韓立杰 才宏偉

（1. 河北廣播電視大學(xué)，石家莊 050080；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100193）

高粱［Sorghum bicolor（L.）Moench］為禾本科、高粱屬、一年生草本植物，是人類最早栽培的重要谷類作物之一，其產(chǎn)量僅次于玉米、水稻、小麥和大麥，居世界第五位。高粱具有抗旱、耐澇、耐鹽堿、耐瘠薄等特性，是部分干旱、半干旱、低洼易澇及瘠薄鹽堿地區(qū)人們的主要糧食和飼料來源［1］。近年來，人口增長、耕地面積減少、水資源短缺及氣候變化等問題日益嚴(yán)峻，嚴(yán)重影響世界糧食安全問題［2］。預(yù)計到2050年，全球糧食產(chǎn)量只有增長70%才能滿足人們未來的糧食需求，因此培育高產(chǎn)的高粱品種將對緩解世界糧食安全問題起到重要作用。粒重是影響高粱產(chǎn)量的三要素之一，增加粒重是提高高粱產(chǎn)量的有效途徑［3］。粒重是由數(shù)量性狀基因控制的，遺傳機(jī)理較復(fù)雜。20多年來，眾多研究者利用數(shù)量性狀基因座（Quantitative trait locus，QTL）定位的方法來挖掘控制高粱粒重的相關(guān)基因，以期利用分子標(biāo)記輔助選擇的方法進(jìn)行育種，并揭示粒重基因的調(diào)控機(jī)理，取得了一定進(jìn)展。本文對高粱粒重的遺傳特性、高粱粒重的影響因素以及高粱粒重QTL定位研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，對已定位的高粱粒重QTLs進(jìn)行了比較分析，查找水稻和玉米中已克隆的粒重相關(guān)基因在高粱中的同源基因，并與高粱粒重QTLs定位區(qū)間進(jìn)行比較，從而為高粱高產(chǎn)的分子標(biāo)記輔助育種及高粱粒重主效QTLs的精細(xì)定位和克隆提供參考。

1 高粱粒重的遺傳分析及影響因素

高粱粒重與穗粒數(shù)和有效穗數(shù)共同構(gòu)成高粱單位面積產(chǎn)量的三要素，提高粒重是增加高粱產(chǎn)量的重要育種方向［3］。

高粱粒重的遺傳力高，親本的粒重高低直接影響著F1代粒重的表現(xiàn)。盧慶善［4］認(rèn)為高粱千粒重性狀遺傳力高，是由少數(shù)主效基因控制的。此外，楊偉光等［5］和程寶成等［6］研究發(fā)現(xiàn)高粱粒重的遺傳符合加性-顯性模型，高值親本比低值親本遺傳傳遞力強(qiáng)，并且雜交一代多數(shù)接近或超過高值親本，這對于高粱雜交育種親本材料的選用具有重要的指導(dǎo)意義。

除遺傳因素外，環(huán)境也會對高粱粒重造成影響，進(jìn)而影響高粱產(chǎn)量。開花前發(fā)生干旱會影響穗的大小、穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量，開花后發(fā)生干旱，則會使籽粒灌漿受阻，造成減產(chǎn)。研究表明，灌漿初、后期的溫度和光照會對高粱粒重造成影響［7］。另外高粱病蟲害也會對高粱產(chǎn)量造成影響。除上述生物和非生物脅迫以外，Kiniry［8］和 Tao等［9］研究發(fā)現(xiàn)高粱千粒重和穗粒數(shù)呈負(fù)相關(guān)性。Murry等［10］對高粱籽粒和莖稈含糖量的遺傳平衡進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)莖糖產(chǎn)量和濃度的升高在一定程度上制約了籽粒產(chǎn)量的增加。

綜上所述，高粱粒重主要是由遺傳因素決定的，并間接受到環(huán)境影響。開展高粱粒重基因的定位和克隆研究對于進(jìn)行高粱分子標(biāo)記輔助育種具有重要意義。

