王寶寶 王海洋

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，北京 100081；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家南繁研究院，三亞 572025；3. 海南崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室，三亞 572025；4. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣州 510642；5. 嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

玉米（Zea mays L.）是世界上重要的糧食、飼料和工業(yè)原材料，其總產(chǎn)量約占全球谷類作物總產(chǎn)量的37.2%（FAO statistics, https://www.fao.org/faostat/en），其充足供應(yīng)對保證世界范圍的糧食安全至關(guān)重要。從2012年開始，我國玉米的單產(chǎn)和總種植面積超過了小麥和水稻（2008年開始種植面積躍居第一，F(xiàn)AO statistics, https://www.fao.org/faostat/en），成為我國的第一大農(nóng)作物。因此，玉米產(chǎn)量供應(yīng)也是我國糧安國穩(wěn)的重要保證。近年來，由于畜牧、深加工等玉米剛需產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，玉米產(chǎn)量的需求日益增長。而一方面，我國是典型的人多地少的國家，人均耕地面積只有世界平均水平的1/3；另一方面，我國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)控，需要維持甚至調(diào)減玉米種植面積；同時(shí)，國際環(huán)境的動蕩及國際貿(mào)易摩擦，使玉米進(jìn)出口貿(mào)易極不穩(wěn)定。重重壓力之下，我們不得不把提高單位面積的產(chǎn)量作為提高我國玉米產(chǎn)出的主要手段。

研究表明，提高品種耐密性和種植密度是提高玉米單產(chǎn)的關(guān)鍵。作為玉米種植和生產(chǎn)大國，在過去80年里，美國玉米的種植密度從～30000株/hm2（1930s）［1]提高到了近期的～70000株/hm2（62000-104000 株/ hm2）［2]；同時(shí)，單產(chǎn)也從20世紀(jì)30年代的1287 kg/ hm2提高到2010年的9595 kg/ hm2［2]；而研究表明，該過程中玉米單株產(chǎn)量和雜種優(yōu)勢的提升并不明顯［3]，單產(chǎn)的增加更多的是由于種植密度和品種耐密性的持續(xù)增長［4-7]。而對中國不同年代玉米品種的研究也顯示，隨著時(shí)間的推移，我國玉米的種植密度也在逐漸加大，但相較于早期品種，近現(xiàn)代品種在產(chǎn)量、葉夾角、光合效率、抗倒性、空桿率等重要農(nóng)藝性狀方面都表現(xiàn)出對高密度栽培條件的更好適應(yīng)性［8-12]。由此可見，提高品種耐密性和種植密度是現(xiàn)代玉米育種和生產(chǎn)中的重要目標(biāo)和趨勢。

耐密型玉米材料需要有理想的株型。耐密性的實(shí)質(zhì)是在高密度環(huán)境下玉米群體光合效率高，光合產(chǎn)物“源” “流” “庫”合理高效運(yùn)轉(zhuǎn)，以獲得較高的群體產(chǎn)量。研究表明，塑造合理的玉米株型，能改善玉米冠層結(jié)構(gòu)從而增強(qiáng)群體內(nèi)的通風(fēng)透光特性、增加有效葉面積系數(shù)，保證充足的“源”（光合產(chǎn)物）的供應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)密植高產(chǎn)［2,7,13-14]；另外，在“源-庫”關(guān)系方面，耐密型玉米對產(chǎn)量的突破并不單單依賴于“源”或“庫”單方面的加強(qiáng)，更多的是在較高水平上實(shí)現(xiàn)了“源”與“庫”的平衡，尤其是雌雄之間的協(xié)調(diào)和平衡［15]。葉夾角、雄穗大小等是玉米冠層結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在植物光截獲、光合效率的提升方面發(fā)揮著重要作用，且雄穗作為重要的“庫”器官對同化物的合理分配，及“源-庫”平衡也意義重大；株高和穗位高會影響玉米植株重心，進(jìn)而影響玉米抗倒伏能力，且玉米高度也會影響植株的收獲指數(shù)，影響“源-庫”平衡；而合理的開花期是玉米合理避害，并適應(yīng)不同生態(tài)區(qū)及現(xiàn)代栽培制度的關(guān)鍵。因此，這4類性狀（雄穗大小、葉夾角、株高/穗位高、開花期）是影響玉米耐密性的關(guān)鍵株型性狀［2,16]。過去幾十年的現(xiàn)代玉米育種史中，玉米的種植密度和耐密性連續(xù)提高。本團(tuán)隊(duì)通過對350份不同年代、及1604份不同雜種優(yōu)勢類群的玉米材料進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代玉米育種過程中，玉米材料都向著葉夾角更緊湊、雄穗分枝數(shù)更少、穗位更低、開花期更早這4個方向選擇［17-18]（圖1），這些發(fā)現(xiàn)也與前人的報(bào)道一致［4-6,12,14,16,19]，印證了這些形態(tài)性狀改良及“源-庫”平衡對玉米耐密育種的重要意義。系統(tǒng)地解析這4類性狀調(diào)控的遺傳基礎(chǔ)和分子機(jī)理，對塑造理想株型、培育耐密植玉米新品種意義重大。因此，本文將重點(diǎn)就這4類性狀遺傳調(diào)控基礎(chǔ)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

圖1 玉米耐密株型改良的4個關(guān)鍵方向Fig. 1 Four important plant architecture traits for increasing high-density tolerance in maize

1 玉米葉夾角遺傳調(diào)控基礎(chǔ)

降低植株的莖葉夾角、塑造緊湊株型是提高玉米耐密性的關(guān)鍵。較小的莖葉夾角可以減少玉米植株之間的相互遮蔭，改善田間整體的冠層結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)植株間的通風(fēng)透光性，更利于玉米功能葉（穗位葉、穗上第一葉和穗下第一葉）捕獲陽光和進(jìn)行光合作用，利于玉米群體產(chǎn)量的提高［6,20-23]。研究發(fā)現(xiàn)，將平展株型玉米品種改造為緊湊型可顯著提高耐密性，密植條件下增產(chǎn)幅度可達(dá)16.9%，反之把緊湊型玉米品種改造為平展株型，密植條件下減產(chǎn)幅度可達(dá)13.79%［24]，足見葉夾角性狀改良對提高玉米耐密性和群體產(chǎn)量的重要性。另外，緊湊株型帶來的良好通風(fēng)透光特性還將大大增加植株下層的紅光/遠(yuǎn)紅光（R/FR）的比例，減少密植避蔭反應(yīng)造成的莖稈徒長、根系變?nèi)酢⑶o稈強(qiáng)度降低等不利影響，利于玉米穩(wěn)產(chǎn)［25-29]。不同的研究都表明，現(xiàn)代玉米育種過程中葉夾角都向著越來越緊湊的方向改良［12,14,17,19]，而這種趨勢和玉米耐密性的提升是高度相關(guān)的，再次印證了葉夾角改良對玉米耐密育種的重要性。

玉米的葉片由葉鞘（sheath）、葉片（blade）及連結(jié)二者的葉枕3部分組成。其中葉枕區(qū)域包括葉舌（ligular）和葉耳（auricle）等部分。葉片的近軸面靠近主莖干，而遠(yuǎn)軸面則偏離朝外，葉片與主莖的夾角為葉夾角。葉夾角大小主要受4方面影響：（1）葉舌形態(tài)建成。玉米中無葉舌或葉舌發(fā)育異常的突變體往往表現(xiàn)出葉夾角極度變小的表型［30-34]。（2）葉耳的發(fā)育。前人研究表明，葉耳的大小與葉夾角的大小有明顯正相關(guān)性，一般平展型玉米的葉耳細(xì)胞數(shù)目明顯多于緊湊型玉米［35-36]。（3）葉枕橫截面近、遠(yuǎn)軸面維管束、厚壁組織、薄壁組織細(xì)胞數(shù)目和木質(zhì)化程度影響葉夾角的大小。一般來說，當(dāng)遠(yuǎn)軸端厚壁組織增多時(shí)，影響機(jī)械支撐力以及葉耳發(fā)育情況，可間接影響葉片直立程度，導(dǎo)致葉夾角相應(yīng)減?。?6-38]。（4）葉片的支撐組織。重力在植物發(fā)育和植物結(jié)構(gòu)塑造中發(fā)揮著重要作用，玉米葉片反重力向上生長，葉脈支撐著葉片防止其彎曲，保證了葉片的生理功能順利進(jìn)行，尤其是主脈。一些影響中脈發(fā)育的突變體也會顯著影響玉米葉夾角［39]。

