張學勇 馬 琳 鄭 軍

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作物馴化和品種改良所選擇的關鍵基因及其特點

張學勇1,*馬 琳1鄭 軍2

1中國農業(yè)科學院作物科學研究所, 北京100081;2山西省農業(yè)科學院小麥研究所, 山西臨汾 041000

近15~20年作物基因組學迅速發(fā)展, 特別是第2代測序技術的普及, 顯著降低了測序成本, 使單核苷酸多態(tài)性(SNP)分析和單元型區(qū)段(也稱單倍型區(qū)段)分析滲透到生命科學的各個領域, 對系統(tǒng)生物學、遺傳學、種質資源學和育種學影響最為深刻, 使其進入基因組學的全新時代。一批馴化選擇基因的克隆, 特別是對一些控制復雜性狀形成的遺傳基礎及其調控機制的解析, 更清晰地揭示了作物馴化和品種改良的歷史, 提升了人們對育種的認知, 推動育種方法的改進。馴化和育種既有相似之處, 也存在明顯的差異。馴化選擇常常發(fā)生在少數關鍵基因或位點, 對基因的選擇幾乎是一步到位; 而現代作物育種雖然只有100年左右的歷史, 但其對基因組影響更為強烈, 是一些重要代謝途徑不斷優(yōu)化的過程。隨著生態(tài)環(huán)境或栽培條件的變化, 育種選擇目標基因(等位變異)會發(fā)生相應的變化或調整, 因此對基因(等位變異)的選擇是逐步的。此外, 強烈的定向選擇重塑了多倍體物種的基因組, 使其亞基因組與供體種基因組明顯不同。在群體水平上, 系統(tǒng)分析馴化和育種在作物基因組和基因中留下的蹤跡, 凝煉其中的規(guī)律, 將為品種改良和育種提供科學理論和指導, 本文也簡要介紹了“十三五”國家重點研發(fā)計劃專項“主要農作物優(yōu)異種質資源形成與演化規(guī)律”的基本研究思路。

作物基因組; 馴化; 育種; 關鍵基因; 單元型區(qū)段

今天人們賴以生存的作物如水稻、小麥、玉米、大豆、棉花、油菜、蔬菜、果樹等, 基本都經歷了兩次強烈的人工選擇, 即馴化和育種。作物馴化和育種及基因組學的相關基礎研究, 不僅有助于揭示在人工選擇作用下生物遺傳變異的規(guī)律以及物種形成的機制, 還能夠加深人們對特定生物性狀的起源、變異和進化的認識, 為進一步開發(fā)新的種質資源、更有效地改良品種提供理論基礎和指導[1-3]。

1 作物馴化、改良的主要性狀及其特點

1.1 作物的主要馴化性狀及其特點

馴化前作物野生種主要依靠群體內的多樣性及個體遺傳適應機制在自然界生存和繁衍。馴化的過程實際是作物的某些性狀隨著人們的意愿而改變, 是兩者相互依存度不斷強化的過程。在人工干預下, 受馴化的植物逐漸失去其野生祖先的部分生理、形態(tài)和遺傳特性, 而人們需要的性狀不斷得到積累和加強。作物馴化的基本特征性狀是從落粒到不落粒、由匍匐轉向直立、分枝減少、休眠減弱、開花、成熟趨于一致, 果實大而均勻, 苦、澀味降低, 絕大部分栽培種在自然狀態(tài)下的自我繁殖與傳播能力降低,須依靠人類的播種、管理、收獲、留種才能有效繁衍后代。大量研究表明這些馴化相關性狀大多為單基因或寡基因控制的質量性狀。

1.2 性狀馴化的時間和次序

由野生種馴化到栽培種的過程中往往改變了多個性狀, 不同的性狀在馴化時間上有先后之分。例如水稻由匍匐轉向直立、由落粒成為非落粒應該是最早馴化的性狀, 而籽粒由紅色變成白色及糯性等應是比較晚一些的馴化性狀, 關鍵的性狀(基因)馴化選擇完成后, 可能傳播到周邊或更遠的地方, 完成二級性狀的馴化選擇。因此, 僅僅依據個別二級馴化性狀基因的分布, 判斷一個國家或地區(qū)就是某種作物的起源地、特別是初生起源地并不客觀[4]。

一些多倍體物種如小麥、油菜、棉花等, 在不同的倍性水平都有馴化選擇發(fā)生, 即馴化與多倍體化相伴而行, 例如小麥在四倍體水平已基本完成了馴化, 形成了多個栽培種, 而六倍體化后的新物種又具有野生或半野生性狀, 經再次馴化后成為今天的普通小麥。人工合成小麥基本不能直接應用于生產, 未完成二次馴化可能是重要原因之一。蕓薹屬甘藍型油菜的形成過程與小麥類似。

1.3 育種改良性狀及其與馴化性狀的異同

作物遺傳改良是人類有目的、有計劃地通過人工雜交、誘變, 促進基因重組和交換, 定向改良作物的過程, 其突出特點是目的性極強, 即產量的提高、品質的改善、對生物和非生物逆境的適應, 以及適合機械化管理和加工, 這個改良的過程通俗地稱為育種, 產品統(tǒng)稱為品種。作物改良的性狀絕大部分是受多基因控制的數量性狀, 也有部分是單基因或寡基因控制的質量性狀, 如植株高度、抗病性等。絕大部分作物的育種歷史在100年左右, 是孟德爾定律被重新發(fā)現之后的事, 其歷史雖然短暫, 但對作物基因組、基因等位變異的影響卻是巨大的[5-7]。

