玉米矮稈基因及調控機理的研究進展

唐 蘭，吳元奇

（四川農業大學 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，玉米已成為國內外第一大糧食作物[1]。玉米是一種典型的集糧、經、飼、能、醫于一體的多元作物[2]，是確保我國糧食安全、能源安全、經濟發展和鄉村振興等諸多方面的主力軍?？v觀農業發展史，世界農業的發展深受糧食作物株高改良的影響，株高與作物的最終產量密切相關[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等特點。以小麥和水稻矮化品種的培育和推廣為主要標志的“第一次綠色革命”帶來了全球糧食產量的飛躍，解決了由于人口快速增長而引發的糧食危機[6]。本文綜述了調控玉米矮稈的QTL/基因及分子機制，旨在展望現代生物技術在矮稈玉米品種遺傳改良中的發展前景，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 發現玉米矮稈基因br2。br2是控制玉米果穗以下莖節長度縮短的隱性矮稈基因[7-8]，是目前研究與應用最廣泛的矮稈基因。20 世紀60 年代后期，墨西哥利用br2 矮稈基因成功選育出優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育種工作的焦點，選育出了耐密植、耐肥、產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80 年代末，矮稈自交系的組配模式實現了由“矮稈×矮稈”向“矮稈×高稈”的轉變，并成功選育出一批中高稈、高稈玉米雜交種，在生產上得到了大面積的推廣應用[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 具有適應性廣、抗逆性強、配合力高等特點。近年來，學者們發現了一些不同于br2 基因的新矮稈玉米材料，如董麗等[7]在K718 中發現的玉米矮稈突變體K718d，該突變體受隱性單基因控制；邱正高等[17]發現了一個新的隱性玉米矮稈基因，并對其進行了鑒定和遺傳分析，命名為dm676。矮稈基因的發掘及遺傳研究利用是玉米育種工作中的重要環節。因此，創制和鑒定新的優良矮稈玉米種質資源將是解決矮化單基因育種的重要途徑。

2 玉米株高的構成因子

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

2.1 調控玉米株高QTL 的研究

株高是玉米育種過程中的關鍵數量性狀。隨著分子生物相關技術的進展，株高QTL 精細定位的研究逐漸增加。迄今為止，Maize-GDB 數據庫已經有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，將與株高顯著相關的QTL qph1-4 定位在第1 條染色體1.07 bin 位置上，位于SSR 標記MPH47 和umc2396 之間，距兩標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，隨后利用在目標區段內篩選出的分子標記，將qPH3.2 定位在SSR 標記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 進行qPH3.1 精細定位，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 的區間內。楊梅[27]通過篩選出F2群體中的交換單株用于精細定位，將qPH3.3 的定位區間縮小至1 Mb 的范圍。張夢迪等[28]在混合分離分析法（BSA）重測序的基礎上，最終將與株高顯著相關的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

隨著國內外對新的矮稈基因不斷的深入研究，迄今為止，據前人研究和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、運輸和信號轉導，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 玉米株高調控機理研究進展

除了矮化基因對玉米株高的調控，植物激素對植物的生長發育也至關重要，株高發育與植物激素息息相關。在已知的7 種植物激素中，赤霉素（GAs）、生長素（IAA）、油菜素內酯（BRs）、獨腳金內酯（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到野生型的高度，且體內相應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部激素信號接收和轉運途徑的阻礙而導致的矮化。激素敏感型矮化突變體經過體外施用相應活性激素后，突變體株高可部分恢復或完全恢復至野生型植株的高度，證明突變體相應激素的生物合成途徑出現缺陷，體內相應激素缺乏從而導致矮化[44]。

3.1 赤霉素與株高調控相關研究

20 世紀30 年代，日本科學家黑澤英一在研究水稻“惡苗病”的致病原因時，首次發現了赤霉素[45]。赤霉素具有獨特的四環雙萜結構，參與調控植物生長發育的各個方面：莖稈的伸長、種子的萌發、根系的生長延伸等。最新研究結果顯示，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胞信號轉導中斷有關。隨著人們對赤霉素相關突變體、基因組學、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，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根貝殼杉烯；第二階段是在內質網上，由2 個細胞色素P450 單加氧酶催化，經過5 步連續氧化反應，最終氧化反應生成GA12 醛；第三階段是在細胞質中，GA12 醛轉化為GA 活性結構GA1、GA3、GA4 赤霉素生物合成受阻是導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，從而導致玉米矮化[48]。根據前人研究發現，大多數玉米矮稈基因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致的玉米矮化。