在過去的幾十年里，研究人員對葉夾角形成的遺傳機(jī)理進(jìn)行了大量的探索研究。根據(jù)已克隆基因的細(xì)胞學(xué)及生理生化作用機(jī)制，可將調(diào)控玉米葉夾角形成和發(fā)育的基因分為3類，即葉夾角自身形態(tài)建成過程中與葉舌葉耳發(fā)育相關(guān)基因、植物激素調(diào)控途徑相關(guān)基因和葉片中脈部位機(jī)械組織形成途徑相關(guān)基因（附表1）［38,40]。首先，玉米自身葉耳葉舌的形成發(fā)育對葉夾角具有重要調(diào)控作用。玉米的LIGULELESS1（LG1）編碼一個SPL（SQUAMOSA promoter-binding protein-like）類轉(zhuǎn)錄因子，LG2編碼一個bZIP類轉(zhuǎn)錄因子，LG3和LG4都編碼Class1類Knotted1-like homebox（KNOX）轉(zhuǎn)錄因子，這些基因突變后都表現(xiàn)出葉耳葉舌缺失的表型，葉夾角顯著減?。?0,32-34]。其中l(wèi)g1是第一個被報(bào)道的無葉舌突變體，LG1也是葉耳葉舌形成最核心的調(diào)控因子。研究顯示，LG1在原葉枕帶中特異表達(dá)，且在近軸端表皮細(xì)胞中表達(dá)促進(jìn)葉舌正常發(fā)育，在內(nèi)層葉肉細(xì)胞組織中表達(dá)促進(jìn)葉耳的形成。LG1功能缺失后任何部位葉片都無葉耳或葉舌發(fā)育，葉片直立，葉夾角接近0°［20,30,41-42]。LIGULELESS NARROW1（LGN1）編碼一個絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（serine/threonine kinase）。該基因?qū)τ衩兹~片邊界的建立具有重要調(diào)控作用，其突變后葉夾角變小，葉片中脈部位會有異位葉舌形成［31]?；虮磉_(dá)分析顯示LG2對原葉枕帶形成的調(diào)控可能在LG1之前［32]，LGN1可能在LG1基因的上游發(fā)揮作用［31]。第二，植物激素調(diào)控途徑相關(guān)基因?qū)τ衩兹~夾角的調(diào)控作用。（1）油菜素內(nèi)脂（brassinolide, BR）相關(guān)基因?qū)τ衩兹~夾角具有關(guān)鍵調(diào)控作用。所有植物激素中，BR被認(rèn)為是調(diào)控禾本科植物葉夾角的最核心植物激素。玉米中BR合成關(guān)鍵酶基因（如ZmDET2/NA1、ZmDWF1/NA2、ZmDWF4、ZmBRD1）突變后都表現(xiàn)為不同程度葉片直立的表型［43-46]。BRI是BR信號途徑中的關(guān)鍵調(diào)控因子，將玉米中多個ZmBRI同時(shí)通過RNAi技術(shù)敲低后，玉米葉夾角也變?。?7]。玉米ZmILI1編碼一個bHLH類轉(zhuǎn)錄因子，也是BR信號傳導(dǎo)途徑中的重要調(diào)控因子，其突變后玉米葉夾角顯著變?。?8]。近期的一項(xiàng)研究表明ZmRAVL1可通過調(diào)控BR合成調(diào)控葉夾角，其可以直接激活ZmBRD1的表達(dá)，造成葉枕部位BR含量增加和葉夾角增大；此外還發(fā)現(xiàn)ZmDRL1和LG1都可以直接綁定到ZmRAVL1上游調(diào)控區(qū)，而ZmDRL1可以和LG1互作，抑制LG1對ZmRAVL1的轉(zhuǎn)錄激活，從而調(diào)控BR合成和葉夾角，并且ZmRAVL1上游調(diào)控區(qū)的優(yōu)良等位變異具有實(shí)現(xiàn)玉米耐密育種的巨大應(yīng)用潛力［36]。（2）其他激素對玉米葉夾角的調(diào)控作用。玉米Brachytic2（Br2，又名ZmPGP1）基因編碼一個生長素的轉(zhuǎn)運(yùn)載體蛋白P-glycoprotein，其突變后玉米株高變矮，葉夾角更直立［49]；此外，之前的報(bào)道顯示LGN1可以調(diào)控生長素極性運(yùn)輸相關(guān)的ZmPIN1a蛋白在葉枕部位的磷酸化狀態(tài)，印證了生長素可能也在葉夾角形成過程中發(fā)揮重要作用［31]。玉米ZmACS7編碼一個乙烯合成關(guān)鍵酶，其突變后玉米葉夾角變大、植株變矮［50]，表明乙烯可能也在葉夾角調(diào)控中具有重要作用。第三，葉片維管束發(fā)育和葉脈機(jī)械組織形成相關(guān)基因?qū)θ~夾角也具有重要調(diào)控作用。玉米中的ZmDRL1和ZmDRL2均編碼含C2C2鋅指結(jié)構(gòu)域的YABBY轉(zhuǎn)錄因子，其雙突變體葉片中脈維管束發(fā)育缺陷（中脈變窄甚至缺失），葉片遠(yuǎn)軸端維管束鞘附近厚壁細(xì)胞數(shù)目明顯減少，葉耳增大，葉夾角增大，葉片極度下垂。這兩個基因中，ZmDRL1單獨(dú)突變后玉米葉片即表現(xiàn)出平展耷拉下垂，葉夾角變大，Zmdrl2對Zmdrl1的表型有強(qiáng)化作用。這些研究結(jié)果表明，玉米葉片中脈部位機(jī)械組織的發(fā)育對葉夾角和葉片直立性狀具有重要調(diào)控作用［39]。除以上報(bào)道外，還有其他一些基因?qū)τ衩兹~夾角具有重要調(diào)控作用。如玉米ZmCLA4是通過QTL克隆得到的一個葉夾角調(diào)控基因，其編碼一個跟重力響應(yīng)相關(guān)的LAZY蛋白，ZmCLA4的表達(dá)豐度與玉米葉夾角的大小顯著負(fù)相關(guān)［51]。玉米ZmTAC1編碼一個與水稻TAC1同源的蛋白，群體遺傳學(xué)證據(jù)表明其也可能參與玉米葉夾角的調(diào)控［52]。

玉米葉夾角是多基因調(diào)控的復(fù)雜數(shù)量性狀［17,53]，盡管已有部分調(diào)控基因被報(bào)道，但相對于該性狀遺傳基礎(chǔ)的復(fù)雜性，所克隆基因的數(shù)量還是相對較少。在水稻中有較多報(bào)道顯示生長素和GA合成及信號相關(guān)基因?qū)θ~夾角具有調(diào)控作用，然而玉米中的這兩類基因?qū)θ~夾角調(diào)控作用的研究報(bào)道還較少，尤其是GA對玉米葉夾角的調(diào)控研究幾乎還是一個空白領(lǐng)域。此外，BR作為調(diào)控葉夾角的最主要植物激素，在玉米中的研究還嚴(yán)重落后于擬南芥和水稻，也是將來亟需研究的重點(diǎn)方向。

2 玉米雄穗分枝數(shù)遺傳調(diào)控基礎(chǔ)

