玉米矮稈基因及調(diào)控機理的研究進(jìn)展

唐 蘭，吳元奇

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 玉米研究所，四川成都 611134）

玉米（Zea mays L.）是一年生禾本科（Gramineae）草本植物，起源于墨西哥中部，由野生大芻草進(jìn)化而來。近年來，隨著推廣面積和播種面積的增加，玉米已成為國內(nèi)外第一大糧食作物[1]。玉米是一種典型的集糧、經(jīng)、飼、能、醫(yī)于一體的多元作物[2]，是確保我國糧食安全、能源安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和鄉(xiāng)村振興等諸多方面的主力軍?？v觀農(nóng)業(yè)發(fā)展史，世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展深受糧食作物株高改良的影響，株高與作物的最終產(chǎn)量密切相關(guān)[3-5]。矮稈作為作物株高性狀的一種特殊類型，具有抗倒性、株型緊湊、群體光合利用率高及適宜機械化生產(chǎn)等特點。以小麥和水稻矮化品種的培育和推廣為主要標(biāo)志的“第一次綠色革命”帶來了全球糧食產(chǎn)量的飛躍，解決了由于人口快速增長而引發(fā)的糧食危機[6]。本文綜述了調(diào)控玉米矮稈的QTL/基因及分子機制，旨在展望現(xiàn)代生物技術(shù)在矮稈玉米品種遺傳改良中的發(fā)展前景，以期為玉米矮稈遺傳育種提供參考。

1 玉米矮化育種過程

1935 年，EMERSON 發(fā)現(xiàn)玉米矮稈基因br2。br2是控制玉米果穗以下莖節(jié)長度縮短的隱性矮稈基因[7-8]，是目前研究與應(yīng)用最廣泛的矮稈基因。20 世紀(jì)60 年代后期，墨西哥利用br2 矮稈基因成功選育出優(yōu)良的矮稈玉米雜交種，其中成效最為顯著的是本雀·比利亞AN-360[9]。1965 年開始，玉米矮化育種逐漸成為國內(nèi)育種工作的焦點，選育出了耐密植、耐肥、產(chǎn)量高等特點的玉米矮稈雜交種，如南矮號、攀登號、成矮號等[10-11]。20 世紀(jì)80 年代末，矮稈自交系的組配模式實現(xiàn)了由“矮稈×矮稈”向“矮稈×高稈”的轉(zhuǎn)變，并成功選育出一批中高稈、高稈玉米雜交種，在生產(chǎn)上得到了大面積的推廣應(yīng)用[12-13]。如利用矮稈自交系478 與高稈自交系雜交育成的川單13、南玉13、掖單13 和魯單49；河北冀南玉米研究所通過采用“高、矮雜交，定向選擇”的方法，極大地解決了連鎖不良性狀等問題，選育出理想玉米雜交種矮單268[14-15]。2013 年，姜惟廉等[16]選育出我國第1 個多基因矮生系5003 和姊妹系5005，矮生系5003 具有適應(yīng)性廣、抗逆性強、配合力高等特點。近年來，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)了一些不同于br2 基因的新矮稈玉米材料，如董麗等[7]在K718 中發(fā)現(xiàn)的玉米矮稈突變體K718d，該突變體受隱性單基因控制；邱正高等[17]發(fā)現(xiàn)了一個新的隱性玉米矮稈基因，并對其進(jìn)行了鑒定和遺傳分析，命名為dm676。矮稈基因的發(fā)掘及遺傳研究利用是玉米育種工作中的重要環(huán)節(jié)。因此，創(chuàng)制和鑒定新的優(yōu)良矮稈玉米種質(zhì)資源將是解決矮化單基因育種的重要途徑。