2 高粱粒重QTL定位研究進(jìn)展

高粱為二倍體植物（2n=20），基因組小，其單倍體基因組DNA含量約為730 Mbp，這些特點使其成為研究甘蔗族及其他C4植物功能基因組學(xué)的模式植物［11］。隨著高粱全基因組測序的完成以及大量新型分子標(biāo)記的開發(fā)，完整覆蓋高粱全基因組的高密度遺傳連鎖圖譜已構(gòu)建完成，一些控制高粱粒重的QTLs也通過分子標(biāo)記定位于相應(yīng)的遺傳連鎖群上。

2.1 高粱粒重QTL初步定位研究進(jìn)展

近幾十年來，越來越多的科學(xué)家利用QTL定位的方法來揭示作物復(fù)雜性狀的遺傳控制原理，以用于分子標(biāo)記輔助選擇育種或相關(guān)基因的克隆。目前已有來自16篇研究報道的108個控制高粱粒重的QTLs被定位到（表1），做圖群體有F2群體、F2：3群體、重組自交系群體和回交群體等，群體大小為90-370株，遺傳連鎖群數(shù)量為10-17個，遺傳連鎖圖全長為878 cM-2225.3 cM，標(biāo)記間的平均距離介于0.5 cM-14.8cM之間，具體定位結(jié)果匯總?cè)缦隆?/p>

Paterson等［12］利用來自 BTx623×S.propinquum的F2群體定位到6個控制高粱粒重的QTLs，分別位于 1、2、3、6、8和10號染色體上。Brown等［13］用來自BTx623×IS3620C的119個重組自交系將3個高粱百粒重QTLs分別定位到4、8和9號染色體上，并在9號染色體上定位到一個高粱穗粒重QTL。Feltus等［14］用來自BTx623×IS3620C的重組自交系群體定位到3個控制高粱千粒重的QTLs（位于4、6和10號染色體），用來自BTx623×S. propinquum的F2群體定位到7個控制高粱千粒重的QTLs（位于1、2、3、4、6、7和8號染色體），解釋的表型變異分別為35%和49%，其中在不同群體中定位到的兩組QTLs（位于4號染色體上的QKwt.txs-D與Kwt.uga-F和位于6號染色體上的QKwt.txs-I與QKwt.uga-D）為相同的QTLs。Srinivas等［15］用來自296B×IS18551的168個重組自交系定位到3個高粱粒重QTLs，分別位于1、4 和6號染色體上，解釋的表型變異為7%-14.8%，來自大粒親本296B的等位基因增加了粒重。Phuong等［16］利用來自IS2449×IS1488的100個重組自交系分別在干旱脅迫下和充足灌溉的環(huán)境下定位到1個（位于5號染色體）和2個（位于2和5號染色體）高粱百粒重QTLs，解釋的表型變異為12.7%-18.9%，其中在不同環(huán)境下定位到的位于5號染色體的QTL為相同的QTL。Rajkumar等［17］利用來自E36-1×SPV570的184個重組自交系對高粱粒重QTL進(jìn)行定位，將4個粒重QTLs分別定位到2（2個QTLs）、3和4號染色體上，解釋的表型變異最高為7.82%。Shehzad和Okuno［18］利用Red Kafir×Takakibi組配的F2和F2：3家系對高粱產(chǎn)量相關(guān)性狀進(jìn)行QTL定位，結(jié)果在F2群體中定位到9個百粒重QTLs，分布于1、2、3、4、5和7號染色體上，其中位于2號染色體的qtl2GW解釋的表型變異最高，為36.3%，LOD值為33.8，利用F2：3家系能夠重復(fù)檢測到5個相同的QTLs，qtl2GW的LOD值最高，為33.8，說明qtl2GW是一個控制高粱百粒重的主效QTL。Han等［19］利用來自 SA2313×Hiro-1的F2群體對高粱粒重QTL進(jìn)行定位，用種于北京的138株F2群體定位到3個QTLs，位于1、2和7號染色體上，1號染色體的qGW1解釋了最高的表型變異，為22%，并用種于海南的F2群體中47株極端小粒個體和47株極端大粒個體對定位結(jié)果進(jìn)行驗證，定位到6個QTLs，其中位于1號和2號染色體的qGW1和qGW2能夠被重復(fù)檢測到，解釋的表型變異率分別為40%和27%，是主效的QTLs。此外，在ATx623×SA2313和K-385×SA2313的兩個F2群體中也檢測到了qGW1，證明qGW1在不同的遺傳背景中均能被檢測到。Sukumaran等［20］利用測序基因分型（Genotyping-by-sequencing，GBS）的方法對定位群體進(jìn)行基因型鑒定，結(jié)合高粱產(chǎn)量表型共定位到7個高粱產(chǎn)量QTLs，分布在1、2、3、4和6號染色體上，其中1號染色體的qYLD1.1在不同的種植環(huán)境下均能夠被檢測到，解釋的表型變異最高，為16%。Boyles等［21］利用兩個不同的定位群體定位到6個高粱千粒重QTLs，分布于1、2、5、6和8號染色體上，其中位于5號染色體上的QTL是最新發(fā)現(xiàn)的，解釋了21%的遺傳變異。Tao等［9］利用一個優(yōu)質(zhì)粒用高粱品種R931945-2-2和其野生祖先S. bicolorsubsp.Verticilliflorum組配的BC1F5群體定位到17個控制高粱千粒重的QTLs，其中有5個QTLs與前人的定位結(jié)果相同。Pereira等［22］，Tuinstra等［23］，Rami等［24］，Murray 等［10］和 Upadhyaya等［25］也對高粱粒重QTL的定位也進(jìn)行了報道。近年來，Zhang等［26］和 Boyles等［27］利用全基因組關(guān)聯(lián)分析法（Genome-wide association study，GWAS）分別檢測到10個和17個與高粱粒重相關(guān)聯(lián)的基因區(qū)域。根據(jù)以上研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)高粱粒重相關(guān)QTL在10條染色體上均有分布。

