藜麥基因組學(xué)與重要農(nóng)藝性狀位點(diǎn)研究進(jìn)展

李玲紅，茍彤，任愛霞，丁鵬程，林文，武祥云，孫敏，高志強(qiáng)

綜 述

藜麥基因組學(xué)與重要農(nóng)藝性狀位點(diǎn)研究進(jìn)展

李玲紅1，茍彤1，任愛霞1，丁鵬程1，林文1，武祥云2，孫敏1，高志強(qiáng)1

1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，太谷 030801 2. 山西稼琪農(nóng)業(yè)科技有限公司，太原 030006

藜麥(Willd.)作為20世紀(jì)新興的健康食物，因其營(yíng)養(yǎng)成分全面、抗逆性強(qiáng)等特性備受關(guān)注，在國(guó)際上享有“營(yíng)養(yǎng)黃金”、“素食之王”、“未來食品”的美譽(yù)。近年來隨著基因組學(xué)和高通量測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，藜麥高質(zhì)量的全基因組序列得以完成并開展了系列關(guān)鍵基因功能研究。本文總結(jié)了藜麥基因組學(xué)、重要轉(zhuǎn)錄因子基因家族分析、遺傳圖譜構(gòu)建和重要性狀QTL定位和重要農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀基因的研究進(jìn)展。此外，針對(duì)目前藜麥育種的現(xiàn)狀，本文還提出了藜麥育種存在的5個(gè)關(guān)鍵問題，并指出了未來藜麥遺傳改良和育種的4個(gè)重要方向，旨在為實(shí)現(xiàn)未來藜麥的定向遺傳改良提供參考。

藜麥；基因組學(xué)；遺傳育種；性狀；基因

藜麥(, Willd.)屬于藜科藜屬，其種子營(yíng)養(yǎng)豐富，蛋白質(zhì)含量高，是聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)唯一認(rèn)定的一種單體作物(即可滿足人類全部基本營(yíng)養(yǎng)需求的食物)，是一種極具潛力的世界性糧食作物，因此2013年被聯(lián)合國(guó)定為藜麥年(Year of Quinoa)[1]。藜麥起源于南美洲的安第斯山脈，生態(tài)適應(yīng)能力強(qiáng)，具有較強(qiáng)的耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿等抵抗多種非生物逆境的能力，是研究植物應(yīng)對(duì)高鹽度和干旱的新型模式作物。

盡管藜麥在國(guó)際上的重要性日益增加，但藜麥產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的發(fā)展剛剛起步，有很多亟待解決的問題。例如在栽培育種方面，存在優(yōu)異種質(zhì)資源少、優(yōu)良品種缺乏、配套栽培技術(shù)不完善等問題，需要藜麥工作者大力開展引種工作，加快培育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、廣適的藜麥品種，加強(qiáng)配套高產(chǎn)栽培技術(shù)研究，同時(shí)加快綠色有機(jī)食品認(rèn)證[2,3]。隨著藜麥種植面積的不斷增長(zhǎng)，系統(tǒng)研究其遺傳組成、基因型和環(huán)境的互作及其營(yíng)養(yǎng)特性的遺傳基礎(chǔ)等也變得愈加重要。

本文總結(jié)了近年來藜麥基因組和遺傳育種的研究成果，并在此基礎(chǔ)上提出了目前藜麥育種改良工作中存在的關(guān)鍵問題，對(duì)藜麥未來遺傳育種改良和發(fā)展方向進(jìn)行了探討，旨在為藜麥的未來遺傳改良提供重要參考。

1 藜麥基因組研究進(jìn)展

藜麥?zhǔn)钱愒此谋扼w，由祖先二倍體A基因組()和B基因組()雜交而成，基因組的復(fù)雜性在一定程度上限制了藜麥基因組學(xué)的發(fā)展[4]。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出大量的藜麥序列信息，藜麥基因組學(xué)的研究為藜麥遺傳多樣性分析、功能基因挖掘及基因功能的研究及各類組學(xué)的分析等奠定了重要基礎(chǔ)。2016年，藜麥全基因組測(cè)序及組裝完成，相關(guān)研究成果發(fā)表于[5]。該研究利用Illumina Hiseq 2500結(jié)合PacBio RS II的測(cè)序方法，最終組裝得到近25,000個(gè)scaffold，N50為86K。該研究主要完成基因組結(jié)構(gòu)研究、同科物種基因組的基因家族分析以及抗非生物脅迫信號(hào)通路的基因進(jìn)化分析等，但由于進(jìn)化部分的分析過于簡(jiǎn)單，不能完全解析四倍體基因組的進(jìn)化問題。2017年，Jarvis等[6]在上公布了高質(zhì)量的藜麥全基因組序列，該研究利用單分子測(cè)序、光學(xué)圖譜及遺傳圖的方法完成了全基因組測(cè)序及基因組組裝，并利用二代測(cè)序方法組裝了兩個(gè)祖先二倍體；同時(shí)，還對(duì)22個(gè)異源四倍體藜麥完成重測(cè)序；此外，該研究確定了藜麥的進(jìn)化地位并找到了控制種子中合成皂苷的重要轉(zhuǎn)錄因子。同年，Wang等[7]完成了藜麥葉綠體基因組測(cè)序工作。藜麥cpDNA (chloroplastic DNA)全長(zhǎng)為151,169 bp，包含120種基因，其中蛋白編碼基因87種、tRNA 29種、rRNA 4種，總GC含量為37.3%。

除此之外，其他藜麥基因組資源包括幾個(gè)轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)庫(kù)(EST或RNA-seq)和細(xì)菌人工染色體(BAC)文庫(kù)也得以公布[8, 9]，這些數(shù)據(jù)豐富了藜麥的基因組序列信息，對(duì)于藜麥轉(zhuǎn)錄因子基因家族的鑒定、連鎖圖譜的構(gòu)建及功能基因/QTL的挖掘及功能分析等提供了極為有利的條件{Raney, 2014 #15;Stevens, 2006 #13}。

