陳 悅，王同著，鄭躍婷，楊雨露，王 盈，張香粉，陳 鋒，趙 磊

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/省部共建小麥玉米作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州 450046)

小麥?zhǔn)鞘澜缟戏N植面積最為廣泛的糧食作物，為全球約40%的人口提供食物來源。小麥同時(shí)也是中國(guó)的第二大糧食作物，是中國(guó)人民最主要的口糧之一。小麥生產(chǎn)與國(guó)家糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定休戚相關(guān)，提高小麥產(chǎn)量一直都是科研人員關(guān)心的主要問題。在現(xiàn)有耕地面積逐年減少的情況下，培育具有更高單產(chǎn)潛力的小麥新品種就成為進(jìn)一步提高小麥產(chǎn)量、解決糧食安全的必要舉措之一。

株型一般是指植株地上部分的形態(tài)特征，是作物諸多重要農(nóng)藝性狀的綜合，影響作物的適應(yīng)性、產(chǎn)量以及收獲指數(shù)等。合理的株型對(duì)作物產(chǎn)量的提高至關(guān)重要，株型改良育種在小麥高產(chǎn)育種中發(fā)揮著重要作用。20世紀(jì)60年代在全球范圍內(nèi)興起的“綠色革命”正是通過利用矮稈基因?qū)崿F(xiàn)矮化育種，最終極大地提高了小麥和水稻的產(chǎn)量，成功地解決了當(dāng)時(shí)全球糧食危機(jī)。因此，對(duì)小麥株型相關(guān)性狀的遺傳機(jī)理進(jìn)行研究，挖掘株型調(diào)控基因，并借助分子手段輔助選擇育種，將有助于培育出株型合理的高產(chǎn)小麥新品種。

分蘗是小麥、水稻等谷類作物株型構(gòu)成的主要因素，包括分蘗能力和分蘗角度兩個(gè)方面，均是與產(chǎn)量相關(guān)的重要農(nóng)藝性狀。分蘗能力一般用分蘗數(shù)目來表示，是指植株近地面發(fā)生的分枝數(shù)目，其中能夠抽穗并結(jié)實(shí)的地上部分蘗稱為有效分蘗，其決定了作物的有效穗數(shù)和光合面積大小，直接影響產(chǎn)量；分蘗角度指分枝與豎直方向的夾角，體現(xiàn)了主莖與分蘗之間的集散程度，決定了植株的空間構(gòu)型，并通過影響群體的種植密度以及光合效率間接影響作物群體產(chǎn)量。研究表明，通過調(diào)控分蘗的發(fā)育進(jìn)程，禾谷類植物能夠改變?nèi)后w結(jié)構(gòu)，最大限度的提高光能利用率，并提高對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，進(jìn)而影響產(chǎn)量。因此，對(duì)小麥分蘗相關(guān)性狀分子機(jī)理進(jìn)行研究，不僅有助于認(rèn)識(shí)小麥株型的遺傳特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)株型改良育種也具有重要借鑒意義，有助于培育出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的小麥新品種，為提高中國(guó)乃至世界糧食產(chǎn)量以及解決糧食危機(jī)提供出路。本文從分子水平對(duì)近年來小麥分蘗性狀的遺傳研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，以期為開展相關(guān)研究提供參考。

1 分蘗的形成與調(diào)控

分蘗(分枝)是植株地上部形態(tài)的主要表現(xiàn)之一。從幼苗期至成熟期，植株對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行響應(yīng)并不斷生長(zhǎng)，由分生組織分裂產(chǎn)生新的細(xì)胞，進(jìn)一步經(jīng)過分化形成組織和器官。莖尖分生組織(shoot apical meristem,SAM)促進(jìn)植株在垂直方向的生長(zhǎng)；葉腋分生組織(axillary meristem,AM)則可以經(jīng)過分化形成側(cè)枝或分枝。AM形成于葉原基近軸側(cè)的邊界區(qū)中心，邊界區(qū)將SAM與發(fā)育中的葉原基分開以維持分生組織和器官發(fā)育。分蘗的發(fā)育一般經(jīng)歷三個(gè)階段：腋芽分生組織起始階段、腋芽帶葉發(fā)育階段和腋芽長(zhǎng)出階段。雖然腋芽可發(fā)育形成許多分蘗，但并非所有分蘗最終都能成為有效穗，有許多為無(wú)效分蘗。因此，分蘗的發(fā)育和生長(zhǎng)在很大程度上影響植物的整體生長(zhǎng)狀況及生產(chǎn)力。

