谷子高產(chǎn)育種
——從主糧株型育種談起

王拴鎖 ，徐晨陽 ，陳 佳 ，宋惠霞

（1.山西省后稷實驗室，山西 太原 030031；2.山西農業(yè)大學 農學院，山西 太谷 030801）

谷子（Setaria italica（L.）P. Beauv.）又稱“粟”，是我國北方主要的旱作作物之一，距今將近有8 000 a的栽培歷史。谷子具有抗逆耐瘠、適應性廣的特點，在我國北方廣泛種植，孕育了黃河流域中華農耕文明。戰(zhàn)國至南北朝時期，谷子是最主要的糧食作物，隨后小麥地位上升；南宋時期，小麥總產(chǎn)量已超越谷子居糧食作物第2 位；依托農業(yè)生產(chǎn)技術、食品加工技術和灌溉技術等方面的進步，小麥逐漸取代粟成為北方的主要糧食作物[1]。近年來，隨著玉米種植面積急劇增加，谷子種植面積進一步被壓縮，成為名副其實的“雜糧”。究其原因，首先是谷子產(chǎn)量較低，其次適口性差，栽培技術復雜，機械化程度低。因此，優(yōu)良品種培育和輕簡化栽培，提高谷子的產(chǎn)量和品質，增加農民的收益將成為未來谷子育種和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。

值得關注的是，越來越多的科研人員試圖從株型改良來解決谷子產(chǎn)量較低、難以適應機械化栽培的問題，比如谷子矮化育種。筆者以水稻、小麥的育種歷程為基礎，闡述株型改良和矮化育種在兩大作物產(chǎn)量提升中的關鍵作用，總結主糧株型育種的遺傳基礎，探討并展望谷子株型分子改良與高產(chǎn)育種新理念，提出未來谷子高產(chǎn)育種可以參考主糧作物育種進程，新矮源的挖掘和創(chuàng)制應兼顧株高和分蘗數(shù)，通過增加群體數(shù)量提升谷子單產(chǎn)，同時將谷子的株型育種與北方自然地理環(huán)境緊密結合，推動谷子水氮高效利用育種和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 主糧作物株型改良與產(chǎn)量提升

1.1 株型和株型育種

株型的定義迄今為止尚無統(tǒng)一標準。狹義株型指植物體的形態(tài)結構、空間排列方式等，如株高、莖稈粗度、分蘗數(shù)、分蘗角度、葉夾角、穗部形態(tài)、根系構型等。廣義株型是指產(chǎn)量形成的綜合的生物性狀整體，除狹義株型所包含的特征外，還包括與光能利用、環(huán)境適應性直接相關的生理、生態(tài)方面的機能性狀，如光合特性、生育期、抗逆性等[2-3]。因此，株型育種不能只局限于外在形態(tài)特征，還需將表型因素、生理因素與產(chǎn)量構成要素以及環(huán)境互作進行綜合考量，育成產(chǎn)量因素構成合理、光合作用強、庫源協(xié)調、環(huán)境適應性強的理想株型。