2 藜麥重要轉(zhuǎn)錄因子基因家族研究進(jìn)展

轉(zhuǎn)錄因子是生物中重要的調(diào)控因子，廣泛參與生物生長(zhǎng)、發(fā)育、代謝及環(huán)境響應(yīng)的調(diào)控過程[10]。結(jié)合藜麥全基因組測(cè)序信息，利用生物信息學(xué)方法，對(duì)藜麥轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行全基因組鑒定，并對(duì)其理化性質(zhì)、系統(tǒng)發(fā)育、基因結(jié)構(gòu)、保守結(jié)構(gòu)域、保守基序、組織表達(dá)和抗逆脅迫的表達(dá)進(jìn)行分析，目前在藜麥中已有10余種轉(zhuǎn)錄因子基因家族被相繼報(bào)道，包括NAC[11](NAM、ATAF和CUC首字母縮寫)、MADS-box[12](MCM1、AG、DEF和SRF的首字母縮寫)、WRKY[13]、TH[14](trihelix)、NHX[15](Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白)、TCP[16](TB1、CYC和PCF1/2首字母縮寫)、SPL[17](SQUAMOSA-promoter binding protein-like)、Hsf[18](heat shock transcription factors)、GRF[19](growth- regulating factor)、WOX[20](WUSCHEL-related homeobox)、KEA[21](K+efflux antiporter)、FAX[22](fatty acid export)和NLP[23](NIN-like protein)等。各家族的名稱、主要功能、家族成員數(shù)量、基因組織表達(dá)特異性及基因功能預(yù)測(cè)詳見表1。

表1 藜麥轉(zhuǎn)錄因子基因家族的鑒定及表達(dá)分析

表中數(shù)據(jù)引自參考文獻(xiàn)[11～23]；NA：未找到任何部位的表達(dá)數(shù)據(jù)。

3 藜麥連鎖圖譜構(gòu)建及重要性狀的基因定位

3.1 藜麥分子標(biāo)記的開發(fā)和連鎖圖譜的構(gòu)建

遺傳標(biāo)記是現(xiàn)代育種技術(shù)的重要組成部分，使藜麥基因型的改良成為可能[24]。1993年，F(xiàn)airbanks等[25]首次報(bào)道了利用隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA (random amplified polymorphic DNA, RAPD)標(biāo)記的藜麥DNA標(biāo)記，在16份藜麥材料中發(fā)現(xiàn)了26個(gè)多態(tài)性標(biāo)記。2004年，擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性分子標(biāo)記(amplified fragment length polymorphism, AFLP)也在藜麥中得以開發(fā)并利用[26]。2005年，利用31份藜麥種質(zhì)資源開發(fā)了第一套簡(jiǎn)單序列重復(fù)(simple sequence repeat, SSR)標(biāo)記，包括208個(gè)SSR多態(tài)性標(biāo)記[27]。隨后，單核苷酸多態(tài)性(single-nucleotide polymorphisms, SNPs)標(biāo)記也應(yīng)用于藜麥分子標(biāo)記的檢測(cè)及遺傳多樣性的分析[24]。2017年，通過對(duì)11份藜麥種質(zhì)資源進(jìn)行重新測(cè)序，從基因組InDel變異中，新開發(fā)并驗(yàn)證了85個(gè)多態(tài)性InDel標(biāo)記。結(jié)合已有的62個(gè)SSR標(biāo)記，該研究共用147個(gè)標(biāo)記對(duì)129份藜麥材料進(jìn)行基因分型，結(jié)果表明藜麥基因組類型多樣[28]。

Maughan等[26]利用智利低海拔藜麥品種KU-2與秘魯高原藜麥品種0654雜交獲得的80個(gè)F2個(gè)體，構(gòu)建了藜麥的第一個(gè)遺傳連鎖圖譜，該圖譜包括255個(gè)多態(tài)性標(biāo)記(AFLPs、RAPDs和SSRs)，構(gòu)建了35個(gè)連鎖群，總遺傳距離為1020 cM，每個(gè)標(biāo)記的平均密度為4.0 cM。第二個(gè)藜麥基因連鎖圖譜是利用KU-2與0654品種雜交產(chǎn)生的82個(gè)重組自交系(recombinant inbred lines, RIL)群體構(gòu)建，該圖譜包含200個(gè)SSR標(biāo)記和70個(gè)AFLP標(biāo)記，構(gòu)建了38個(gè)連鎖群，遺傳距離共913 cM[29]。此后，利用兩個(gè)具有共同父本(0654高原藜麥品種)包含128個(gè)重組自交系的高代RIL群體，對(duì)451個(gè)多態(tài)性SNP標(biāo)記進(jìn)行連鎖分析，得到29個(gè)遺傳連鎖群，連鎖長(zhǎng)度為1404 cM，平均每個(gè)連鎖群3.1 cM。得益于更大作圖群體的基因分型和更高的標(biāo)記密度，這張圖譜的完整性接近預(yù)測(cè)的藜麥總長(zhǎng)度(1700 cM)[24]。最新的一份連鎖圖譜由Jarvis等[6]將前人的圖譜與兩份新的連鎖圖譜相結(jié)合，最終的連鎖圖譜包含了橫跨2034 cM的18個(gè)連鎖群上的6403個(gè)標(biāo)記。綜上所述，藜麥中已開發(fā)的分子標(biāo)記和構(gòu)建的連鎖圖譜相較于其他作物還是相對(duì)較少的，未來的研究需要構(gòu)建更多更緊密的遺傳圖譜，用于定位更多有價(jià)值的基因或QTL。