2.2 高粱粒重QTL精細(xì)定位研究進(jìn)展

雖然對高粱粒重QTL初步定位研究已有很多報道，但高粱粒重QTL的精細(xì)定位或基因克隆研究卻寥寥無幾，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于水稻、玉米等其他作物粒重相關(guān)基因的研究。

Han等［19］首次對高粱粒重QTL精細(xì)定位進(jìn)行了研究，他們選取在不同的環(huán)境和遺傳背景下均能被檢測到的主效QTLqGW1為研究對象進(jìn)行精細(xì)定位，在F2群體中選取qGW1處為雜合，其它QTL位點處為隱性的大粒交換單株自交得到的F3群體為精細(xì)定位群體，將qGW1定位到1號染色體短臂標(biāo)記HLJ-10和HLJ-18之間大約101 kb的范圍內(nèi)，在這個范圍內(nèi)包含13個候選基因，根據(jù)這13個基因在不同大粒和小粒品種間的測序結(jié)果，初步將Sobic.001G038300基因作為qGW1的候選基因，但沒作進(jìn)一步驗證，韓立杰［28］還對另一個主效QTLqGW2進(jìn)行了精細(xì)定位，將其定位到2號染色體標(biāo)記Xtxp100和SB01474之間大約1 674 kb的范圍內(nèi)。

Boyles等［21］在5號染色體發(fā)現(xiàn)了一個新的高粱千粒重QTL，解釋了較高的表型變異率為21%，該位點的優(yōu)勢等位基因來自小粒親本BTxARG-1，經(jīng)過進(jìn)一步檢測，最高峰處的標(biāo)記位于Sobic.005G188400基因上，該基因編碼一個功能未知的的remorin蛋白，主要在早期花序組織和發(fā)育的胚中表達(dá)；而水稻中的Grain setting defect1（GSD1）基因也編碼一個remorin蛋白，通過調(diào)控胞間連絲的通透性，進(jìn)而調(diào)控光合同化物的裝載和分配，使光合同化物由光合位點向韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)過程受阻所致，最終影響水稻種子結(jié)實率［29］。

3 高粱粒重QTL的比較分析

目前已有多個控制高粱粒重的QTLs被定位到，盡管研究者所用研究材料不盡相同，但有些QTLs可能是相同的，為了對這些定位結(jié)果進(jìn)行有效的比較和利用，Mace和 Jordan［30］與 Tao等［9］分別將1995-2010年和1995-2018年報道的高粱粒重相關(guān)QTLs整合到同一遺傳連鎖圖譜上。根據(jù)這些標(biāo)記在高粱遺傳連鎖圖上的距離及Li等［31］和Yonemaru等［32］發(fā)布的相關(guān)標(biāo)記在高粱染色體上的物理距離，將已定位高粱粒重相關(guān)QTLs在染色體上的位置進(jìn)行整理，見表2。

