玉米子粒灌漿的生理機(jī)制和分子調(diào)控機(jī)理

陳 定

（湖北生物科技職業(yè)學(xué)院，武漢 430070）

玉米在中國(guó)不僅是主要的食用飼用作物，也是重要的能源植物。玉米子粒灌漿階段的干物質(zhì)積累很大程度影響玉米后期的收成，玉米子粒灌漿速率及灌漿期持續(xù)時(shí)間決定了玉米的粒重和產(chǎn)量水平。另外，中國(guó)目前的玉米品種收獲時(shí)具有較高的子粒含水量，一定程度上增加了機(jī)械化收割的難度和收獲成本。玉米子粒的灌漿速率與子粒脫水率互相影響，不可分割，當(dāng)前中國(guó)玉米育種工作中需要攻克的一大難題就是如何培育灌漿速率和子粒脫水速率更高的玉米品種。玉米子粒灌漿過(guò)程調(diào)控復(fù)雜，受多基因控制和環(huán)境條件影響［1-3］。通過(guò)對(duì)玉米子粒灌漿生理特性及其分子遺傳機(jī)制的了解，可以通過(guò)分子輔助設(shè)計(jì)育種，培育子粒灌漿速率快、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的玉米新品種，適應(yīng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展需求。本研究對(duì)玉米子粒灌漿的生理特性以及子粒灌漿速率的分子調(diào)控機(jī)制進(jìn)行概述，為通過(guò)調(diào)控玉米子粒灌漿速率實(shí)現(xiàn)玉米增產(chǎn)提質(zhì)提供參考。

1 玉米子粒灌漿過(guò)程的生理特性

1.1 玉米子粒灌漿過(guò)程

玉米子粒灌漿持續(xù)期是授粉階段至灌漿停止的整個(gè)過(guò)程，通常被劃分成3個(gè)階段［4，5］。玉米授粉完成后，前10 d為緩慢灌漿期，子粒干物質(zhì)積累緩慢，灌漿速率低。授粉后10～25 d為線性灌漿期，灌漿速度驟增。授粉25 d后到達(dá)成熟脫水期，灌漿速度趨于減慢直至停止，此時(shí)乳線消失、黑色層形成，子粒成熟。因此，玉米整個(gè)子粒灌漿期一般呈單峰曲線［5］。有效灌漿期是增加干物質(zhì)積累和提高產(chǎn)量的關(guān)鍵時(shí)期，子粒重量明顯隨著灌漿速率的提高而增加。

1.2 玉米子粒灌漿過(guò)程中的生理變化

子粒灌漿過(guò)程中的蛋白質(zhì)組學(xué)變化表明，與碳水化合物代謝有關(guān)的蛋白質(zhì)在授粉后15～20 d達(dá)到最大積累，隨后下降直至授粉后30 d。相比耐旱性弱的玉米自交系，耐旱性強(qiáng)的玉米自交系中有更多顯著差異表達(dá)的蛋白質(zhì)，如抗氧化酶、脫水蛋白、蛋白酶水解抑制劑、脫落酸應(yīng)答蛋白和類(lèi)防御素等，這些蛋白質(zhì)共同協(xié)作幫助玉米灌漿期子粒更好地適應(yīng)干旱脅迫［6］。

植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)于作物的生理代謝活動(dòng)及生長(zhǎng)發(fā)育都不可或缺，對(duì)玉米子粒灌漿過(guò)程也有關(guān)鍵影響。生長(zhǎng)素（IAA）、細(xì)胞分裂素（CTK）和赤霉素（GA3）參與調(diào)控光合產(chǎn)物向子粒的運(yùn)輸過(guò)程以及在子粒中的積累速率，脫落酸（ABA）可以促進(jìn)子粒生長(zhǎng)發(fā)育，并可能影響子粒的脫水過(guò)程，但過(guò)量的ABA則使子粒脫水減緩，還與IAA、GA3和CTK的一些生理效應(yīng)相拮抗［7］。

玉米子粒灌漿過(guò)程中內(nèi)源激素含量會(huì)發(fā)生變化，且內(nèi)源激素的變化模式及子粒灌漿速度因玉米品種而異［8］，但同一內(nèi)源激素的含量在子粒生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的變化趨勢(shì)總是相同的。有研究發(fā)現(xiàn)，盡管熟期不同，子粒灌漿速率和脫水速率均受到IAA、玉米素核苷（ZR）、GA3的正調(diào)控和ABA的負(fù)調(diào)控，說(shuō)明玉米子粒灌漿與脫水是關(guān)聯(lián)密切的2個(gè)過(guò)程，并且受內(nèi)源激素水平的影響。2個(gè)早熟品種登海518、衡早8號(hào)子粒脫水速率明顯隨著ZR含量的上升而升高，并且較晚熟品種而言，子粒中含有更高的ABA含量，尤其在灌漿中后期［7］。