2 馴化和遺傳改良性狀基因的基本研究方法

馴化過程中作物形態(tài)、生理和生存環(huán)境發(fā)生了改變, 究其根本是物種遺傳基礎發(fā)生了改變。20世紀50年代以前, 科學家們對于進化的研究主要集中在古生物學、分類學、胚胎發(fā)生學、比較解剖學、生物地理學、生理學、群體遺傳學等方面。此后, 隨著分子生物學和分子遺傳學的興起, 以及核苷酸和氨基酸序列數據的累積, 進化學家逐漸開始從分子水平研究生物進化的原理和機制, 分子進化也逐漸成為研究進化的主要手段。大量研究表明, 由于人工選擇的作用, 致使栽培種與野生種之間, 現代品種與古老的地方品種之間在群體遺傳結構及性狀上形成了很大的差異[8-9]。遺傳多樣性顯著降低是馴化的一個重要標志, 即所謂的馴化瓶頸[2, 8](domestication bottleneck)。由于馴化過程中, 野生群體中只有少部分個體被采集, 用于人工種植和馴化, 馴化群體的種群數量較野生群體急劇減少, 基因組水平的多樣性大大降低, 而承受選擇的基因在群體中的多樣性降低則更為明顯, 同時這些基因附近區(qū)域的遺傳多樣性也隨之下降。遺傳學中把這種對少數基因選擇導致側翼區(qū)域遺傳多樣性降低的現象稱為選擇牽連效應(hitchhiking effect), 亦稱選擇谷(selection sweep)[10]。此外, 自然選擇、群體擴張或分化等都可能作用于馴化物種并在基因組中留下“印跡”。了解這些因素對馴化物種的作用和影響程度, 對了解馴化物種的進化歷史具有重要意義[11]。

馴化和育種中對基因的遺傳學研究主要有兩種方法: 一是將栽培種與野生種雜交、回交, 建立重組自交系或導入系, 針對馴化性狀開展QTL定位及克隆分析, 研究馴化基因結構特點、等位變異及馴化的機制(圖1)[12-13]; 二是對栽培種(特別是古老的地方品種)與野生種、半野生種進行基因組重測序分析, 通過選擇谷作圖(selection sweep mapping), 確定受選擇的基因組區(qū)段和基因(圖2和圖3)。例如, Zhou等[7]通過重測序, 系統(tǒng)分析水稻著名品種“黃華占”的形成過程, 發(fā)現對其形成貢獻最大的是另一個著名品種“特青”, 由此提出保守傳遞的基因組區(qū)段通常含有對產量、適應性有重要作用的基因; Xie等[14]對1496個品種(系)重測序后發(fā)現約7.8%的基因組區(qū)域在育種中受到比較強烈的選擇, 品種(系)產量的高低與其擁有正向選擇區(qū)段的數量正相關。

淺藍色: 馴化選擇區(qū)段; 深藍色: 馴化和育種共同選擇區(qū)段; 橘黃色: 育種選擇區(qū)段。受選擇的區(qū)段DNA序列的多樣性顯著降低。

Bright blue: domestication haplotype blocks; Dark blue:haplotype blocks extensively selected from domestication to breeding; Orange: breeding haplotype blocks. Diversity was dramatically declined at the genomic regions targeted in both domestication and breeding.

3 馴化性狀及其關鍵基因

馴化性狀一般是從野生種到栽培種過渡過程中最早選擇的性狀, 如休眠的弱化、果實或種子的變大, 成熟斷穗、落粒特性的喪失, 植株個體形態(tài)(株型)的改變等都屬于典型的馴化性狀。馴化基因一般具備3個特點, 即與馴化性狀之間的相關性明確; 在馴化過程中受到很強的正向選擇; 在由一個群體演化而成的不同種群中, 幾乎完全喪失了多樣性(固定)[9]。

大量馴化基因的研究結果表明, 野生性狀的丟失和栽培性狀的獲得往往是野生個體的基因發(fā)生突變, 基因功能喪失、歧化或是新功能獲得后產生的結果。這些性狀之所以被選擇, 是因為它們符合早期人類的需要, 在自然環(huán)境中馴化后的個體是很難生存的, 因此, 馴化選擇的方向與自然選擇方向往往是相矛盾的。從基因本身來看, 與馴化密切相關的基因大多為轉錄因子和激酶調控過程中的關鍵基因, 這類基因在生長、發(fā)育、結實和成熟過程中起著重要調控作用。一些重要代謝途徑上關鍵節(jié)點的催化酶編碼基因也常常是馴化的目標基因, 如谷類作物的淀粉合成途徑、氮吸收利用途徑、葫蘆科的葫蘆素合成途徑等[8-9, 15-16]。

3.1 落粒與斷穗相關基因

落粒是許多植物適應自然環(huán)境, 自我繁殖、保存種群的一個基礎生物學特性, 卻是作物栽培和生產中首先要克服的一個缺點。落粒性的喪失是谷類作物人工馴化過程中的一個關鍵事件, 是谷類作物馴化的首要性狀, 也是馴化研究的典型性狀?？茖W家在日本晴與Kasalch人工作圖群體中精細定位控制水稻落粒性的主效并克隆了目的基因, 其編碼一個BEL1型同源異型蛋白, 5' 端調節(jié)區(qū)的一個單堿基突變(SNP)引起離層不能形成而喪失落粒性[17-18]。余建民小組對落?；蛟诠阮愖魑镏械钠叫羞M化進行了系統(tǒng)分析, 發(fā)現水稻中的和在高粱中仍然控制著落粒性, 說明一些重要的與進化相關的基因在物種間功能趨于保守[19]。但相關機制在物種間也存在差異, 例如大麥和小麥在禾本科中遺傳關系較近, 然而控制斷穗的基因并不是同源基因。