1.2 水稻株型與高產(chǎn)育種

回顧水稻育種的歷史，近代水稻株型改良對提高水稻單產(chǎn)具有重要的作用。20 世紀50 年代，以黃耀祥院士為首的育種團隊在南方秈稻矮化育種方面取得突破性進展，育成了矮腳南特、矮子占和廣場矮為代表的矮稈品種，使得水稻耐肥抗倒，產(chǎn)量顯著增加。1966年國際水稻研究所（IRRI）利用我國臺灣地方品種低腳烏尖（含sd1）與皮泰雜交，育成了半矮化品種IR8，創(chuàng)造了當時的高產(chǎn)奇跡，被稱為“奇跡稻”進而引發(fā)了世界范圍內的第一次農業(yè)“綠色革命”[4]。然而自IR8 釋放以來，半矮稈秈稻品種在熱帶地區(qū)的產(chǎn)量潛力卻停滯不前。尤其在直播條件下，大量無效分蘗、有限的庫容和易倒伏制約了產(chǎn)量的進一步提升。為了進一步提高水稻產(chǎn)量，20 世紀80 年代IRRI 提出新株型育種計劃，即育成少蘗、大穗、莖稈粗壯的理想株型。然而到21 世紀初，并沒有育成品種在世界范圍內大面積推廣[5]。與此同時，沈陽農業(yè)大學陳溫福院士提出北方粳型超級稻理論，該理論指出直立穗型有利于抽穗后群體充分利用光照，促進二氧化碳擴散，不但有利于提高生物產(chǎn)量，緩和穗數(shù)和穗粒數(shù)的矛盾，而且也有利于增強品種的抗倒性。在此理論指導下，陳溫福院士育成了以沈農265、沈農606 為代表的一批高產(chǎn)優(yōu)質的直立大穗品種，顯著地提高了我國粳稻的產(chǎn)量[6]。1996 年，農業(yè)部啟動“中國超級稻育種計劃”，并于2005 年開始實施超級稻新品種選育與示范推廣項目，試圖將理想株型塑造與雜種優(yōu)勢利用相結合，選育單產(chǎn)大幅度提高、品質優(yōu)良、抗性較強的新型水稻品種。近20 a 來，在此理論指導下，相繼育成了一系列秈型超級稻和粳型超級稻，比如南方的“甬優(yōu)”系列和北方的“龍粳”系列品種。

1.3 小麥矮化與高產(chǎn)育種

李振聲院士總結我國小麥育種歷程，可以劃分為3 個基本階段：第1 階段，以提高抗病穩(wěn)產(chǎn)為主的階段（1950—1960 年）；第2 階段，以矮化與高產(chǎn)為主的育種階段（1970—1980 年）；第3 階段，高產(chǎn)和優(yōu)質育種并進階段（1990 年到21 世紀初）[7]。在小麥株型育種中，育種學家注意到矮化育種是小麥產(chǎn)量突破的有效方向，能夠顯著提高作物的收獲指數(shù)、光能利用效率和抗倒伏能力。實踐也證明，矮化育種使得我國小麥產(chǎn)量顯著增加。我國的小麥矮化育種始于1958 年陜西咸陽，用朝鮮品種水源86 與西農6028 雜交育成了矮稈品種咸農39，進而于1970 年育成了新矮稈品種矮豐3 號，在生產(chǎn)上大面積的推廣應用[8]。同一時期，國際玉米和小麥改良中心（CIMMYT）著名農業(yè)科學家諾曼·博洛格以抗銹病的墨西哥小麥為母本，與日本來源的矮稈品種農林10 號雜交，培育出了既抗銹病又耐肥水且分蘗的新矮稈小麥品種，使得墨西哥小麥單產(chǎn)水平顯著提升。隨后，這種新矮稈小麥在印度和巴基斯坦得以推廣，緩解了因為戰(zhàn)爭導致的嚴重饑荒。1967 年以后，阿根廷、孟加拉、巴西、西班牙諸多國家相繼引入了墨西哥矮稈小麥，使得小麥大幅度增產(chǎn)，這個過程形象的被稱為小麥育種的“綠色革命”，博洛格也被譽為“綠色革命之父”[9]。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，“綠色革命”小麥品種存在遺傳背景狹窄，矮稈基因單一化問題。在小麥的高產(chǎn)和優(yōu)質育種并進階段，科學家對優(yōu)異新矮源的鑒定和創(chuàng)制也從未停止，并試圖提升矮化育種核心種質資源的遺傳多樣性，保證小麥遺傳改良的持續(xù)性。