3.2 藜麥中已經(jīng)定位的基因/QTL

迄今為止，在藜麥中定位了一些重要農(nóng)藝性狀的基因/QTL，具體信息詳見表2和表3。Cervantes和van Loo[30]利用“Red Carina”(種子苦, 顏色深)和“Atlas”(非苦的歐盟品種)雜交產(chǎn)生的94個(gè)F3個(gè)體，構(gòu)建了包含1076個(gè)SNP的QTL連鎖圖譜，定位了花色、開花時(shí)間和產(chǎn)量等22個(gè)農(nóng)藝性狀相關(guān)的QTL。此外，2020年Sarange等[31]通過對(duì)310份材料進(jìn)行全基因組測(cè)序，發(fā)現(xiàn)了290萬個(gè)高信度多態(tài)性SNP位點(diǎn)，全基因組關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)600個(gè)SNP與17個(gè)農(nóng)藝性狀穩(wěn)定相關(guān)。其中與千粒重相關(guān)的候選基因有2個(gè)，與抗霜霉病相關(guān)的候選基因有一個(gè)類似的抗性基因。此外該研究鑒定了4個(gè)農(nóng)藝性狀的多效性作用位點(diǎn)，這些位點(diǎn)對(duì)光周期響應(yīng)高，因此對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)具有重要意義。最近，Maldonado等[32]利用親本PI614889 (智利品種)與CHEN-109 (秘魯品種)雜交構(gòu)建的F2分離群體構(gòu)建了高密度遺傳圖譜，結(jié)合2個(gè)分離世代(F2和F3)的表型數(shù)據(jù)定位了15個(gè)QTL，包括開花日數(shù)、成熟日數(shù)、株高、穗長(zhǎng)、千粒重、皂苷含量、霉變敏感性等性狀。同時(shí)，該研究在一些多效QTL中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)與光周期響應(yīng)和開花時(shí)間調(diào)控相關(guān)的候選基因。綜上所述，藜麥中已定位的重要農(nóng)藝性狀基因/QTL是有限的，且定位區(qū)間都比較大，需要進(jìn)一步精細(xì)定位，找到區(qū)間內(nèi)的候選基因，進(jìn)行基因的克隆和功能驗(yàn)證，從而更好地服務(wù)于藜麥的遺傳改良育種。

表2 藜麥中已定位的基因匯總信息

表中數(shù)據(jù)引自參考文獻(xiàn)[31]。

表3 藜麥中已定位的QTL匯總信息

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

表中數(shù)據(jù)整合自參考文獻(xiàn)[30,32]，DTF、PH、TKW、DTM、PL、PD、MS、SW和SN分別表示開花日數(shù)、株高、千粒重、成熟日數(shù)、穗長(zhǎng)、穗密度、霉病易感性、單株粒重和每株種子數(shù)。

4 藜麥遺傳改良重要基因研究進(jìn)展

目前藜麥遺傳轉(zhuǎn)化體系尚未建立，各性狀相關(guān)基因的研究仍局限于物種的同源比對(duì)及基因的表達(dá)分析，功能基因的挖掘和鑒定在藜麥中研究甚少。本文主要針對(duì)藜麥生長(zhǎng)發(fā)育、農(nóng)藝性狀、品質(zhì)、非生物抗性及生物抗性這5個(gè)方面涉及的主要性狀以及各性狀相關(guān)基因的研究進(jìn)展進(jìn)行闡述，根據(jù)其他作物中已定位基因預(yù)測(cè)的藜麥各性狀相關(guān)基因詳見圖1和表4。

4.1 藜麥開花相關(guān)基因的研究進(jìn)展

藜麥的栽培范圍已經(jīng)擴(kuò)展到安第斯山脈以外的世界各地，確定藜麥對(duì)不同白晝長(zhǎng)度響應(yīng)的遺傳因子對(duì)更好地開發(fā)適應(yīng)新環(huán)境的新品種有著決定性意義。2017年，Jarvis等[6]在藜麥基因組中發(fā)現(xiàn)了擬南芥()調(diào)節(jié)開花時(shí)間(flowering time，F(xiàn)T)基因的兩個(gè)同源基因和，兩個(gè)基因分別有3個(gè)和2個(gè)同源基因，其中的3個(gè)同源基因以串聯(lián)重復(fù)的形式存在。進(jìn)一步的功能研究需要確定藜麥?zhǔn)欠衿鸫龠M(jìn)開花作用，而是否在春化前起抑制開花作用[33,34]。另外，根據(jù)最近發(fā)表的藜麥全基因組序列，通過序列相似性挖掘藜麥中開花相關(guān)基因，從而促進(jìn)對(duì)藜麥開花調(diào)控的理解。

4.2 藜麥農(nóng)藝性狀相關(guān)基因的研究進(jìn)展

4.2.1 株高

株高與作物的株型、生物量、產(chǎn)量等重要性狀密切相關(guān)。適當(dāng)降低株高可以增強(qiáng)作物的抗倒伏能力，提高收獲指數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)作物的增產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)。20世紀(jì)以來，小麥中()和()[35]以及玉米中和[36]的廣泛使用，使全世界小麥和玉米產(chǎn)量大幅度提升，極大地保障了全球糧食安全。在南美洲，藜麥植株可達(dá)3 m，倒伏是影響藜麥產(chǎn)量的潛在的問題，有報(bào)道顯示株高與種子產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)[37]。因此，克隆影響株高的基因是提高藜麥產(chǎn)量的目標(biāo)之一。在藜麥基因組中存在小麥/的兩個(gè)同源基因(和)，這些基因也是擬南芥(編碼一個(gè)參與赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子)的同源基因，是有望改良藜麥株高的重要基因[38]。

圖1 藜麥重要性狀相關(guān)基因的預(yù)測(cè)

表4 藜麥重要性狀相關(guān)基因的預(yù)測(cè)

NA：未找到相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2.2 粒重

植物種子大小作為重要的產(chǎn)量構(gòu)成要素，長(zhǎng)期以來一直作為作物育種改良的主要目標(biāo)之一。研究表明，水稻(L.)中有控制種子大小的基因，包括(，編碼一個(gè)環(huán)型E3泛素連接酶)、(，編碼籽粒早期灌漿過程中碳分配所需的細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶)[39]。是導(dǎo)致野生稻()籽粒較小的基因，基因的累積突變導(dǎo)致馴化水稻品種的籽粒變大。是擬南芥的同源基因，是細(xì)胞分裂的負(fù)調(diào)控因子，功能缺失突變體的細(xì)胞數(shù)量增加，導(dǎo)致小穗殼變寬。通過基因的同源比對(duì)，僅在藜麥中鑒定到的一個(gè)同源基因，存在兩個(gè)同源基因和。因此，研究藜麥同源基因的功能缺失突變將是增加藜麥種子大小的一個(gè)切入點(diǎn)。

