玉米矮杆基因研究进展

2018-11-30王文秀王磊

生物技术通报 2018年11期

王文秀王磊

（中国农业科学院生物技术研究所，北京100081）

玉米是我国种植面积最大的农作物，是重要的粮饲兼用经济作物和能源作物，年产量和播种面积在近5年都占有很高的比重［1］。在我国农业生产中具有重要位置，进一步提高玉米单产仍是玉米育种主要目标。矮杆玉米具有抗倒伏，改善株型结构，提高群体光能利用率等优点，在提高玉米种植密度等方面具有重要的应用价值。

1 玉米矮化育种的概况

近年来，密植玉米的高产性已得到广泛认可，但密植是一把“双刃剑”，在带来高产的同时，也增加了倒伏的风险［2-3］。玉米种植密度大导致植株基部节间直径逐渐减小，植株整体高度与穗位高均会增加［4-6］，玉米茎粗系数减少，节间抗折力降低，当玉米在拔节期到成熟期这个阶段遇到大风暴雨时，田间倒伏率就会显著增加［2，7-8］。矮杆玉米植株矮、株型紧凑，适合高密度种植，它能使作物具有较强的抗倒伏能力和较高的光能利用率。有学者研究指出，抗倒伏能力强的玉米表型大概为以下几点：基部节间短且粗，节间抗折力强，茎秆组织发达，叶夹角小，株高与穗位低［4，9-10］。筛选培育抗倒伏能力强的品种是解决玉米倒伏的主要方法。

20世纪初，科学家就已经发现可以控制作物株高的矮化基因，矮化基因的应用，大大提高了作物的产量。1935年，Emerson发现了玉米br2基因，其是玉米矮化的主效基因也是目前应用最广泛的基因。br2基因会使玉米节间显著缩短，尤其是果穗下部节间位点越低，缩短越显著［11］。20世纪60年代，我国开始玉米矮化育种的研究，研究人员从品种间杂交种“东风一号”的自交后代中发现了矮生植株，随后选育出了“南矮1号”、“龙696”、“寨金75”等矮生系。以往的研究发现植物激素在株高调控中起主导作用，已经克隆的控制株高性状的基因大部分都是参与激素的合成、运输和信号传导等过程。这些激素包括赤霉素、油菜素内酯、生长素等。最近的研究表明，玉米中的两个BELL基因，BLH12和BLH14共同调控玉米节间发育［12］。

2 玉米矮化基因遗传特点

玉米的株高由茎长度和节间数决定，一般情况下，节间数越少，节间长度越小，玉米的株高越低。在玉米的一定生长期内，缩短节间长度可以有效的降低玉米的高度，按株高的遗传特点可以分为多基因体系和单基因体系。

2.1 多基因矮杆体系

多基因矮杆体系是由多个微效基因的累积效用组成，属于数量性状遗传，杂交得到高于亲本的F1、F2的株高呈现出由高到矮的连续分布，大部分为中杆玉米，仅有少量的高杆和矮杆，通过连续选择，会得到连续累积的微效矮杆基因，每一个矮杆基因对植株的节间的缩短作用几乎相同，多个微效矮杆基因的效用累加，共同对植株的矮化起作用，累加作用越多，则植株越矮。多基因矮杆体系易受外界环境条件的影响，从而使株高发生改变，利用现代育种技术减少矮化基因与环境的互相作用，使株高的变化幅度控制在合理的范围内。经过长期的探索与实践，目前世界上已经培育出多个多基因矮生体系玉米自交系及杂交种，如齐31，M14，武202，矮广 7，种质5003及其姊妹系 5005［13］。

2.2 单基因矮杆体系

单基因矮杆体系是由一个主效矮生基因引起玉米植株降低的体系。现在已经报道的与玉米株高相关的基因大多为隐性，只有D8、D9、Dt、D8-1023、D*-10、D11为显性基因［14-18］，玉米中只要存在一个矮化基因，株高就会显著降低。由单基因控制株高的玉米不受外界环境的影响，所以能够稳定遗传，其中进行研究最多的是D8基因，D8基因影响玉米株高的同时，也影响开花时间同时还存在剂量效应。现阶段重要的曲茎矮秆突变体br2基因已经被克隆［11］，单基因br2可以缩短玉米节间长度，增加玉米茎秆直径，使玉米植株有根系发达、抗倒伏、产量高等特点。