雄穗是玉米重要的生殖器官，可以影響玉米的冠層結(jié)構(gòu)組成及光合作用效率，從而影響單株及群體產(chǎn)量。雄穗生長在玉米植株頂端，其大小直接影響玉米群體中的通風(fēng)透光情況（遮蔽光照可達(dá)6.5%-28.8%）［13,54]；并且過大的雄穗造成的過量的花粉散落，會造成下層葉片上粉塵的黏著而影響光合作用，影響“源”的供給［55]。此外，雄穗也是重要的“庫”器官，且發(fā)育比雌穗早，在營養(yǎng)競爭上明顯比雌穗優(yōu)越，而二者的競爭將直接影響玉米的收獲產(chǎn)量［56]。一般情況下，雄穗的大小與產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)-0.65，在產(chǎn)量形成總變異中其作用可高達(dá)37.4%［57]。生產(chǎn)實(shí)際中也證實(shí)，玉米散粉后去雄可以顯著提高玉米產(chǎn)量5.3%-16.0%［20,58-59]，反映了雄穗與產(chǎn)量之間的重要關(guān)系。研究表明雄穗大小在過去幾十年的育種過程中經(jīng)歷了連續(xù)的高強(qiáng)度選擇［12,14,17,19]，特別是育種進(jìn)程比較快的商業(yè)化育種單位，如歷史上先鋒公司（pioneer）雜交種的雄穗大小 1967-1991 年降低了 36%［4]，揭示了雄穗性狀的改良對玉米育種的重要意義。

玉米雄穗的形成經(jīng)歷了一系列的發(fā)育過程。當(dāng)玉米從營養(yǎng)生長階段進(jìn)入生殖生長階段的時(shí)候，莖頂端的莖尖分生組織（SAM）先分化成為花序分生組織（IM）；之后IM產(chǎn)生名為分枝分生組織（BM）的側(cè)生分生組織，將來分化成為雄穗基部的分枝。一般只有IM基部的少數(shù)側(cè)生分生組織能最終分化成為雄穗分枝，其余大部分變成了多列的小花對分生組織（SPM）。雄穗分枝上也能形成SPM，但一般以兩列的形式排列。一般BM處于低確定狀態(tài)，可以沿著分化的方向繼續(xù)生長，而SPM處于較高的確定狀態(tài)，一般比較短。每個SPM會形成一個具有兩個小花分生組織（SM）的短的分枝。而SM產(chǎn)生穎殼原基（可由此來區(qū)分SM和其他分生組織）和兩個成花分生組織（FM）——上成花組織（UFM）和下成花組織（LFM）。每個FM接著分化出一個外稃、一個內(nèi)稃、兩個漿片、3個雄蕊和一個雌蕊。接下來雌蕊退化，形成了最終的玉米雄花［60-61]。

玉米雄穗發(fā)育有著復(fù)雜的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（附表1）。首先，玉米分生組織的決定和分化對雄穗的發(fā)育至關(guān)重要。玉米中有許多已經(jīng)報(bào)道的基因參與到了該過程中。如參與CLAVATA（CLV）-WUSCHEL（WUS）信號通路影響頂端分生組織決定的THICK TASSEL DWARF1（TD1，與擬南芥CLV1同源）及FASCIATED EAR2（Fea2，擬南芥CLV2的同源基因）［62-63]，與GRF互作影響分生組織決定的 GROWTH REGULATING FACTOR-INTERACTING FACTOR1（GIF1）［64]，影響花序分生組織決定的ZFL1和ZFL2［65-66]，參與小穗分生組織的決定的BRANCHED SILKLESS1（BD1）［67]，通過影響miRNAs產(chǎn)生而參與分生組織決定的FUZZY TASSEL（FZT，編碼Dicer-like1的同源基因）［68]，控制小穗分生組織到成花分生組織轉(zhuǎn)化的AP2-like基因INDETERMINATE SPIKELET1（IDS1）、SISTER OF INDETERMINATE SPIKELET1（SID1）等［69-70]。其次，玉米中分生組織的維持也決定雄穗的發(fā)育。此類基因的突變往往造成雄穗不同程度的發(fā)育缺陷。如編碼Class 1 KNOTTED 1-like homeobox（KNOX）蛋白的KNOTTED1（KN1）基因［71-72]，與KN1互作參與側(cè)生分生組織維持的BLH12/BLH14基因［73]，參與硫胺素合成影響碳代謝通路的BLADEKILLER1-R（BLK1-R）基因［74]，參與體內(nèi)微量元素硼運(yùn)轉(zhuǎn)的ROTTEN EAR（RTE）基因等［75]。第三，側(cè)生分生組織的產(chǎn)生和向外生長對雄穗分枝的形成及生長至關(guān)重要。此類基因的突變往往造成雄穗分枝表型的變化。如參與生長素（IAA）生物合成的VANISHING TASSEL2（VT2，擬南芥TAA1/TAR的同源基因，催化IAA合成的第一步）［76]、SPARSE INFLORESCENCE1（SPI1，擬南芥YUCCA 的同源基因，編碼IAA合成途徑中的限速酶）［77]，參與生長素的極性運(yùn)輸?shù)腂ARREN INFLORESCENCE2（BIF2，與擬南芥PINOID 同源）［78]，與BIF2互作的BARREN STALK1（BA1）［79]，可以調(diào)節(jié)BA1表達(dá)的BARREN STALK FASTIGIATE1（BAF1）［80]，控制雄穗分枝角度的BRANCH ANGLE DEFECTIVE 1（BAD1）［81]，參與RAMOSA通路（通過調(diào)控側(cè)生分生組織建立來調(diào)控分枝）的RAMOSA1（RA1）［82]、RAMOSA2（RA2）［83]、RAMOSA3（RA3）［84]、RAMOSA ENHANCER LOCUS2（REL2）［85]，受MIR156調(diào)控的SBP-BOX基因UNBRANCHED2（UB2）、UNBRANCHED3（UB3）、TASSELSHEATH4（TSH4）［86-87]，對葉夾角及側(cè)生器官建立起重要作用的LG1、LG2基因［20,88]，以及獨(dú)腳金內(nèi)酯關(guān)鍵信號傳遞因子ZmD53［89]等。這些基因相互之間往往存在著復(fù)雜的調(diào)控關(guān)系，如rel2可加重RAMOSA通路基因（RA1、RA）突變體的表型［85]，RA2可直接結(jié)合TSH4啟動子并轉(zhuǎn)錄抑制其表達(dá)等［17]，ZmD53可以與轉(zhuǎn)錄因子UB3和TSH4互作，抑制UB3和TSH4的轉(zhuǎn)錄激活活性和下游靶基因UB3和TSH4的表達(dá)水平，從而調(diào)控玉米的雄穗分枝數(shù)［89]。第四，開花期基因也可以影響玉米雄穗的發(fā)育。如編碼單子葉植物特異鋅指轉(zhuǎn)錄因子的INDETERMINATE1（ID1）［90]，及與擬南芥FD同源的DELAYED FLOWERING1（DLF1）［91]，兩者都是重要的玉米開花期基因，但都影響雄穗的發(fā)育；異位表達(dá)FT同源的PEBP蛋白編碼基因ZCN1、ZCN2、ZCN3、ZCN4、ZCN5和ZCN6，或過表達(dá)影響玉米開花期和光周期適應(yīng)性的ZmCCT10基因，均可以增加玉米的雄穗分枝數(shù)［92-93]。此外，近年來也有通過反向或群體遺傳學(xué)發(fā)現(xiàn)的一些新的雄穗分枝數(shù)調(diào)控基因，如Zm00001d006055，其EMS突變體表現(xiàn)為雄穗分枝數(shù)減少的表型［94]，但其參與的生物學(xué)過程和分子網(wǎng)絡(luò)還需進(jìn)一步研究。

值得指出的是，玉米雌穗的發(fā)育與雄穗發(fā)育有著相似的過程及調(diào)控基因。許多花序發(fā)育的調(diào)控基因同時(shí)正調(diào)控（或負(fù)調(diào)控）雄穗和雌穗的發(fā)育。如玉米中的生長素合成及運(yùn)輸途徑基因VT2、SPI1、BIF2等，其突變體雌、雄穗都表現(xiàn)為減少分枝或穗行數(shù)的表型，而Ramosa通路基因的突變造成雌、雄穗分枝（或穗行數(shù)）都增多的表型。但有些基因?qū)Υ?、雄穗的發(fā)育有著相對獨(dú)立的調(diào)控作用。玉米SBP-box類基因，UB2、UB3的突變會減少雄穗分枝數(shù)，但顯著的增加雌穗穗行數(shù)［87,95]。玉米育種過程中傾向于選擇小雄穗、大雌穗的材料，因此，對雌、雄穗發(fā)育有相對獨(dú)立或差異調(diào)控作用的基因（如UB2、UB3）對玉米育種的意義可能更大。