在相同的遺傳背景下，將增加粒數(shù)和種子大小的基因組合在一起，可為作物的定向改良提供策略。在水稻中，()和()功能缺失突變的組合產(chǎn)生雜交優(yōu)良水稻的重穗表型[40]。在擬南芥中，通過缺失水稻兩個(gè)同源基因和可以模擬水稻突變表型[41]?；蛲幢葘?duì)發(fā)現(xiàn)，藜麥中存在的兩個(gè)相近的同源基因(和)和的另兩個(gè)同源基因(和)，這可能是提高藜麥種子產(chǎn)量潛在的目標(biāo)基因。

4.2.3 落粒性

落粒性是野生植物在種子成熟時(shí)釋放并繁衍后代的一種能力，這種能力對(duì)植物在野外生存至關(guān)重要，但會(huì)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)造成巨大損失。一般來說，馴化作物的種子傳播機(jī)制失活，造成脫落區(qū)周圍細(xì)胞壁較厚，導(dǎo)致種子或果實(shí)無法從母組織分離[42]。目前，已經(jīng)在許多物種中報(bào)道了控制種子落粒性的關(guān)鍵基因。在水稻中，、和協(xié)同作用控制分離區(qū)發(fā)育，其中是主要的轉(zhuǎn)錄因子，正向調(diào)控的活性，影響上述兩種轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)[43]。在擬南芥中，冗余的MADS-box轉(zhuǎn)錄因子()和負(fù)責(zé)裂縫區(qū)分化和種子傳播[44]。在藜麥中存在的兩個(gè)同源基因(和)。盡管其他作物中已經(jīng)報(bào)道了控制落粒性相關(guān)的基因，但是藜麥中還未有相關(guān)的報(bào)道，這也是藜麥未來研究的一個(gè)重要方向。

4.3 藜麥品質(zhì)相關(guān)基因的研究進(jìn)展

4.3.1 皂苷

藜麥種子通常含有皂苷(三萜苷的混合物)，皂苷對(duì)植物生長(zhǎng)具有一定的驅(qū)蟲效應(yīng)，但其味苦且對(duì)人體有一定的毒害。目前生產(chǎn)無皂苷藜麥種子的策略是通過濕法或干法來去除它們，這兩種方法分別需要水浸泡種子或?qū)ｉT的機(jī)械處理，耗時(shí)且成本較高。利用藜麥種質(zhì)資源中天然皂苷含量較低品種的遺傳多樣性，開發(fā)無皂苷藜麥品種將是一種有前景的替代方法。然而，實(shí)現(xiàn)這一策略的前提是克隆藜麥中調(diào)控皂苷合成的基因?；谶@一目標(biāo)，F(xiàn)iallos-Jurado等[45]結(jié)合生理學(xué)和分子生物學(xué)的方法，從厄瓜多爾甜藜和苦藜基因型中鑒定參與藜麥皂苷生物合成的新基因。該研究首先證實(shí)了茉莉酸甲酯(MeJA)處理會(huì)誘導(dǎo)藜麥葉中皂苷的合成，然后利用兩個(gè)公開的藜麥RNA-seq數(shù)據(jù)集進(jìn)行了重新轉(zhuǎn)錄組組裝，以確定22個(gè)已知在擬南芥中穩(wěn)定表達(dá)的藜麥同源序列，并作為藜麥qPCR分析及藜麥皂苷生物合成候選基因篩選的參考。

2017年，Jarvis等[6]利用Kurmi(甜藜)×0654(苦藜)和Atlas(甜藜)×Carina Red(苦藜)分別構(gòu)建兩個(gè)分離群體，通過連鎖圖譜定位和集群分離分析(bulked segregant analysis，BSA)，在CqB16染色體上鑒定到一個(gè)種子皂苷存在/缺失相關(guān)的位點(diǎn)。在該區(qū)域內(nèi)，兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子基因和根據(jù)參考基因組注釋為basic helix-loop-helix(bHLH)，與三萜皂苷生物合成激活調(diào)控因子()基因相似，該基因在皂苷生物合成中發(fā)揮作用。利用RNA-seq測(cè)定并分析了這些基因在藜麥根、花和未成熟種子組織中的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)(、)在藜麥根中有組織特異性表達(dá)，而()在苦味品種的種子中表達(dá)更高。此外的序列包含多個(gè)獨(dú)立的突變，且與甜味表型共分離，進(jìn)一步確定了是調(diào)節(jié)藜麥種子中皂苷存在和缺失的關(guān)鍵候選基因。

4.3.2 種子貯藏蛋白

藜麥的主要品質(zhì)之一在于其種子含有豐富的蛋白質(zhì)且氨基酸含量均衡，因此挖掘藜麥種子高品質(zhì)的關(guān)鍵基因能為藜麥育種提供重要線索。2008年，Balzotti等[46]從藜麥發(fā)育種子構(gòu)建的cDNA文庫(kù)中篩選分離出兩個(gè)11S基因的cDNA序列，測(cè)序結(jié)果表明，這兩個(gè)基因分別屬于藜麥基因組的同源位點(diǎn)11SA和11SB，是一個(gè)編碼11S種子貯藏蛋白的兩個(gè)變體，與的11S球蛋白同源性達(dá)74%。通過對(duì)藜麥11S氨基酸序列的分析，發(fā)現(xiàn)與其他物種的氨基酸序列具有保守性，并鑒定出一個(gè)定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)的包含25個(gè)氨基酸殘基的信號(hào)肽?；虮磉_(dá)分析表明，不同地理來源和成熟速率的9種藜麥基因型種子成熟后期11S mRNA表達(dá)量較高。Balzotti等[47]論證了11S mRNA的表達(dá)水平與種子中11S蛋白的積累和成熟速率相關(guān)，這與其他植物種子發(fā)育過程中貯藏蛋白積累的模式一致。編碼藜麥第二大種子貯藏2S蛋白基因的克隆、測(cè)序和表達(dá)特征有待進(jìn)一步研究，該基因與11S種子蛋白結(jié)合產(chǎn)生了藜麥種子蛋白質(zhì)的獨(dú)特?cái)?shù)量和組成。

