胡伊娃 陳露

（浙江大學農業(yè)與生物技術學院作物科學研究所，杭州 310058）

玉米（Zea mays ssp.mays）的野生近緣種，被統(tǒng)稱為大芻草（teosinte）。大芻草主要包括5 個種，7 個亞分類群，具體可以分為小穎大芻草（Zea mays ssp.parviglumis, 下述parviglumis； Zea mays ssp.hue?huetenangensis，下述huehuetenangensis），墨西哥大芻草（Zea mays ssp.mexicana，下述mexicana），多年生大芻草（Zea diploperennis，下述diploperennis），四倍體多年生大芻草（Zea perennis，下述perennis），繁茂大芻草（Zea luxurians，下述luxurians），尼加拉 瓜 大 芻 草（Zea nicaraguensis，下 述nicaraguen?sis）［1-4］。這7 種大芻草和栽培玉米一起，構成了玉蜀黍屬（Zea genus）。據報道，目前僅有多年生大芻草perennis 是四倍體，其他的大芻草和栽培玉米都是二倍體，擁有10 對染色體［5-6］。雖然僅分布在墨西哥和中美洲這一狹小的地域，但大芻草擁有對多種環(huán)境的適應能力，在炎熱潮濕的低地、溫暖干旱的山谷等地域都可以生存［7-8］。如nicaraguensis 和luxurains 可以適應頻繁的降雨天氣，并進化出了獨特的抗?jié)承誀钊绺低饨M織［9］。mexicana 可以生活在海拔2 500 米以上的高原地區(qū)，極端地耐寒冷和干旱。huehuetenangensis 高達5 米以上，生物量巨大。而多年生大芻草perennis 和diploperennis 則擁有玉蜀黍屬其他物種不具備的抗性，如對獨角金屬植物（Striga ssp.）的抗性［10］。

自～9 000 年前，從來自墨西哥西南部巴爾薩斯河流域的parviglumis 中馴化之后，玉米一直被認為是馴化得最為完全的作物［11-13］。在快速的馴化過程中，玉米不僅在形態(tài)和生殖器官上與大芻草發(fā)生了巨大的分化，在分子水平上也發(fā)生了明顯的變化［14-16］。由于馴化瓶頸的作用，現代玉米已經丟失了大量的遺傳多樣性，包括大量對生物和非生物脅迫的抗性基因，缺乏應對氣候變化的有利突變［8,17-18］。對大芻草的深入認知，挖掘大芻草中的有益位點，是未來氣候變化下保證玉米穩(wěn)定生產的關鍵途徑之一。本文主要綜述了大芻草的基因組進化、數量遺傳學、群體遺傳學等方面的研究進展，同時對大芻草在未來玉米遺傳育種中的應用進行了展望。

1 玉蜀黍屬的演化歷史

1.1 栽培玉米的起源

作為重要的經濟作物和遺傳學研究的模式物種之一，栽培玉米的起源一直是人們所關注的內容［19-20］。由于獨特的形態(tài)特征，林奈最早在1753年將栽培玉米單獨分成一個屬。隨著對大芻草的形態(tài)學、細胞學觀察，以及與不同物種的雜交實驗等，科學家們在上個世紀的百年間對玉米起源于哪個地方、在何時、由哪種物種進化等問題提出了諸多的猜想。最具代表性的觀點是以Mangelsdorf 為代表的雜交起源和以Beadle 為代表的單組起源［11,21-28］。具體包括：大芻草來自玉米和摩擦禾的自然雜交事件；新類型的玉米直接或間接來自于玉米和大芻草的雜交后代；栽培玉米起源于一種野生的爆裂玉米；玉米來自對野生大芻草mexicana 的逐漸選擇；玉米來源于大芻草的瞬間革命性的變化。

隨后，基于考古學、染色質結的組成、5S/45S rDNA 等比較結果，科學家們確認了玉米起源于一年 生 大 芻 草parviglumis 或mexicana［29-31］。在 這 個時期，由于玉米和不同大芻草之間可以自由的雜交，且雜交后代在很多種情況下都是可育的，在玉米起源的具體大芻草類型上仍然存在一定的爭論［25,28,32-34］。此外，墨西哥本地玉米主要與mexicana 生活在相同的地域，在很長的一段時間里，科學家們更傾向mexicana 是玉米的直系祖先，許多的比較分析實驗也是以mexicana 作為對照。直到2002 年，Matsuoka 等［12］利用99 個微衛(wèi)星標記，對193 份廣泛分布的玉米、33 份mexicana、34 份parviglumis 和4 份huehuetenangensis（作為外群）的系統(tǒng)發(fā)育關系進行了詳細分析，證實了現代玉米單一起源于parviglumis。隨著玉米考古學的進展、分子標記的增多，研究者發(fā)現玉米在沒有被完全馴化之前，半馴化的本地種就已經引入了北美洲各地，再經亞馬遜西南部的二次改良之后，逐漸擴散到南美洲［35］。在這個擴散的過程中，栽培玉米與mexicana 發(fā)生著持續(xù)的基因滲透［36-39］，二者可能在距今6 000 年前發(fā)生了一次雜交事件，進一步豐富了玉米的遺傳多樣性，促進了玉米向其他地域的傳播［40］，最終使得玉米遍布全球。