小麥方穗基因()作為小麥馴化的關鍵基因(位于小麥5A染色體上, 5B和5D上各有一個功能較弱的同源基因), 是一個AP2轉錄因子, 是影響穗型(長方穗/尖穗)的關鍵基因, 也是影響裸粒性的重要基因, 并存在明顯的劑量效應, 其中一個氨基酸的改變使小麥由尖穗(擬斯卑爾脫型)轉變?yōu)殚L方穗, 非裸轉變?yōu)槁懔? 給收獲和打碾帶來極大的方便, 推動了小麥在全球的迅速擴張, 促進了農耕文明的發(fā)展[20]。在相當長的時期內, 大多數科學家認為就某個單一性狀而言, 馴化往往只發(fā)生在一個地區(qū), 這就為作物的馴化起源地的爭論埋下了隱患。大麥成熟時斷穗與否由位于3H染色體上緊密連鎖的2個基因和同時控制, 其中任何一個基因發(fā)生隱性缺失突變, 都可使大麥由斷穗(野生)成為非斷穗(栽培), 基因單元型分析顯示突變發(fā)生在中東地區(qū)南部, 而發(fā)生在北部[21]。可見一種作物伴隨著已有栽培種的擴散、與野生祖先種之間的基因滲透, 以及二次馴化等原因, 可能形成多個起源或馴化的地區(qū), 也可能形成數個次生多樣性中心, 例如小麥起源于中東, 但我國是很重要的次生多樣性中心, 多個重要基因是在我國發(fā)現的, 如“大拇指矮”(), 太谷核不育基因(), 蘇麥3號()及糯性()基因的部分重要等位變異等。

3.2 頂端優(yōu)勢與株型相關基因

Doebley等[8]、Studer等[22]和Zhou等[23]將玉米與大芻草雜交、回交, 發(fā)現從大芻草向玉米過渡的關鍵基因(分枝/單稈), 玉米在該基因的上游64 kb附近一個轉座子(hopscotch)的插入, 提高了基因的表達量, 使個體的頂端優(yōu)勢更加明顯, 從而抑制了分枝的產生, 這是轉座子調控基因表達影響物種進化的直接證據。

Tan等[13]在普通野生稻(沅江野生稻)導入系后代群體中精細定位并克隆了控制匍匐/直立的關鍵基因(, 圖1), 該基因編碼鋅指蛋白, 被定位于細胞核中, 是典型的轉錄因子, 栽培稻中該基因突變后喪失功能, 使植株從匍匐轉向直立, 提高了單位面積穗容量, 同時也提高了穗粒數, 是水稻馴化的關鍵基因。Jin等[12]也對該基因進行了系統(tǒng)的功能研究, 發(fā)現該基因主要在葉腋中表達, 促進大量分蘗的形成, 在栽培稻中發(fā)生氨基酸替換, 基因的功能減弱, 分蘗減少, 植株直立。

從蔓生無限結莢轉變?yōu)橹绷⒂邢?或亞有限)結莢是大豆馴化的最重要性狀之一。Tian等[24]和Ping等[25]發(fā)現有限和無限結莢習性受2個互作的基因和同時控制,()編碼一種信號蛋白, 主要在頂端分生組織中表達, 其內部4種非同義突變是導致大豆結莢習性發(fā)生改變的主要因素, 在不同生態(tài)區(qū), 遺傳類型明顯不同, 有限習性主要分布在南方, 而無限習性主要分布在北方, 2種單元型近似均等的分布在黃淮流域,表達越強, 無限特性越突出,為MADS類轉錄因子, 對的表達有一定的抑制作用, 促進大豆由營養(yǎng)生長向生殖生長的轉變。因大豆的結莢習性由和位點的等位變異共同決定, 所以形成比較豐富的中間過渡類型, 滿足不同生態(tài)環(huán)境和栽培模式需求。

3.3 果實大小與數量相關基因

果實大小、數量及其色澤也是重要的馴化性狀, 因其直接關系到產量及商品性。水稻單株穗粒數、粒重的研究引領著谷類作物產量性狀的遺傳解析。、、、、在水稻馴化過程中受到比較明顯的選擇[26]。、和雖然遺傳效應不小, 但在水稻馴化和育種中并未受到很強的選擇, 可能是普通野生稻群體中優(yōu)異等位變異頻率太低造成。在小麥籽粒性狀研究過程中受到比較強烈的選擇瓶頸效應[27]。我們在對小麥淀粉合成途徑關鍵基因的遺傳效應分析中, 發(fā)現蔗糖合酶基因()在小麥多倍化及馴化過程中受到強烈選擇, 其酶活性與千粒重密切相關[15]。

Lin等[6]和Cong等[28]通過基因組重測序結合SNP分析, 發(fā)現番茄從野生種到現代加工型品種, 漿果平均重量大幅度提高是經過2個大的歷史階段完成的, 第一階段(馴化)在番茄基因組中186個區(qū)段出現選擇谷, 選擇的主要基因有、、、、; 第二階段(現代育種)在133個區(qū)段形成選擇谷, 選擇的主要目標基因有、、、、、、等13個, 第一階段所形成的186個選擇區(qū)段中有21%在第二階段繼續(xù)受到選擇。

3.4 淀粉特性相關基因

谷類作物籽粒中的淀粉、蛋白和脂肪是人類的主要能源和營養(yǎng)源。不同國家或地區(qū)的居民因生活習慣及飲食偏好, 在作物的馴化過程中留下了印跡。最典型的例子就是對食物蒸煮后的黏性(糯性)的馴化。我國南方及周邊的泰國、越南、柬埔寨等國家, 居民喜歡吃糯米食物, 如糍粑、年糕等, 蒸煮后相對較為黏稠的品種成為農民稻田中的所愛, 早期的選擇留下許多糯性的地方品種, 這些材料共同的遺傳特點是籽粒淀粉合成途徑上直鏈淀粉合成基因()發(fā)生突變, 其功能弱化或受阻, 使籽粒中支鏈淀粉的含量提高, 而直鏈淀粉含量顯著下降。小麥、玉米、高粱、糜子、谷子、馬鈴薯、甘薯中該基因發(fā)生了許多自然突變, 并產生了糯性品種, 是早期農民選擇的重要性狀。此外, 淀粉的合成與谷類作物、塊根、塊莖類作物的收獲器官大小、淀粉含量及直鏈/支鏈比例相關, 在早期的馴化過程中淀粉合成途徑上的一些關鍵酶編碼基因普遍經歷了比較強烈的選擇, 是重要的馴化間接選擇基因[15, 29]?！芭葱缘矸邸笔枪阮?、塊根、塊莖類作物中共同選擇、受同一基因控制的性狀, 是平行進化的范例。

