玉米雄穗分枝數分化發育基因研究進展

代資舉，王新濤，楊 青，張富才，李保全

（1河南省農業科學院作物設計中心，鄭州450002；2寶豐縣農業科學研究所，河南寶豐467400）

0 引言

玉米(Zea maysL.)是一種來自中美洲高度分枝的大芻草(Zea maysssp.Parviglumis)經過長期馴化形成的[1]。在選擇和馴化過程中，玉米雄穗作為產量性狀重要因子是主要選擇目標之一。在正常發育的玉米中，雄穗處于植株頂端，具有頂端優勢，有分枝，先于雌穗發育，在養分供給上優于雌穗，因此二者間在發育中存在著競爭，同時雌雄穗的發育進程部分重疊，確保花期吻合，使得正常授粉結實[2]。玉米雄穗性狀主要包含雄穗分枝數、分枝長度、分枝夾角、雄穗重、雄穗長、主軸長、小穗密度等。玉米雄穗分枝數(tassel branch number,TBN)作為衡量雄穗大小的重要指標，是玉米育種與雜交種種子生產中與產量形成有關的重要農藝性狀之一[3]。Geraldi等[4]的研究表明雄穗分枝數與玉米產量呈現負相關性。然而在玉米雜交種種子生產過程中，作父本的親本植株需要較為發達的雄穗，以利于提高制種產量[5]。同時較小適中的雄穗又是理想株型的構成要素之一，過度發達的雄穗影響株型的冠層結構，影響植株整體光能利用率[6]。因此在育種實踐中選育具有適度減少雄穗分枝數的雜交種是目前玉米育種的一個趨勢。前期利用‘鄭單958’骨干親本‘鄭58’和‘昌7-2’構建的188個RIL家系群體，結合288個多態性分子標記構建的連鎖圖譜和2年玉米雄穗分枝數表型數據，共檢測到5個控制玉米雄穗分枝數的一致性主效QTL，分別位于玉米5條染色體上，然后通過連續回交及分子標記輔助選擇構建了位于bin5.05的控制雄穗分枝數主效QTL-qTBN5近等基因系(near isogenic line，NIL)，對基因遺傳效應進行了驗證，并將qTBN5進一步定位在13.2 Mb區間之內[7]。由于玉米雄穗分枝數是典型數量性狀，其分化發育過程受多基因控制，而且基于突變體的遺傳分析方法已鑒定分離出多個控制玉米雄穗分枝數的基因，然而如何將這些基因資源應用于育種實踐是關鍵。本文對玉米雄穗分枝分化發育過程相關基因的生物學基礎進行了綜述，重點描繪了控制玉米雄穗分枝數關鍵基因及其調控網絡，為克隆玉米雄穗分枝數主效基因、挖掘玉米雄穗分枝數優異基因資源，進而為玉米產量和株型相關性狀的遺傳改良提供理論參考。

1 玉米雄穗分枝分化發育過程

玉米是雌雄同株，異花授粉作物，雄穗長在頂端，其發育有其獨特之處。曹明秋等[8]根據雄穗分化過程將雄穗分化發育分為以下時期：生長錐未伸長期、生長錐伸長期、小穗分化期、小花分化期、性器官形成期。不同的分化歷期，其生長錐變化和幼穗形態都有其特征（表1）。其中在雄穗生長錐伸長期向雄穗小穗分化期過渡期間啟動了雄穗分枝的分化發育。由于玉米莖頂端分生組織(shoot apical meristem,SAM)的發育方向是不確定的，在不同生長階段發育成不同組織。在營養生長階段，SAM發育成葉片，在腋芽處形成新的原基。而在玉米營養生長向生殖生長轉換時期，SAM轉變發育成花序分生組織(inflorescence meristem,IM)，IM可產生3類分生組織，分別是分枝分生組織(branch meristem,BM)、小穗成對分生組織(spikelet pair meristem,SPM)和小花分生組織(floret meristem,FM)，即IM首先在主軸底部啟動一些分枝分生組織(branch meristem,BM)發育成長分枝，之后產生成對小穗分生組織SPM，SPM發育成對小穗(spikelet meristem,SM)，最后產生小花分生組織FM，FM最終形成小花，同時BM發育和IM相似，會產生新的分枝和SPM，隨后產生SM和FM[9-12]。雄穗分枝分化發育涉及諸多基因，某些關鍵基因功能的變化，就可能使其不會產生分枝或者分枝過多。