4.4 藜麥非生物抗性相關(guān)基因的研究進(jìn)展

藜麥種植在應(yīng)對(duì)氣候變化和人口增長(zhǎng)方面對(duì)全球糧食安全的重要性日益突出，研究關(guān)鍵增強(qiáng)耐受性的基因，闡明藜麥對(duì)非生物脅迫耐受性的遺傳基礎(chǔ)有助于制定具體、有效和快速的育種計(jì)劃。最近發(fā)布的高質(zhì)量藜麥參考基因組為非生物逆境抗性基因的挖掘提供了重要的工具。有關(guān)藜麥非生物抗性研究雖然在遺傳水平上的研究相對(duì)較少，但現(xiàn)有的研究對(duì)未來藜麥的遺傳改良仍具有重要指導(dǎo)意義。

4.4.1 耐鹽

植物的耐鹽性是一種重要的非生物抗性。藜麥?zhǔn)且环N兼性鹽生作物，其耐鹽性可達(dá)150～300 mmol/L NaCl，耐鹽程度大大高于大麥(L.)、小麥(L.)和玉米(L.)[48]。利用EST序列資源克隆了藜麥的兩個(gè)鹽過度敏感(salt overly sensitive 1,)基因和，兩個(gè)基因均編碼一個(gè)質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體。序列分析表明，和基因各有23個(gè)外顯子，分別包含3477 bp和3486 bp的編碼序列，這些序列與其他物種的同源物有高度的相似性，包含兩個(gè)保守的結(jié)構(gòu)域，一個(gè)陽(yáng)離子-反向轉(zhuǎn)運(yùn)體結(jié)構(gòu)域(Nhap)和一個(gè)環(huán)核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域。在鹽水條件下(450 mmol/L)，在根和葉組織中均有相對(duì)表達(dá)量，葉中的相對(duì)表達(dá)量始終是根的3～4倍，而且葉片對(duì)鹽脅迫的反應(yīng)比根更強(qiáng)烈，這表明脅迫下基因在根中具有結(jié)構(gòu)性表達(dá)，而在葉中具有誘導(dǎo)表達(dá)，因此對(duì)鹽漬環(huán)境下藜麥的萌發(fā)和生長(zhǎng)中起重要作用[49]。

Schmockel等[50]將RNA測(cè)序分析與比較基因組學(xué)和蛋白質(zhì)拓?fù)漕A(yù)測(cè)方法相結(jié)合，以識(shí)別藜屬植物品種PI614886基因組參考序列中涉及耐鹽的候選基因。作者通過鹽脅迫下的差異表達(dá)基因共鑒定出219個(gè)候選基因，這些候選基因相對(duì)于其他莧菜科物種來說具有較高的特異性，均含有一個(gè)及以上預(yù)測(cè)的跨膜結(jié)構(gòu)域。比較了21份藜屬植物(14份、5份和2份)的219個(gè)候選基因中的單核苷酸多態(tài)性和拷貝數(shù)變異(copy number variation，CNV)及其對(duì)鹽度的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了15個(gè)可能影響藜屬植物耐鹽性差異的基因，這些候選基因是未來提高藜麥耐鹽性的研究目標(biāo)。

藜麥可以在高鹽環(huán)境中生長(zhǎng)，得益于其植株表面獨(dú)特的表皮組織(epidermal bladder cells，EBCs)。為了探究鹽如何進(jìn)入EBCs的分子機(jī)制，Bohm等[51]在存在土壤鹽度(處理)和不存在土壤鹽度(對(duì)照)的情況下，收集了5020株藜麥植物的EBCs并進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，并對(duì)囊泡表達(dá)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行了功能分析。確定了在藜麥EBCs中差異表達(dá)的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因，證實(shí)了為使鹽進(jìn)入并在其液泡中積累，Na+和Cl–需要穿過細(xì)胞膜到達(dá)囊泡細(xì)胞質(zhì)，文章還繪制了極性鹽轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的工作模型。Imamura等[52]鑒定了鹽生藜屬植物中參與EBC形成的基因，并揭示了新的EBC功能。實(shí)驗(yàn)證實(shí)編碼一個(gè)WD40蛋白，該蛋白定位于細(xì)胞核和葉綠體。此外，系統(tǒng)發(fā)育和轉(zhuǎn)基因植物分析顯示，REBC蛋白不同于TTG1，參與毛狀體的形成，這些研究結(jié)果為了解EBC的形成機(jī)制提供了依據(jù)，同時(shí)該結(jié)果有助于闡明含EBC鹽生植物的抗逆性機(jī)制。

4.4.2 抗旱

藜麥能夠適應(yīng)安第斯山脈及其他地區(qū)不斷變化的環(huán)境，在半干旱甚至沙漠條件下生長(zhǎng)并收獲種子，因此了解藜麥對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制及其分子基礎(chǔ)可以為培育抗旱廣適的藜麥新品種奠定基礎(chǔ)。Liu等[53]在藜麥基因組中鑒定出16個(gè)編碼70 kDa熱休克蛋白(Hsp70s)的基因，該基因是一組保守的伴侶蛋白，長(zhǎng)度為412 aa～891 aa，在多種植物中已被證實(shí)在干旱脅迫耐受中發(fā)揮作用。Morales等[9]的一項(xiàng)研究檢測(cè)了智利3種藜麥基因類型在干旱條件下的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)。他們根據(jù)其相對(duì)含水量，電解質(zhì)泄漏和光系統(tǒng)II的最大效率，確定基因型R49(一個(gè)salares品種)是最耐旱的。值得注意的是，sHSP家族基因的表達(dá)高度上調(diào)。的表達(dá)增加了200倍，表明它是藜麥對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)的一部分。同時(shí)該研究還報(bào)道了水稻中被證明對(duì)ABA敏感的基因也表現(xiàn)為高度上調(diào)表達(dá)。(通過ABA依賴和不依賴的途徑在調(diào)節(jié)植物對(duì)脅迫的適應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用)上調(diào)表達(dá)，表明它可能需要協(xié)調(diào)支撐非生物抗逆性的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[54]。