3.5 果實苦澀味相關基因

苦澀味的降低或消除既是重要的馴化性狀, 也是重要的育種性狀。一個很有啟發(fā)性的研究是黃三文課題組對黃瓜苦味形成基因網絡的研究。野生黃瓜葉片、卷須及果實中都含有苦味物質葫蘆素, 可能與抵御昆蟲的侵襲密切相關, 而葉片、卷須和果實中苦味物質由同一代謝途徑合成, 其受組織特異的轉錄因子調控(、分別調控葉及果實中苦味物質合成基因的表達), 這些基因在第1、第3和第6染色體上呈現相鄰分布的特點, 并受或的共調控。早期馴化選擇主要發(fā)生在轉錄因子上, 其中個別堿基的改變降低了其對果實中苦味物質合成的正向調控作用, 果實苦味基本消除, 但葉片和卷須仍然是苦的。此類化合物合成途徑上關鍵基因表達活性的降低, 使葉片、瓜蔞、果實均失去苦味, 該基因在現代育種中也受到強烈正向選擇[16]。

3.6 作物營養(yǎng)元素吸收與利用相關基因

礦質營養(yǎng)的吸收和利用是作物起源和進化研究中常被忽視的性狀, 比如對普通野生稻氨離子(NH4+)轉運蛋白編碼基因()分析后發(fā)現24種單元型, 而在栽培稻中僅保留了4種單元型, 其中高效轉運的占栽培品種的96.3%, 對該基因的選擇導致其上、下游150 kb內21個基因也喪失了多樣性, 毫無疑問,是一個重要的馴化基因, 并在育種中繼續(xù)受到選擇[30]。因此, 一些重要營養(yǎng)元素的吸收和代謝可能是重要的馴化目標性狀, 相關基因在今后的研究中應引起重視。

3.7 作物耐低溫相關基因

對低溫的耐性是水稻北擴的重要限制因子, 也是粳稻和秈稻地理分布差異的遺傳基礎。我國北方的水稻全是粳稻, 而南方以秈稻為主, 長江流域則是秈、粳共存。針對水稻感知溫度的分子機制, Ma等[31]研究發(fā)現,基因合成一種蛋白, 通過與細胞膜上G-蛋白互作, 參與細胞內鈣離子流的調控, 過量表達可以顯著提高水稻的耐冷性, 而抑制其表達, 則顯著降低耐冷性。該基因第4外顯子一個堿基的改變, 導致第187位氨基酸由Met/Thr (甲硫氨酸/蘇氨酸)變成Lys (賴氨酸), 使得該蛋白對鈣離子流的激發(fā)能力發(fā)生變化, 引起抗冷性的差異。所有抗冷的粳稻品種均保留了這一新的等位變異,同時在我國的普通野生稻中也發(fā)現了相同的變異類型, 因此認為也是粳稻馴化的重要基因。

4 育種性狀及其關鍵基因

相對而言, 馴化對基因組的影響是局部的, 基因組多樣性的顯著降低多與瓶頸效應密不可分, 而育種對基因組的影響范圍更寬、更廣, 對基因組整體多樣性的沖擊更大。育種目標主要包括高產、優(yōu)質、抗倒伏、適應性、抗病以及抗逆等性狀, 每一類性狀選擇基因是不同的, 但其又是互相依存的[32], 為便于行文, 我們仍然以性狀為基礎, 概述相關基因研究進展。

4.1 產量相關基因及其選擇

水稻基因組測序的完成極大地推動了水稻乃至小麥和玉米產量性狀的基因解析, 科研人員對控制水稻分蘗(等)、穗粒數(、粒重(,)等進行了深入的研究。到目前為止, 從水稻中克隆的多個與產量密切相關的基因, 基本可以歸納為與植物激素代謝相關的基因, 與蛋白體降解相關基因(泛素代謝途徑), 細胞分裂增殖調控基因, G-蛋白信號途徑, 淀粉、蛋白、油脂合成途徑等[26, 33]。這些發(fā)現為建立水稻復雜農藝性狀的分子調控網絡以及新一代的超級水稻分子設計育種提供了重要理論依據。

4.1.1 控制分蘗的基因 分蘗是構成產量的基本要素之一, 主要受植物體內激素分布和環(huán)境因素的控制。生長素、細胞分裂素、獨腳金內酯和油菜素內酯均是影響分蘗的主要激素。水稻中已克隆出參與生長素合成和運輸的和等基因[34],是調控細胞分裂素合成的關鍵基因[35]。參與獨腳金內酯合成與信號轉導的、、、、等基因也陸續(xù)報道與分蘗能力密切相關[36-37]。是調控分蘗芽生長發(fā)育的主效因子, 對其系統(tǒng)研究揭示了其參與細胞周期調控、影響分蘗以及株型建成的機制[38]。此外, Wang等[39]報道了與水稻頂端優(yōu)勢相關的基因, 通過影響一個未知的信號分子在穗部的合成或運輸, 調節(jié)細胞分裂素的穩(wěn)態(tài)以及莖、節(jié)對赤霉素的響應能力, 從而控制主莖和分蘗莖節(jié)的伸長。水稻中分蘗基因及其主要代謝途徑的發(fā)現, 必將推動對麥類以及其他作物分蘗性狀的解析和認識。