2 玉米株高的構(gòu)成因子

株高是玉米理想株型的關(guān)鍵要點。玉米莖稈是在根和葉間起輸導(dǎo)和支撐作用的重要器官，既有“源”的功能，也有“庫”的功能，是葉片和籽粒的中間橋梁，也是各項生理活動的必經(jīng)之路[18]。成熟期玉米的株高由莖稈的節(jié)間數(shù)目和節(jié)間長度共同決定，莖節(jié)總數(shù)目的多少以及單個莖節(jié)長度的變化對植株的整體株高具有較大影響，節(jié)間數(shù)目越少，節(jié)間長度越短，則植株越矮，反之亦然[19]。莖節(jié)細(xì)胞分裂分化的過程會引起節(jié)間細(xì)胞數(shù)目和細(xì)胞大小的差異，獨立的莖節(jié)長度又與莖稈細(xì)胞的縱向長度和單位面積內(nèi)細(xì)胞的數(shù)目有關(guān)[20]。玉米的莖稈節(jié)間以穗部為界線分為穗上節(jié)間和穗下節(jié)間。穗上節(jié)間的長度對雌穗的伸長有影響，穗下節(jié)間的長度對穗位高有影響。玉米突變體d2003 的莖稈細(xì)胞在電鏡掃描下發(fā)現(xiàn)，在同一莖稈和相同倍鏡中，突變體細(xì)胞數(shù)目顯著少于對照K36。由此推測，突變體d2003 株高降低的原因是玉米莖稈中節(jié)間細(xì)胞數(shù)目減少。谷風(fēng)娟[21]通過對玉米Ehel、B73、F1和F2：3家系節(jié)間相關(guān)性狀的調(diào)查分析顯示，株高與穗位高、穗下節(jié)間數(shù)、穗上平均長度和穗下平均長度均表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)。邱正高等[17]研究表明，穗位節(jié)間以及穗下1 節(jié)間的縱向細(xì)胞長度縮短是導(dǎo)致玉米矮稈突變體dm676 矮化的原因。同樣，張賀通[22]研究發(fā)現(xiàn)，玉米矮稈突變體dle1 莖稈節(jié)間縱切面細(xì)胞長度顯著短于LY8405，說明矮稈材料dle1 株高和穗位高降低的原因是穗下節(jié)間數(shù)目減少及節(jié)間細(xì)胞縱向長度變短。

2.1 調(diào)控玉米株高QTL 的研究

株高是玉米育種過程中的關(guān)鍵數(shù)量性狀。隨著分子生物相關(guān)技術(shù)的進(jìn)展，株高QTL 精細(xì)定位的研究逐漸增加。迄今為止，Maize-GDB 數(shù)據(jù)庫已經(jīng)有319 個控制株高的QTL 得到了初步定位，這些QTL分布在玉米基因組的10 條染色體上。例如，陸明洋等[23]利用1 份在玉米自交系87-1 的遺傳背景上綜3 的染色體單片段代換系SSSL-Y7 為試驗材料，將與株高顯著相關(guān)的QTL qph1-4 定位在第1 條染色體1.07 bin 位置上，位于SSR 標(biāo)記MPH47 和umc2396 之間，距兩標(biāo)記的遺傳距離分別為1.5 和0.3 cM。劉忠祥等[24]在2 年3 個環(huán)境中利用2 個高代回交的重組自交系將株高主效QTL qPH3.2 定位在第3 條染色體上，遺傳距離為20 cM，隨后利用在目標(biāo)區(qū)段內(nèi)篩選出的分子標(biāo)記，將qPH3.2 定位在SSR 標(biāo)記YH305-Y72（2 Mb）和YH112-Y50（1.6 Mb）上。尤詩婷等[25]通過BC2F5群體，利用高密度的SNP連鎖圖，采用完備區(qū)間作圖法共檢測到6 個株高、穗位高的QTL。騰峰[26]利用染色體片段代換系SL15 和綜3 進(jìn)行qPH3.1 精細(xì)定位，通過F2群體中671 和2153 株單株，最終將qPH3.1 定位在大小12.6 kb 的區(qū)間內(nèi)。楊梅[27]通過篩選出F2群體中的交換單株用于精細(xì)定位，將qPH3.3 的定位區(qū)間縮小至1 Mb 的范圍。張夢迪等[28]在混合分離分析法（BSA）重測序的基礎(chǔ)上，最終將與株高顯著相關(guān)的QTL qPH2.4 定位在第2 條染色體上，物理距離為13.95 Mb。綜上研究表明，玉米株高既有可能是由主基因+多基因控制的，也有可能是由單基因控制的遺傳性狀。