降低GA3或者提高ABA的水平能夠促進(jìn)碳水化合物向子粒轉(zhuǎn)運(yùn)，提高灌漿速率［9］。充足的內(nèi)源ABA可促進(jìn)蔗糖轉(zhuǎn)化為淀粉，加快子粒灌漿和脫水速率，導(dǎo)致子粒早熟。噴施外源ABA則減緩子粒灌漿速率，提高了子粒含水率，尤其是對(duì)脫水快類(lèi)型的玉米品種［10］。GA4+7涂抹玉米雌穗能有效調(diào)節(jié)子粒中生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑水平和穗位葉的抗氧化酶活性，促進(jìn)子粒內(nèi)源IAA、ZR、GA3和ABA的合成，抑制葉片積累丙二醛，推遲玉米葉片進(jìn)入衰老時(shí)期，從而使玉米子粒灌漿期加長(zhǎng)，給予玉米子粒充分積累干物質(zhì)的條件，促使子粒灌漿充足，增加玉米粒重和穗粒數(shù)，達(dá)到玉米增產(chǎn)的目標(biāo)［11］。

玉米的灌漿速率除受內(nèi)源激素水平調(diào)控外，還受到環(huán)境因素的影響，主要有光照、溫度、水分和養(yǎng)分。光照能影響子粒灌漿速率和淀粉含量，從而影響子粒重［12］。有研究表明，高溫可以促進(jìn)子粒干物質(zhì)積累，提高灌漿效率，使子粒有效灌漿期縮短，促進(jìn)子粒迅速脫水［5］。玉米播種期推遲，玉米灌漿期溫度偏低，將延長(zhǎng)玉米灌漿持續(xù)期，降低灌漿速率，后期對(duì)粒重影響較大。已有報(bào)道表明，子粒灌漿速率受溫度影響［13］，熱量資源有限生態(tài)區(qū)的玉米作物進(jìn)入灌漿緩增期后處于低溫環(huán)境，子粒灌漿緩慢，導(dǎo)致后期收獲時(shí)中晚熟品種粒重更低［14］。

2 玉米灌漿速率遺傳機(jī)理和分子調(diào)控機(jī)制

近年來(lái)，對(duì)玉米子粒灌漿速率的研究逐漸加深，對(duì)控制玉米灌漿速率遺傳機(jī)理和分子調(diào)控機(jī)制取得了一定進(jìn)展。

玉米子粒干重約70%都是淀粉，淀粉的合成與積累是玉米子粒灌漿的主要環(huán)節(jié)。在水稻中發(fā)現(xiàn)了27個(gè)具有組織和發(fā)育時(shí)期特異性的淀粉合成相關(guān)基因參與灌漿過(guò)程［15］，這些家族的所有成員同樣也在玉米基因組中鑒定得到［16］。Zhang等［17］研究了玉米子粒灌漿過(guò)程中淀粉合成相關(guān)酶活性之間及其與直鏈淀粉、支鏈淀粉和淀粉積累速率的相關(guān)性，這有助于從酶學(xué)調(diào)控水平探究玉米灌漿過(guò)程的生理代謝機(jī)制。

為了更好地揭示玉米子粒發(fā)育的遺傳基礎(chǔ)，對(duì)胚和胚乳的發(fā)育過(guò)程在不同水平上進(jìn)行了研究，對(duì)玉米胚和胚乳的發(fā)育過(guò)程有了一定了解［4，18-24］。一些和玉米子粒大小及發(fā)育的相關(guān)基因，如RGF1、SH1、SH2、DEK1、MNL1和CNR1已被克隆［25］。玉米子粒灌漿過(guò)程具有復(fù)雜遺傳效應(yīng)，玉米子粒灌漿速率由多基因控制，在不同基因型玉米中表現(xiàn)出連續(xù)性的明顯變異。玉米灌漿速率還受到高溫、干旱、栽培條件等環(huán)境條件的影響，表現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化。目前，已克隆的和玉米、水稻子粒灌漿速率相關(guān)的基因（如RGF1、GS5和GIF1）還很少［26-28］。研究不斷致力于定位玉米灌漿速率的相關(guān)基因或QTL（Quantitative trait loci）。Thévenot等［29］利用100個(gè)家系組成的重組自交系群體，定位了子粒灌漿過(guò)程中與淀粉合成酶活性和可溶性碳水化合物含量相關(guān)的大量QTLs，發(fā)現(xiàn)在染色體某些區(qū)域有QTLs的大量富集，形成QTL簇。許多和淀粉合成途徑相關(guān)的基因與QTLs共定位，其中有4個(gè)QTLs與編碼蔗糖合成酶基因Sh1臨近。Liu等［1］利用獲得的203個(gè)重組自交系，定位了灌漿過(guò)程中不同時(shí)期的23個(gè)非條件QTLs和9個(gè)條件QTLs，除第9染色體外均有分布，其中有6個(gè)條件QTLs與非條件QTL是共同檢測(cè)到的。Zhang等［25］利用永久F2代群體在玉米有效灌漿期和脫水成熟期6個(gè)階段鑒定到33個(gè)非條件QTLs和14個(gè)條件QTLs，大部分的QTLs與之前研究報(bào)道的與子粒灌漿速率、淀粉合成酶活性、可溶性碳水化合物以及子粒灌漿相關(guān)基因的QTLs共定位，授粉后16～35 d特異表達(dá)的QTLs對(duì)于決定子粒重量可能發(fā)揮重要作用。