4.1.2 穗粒數控制基因 穗粒數的遺傳力較分蘗高, 增加每穗粒數是提高產量的重要途徑?？刂扑肓档幕虼笾驴煞譃閮深? 一類與抽穗期相關, 并影響每穗穎花數, 一般具有多效性, 同時控制抽穗、株型和每穗穎花數等性狀, 如和控制穗粒數、抽穗期和株高3個性狀[40]。另一類則主要參與穗分化過程, 通過調控分化速率和分化方向影響穗粒數。

水稻細胞分裂素氧化酶編碼基因()是作物中最早發(fā)現影響穗粒數的關鍵基因, 在水稻中通過控制一、二次枝梗的數量對結實數起到決定作用[41];Li等[42]發(fā)現鋅指蛋白轉錄因子(drought and salt tolerance)直接調控生殖器官生長錐中細胞分裂素氧化酶基因的表達, 從而調控細胞分裂素在分生組織中的分布, 對穎花數和籽粒大小起調控作用。Liu等[43]將關聯(lián)分析與圖位克隆相結合, 克隆了主效QTL, 其位于基因()下游60 kb處, 是一個1.2 kb的轉座子片段的插入/缺失, 該位點作為的順式調控因子, 調控基因的表達量, 控制玉米穗行數的變異,啟動子區(qū)個別核苷酸與該重復序列對穗數(穗粒數)的效應存在明顯的加性效應,在玉米馴化和育種中均受到強烈的選擇。

Zheng等[44]發(fā)現mRNA轉錄延伸因子()表達量對小麥穗粒數和穗下節(jié)間長度有很強的影響, 所有變異都發(fā)生在啟動子區(qū)。Liu等[45]發(fā)現生長素響應因子()基因內一個165 bp的缺失與油菜果莢長度和重量的增加顯著相關, 該缺失造成第6內含子非正確剪切, 導致ARF18不能形成蛋白同源二聚體, 喪失與DNA的結合能力, 解除了ARF18對生長素基因轉錄的抑制作用。可見, 影響穗粒數的關鍵基因多與細胞分裂素的合成、運輸及響應密切相關。

4.1.3 粒重控制基因 籽粒的形成基本是由2個階段組成, 即胚乳細胞分裂和胚乳細胞中淀粉、蛋白、油脂大量積累、脫水, 引起細胞程序化死亡, 形成胚乳。因此, 影響胚乳細胞分裂、儲藏物質合成和積累的基因, 必然影響籽粒的大小和容重。左建儒和李家洋對影響谷類籽粒大小的基因及生化基礎分析后認為, 植物激素(油菜素內酯、細胞分裂素、生長素等)代謝、蛋白降解(proteasomal degradation)、G-蛋白信號途徑及一些影響細胞分裂的基因(、、等)對籽粒大小起著決定作用[26-27]。在三大谷類作物中, 籽粒淀粉合成途徑的暢通與否與產量密切相關, 該途徑上的主要基因既是馴化選擇的關鍵基因, 也是育種選擇的重要目標基因[15, 29, 33]。我們對近十個影響小麥千粒重的基因在自然群體中變異及其遺傳效應分析, 發(fā)現絕大多數變異發(fā)生在啟動子和內含子區(qū), 編碼區(qū)變異極少, 可見產量基因的變異大多為基因表達量“高與低”的差異, 而非功能“有和無”的差異。

4.2 品質相關基因及其選擇

優(yōu)質是育種的另一個主要目標。水稻品質主要與粒型、長寬比及淀粉特性有關, 小麥品質主要與蛋白含量、組成(HMW-GS中半胱氨酸的數量)及直鏈淀粉/支鏈淀粉的比例有關, 油脂類作物則主要與其籽粒不飽和脂肪酸、芥酸、硫苷化合物含量有關。最近對甘藍型油菜及祖先種的基因組測序給我們很大的啟發(fā)。甘藍型油菜作為一個新物種, 新品種與老品種及其祖先二倍體種相比, 由于對油分含量的不斷選擇, 其合成相關的基因拷貝數明顯增多, 而硫代葡萄糖苷(芥子油苷)合成途徑的基因有刪除和功能歧化的現象, 在人工新合成的四倍體油菜品種中A、C基因組之間基因、甚至染色體片段的置換是很普遍的[46]。

4.3 株高控制基因及其選擇

植株矮化是灌溉面積不斷擴大、化肥廣泛應用、機械化程度不斷提高的必然要求, 是20世紀60年代后作物品種改良中變化最大的表型性狀, 在小麥和水稻中矮稈基因的廣泛應用, 引發(fā)了第一次綠色革命。對矮稈基因研究發(fā)現其多與植物激素赤霉酸的合成、轉運、氧化和降解相關。Peng等[47]首次克隆了小麥的半矮稈基因及玉米的(), 通稱為GAI基因(GA-Insensitive), 發(fā)現N端(DELLA區(qū))個別氨基酸的改變降低了與赤霉酸受體蛋白GID的結合能力, 從而減弱了細胞核對赤霉酸的敏感度, 降低了植株的高度, 系列等位基因致矮的效應與其DELLA區(qū)和GID1蛋白(GA-Insensitive Dwarf1)的結合力高度負相關, 結合能力越差, 致矮能力越強。同一位點復等位基因致矮能力的差異正好滿足了農業(yè)生產不同時期(或階段)對作物株高和抗倒伏要求的差異[48-49]。近50年的小麥育種對進行了較強的選擇, 我國主產區(qū)品種24.3%攜帶, 46.9%攜帶[50]。水稻中來源于我國臺灣地方品種“低腳烏尖”和“矮腳南特”的半矮稈基因是GA20 氧化編碼基因()突變, 導致功能喪失, 赤霉酸合成受阻所造成,可能有多個不同的等位變異, 其致矮能力也存在比較大的差異[51]。在水稻和小麥中, 雖然發(fā)現和定位了多個致矮基因, 但真正用于育種和生產的則屈指可數, 其原因是矮稈基因的負作用或連鎖累贅, 或許將來的品種間基因組比較分析能給出一些比較準確的解釋。

