劉忠祥

（甘肅省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所，甘肅 蘭州 730070）

玉米是重要的糧食、飼料、工業(yè)原料和生物質(zhì)能源作物，在解決糧食安全和能源安全這兩個全球性問題當中扮演著極其重要的角色。株高是玉米的重要農(nóng)藝性狀，與籽粒產(chǎn)量、生物學產(chǎn)量、抗倒伏性密切相關(guān)。隨著分子生物學的發(fā)展，對控制玉米株高的QTL基因研究成為玉米育種工作的熱點。在玉米諸多株型構(gòu)成成分中，莖稈高度尤為重要，它與產(chǎn)量密切相關(guān)，解析玉米株高的遺傳基礎，將為如何合理利用玉米株高開展株型育種，乃至提高玉米產(chǎn)量都具有重要意義。適當降低株高、增加種植密度，提高抗倒伏能力可以增加產(chǎn)量；增加株高也可以增加玉米生物學產(chǎn)量，提高玉米在生物能源和青貯飼料中的應用價值。近年來，控制玉米株高性狀的QTL基因很受育種者關(guān)注，在基因定位、克隆和功能研究方面都取得了較大進展，對更深入研究玉米株高QTL基因定位、克隆和功能研究具有重要指導意義。筆者總結(jié)了玉米株高主效QTL定位研究進展及與株高相關(guān)基因的功能與響應途徑，供玉米遺傳育種工作者參考。

1 作物株高與產(chǎn)量高度相關(guān)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)史上，農(nóng)作物整體株高的降低對世界農(nóng)業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響。20世紀70年代，在小麥和水稻生產(chǎn)中正是由于推廣種植株高較矮的新品種爆發(fā)了綠色革命，使世界小麥和水稻產(chǎn)量大幅度增長。學者和種植者對矮小品種的偏愛，是由于它們能抵御大風、降水、高密度種植導致的倒伏，同時矮小作物品種也能提高肥料的利用率［1-3］。

玉米株高與籽粒產(chǎn)量、生物學產(chǎn)量、抗倒伏性密切相關(guān)，是一個重要的產(chǎn)量相關(guān)性狀。增加玉米種植密度是當前提高玉米產(chǎn)量的主要方式。但隨著種植密度的增加，玉米植株倒伏的風險也隨之增大，降低株高是避免倒伏的主要育種策略之一。隨著人們對玉米的需求量越來越大，玉米單位面積產(chǎn)量也逐步增長。在美國，平均玉米籽粒產(chǎn)量從1930年的1 500 kg/hm2，增加到現(xiàn)在的8 500 kg/hm2，增加了4倍多，大約每年玉米產(chǎn)量增加109 kg/hm2［4］。在中國，玉米籽粒產(chǎn)量從新中國建立時的1 060 kg/hm2提高到2008年的5 290 kg/hm2，單位面積產(chǎn)量提高了近4倍［5］。同時，玉米種植密度也在不斷增加。中國玉米單產(chǎn)的增長主要是由于種植密度的增加。同樣在美國洛瓦州，相比于1965年，2008年該州玉米種植密度增長了96%，平均玉米產(chǎn)量增長了110%，可見該州玉米單位面積產(chǎn)量增加的原因主要是由于種植密度的增加，而不是玉米單株產(chǎn)量的增加［5-6］。目前增加種植密度是我國及世界增加玉米產(chǎn)量所采取的關(guān)鍵措施之一，但種植密度的增加，往往會出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象，帶來更大程度的減產(chǎn)，嚴重的可能減產(chǎn)30%～50%［7］。這是由于隨著種植密度的增加，田間植株競爭性生長，使得玉米植株莖稈過分伸長而變的細弱，同時導致植株的雌穗高度增加，植株整體重心升高，在遭遇大風和暴雨時，常常出現(xiàn)玉米大范圍倒伏［8］。也有研究顯示，玉米倒伏出現(xiàn)的可能與種植密度的增加高度相關(guān)［7］，而推廣種植植株高度較矮的新品種不僅有利于增加種植密度，也能有效減少倒伏的出現(xiàn)。所以，選育適當高度的玉米新品種有利于玉米產(chǎn)量的增加，而剖析控制玉米植株高度的遺傳因素也有重要意義。

