蘗要比野生品種少，使其更適于密植，且能減少群體間對光和土壤養(yǎng)分的競爭，同時還可減輕因分蘗過多造成郁閉而使病蟲害危害加重；然而分蘗過少會造成穗數(shù)不足，也會影響作物產(chǎn)量。分蘗作為重要的農(nóng)藝性狀，與穗數(shù)的形成直接相關，是決定作物最終產(chǎn)量的重要因素之一。因此，對分蘗性狀遺傳機理進行研究不僅有助于增加對作物理想株型建成機制的認識和理解，也可使通過株型改良培育高產(chǎn)作物品種成為可能。

小麥作為人類三大主要糧食作物之一，在保障全球糧食安全中發(fā)揮著不可替代的作用。加快小麥重要性狀基因的克隆，利用分子生物學手段改良現(xiàn)有品種，對培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆的小麥新品種具有十分重要的意義。小麥分蘗數(shù)目直接影響和決定單位面積穗數(shù)，分蘗角度也通過影響種植密度間接影響單位面積穗數(shù)，兩者對小麥產(chǎn)量的形成均具有重要意義。通過對小麥分蘗性狀遺傳機制進行研究，發(fā)掘小麥分蘗相關基因，克隆在生產(chǎn)上有應用前景的優(yōu)異功能基因，系統(tǒng)研究基因的功能，并借用分子手段加以利用，對拓寬小麥育種資源，改良小麥株型和產(chǎn)量，培育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)新品種，確保中國乃至全球糧食安全具有十分重要的意義。然而由于六倍體小麥基因組龐大且重復序列較多，采用傳統(tǒng)定位方法從中分離基因非常困難；同時分蘗性狀是多基因控制的數(shù)量性狀，且易受環(huán)境因素影響，這些因素均增加了研究難度。目前，對于小麥分蘗性狀的遺傳研究雖然已開展多年，但一直未有突破性進展，大部分工作停留在定位階段，相關基因的分離和克隆鮮有報道，遺傳調(diào)控機制仍很不清晰，遠遠不能滿足實際需要，目前還未有相關研究成果應用于育種工作的報道。隨著小麥基因組測序工作的發(fā)展，小麥基因組數(shù)據(jù)庫及基因注釋信息日益完善，IWGSC已公布最新的中國春參考序列(IWGSC RefSeq v2.1)，為小麥功能基因組學的研究奠定了良好基礎。同時GWAS、集群分離分析(bulked sample/segregant analysis,BSA)、全外顯子組測序(whole exome sequencing,BSA)等多種新興技術的出現(xiàn)和發(fā)展，為鑒定復雜農(nóng)藝性狀遺傳調(diào)控基因提供了快速有效的途徑，相信該領域的研究會有日新月異的進展，未來會有更多小麥分蘗相關基因被分離和克隆，且小麥分蘗性狀的分子遺傳機制也終將會得到闡明。