植物分蘗(分枝)發(fā)育及其形成過程受多種植物激素相互作用共同調(diào)節(jié)。長(zhǎng)期以來，一直認(rèn)為植物分枝由生長(zhǎng)素(indole acetic acid,IAA)和細(xì)胞分裂素(cytokinin,CK)兩種植物激素參與調(diào)控。尤其是IAA，一直被視作為一種經(jīng)典的、占主導(dǎo)地位的分枝調(diào)節(jié)激素。CK被認(rèn)為是調(diào)節(jié)IAA作用的第二信使，其在根中合成，然后被轉(zhuǎn)運(yùn)至腋芽中，打破芽的休眠狀態(tài)；同時(shí)IAA通過調(diào)節(jié)CK的濃度介導(dǎo)芽的生長(zhǎng)。獨(dú)腳金內(nèi)酯(strigolactone,SL)是近些年新發(fā)現(xiàn)的第三類植物調(diào)控激素，也被認(rèn)為參與調(diào)控植物的分枝發(fā)育，但I(xiàn)AA和SL如何相互作用控制腋芽生長(zhǎng)仍存有爭(zhēng)議。Brewer等研究認(rèn)為，SL作用于IAA的下游，直接抑制腋芽的生長(zhǎng)；而Crawford等研究認(rèn)為，SL通過調(diào)節(jié)IAA極性運(yùn)輸來控制腋芽的生長(zhǎng)。此外，F(xiàn)erguson等研究報(bào)道，SL抑制芽的生長(zhǎng)，而CK促進(jìn)芽的生長(zhǎng)，IAA則通過維持高SL和低CK的含量負(fù)調(diào)控芽的生長(zhǎng)。另外，光照也會(huì)對(duì)分蘗產(chǎn)生一定的影響。光感受器光敏色素有Pr(非活性)和Pfr(活性)兩種不同的構(gòu)象，當(dāng)吸收紅光后，Pr轉(zhuǎn)化為Pfr，Pfr通過與光敏色素相互作用因子(phytochrome interacting factor,PIF)或PIL(PIF3-like)相互作用，穿梭于細(xì)胞核并調(diào)控基因表達(dá)；低Pr/Pfr光照比可誘導(dǎo)()基因上調(diào)表達(dá)，從而抑制分枝發(fā)生。此外，在植株生長(zhǎng)條件下,磷和氮的含量也對(duì)分枝起調(diào)控作用。研究表明，在磷酸鹽饑餓條件下，促進(jìn)了擬南芥、番茄、高粱和水稻中SL生物合成基因(如和)的表達(dá)；在低氮條件下，高粱和豌豆植株中SL的含量也明顯增加。對(duì)擬南芥IAA響應(yīng)突變體和SL生物合成突變體的分析表明，在低氮條件下，完整的IAA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和SL生物合成途徑可以增加莖尖生長(zhǎng)素的供應(yīng)，進(jìn)而抑制側(cè)枝生長(zhǎng)。

2 分蘗性狀相關(guān)基因/QTL的定位研究

分蘗是復(fù)雜的發(fā)育性狀，其形成受基因型、植物激素、環(huán)境以及營(yíng)養(yǎng)條件等諸多因素的影響，但更容易受到環(huán)境的影響，同時(shí)又具有較強(qiáng)的遺傳可塑性，通常認(rèn)為分蘗是由多基因共同調(diào)控的數(shù)量性狀。以下分別圍繞小麥分蘗數(shù)目和分蘗角度對(duì)現(xiàn)有主要QTL定位研究進(jìn)行簡(jiǎn)要 綜述。

2.1 分蘗數(shù)目相關(guān)基因/QTL的定位研究

對(duì)小麥分蘗數(shù)目的遺傳定位研究最早主要是從分蘗抑制基因開始的。是最早在普通小麥中鑒定到的分蘗抑制基因，該基因?yàn)殡[性基因，與穎殼稃毛和黑芒基因位點(diǎn)連鎖，定位在1AS染色體上，與微衛(wèi)星標(biāo)記Xgwm136緊密連鎖。位于2A染色體上的基因是一個(gè)顯性基因，同樣具有抑制分蘗的效應(yīng)。Kuraparthy等利用栽培一粒小麥單分蘗突變體在3AL染色體上鑒定到由單基因隱性突變引起的分蘗抑制基因，與標(biāo)記Xpsr1205緊密連鎖，該基因的突變體植株只有一個(gè)主莖。Zhang等利用寡分蘗材料Pubing 3558與京4841雜交，在1AS染色體上鑒定到一個(gè)分蘗抑制基因，該基因與SSR標(biāo)記Xcfa2153緊密連鎖，并推測(cè)是一個(gè)不同于的新位點(diǎn)。Wang等利用一個(gè)寡分蘗材料H461與川農(nóng)16構(gòu)建的RIL群體，定位到三個(gè)與低分蘗數(shù)目相關(guān)的QTL，分別為、和，可分別解釋達(dá)19.1%、14.6%和9.6 %的表型變異(表1)。