2 玉米株高QTL研究進展

作物株高表現(xiàn)數(shù)量變異。在玉米中，株高是遺傳力最高（預計超過90%）且容易測量的性狀之一。由于株高的這個特性，從Mendel的雜交試驗以來［9］，不同研究機構(gòu)對玉米株高進行了大量的遺傳研究，同時玉米株高也作為剖析QTL遺傳基礎的模式性狀。

早在1987年，Edwards等［10］利用兩個F2群體對玉米株高QTL進行了鑒定，共檢測到21個與株高連鎖的標記位點。隨后，Beavis等［11］利用4個群體共鑒定出16個株高QTL，其中12個與已知的株高突變體所在位點接近，說明影響數(shù)量性狀的位點與導致突變產(chǎn)生的質(zhì)量位點可能是同一基因，而Berke等［12］報道了在玉米染色體上有11個區(qū)域與株高密切相關(guān)。隨著分子標記技術(shù)的發(fā)展，到目前為止已經(jīng)鑒定到大量的株高QTL，同時對主效QTL進行了圖位克隆。張志明等［13］指出，目前已定位的株高QTL多達280個，從第1到第10染色體上已檢測的個數(shù)分別為35，14，34，16，22，18，22，23，20，17，另有 60多個未提供染色體信息［14-15］。Lima等［16］利用熱帶種質(zhì)玉米F2群體，在第1、2、4、5染色體上總共定位到6個株高QTL。Tang等［17］選取綜3和87-1為親本發(fā)展了包含294個系的RIL群體，并利用該群體鑒定到6個株高相關(guān)QTL和6個平均節(jié)間長的QTL，其中株高QTL分布在第1、2、3、5號染色體上，6個平均節(jié)間長的QTL中有4個與定位到的株高QTL位于相同染色體區(qū)域。楊曉軍等［18］利用一個包含397個家系的分離群體，共檢測到21個株高相關(guān)的QTL，其中第1、2、3和5四條染色體上分布的株高QTL較多，并推測第5染色體的bin 5.05-5.07區(qū)域可能存在控制株高和穗位高度的主效QTL；嚴建兵等［19］利用玉米自交系綜3和87-1構(gòu)建的266個F2群體對玉米的五個不同生長時期進行了株高QTL定位，共定位到8個QTL，其中3個QTL在不同時期都能穩(wěn)定檢測到，但同一QTL在不同時期所解釋的表型變異差別較大，說明株高QTL隨著植株的生長表達會發(fā)生變化。

相對于初級作圖群體，利用導入系群體檢測株高QTL，由于消除了遺傳背景的干擾，檢測效力將會顯著提高，同時可以檢測基因間的互作。Salvi等［20］用 Gaspé Flint作為供體親本，B73 為受體親本，構(gòu)建了含有75個系的導入系群體。利用該導入系進行株高及其他農(nóng)藝性狀的定位，其中檢測到的4個株高QTL分布于第1、3、8、10染色體上。Bai等［21］利用HB522為供體，綜3為受體，發(fā)展了一套包含98個系的片段代換系群體，并利用該群體鑒定到9個QTL，分別位于1、2、3、5、6染色體，其中位于第3染色體上的株高QTL，在之前許多研究中也被多次被檢測到。利用同一導入系群體，Teng等［22］在該區(qū)域克隆到一個控制株高的主效QTL。Salvi等［23-24］利用NIL群體在第8染色體上定位到的一個控制玉米花期同時對株高有影響的QTL，并在2007年最終對該基因?qū)崿F(xiàn)了克隆，發(fā)現(xiàn)Vgt1充當順式作用因子調(diào)控下游基因表達。

除了連鎖作圖的方法，關(guān)聯(lián)分析也用于鑒定株高QTL的鑒定。Weng等［25］使用284個自交系材料，利用平均分布在染色體上的超過55 000個SNP標記進行基因型分析，共檢測到204個與株高顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點，其中1.11 bin、2.09 bin、3.02 bin、4.05 bin、5.05 bin、5.06 bin、6.03 bin、6.04 bin、6.05 bin、9.07 bin和10.03 bin是熱點區(qū)域。Peiffer等［26-28］利用NAM群體，采用聯(lián)合作圖方法，定位到89個與株高顯著關(guān)聯(lián)的標記，并利用全基因組關(guān)聯(lián)的方法，發(fā)現(xiàn)277個與株高顯著關(guān)聯(lián)的位點，大部分關(guān)聯(lián)位點與聯(lián)合作圖方法得到的結(jié)果一致。其中在第九染色體長臂上有7個與已定位QTL顯著關(guān)聯(lián)的位點，同時在對NCRPIS（North Central Regional Plant Introduction Station）的全基因組關(guān)聯(lián)分析中，鑒定到213個與株高顯著關(guān)聯(lián)的位點，但與NAM群體關(guān)聯(lián)分析得到的結(jié)果重疊的較少。從以上研究可以看到，玉米株高受到強烈的遺傳控制，并且有著高度多基因的遺傳結(jié)構(gòu)。