表1 高粱粒重QTL定位信息

從表2中可以看出，來自16篇研究報道的108個控制高粱粒重的QTLs被整合為50個QTLs。1號、3號和7號染色體上富含控制高粱粒重的基因區(qū)域。1號染色體涵蓋了數(shù)量最多的QTLs，占全部QTLs的 16%，qGW1-2、qGW1-4、qGW1-5和qGW1-64個QTLs均被兩篇及以上研究報道共同定位到，其中qGW1-2在5篇報道中均被定位到，解釋的遺傳變異最高為 22%［19］，該 QTL 與 Mace和 Jordan［30］報道的元QTLQKWT_meta1.1為相同的QTL。3號和7號染色體上各有7個QTLs，各占全部QTLs的14%，但是僅有qGW3-3、qGW3-7和qGW7-5、qGW7-7被兩篇及以上研究報道共同定位到。2、4、6、8和10號染色體上各包含4個QTLs，其中2、4和10號染色體上各有3個QTLs，6和8號染色體上各有2個QTLs，在兩篇及以上研究報道中被定位到。5號染色體上的5個QTLs均為單獨定位到的QTL。9號染色體上的QTLs最少，僅有3個，其中qGW9-2被兩篇研究報道共同定位到。在整合的50個QTLs中，有22個QTLs被兩篇及以上研究報道共同定位到，這些QTLs均能解釋較高的遺傳變異，并且研究者

所用的材料均不盡相同，說明高粱粒重相關(guān)QTL在不同遺傳背景和環(huán)境條件下一致表達(dá)，具有重要的實際意義，不同報道中定位到的QTLs相互間也對定位結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗證，這些QTLs和標(biāo)記將幫助育種者對高粱粒重性狀進(jìn)行遺傳改良，從而培育高產(chǎn)的高粱品種。

表2 高粱粒重QTL 比較結(jié)果

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

4 水稻和玉米已克隆粒重相關(guān)基因在高粱中的同源基因分析

玉米、水稻、小麥、高粱和谷子等主要作物都是由其野生種馴化而來，在漫長的馴化過程中，一些共同的優(yōu)良特性，如果實或種子的增大、種子落粒性的喪失、種子休眠的打破和生育期的同步等，被人們有意或無意的選擇并保存下來［33］。這些相似表型變化的分子基礎(chǔ)有些是不同作物間同源基因?qū)е碌?。Lin等［34］在高粱中克隆的Sh1基因在水稻及玉米中的同源基因被證實可控制水稻及玉米的落粒，Liu等［35］在高粱中克隆的HD1基因被證實在高粱、水稻和谷子中受到平行選擇，水稻中克隆的粒重相關(guān)基因GW2和GS3在玉米中的同源基因均被證實影響著玉米籽粒大小和粒重［36-37］。因此，在谷物馴化過程中，某些馴化性狀基因的同源性和共線性被很好地保存下來，可能存在功能保守的基因組區(qū)域，是各種谷物種子大小變化的基礎(chǔ)［12］。目前，水稻和玉米中已克隆了大量粒重相關(guān)基因，查找這些基因在高粱中的同源基因，并結(jié)合其在馴化過程中是否受到選擇和QTL定位結(jié)果，對于克隆高粱粒重相關(guān)基因并闡明其分子機(jī)理具有重要意義。