3 玉米株高/穗位高遺傳調(diào)控基礎(chǔ)

合理的株高能有效的減少倒伏，利于同化產(chǎn)物向生殖器官的轉(zhuǎn)運(yùn)，利于源庫的平衡和協(xié)調(diào)，極大地利于玉米高產(chǎn)，水稻和小麥中半矮稈育種引起的綠色革命就是很好的例證［96-97]。過高的玉米株高，特別是較高的穗位高，會顯著升高玉米植株的重心，大大增加其倒伏和倒折的概率——有人對株高和倒伏之間的關(guān)系進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，株高和穗位高與倒伏之間的相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.76［98]；而研究表明倒伏一般可降低玉米產(chǎn)量33.8%-62.2%［99-100]，并嚴(yán)重影響機(jī)械化收獲，增加收獲成本和時(shí)間，減少種植者收益58.3%-85.4%，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致絕收和負(fù)收益［100]。此外，合理的株高是提高玉米群體產(chǎn)量的關(guān)鍵。玉米是典型的依靠群體栽培和提高群體產(chǎn)量來增加產(chǎn)出的作物，較高的株高不利于群體內(nèi)的通風(fēng)透光，并會造成群體的冠層較多地吸收環(huán)境中的紅光（600-700 nm），而遠(yuǎn)紅光（700-800 nm）則通過折射和輻射到達(dá)植物的中下層，從而降低群體中的紅光/遠(yuǎn)紅外光比率（R/FR，～0.1-0.2），激發(fā)植株的避蔭反應(yīng)綜合征（shade avoidance responses,SAR）［101]；這原本是玉米自身的一種適應(yīng)性機(jī)制，但卻極不利于人類的玉米生產(chǎn)：會造成更多的同化物用于營養(yǎng)生長而不是生殖生長，直接影響玉米產(chǎn)量，并會導(dǎo)致植株徒長、莖稈變細(xì)、維管束減少、細(xì)胞壁木質(zhì)素纖維素的組成和含量改變、莖稈機(jī)械強(qiáng)度降低，進(jìn)而加重倒伏的發(fā)生［25-28,102]。另外，對玉米育種史的研究還發(fā)現(xiàn)，玉米株高，尤其是穗位高在過去幾十年的育種過程中經(jīng)歷了連續(xù)的、向矮化方向的高強(qiáng)度選擇［12,14,17,19]。足見合理的株高性狀對提高玉米產(chǎn)量的重要性。

玉米株高主要由莖稈的節(jié)數(shù)和不同節(jié)間的長度共同決定。玉米的節(jié)間數(shù)與葉片數(shù)一致，一般玉米有15-24個節(jié)，其中4-6個節(jié)密集在地下部，玉米節(jié)間約從第5節(jié)開始伸長。地上部節(jié)數(shù)因品種不同而不同，一般早熟品種節(jié)數(shù)較少，而晚熟品種節(jié)數(shù)較多。玉米莖的伸長由頂端分生組織（SAM）和居間分生組織的細(xì)胞分裂與伸長聯(lián)合驅(qū)動。一般情況下，節(jié)間數(shù)和節(jié)間長度越小，玉米的株高越低。玉米 SAM 是在胚胎發(fā)生過程中形成的，從授粉后10 d左右開始形成。在玉米中，SAM 是一個圓頂結(jié)構(gòu)，由大約2000個處于胚胎階段的細(xì)胞組成［103]?；诩?xì)胞活性可將SAM分為不同的區(qū)域。在尖端包含一個緩慢分裂的多能干細(xì)胞群，被命名為中央分生區(qū)（CZ），CZ 周圍是外圍分生區(qū)（PZ），細(xì)胞在此處分裂更快，并會產(chǎn)生葉原基和腋生分生組織原基。肋狀分生區(qū)（RZ）位于 CZ 下方，在那里分裂的細(xì)胞將形成莖［103]。一般玉米的節(jié)數(shù)由SAM決定。生長中的玉米節(jié)間從下到上一般可分為4部分：分生區(qū)、伸長區(qū)、過渡區(qū)及成熟區(qū)。分生區(qū)主要由居間分生組織組成，位于莖稈的節(jié)間基部緊鄰莖節(jié)，獨(dú)立于莖尖負(fù)責(zé)節(jié)間的細(xì)胞增殖。伸長區(qū)靠近居間分生組織，該區(qū)細(xì)胞膨大迅速，細(xì)胞的初生壁開始合成。過渡區(qū)緊鄰伸長區(qū)，該區(qū)的細(xì)胞膨脹減慢，細(xì)胞的次生壁開始合成。成熟區(qū)位于玉米節(jié)間的頂端，細(xì)胞膨脹停止，細(xì)胞成熟［104]。玉米株高一般在完成開花授粉后固定。玉米的穗位高一般由最上邊的果穗所著生節(jié)的位次及其下部節(jié)間的長度決定。

為了了解玉米株高/穗位高調(diào)控的遺傳基礎(chǔ)，前人對玉米的高度性狀進(jìn)行過大量的遺傳研究，自然群體中株高/穗位高性狀是由微效多基因調(diào)控的復(fù)雜數(shù)量性狀，目前至少有數(shù)百個株高/穗位高相關(guān)的QTL或GWAS位點(diǎn)被定位到［17-18,105]，但QTL克隆的還非常有限。不過，迄今為止已有較多的株高突變體被克隆，對理解株高/穗位高的遺傳調(diào)控基礎(chǔ)很有幫助（附表1）。

