玉米矮桿基因研究進展

王文秀 王磊

（中國農業科學院生物技術研究所，北京100081）

玉米是我國種植面積最大的農作物，是重要的糧飼兼用經濟作物和能源作物，年產量和播種面積在近5年都占有很高的比重［1］。在我國農業生產中具有重要位置，進一步提高玉米單產仍是玉米育種主要目標。矮桿玉米具有抗倒伏，改善株型結構，提高群體光能利用率等優點，在提高玉米種植密度等方面具有重要的應用價值。

1 玉米矮化育種的概況

近年來，密植玉米的高產性已得到廣泛認可，但密植是一把“雙刃劍”，在帶來高產的同時，也增加了倒伏的風險［2-3］。玉米種植密度大導致植株基部節間直徑逐漸減小，植株整體高度與穗位高均會增加［4-6］，玉米莖粗系數減少，節間抗折力降低，當玉米在拔節期到成熟期這個階段遇到大風暴雨時，田間倒伏率就會顯著增加［2，7-8］。矮桿玉米植株矮、株型緊湊，適合高密度種植，它能使作物具有較強的抗倒伏能力和較高的光能利用率。有學者研究指出，抗倒伏能力強的玉米表型大概為以下幾點：基部節間短且粗，節間抗折力強，莖稈組織發達，葉夾角小，株高與穗位低［4，9-10］。篩選培育抗倒伏能力強的品種是解決玉米倒伏的主要方法。

20世紀初，科學家就已經發現可以控制作物株高的矮化基因，矮化基因的應用，大大提高了作物的產量。1935年，Emerson發現了玉米br2基因，其是玉米矮化的主效基因也是目前應用最廣泛的基因。br2基因會使玉米節間顯著縮短，尤其是果穗下部節間位點越低，縮短越顯著［11］。20世紀60年代，我國開始玉米矮化育種的研究，研究人員從品種間雜交種“東風一號”的自交后代中發現了矮生植株，隨后選育出了“南矮1號”、“龍696”、“寨金75”等矮生系。以往的研究發現植物激素在株高調控中起主導作用，已經克隆的控制株高性狀的基因大部分都是參與激素的合成、運輸和信號傳導等過程。這些激素包括赤霉素、油菜素內酯、生長素等。最近的研究表明，玉米中的兩個BELL基因，BLH12和BLH14共同調控玉米節間發育［12］。

2 玉米矮化基因遺傳特點

玉米的株高由莖長度和節間數決定，一般情況下，節間數越少，節間長度越小，玉米的株高越低。在玉米的一定生長期內，縮短節間長度可以有效的降低玉米的高度，按株高的遺傳特點可以分為多基因體系和單基因體系。

2.1 多基因矮桿體系

多基因矮桿體系是由多個微效基因的累積效用組成，屬于數量性狀遺傳，雜交得到高于親本的F1、F2的株高呈現出由高到矮的連續分布，大部分為中桿玉米，僅有少量的高桿和矮桿，通過連續選擇，會得到連續累積的微效矮桿基因，每一個矮桿基因對植株的節間的縮短作用幾乎相同，多個微效矮桿基因的效用累加，共同對植株的矮化起作用，累加作用越多，則植株越矮。多基因矮桿體系易受外界環境條件的影響，從而使株高發生改變，利用現代育種技術減少矮化基因與環境的互相作用，使株高的變化幅度控制在合理的范圍內。經過長期的探索與實踐，目前世界上已經培育出多個多基因矮生體系玉米自交系及雜交種，如齊31，M14，武202，矮廣 7，種質5003及其姊妹系 5005［13］。

2.2 單基因矮桿體系

單基因矮桿體系是由一個主效矮生基因引起玉米植株降低的體系。現在已經報道的與玉米株高相關的基因大多為隱性，只有D8、D9、Dt、D8-1023、D*-10、D11為顯性基因［14-18］，玉米中只要存在一個矮化基因，株高就會顯著降低。由單基因控制株高的玉米不受外界環境的影響，所以能夠穩定遺傳，其中進行研究最多的是D8基因，D8基因影響玉米株高的同時，也影響開花時間同時還存在劑量效應。現階段重要的曲莖矮稈突變體br2基因已經被克隆［11］，單基因br2可以縮短玉米節間長度，增加玉米莖稈直徑，使玉米植株有根系發達、抗倒伏、產量高等特點。