除鑒定到減少分蘗數(shù)目的QTL外，也鑒定到的增加分蘗數(shù)目的QTL。如Kato等利用染色體代換系中國(guó)春(Cappelle Desprez 5A)在5A染色體上定位到一個(gè)控制分蘗數(shù)目的QTL，該位點(diǎn)同春化基因相關(guān)聯(lián)，可解釋 37.0%的表型變異。Li等用普通小麥Opata85和人工合成的六倍體小麥W-7984構(gòu)建的RIL群體為材料，分別在1Ds、2Ds和6As染色體上鑒定到三個(gè)與單株分蘗數(shù)目相關(guān)的QTL，可解釋 11.0%～31.0%的表型變異。Campbell等和Dilbirligi等利用染色體重組代換系CNN(WI3A)在3A染色體上共鑒定到四個(gè)與單位面積穗數(shù)相關(guān)的QTL，可解釋9.0%～17.0%的表型變異。Narasimhamoorthy等以硬紅冬小麥品種卡爾92為輪回親本，以TA4152-4為供體親本，構(gòu)建BCF回交群體，在3B染色體檢測(cè)到一個(gè)與分蘗數(shù)目相關(guān)的QTL()，可解釋6.2%的表型變異。Li等利用花培3和豫麥57構(gòu)建的DH群體和永久F群體檢測(cè)到多個(gè)與最大分蘗數(shù)和有效分蘗數(shù)相關(guān)的QTL，可解釋4.5%～35.0%的表型變異。Zou等利用兩個(gè)春小麥品種Attila和CDC Go構(gòu)建的RIL群體為材料，在6A染色體上70 cM處檢測(cè)到一個(gè)與每平方米分蘗數(shù)相關(guān)的QTL()，可解釋11.2%的表型變異。Hu等利用川農(nóng)18和T1208構(gòu)建的RIL群體為材料，在4D染色體上定位到一個(gè)穩(wěn)定的穗形成率主效QTL()，可解釋18.2%～24.5%的表型變異。Wang等用UI Platinum和BSY Capstone構(gòu)建的DH群體為材料，定位到兩個(gè)與單位面積分蘗數(shù)相關(guān)的QTL(和)，分別可解釋19.0%和26.0%的表型變異。Ren等利用55K芯片對(duì)川農(nóng)18和T1208構(gòu)建的RIL群體進(jìn)行分析，在多個(gè)環(huán)境下共檢測(cè)到7個(gè)穩(wěn)定的QTL，分布于2D、4A、4D、5A、5D和7D染色體上，單個(gè)QTL可解釋 1.6%～21.2%的表型變異。Liu等以20828和SY95-71構(gòu)建的RIL群體為材料，在1BL染色體上檢測(cè)到一個(gè)控制有效分蘗數(shù)的主效遺傳位點(diǎn)，可解釋12.1%～55.7%的表型變異。此外，前人也分別在1B、3A、3D、4B、5B、6B、6D、7A等染色體上均定位到與分蘗數(shù)目相關(guān)的QTL。上述研究結(jié)果表明，幾乎在所有染色體上都能定位到與分蘗數(shù)目相關(guān)的QTL(匯總結(jié)果見表1)，而且不同研究之間的結(jié)果不一致，在QTL數(shù)量、染色體分布以及QTL效應(yīng)均有不同，這也進(jìn)一步表明分蘗性狀遺傳的復(fù)雜性。而且截至目前，上述QTL仍停留在初步定位階段，沒有一個(gè)被克隆出來，研究任務(wù)仍然任重而道遠(yuǎn)。