首先，多種植物激素的合成、轉(zhuǎn)運(yùn)和信號相關(guān)基因都對玉米株高具有重要調(diào)控作用。（1）赤霉素（gibberellin, GA）相關(guān)基因是玉米株高的最主要調(diào)控基因。GA相關(guān)基因的應(yīng)用曾引發(fā)世界范圍內(nèi)的綠色革命，其中在這場“革命”中發(fā)揮廣泛作用的基因分別為水稻中的Semi-Dwarf1（SD1，編碼水稻GA合成途徑的關(guān)鍵酶GA20氧化酶）和小麥中的 Reduced height-1（Rht-1編碼GA信號途徑的負(fù)調(diào)控關(guān)鍵因子DELLA蛋白）［96-97,106-107]。但是玉米中GA合成途徑基因突變往往造成株高劇烈改變，影響其育種應(yīng)用：如玉米Anther Ear 1（An1）［108]和Dwarf5（D5）［109]編碼GA生物合成早期步驟的萜烯合酶（terpene synthase，TPS），An2（又名Cpps2）［110]編碼一個Ent-Copalyl Diphosphate合成酶，Dwarf3（D3）［111]編碼GA生物合成步驟中的細(xì)胞色素P450單氧化酶（P450 monooxygenases），Dwarf1（D1，ZmGA3ox2）［112]編碼活性GA生物合成最后的關(guān)鍵GA3氧化酶，其突變都會造成玉米植株的極端矮化。ZmGA20ox3和ZmGA20ox5都編碼GA20氧化酶；最近研究發(fā)現(xiàn)對ZmGA20ox3基因編輯后可以實(shí)現(xiàn)半矮稈降株高的效果［113]。此外，拜耳公司采取不同的策略，通過RNAi技術(shù)在莖稈中特異地抑制ZmGA20ox3和ZmGA20ox5基因的表達(dá)，實(shí)現(xiàn)了培育顯性矮稈玉米［114]。玉米DWARF8（D8）和DWARF9（D9）均編碼DELLA蛋白，當(dāng)其結(jié)構(gòu)域發(fā)生變異時(shí)，植株表現(xiàn)出矮化表型；這類由GA信號傳導(dǎo)途徑中的突變引起的株高變異是無法通過外施GA恢復(fù)正常表型［115-116]。赤霉素的合成調(diào)控在株高調(diào)控中也發(fā)揮重要作用，如轉(zhuǎn)錄因子ZmSPL12可通過調(diào)控D1基因的表達(dá)豐度進(jìn)而影響玉米株高，過表達(dá)ZmSPL12可適度降低玉米株高、顯著增加玉米抗倒伏能力和密植條件下的產(chǎn)量，表現(xiàn)出“類綠色革命基因”的效果［117]。（2）生長素（auxin, IAA）也是影響玉米株高的關(guān)鍵激素。Vanishing Tassel 2（VT2）基因編碼一個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［76]，其突變后玉米植株矮化；SPI1編碼一個生長素合成過程中的限速酶YUUCA［77]，其突變后玉米也嚴(yán)重矮化，并且植株的生殖發(fā)育也受到顯著影響，雄穗和雌穗發(fā)育異常。除了合成，生長素轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因?qū)τ衩字旮咭灿兄匾{(diào)控作用。玉米中的Brachytic2（Br2）基因編碼一個生長素的轉(zhuǎn)運(yùn)載體蛋白P-glycoprotein，其突變后會引起玉米下部節(jié)間中的居間分生組織中生長素的極性運(yùn)輸異常導(dǎo)致植株矮?。?18]；BREVIS PLANT1（BV1）編碼一種肌醇聚磷酸5-磷酸酶，參與玉米生長素運(yùn)輸，其突變體與br2表型相似，表現(xiàn)出玉米植株下部節(jié)間縮短緊湊［119]。ZmPIN1a編碼一種生長素極性運(yùn)輸相關(guān)的PIN蛋白，其過表達(dá)后玉米的株高適度降低、根系更發(fā)達(dá)、抗旱能力增強(qiáng)［120]。（3）油菜素內(nèi)脂（brassinolide, BR）對玉米株高也具有重要調(diào)控作用。ZmDET2（Deetiolated 2，又名Nana Plant1，NA1）編碼類固醇5α-還原酶，被認(rèn)為是油菜素類固醇物質(zhì)生物合成的限速酶，其突變體表現(xiàn)為雄穗雌化和植株矮小等表型［43]。ZmDWF1和ZmDWF4分別和擬南芥中的DWF1和DWF4同源，參與BR合成，突變后株高變矮［44-45]。ZmBRD1（Bromodomaincontaining protein 1）編碼油菜素類固醇C-6氧化酶，是合成油菜素類固醇最后階段的關(guān)鍵酶，其突變體表現(xiàn)為極端矮小、葉片皺縮、雄穗雌化、不能結(jié)實(shí)［46]。（4）獨(dú)腳金內(nèi)酯（strigolactones，SLs）影響玉米株高。玉米CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE8（ZmCCD8）編碼類胡蘿卜素裂解雙加氧酶，在獨(dú)腳金內(nèi)酯的生物合成中起著重要作用，其突變體表現(xiàn)為植株矮小、多分蘗、莖稈變細(xì)等表型［121]。玉米ZmD53是獨(dú)腳金內(nèi)酯的關(guān)鍵信號傳遞因子，在玉米中表達(dá)一個功能獲得型的Zmd53突變蛋白可以顯著降低玉米株高［89]。（5）乙烯（ethylene）也會影響玉米株高。玉米Semi-Dwarf3（SDW3）基因編碼一個乙烯合成關(guān)鍵酶ZmACS7，其突變后玉米植株變矮，且葉夾角變大［50]。

第二，玉米分生組織決定或維持相關(guān)基因?qū)χ旮咭灿兄匾{(diào)控作用。植物中CLAVATA-WUSCHEL（CLV-WUS）反饋調(diào)節(jié)途徑是頂端分生組織維持和發(fā)育的關(guān)鍵調(diào)控回路［122]。玉米THICK TASSEL DWARF 1（TD1）編碼一個擬南芥CLAVATA1的同源蛋白，其突變后，玉米花序頂端膨大變粗、株高變矮［63]。玉米COMPACT PLANT2（CT2）編碼G蛋白復(fù)合體的α亞基（Gα），其參與CLAVATA信號的傳導(dǎo)來影響頂端分生組織的發(fā)育，其突變后玉米株高顯著降低［123]。Dwarf&Irregular Leaf1（DWIL1）編碼一個AP2類轉(zhuǎn)錄因子，在頂端分生組織中高表達(dá)，其突變后玉米葉片變短、有皺紋，節(jié)間縮短，株高降低［124]。玉米BLH12 和BLH14均編碼BLH（BELL1-like homeobox）類的轉(zhuǎn)錄因子，可以與頂端分生組織維持相關(guān)的KN1互作來調(diào)控莖稈和維管系統(tǒng)發(fā)育，其雙突變體的株高顯著降低，莖稈維管束減少［73]。玉米GIF1（Growth Regulating FactorInteracting Factor1）編碼一個與水稻OsGIF1同源的蛋白，參與玉米分生組織的命運(yùn)決定，其突變體的株高顯著降低［64]。

第三，光信號相關(guān)基因?qū)τ衩字旮咭簿哂兄匾{(diào)控作用。光信號是調(diào)控玉米植株發(fā)育的關(guān)鍵信號途徑，玉米中的Elongated Mesocotyl1（ELM1）編碼一個phytochromobilin合成酶，對光敏色素的合成至關(guān)重要，其突變后植株中大多數(shù)的光敏色素缺乏，表現(xiàn)為早花、株高升高的表型［125]。玉米ZmPHYB是調(diào)控避蔭反應(yīng)的關(guān)鍵光敏色素，Zm-PHYB1 和ZmPHYB2同時(shí)突變后，玉米株高顯著降低，但Zmphyb1單突變體株高有所上升［126]；我們前期研究發(fā)現(xiàn)，通過對ZmPHYB1蛋白進(jìn)行Y98F或Y359F改造（將第98位和第359位的酪氨酸改變?yōu)楸奖彼幔蓜?chuàng)制ZmPHYB1蛋白活性增強(qiáng)的遺傳材料，其株高和穗位高顯著降低，避蔭反應(yīng)減弱，有望實(shí)現(xiàn)玉米耐密育種應(yīng)用［127]。玉米ZmPHYC也是避蔭反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)控因子，ZmPHYC1和ZmPHYC2同時(shí)突變后，玉米株高顯著升高，而過表達(dá)ZmPHYC2可顯著降低玉米株高［128]。玉米光敏色素互作因子（phytochrome-interacting factors,PIFs）在避蔭反應(yīng)中也起重要調(diào)控作用［129]。玉米中至少有7個PIF蛋白，分別與擬南芥中參與避蔭反應(yīng)的PIF1、PIF3、PIF4、PIF5同源，并且這些ZmPIFs幾乎都參與了玉米的光信號傳導(dǎo)和避蔭反應(yīng)調(diào)控［130]。其中ZmPIF3.3突變后株高顯著降低，并且其優(yōu)良等位基因型在現(xiàn)代玉米育種過程中受到了顯著的富集選擇［17]。

第四，其他影響玉米株高的基因。玉米TANGLED1（TAN1）編碼一個微管結(jié)合蛋白，參與細(xì)胞骨架的調(diào)控，其突變后玉米株高顯著降低，并且莖葉形態(tài)發(fā)生改變［131]。ZmRPH1編碼另外一種微管結(jié)合蛋白，其可以通過調(diào)節(jié)微管排列參與玉米株高和穗位高的調(diào)控，其過表達(dá)后玉米株高和穗位高顯著降低［132]。qPH7編碼一個NF-YC類轉(zhuǎn)錄因子，可能通過與一個CO-like蛋白和一個包含AP2功能域的蛋白互作來調(diào)控玉米株高［133]。ZmEMF1L1編碼一個與擬南芥EMBRYONIC FLOWER1（EMF1）同源的蛋白，其突變后玉米穗位高升高［18]。Zm00001d011140編碼一個含WD-40功能域的蛋白，其EMS突變體的穗位高顯著降低［94]。ZmPYL10編碼一個ABA的受體蛋白，其突變后玉米株高、穗位高顯著降低，并且其優(yōu)良單倍型在現(xiàn)代玉米育種過程中受到富集選擇［134]。此外，玉米中的SUCROSE EXPORT DEFECTIVE1（SXD1）［135]、ROOTHAIR DEFECTIVE1（RTH1）［136]、CR4［137]、VP8［138]、RS2［139]等基因都可以通過影響玉米的發(fā)育間接地影響玉米株高。

