麥類作物落粒控制的分子機制研究進展

趙永亮，李美美

(河南工業大學生物工程學院，河南鄭州 450001)

作物馴化在人類從狩獵和采摘的原始生活狀態到農耕文明的演化過程中起著至關重要的作用。作物馴化的特點是關鍵性狀的改變，主要涉及株型、穗型、落粒性、芒性、豐產性等，栽培作物與其野生祖先存在一系列表型的差異，這些差異被稱作馴化綜合征。馴化谷類作物與其野生后代之間最顯著的差異是穗的脫節。落粒是許多植物適應自然環境、自我繁殖、保存種群的一個基礎生物學特性，卻是作物栽培和生產中首先要克服的一個缺點。落粒性的喪失是谷類作物人工馴化過程中的一個關鍵事件,是谷類作物馴化的首要性狀，也是馴化研究的典型性狀。野生谷類作物的穗在成熟時破碎，而馴化谷類作物的穗保持完整，使之更容易收獲。因此，堅穗被認為是馴化谷類作物的診斷指標。

麥類作物是最早被馴化的作物之一，麥類作物的脆穗性狀是科學家們最早關注的脆性性狀，也是目前研究比較熱門的領域。本文就麥類作物小穗軸節的脆性與作物馴化、大麥脆穗基因與馴化模式、小麥脆穗基因的同源性和多態性以及影響麥類作物脆穗形成的其他機制等方面的研究進展進行綜述，并對麥類作物脆穗基因的研究方向進行展望。

1 麥類作物的脆穗性狀與作物馴化

根據麥類作物小穗軸成熟后斷裂與否，可分為脆穗和堅穗兩種類型。人們最早關注作物穗軸的脆性性狀可追溯到一百多年前，普通大麥中的野生種和大麥屬其他所有近緣野生種都為脆穗類型，它們的種子成熟時，每個穗軸節點迅速脫落，形成典型的楔形小穗；而栽培大麥都是堅穗類型。野生大麥的脆穗性狀屬于一種普遍的自然適應現象，有助于每個小穗相互分離以及籽粒與芒分散，有利于其傳播和繁衍后代。栽培大麥的堅穗性狀更有利于種子的收獲，減少籽粒損失，是人工選擇的結果。從解剖學上來看，脆穗性狀表現為穗軸著生點明顯收縮，穗軸斷裂產生的疤痕是光滑的，易于種子散落；而堅穗性狀表現為穗軸斷裂后，會產生比較粗糙的疤痕，因而種子不易脫落。堅穗性狀的出現是大麥最重要的馴化事件，也是區別栽培大麥與野生大麥的最主要依據。

從脆穗到堅穗性狀的轉化是麥類作物馴化過程中的普遍現象，除大麥外，目前，已報道的具有脆穗性狀的麥類作物主要有一粒小麥()、硬粒小麥()、普通小麥()、節節麥()、西藏半野生小麥(ssp.shao)、斯卑爾脫小麥()等。

2 大麥的脆穗基因與馴化

大麥馴化中最重要的堅穗基因為和，均為隱性基因，任何一個獨立存在均可導致堅穗性狀。西方栽培大麥攜帶，東方栽培大麥攜帶，均表現為堅穗性狀；野生大麥攜帶雙顯性基因，其成熟后小穗節點劇烈收縮斷裂，表現為脆穗性狀；而和兩種基因型的栽培大麥，成熟后小穗節點并不收縮斷裂，均表現為堅穗性狀。遺傳學研究表明，和緊密連鎖，定位于大麥3H染色體短臂上。目前已通過圖位克隆，精細定位并克隆到和基因。和分別編碼含有196和202個氨基酸的蛋白質，序列比對表明，堅穗軸表型是由于和的微缺失所致，其中基因缺失1 bp，基因缺失 11 bp。

根據和的定位、分子特征及突變后的相同表型，推測在介導細胞壁厚度方面，和可能為潛在的受體-配對體。按照這一假設，特定基因型的堅穗栽培大麥雜交，比如雜交，其F代便是脆穗型的。試驗證明，與其他基因型相比，攜帶上述堅穗基因的親本雜交后代的軸脆性顯著提高，此外，堅穗雜交種(×或×)中軸節分離的百分比高于親本，進一步揭示了控制穗軸脆性性狀的其他顯性遺傳因子的存在。