4.4 適應性相關基因及其選擇

良好的適應性是物種在自然界生存的前提。許多作物如水稻、小麥、玉米從原始的馴化起源地向新的區(qū)域不斷傳播和擴張, 一些新育成的品種跨緯度推廣種植, 依賴于品種對光(光周期反應)、溫(春化)的準確反應, 準時啟動生殖發(fā)育相關基因的表達, 使營養(yǎng)生長轉入生殖生長, 完成一次生命周期的循環(huán)。

在作物中類轉錄因子是決定開花時間的關鍵基因, 其特點是通?；虻腃-端具有CCT功能域, 而N-端具有鋅指結構域, 其表達均具有晝夜節(jié)律, 受其他基因的調控, 是品種適應性改良的關鍵基因。(heading date1)是水稻中第一個克隆出的基因;除影響水稻株高和穗長外, 在(early flowering)家族基因的作用下參與水稻花期調控, 強表達的單元型主要分布在熱帶(海南)和亞熱帶地區(qū), 而功能最弱的則分布在我國東北稻區(qū), 而華中、華南早稻區(qū)則多為基因功能缺失類型[40]。編碼產物與相同, 通過劑量效應影響;可上調的表達水平, 使水稻在長日照和短日照條件下抽穗期延遲。近來2個馴化相關的家族基因成員和也被克隆, 通過與MADS-BOX轉錄因子作用在不同光照條件下調控抽穗期, 在水稻從南向北的擴張及品種改良中發(fā)揮了很重要的作用[52]。Yang等[53]發(fā)現在玉米馴化完成后, 一個CACTA轉座子片段插入到的啟動子區(qū), 部分抑制了該基因的表達, 從而減弱了玉米對日照長度的敏感性, 為玉米向溫帶地區(qū)的擴張?zhí)峁┝嘶A, 而該轉座子片段幾乎在所有溫帶品種中得到保留。

與水稻和玉米相比, 麥類作物(小麥、大麥、黑麥)生命周期更長, 一生所經歷的環(huán)境更為復雜和嚴酷, 一般需經過“秋–冬–春–夏”四季, 方能完成一個生命周期。小麥有冬麥、春麥之分, 因此其對溫度、光照的反應和調控機制, 可能是最為復雜和精致的。大部分小麥品種需經過春化(感受低溫), 在長日照下抽穗開花。小麥對低溫的反應由位于5A、5B和5D染色體上的基因共同作用所決定, 其中作用最強的2個基因分別命名為和。編碼AP1 ()類轉錄因子, 對開花起促進作用, 而編碼ZCCT蛋白(CONSTANS、CONSTANS-like和TOC), 是另一類轉錄因子, 抑制的轉錄(負調控), 因此一個品種的冬春性由和2個基因的等位變異共同決定[54-55]。低溫抑制的轉錄, 促進營養(yǎng)生長向生殖生長的轉變。幾乎所有的小麥、大麥、黑麥原始種都是冬性的, 但一些材料在啟動子區(qū)發(fā)生缺失后喪失與ZCCT蛋白的結合能力, 解除了ZCCT蛋白對表達的抑制, 轉變?yōu)榇盒? 相對野生型其為顯性, 從而使得麥類作物有了明顯的冬、春之分(表1)。當發(fā)生突變()時, 不能正常轉錄或翻譯, 喪失了對的抑制, 呈現無需春化就可開花的特點(表現為春性)。因此,和任一位點的突變, 都可導致品種冬、春性的改變, 增加了變異的類型, 如果考慮5B、5D染色體上作用相對較弱的和基因的表達及互作, 則變異類型更為豐富, 這也在一定程度上說明了小麥的冬性、半冬性、弱冬性和春性的遺傳基礎。而大麥則是通過位點基因的一次重復和變異, 滿足不同地區(qū)對冬春性要求的差異[56]。

調節(jié)麥類作物開花的另一套關鍵基因是光周期基因(), 也屬于CCT基因家族。小麥中該基因的表達上調, 明顯促進抽穗、開花, 在我國及全球一年兩熟地區(qū)主要以對光照長度不敏感的類型為主, 春麥區(qū)主要是光敏感類型[57-58]。

表1 小麥5A染色體上Vrn1和Vrn2基因的互作與品種冬、春性之關系

引自Yan L L et al. 2003, 2004[54-55]. Cited from Yan L L et al. 2003, 2004[54-55].

4.5 抗病蟲基因及其選擇

抗病、抗蟲是保障作物穩(wěn)產的基礎, 是育種選擇的重要目標性狀。作物的抗病性可基本分為垂直抗性和水平抗性兩大類。從最早克隆的番茄基因、水稻等基因的氨基酸序列分析發(fā)現, 其共同的特點是富含亮氨酸(LRR)和核酸結合域(NBS)的激酶[59],后續(xù)研究發(fā)現大部分抗病基因都存在多個類似拷貝的重復, 且常位于基因組的重組熱區(qū), 主要的變異常發(fā)生在編碼區(qū)和啟動子區(qū)[60], 這種變異方式可能與作物適應病原菌小種的快速進化有關, 與抗性的增強也有關聯(lián), 例如Liu等[61]發(fā)現水稻對褐飛虱的抗性強弱與幾個類似抗病基因的重復密不可分; 大豆對包囊線蟲的抗性基因雖不屬于NBS-LRR類基因, 但其抗性與基因的重復有密切關系, 一個拷貝表現高度敏感, 而抗病品種普遍攜帶10個串聯(lián)重復[62]。