玉米灌漿期干旱脅迫轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究表明，在抗旱玉米品種特異性表達(dá)的上調(diào)基因廣泛參與氮代謝過(guò)程和生物合成；下調(diào)基因則主要參與蛋白質(zhì)磷酸化和磷脂信號(hào)通路［30］。

miRNAs可以調(diào)控許多轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄后水平，進(jìn)而從各方面影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程［31］。對(duì)鄭單958的4個(gè)灌漿時(shí)期進(jìn)行高通量測(cè)序，鑒定到77個(gè)保守的miRNAs和74個(gè)新的miRNA。這些miRNA的表達(dá)在玉米灌漿時(shí)期存在動(dòng)態(tài)變化，說(shuō)明miRNA的表達(dá)因不同組織和發(fā)育時(shí)期而異，那些在玉米灌漿速率最大時(shí)，表達(dá)量最大或最低的miRNAs可能對(duì)玉米灌漿速率的調(diào)控具有重要作用，通過(guò)分析這些miRNAs和預(yù)測(cè)靶基因的功能，初步揭示了幾個(gè)關(guān)鍵miRNAs參與玉米灌漿過(guò)程調(diào)控的機(jī)制［32］。

除了在轉(zhuǎn)錄組水平上研究玉米灌漿速率外，利用蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)分析玉米灌漿速率的研究也有報(bào)道。利用3個(gè)玉米雜交種（鄭單958、農(nóng)大108和先玉335）在玉米線性灌漿期進(jìn)行了玉米胚和胚乳的蛋白質(zhì)組學(xué)分析，尋找參與玉米灌漿速率的重要調(diào)節(jié)因子，為研究玉米灌漿的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控機(jī)理提供了一些線索［33］。通過(guò)GO注釋干旱脅迫下玉米灌漿期子粒差異表達(dá)蛋白質(zhì)，獲得了相關(guān)關(guān)鍵蛋白質(zhì)信息，以揭示玉米抵御干旱的作用機(jī)理［6］。綜合分析干旱脅迫下玉米灌漿過(guò)程的極顯著差異表達(dá)蛋白質(zhì)和代謝通路，初步構(gòu)建其耐旱分子模型，耐旱自交系YE8112特異性差異豐富蛋白DAPs主要在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)加工和色氨酸代謝途徑發(fā)揮作用，而干旱敏感自交系Mo17特異性DAPs則對(duì)淀粉蔗糖代謝和氧化磷酸化途徑進(jìn)行調(diào)控［34］。

雖然在轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組水平上對(duì)玉米灌漿速率有了初步研究，對(duì)影響玉米灌漿速率的QTLs也進(jìn)行了分析，但是對(duì)影響玉米灌漿速率的主基因或主效QTL的定位還很少，對(duì)基因的結(jié)構(gòu)、功能以及參與灌漿速率的基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控途徑仍不清楚。以往的研究使用了來(lái)自不同遺傳背景的自交系、雜交品種或重組自交系用于玉米灌漿速率的QTL分析、轉(zhuǎn)錄組或蛋白質(zhì)組學(xué)分析，獲得有用信息較少。利用近等基因系可以消除遺傳背景的干擾，使基因組只存在一個(gè)或者幾個(gè)QTL分離，有利于精準(zhǔn)定位主效基因或QTL，為基因功能分析、分子輔助標(biāo)記和育種工作提供幫助。

未來(lái)可通過(guò)獲得不同的重組自交系材料或其他材料，綜合運(yùn)用植物生理、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳、生化、分子生物學(xué)等技術(shù)，在全基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組等水平上開(kāi)展玉米灌漿速率研究，尋找控制玉米灌漿速率的重要基因或QTLs，開(kāi)展相關(guān)基因的功能研究，初步繪制玉米灌漿持續(xù)期的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)分子輔助標(biāo)記和分子設(shè)計(jì)育種，獲得子粒灌漿速率和脫水速率更快、含水率更低的玉米新品種，提高玉米培育全程機(jī)械化水平，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。