表1 平均表型貢獻(xiàn)率大于10%的分蘗數(shù)目主效QTL

2.2 分蘗角度相關(guān)基因/QTL的定位研究

與分蘗數(shù)目相比，前人對(duì)小麥中分蘗角度的遺傳研究較少。究其原因，可能由于該性狀更易受環(huán)境影響，難以進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，且長(zhǎng)期以來不受重視所致，近幾年來相關(guān)研究逐漸增多。Marone等對(duì)184份硬粒小麥的“匍匐/直立”生長(zhǎng)習(xí)性進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome wide association study,GWAS)，共鑒定到12個(gè)調(diào)控分蘗角度的QTL，其中位于2B和5A染色體上的兩個(gè)穩(wěn)定位點(diǎn)均可在6個(gè)環(huán)境中檢測(cè)到。Zhao等以中麥871和中麥895為親本構(gòu)建的RIL群體為材料，在1AL和5DL染色體上檢測(cè)到兩個(gè)與分蘗角度相關(guān)的穩(wěn)定QTL，并進(jìn)一步預(yù)測(cè)了5DL染色體位點(diǎn)上的候選基因，依據(jù)水稻中的同源基因?qū)⑵涿麨?，并?duì)其功能進(jìn)行初步分析，但未進(jìn)行轉(zhuǎn)基因功能驗(yàn)證。Liu等以3個(gè)RIL群體和1個(gè)雜交F群體為材料，在2BL染色體上檢測(cè)到一個(gè)調(diào)控分蘗角度的主效位點(diǎn)，可解釋18.1%～51.1%的表型變異；該位點(diǎn)距離較近，但獨(dú)立于，并通過分析預(yù)測(cè)了候選基因，但也未對(duì)候選基因功能進(jìn)行驗(yàn)證。

3 小麥分蘗性狀相關(guān)基因/QTL的功能研究

由于普通栽培小麥復(fù)雜的遺傳背景，在2018年之前一直未獲得完整的基因組序列，采用圖位克隆的方法從六倍體小麥中分離基因非常困難；此外，分蘗性狀易受環(huán)境因素的影響，因此，迄今為止，利用正向遺傳手段克隆小麥分蘗性狀相關(guān)基因仍罕有報(bào)道。

參考擬南芥、水稻等植物中的研究結(jié)果，在小麥中采用同源克隆的方法已克隆出數(shù)個(gè)與分蘗數(shù)目相關(guān)的基因。如基因是SPL(squamosa promoter binding protein-like)基因家族的成員之一，編碼一個(gè)含SBP-box結(jié)構(gòu)域的蛋白，受miR156的調(diào)控，參與調(diào)控理想株型，對(duì)小麥的分蘗、株高、莖粗和穗部發(fā)育均起著重要的調(diào)控作用；是植物GRAS家族調(diào)控AM起始和分枝的基因，其編碼的蛋白具有保守功能域VHIID，與水稻中的MOC1、擬南芥中的LAS和番茄中的LS具有較高的同源性，參與小麥分蘗的形成和穗的發(fā)育；其啟動(dòng)子上存在一個(gè)順式作用元件CAT-box，決定了TaMOC1的表達(dá)部位，并影響啟動(dòng)子的活性，但具體如何發(fā)揮作用調(diào)控啟動(dòng)子的活性尚不清楚；基因同水稻中的同源基因具有相似的功能，通過參與SL合成途徑進(jìn)而調(diào)控小麥分蘗的發(fā)生；基因可通過參與SL信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來調(diào)控小麥分蘗數(shù)目相關(guān)基因的表達(dá)，且基因與和基因互作，共同調(diào)控小麥分蘗的發(fā)生；硬粒小麥中基因除參與調(diào)控小麥分蘗的發(fā)生外，可能還參與根系的分枝發(fā)育。此外，Liu等研究顯示，過表達(dá)可增加小麥分蘗數(shù)目，SL信號(hào)抑制因子TaD53可直接與miR156控制的TaSPL3/17的N端結(jié)構(gòu)域相結(jié)合，通過多個(gè)基因相互作用，最終影響小麥分蘗的形成。研究還發(fā)現(xiàn)，AP2類多效基因和可能參與調(diào)控小麥分蘗數(shù)目，基因可能參與調(diào)控小麥分蘗的形成。在分蘗角度調(diào)控基因研究上，曹 鑫等利用同源克隆的方法分離獲得小麥分蘗角度調(diào)控基因，通過分析認(rèn)為該基因可調(diào)控小麥的分蘗角度、分蘗數(shù)、旗葉夾角等性狀，同時(shí)推測(cè)該基因可能參與生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸。另外，Marone等利用GWAS的方法鑒定出多個(gè)小麥分蘗角度調(diào)控位點(diǎn)，并推測(cè)小麥春化()、矮稈()和光周期()相關(guān)基因可能也參與調(diào)控小麥分蘗角度的形成。此外，Cu等研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控分蘗數(shù)目的基因也可能參與調(diào)控小麥分蘗角度。