2009年報道了小麥持久抗病基因, 不僅對葉銹多個小種有很好的抗性, 同時對條銹病()、白粉病()也有很好的抗性, 三種抗性實際是同一個基因控制, 其編碼ATP-結合型轉運復合體蛋白。在生產中已被應用近50年, 但仍保持著良好抗性, 一個明顯的負作用是引起葉片、特別是旗葉葉尖壞死[63]。最近克隆的另一個小麥多抗基因(對三銹、白粉均有不同程度的抗性)則是一個己糖跨膜轉運蛋白[64]。因此, NBS-LRR類蛋白代表了一類重要的抗病因子, 但并非全部。

作物抗病育種中一個有趣的現象, 即來自野生種或近緣物種的抗病基因常表現出比較廣譜、持久的抗性特點, 如從簇毛麥和十倍體長穗偃麥草轉移到小麥的和以及從野生稻轉移到水稻的等, 這些抗病基因的應用研究雖已開展, 但其持久、廣譜的機制目前還不是十分清楚。

4.6 抗鹽基因及其選擇

干旱和鹽害是作物生產中面臨的2個最主要的非生物限制因子。就耐旱而言, 是作物在干旱條件下表現出的綜合性狀, 雖然進行了很長時間的研究, 但在遺傳學上仍未取得突破性的進展, 目前比較肯定的是植物的轉錄因子的表達與耐旱關系密切, 特別是提高其表達量可以明顯地促進小麥等作物根系的發(fā)育[65]。相比而言, 對作物耐鹽機制及關鍵基因的研究最近幾年則取得了比較大的進展。

(K+離子高親和性轉蛋白)、(鹽敏感)及(Na+/H+交換泵)共同決定細胞內Na+的平衡, HKT1和SOS1蛋白控制其跨質膜轉運, 而NHX則控制Na+從細胞質向液胞的轉移。在栽培一粒小麥中有2個拷貝, 即位于2A染色體上的和5A染色體上的, 但在四倍體的圓錐及硬粒小麥中, 這2個基因均已丟失, 造成四倍體種對鹽極度敏感, 而D基因組的加入, 六倍體中2個基因的功能得到恢復(2D和5D染色體上的同源基因發(fā)揮作用), 與其四倍體祖先種相比, 普通小麥的抗鹽能力得到顯著提升[66]。Munns等[67]證明, 從二倍體祖先種向普通小麥中重新引入后, 六倍體小麥在鹽堿地的產量顯著提高。此外, D基因顯著提升了小麥對光、溫的適應范圍, 為其在全球范圍的廣泛種植、成為第一大糧食作物奠定了基礎[68-70]。

品種的改良不僅是對當時、當地(如抗病、矮稈、優(yōu)質)一些所急需性狀(基因)的強烈選擇, 而是許多重要代謝途徑基因、調控元件不斷優(yōu)化的過程[5-6, 15]。作者課題組對小麥微核心種質群體分析后發(fā)現在影響小麥穗粒數或千粒重的位點上, 與地方品種相比, 現代品種擁有更多的優(yōu)異等位變異, 穗粒數的多少或千粒重的高低與品種擁有優(yōu)異等位變異的總數呈正相關[71-72]。

產量基因多與植物激素代謝、細胞分裂、淀粉和油脂的合成相關, 而矮稈基因多與赤霉素代謝有關, 適應性則與光、溫感受基因CCT等相關, 抗病蟲能力NBS-LRR基因與其重復密不可分, 而耐逆性(鹽、旱)多與膜(細胞膜、液泡膜)上的轉運蛋白有關。從遺傳學來看, 作物對生態(tài)環(huán)境的適應性, 特別是光溫反應、抗病、抗蟲所牽涉的系統(tǒng)較其他性狀可能更為復雜、多樣, 基因的等位變異更為豐富, 位點之間組合可能更多, 從而為適應不同的環(huán)境奠定了基礎。

5 作物馴化、育種選擇的基因與基因組區(qū)段研究對育種的啟示

5.1 作物育種的歷史是關鍵基因組區(qū)段和基因不斷優(yōu)化的過程

在一批受育種選擇的微衛(wèi)星(SSR)位點上, 無論多么優(yōu)良的地方品種, 其等位變異整體組成都不能與育成品種相比[71-72], 骨干親本比其姊妹系品種擁有更多的優(yōu)良等位變異, 新一代骨干親本都是在上一代骨干親本基礎上進一步優(yōu)化而成, 新品種比老品種擁有更多的優(yōu)良基因[5, 7, 15]。因此, 早期的品種或骨干親本無論當時多么優(yōu)秀, 其田間表現和遺傳背景與今天的優(yōu)良品種或骨干親本相比都有很大的差距, 這也是我們研究重要種質資源形成和演變規(guī)律的基本指導思想和出發(fā)點(圖4)。