2 主糧作物株型調控關鍵基因

2.1 水稻株型調控的關鍵基因

SD1基因位于水稻1號染色體，編碼OsGA20ox2，該位點功能缺失突變使得水稻體內活性赤霉素（GA）含量下降，DELLA 蛋白顯著積累，株高降低。2002年日本科學家首次指出，隱性半矮稈基因sd-1是水稻第一次“綠色革命”的關鍵調控基因[10]。截至目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)sd-1位點上5 個不同等位基因，分別是來自野生型的等位基因、低腳烏尖及其衍生種的sd1-d、Reimei 的sd1-r、Calrose76 的sd1-c和Jikkoku 的sd1-j。這些等位基因突變均會導致水稻品種不同程度的矮化。

NPT1基因位于水稻8 號染色體，編碼去泛素化酶，是人OTUB1 蛋白在水稻中的同源蛋白。OsOTUB1 通過抑制OsSPL14 蛋白K63 位泛素鏈負調控OsSPL14 蛋白水平，進而調控水稻株型。IRRI 理想株型材料（IR66167-27-5-1-6）的優(yōu)異等位基因表達量下降，使水稻無效分蘗數(shù)明顯減少，莖稈增粗，穗粒數(shù)顯著增加，具有一定的增產(chǎn)潛力[11-12]。

DEP1基因位于水稻9 號染色體，編碼G 蛋白γ亞基，該位點功能獲得性突變促進細胞分裂，使水稻SAM 活性增強，單穗粒數(shù)增加。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，攜帶該等位基因的水稻對低氮環(huán)境相對不敏感，氮吸收和同化能力增強，因此，在較低水平的氮肥條件下仍可以提高收獲指數(shù)和產(chǎn)量。DEP1 蛋白與Gα 亞基（RGA1）和Gβ 亞基（RGB1）均可相互作用，減弱RGA1 活性或者增強RGB1 活性，抑制水稻的低氮響應。目前，發(fā)現(xiàn)dep1是北方部分粳型超級稻關鍵株型的調控基因[13-14]。

位于水稻8 號染色體上的IPA1/WFP基因編碼SPLs 家族轉錄因子OsSPL14，轉錄水平受OsmiR156 負調控。在營養(yǎng)生長期，OsSPL14控制水稻分蘗；在生殖生長期，OsSPL14的高表達促進了穗分支。OsSPL14功能獲得性突變使水稻分蘗減少、穗粒數(shù)和千粒質量增加，同時莖稈變得粗壯，抗倒伏能力增強，進而提高產(chǎn)量。后續(xù)研究表明，該基因參與了水稻產(chǎn)量和抗病的協(xié)同調控，并且該位點的優(yōu)異等位基因ipa1-2D廣泛存在我國南方秈型超級稻中，是產(chǎn)量的關鍵調控基因[15-16]。

2.2 小麥矮化育種的關鍵基因

迄今為止，多個矮化基因被發(fā)現(xiàn)和定位，包括自然突變和人工誘變。小麥矮化育種過程中株高從120 cm 降低到約70 cm，顯著提高了抗倒性和單產(chǎn)。在此過程中，應用最為廣泛的矮稈基因來源于達摩（Daruma）的Rht-B1b、Rht-D1b和日本赤小麥（Akagomugi）的Rht8、Rht9。賈繼增等[17]通過赤霉素反應特性和系譜跟蹤發(fā)現(xiàn)，我國小麥的矮源主要有4 個：（1）朝鮮水源86 和日本農林10 均攜帶Rht-B1b、Rht-D1b；（2）意大利St2422/464 攜帶Rht-B1b；（3）輝縣紅和蚰包攜帶Rht-D1b；（4）以阿夫為代表的赤小麥類攜帶Rht8和Rht9。