1.2 大芻草的系統(tǒng)發(fā)育關系

大芻草的正式分類始于1980 年，Iltis 和Doebely 根據大芻草的地理分布、形態(tài)特征、細胞學觀察等，將大芻草劃分成了兩組：繁茂組（Sect.Luxuriantes）和玉蜀黍組（Sect.Zea）。繁茂組中包括luxurians、perennis 和diploperennis，玉蜀黍組中包 括huehuetenangensis、mexicana、parviglumis 和 栽培玉米［1］。隨著分子生物學的發(fā)展及其他大芻草（如nicaraguensis）的發(fā)現，研究者又利用同工酶、葉綠體DNA、微衛(wèi)星標記、少量的SNPs 等，對大芻草的系統(tǒng)發(fā)育關系進行了詳細的推測［8,41-43］。例如，在基于93 個微衛(wèi)星標記，237 份大芻草的研究中，Doebley 等［4］發(fā)現nicaraguensis 與luxurians 的距離最近，且luxurians 與多年生大芻草（diploperennis、perennis）是作為姐妹種存在的。而在利用1 000 個SNPs 標記，對大芻草的系統(tǒng)發(fā)育關系進行分析時，則將多年生大芻草（perennis、diploperennis）與抗?jié)炒笃c草（nicaraguensis、luxurians）放置在了不同分枝上，并認為抗?jié)炒笃c草最先與摩擦禾分化［2］。隨著測序技術的進展，通過對237 份大芻草（包括所有的已知亞群）的全基因組深度重測序（～20x），研究者確定了抗?jié)炒笃c草luxurians 最早分化出來，隨后才是多年生大芻草的分化。此外，對不同大芻草分化時間的推斷顯示，luxurians 和perennis 的分化時間非常近，這也解釋了為什么基于低密度標記進行大芻草系統(tǒng)發(fā)育的推斷時，不同的研究結果存在一定的差異［44］。

2 大芻草與玉米的差異

2.1 大芻草與玉米的性狀差異

成熟大芻草和玉米之間的形態(tài)差異巨大，在側枝數、分蘗數、每株穗數、每穗粒數和籽粒大小等性狀方面都顯示出強烈的人工選擇效應［45-47］。在地上部分，大芻草具有多個分枝且葉片較窄，而玉米則只有一個主枝。在雌性花序上，玉米擁有都會發(fā)育成功的成對小穗，而大芻草中的第二個小穗則不會發(fā)育。此外，大芻草的雌穗只有兩行，玉米則擁有多行排列的雌穗。在籽粒上，玉米的籽粒附著在粗壯的軸上，但是大芻草的籽粒則附著在脆弱的小梗上。而且，大芻草的每一個籽粒都由堅硬的外層穎片所包裹，但是玉米的籽粒則裸露在苞葉之下［45］。這些性狀的變化也使得大芻草從野生的自我繁殖狀態(tài)變成了需要人類維護的作物。除了對籽粒大小的改良，馴化也對籽粒的組成成分進行了選擇。雖然大芻草的籽粒較小，但是其蛋白、油分含量都比玉米更高［17］。除了上述地上性狀之外，在對玉米和大芻草地下根系性狀（在水分、營養(yǎng)元素的吸收上起著重要作用）進行觀察時發(fā)現，大芻草側根的分枝、種子根更少，中柱和維管束的面積更?。?8-49］，根系微生物成分也與玉米不同［50］。

作物的馴化過程不但改變了植物自身，也改變了作物與昆蟲、病原菌等之間的互作關系。例如，對大芻草（parviglumis, mexicana）、墨西哥玉米、美洲玉米材料上的1 088 份Ustilago maydis（玉米黑穗病菌，一種玉米的專性真菌病原體）菌株個體進行群體結構分析時發(fā)現，大芻草與玉米擁有不同的U.maydis 類群［51］。對大芻草和玉米籽粒中的內生菌（生活在植物體內的非病原微生物）進行分離也發(fā)現，兩者籽粒中內生菌的類型也不同［52］。此外，馴化過程也改變了玉米受到節(jié)肢食草動物攻擊時候的響應。研究顯示，歐洲玉米在受到Diabrotica virgifera 害蟲（入侵歐洲的玉米害蟲）幼蟲捕食的時候，其地下部分會釋放一種植物信號E-β 石竹烯，該信號會吸引一種昆蟲病原線蟲，以此來抵御D.virgifera 的攻擊。這種信號在大芻草和歐洲玉米中都會釋放，但在美洲玉米中則不會被釋放［53］。