2.2 玉米矮稈基因的研究

隨著國內(nèi)外對新的矮稈基因不斷的深入研究，迄今為止，據(jù)前人研究和maize-GDB（http：//chinese.maizegdb.org/data-center/phenotype）報道的玉米矮稈基因有60 多個，為矮稈基因家族添加了許多新成員。除了D8、D9、Dt、D8-1023、D*-10、D11 為顯性基因外，其余大多數(shù)為隱性基因。玉米第1、3、5、6、8、9 條染色體上的矮稈基因見圖1。

圖1 玉米染色體上的矮稈基因Figure 1 Dwarf genes on maize chromosomes

玉米株高（plant height，PH）、穗位高（ear height，EH）被克隆的基因幾乎都涉及激素的合成、運輸和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，主要為赤霉素、油菜素甾醇和生長素等對玉米株高和穗位高的調(diào)控，部分玉米矮稈基因表型及分子機制見表1。

表1 玉米矮稈基因表型及分子機制Table 1 Maize dwarf gene phenotype and molecular mechanism

3 玉米株高調(diào)控機理研究進(jìn)展

除了矮化基因?qū)τ衩字旮叩恼{(diào)控，植物激素對植物的生長發(fā)育也至關(guān)重要，株高發(fā)育與植物激素息息相關(guān)。在已知的7 種植物激素中，赤霉素（GAs）、生長素（IAA）、油菜素內(nèi)酯（BRs）、獨腳金內(nèi)酯（SLs）、脫落酸（ABA）和乙烯（Ethylene）對玉米的株高均具有較大影響。植物激素矮化突變體可分為兩類：激素敏感型和激素不敏感型。對激素不敏感型矮化突變體外施用活性激素后，突變體植株不能恢復(fù)到野生型的高度，且體內(nèi)相應(yīng)激素含量與野生型相比無差異或更高，表明突變體的激素合成途徑正常，很有可能是突變體內(nèi)部激素信號接收和轉(zhuǎn)運途徑的阻礙而導(dǎo)致的矮化。激素敏感型矮化突變體經(jīng)過體外施用相應(yīng)活性激素后，突變體株高可部分恢復(fù)或完全恢復(fù)至野生型植株的高度，證明突變體相應(yīng)激素的生物合成途徑出現(xiàn)缺陷，體內(nèi)相應(yīng)激素缺乏從而導(dǎo)致矮化[44]。

3.1 赤霉素與株高調(diào)控相關(guān)研究

20 世紀(jì)30 年代，日本科學(xué)家黑澤英一在研究水稻“惡苗病”的致病原因時，首次發(fā)現(xiàn)了赤霉素[45]。赤霉素具有獨特的四環(huán)雙萜結(jié)構(gòu)，參與調(diào)控植物生長發(fā)育的各個方面：莖稈的伸長、種子的萌發(fā)、根系的生長延伸等。最新研究結(jié)果顯示，造成植株矮化的基因大多與赤霉素的生物合成代謝受阻和細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中斷有關(guān)。隨著人們對赤霉素相關(guān)突變體、基因組學(xué)、基因克隆等方面的深入研究，赤霉素的生物合成途徑逐漸被完善。在高等植物體內(nèi)，赤霉素的生物合成途徑主要分為3 個階段[46-47]：第一階段是在質(zhì)體中，在貝殼杉烯合成酶（KS）和柯巴基焦磷酸合成酶（CPS）的催化下，合成第一個中間體內(nèi)根貝殼杉烯；第二階段是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，由2 個細(xì)胞色素P450 單加氧酶催化，經(jīng)過5 步連續(xù)氧化反應(yīng)，最終氧化反應(yīng)生成GA12 醛；第三階段是在細(xì)胞質(zhì)中，GA12 醛轉(zhuǎn)化為GA 活性結(jié)構(gòu)GA1、GA3、GA4 赤霉素生物合成受阻是導(dǎo)致植株矮化的主要原因之一。在玉米中，對赤霉素敏感的矮稈基因d1，該基因編碼赤霉素合成途徑的重要酶（GA3ox），d1 突變造成赤霉素合成受阻，從而導(dǎo)致玉米矮化[48]。根據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)玉米矮稈基因d123、d125、dm1、VP8、D8-1023、Dt、d6 等都是在赤霉素合成途徑中基因突變導(dǎo)致的玉米矮化。