2 玉米雄穗分枝數性狀的QTL定位

玉米雄穗分枝數的遺傳表現為主效基因+微效多基因模式，且存在小的加性和上位性效應[13-14]。隨著現代分子生物技術的發展，一些控制玉米雄穗分枝數QTL被不同研究者利用不同群體、標記類型和定位方法鑒定出來。Berke和Rocheford[15]利用F2群體鑒定到3個控制雄穗分枝數QTL，分布于第2、4、7染色體上，其中第7染色體上QTL貢獻率最大。Mickolson等[16]利用重組自交系(recombinant inbred line，RIL)群體，在第1、2、3、4染色體上共定位到6個雄穗分枝數QTL，其中第2染色體QTL貢獻率最大。湯華等[17]利用‘N87-1’ב綜3’構建F2:3群體，定位到9個雄穗分枝數QTL，分別位于第1、3、4、5、9、10染色體上，貢獻率介于6.11%～12.01%之間。Upadyayula等[5]利用BC1S1家系群體，定位到2個雄穗分枝數QTL，分別位于第4、7染色體，貢獻率分別為7.9%和11.7%。高世斌等[18]利用‘N87-1’ב9526’構建F2:3群體，定位到6個雄穗分枝數QTL，分布于第2、4、7、10染色體上，貢獻率為5.6%～28.4%。Briggs等[19]利用玉米和類蜀黍(teosinte)構建的BC作圖群體鑒定到31個雄穗分枝數QTL，玉米10條染色體上均有分布。王迪等[20]利用‘齊319’ב黃早四’和‘披478’ב黃早四’分別構建了兩套F2:3群體，10條染色體上定位到40個雄穗分枝數QTL，貢獻率為2.93%～23.78%。Brown等[21]利用5000份RIL組成的(nested association mapping,NAM)群體，共檢測到39個雄穗分枝數QTL。楊釗釗等[22]利用以‘黃早四’為共同親本，構建了11個不同組合的RIL群體，共定位到11個雄穗分枝數QTL，分別位于第2、3、4、5、7、8染色體上，貢獻率為9.7%～20.9%。Chen等[23]利用F2群體和高密度遺傳圖譜檢測到7個控制雄穗分枝數QTL，分布于第1、3、4、5、7、8、9染色體上。Yang等[24]利用368個自交系鑒定到30個控制雄穗分枝數QTL。Wu等[25]利用NAM群體和全基因組關聯分析檢測到50個控制雄穗分枝數QTL。Chen等[26]利用BC1S1和RIL家系群體定位到4個控制雄穗分枝數QTL，分別位于第2、3、5、7染色體上。而Xu等[27]利用栽培玉米和類蜀黍(teosinte)發展作圖群體，利用SNP標記全基因組掃描檢測到14個控制玉米雄穗分枝數QTL。代資舉等[7]利用RIL家系群體，定位到5個控制玉米雄穗分枝數主效QTL，分別位于玉米5條染色體上，貢獻率為5.81%～19.92%。以上研究表明玉米雄穗分枝數是多基因控制數量性狀，控制該性狀基因在多數染色體上都是存在的（圖1），且存在主效QTL。這些定位結果不僅加深了對玉米雄穗分枝數遺傳規律的理解，而且為玉米雄穗分枝數相關基因的克隆、功能分析及分子標記輔助育種奠定了基礎。

表1 玉米雄穗分化時期特征

3 玉米雄穗分枝分化發育的遺傳調控

玉米雄穗分枝發育涉及眾多關鍵基因，基于突變體的遺傳分析方法，已鑒定分離出多個調控玉米雄穗分枝數發育基因，如ramosa突變體，其基因突變體ramosa1(ra1)、ramosa2(ra2)和ramosa3(ra3)等，由于分生組織抑制作用解除，可以自由長出分枝，主要表現為雄穗基部分枝數和混合分枝數增多，這些混合分枝產生單個或者成對小穗，混合分枝產生的行為更像是SPM抑制喪失而非BM[28]。Ramosa突變體表型表明ramosa基因在調控玉米花序分枝分生組織中扮演著重要角色，這些基因已經克隆，其中ra1和ra3基因分別位于第7染色體的2個不同區域，ra1編碼植物特有的含有一個Cys2-His2鋅指結構域的類EPF蛋白轉錄因子，在雄穗短分枝中的小穗對分生組織的原基中表達，而ra3基因編碼6-磷酸海藻糖酶(trehalose-6-phosphate phosphatase,TPP)，通過合成海藻糖用以修飾進入花序分生組織的糖信號，進而調控ra1的轉錄活性，ra2基因位于第3染色體，是一個含有LATERAL ORGAN BOUNDARY(LOB)結構域的轉錄因子，在莖頂端分生組織和分枝分生組織原基中表達較高，ra2促進ra1表達以限制分生組織生長[29-30]。玉米ramosa1 enhancer locus2(rel2)基因，編碼一個TOPLESS-like轉錄共抑制因子，其蛋白C-端的2個EAR-like模體能與RA1互作，參與生長素相關的花序發育，rel2突變體顯著增強了ra1和ra2的表型，rel2:ra1和rel2:ra2雙突變體表現出雄穗直立向上且分枝數多，表明REL2通過形成轉錄復合體來調控ra1的功能[31-33]。參與ramosa途徑調控玉米花序分枝的另一個基因是sessile spikelets1(Sos1)，Sos1為一個半顯性突變基因，Sos1突變體雄穗不形成成對的小穗，只有少數的雄穗分枝，而Sos1和ra1相互作用后分枝數比ra1突變體少，說明Sos1對ra1存在較強的上位性，能有效抑制ra1增加雄穗分枝數的功能，在Sos1突變體中ra1表達量下降，說明SOS1通過負調節RA1參與ramosa途徑，而Sos1對ra2具有增效作用，同時與ra3存在加性互作[34]。