5.2 作物的進化水平與近緣種屬基因的開發(fā)和利用

遠緣雜交是育種的重要組成部分, 但與常規(guī)雜交相比轉移基因難度更大, 所需時間更長。一個物種越古老, 進化的時間越長, 其基因組越趨于保守, 而新物種的基因組可能更開放, 重組的機會可能更多。例如大豆、水稻與野生種基因重組已比較困難, 甚至秈、粳雜交育種也出現雌、雄半不育等困難; 而人工合成小麥與普通小麥的雜交則不存在大的障礙,只是需要通過回交就可以轉移有用的基因或片段。小麥族物種如黑麥、偃麥草、簇毛麥等物種的基因也可通過有性雜交、回交轉移到小麥現代品種中。此外, 在甘藍型油菜商業(yè)品種中A/C組之間基因的互換也是很普遍的現象[46], 白菜型油菜(, AA)與甘藍(, CC)人工雜交后合成的四倍體甘藍型油菜, 經過持續(xù)多代雙低(低芥酸、低硫苷)選擇后形成的品種, 部分與芥酸、硫苷合成相關的基因丟失有關, 而油分合成相關基因的拷貝數則明顯增加, 甚至發(fā)生染色體大片段的置換。多倍體物種越年輕, 基因組緩沖能力越好, 這一觀點已得到很多科學家的認可, 但相關機制目前還不清楚, 依然存在爭論。多數新合成的多倍體細胞分裂過程中染色體配對比較混亂, 須經多代自交才能趨于穩(wěn)定, 本質是基因組間調整、適應、優(yōu)化的過程。例如“剝離出的四倍體”小麥(Extracted tetraploid wheat)生活力極弱, A、B基因組間甲基化、乙?；氨磉_的基因數量和豐度存在顯著差異, 與天然的四倍體小麥相比, 幾乎無任何生存競爭力[73]。此外, 普通小麥基因組體積小于3個二倍體祖先種基因組之和(http://www.wheatgenome.org/News/Press-releases/Wheat-Sequencing-Consortium-Releases-Key-Resource-to- the-Scientific-Community), 因此, 多倍體物種中冗余基因和DNA片段的刪除(deletion)可能比DNA片段的擴增(amplication & duplication)更普遍。所以克隆一些近緣種屬的基因, 通過轉基因或基因編輯技術實現有用基因的轉移可能會取得更快、更好的效果。

圖5 以巢式關聯(lián)群體(NAM群體)或多親本符合雜交群體(MAGIC群體)為基礎, 通過優(yōu)良基因與背景的組裝, 培育優(yōu)良品種的基本思路

Fig. 5 Strategy for creating ideatype cultivars through integrating important genes and favored haplotype blocks based on the NAM and MAGIC populations

5.3 優(yōu)良基因與優(yōu)良區(qū)段的高效整合——育種的大趨勢

不可否認, 近100年的育種過程使現代品種集中了較多的優(yōu)良等位變異、擁有了更優(yōu)良的遺傳背景(Haplotype blocks), 但仍有一些優(yōu)良等位基因在品種改良過程中沒有得到很好的利用。在提高抗病、抗逆基因的變異, 應對氣候變化所帶來的病、蟲害的改變、病源小種(生物型)的變異以及生產環(huán)境的非穩(wěn)定性(旱、澇等)的育種要求下, 如何開發(fā)和利用這批潛在的、有較大育種價值的基因或區(qū)段, 提高現代品種重要基因的多樣性水平, 是當前和未來作物遺傳改良必須面對的一個挑戰(zhàn)[67, 74]。將現代品種與老品種、地方品種甚至野生種雜交, 從F2開始選擇育成品種的概率很小, 但通過對雜交后代的連續(xù)選擇性回交, 就可以消除連鎖累贅, 培育只攜帶目標基因(或區(qū)段)的導入系, 在此基礎上通過系間互交, 實現重要基因和優(yōu)良背景的高效組裝, 既提高育種群體遺傳多樣性, 又使相關性狀定向改良, 從而培育出具有實用價值(和突破性)的品種(圖5), 是現代育種的一大趨勢, 應給予足夠的重視[1, 7, 14, 74-76]。

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Characteristics of Genes Selected by Domestication and Intensive Breeding in Crop Plants

ZHANG Xue-Yong1,*, MA Lin1, and ZHENG Jun2

1Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;2Wheat Research Institute, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Linfen 041000, China

Crop genomics made great progress in last 15–20 years. Second generation sequencing technology has dramatically reduced the cost of genome sequencing, brought life science into the times of genomics, and strongly promoted development of system biology, genetics, breeding and genetic resources. Single nucleotide polymorphism (SNP) and haplotype block analysis are currently widely used for exploring animal and plant genetic resources and breeding. Successful isolation of many important genes helps us elucidate the history of crop domestication and breeding, and predict the future of breeding. It has been changing the breeding concepts and strategies. Most crop cultivars used today have experienced two major steps of harsh artificial selection, i.e., domestication and breeding. Despite so many similarities between domestication and breeding, they are different in some aspects. Domestication relatively affects small regions of plant genome. The dramatic reduction of diversity is usually caused by bottleneck effect. Although the breeding history is only about 100 years, it has brought tremendous alteration in most crop genomes. Breeding targets much more genes than domestication. It is very difficult for further selection of alleles at domestication targeted locus, usually only one allele is kept, which referred as fixed. However, it is not in the case of selecting alleles at breeding targeted locus. Few alleles can be present at the same time in cultivar populations and rotate at the same locus in varieties released in different periods or regions. Frequency of favored alleles in new cultivars has been increased dramatically because of positive selection. In addition, strong artificial selection usually reshapes the sub-genomes in polyploid species, which made them quite distinct from donor’s genomes. Therefore, it would be a good strategy to highlight future breeding through elucidating the basic rule of crop genome and gene in reaction to artificial selection at the targeted regions. Here, we briefly review the current major strategies for dissection of genes, haplotype blocks as well as the major genes targeted in crop domestication and breeding selection. We also give a brief introduction on the mission and strategies for “formation and evolution mechanism of funder genotypes and famous cultivars in major crops”, a newly initiated national key research and development program of China.

Crop genome; Domestication; Breeding; Targeted genes; Haplotype block

本研究由國家重點研發(fā)計劃專項(2016YFD0100300)資助。

The Principal Investigator was supported by the National Research and Development Program (2016YFD0100300).

致謝:感謝萬建民院士和徐建龍研究員提出的寶貴意見和建議。因篇幅所限, 只引用了部分同行專家的相關文章, 敬請諒解。

2016-09-22; Accepted(接受日期): 2016-11-03; Published online (網絡出版日期)： 2016-11-18.

10.3724/SP.J.1006.2017.00157

張學勇, E-mail: zhangxueyong@caas.cn

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20161118.1356.002.html