另一類導(dǎo)致植物矮化的原因是GA 信號傳導(dǎo)途徑中斷。GA 信號傳導(dǎo)途徑模式為活性GA 分子與受體GID1 蛋白結(jié)合后，GA-GID1 復(fù)合體與DELLA 蛋白N 端結(jié)合導(dǎo)致DELLA 蛋白異構(gòu)化，形成三聚體（GIDI-GA DELLA 蛋白復(fù)合體）并促進(jìn)DELLA 蛋白與SCF SLY1/GID2/SNE 間的相互作用。DELLA 蛋白被泛素化，降低了植物的生長能力，然而經(jīng)過26S 蛋白酶作用后，該復(fù)合體被降解，進(jìn)而解除DELLA 蛋白抑制作用[49-50]。玉米的D8 基因、水稻的SLR1 基因、小麥的Rht1 基因均編碼DALLE 蛋白，其結(jié)構(gòu)域的缺失會導(dǎo)致GA 信號傳導(dǎo)中斷，從而使植株矮化并且對外施赤霉素不敏感[51]。

3.2 油菜素內(nèi)酯與株高調(diào)控相關(guān)研究

油菜素內(nèi)酯是植物生長發(fā)育必不可少的物質(zhì)，它調(diào)控植物諸多的生命歷程，包括根的伸長、莖的伸長、葉的伸展和抗逆能力[52-53]。BR 的矮化機理與GA相似，都是由生物合成阻礙和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)缺陷引起的植株矮化。早期的研究證明，植物中BR 的生物合成途徑可分成兩條：一條為早期C-6 氧化途徑；另一條為晚期C-6 氧化途徑[54]。在玉米中，突變體brd1基因編碼催化油菜素內(nèi)酯合成最后階段的酶（C-6 氧化酶），該基因突變導(dǎo)致BR 合成途徑中斷，從而使brd1 突變體莖節(jié)間縮短、葉片皺縮、雄穗雌性化[31]。矮稈突變體na2 在BR 生物合成早期過程中存在缺陷，其編碼BR 合成過程中的C23-甾醇還原酶[38]。

3.3 生長素與株高調(diào)控相關(guān)研究

生長素是植物生長發(fā)育期中不可或缺的植物激素，能促進(jìn)細(xì)胞伸長生長，調(diào)節(jié)細(xì)胞膜上的氫離子通道，使細(xì)胞壁酸化，細(xì)胞結(jié)構(gòu)松弛，細(xì)胞可以膨脹生長，是影響株高的主要激素之一。IAA 具有雙重性，即低濃度促進(jìn)生長，高濃度抑制生長，如果濃度過高甚至?xí)χ参锏纳L造成傷害。生長素的合成途徑主要有兩條：依賴色氨酸和非依賴色氨酸途徑，其中色氨酸合成途徑是IAA 合成最主要的途徑，色氨酸通過色氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶和類黃素單加氧酶兩個酶催化成生長素，如果編碼兩個酶的基因發(fā)生改變或者缺失，就會導(dǎo)致植株發(fā)育受阻，表型矮化。擬南芥的TAA1 在玉米中的同源基因vt2，vt2 突變體表現(xiàn)出半矮化且雄穗沒有分枝，因此生長素合成途徑中的基因突變會導(dǎo)致玉米植株矮化[41]。

生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中存在一些TIR1/ABF 受體、AUX/IAA 阻遏子、SCF 降解復(fù)合體及ARF 轉(zhuǎn)錄激活因子，這些轉(zhuǎn)導(dǎo)因子的缺陷也會影響植株株高[55]。MULTANI 等[56]研究發(fā)現(xiàn)，玉米矮化突變體br2和高粱矮化突變體dw3 具有高度同源性，它們均屬于MDR 基因，其編碼的蛋白調(diào)控生長素運輸途徑。