3 與株高相關(guān)基因的功能與響應途徑

Emerson［29］最早報道了關(guān)于玉米矮化突變體，該突變體表現(xiàn)出植株矮小、葉片變短變寬顏色深綠、雄穗變粗且分支減少等特征。目前，已鑒定到超過40個由不同基因突變導致的玉米株高突變體［30］。在玉米中已克隆到了多個株高相關(guān)基因，這些基因大部分是通過突變體分析克隆得到。

目前已克隆的許多株高相關(guān)基因都涉及到赤霉素（GA）和油菜素甾醇（BR）的合成、運輸和信號轉(zhuǎn)導途徑，此外，生長素（IAA）也被發(fā)現(xiàn)參與株高調(diào)控。除這些植物激素通過影響節(jié)間伸長來影響株高外，植物株高的改變還受到其他基因的調(diào)節(jié)。

3.1 赤霉素生物合成和信號傳導相關(guān)基因

赤霉素（GA）是一類廣泛存在的四環(huán)雙帖類植物激素，在植物的生長發(fā)育過程中扮演著重要的作用，包括種子萌發(fā)、下胚軸伸長、葉片延展、開花時間、花和果實發(fā)育及成熟等，而其在莖稈伸長方面起著尤為重要的作用［31-34］。GA是最早由黑澤英一在研究水稻時發(fā)現(xiàn)，并在1935年由藪田貞治郎等分離出這種活性物質(zhì)，并命名為赤霉素［35］。目前已在不同生物中已發(fā)現(xiàn)了136種結(jié)構(gòu)明確的GA［36］。然而，這些GA中只有很小一部分具有生物活性，如GA1、GA3、GA4、GA7等，其余絕大部分是GA合成途徑中的中間產(chǎn)物或活性GA分解的產(chǎn)物［37］。

在擬南芥和水稻中，已經(jīng)對GA相關(guān)的突變體進行了大量的研究，GA生物合成和信號轉(zhuǎn)導相關(guān)基因均被發(fā)現(xiàn)參與植株高度的調(diào)控。GA生物合成相關(guān)基因突變引起的表型改變在外源施用GA后可以回復到野生表型，為GA敏感型，這些基因通常編碼GA合成途徑中的一些酶，突變體通常表現(xiàn)為由于節(jié)間長度減少導致的株高降低、葉片變的短且寬、雄穗分支數(shù)減少、雌穗上有花藥的形成等特征。而GA信號轉(zhuǎn)導相關(guān)基因突變引起的表型改變在外源施用GA后不能回復到野性型表型，為GA不敏感型，突變體表現(xiàn)為矮化或植株細長等特征。

在玉米中，已經(jīng)鑒別到5個GA敏感型突變體，即d1、d2、d3、d5和another ear 1（an1）。這些基因都是隱性突變，其中d1（ZmGA3ox2）、d3、an1已被克隆出來［38-40］。d1突變體表現(xiàn)為通常的矮化、GA響應表型，該基因編碼GA30酶，這種酶是GA合成途徑的重要酶，催化生物活性GA合成的最后一步［22］；An1突變體表現(xiàn)為植株極端矮化、生育期延長、雌穗上形成完全花等特征，該基因同樣編碼一種酶，這種酶與GA合成途徑中第一個四環(huán)中間產(chǎn)物貝殼杉烯的合成有重要作用［41］。引起d3突變的基因編碼細胞色素P450蛋白，該蛋白涉及到GA合成起初階段GA12向GA53的轉(zhuǎn)化［42］。在水稻中，導致植株矮化的基因sd-1（semidwarf-1），也就是著名的水稻綠色革命基因，也是GA合成途徑的關(guān)鍵基因。該基因編碼GA合成途徑中的GA20氧化酶（OsGA20ox2），該基因的突變使水稻栽培種變矮、莖稈變粗。另一GA合成途徑相關(guān)基因d18編碼GA羥化酶（Os-GA3ox2）［43］。