攜帶有矮桿基因的玉米與正常的高稈自交系雜交之后，后代會表現質量性狀的遺傳特點，即F1表現型為高株，F2表現為高桿與矮桿分離比為3∶1，植株表型穩定，幾乎不受外部環境影響。但br2突變體只是導致玉米穗部以下節間嚴重縮短，而穗部以上節間幾乎不變，因此br2基因在育種上廣泛應用，對玉米的矮化育種起到了非常重要的作用。

3 玉米矮化基因的表型

20世紀以來，已發現玉米矮桿基因有60多個，如br1、br2、bv1、ct1、ct2、d1、d2、d3、d5、d6、D8、D9、D8-1023、Dt、D*-10、D10、d12、mi、na1、na2、na3、py1、py2、rd1、rd2、yd、clt-1、td1、wrp1、dm1、D11及d2003等。自從發現矮化基因以來，對其表現型也進行了廣泛而深入的研究，每個矮桿基因所控制的矮化表型都有或多或少的差異（表1）。

4 激素對玉米矮化的影響

除了內部基因，玉米株高還受各種激素和外部環境因素的影響。研究發現，玉米矮化突變大多與赤霉素、油菜素類固醇和生長素有關。同時，細胞壁形成和細胞伸長異常、轉錄因子調控等也會導致玉米植株的矮化［29］。植物激素矮化突變體可分為缺陷型和不敏感型兩類。激素缺陷型矮化突變體是活性激素的生物合成途徑被抑制或阻斷，使得植物體內源活性激素缺乏或痕量存在，矮化表型的突變體外施相應的活性激素后可恢復野生型表型。激素不敏感型矮化突變體，其內源活性激素水平變化不大，甚至比野生型的還高，可能是激素的信號吸收或傳遞出現障礙造成，這種矮化表型的突變體在外施相應的活性激素后不能恢復野生型表型。

表1 玉米矮桿基因的表型

4.1 赤霉素

赤霉素對植物的生長發育有明顯的促進作用。在對豌豆的幼苗分析表明，在幼芽、幼葉和上部莖節內赤霉素含量最高，說明幼芽、幼葉和上部莖節是赤霉素的合成部位［30］。而赤霉素的生物合成、信號轉導途徑障礙以及代謝調控基因突變都與植株的矮化有影響。目前發現的玉米矮桿突變體大多為赤霉素敏感型，通過施加外源赤霉素，玉米株高可以恢復正常。研究表明，這類突變體中赤霉素的合成途徑發生阻斷，赤霉素含量降低，從而導致植株變矮［31］。有研究學者發現了一個新的特異調控水稻莖稈基部節長度的基因SBI，它編碼赤霉素2-氧化酶，并通過失活赤霉素活性特異性的控制莖基部節間的伸長［30］。古巴焦磷酸合成酶CPS，是赤霉素合成途徑中的一種關鍵酶，若CPS完全突變，則植物不能產生赤霉素，種子也不能萌發。大多數實驗結果表明，赤霉素生物合成受到活性赤霉素的負反饋調節，小麥Rht2、玉米Dwarf8和擬南芥gai矮化突變體體內都含有異常高水平的活性赤霉素，從而中斷赤霉素信號傳導途徑，抑制赤霉素的生物合成［3，31］。在葉片組織中表達較高的內根-貝殼杉烯合成酶KS是赤霉素合成途徑中的第二個基因，催化連續氧化反應的根-貝殼杉烯氧化酶KO與KS和CPS是赤霉素合成途徑前期3個關鍵酶，它們的基因突變會導致植株極端矮化，而其它合成酶都是多基因編碼，故它們的基因突變會引起植株半矮化現象。