通過分析野生和栽培大麥中和基因的等位變異，認為歷史上和基因分別在地中海黎凡特的南部和北部先后被獨立馴化選擇，大麥種子散落系統的進化模式如圖1所示。

圖1 大麥種子散落統的進化[10]Fig.1 Evolution of the grain dispersal system in barley[10]

3 小麥的脆穗基因與馴化

3.1 野生二粒小麥的脆穗基因

野生二粒小麥(var.)的脆穗性由位于3A和3B染色體的兩個顯性基因控制，分別命名為和。目前，隨著大麥基因的克隆和野生二粒小麥基因組的破解，這兩個重要的脆穗基因已經被成功克隆。野生二粒小麥()和()基因與大麥脆穗基因屬于直系同源基因，表現為同一基因的平行馴化過程。對于基因，其馴化型等位基因在編碼區90 bp位置存在2 bp的缺失，導致移碼突變和提前終止。相比于具有196個氨基酸的正常蛋白，馴化型等位基因的預測蛋白僅有97個氨基酸，失去了正常功能。同樣，由于的馴化型等位基因在編碼區39 bp位置存在4 bp的插入，導致移碼突變和延遲終止，最終，馴化型等位基因編碼蛋白的C端序列要長于正常蛋白，同樣導致正常功能喪失。

與大麥基因的顯性效應不同，野生二粒小麥()和()基因具有數量效應，其中攜帶或/基因型的小麥穗表現為半脆性。這種半脆性使這些植物在收獲期間具有相對優勢。AVNI等和NAVE等推測，半脆性個體在種群中的比例會隨著時間的推移而增加，并最終趨于穩定。隨后，小麥馴化過程將繼續進行，/基因型突變的獲得和聚合，導致馴化的堅穗表型喪失了在自然界中的生存能力(圖2)。

3.2 野生二粒小麥脆穗基因的馴化

結合考古發現與分子遺傳學數據，確認野生二粒小麥的馴化源于公元前1萬年的新月沃土地區。在作物被馴化以前，早期人類持續了大約1萬年左右的采集生活。與大麥相比，小麥的馴化過程更為復雜，野生二粒小麥的馴化可分為四個步驟：首先，野生二粒小麥中控制脆穗性的兩個主效基因和最早被馴化，形成堅穗性的栽培二粒小麥(ssp.)；接著，影響栽培二粒小麥落粒性的基因被馴化為，形成易落粒的二粒小麥；隨后，高度馴化易落粒的二粒小麥與節節麥雜交形成原始的六倍體小麥，并引入了包殼基因，使得原始六倍體小麥具有包殼特性，導致種子難以落粒；最后，在六倍體小麥的栽培生產中，包殼基因被馴化，形成堅穗易落粒的普通小麥。在小麥馴化過程中，控制脆穗性狀的基因與大麥的基因直系同源，但在二倍體、四倍體和六倍體小麥中，穗軸脆性的特征表現及基因均有所不同。

3.3 野生一粒小麥、節節麥和普通小麥的脆穗基因

栽培一粒小麥的馴化過程與二粒小麥相似，也是直系同源基因的變異導致脆穗性喪失。Pourkheirandish等對53份一粒小麥的基因進行測序，結果顯示，一個非同義突變引起第119個氨基酸發生了改變(丙氨酸→蘇氨酸)，最終導致堅穗性狀的出現。Zhao等通過轉基因驗證，最終確認就是栽培一粒小麥脆穗性馴化的關鍵基因。Zeng等研究發現，節節麥缺乏的拷貝，攜帶兩個基因。