GA信號傳導途徑中的基因變異同樣也會導致植株高度的改變。近年來，隨著擬南芥和水稻功能基因組學的發(fā)展，多個GA信號傳導途徑的調(diào)控因子已經(jīng)被鑒定，并且其相對的基因已經(jīng)被克隆，包括擬南芥中的SPY（SPINDLY）、gai（GA-insensitive）和RGA（repressor of gal-3）、玉米中的 D8（dwarf 8） 和D9（dwarf 9）、大麥的 SLN1（SLENDER1） 和水稻中的 slr1 （slender rice1）、dwarf1、OsGAI，以及小麥的 Reduced height（Rht-B1和Rht-D1）基因［44-50］。這些突變體有2種表型特征，一種是植株細長，如水稻slender突變體、大麥slender突變體和擬南芥spindly，一般為隱性突變；另一種是常見的GA不敏感矮化突變表型，一般為顯性突變，如D8和D9、GID1基因、小麥Rht。對于植株瘦長突變體，植株一直處于GA響應激活狀態(tài)，而矮化植株則表現(xiàn)出對GA信號識別和傳導缺陷。黃先忠等［51］研究發(fā)現(xiàn)，這些克隆到的GA信號傳遞關(guān)鍵元件同源性很高（圖1），都在N端部位存在一個DELLA結(jié)構(gòu)，均為DELLA蛋白家族成員。DELLA是細胞核內(nèi)負調(diào)節(jié)赤霉素信號蛋白，在高等植株中普遍被發(fā)現(xiàn)，是赤霉素信號傳導的關(guān)鍵因素。DELLA蛋白在N末端的兩個保守結(jié)構(gòu)域DELLA和VHYNP是GA信號感知結(jié)構(gòu)域。D8、D9這類對GA不敏感的突變體，突變基因編碼的蛋白都是在DELLA結(jié)構(gòu)處發(fā)生了改變，而對GA敏感的突變體大都是由于基因3＇端的堿基突變形成終止密碼所引起的翻譯提前終止造成的。如玉米GA不敏感突變體d8的三個顯性矮化等位基因D8-1、D8-MPL、D8-2023，這3個等位基因的突變都影響到所編碼蛋白的N末端結(jié)構(gòu)。其中D8-Mpl編碼的蛋白缺少開始的105個氨基酸，其中包括DELLA domain；D8-2023缺少TVHYNP結(jié)構(gòu)域的12個氨基酸；D8-1編碼的蛋白中D55被1個谷氨酸替換，而且其后的4個氨基酸缺失［52］。根據(jù)DELLA蛋白結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，在克隆出水稻細長突變體slr后，利用這個基因構(gòu)建了一個顯性等位基因。這個顯性基因編碼的蛋白在DELLA motif有17個氨基酸的刪除，被導入這個基因的水稻表現(xiàn)出矮化和GA不明感表型。DELLA蛋白N端的重要作用可能在于與可溶性GA受體GID1的互作有關(guān)，在水稻和擬南芥中已經(jīng)證實了DELLA蛋白與GID1能互作，SLr1-d突變基因編碼的DELLA蛋白與GID互作降低，由于這種互作的降低，導致GA依賴的SLr1-d蛋白降解變慢，導致突變體矮化［49］。

圖1 DELLA蛋白家族的結(jié)構(gòu)示意

3.2 油菜素甾醇（BR）生物合成和信號傳導相關(guān)基因

油菜素甾醇（brassinosteroid，BR）是在1970年被發(fā)現(xiàn)，在1979年被分離出來，是已發(fā)現(xiàn)的這類物質(zhì)中活性最強的分子。BR在植物各個發(fā)育階段和多種發(fā)育過程中都有重要作用，其主要功能是促進細胞伸長、植物暗形態(tài)建成、脅迫響應等，其結(jié)構(gòu)與動物中性別決定的類固醇結(jié)構(gòu)相似，在BR合成或者是信號傳導途徑有缺陷的突變體表現(xiàn)出不同程度的矮化，在玉米中BR同樣影響性別決定［53］。