上述研究結(jié)果進(jìn)一步表明，小麥分蘗相關(guān)性狀是受多基因控制的數(shù)量性狀。對(duì)小麥分蘗調(diào)控基因同源基因的研究也表明，該類基因在不同植物中的功能高度保守，對(duì)其他植物中相關(guān)重要基因的研究也可促進(jìn)和加快對(duì)小麥分蘗分子遺傳機(jī)制研究的進(jìn)程。不足之處是目前對(duì)重要基因的研究還比較匱乏，且比較分散，根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果還未能獲得具體的、可信的調(diào)控分蘗相關(guān)性狀的作用機(jī)制途徑。

4 討論與展望

高產(chǎn)是作物研究永恒不變的追求目標(biāo)，而株型改良育種一直以來都是作物高產(chǎn)育種的主要方向。分蘗模式是植物株型建成的重要構(gòu)成因素，在過去的一二十年中，通過對(duì)模式植物擬南芥以及水稻、玉米、番茄、大豆等農(nóng)作物的研究，加深了我們對(duì)植物分蘗(分枝)遺傳機(jī)制的理解。在大多數(shù)作物中，馴化品種的分蘗要比野生品種少，使其更適于密植，且能減少群體間對(duì)光和土壤養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)還可減輕因分蘗過多造成郁閉而使病蟲害危害加重；然而分蘗過少會(huì)造成穗數(shù)不足，也會(huì)影響作物產(chǎn)量。分蘗作為重要的農(nóng)藝性狀，與穗數(shù)的形成直接相關(guān)，是決定作物最終產(chǎn)量的重要因素之一。因此，對(duì)分蘗性狀遺傳機(jī)理進(jìn)行研究不僅有助于增加對(duì)作物理想株型建成機(jī)制的認(rèn)識(shí)和理解，也可使通過株型改良培育高產(chǎn)作物品種成為可能。

小麥作為人類三大主要糧食作物之一，在保障全球糧食安全中發(fā)揮著不可替代的作用。加快小麥重要性狀基因的克隆，利用分子生物學(xué)手段改良現(xiàn)有品種，對(duì)培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆的小麥新品種具有十分重要的意義。小麥分蘗數(shù)目直接影響和決定單位面積穗數(shù)，分蘗角度也通過影響種植密度間接影響單位面積穗數(shù)，兩者對(duì)小麥產(chǎn)量的形成均具有重要意義。通過對(duì)小麥分蘗性狀遺傳機(jī)制進(jìn)行研究，發(fā)掘小麥分蘗相關(guān)基因，克隆在生產(chǎn)上有應(yīng)用前景的優(yōu)異功能基因，系統(tǒng)研究基因的功能，并借用分子手段加以利用，對(duì)拓寬小麥育種資源，改良小麥株型和產(chǎn)量，培育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)新品種，確保中國(guó)乃至全球糧食安全具有十分重要的意義。然而由于六倍體小麥基因組龐大且重復(fù)序列較多，采用傳統(tǒng)定位方法從中分離基因非常困難；同時(shí)分蘗性狀是多基因控制的數(shù)量性狀，且易受環(huán)境因素影響，這些因素均增加了研究難度。目前，對(duì)于小麥分蘗性狀的遺傳研究雖然已開展多年，但一直未有突破性進(jìn)展，大部分工作停留在定位階段，相關(guān)基因的分離和克隆鮮有報(bào)道，遺傳調(diào)控機(jī)制仍很不清晰，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要，目前還未有相關(guān)研究成果應(yīng)用于育種工作的報(bào)道。隨著小麥基因組測(cè)序工作的發(fā)展，小麥基因組數(shù)據(jù)庫(kù)及基因注釋信息日益完善，IWGSC已公布最新的中國(guó)春參考序列(IWGSC RefSeq v2.1)，為小麥功能基因組學(xué)的研究奠定了良好基礎(chǔ)。同時(shí)GWAS、集群分離分析(bulked sample/segregant analysis,BSA)、全外顯子組測(cè)序(whole exome sequencing,BSA)等多種新興技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，為鑒定復(fù)雜農(nóng)藝性狀遺傳調(diào)控基因提供了快速有效的途徑，相信該領(lǐng)域的研究會(huì)有日新月異的進(jìn)展，未來會(huì)有更多小麥分蘗相關(guān)基因被分離和克隆，且小麥分蘗性狀的分子遺傳機(jī)制也終將會(huì)得到闡明。