在栽培多倍體小麥物種中，基因在編碼區中存在2 bp的缺失，導致移碼突變和提前終止，從而引發脆穗性狀到堅穗性狀的改變。

3.4 小穗斷裂模式與Btr基因的特異表達

根據麥類作物斷穗位置不同，其脆穗類型通常被分為兩種類型，即斷穗位于小穗與穗軸連接處上方的稱為楔型斷穗，斷穗位于小穗與穗軸連接處下方的被稱為桶型斷穗。楔型斷穗比較常見，發生在含有H、A、B、G、S和T基因組的物種和西藏半野生小麥中，而在含有D基因組的物種可觀察到桶型斷穗。在斯卑爾脫小麥中，小穗分離類型與它們的起源有關。歐洲起源的斯卑爾脫小麥是桶型斷穗，而伊朗起源的斯卑爾脫小麥是楔型斷穗。西藏半野生小麥的脆穗性狀雖然由顯性基因控制，但斷穗的類型受多種修飾基因的影響，同一脆穗基因在不同修飾基因及其遺傳背景的相互作用下產生不同的斷穗類型。

場景1中， btr1-A突變首先發生并被固定，形成半脆穗表型，然后是 btr1-B突變。場景2中， btr1-B突變首先發生并被固定，形成半脆穗表型，然后是 btr1-A突變。場景3中， btr1突變在不同的個體中被固定，有可能形成中間表型，隨后通過雜交和人工選擇導致形成堅穗表型，即馴化的 btr1-A/btr1-B基因型。In scenario 1,the btr1-A mutation occurred and was fixed first,forming semi-brittle rachis phenotype,followed by btr1-B.In scenario 2,the btr1-B mutation occurred and was fixed first,forming semi-brittle rachis phenotype,followed by btr1-A.In scenario 3,the btr1 mutations were fixed in different individuals,with the intermediate phenotypes conferred,and were later combined via a cross followed by selection of the non-shattering(i.e.domesticated btr1-A/ btr1-B genotype).圖2 具有脆穗的野生二粒小麥(Btr1-A/Btr1-B)向具有堅穗的馴化二粒小麥(btr1-A/btr1-B )進化的可能模式[15]Fig.2 Possible models of the evolution from wild emmer wheat with shattering spikes(Btr1-A/btr1-B)to domesticated emmer with non-shattering spikes(btr1-A/btr1-B)[15]

研究表明，麥類作物的小穗斷裂模式與基因的特異表達有關，和的共同表達是發生楔型斷穗所必需的。而節節麥攜帶兩個基因，缺乏的拷貝，并且轉錄本存在于小麥與穗軸連接處下方脫落區形成的區域中，說明在這個物種中，參與了桶型擴散單元的形成。

4 Btr基因在禾本科作物基因組中的排列方式

將已經公布的大麥和-(591 nt)、(597 nt)、(609 nt)和(579 nt)基因序列與已經完成基因組測序的禾本科植物的核酸序列進行比對，發現在烏拉爾圖小麥()、普通小麥、高大山羊草()、節節麥、二粒小麥()、短柄草()、水稻()、谷子()、高粱 ()、玉米 ()、黑麥草()等禾本科植物中，若同時含有和基因，這兩個基因則以頭對頭的方式排列，且彼此靠近(水稻除外)(圖3)，這說明它們編碼的蛋白質可能發揮不可或缺的功能，推測它們是被共同調節的一對基因，但還需要進一步的試驗來驗證。

Salse等研究表明，禾本科植物中和均與大麥3H染色體存在共線性區域。前人已經證明，和存在于禾本科植物中，而、僅在小麥中被發現。雖然短柄草、黑麥草與小麥有較近的親緣關系，但它們缺乏和，因此，推測和的復制事件發生在小麥與黑麥草和短柄草分化之后。

5 影響麥類作物脆穗形成的其他機制

是控制麥類作物脆穗性的主要基因，但并不是唯一的基因，控制落粒性的基因和基因也影響麥類作物的脆穗性。

小麥的基因位于5AL染色體上，且已被克隆，它屬于APETALA2類轉錄因子，同時影響脆穗性、包殼、落粒性、穗長、穗密度、株高、粒重、產量以及加工品質等性狀。基因的馴化是由于Micro RNA172(miR172)結合位點的一個SNP突變，從而減弱了基因與miR172的結合效率，與等位基因相比，基因被降解的少且具有更高的表達水平，進而通過基因的劑量效應來影響表型。此外，Q蛋白與轉錄抑制因子TOPLESS的物理結合會抑制Q蛋白的活性，進而調控小麥穗型發育。