雖然目前已有一些關(guān)鍵株高基因被克隆，但其中大部分基因的突變體往往攜帶一些不利效應(yīng)：分生組織命運(yùn)決定相關(guān)基因突變后往往改變株高的同時(shí)，會造成花器官發(fā)育的改變，不利于高產(chǎn)；而激素途徑相關(guān)基因突變后，往往造成玉米節(jié)間的過分縮短，造成玉米株高的過分降低，大大減小玉米的生物量，減小源的供應(yīng)能力，影響玉米花器官的發(fā)育，也降低庫的容量，極不利于玉米高產(chǎn)，難以應(yīng)用于玉米育種實(shí)踐中。因此，尋找一些新的株高調(diào)控基因或者株高基因的優(yōu)良等位變異是實(shí)現(xiàn)有效玉米株高育種的重要途徑。

4 玉米開花期遺傳調(diào)控基礎(chǔ)

適宜的開花期是決定玉米適應(yīng)現(xiàn)代栽培制度及不同生態(tài)環(huán)境種植、繼而保證其產(chǎn)量供應(yīng)的關(guān)鍵。我國共有6大玉米種植區(qū)，其中北方春播玉米區(qū)和黃淮海平原夏播玉米區(qū)是兩大玉米主產(chǎn)區(qū)。對于北方春播玉米區(qū)，適當(dāng)早花能保證玉米有足夠的時(shí)間進(jìn)行灌漿并避開后期的霜凍，利于高產(chǎn)；對于黃淮海夏播玉米區(qū)，受“一年兩熟”耕作制度的影響，適當(dāng)早花是保證玉米產(chǎn)量和后茬作物正常輪作的關(guān)鍵。此外，研究表明，適當(dāng)早花還有利于降低玉米空桿率和加速籽粒脫水［140]，并且針對玉米開花期基因的改良還有助于玉米根系性狀的改善［141]。對美國和中國不同年代玉米自交系的研究還表明，開花期是玉米育種中重要的選擇性狀，并且早花是近現(xiàn)代中美玉米育種歷程中共同的選擇趨勢［12,14,17]。因此，發(fā)掘控制玉米花期的關(guān)鍵調(diào)控基因、更好地理解玉米花期調(diào)節(jié)機(jī)制，對于改良和培育耐密及適合不同生態(tài)區(qū)種植的玉米新品種至關(guān)重要。

通常情況下，玉米的開花，先要經(jīng)歷從幼齡期向成年期的營養(yǎng)生長時(shí)相轉(zhuǎn)變，然后再從成年期的營養(yǎng)生長通過成花轉(zhuǎn)變進(jìn)入生殖生長階段［142]。其中營養(yǎng)生長的時(shí)相轉(zhuǎn)變（幼齡葉到成熟葉）伴隨著葉型變化、葉及葉鞘表面角質(zhì)層蠟的消失、表皮毛的著生等變化。幼齡葉經(jīng)甲苯胺藍(lán)染色（toluidine blue O staining, TBO）后呈現(xiàn)紅紫色，而成熟葉呈現(xiàn)藍(lán)色。玉米成花轉(zhuǎn)變（即從營養(yǎng)生長階段進(jìn)入生殖生長階段）的典型特征就是頂端分生組織（SAM）開始伸長轉(zhuǎn)變?yōu)榛ㄐ蚍稚M織（IM）［143]。玉米完成成花轉(zhuǎn)變后，IM會逐步分化出BM、SPM、SM、FM等，最終形成完整的花序，完成開花。