2.2 大芻草與玉米的基因組差異

理解物種間的差異對于作物改良具有重要意義。在植物中，存在多種導致遺傳多樣性的變異機制。如點突變、結構變異、拷貝數變異、插入和缺失變異等［54］。此外，DNA 甲基化也會獨立于基因組突變，影響植物的性狀［55-56］。了解玉米與大芻草在基因組、轉錄組、表觀組等多個方面的差異，對于形態(tài)學性狀、抗性、適應性等位點的挖掘具有重要作用。轉座子是導致結構變異的重要因子，其可以插入到基因組的各個地方，影響基因表達和性狀的改變［57-58］。在玉米基因組上，85%以上的序列都是轉座子［59-60］，這些轉座子不但影響著玉米和大芻草的基因組大?。?1-62］，也貢獻于玉米的性狀變化［63-64］。早在20 世紀90 年代，研究者們就探索特定基因附近功能性轉座子在玉米和大芻草中的差異發(fā)現，LINE 轉 座 子［65］、Bg 轉 座 子［66］、Hbr?hm1 轉 座 子在玉米和大芻草上的拷貝數差不多，但是Mu 轉座子、LTR 轉座子在大芻草和玉米上的差別則十分大［67-68］。近期基于重測序的研究結果也發(fā)現，大芻草和現代玉米在不同轉座子的構成上具有顯著差異。例如，Zea mays 中的T3 反轉錄轉座子含量較其他玉蜀黍屬物種顯著降低，多年生大芻草diploperennis 和perennis 中則DNA 轉座子升高［44］。除了轉座子序列本身的差異之外，玉米和大芻草轉座子的甲基化模式也存在明顯的差異［69］。

除了轉座子之外，其他類型的變異也在大芻草的環(huán)境適應性中起著重要作用。在結構變異上，對大芻草（mexicana）和玉米F1雜交后代的重組比例進行分析時發(fā)現，有些染色體上的重組比例非常低［32］，如9 號染色體的末端，Beadle 猜測這個區(qū)域可能是倒位［26］。后續(xù)的細胞學觀察［70-72］、群體標記的分析研究也表明，mexicana 和現代玉米相比確實在9 號染色體上存在超過20 Mb 的倒位。且這個倒位在mexicana 的開花、高原土壤等的適應上都起著重要作用［44,72-74］。在基因上，雖然大芻草和玉米95%左右的基因都是保守存在的［75］，但是馴化過程影響了基因之間表達及互作關系［14］、改變了其長鏈非編碼RNA［76］和miRNA 的演化模式［77］，減少了玉米基因組中的調控元件［78］、使得玉米在面對環(huán)境脅迫時的可塑性更低［79］。

3 大芻草在玉米遺傳學上的應用

3.1 玉米表型變異數量性狀位點的鑒定

玉米從其野生祖先的馴化是進行作物馴化、基因組進化、對選擇響應研究的模式系統(tǒng)。Beadle 和Doebley 等也基于雜交實驗發(fā)現，玉米在馴化過程中主要有5（6）個基因作用［80-82］。具體包括1 號染色體長臂上與植株形態(tài)相關的數量性狀控制位點（quantitative trait loci, QTL; tb1），2 號染色體短臂上與雌穗的行數相關的QTL（zfl2），4 號染色體上與穎殼相關的QTL（tga1），1 號染色體短臂、3 號長臂、5 號長臂上與多種性狀相關的QTLs［46］。為了探索玉米馴化及表型變異的遺傳調控機制，Doebley 和Stec 在1991 年將玉米農家種與mexicana 進行雜交，通過調查F2群體的12 種形態(tài)學相關性狀（如落粒性、分枝數、穎殼硬度等），獲得了64 個控制這些性狀的數量性狀位點［83］。隨后的30 年間，研究者也通過雜交不同的玉米自交系與大芻草（主要是parviglumis），構建F2群體或回交（back cross, BC）群體，對植株形態(tài)、雌穗形態(tài)、雄穗形態(tài)、籽粒組成成分、籽粒形態(tài)、開花期、根系數目與解剖結構、抗?jié)?、多年生、病害等相關性狀等進行了QTL 定位（表1），獲得了超過1 600 個QTL 位點，為玉米性狀變異分子基礎的解析打下了良好的基礎。