4.4.3 耐熱

炎熱的氣候和沙漠會(huì)給藜麥的種植帶來很大的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致花粉活力降低，籽粒不能正常結(jié)實(shí)。由于北美大部分溫帶地區(qū)的夏季溫度都超過了藜麥的耐受閾值，開發(fā)耐熱品種有利于擴(kuò)大藜麥的生產(chǎn)面積，并提高熱浪破壞性地區(qū)的收獲安全性。HSFA1s是熱休克因子(heat shock factor，HSF)蛋白家族成員之一，已成為影響植物熱休克反應(yīng)的主要轉(zhuǎn)錄因子，參與了植物獲得熱耐受性的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄級(jí)聯(lián)調(diào)節(jié)[55]。通過基因比對(duì)發(fā)現(xiàn)藜麥基因組中存在的兩個(gè)相近同源基因(和)。2019年，Hinojosa等[56]在玻璃溫室對(duì)112種藜麥基因型的篩選及其隨后的田間評(píng)價(jià)表明，它們?cè)谀蜔嵝苑矫娲嬖陲@著的遺傳變異。因此，對(duì)這些材料進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome-wide association studies，GWAS)分析和/或基因組測(cè)序可能揭示藜麥不同耐熱性的分子基礎(chǔ)。

4.4.4 耐冷

藜麥在海拔超過4000 m的安第斯山脈種植了數(shù)千年，對(duì)霜凍和寒冷脅迫具有相對(duì)較高的耐受性，但該耐受性取決于品種、發(fā)育階段和冷脅迫程度。了解藜麥在發(fā)育后期如何以及為什么失去對(duì)低溫脅迫的耐受性，可能在氣候變化中保護(hù)藜麥農(nóng)業(yè)具有重要意義。Morales等[9]指出，CqCAP160(冷適應(yīng)蛋白)在干旱條件下增加，表明CqCAP160對(duì)脅迫的反應(yīng)更為普遍。目前還沒有關(guān)于CqCAP160在溫度脅迫耐受中的作用的研究。盡管對(duì)藜麥抗低溫的生理和機(jī)理進(jìn)行了研究，但對(duì)遺傳水平知之甚少，例如糖轉(zhuǎn)化酶、過冷和細(xì)胞壁酶的遺傳控制。隨著近年來高質(zhì)量藜麥基因組的公布，可以通過對(duì)藜麥和擬南芥進(jìn)行比較基因組學(xué)分析，識(shí)別感興趣的耐冷位點(diǎn)。

4.4.5 抗除草劑

雜草控制對(duì)藜麥生產(chǎn)有重大影響，是限制藜麥擴(kuò)張的主要因素之一，提高產(chǎn)量的第一步是實(shí)現(xiàn)有效的雜草控制[57]。鑒于此，Mestanza等[58]對(duì)智利沿海藜麥品種(Regalona-Baer)的乙酰羥基酸合成酶(acetohydroxyacid synthase，)基因家族進(jìn)行了鑒定和分析，為開展抗除草劑育種提供基礎(chǔ)信息?；蚴蔷幋a生物合成途徑中產(chǎn)生纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸必需氨基酸支鏈的第一種酶。由于該基因可能在多倍體物種中存在多個(gè)拷貝，因此研究該基因家族對(duì)于通常只有一個(gè)基因拷貝的雜草二倍體物種中開發(fā)針對(duì)該酶的除草劑抗性具有特殊的意義。Mestanza等[58]對(duì)基因進(jìn)行了克隆、測(cè)序和印跡雜交，發(fā)現(xiàn)在藜麥四倍體基因組中有6個(gè)拷貝。通過與NR數(shù)據(jù)庫(kù)中mRNA序列的比較發(fā)現(xiàn)，和是最保守的基因拷貝，它們可能分別從不同的二倍體親本遺傳而來，并且可能是多倍體事件發(fā)生后產(chǎn)生的重復(fù)拷貝的起點(diǎn)。用最大簡(jiǎn)約系統(tǒng)發(fā)育學(xué)進(jìn)一步分析表明，和是功能性的，而的表達(dá)情況還不清楚，因此還需要進(jìn)行進(jìn)一步的基因表達(dá)分析，以確定其他變異是否以組織特異性的方式表達(dá)。

4.4.6 抗穗發(fā)芽

在夏季多雨的國(guó)家(例如北歐國(guó)家)種植藜麥時(shí)，收獲前發(fā)芽(pre-harvest sprouting)是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗氚l(fā)芽會(huì)嚴(yán)重影響籽粒的產(chǎn)量和品質(zhì)[59]。調(diào)節(jié)谷物休眠期長(zhǎng)短是控制收獲前穗發(fā)芽的有效策略，未來的育種需要設(shè)計(jì)更適應(yīng)區(qū)域氣候的品種。擬南芥()編碼一種磷脂酰乙醇胺結(jié)合蛋白，該蛋白調(diào)節(jié)擬南芥種子萌發(fā)[60]。通過系統(tǒng)發(fā)育分析，López-Marqués等[61]在藜麥中鑒定出的一個(gè)同源基因()，同源度高達(dá)73.41%，此外還有3個(gè)基因 (、和)與有一定的同源性，具體功能需要進(jìn)一步確定。研究表明，(mitogen-activated protein kinase kinase 3)分別是大麥和小麥籽粒主要休眠數(shù)量性狀位點(diǎn)()和的關(guān)鍵基因[62]。序列同源比對(duì)發(fā)現(xiàn)，藜麥基因組編碼3個(gè)與相近的同源基因(、和)，這些基因都對(duì)減少穗發(fā)芽發(fā)生有一定作用[57]。