鑒于花期對于玉米生產(chǎn)的重要性，前人已對玉米花期的遺傳和分子調(diào)控機(jī)制開展了大量研究。玉米開花期是由多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀［144-145]，目前僅有少數(shù)的玉米開花期基因和數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）被克隆和功能驗(yàn)證。根據(jù)已有報(bào)道，至少有6條信號途徑參與玉米的開花調(diào)控（附表1）：光信號途徑、光周期和生物鐘途徑、自主途徑、GA途徑、年齡途徑和開花整合子［146]。第一，光信號途徑是玉米感受外界環(huán)境信號改變進(jìn)而調(diào)控玉米開花的關(guān)鍵途徑。光敏色素是植物響應(yīng)外界光、溫等環(huán)境信號變化的重要受體，玉米中Elongated Mesocotyl1（ELM1）突變后，玉米中缺乏光敏色素，植株在長日條件下表現(xiàn)為顯著早花［125]。玉米中共有6個光敏色素編碼基因，分別為ZmPHYA1、ZmPHYA2、ZmPHYB1、ZmPHYB1、ZmPHYC1和ZmPHYC2［147]。其中Zmphyb1/Zmphyb2［126]及Zmphyc1/Zmphyc2［128]雙突變體都較野生型在長日條件下顯著早花，ZmPHYB1和ZmPHYB2在開花期調(diào)控方面還存在一定的功能分化［126]，ZmPHYB2的啟動子區(qū)存在可提高其表達(dá)量進(jìn)而促進(jìn)玉米早花的優(yōu)良單倍型，該單倍型在現(xiàn)代玉米育種過程中受到選擇［134,148]。第二，光周期和生物鐘途徑是調(diào)控玉米開花期和光周期敏感性的核心途徑。玉米中被報(bào)道的生物鐘相關(guān)基因主要有ZmCCA1、ZmLHY、ZmPRR7、ZmPRR73、Zm-PRR37、ZmPRR59、ZmTOC1a、ZmTOC1b、Zm-GI1a、ZmGI1b、ZmELF3.1、ZmELF3.2、Zm-LUX1、ZmLUX2、ZmLUX3、ZmLUX4、ZmELF4.1、ZmELF4.2、ZmCONZ1、ZmCOL3、ZmCCT9、ZmCCT10、ZmNF-YA3、ZmNF-YC2等［145-146,149-159]。其中對玉米的生態(tài)適應(yīng)性擴(kuò)展起關(guān)鍵調(diào)控作用的基因是ZmCCT9［155]、ZmCCT10（水稻光周期響應(yīng)調(diào)控因子Ghd7的同源基因）［152,154]和ZmELF3.1［158]，它們在LD和SD條件下都呈現(xiàn)出明顯的節(jié)律表達(dá)，其中ZmCCT9和ZmCCT10受選擇的等位基因在SD條件下節(jié)律表達(dá)的幅度顯著下降，從而降低了玉米的光周期敏感性；有意思的是，這3個基因的選擇都是通過對啟動子區(qū)的變異進(jìn)行選擇而實(shí)現(xiàn)的：ZmCCT9基因上游57 kb處的一個Harbinger-like元件、ZmCCT10基因上游2.5 kb處一個CACTA-like轉(zhuǎn)座子和ZmELF3.1 上游兩個連鎖的轉(zhuǎn)座子在玉米溫帶適應(yīng)過程中受到選擇［152,154-155,158]。第三，自主途徑在調(diào)控玉米開花過程中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。ID1是玉米自主開花途徑重要成分之一，編碼一個高等植物特異的鋅指蛋白，在成花物質(zhì)從葉片向頂端分生組織運(yùn)輸?shù)倪^程中起重要作用，其突變會嚴(yán)重推遲玉米開花［90]。VGT1位于一個2 kb的保守非編碼區(qū)，作用于下游的AP2-like的轉(zhuǎn)錄因子——ZmRAP2.7，進(jìn)而調(diào)控玉米開花［160]。此外，玉米中的ZmMADS69可通過下調(diào)ZmRAP2.7的表達(dá)，從而解除其對成花素基因ZCN8的抑制，進(jìn)而促進(jìn)玉米開花，并且可能在玉米由熱帶向溫帶的適應(yīng)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用［161]。第四，GA途徑也對玉米開花具有重要調(diào)控作用。玉米中GA合成通路關(guān)鍵基因DWARF1、DWARF3、DWARF5和AN1可通過調(diào)控體內(nèi)GA含量，進(jìn)而影響玉米營養(yǎng)生長時(shí)相轉(zhuǎn)變和開花期［162]。此外，玉米中的DWARF8（D8）和DWARF9（D9）是一對同源基因，均編碼DELLA蛋白，在GA信號傳遞過程中發(fā)揮重要作用［116]；雖然D8基因及其附近的自然變異在調(diào)控玉米開花方面的功能存在爭議［163-164]，但DWARF9突變后表現(xiàn)出顯著的晚花［116]。第五，年齡途徑主要通過對玉米營養(yǎng)生長時(shí)相轉(zhuǎn)變的調(diào)控來影響玉米開花。營養(yǎng)生長的時(shí)相轉(zhuǎn)變是指植物從幼齡期向成年期營養(yǎng)生長的轉(zhuǎn)變，其早晚對玉米成花至關(guān)重要［142,165]。植物營養(yǎng)生長時(shí)相轉(zhuǎn)變調(diào)控過程中，miR156和miR172是一對調(diào)控功能相反的小RNA，miR172具有正調(diào)控營養(yǎng)生長時(shí)相轉(zhuǎn)變的功能［166]，而miR156是玉米營養(yǎng)生長的時(shí)相轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵負(fù)調(diào)控因子［167]。玉米Corngrass1（Cg1）突變體中ZmMIR156B和ZmMIR156C表達(dá)量顯著上調(diào)，表現(xiàn)為幼齡葉增加、營養(yǎng)生長的時(shí)相轉(zhuǎn)變和開花推遲等表型，且Cg1突變體中多個miR172的表達(dá)豐度均顯著降低［167]。Gloosy15（Gl15）基因編碼一個APETALA2（AP2）類轉(zhuǎn)錄因子，能被miR172靶向剪切，是營養(yǎng)生長時(shí)相轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵負(fù)調(diào)控因子，GL15過表達(dá)后玉米營養(yǎng)生長時(shí)相轉(zhuǎn)變和開花推遲［168]，其自然變異在玉米馴化過程中受到顯著選擇［169]。我們最近研究發(fā)現(xiàn)，ZmSPL13和ZmSPL29也是玉米營養(yǎng)生長時(shí)相轉(zhuǎn)變和開花的關(guān)鍵調(diào)控因子；在葉片中，ZmSPL13和ZmSPL29不僅能通過轉(zhuǎn)錄激活ZmMIR172C來抑制Gl15的轉(zhuǎn)錄本豐度進(jìn)而促進(jìn)玉米提早進(jìn)行營養(yǎng)生長時(shí)相轉(zhuǎn)變，還能直接激活成花素基因ZCN8的表達(dá)來誘導(dǎo)玉米開花；在莖尖分生組織中，ZmSPL13和ZmSPL29能特異性結(jié)合在花器官發(fā)育基因ZMM3/4的啟動子上，促進(jìn)二者的表達(dá)，誘導(dǎo)玉米成花轉(zhuǎn)變［170]。第六，信號整合因子是玉米開花的核心調(diào)控樞紐。ZCN8、ZCN7及ZCN12（擬南芥FT、水稻Hd3a和RFT1的同源基因）是玉米中的成花素基因，是玉米開花過程中關(guān)鍵的信號整合者和開花促進(jìn)因子［143,171-173]；其中ZCN8是最主要的成花素基因［143,173]，并且其啟動子區(qū)的兩個功能變異SNP-1245和InDel-2339對玉米馴化和向高緯度地區(qū)擴(kuò)張過程至關(guān)重要［174]。DLF1基因編碼一個與擬南芥FD同源的蛋白，可與玉米的成花素蛋白ZCN8互作，并且在調(diào)控開花方面與擬南芥中的同源基因具有功能保守性，其突變會顯著的推遲玉米開花，是一個開花激活子［91]。擬南芥中SOC1的同源基因ZmMADS1也是一個重要的開花激活子，其RNAi轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)為晚花，而其過表達(dá)后則早花［175]。ZMM4是另一個重要的開花信號整合者，編碼一個MADS-box轉(zhuǎn)錄因子，過表達(dá)之會使玉米開花期提早，并且表達(dá)分析顯示其作用于ID1、ZCN8和DLF1的下游［176]。ZFL1和ZFL2是重要的花器官發(fā)育調(diào)控因子，也是重要的開花整合因子，其各自單突變體都表現(xiàn)為顯著早花，ZFL1和ZFL2之間存在部分功能冗余［65-66]。此外，玉米產(chǎn)量性狀重要調(diào)控基因KERNEL NUMBER PER ROW6（KNR6）也具有重要的開花期調(diào)控功能，并在玉米的開花適應(yīng)和產(chǎn)量平衡方面發(fā)揮重要作用［177]。

基于前期的研究結(jié)果，Dong等［146]提出了一個玉米花期調(diào)控的遺傳網(wǎng)絡(luò)。但目前為止，總體來講，玉米中克隆的花期基因遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于模式植物擬南芥（擬南芥至少有306個基因參與了植物不同途徑的開花調(diào)節(jié)過程［178-179]），也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于重要單子葉植物水稻；且玉米花期調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的建立還相對滯后，是未來需要進(jìn)一步加強(qiáng)的方向。

5 討論和展望

隨著世界人口的不斷增長，到21世紀(jì)中葉，世界范圍內(nèi)的糧食產(chǎn)量需要翻一倍才能保證世界范圍內(nèi)的糧食安全［180-183]。而耕地的有限性，迫使我們必須將提高單位面積產(chǎn)量作為最主要的糧食生產(chǎn)策略。玉米作為生產(chǎn)能力最強(qiáng)的谷物作物，其單產(chǎn)的進(jìn)一步提升對保證世界糧食安全意義重大。玉米的育種歷史及長期的生產(chǎn)實(shí)踐表明，提高種植密度是提高玉米產(chǎn)量的最主要途徑。而如今即使是玉米生產(chǎn)最先進(jìn)的美國，玉米的種植密度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到極限，我國玉米的種植密度更是只有美國的～60%［2,184]。因此，進(jìn)一步改良品種耐密性、提高玉米種植密度是當(dāng)前及未來很長一段時(shí)間我們需要努力的方向。

玉米耐密性實(shí)際上是由多種子性狀組成的復(fù)合性狀。對現(xiàn)代玉米耐密過程中的遺傳規(guī)律進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，除了本文所述的4類株型和形態(tài)學(xué)性狀外，一些生物和非生物脅迫、光信號及跟一些生理過程顯著相關(guān)的植物激素相關(guān)基因，在玉米耐密育種過程中都受到了選擇［17-18,185]，這也與已經(jīng)報(bào)道的近現(xiàn)代的玉米品種表現(xiàn)出在高密度條件下更好地對病蟲及非生物脅迫的抗性的結(jié)論相一致［6]。因此，生物和非生物脅迫等生理過程調(diào)控基因，雖然沒有在本文中總結(jié)，但可能對耐密改良意義重大。然而，目前已有的多項(xiàng)研究也表明，單獨(dú)對株型進(jìn)行改良實(shí)際上也可以直接提升玉米耐密性［24]，如通過嚴(yán)格的田間密度實(shí)驗(yàn)證明，玉米UPA2、ZmSPL12等單基因改良即具備提升玉米耐密性的應(yīng)用潛力［36,117]。

本文重點(diǎn)綜述的4類形態(tài)學(xué)性狀，都是多基因調(diào)控的復(fù)雜數(shù)量性狀，盡管已有較多的基因被克隆、部分性狀的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立、部分關(guān)鍵基因的功能自然變異也有發(fā)掘，但鑒于這些性狀的重要性，要真正地理解這些性狀的遺傳基礎(chǔ)、實(shí)現(xiàn)真正地玉米耐密育種，依然有幾個方面的努力需要加強(qiáng)，也有幾方面的策略可能予以助力：