除了使用傳統(tǒng)的QTL 定位方法，即自上而下方法（top?down approach），從表型出發(fā)，通過構建分離群體鑒定調控表型變異的關鍵基因之外。近年來也有很多研究，采用了自下而上的策略（bottom?up approach），利用大芻草野生群體的多樣性，通過群體基因組掃描鑒定具有選擇信號的區(qū)域，并結合轉基因與功能注釋的方法，挖掘大芻草中與馴化、適應性等表型相關的關鍵位點［36-38,44,111-113］。

3.2 玉米表型變異關鍵基因鑒定

為了利用玉米-大芻草群體挖掘調控玉米表型變異的關鍵基因，研究者還對具體性狀所在的QTL進行了進一步的精細定位（表2）?；谶@種策略，Doebley 等［114］在1995 年成功定位到了可以抑制側枝生長的tb1（teosinte branched1）基因，并在之后發(fā)現tb1 的功能位點是位于該基因上游58.7-69.5 kb范圍內的 Hopscotch 轉座子［63］。由于Hopscotch 的插入，玉米得以從大芻草的多分枝變成只有一個主枝。針對玉米和大芻草的形態(tài)學差異，后續(xù)Doebley團隊又克隆到了控制籽粒裸露的tga1（teosinte glume architecture）［115］，控制繁殖率的gt1（grassy tillers1）［116］以及控制開花的zgal1（Zea Agamous?like）［117］、ZmCCT10［118］。同時，田豐團隊克隆到了控制營養(yǎng)生長轉換的gl15（glossy15）［119］以及控制葉夾角的UPA1（Upright Plant Architecture1）和UPA2［120］，楊小紅團隊克隆到了控制穗行數的KRN2（kernel row number2）［121］。針對開花期相關性狀，田豐團隊也克隆了控制開花期的ZCN8（Zea mays CENTRORADIALIS8）［122］、ZmMADS69（MADS?box transcription factor69）［123］和ZmCCT9［64］。另外，越來越多的研究也發(fā)現了可用于現代玉米遺傳改良的、大芻草中的優(yōu)異等位基因，如控制籽粒中蛋白質含量的TPH9［124］、醇溶蛋白的pbf1（prolamin?box binding factor1）［125］、控制類胡蘿卜素的DXS2［126］，控制K+穩(wěn)態(tài)的ZmHKT2［127］，具有廣譜抗病性的ZmMM1［128］。

表2 玉米-大芻草群體精細定位到的關鍵基因Table 2 Fine-mapped key genes in maize-teosinte population

4 展望

栽培玉米狹窄的遺傳基礎是制約高產、抗性玉米新品種選育的重要因素［129］。大芻草可以作為重要的遺傳資源，使得育種家能通過引入近緣物種的等位基因來改良現代玉米［130］。然而，當前對大芻草遺傳多樣性的挖掘，主要集中在玉米直系祖先parviglumis 及其姐妹種mexicana 上的幾個有限單株上，對大芻草全部遺傳多樣性的利用還非常滯后。隨著一些大芻草親本定位群體的開發(fā)，這個問題可能會有一定的改善［88］。此外，目前對其他大芻草特性的認知仍然非常少，極大地忽略了其他大芻草在玉米遺傳學、農業(yè)生產實踐上的潛在應用價值。例如，diploperennis 具有超強的體細胞再生能力［131］，luxurians 可以作為良好的青貯飼料［132］。更重要的是，進一步的野外考察又報道了一些新的、形態(tài)和分布上與上述7 個大芻草具有顯著差異的物種。例如2011 年于墨西哥的Nayarit、Michoacan、Oaxaca發(fā)現的3 種大芻草［133］，2013 年于哥斯達黎加的Murcielago 群島上發(fā)現的Zea vespertilio［134］。值得注意的是，這些物種的群體非常小，并且棲息地還受到人類活動的威脅。未來作物的遺傳資源的保護應該不局限于作物本身，還應加強對已有野生資源的保護及未知野生種質資源的考察與鑒定。隨著高通量組學測序技術的發(fā)展，在多個水平解析植物基因組的特征也變得越來越容易。伴隨著越來越多大芻草基因組的發(fā)表［124,135］，基因功能驗證方法飛速發(fā)展［136］，大芻草轉基因平臺的建立［137］，大芻草中有利位點的快速發(fā)掘將更為簡單。野生種質資源的解析，馴化前優(yōu)異等位基因的發(fā)掘與利用，將加速適應性玉米新品種的培育進程。