西藏半野生小麥中的基因是控制脆穗性的主效位點，位于5AL染色體上，與上文提到的基因的SNP突變不同，西藏半野生小麥的基因型()在其編碼區第五外顯子存在一個161 bp的轉座插入，導致其編碼蛋白質的結構發生變化，無法與小麥穗部的其他蛋白互作。

箭頭表示轉錄方向；數字表示基因ID或基因翻譯起點的核苷酸位置；Ψ表示與Btr部分同源的假基因。Arrows indicate the direction of translation;Numbers indicate the gene ID or the nucleotide positions of translation start point of the genes;Ψ is a pseudogene sharing some homology with Btr.圖3 禾本科植物中 Btr1、Btr1-like、Btr2和 Btr2-like基因的排列方式[23,30]Fig.3 Arrangement mode of Btr1,Btr1-like,Btr2 and Btr2-like genes in Gramineae[23,30]

6 小麥與水稻落粒機制的比較

與小麥類似，落粒性的喪失也是水稻馴化過程中的關鍵事件之一，但是與控制小麥落粒性的不同。目前已定位到的控制水稻落粒性的基因/QTL數量有95個，廣泛分布于水稻的12條染色體上，已克隆到的與水稻落粒性相關的基因有十余個，其中、、、、、、和是控制落粒性的主效基因，而、、、和則屬于多效基因，在控制落粒性的同時對其他的農藝性狀也具有顯著的效應。這些基因編碼轉錄因子或激酶，主要通過影響離層的發育來調控落粒性。

部分與水稻落粒性相關的基因之間存在相互作用，比如正向調節的表達，反過來也維持在離層中的表達，兩者共同促進離層早期的分化，且作用于和的下游，而和正向調控在離區的表達，最終促進離層的形成。另外，誘導和的表達，正向調控和的表達，從而影響離區木質素沉積和離層發育，最終調控水稻的落粒性。

盡管控制水稻落粒性的分子機制與麥類作物有很多差異，但它們也有相似之處，比如西藏半野生小麥中的基因是控制脆穗性的主效位點，屬于APETALA2類轉錄因子家族成員，在水稻中控制落粒性的兩個基因和也屬于APETALA2類轉錄因子家族成員，說明控制落粒性狀的基因在馴化過程中有一定保守性。

7 思考與展望

綜上所述，隨著大麥、小麥基因組測序工作的完成，麥類作物脆穗性狀相關基因的克隆及研究已取得長足進展，然而麥類作物脆穗基因的研究遠未結束，有幾個問題值得進一步研究：

第一、前人研究表明，、雖然功能相關，但它們的序列不同，推測這與它們是互補顯性基因有關。但是它們如何互作，互作的分子機制是什么，需要進一步深入研究。

第二、、分別編碼膜結合蛋白和可溶性蛋白，這兩個蛋白與目前已發現的蛋白沒有同源性，從結構特征看，它們屬于同一類轉錄因子，而麥類作物脆穗的形成大都與斷裂處細胞壁的變薄有關，那么、通過什么機制影響細胞壁的厚度，還需要進一步研究。

第三、在禾本科作物的基因組中，除存在和外，還有和的存在，且它們在染色體上的物理距離相距更近，在穗發育的不同階段，它們的表達水平與、也不同，那么、的作用機制是什么，還需要進一步研究。

解決上述問題的有效途徑是利用射線、微波、化學誘變等傳統誘變技術，結合定點誘變、基因編輯、插入轉座子標簽等先進誘變技術創制人工突變體，建立麥類作物突變體庫，同時加強相關蛋白互作的研究。作物馴化解決了人類食物穩定供應的基本問題，為人類社會發展奠定了堅實的基礎。然而人工選擇不僅會導致被選擇基因位點的遺傳多樣性降低，同時還導致與目標基因相關聯的基因位點的遺傳多樣性也降低，這也是目前作物改良的瓶頸。許多未被人工馴化的野生物種蘊含了潛在的食用價值或經濟價值，利用基因組編輯、合成生物學、染色體工程等現代生物技術以及多維組學等育種技術，在大數據、人工智能的助推下，發掘這些物種的潛在價值，快速馴化這些物種，開啟精準設計育種的新時代，突破現有作物改良局限和技術瓶頸，對保障中國糧食安全具有重要的戰略意義。