4.5 藜麥抗病蟲基因的研究進(jìn)展

除了非生物脅迫，生物脅迫也會(huì)影響植物的生長(zhǎng)和生存。因此，研究藜麥對(duì)病原菌和害蟲的反應(yīng)，鑒定抗性或低易感基因型，對(duì)藜麥育種具有重要意義。

4.5.1 抗病

霜霉病由引起，是對(duì)藜麥最具破壞性的病原體，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量大幅下降，但抗性機(jī)制尚不清楚[63]。一些研究試圖通過田間試驗(yàn)篩選不同國(guó)家的多個(gè)品種對(duì)霜霉病的抗性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些品種的抗病性存在廣泛的變異同時(shí)也鑒定到許多抗病基因型，但是由于抗病基因型起源地包括智利沿海低地和秘魯，所以并沒有發(fā)現(xiàn)抗病性和地理起源之間存在明顯的相關(guān)性[64,65]。Ochoa等[66]從厄瓜多爾鑒定出60份藜麥種質(zhì)資源與24株霜霉病分離株。該研究確定了霜霉病的不同毒力群和藜麥的抗性因子，能夠?qū)共〉念愋秃统潭冗M(jìn)行分類。此外，該研究鑒定了對(duì)某些分離株具有抗性的種質(zhì)，發(fā)現(xiàn)沒有對(duì)所有分離株都具有抗性的種質(zhì)。這項(xiàng)研究表明，藜麥種質(zhì)和病原體都是高度可變的，抗病種質(zhì)不能對(duì)病原體的所有菌株都產(chǎn)生抗性。因此未來的研究需要對(duì)藜麥的防御機(jī)制進(jìn)行深入研究，以確定改良品種的潛在遺傳目標(biāo)，并與植物抗性的遺傳評(píng)估相輔相成。

4.5.2 抗蟲

昆蟲對(duì)藜麥的危害極大，尤其是當(dāng)它們以花的結(jié)構(gòu)或種子為食時(shí)，會(huì)降低種子的產(chǎn)量和質(zhì)量。由于昆蟲和植物之間存在著復(fù)雜的形態(tài)、生化和生理相互作用，抗蟲育種必須考慮害蟲和宿主的遺傳學(xué)關(guān)系。植物對(duì)蟲害的抗性主要分為3種：第一是通過抑制攝食或產(chǎn)卵(非偏好)；第二是對(duì)昆蟲的正常生長(zhǎng)或生存產(chǎn)生不利影響(抗生素)；第三是有昆蟲時(shí)植物仍具備抗蟲能力來獲得生存(耐受性)。目前，在藜麥的生產(chǎn)地已報(bào)道了許多害蟲，包括甜菜夜蛾、甲蟲和鼠李蚜、船癭蚜蟲、甜菜根蚜蟲等[67]。盡管已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多影響藜麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量的害蟲，但是關(guān)于藜麥的害蟲防治及抗蟲藜麥品種的挖掘仍然處于起始階段，未來需要人們更加深入地鑒定藜麥品種中的抗蟲基因，積極改良培育新的抗蟲藜麥品種，有效提高藜麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

5.1 藜麥生產(chǎn)研究存在的問題

藜麥具有很高的生物學(xué)價(jià)值，富含礦物質(zhì)和維生素，含有高質(zhì)量的蛋白質(zhì)，包括人體營(yíng)養(yǎng)必需的所有氨基酸，被認(rèn)定為超級(jí)食物[68]。由于藜麥可以生長(zhǎng)在極端氣候和土壤下，特別是霜凍、干旱和鹽堿地區(qū)，藜麥也被認(rèn)為是一種超級(jí)作物[69]。雖然藜麥有諸多優(yōu)點(diǎn)，但藜麥作為超級(jí)食物和超級(jí)作物在遺傳研究、育種方法、種質(zhì)資源創(chuàng)新、不同用途品種培育與加工技術(shù)方面的研究均處于初級(jí)階段，仍有一些關(guān)鍵的問題需解決：(1)與谷類作物相比，藜麥不耐除草劑，不抗倒伏，易穗發(fā)芽，產(chǎn)量較低；(2)藜麥的食用受到種皮中積累的皂苷的限制，皂苷是一種抵御病蟲害的防御機(jī)制，必須在食用前去除，工序較為繁瑣；(3)大多數(shù)甜藜麥品種對(duì)霉病及蟲害極為敏感，造成較大的產(chǎn)量損失；(4)藜麥不耐熱，嚴(yán)重限制了藜麥的種植范圍及產(chǎn)量的提高；(5)通過基因工程培育轉(zhuǎn)基因藜麥仍然極具挑戰(zhàn)性。

5.2 未來藜麥遺傳改良和育種的重要方向

5.2.1 加強(qiáng)種質(zhì)資源篩選收集，積累豐富的變異資源

種質(zhì)資源是育種的重要基礎(chǔ)，能夠?yàn)槠贩N改良帶來豐富的變異資源，種質(zhì)資源的多少直接決定育種質(zhì)量的高低。藜麥種質(zhì)資源收集、創(chuàng)新、保存和鑒定工作相對(duì)落后，優(yōu)異種質(zhì)匱乏，缺少適應(yīng)性強(qiáng)、耐熱、抗倒伏、耐穗發(fā)芽、高產(chǎn)等優(yōu)質(zhì)的種質(zhì)資源，限制了藜麥產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。人類在藜麥馴化中常追求高產(chǎn)、高品質(zhì)和成熟一致等目標(biāo)，導(dǎo)致藜麥遺傳多樣性的降低或丟失，造成了現(xiàn)有遺傳改良的瓶頸問題日益突出[70]。因此核心種質(zhì)資源收集及創(chuàng)新是藜麥產(chǎn)業(yè)鏈的第一個(gè)環(huán)節(jié)。作為藜麥原產(chǎn)國(guó)，南美洲國(guó)家保存了大量的藜麥種質(zhì)資源材料，其中以玻利維亞和秘魯最多，均超過了5000份。引進(jìn)和收集不同國(guó)家、不同生態(tài)區(qū)不同類型的藜麥種質(zhì)資源是藜麥育種的重要途徑[71]。此外由于藜麥?zhǔn)钱愒炊啾扼w，收集二倍體栽培種和野生近緣和等種質(zhì)起源，有助于恢復(fù)藜麥種質(zhì)資源的遺傳多樣性，有效實(shí)現(xiàn)藜麥的遺傳改良。