Han等［19］和 Tao等［38］均查找了水稻和玉米中已克隆粒重相關(guān)基因在高粱中的同源基因，Tao等對這些基因在馴化過程中是否受到人工選擇也進(jìn)行了研究，現(xiàn)將這些基因信息進(jìn)行整理并與高粱粒重QTL整合信息進(jìn)行比較，見表3。將22個水稻粒重相關(guān)基因和8個玉米粒重相關(guān)基因的CDS序列與高粱基因組數(shù)據(jù)庫Sorghum bicolorv3.1.1（https：//phytozome.jgi.doe.gov）進(jìn)行比對，得到32個同源基因，分布在高粱10條染色體上。將同源基因在基因組上的位置和表2中整合的QTLs側(cè)翼標(biāo)記的物理距離進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)18個同源基因位于高粱粒重QTL區(qū)間內(nèi)，其中有12個基因具有馴化選擇信號，即水稻小圓粒基因SRS5［39］在高粱中的同源基因Sobic.001G107100位于qGW1-2所在區(qū)間內(nèi)；水稻粒長基因GL3.1［40］的同源基因Sobic.001G154900位于qGW1-4所在區(qū)間內(nèi)；水稻粒長基因GL7［41］在高粱基因組中存在2個同源性較高的基因，Sobic.001G335800位于qGW1-7所在區(qū)間內(nèi)，Sobic.002G367300位于qGW2-4所在區(qū)間內(nèi)；水稻粒長粒重基因GS3［42］和玉米粒重基因zmGS3［37］的同源基因為相同的基因Sobic.001G341700，位于qGW1-7所在區(qū)間內(nèi)；水稻短?；騍G1［43］的同源基因Sobic.002G226500位于qGW2-3所在區(qū)間內(nèi)；水稻粒重基因GW8［44］在高粱基因組中存在3個同源性較高的基因，Sobic.002G257900位于qGW2-3所在區(qū)間內(nèi)，Sobic.003G406600位于qGW3-7所在區(qū)間內(nèi)，Sobic.007G193500位于qGW7-7所在區(qū)間內(nèi) ；水稻小圓?；駾EP2［45］/SRS1［46］的同源基因Sobic.002G374400位于qGW2-4所在區(qū)間內(nèi) ；水稻籽粒大小基因GS2［47］/GL2［48］的同源基因Sobic.004G269900位于qGW4-3所在區(qū)間內(nèi)；水稻小粒基因D11［49］的同源基因Sobic.006G114600位于qGW6-3所在區(qū)間內(nèi)。

以上這些同源基因位于前人定位的高粱粒重QTL所在區(qū)間內(nèi)，并在高粱馴化過程中表現(xiàn)出選擇的特征，表明這些QTLs在高粱馴化過程中受到了影響，并且這些同源基因可能是調(diào)控高粱粒重的相關(guān)基因，在作物馴化過程中受到了平行馴化，但仍需要進(jìn)一步驗證。

5 高粱粒重基因的應(yīng)用及展望

進(jìn)一步提高產(chǎn)量是高粱育種的重要目標(biāo)，可通過傳統(tǒng)雜交育種和分子標(biāo)記輔助育種兩種途徑培育高粱高產(chǎn)新品種。由于高粱粒重超親遺傳現(xiàn)象較為普遍，親本粒重的高低影響著雜交一代粒重的表現(xiàn)，因此在傳統(tǒng)雜交育種中，親本材料特別是母本（不育系）材料最好選用大粒材料。分子標(biāo)記輔助育種是快速培育優(yōu)質(zhì)作物品種的有效途徑，在水稻、玉米和小麥等作物中的應(yīng)用已取得很大進(jìn)展，通過QTL定位手段對高粱粒重關(guān)鍵基因進(jìn)行定位和克隆，可為育種家選育高產(chǎn)的高粱新品種提供分子標(biāo)記，加快育種速度，提高育種效率。

表3 水稻、玉米已克隆粒重相關(guān)基因在高粱中的同源基因

目前已定位到大量的高粱粒重相關(guān)QTLs，通過對不同研究者定位到的QTLs進(jìn)行比較，可對QTLs進(jìn)行相互驗證，并能發(fā)現(xiàn)一些遺傳變異率高，在不同遺傳背景和環(huán)境下均能被檢測到的主效QTLs，與之連鎖的分子標(biāo)記可用于高粱高產(chǎn)分子標(biāo)記輔助育種，對這些主效QTLs可作進(jìn)一步的精細(xì)定位和克隆研究。

在谷物馴化過程中，大粒的品種易受到人工選擇，不同谷物間功能保守的大粒性狀基因的同源性和共線性可以被很好的保存下來。查找水稻和玉米中已克隆粒重相關(guān)基因在高粱中的同源基因，研究其在馴化過程中是否受到選擇，并與QTL定位結(jié)果進(jìn)行比較，可發(fā)掘高粱粒重候選基因，對于克隆高粱粒重相關(guān)基因并闡明其分子機(jī)理具有重要意義。