3.4 其他激素調(diào)控株高相關(guān)研究

研究發(fā)現(xiàn)，除了主要植物激素調(diào)控植株的株高，脫落酸（ABA）、乙烯（ET）、茉莉酸（Jas）、獨腳金內(nèi)酯（SLs）等也參與植株株高的調(diào)控[57]。玉米的ZmACS7基因，編碼1-氨基環(huán)丙基-1-羧酸（ACC）合成酶，對玉米株高、根系、花期等方面進(jìn)行調(diào)控[37]。對水稻矮稈突變體d27 的研究顯示，外源噴施獨腳金內(nèi)酯類似物GR24 后，突變體表型得以恢復(fù)，因此判斷可能是獨腳金內(nèi)酯生物合成受到抑制導(dǎo)致了突變表型的產(chǎn)生[58]。另外還受相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子、溫度等的調(diào)控。相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子并沒有直接參與植物激素合成信號或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，但它們能夠激活或抑制基因的轉(zhuǎn)錄水平，也對植物莖的發(fā)育起重要的調(diào)控作用[59]。深入研究表明，植物之間的協(xié)同和拮抗作用也調(diào)控植物的株高，其中在GA 缺陷突變體中，PIN 蛋白被降解，從而抑制了生長素的轉(zhuǎn)運途徑[60]。多胺對植物的莖也有調(diào)控作用，擬南芥的ACL5 基因編碼亞精胺合酶和精胺合酶的同源蛋白，調(diào)控多胺類分子的合成從而影響植株的莖稈伸長[61]。綜上所述，調(diào)控玉米植株矮化的途徑是多種多樣的，不同的植物激素具有很復(fù)雜的相互作用及反饋調(diào)節(jié)，要想全面解析矮化機理，還需要鑒定和克隆更多矮稈基因。

4 總結(jié)與展望

目前，已被克隆的玉米矮稈基因近40 個，但這些材料大多數(shù)生長勢弱、植株過矮、株型不理想、存在隱性致死等不良性狀，育種上利用價值不大，且真正服務(wù)于育種生產(chǎn)和應(yīng)用的矮稈基因比較單一。這不僅限制了玉米產(chǎn)量的進(jìn)一步提高，而且還使育成品種的遺傳基礎(chǔ)日益狹窄，種質(zhì)資源多樣性降低。對矮化基因的研究不僅有利于豐富玉米株高調(diào)控的理論基礎(chǔ)，也能為耐密植、抗倒伏和宜機收的玉米株型改良提供理論參考與育種材料。因此，還需要在此基礎(chǔ)上，精細(xì)定位一些控制PH 和EH 極顯著降低，但不影響產(chǎn)量的關(guān)鍵基因，并深入挖掘其功能，使之能夠真正服務(wù)于育種生產(chǎn)和應(yīng)用。

雖然玉米矮化育種充滿挑戰(zhàn)，但是不可否認(rèn)，矮稈品種具有廣闊的應(yīng)用前景。第一次綠色革命中水稻、小麥半矮稈基因Semidwarf1 和Rht 的應(yīng)用，使世界糧食總產(chǎn)量得以大幅提升，極大程度地改善了糧食短缺問題。通常來說，玉米的株高為數(shù)量性狀，與產(chǎn)量呈正相關(guān)，可以通過多個群體共定位到株高主效QTL 或株高QTL 聚合的方式來篩選創(chuàng)制綜合性狀優(yōu)良的玉米矮稈品種。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，可以采用基因編輯技術(shù)對該區(qū)域進(jìn)行不同長度的遺傳操控，得到廣泛的目標(biāo)表現(xiàn)變異的突變體，從而創(chuàng)制出一系列玉米株高連續(xù)變異的材料，得到產(chǎn)量增加株高降低的育種資源。除此之外，還可以創(chuàng)建新型遺傳群體遺傳材料，通過增加稀有等位基因的頻率來提高GWAS 的檢測能力，從而鑒定出更多的玉米矮稈QTL。通過以上方法能有效拓寬矮稈玉米的種質(zhì)資源，同時也表明，矮化育種仍然是未來育種家們的一個重要研究方向。