六倍體小麥中Rht-A1a、Rht-B1a、Rht-D1a等3 個同源基因編碼赤霉素信號途徑關鍵負調控因子DELLA 蛋白，屬于GRAS轉錄調節(jié)因子家族。典型的DELLA 蛋白包含N 端的可變區(qū)和C 端的保守GRAS 結構域。N 端的DELLA 和TVHYNP 結構域非常保守。Rht1（Rht-B1b）是N 端單堿基（C-T）的變化產(chǎn)生終止密碼子，Rht2（Rht-D1b）是N 端單堿基（G-T）的變化產(chǎn)生終止密碼子，均形成一個不含有DELLA 結構域的截短蛋白，這2 種突變產(chǎn)生的矮稈材料均對赤霉素不敏感[18]。迄今為止，Rht1已經(jīng)發(fā)現(xiàn)7 個等位基因，即Rht-B1a～Rht-B1g，Rht2有4 個等位基因，即Rht-D1a～Rht-D1d。

Rht8與Rht9分別位于2DL 與5AL 染色體上，對赤霉素反應敏感。利用豫麥8679 和京411 雜交后代群體及近等基因系材料定位了來自于日本赤小麥的Rht8。序列分析發(fā)現(xiàn)，該基因第1649 位堿基由CG到T的移碼突變造成蛋白翻譯提前終止。Rht8編碼一個含有Ribonuclease H-like 結構域的未知功能蛋白，位于細胞核中。Rht8-2突變體中赤霉素合成基因GA13ox和GA20ox2表達下調，導致GA3含量下降，GA4含量上升，從而導致株高降低[19-20]。

3 谷子高產(chǎn)育種與株型改良

3.1 谷子育種歷程及發(fā)展趨勢

近40 a，我國谷子育種在產(chǎn)量和品質育種方面取得了顯著進步，并逐步向高抗、輕簡栽培和矮化育種方向過渡。新中國成立以來，我國谷子育種經(jīng)歷以下發(fā)展階段：（1）20 世紀50 年代至60 年代初期通過系統(tǒng)和混合育種技術，使谷子產(chǎn)量提高到990～1 170 kg/hm2，代表品種有長農1 號、張谷8 號、張谷9 號等；（2）20 世紀60 年代初期至70 年代末，雜交育種法育成品種種植面積擴大，但品種的適應性較為狹窄，未實現(xiàn)跨省推廣，代表品種有晉谷2號、昭谷1 號和魯谷4 號等；（3）20 世紀80 年代初至90 年代末，經(jīng)過系統(tǒng)選育和聯(lián)合攻關，品種的產(chǎn)量和抗性得到顯著提升，代表品種有豫谷1 號、晉谷21 號、魯谷10號等。其中，豫谷1號突破夏谷產(chǎn)量7 500 kg/hm2，晉谷21 號截止到目前仍被廣泛種植；（4）近20 a 來,谷子育種進入高產(chǎn)優(yōu)質新階段，雜交優(yōu)勢和抗除草劑基因的利用，使得谷子產(chǎn)量由3 000～4 500 kg/hm2增加到6 000～9 000 kg/hm2，代表品種有張雜谷5 號、張雜谷13號。同時，矮稈基因的應用使得谷子株高顯著降低，抗倒伏，穩(wěn)產(chǎn)型增加，代表性品種中谷2 號夏播區(qū)產(chǎn)量為6 750 kg/hm2，春播區(qū)產(chǎn)量為9 000 kg/hm2[21-22]。

產(chǎn)量是復雜的數(shù)量性狀，核心構成要素包括分蘗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒質量。3 個要素相互協(xié)調、相互制約。小麥、水稻“綠色革命”半矮稈品種DELLA蛋白積累，植株矮化，適應密植，單位面積分蘗數(shù)目增加，有效穗數(shù)增加，群體產(chǎn)量顯著提升。同樣耐密型玉米的培育和栽培，使得玉米產(chǎn)量顯著提升，比如先育335 和鄭單958，目前正試圖通過改變玉米葉夾角大小，育成適應高密栽培的高產(chǎn)玉米。