携带有矮杆基因的玉米与正常的高秆自交系杂交之后，后代会表现质量性状的遗传特点，即F1表现型为高株，F2表现为高杆与矮杆分离比为3∶1，植株表型稳定，几乎不受外部环境影响。但br2突变体只是导致玉米穗部以下节间严重缩短，而穗部以上节间几乎不变，因此br2基因在育种上广泛应用，对玉米的矮化育种起到了非常重要的作用。

3 玉米矮化基因的表型

20世纪以来，已发现玉米矮杆基因有60多个，如br1、br2、bv1、ct1、ct2、d1、d2、d3、d5、d6、D8、D9、D8-1023、Dt、D*-10、D10、d12、mi、na1、na2、na3、py1、py2、rd1、rd2、yd、clt-1、td1、wrp1、dm1、D11及d2003等。自从发现矮化基因以来，对其表现型也进行了广泛而深入的研究，每个矮杆基因所控制的矮化表型都有或多或少的差异（表1）。

4 激素对玉米矮化的影响

除了内部基因，玉米株高还受各种激素和外部环境因素的影响。研究发现，玉米矮化突变大多与赤霉素、油菜素类固醇和生长素有关。同时，细胞壁形成和细胞伸长异常、转录因子调控等也会导致玉米植株的矮化［29］。植物激素矮化突变体可分为缺陷型和不敏感型两类。激素缺陷型矮化突变体是活性激素的生物合成途径被抑制或阻断，使得植物体内源活性激素缺乏或痕量存在，矮化表型的突变体外施相应的活性激素后可恢复野生型表型。激素不敏感型矮化突变体，其内源活性激素水平变化不大，甚至比野生型的还高，可能是激素的信号吸收或传递出现障碍造成，这种矮化表型的突变体在外施相应的活性激素后不能恢复野生型表型。

表1 玉米矮杆基因的表型

4.1 赤霉素

赤霉素对植物的生长发育有明显的促进作用。在对豌豆的幼苗分析表明，在幼芽、幼叶和上部茎节内赤霉素含量最高，说明幼芽、幼叶和上部茎节是赤霉素的合成部位［30］。而赤霉素的生物合成、信号转导途径障碍以及代谢调控基因突变都与植株的矮化有影响。目前发现的玉米矮杆突变体大多为赤霉素敏感型，通过施加外源赤霉素，玉米株高可以恢复正常。研究表明，这类突变体中赤霉素的合成途径发生阻断，赤霉素含量降低，从而导致植株变矮［31］。有研究学者发现了一个新的特异调控水稻茎秆基部节长度的基因SBI，它编码赤霉素2-氧化酶，并通过失活赤霉素活性特异性的控制茎基部节间的伸长［30］。古巴焦磷酸合成酶CPS，是赤霉素合成途径中的一种关键酶，若CPS完全突变，则植物不能产生赤霉素，种子也不能萌发。大多数实验结果表明，赤霉素生物合成受到活性赤霉素的负反馈调节，小麦Rht2、玉米Dwarf8和拟南芥gai矮化突变体体内都含有异常高水平的活性赤霉素，从而中断赤霉素信号传导途径，抑制赤霉素的生物合成［3，31］。在叶片组织中表达较高的内根-贝壳杉烯合成酶KS是赤霉素合成途径中的第二个基因，催化连续氧化反应的根-贝壳杉烯氧化酶KO与KS和CPS是赤霉素合成途径前期3个关键酶，它们的基因突变会导致植株极端矮化，而其它合成酶都是多基因编码，故它们的基因突变会引起植株半矮化现象。