4.2 油菜素內酯

研究指出，油菜素內酯是植物生長發育的必需物質，其主要生理功能有：調節根的生長、調節莖的伸長、調節葉的伸展、調節質子泵的活化和逆境脅迫適應能力［28］。油菜素內酯的生物合成和信號缺陷突變體都存在矮桿表型。研究表明，5α- 類固醇還原酶是油菜素內酯合成途徑的重要生化酶，它的突變可以導致植株矮化［32］。油菜素內酯對植物的橫向生長和縱向伸長都有非常明顯的作用，近些年發現的油菜素內酯矮化突變體都具有莖粗、葉子較大和顏色較深的特點，突變體的生長周期增加，在黑暗中生長的子葉變得寬大，胚軸變短［33］。植物上最早發現的甾醇類激素是油菜素甾醇，研究表明，從玉米nana plant 1突變體中克隆的ZmDET2基因為油菜素甾醇信號轉導缺陷所致。擬南芥Brill矮化突變體，在外施油菜素內酯后不能恢復其株高，故Brill是油菜素內酯鈍感型突變體［34］，在其它作物如小麥、水稻、豌豆和番茄中也發現了油菜素內酯鈍感型突變體，但在玉米中目前還沒有植株矮化突變與油菜素內酯合成有關基因的報道。研究人員用不同濃度的油菜素內酯處理玉米矮化突變體d2003，結果顯示對苗高并無顯著影響［35］。

4.3 生長素

生長素在植物生長代謝過程中扮演重要的角色，如根、莖的生長發育、器官的分化衰老等。生長素的分布、代謝、極性運輸和信號轉導過程中如果發生基因突變，就會影響植株的發育，從而導致植株矮小。例如應用很廣泛的玉米矮桿突變體br2，就是因為P-糖蛋白的缺失而導致玉米下部莖節中生長素的極性運輸出現異常而呈現矮化表型［36-37］。研究發現，生長素合成途徑主要分為兩類：依賴色氨酸合成途徑；非依賴色氨酸合成途徑［38］。在玉米突變體中，生長素的極性運輸速率明顯降低。生長素可以促進赤霉素等合成或者抑制其鈍化，從而調節株高。生長素會軟化植物細胞壁，使原生質體黏度下降，增加其流動性和呼吸作用，加速吸收水分和營養，可以為細胞增大提供必要條件準備［24］。生長素對植物的生長有促進和抑制的雙重影響，當生長素濃度太高時，會抑制植物的生長，甚至會殺死植物，低濃度會促進植物的生長。目前，有研究人員用不同濃度的生長素處理d2003幼苗，結果表明，在生長素濃度在0、1、10、100 μmol/L四個梯度中，當施加10 μmol/L的生長素濃度時促進幼苗株高生長效果最明顯，在施加最大濃度100 μmol/L時，幼苗株高反而有所下降［25］。研究人員對正處于拔節期的矮桿玉米顯性突變體Dt及其野生型自交系的葉片進行激素提取，測定其含量，實驗結果表明，赤霉素、甾醇、脫落酸等含量無明顯差異，但生長素含量差異極為顯著，說明生長素與玉米顯性矮桿突變體Dt矮化機理是有關系的［24］。玉米育種和農業生產都具有重要的意義，對于推進玉米矮化育種的進程也有著重要的作用。分子輔助育種可以大大提高育種效率，通過分子生物學技術手段對控制株高的關鍵基因進行定位及克隆，可為育種家選育株高適中的新品種提供分子標記，加快育種速度。目前已經發現的矮桿基因大多數是隱形基因，只有少數幾個是顯性基因。

我們在前期工作中，得到一批EMS誘變的矮桿突變體，通過田間表型鑒定，篩選出一批植株較矮、株型緊湊、莖稈變粗、葉夾角較小的突變體，進一步采取高通量測序方法對其進行了定位，這為玉米矮桿基因的發掘奠定了基礎。無論是自然突變體還是經人工誘變的玉米矮桿突變體，通過對矮桿基因的定位、矮桿基因的發現，開發相應的分子標記，將為矮桿玉米的培育提供幫助。

5 矮桿玉米的應用及展望

進一步提高產量是玉米育種的重要目標，與高桿玉米相比，矮稈玉米抗倒伏，具有更強的耐肥性，可以密植，上疏下密利于通風透光，有利于產量的提高。同時矮桿玉米株型緊湊，為機械化種植和收割提供了有利條件，矮桿玉米營養體小［39］，也有利于土地輪作，因此玉米矮桿基因的克隆與分離對于