近20 a 來，張雜谷系列和中谷系列品種在產(chǎn)量方面均取得了突破性的進展。其中，張雜谷13號株高130～145 cm，單株分蘗2～4 個；張雜谷18 號株高123.2 cm，單株分蘗2～4 個[23-24]。不難看出，雜交谷子育種趨向于株高降低，分蘗數(shù)增加，因此，推測張雜谷13 號和張雜谷18 號高產(chǎn)部分得益于分蘗數(shù)的增加，使得單位有效穗數(shù)增加，進而產(chǎn)量顯著增加。中谷2號株高110 cm，矮化后種植密度顯著增加，可達45 萬株/hm2，平均產(chǎn)量可達7 500 kg/hm2，由此可見，矮化密植也是谷子高產(chǎn)育種的重要方向。

3.2 谷子株型及產(chǎn)量遺傳基礎解析

谷子基礎研究依然薄弱，急需從產(chǎn)量、品質以及抗性等方面挖掘優(yōu)異種質資源，克隆重大育種價值基因，破解谷子產(chǎn)量、品質及環(huán)境適應性的遺傳基礎。圍繞谷子產(chǎn)量性狀的基礎研究起步較晚，近年來刁現(xiàn)民團隊先后報道了調控谷子株高的QTL位點、葉夾角基因以及產(chǎn)量調控基因，對谷子株型及產(chǎn)量調控的分子機理有了初步的解析。同時采用高通量測序的方法，從基因組和泛基因組層面鑒定出多個與馴化和育種改良相關的結構變異。

SiDWARF1（D1）是從84133 中分離到1 個半顯性矮稈基因，是水稻SLR1和小麥Rht的谷子同源基因。研究發(fā)現(xiàn)，84133 矮化是由于反轉錄轉座子插入導致DELLA 蛋白閱讀框改變，產(chǎn)生了N 端缺失的DELLA（D1-tt），從而導致矮化[25]。SiDWARF2（D2）編碼細胞色素P450 單加氧酶，通過分解ABA來解除其對節(jié)間細胞伸長的抑制。SiDWARF2植株株高略有降低，但千粒質量未受影響，有矮稈育種的潛力[26]。以矮88 和遼谷1 號為親本構建獲得333 份重組自交系群體，通過重測序構建遺傳圖譜，鑒定到13 個可重復QTL，其中Seita.1G242300是株高調控主效基因，編碼GA20ox8。同時也發(fā)現(xiàn)GA合成、信號途徑的6 個基因、15 個F-BOX 編碼蛋白基因可能參與谷子株高調控[27]。

谷子DPY1編碼LRR 受體激酶，干擾SiBRI 與SiBAK1 的互作，從而抑制BR 信號通路。DPY1缺失突變，植株葉片下披；過表達株系，葉片上沖。因此，有可能通過調控DPY1表達，獲得適合密植的緊湊型株系[28]。谷子SGD1編碼E3 泛素連接酶，與SiUBC32互作調控谷子產(chǎn)量。同時，SDG1 可以泛素化油菜素內脂受體蛋白BRI1 使其穩(wěn)定；過量表達SDG1優(yōu)異等位基因可以增加穗質量和粒質量，顯著增產(chǎn)12.8%[29]。

通過泛基因組GWAS 以及比較分析A10 和豫谷1 號不同組織中基因表達模式，發(fā)現(xiàn)SiGW3是調控谷子籽粒灌漿的關鍵基因，序列分析表明，該基因是水稻GW5/GS5在谷子中的同源基因。SiGW3表達量升高導致千粒質量和粒寬降低，粒長增加。豫谷1 號基因組7.2 kb 處的366 bp 缺失導致該基因表達下調，進而使得粒質量增加[30]。

3.3 谷子株型與水氮高效利用

目前，對谷子水氮高效利用的研究和報道較少，且集中于單一要素。谷子的水分利用效率顯著高于主糧作物玉米和小麥，二者特異的表型和生理生化特征也使其具備了耐旱的生物學特性[31]。通過反向遺傳學，已鑒定谷子中多個參與耐旱的相關基因。SiMYB19、SiARDP表達水平升高增強了谷子的耐旱性，SiARS4、SiLEA14及SiDREB2表達水平升高可以同時增加谷子的耐旱和耐鹽性[32-35]。