在玉米中發(fā)現(xiàn)的突變體brd1、na1都涉及到BR合成途徑，純合的brd1突變體莖節(jié)間不伸長，在黑暗中生長時沒有黃化反應，施用外源激素能在部分程度上恢復突變表型，同時突變體在葉和花等性狀上也有變化，表現(xiàn)為葉片皺縮，雄穗雌性化，不能產(chǎn)生種子，該基因編碼催化BR合成最后階段的酶。na1是一個“tassel seed”（ts）突變體，該突變體株高和植株整體構(gòu)型都有改變。株高的改變是由于莖節(jié)長度的變化導致，莖節(jié)數(shù)沒有變化，與其他BRs合成缺陷突變體相似，植株暗形態(tài)發(fā)生改變，中胚軸伸長受損，同時突變植株雄蕊雌性化，說明BRs不僅影響株高，在促進雄蕊發(fā)育的重要作用，該基因編碼BRs合成途徑中的一種酶［41，54］。依據(jù)同源克隆的方法，在玉米中克隆了與擬南芥同源的BR合成相關(guān)基因Zmdwf4和ZmDWF1。擬南芥中DWF1/DIM基因編碼BRs合成途徑的重要的酶，ZmDWF1是玉米中與其同源的基因，該基因編碼與FAD結(jié)合蛋白結(jié)構(gòu)非常相似的蛋白，在ZmDWF1的RNA干擾轉(zhuǎn)基因植株中，由于莖細胞在軸向方向伸長有缺陷，轉(zhuǎn)基因植株在不同程度上表現(xiàn)矮化現(xiàn)象；擬南芥中的另一個基因DWF4編碼BR合成途徑中的一種羥基酶，這種酶催化BR合成過程中C27-C29甾醇的羥基化，突變植株表現(xiàn)出矮化、葉片變短且顏色變深、角果變短、雄性不育，ZmDWF4為其在玉米中的同源基因，在擬南芥dwf4的轉(zhuǎn)基因植株中ZmDWF4能恢復突變體矮化表型，且能恢復雄性不育［55-56］。水稻中影響到BR生物合成和信號傳導的突變基因均被鑒定到，OsDwarf2、OsDwarf11編碼BR生物合成過程的相關(guān)酶，而d61在BR信號傳導途徑有缺陷［57-58］。

GAs和BRs是影響株高的主要的激素，在玉米中生長素（IAA）同樣參與株高的調(diào)控。玉米中的brachytic2突變體表現(xiàn)出植株下部節(jié)間縮短緊湊，而植株上部表現(xiàn)正常，植株整體高度降低，研究發(fā)現(xiàn)該基因是通過影響莖稈居間分生組織生長素的極性運輸來影響株高［30］。另一突變體vanishing tassel 2同樣表現(xiàn)出矮化的特征，該基因編碼生長素合成過程中的色氨酸轉(zhuǎn)移酶，該酶催化色氨酸向3-吲哚丙酮酸的轉(zhuǎn)化［59］。

除了激素以外，株高也被一些影響細胞分裂、伸長和合成酶基因所影響。玉米矮化突變體d 2003表現(xiàn)節(jié)間數(shù)目增加、節(jié)間長度縮短、節(jié)間細胞數(shù)目減少，研究證實突變體中的赤霉素、生長素、細胞分裂素信號傳導途徑表現(xiàn)正常，其植株矮化的原因在于Viviparous8（Vp8）基因的編碼區(qū)由于單堿基的插入而導致翻譯的提前終止［60］。在水稻中同樣發(fā)現(xiàn)編碼CCT domain蛋白（GHD7）和蔗糖磷酸合成酶的基因（SPS）與株高有關(guān)［61-62］。

4 展望

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展和玉米機收籽粒的不斷普及推廣，對玉米株高和莖稈彈性提出了更高要求，不但要求莖稈直立不倒，而且要求莖稈富有彈性，以適應機械化收獲的需要。玉米株高是由多基因控制的數(shù)量性狀，大部分數(shù)量性狀位點（QTL）效應值較小，只有少數(shù)QTL表現(xiàn)為主效但易受環(huán)境的影響［63-64］。雖然已經(jīng)報道了許多玉米株高QTL，但由于作圖群體、分析方法以及環(huán)境條件的差異，往往會造成QTL定位區(qū)間過大、區(qū)間重疊或多環(huán)境條件下不能穩(wěn)定表達等現(xiàn)象。因此，對控制玉米株高的QTL/基因研究將成為玉米育種工作的熱點，發(fā)掘、鑒定和利用新的株高基因成為玉米育種中備受重視的研究內(nèi)容。隨著分子技術(shù)的發(fā)展，開展玉米株高基因定位、克隆和功能研究，闡明其分子機理，對玉米育種和生產(chǎn)具有重要指導意義。