4.2 油菜素内酯

研究指出，油菜素内酯是植物生长发育的必需物质，其主要生理功能有：调节根的生长、调节茎的伸长、调节叶的伸展、调节质子泵的活化和逆境胁迫适应能力［28］。油菜素内酯的生物合成和信号缺陷突变体都存在矮杆表型。研究表明，5α- 类固醇还原酶是油菜素内酯合成途径的重要生化酶，它的突变可以导致植株矮化［32］。油菜素内酯对植物的横向生长和纵向伸长都有非常明显的作用，近些年发现的油菜素内酯矮化突变体都具有茎粗、叶子较大和颜色较深的特点，突变体的生长周期增加，在黑暗中生长的子叶变得宽大，胚轴变短［33］。植物上最早发现的甾醇类激素是油菜素甾醇，研究表明，从玉米nana plant 1突变体中克隆的ZmDET2基因为油菜素甾醇信号转导缺陷所致。拟南芥Brill矮化突变体，在外施油菜素内酯后不能恢复其株高，故Brill是油菜素内酯钝感型突变体［34］，在其它作物如小麦、水稻、豌豆和番茄中也发现了油菜素内酯钝感型突变体，但在玉米中目前还没有植株矮化突变与油菜素内酯合成有关基因的报道。研究人员用不同浓度的油菜素内酯处理玉米矮化突变体d2003，结果显示对苗高并无显著影响［35］。

4.3 生长素

生长素在植物生长代谢过程中扮演重要的角色，如根、茎的生长发育、器官的分化衰老等。生长素的分布、代谢、极性运输和信号转导过程中如果发生基因突变，就会影响植株的发育，从而导致植株矮小。例如应用很广泛的玉米矮杆突变体br2，就是因为P-糖蛋白的缺失而导致玉米下部茎节中生长素的极性运输出现异常而呈现矮化表型［36-37］。研究发现，生长素合成途径主要分为两类：依赖色氨酸合成途径；非依赖色氨酸合成途径［38］。在玉米突变体中，生长素的极性运输速率明显降低。生长素可以促进赤霉素等合成或者抑制其钝化，从而调节株高。生长素会软化植物细胞壁，使原生质体黏度下降，增加其流动性和呼吸作用，加速吸收水分和营养，可以为细胞增大提供必要条件准备［24］。生长素对植物的生长有促进和抑制的双重影响，当生长素浓度太高时，会抑制植物的生长，甚至会杀死植物，低浓度会促进植物的生长。目前，有研究人员用不同浓度的生长素处理d2003幼苗，结果表明，在生长素浓度在0、1、10、100 μmol/L四个梯度中，当施加10 μmol/L的生长素浓度时促进幼苗株高生长效果最明显，在施加最大浓度100 μmol/L时，幼苗株高反而有所下降［25］。研究人员对正处于拔节期的矮杆玉米显性突变体Dt及其野生型自交系的叶片进行激素提取，测定其含量，实验结果表明，赤霉素、甾醇、脱落酸等含量无明显差异，但生长素含量差异极为显著，说明生长素与玉米显性矮杆突变体Dt矮化机理是有关系的［24］。玉米育种和农业生产都具有重要的意义，对于推进玉米矮化育种的进程也有着重要的作用。分子辅助育种可以大大提高育种效率，通过分子生物学技术手段对控制株高的关键基因进行定位及克隆，可为育种家选育株高适中的新品种提供分子标记，加快育种速度。目前已经发现的矮杆基因大多数是隐形基因，只有少数几个是显性基因。

我们在前期工作中，得到一批EMS诱变的矮杆突变体，通过田间表型鉴定，筛选出一批植株较矮、株型紧凑、茎秆变粗、叶夹角较小的突变体，进一步采取高通量测序方法对其进行了定位，这为玉米矮杆基因的发掘奠定了基础。无论是自然突变体还是经人工诱变的玉米矮杆突变体，通过对矮杆基因的定位、矮杆基因的发现，开发相应的分子标记，将为矮杆玉米的培育提供帮助。