第一，耐密株型（或形態(tài)學(xué)）性狀新基因的挖掘需加強(qiáng)。相對于所述株型性狀的復(fù)雜性，目前克隆的基因規(guī)模和數(shù)量還相對有限，為了加強(qiáng)對這些性狀遺傳調(diào)控基礎(chǔ)的理解，更好地進(jìn)行玉米耐密株型分子設(shè)計(jì)育種，亟需進(jìn)一步加強(qiáng)這些株型性狀的新基因挖掘。

第二，基于關(guān)鍵基因的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究是將來的研究重點(diǎn)。當(dāng)前所發(fā)掘的基因，有相當(dāng)一部分是針對單個基因功能的研究，其在整個性狀調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的定位不明及對深化性狀遺傳基礎(chǔ)的理解作用有限。如今，發(fā)掘新基因的同時(shí)，將其放在既有的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)或建立其本身的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)成為發(fā)展的趨勢，這也是真正實(shí)現(xiàn)玉米耐密分子設(shè)計(jì)育種所必須的。

第三，關(guān)鍵育種價(jià)值基因的發(fā)掘是未來的重中之重。植物基因組中的諸多基因是個有機(jī)的整體，幾乎沒有基因是單獨(dú)行使功能的。現(xiàn)代生物組學(xué)分析的發(fā)展證明，基因組中單單一個基因的改變，往往就會造成數(shù)以千計(jì)的基因的表達(dá)變化［186]。因此，大多數(shù)基因影響一個性狀的同時(shí)往往也會帶來一些其他效應(yīng)，并且大多數(shù)情況下，是不良的效應(yīng)。但大量的研究實(shí)踐也表明，確實(shí)存在一些相對特異地改變某一性狀的基因，或能同時(shí)帶來多種優(yōu)良效應(yīng)的基因。性狀特異調(diào)控基因中典型的例子有：特異調(diào)控玉米葉夾角的UPA2基因/位點(diǎn)［36]，特異調(diào)控玉米果穗穗行數(shù)的KNR2［187]等。而一因多效基因中典型的例子有玉米中的ZMM28［188]，水稻中的IPA1［189-192]、OsDREB1C［193]等。這些成功的例子也預(yù)示著玉米中可能存在著更多的性狀特異或者一因多“優(yōu)效”的基因，而這些基因往往可能是具有重大育種價(jià)值的基因，這些基因的發(fā)掘是我們未來玉米耐密生物育種的重中之重。

第四，關(guān)鍵基因的功能自然變異位點(diǎn)的挖掘和鑒定是未來發(fā)展的重要方向。目前所克隆基因多是通過突變體或反向遺傳學(xué)獲得，許多基因的突變體多變?yōu)闃O端表型，或易帶來部分不利的性狀，難以實(shí)現(xiàn)育種應(yīng)用。大量的報(bào)道表明，一些基因mRNA表達(dá)量、蛋白豐度或蛋白功能域上的微調(diào)可以實(shí)現(xiàn)類似數(shù)量性狀的改良［194]，并且往往較少帶來不利效應(yīng)。譬如，玉米株高調(diào)控基因Br2最后一個外顯子上的弱突變可以起到微調(diào)玉米株高的作用，成為qph1［195]和qpa1［49]等株高QTL位點(diǎn)的功能變異；重力響應(yīng)過程關(guān)鍵基因ZmLAZY1的表達(dá)量變化可起到微調(diào)葉夾角的作用，成為葉夾角QTL qCLA4的遺傳原因［51]；ZmRAVL1上游調(diào)控區(qū)的變異也會造成其表達(dá)變化，從而微調(diào)玉米葉夾角，成為UPA2的功能變異［36]；TSH4基因啟動子區(qū)的一個SNP的變異可以打破RA2對其轉(zhuǎn)錄抑制，從而起到微調(diào)雄穗分枝數(shù)的效果［17]；ZmCCT9［155]、ZmCCT10［152,154]、ZCN8［174]和ZmELF3.1［158]啟動子區(qū)的序列變異（轉(zhuǎn)座子、InDel插入或SNP變異）會造成其表達(dá)量變化，從而微調(diào)玉米開花期或光周期敏感性；這些功能變異幾乎都沒有顯著的不良效應(yīng)，具有重要的生產(chǎn)應(yīng)用潛力，但目前此類功能變異的挖掘還非常有限。文中所述4類性狀都是多基因調(diào)控的復(fù)雜數(shù)量性狀，因此，通過對關(guān)鍵基因的數(shù)量性狀功能變異位點(diǎn)的挖掘和應(yīng)用從而實(shí)現(xiàn)耐密性狀的有效改良，是未來亟需拓展的重要方向。

第五，關(guān)鍵基因的分子設(shè)計(jì)是未來的重要方向。當(dāng)前，隨著基因編輯、合成生物學(xué)、人工智能等前沿技術(shù)的發(fā)展，通過對一些核心功能基因進(jìn)行人為改造或分子設(shè)計(jì)有望實(shí)現(xiàn)數(shù)量變化、人為可控，或者比自然變異更優(yōu)的育種性狀改良。當(dāng)前已經(jīng)有較多成功的例子。譬如，通過對番茄、水稻和玉米基因的啟動子區(qū)進(jìn)行基因編輯，可實(shí)現(xiàn)對其產(chǎn)量特性進(jìn)行類似數(shù)量性狀的連續(xù)人工改良［196-198]；通過基因編輯對水稻理想株型基因IPA1啟動子區(qū)進(jìn)行飽和突變，可人工創(chuàng)制能解決每穗粒數(shù)和分蘗數(shù)之間平衡的超級優(yōu)良變異［199]；通過對小麥白粉病感病基因MLO進(jìn)行基因編輯，可人工創(chuàng)制Tamlo-R32突變，實(shí)現(xiàn)抗病和產(chǎn)量的雙贏［200]；拜耳公司通過RNAi技術(shù)特異抑制GA合成基因ZmGA20ox3和ZmGA20ox5在玉米莖稈中的表達(dá)，創(chuàng)制了顯性矮稈玉米材料［114]；本實(shí)驗(yàn)室前期通過對ZmPHYB1進(jìn)行Y98F和Y359F改造（將第98位和第359位的酪氨酸改變?yōu)楸奖彼幔瑒?chuàng)制了株高和穗位高顯著降低、避蔭反應(yīng)減弱的玉米材料［127]等。新技術(shù)的發(fā)展，給我們提供了諸多新的改良策略和機(jī)會，基于新基因或既有基因，通過新技術(shù)的融合和巧妙的設(shè)計(jì)，有望創(chuàng)制出自然界中不存在的優(yōu)良變異，或達(dá)到自然變異不可能實(shí)現(xiàn)的改良效果，對于復(fù)雜的耐密改良，這無疑是一條有效的“潛力”之道。

第六，基于多位點(diǎn)選擇的全基因組選擇技術(shù)（genomic selection, GS）［201]是實(shí)現(xiàn)玉米耐密改良的高效途徑。我們前期的研究表明，現(xiàn)代玉米耐密育種過程中，關(guān)鍵耐密相關(guān)性狀幾乎都是通過多個位點(diǎn)的有利等位基因同時(shí)富集而達(dá)到性狀改良的目的［17-18]。因此，對于耐密育種而言，針對多位點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行選擇的GS技術(shù)可能是最好的性狀改良策略。然而，由于玉米耐密的復(fù)雜性，真正可用于玉米耐密改良的GS技術(shù)目前還未見報(bào)道，是將來亟需要突破的方向。

整體上，盡管玉米耐密非常復(fù)雜，但近年來其遺傳基礎(chǔ)研究進(jìn)展迅猛，未來進(jìn)一步研究和整合耐密育種規(guī)律、關(guān)鍵基因、前沿技術(shù)，開發(fā)綜合高效的玉米耐密育種體系是重要的玉米耐密改良策略，也是必然的趨勢。

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