另一類導致植物矮化的原因是GA 信號傳導途徑中斷。GA 信號傳導途徑模式為活性GA 分子與受體GID1 蛋白結合后，GA-GID1 復合體與DELLA 蛋白N 端結合導致DELLA 蛋白異構化，形成三聚體（GIDI-GA DELLA 蛋白復合體）并促進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，然而經過26S 蛋白酶作用后，該復合體被降解，進而解除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，其結構域的缺失會導致GA 信號傳導中斷，從而使植株矮化并且對外施赤霉素不敏感[51]。

3.2 油菜素內酯與株高調控相關研究

油菜素內酯是植物生長發育必不可少的物質，它調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導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酯合成最后階段的酶（C-6 氧化酶），該基因突變導致BR 合成途徑中斷，從而使brd1 突變體莖節間縮短、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 生長素與株高調控相關研究

生長素是植物生長發育期中不可或缺的植物激素，能促進細胞伸長生長，調節細胞膜上的氫離子通道，使細胞壁酸化，細胞結構松弛，細胞可以膨脹生長，是影響株高的主要激素之一。IAA 具有雙重性，即低濃度促進生長，高濃度抑制生長，如果濃度過高甚至會對植物的生長造成傷害。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生改變或者缺失，就會導致植株發育受阻，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致玉米植株矮化[41]。

生長素信號轉導過程中存在一些TIR1/ABF 受體、AUX/IAA 阻遏子、SCF 降解復合體及ARF 轉錄激活因子，這些轉導因子的缺陷也會影響植株株高[55]。MULTANI 等[56]研究發現，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，其編碼的蛋白調控生長素運輸途徑。

3.4 其他激素調控株高相關研究

研究發現，除了主要植物激素調控植株的株高，脫落酸（ABA）、乙烯（ET）、茉莉酸（Jas）、獨腳金內酯（SLs）等也參與植株株高的調控[57]。玉米的ZmACS7基因，編碼1-氨基環丙基-1-羧酸（ACC）合成酶，對玉米株高、根系、花期等方面進行調控[37]。對水稻矮稈突變體d27 的研究顯示，外源噴施獨腳金內酯類似物GR24 后，突變體表型得以恢復，因此判斷可能是獨腳金內酯生物合成受到抑制導致了突變表型的產生[58]。另外還受相關轉錄因子、溫度等的調控。相關轉錄因子并沒有直接參與植物激素合成信號或信號轉導途徑，但它們能夠激活或抑制基因的轉錄水平，也對植物莖的發育起重要的調控作用[59]。深入研究表明，植物之間的協同和拮抗作用也調控植物的株高，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運途徑[60]。多胺對植物的莖也有調控作用，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雜的相互作用及反饋調節，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，且真正服務于育種生產和應用的矮稈基因比較單一。這不僅限制了玉米產量的進一步提高，而且還使育成品種的遺傳基礎日益狹窄，種質資源多樣性降低。對矮化基因的研究不僅有利于豐富玉米株高調控的理論基礎，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，還需要在此基礎上，精細定位一些控制PH 和EH 極顯著降低，但不影響產量的關鍵基因，并深入挖掘其功能，使之能夠真正服務于育種生產和應用。

雖然玉米矮化育種充滿挑戰，但是不可否認，矮稈品種具有廣闊的應用前景。第一次綠色革命中水稻、小麥半矮稈基因Semidwarf1 和Rht 的應用，使世界糧食總產量得以大幅提升，極大程度地改善了糧食短缺問題。通常來說，玉米的株高為數量性狀，與產量呈正相關，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制綜合性狀優良的玉米矮稈品種。隨著生物技術的發展，可以采用基因編輯技術對該區域進行不同長度的遺傳操控，得到廣泛的目標表現變異的突變體，從而創制出一系列玉米株高連續變異的材料，得到產量增加株高降低的育種資源。除此之外，還可以創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。