圖1 玉米雄穗分枝數QTL在基因組染色體上的分布

另外一些調控玉米雄穗分枝數分化途徑，如thicktassel dwarf1(td1)和fascinated ear2(fea2)分別編碼擬南芥基因CLAVATA1(CLV1)和CLV2同系物，影響SAM到IM的順利轉換，其突變體表現為雄穗分枝數增加和大量小穗[35-36]。liguleless2(lg2)基因位于第3染色體上，編碼一個bZIP結構蛋白，主要控制玉米葉舌和葉耳的發育，同時參與花序建成的調控，其突變體雄穗下部長分枝分化不能啟始，在ra1:lg2和ra2:lg2雙突變體中，雄穗雖然基部長分枝不能啟始，類似lg2表型，但是上部分枝數增加，表現為ramosa表型，由此可見lg2是雄花序基部分枝發生所需要的，而且調控途徑與ramosa不同[37-38]。barren stalk1(ba1)突變體雄穗只有一個主軸而沒有分枝、小穗和小花，導致突變的原因是位于第3染色體ba1基因編碼起始位點上游存在Helitron轉座子插入，該基因編碼一個堿性螺旋-環-螺旋(helix-loophelix)結構蛋白，是一個植物特有的bHLH轉錄因子家族成員[39]。barren inflorescence2(bif2)基因是位于第1染色體上的一個編碼絲氨酸/蘇氨酸激酶，參與生長素極性運輸途徑，影響SPM和BM的形成，bif2突變體表現為雄穗分枝難以分化、小穗和小花數減少[40]。而tasselsheath4(tsh4)、unbranched2(ub2)和unbranched2(ub3)基因是一類SQUAMOSA PROMOTER BINDING(SBP)-box轉錄因子家族成員，研究表明SBP轉錄因子與花發育等植物生長發育、形態建成、光反應及逆境協迫等相關，其單、雙和三突變體表現出雄穗分枝數的顯著減少，而增強基因表達可以增加玉米雄穗分枝數和花藥數，提高玉米產量[41-43]。而GRF互作引子GRF-interacting factor1(gif1)在莖頂端分生組織和花序分生組織活躍分裂的細胞中表達，與ra2和ub3表達的組織區域重疊，通過直接結合花序發育關鍵基因ub3啟動區，進而調控ub3的表達而影響玉米花序分枝數目的形成[44]。以上這些利用玉米花序突變體進行遺傳分析，分離到了一批重要的控制玉米雄穗分枝數功能基因，豐富和提升了對玉米雄穗分枝數分化發育及花序建成遺傳調控的認識（圖2），為玉米雄穗的分子設計及產量相關性狀的遺傳改良提供理論指導和基因資源。

圖2 玉米雄穗花序分枝調控途徑

4 展望

玉米雄穗分枝數作為衡量雄穗大小的重要指標，是復雜的數量性狀，其QTL定位易受到材料類型及標記密度等因素影響[45]。盡管不同的研究者在玉米10條染色體上都定位到控制玉米雄穗分枝數的QTL[14-27]，但由于玉米基因組的高度復雜性、遺傳背景及繁雜的遺傳互作關系，使得通過傳統的定位方法和有限的群體及標記很難鑒定出一致性的主效QTL，而且沒有經過近等基因系、導入系、染色體片段代換系等進行基因遺傳效應驗證，效應大小差異較大，因此很難分離雄穗分枝發育相關基因。因此在傳統定位基礎上，通過發展玉米雄穗分枝數主效QTL近等基因系[7]，結合QTL-seq[46]、RAR-seq[47]和 GBS[48]等新一代測序技術和基因定位分析方法，可以有效鑒定玉米雄穗分枝數主效QTL，加快雄穗分枝發育相關基因研究進程。

雄穗分枝分化發育涉及諸多基因，發育進程中某些關鍵基因功能的改變，就可能使其不會產生分枝或者分枝過多。盡管一些調控玉米雄穗分枝數發育重要基因，基于突變體遺傳分析法結合圖位克隆的策略被分離出來，這些基因功能的缺失或者改變都使得玉米雄穗分枝數發生了改變，對闡釋分枝分化基因調控起到重要作用，但這些突變體材料通常呈現出極端表型，不僅雄穗分枝數改變，同時表現出其他一些農藝性狀的改變，如雌穗、株高等重要性狀[28-44]，不能直接應用于玉米育種實踐，因此需要通過廣泛的表型變異尋找單一精確的表型類型。為此，一方面可以通過基因編輯技術改造玉米雄穗分枝分化關鍵基因結構創造新的變異，另一方面根據這些基因特征通過自然群體去尋找新的等位變異，如通過自然變異分離出的弱突變等位基因FEA2和FEA3[38,49]，然后經過這些優良等位變異的評估、組裝分析，找出最優組合，不僅可以加深對雄穗分枝數發育調控網絡的理解，而且拓寬攜帶優異等位基因種質資源的利用空間，為適宜大小的玉米雄穗分子設計奠定基礎。