5.2.2 加強(qiáng)藜麥精準(zhǔn)人工雜交育種創(chuàng)新技術(shù)研究

針對(duì)藜麥花序繁復(fù)、異花授粉率高、自身變異大、雜交父母本選擇有限等無法進(jìn)行精準(zhǔn)雜交的技術(shù)問題以及藜麥雜交育種技術(shù)滯后的實(shí)際問題，應(yīng)開展藜麥精準(zhǔn)人工雜交育種創(chuàng)新技術(shù)研究，篩選優(yōu)質(zhì)父母本種質(zhì)材料，建立對(duì)母本藜麥材料的修穗去雄、人工授精、去雜保種等操作技術(shù)規(guī)范，精準(zhǔn)獲得目標(biāo)性狀雜交后代；創(chuàng)制雄性不育系特色藜麥種質(zhì)材料，利用雄性不育系配制雜交種，降低雜交種子生產(chǎn)成本，提高雜種質(zhì)量，擴(kuò)大雜種優(yōu)勢(shì)的利用范圍，建立最優(yōu)化制種途徑，培育耐熱、抗倒伏、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)藜麥新品種。

5.2.3 藜麥分子育種研究有待突破

新的育種技術(shù)的出現(xiàn)，尤其是CRISPR/Cas系統(tǒng)，可以同時(shí)精確編輯多個(gè)基因或等位基因，為藜麥的靶向分子育種提供了良好的平臺(tái)[72]。然而，由于藜麥?zhǔn)呛蠥和B基因組的異源四倍體，目前還沒有成功建立遺傳轉(zhuǎn)化體系，使分子育種進(jìn)程受阻。因此，未來的研究通過加強(qiáng)不同轉(zhuǎn)化手段的基礎(chǔ)研究，可借鑒麥類作物進(jìn)行幼胚轉(zhuǎn)化體系的方法或直接用農(nóng)桿菌浸花等手段嘗試遺傳轉(zhuǎn)化，旨在通過轉(zhuǎn)基因手段進(jìn)行重要性狀基因或QTL功能的確定及育種應(yīng)用的研究。

高質(zhì)量基因組數(shù)據(jù)的公布，為深入研究藜麥的特殊營(yíng)養(yǎng)價(jià)值提供了基礎(chǔ)，并為定向培育藜麥新品種開辟了可能。藜麥的產(chǎn)量(種子大小和數(shù)量的增加)、品質(zhì)(高蛋白、低皂苷)、開花時(shí)間、對(duì)病蟲害的抗性和對(duì)非生物脅迫(鹽、旱、熱、冷、除草劑等)的適應(yīng)等因素均是未來研究需要改變的重要性狀。因此，未來的研究應(yīng)大力應(yīng)用單倍體育種技術(shù)、EMS誘變技術(shù)、高通量測(cè)序和基因編輯技術(shù)，旨在加強(qiáng)常規(guī)和分子育種相結(jié)合的方法，加速藜麥的“5G”育種，即通過基因組研究(genome)、種質(zhì)資源鑒定(germplasm)、基因功能鑒定(gene function)、基因組育種(genomic breeding)和基因編輯(gene editing)，顯著加速藜麥的高產(chǎn)、高品質(zhì)、高抗逆、低消耗育種，構(gòu)建藜麥高產(chǎn)、高效、高質(zhì)、高值農(nóng)業(yè)模式。

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Progress on genomics and locus of important agronomic traits in

Linghong Li1, Tong Gou1, Aixia Ren1, Pengcheng Ding1, Wen Lin1, Xiangyun Wu2, Min Sun1, Zhiqiang Gao1

Quinoa (, Willd.) as a new health food in the 20th century, its comprehensive nutritional composition, stress resistance and other characteristics have been paid much of attention, and enjoys the reputation of “nutritional gold”, “vegetarian king” and “food in the future” in the world. In recent years, with the rapid development of genomics and high-throughput sequencing technology, the high-quality whole genome sequence of quinoa has been completed, and the omics analysis and functional research of a series of key genes have been gradually carried out. In this review, we summarize the research progress in quinoa genomics, gene family analysis of important transcription factors, genetic map construction, QTL mapping of important traits, and genes for important agronomic and yield traits. Moreover, according to the current status of quinoa breeding, this paper also put forward five key problems in quinoa breeding, and pointed out four important directions of genetic improvement and breeding of quinoa in the future, so as to provide reference for the realization of directional genetic improvement of quinoa in the future.

quinoa; genomics; genetic breeding; traits; genes

2022-09-02;

2022-10-10;

2022-10-27

山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：202103021223158)，山西省優(yōu)秀博士來晉獎(jiǎng)勵(lì)項(xiàng)目(編號(hào)：SXBYKY2022022)和山西農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(編號(hào)：2021BQ82)資助[Supported by the Fundamental Research Program of Shanxi Province (No.202103021223158), the Scientific Research Project of Shanxi Province Outstanding Doctoral Work Award Fund (No.SXBYKY2022022), and the Doctoral research Project of Shanxi Agricultural University (No. 2021BQ82)]

李玲紅，博士，講師，研究方向：小麥和藜麥遺傳育種。E-mail: lilinghong00en@163.com

孫敏，博士，教授，研究方向：小麥和藜麥栽培。E-mail: sm_sunmin@126.com

10.16288/j.yczz.22-289

(責(zé)任編委: 宿振起)