增強養(yǎng)分吸收或轉運是植物提高養(yǎng)分利用的一個關鍵機制。低氮條件下會顯著誘導硝酸根離子轉運體SiNRT1.1、SiNRT1.11、SiNRT1.12、SiNRT2.1和SiNAR2.1的表達，同時銨鹽轉運體SiAMT1.1的表達也會上調[36]。有報道表明，谷子在低磷的情況下根中SiNRT1.1的表達顯著上調，SiNRT1.11和SiNRT1.12的表達量顯著降低[37]。最近的研究表明，關鍵轉錄因子也參與了谷子對低氮脅迫的響應。谷子SiMYB3過量表達促進生長素的合成，進而促進根的伸長，增加谷子對低氮的耐受性[38]。SiMYB42過表達可以增強擬南芥對低氮脅迫的耐受性[39]。

作物的水氮利用存在明顯的耦合效應，水分適宜可提高氮肥利用效率，適量施氮可以有效調水，提高水分利用效率。同時水氮配比對作物株型、根葉形態(tài)、莖粗、生物量積累有顯著的影響[40]。

水氮耦合調控分蘗數(shù)目，氮促進分蘗芽的伸長。已有研究結果表明，主糧中水氮最優(yōu)耦合處理會增加分蘗數(shù)，提高成穗率，進而提高作物產(chǎn)量。水氮耦合調控根系構型。干旱條件下，水會帶動硝酸鹽向土壤深處移動，使植物表現(xiàn)出深根系結構特征；水分充足條件下，硝酸根可以改變根際表皮細胞膜對水的親和性，從而使富含硝酸鹽區(qū)域的植物根系優(yōu)先吸收水分。水氮耦合調控氣孔開度?，F(xiàn)有研究表明，可以通過調控氣孔開度，協(xié)同提高水氮利用效率[41]。例如，不影響光合利用效率的情況下，減小氣孔導度從而減少水分散失；通過協(xié)調植物銨態(tài)氮與硝態(tài)氮吸收比例，在不增加氣孔導度的前提下，增加氮的投入來提升光合速率[42]。因此，鑒定和分離谷子株型、水氮協(xié)同調控關鍵基因、培育水氮高效利用品種對進一步提高谷子產(chǎn)量、改善干旱和半干旱區(qū)域邊際農田生產(chǎn)效率有著重大的意義。

4 展望

谷子矮化種質資源創(chuàng)制和矮化育種使谷子產(chǎn)量已經(jīng)邁上新臺階，這表明類似于主糧“綠色革命”的半矮化株型育種在谷子育種中有巨大的應用潛力。高產(chǎn)雜交谷子不僅利用雜種優(yōu)勢，同時也在降株高，增加谷子的分蘗數(shù)，以尋求株型的改變來突破產(chǎn)量瓶頸。筆者認為，后續(xù)矮源的挖掘和創(chuàng)制在降低株高的同時還應增加有效分蘗，使群體的數(shù)量得到有效保障和合理調節(jié)，同時兼顧葉形、穗型和莖稈特征，主要通過增加有效穗數(shù)提升產(chǎn)量。

缺乏灌溉、養(yǎng)分瘠薄的北方邊際土地是保障我國糧食安全的戰(zhàn)略后備耕地資源，也是谷子主要種植區(qū)域。未來谷子高產(chǎn)育種應將株型改良和水氮高效利用結合起來考慮，從分蘗數(shù)目、氣孔開度和根系結構切入，挖掘產(chǎn)量和環(huán)境適應性關鍵調控基因并明確遺傳機理，深入理解C4 作物高光效的生理和遺傳基礎。