玉米矮秆基因与矮秆育种研究.pdf

玉米高产专题生物技术通报BIOTECHNOLOGY BULLETIN2023,39(8):43-51收稿日期：2023-05-26基金项目：北京学者计划项目（BSP041），北京市农林科学院青年基金（QNJJ202231）作者简介：王天依，女，博士，助理研究员，研究方向：玉米分子育种；E-mail:；王荣焕为共同第一作者通讯作者：赵久然，男，博士，研究员，研究方向：玉米遗传育种；E-mail:；宋伟，女，博士，研究员，研究方向：玉米分子育种；E-mail:玉米（Zea mays L.）为一年生禾本科作物，起源于现在的墨西哥等中南美洲地区，与水稻、小麦并称为世界“三大主粮”，在我国约有 500 年的栽培史。玉米籽粒中含有丰富的淀粉、蛋白质、油分等玉米矮秆基因与矮秆育种研究王天依 王荣焕 王夏青 张如养 徐瑞斌 焦炎炎 孙轩 王继东 宋伟 赵久然（北京市农林科学院玉米研究所 玉米 DNA 指纹及分子育种北京市重点实验室，北京 100097）摘 要：株高是影响玉米株型和种植密度的重要农艺性状，培育耐密植的矮秆/半矮秆新品种可为增产做贡献。但目前多数矮秆突变体单株产量损失较大，难以在育种中应用。因此，探究玉米株高的调控机制、挖掘株高基因的优良等位变异，从而改善玉米株型结构、提高群体光能利用率、增强群体对水肥的耐性，对提高玉米产量尤为重要。本文综述了目前挖掘到的株高数量性状位点，阐述了株高相关基因主要受植物激素、微管结合蛋白以及成花因子调节；概述了 Brachytic2（Br2）基因在玉米矮秆育种研究中的应用及其局限性；最后展望了矮秆有利等位基因及其分子标记和现代生物技术在矮秆种质资源创制中的重要价值。本文将为玉米株高的遗传机制解析以及矮秆玉米分子育种奠定基础。关键词：玉米；矮秆；分子机制；育种DOI:10.13560/ki.biotech.bull.1985.2023-0504Research in Maize Dwarf Genes and Dwarf Breeding WANG Tian-yi WANG Rong-huan WANG Xia-qing ZHANG Ru-yang XU Rui-bin JIAO Yan-yan SUN Xuan WANG Ji-dong SONG Wei ZHAO Jiu-ran（Maize Research Institute,Beijing Academy of Agriculture&Forestry Sciences,Beijing Key Laboratory of Maize DNA Fingerprinting and Molecular Breeding,Beijing 100097）Abstract:Plant height is an important agronomic trait which affects maize architecture and planting density.Breeding plants with dwarf/semi-dwarf architectures could tolerate high-density planting and contribute to yield increase.However,most dwarf mutants have severely reduced yield and are difficult to be applied in breeding.Therefore,it is particularly important to explore the regulation mechanism of maize plant height and to find out the excellent allele variation in plant height genes.It can improve the plant-type of maize,increase the light use efficiency and enhance the tolerance of population to water and fertilizer.Here we reviewed the quantitative trait locus of plant height excavated so far.We also explained that the cloned genes related to plant height are mainly regulated by plant hormones,microtubule-associated proteins and flower factors.Then we summarized the application and limitations of brachytic2 gene in maize dwarf breeding research,and looked forward to the important value of dwarf favorable alleles and their molecular markers,as well as modern biotechnology in the creation of dwarf germplasm resources.These efforts will promote the research on the genetic mechanism of maize plant height,and provide reference for the molecular breeding of dwarf maize.Key words:maize;dwarf;molecular mechanism;breeding生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.844营养物质，是重要的粮食作物。此外，玉米含有大量的碳水化合物，有效能值高，且富含维生素、不饱和脂肪酸和氨基酸，有着“饲料之王”的美誉。除食用和饲用外，玉米可被加工成黏合剂、工业酒精和燃料乙醇等工业品，亦是重要的化工原料1。我国对玉米的需求呈持续增长态势，在有限的耕地面积下提高玉米产量尤为重要。在过去的 90 年间，美国玉米的单株产量并未明显增加，亩产量却提升 7 倍有余，其主要归功于耐密植品种的选育及推广2。然而高密度种植可能会加剧植株间光、水和养分等资源的竞争，造成植株徒长，并降低植株对生物和非生物胁迫的抵御能力，增加倒伏风 险3-4。株高是制约耐密育种的关键因素。适度降低株高，既能增加单位面积的种植株数、提高单位面积总产量，又能有效避免倒伏的发生，对增强植株的耐密性和抗倒伏性极为重要5。株高性状的半矮化遗传改良已经成为玉米育种的重要方向之一6。本文详述了调控玉米矮秆相关基因及其分子机制，并对玉米矮秆品种选育进行概述。对现代生物技术在矮秆品种遗传改良中的发展前景加以展望，以期为玉米矮秆遗传育种提供参考。1 玉米矮秆基因的克隆1.1 首个玉米矮秆基因玉米株高通常指从地面到植株最顶端的距离，在一些研究中，玉米株高被定义为植株地上部到旗叶基部的距离，以排除雄穗变异对株高的影响7。玉米株高由节间长度和节间数目共同决定，一般来说节间数目越少，节间长度越短，株高越矮。因此在一定生育期内，控制节间数目或节间伸长可以有效降低株高8。1935 年，Emerson 发现了第一个玉米矮秆基因Brachytic2（Br2），Br2 的发现为玉米矮秆、半矮秆育种奠定了基础9。br2 突变体茎秆细胞长度较野生型相比减少 40%-50%，使得其节间缩短，尤其是果穗以下节间缩短更为显著，株高降低约 50%。与茎秆长度相反，茎秆的周长明显增加，br2 突变体的茎秆表皮下方较野生型相比多形成了 10 余层薄壁细胞，极大增强了 br2 的茎秆强度。从农艺学角度，br2 的表型是极具高产潜力的：其上疏下密的株型有助于通风透光，发达的根系使植株对水肥有着极强的耐性，而它最关键的优势则是对茎秆强度的协同效应，是公认的颇具商业价值的株高改良基因10。目前已知的矮秆基因有 60 余个，其中大部分已被克隆（表 1）。1.2 玉米株高数量性状位点的研究一般而言，单基因调控的矮秆突变体对其他农艺性状和产量的影响较为剧烈，数量性状位点对株高和产量的影响较为温和，在遗传改良中更具有应用价值。随着定位技术的不断发展，研究者也开展了许多与株高相关的遗传研究。Peiffer 等7在 13 个环境下，对包括 NAM 群体在内的 7 300 多份玉米自交系的株高、穗位高进行关联分析发现，株高的遗传力较高，达到 90%，株高由强烈的遗传因素决定，但仍然微效多基因控制。Ku 等42将 4 个重组自交系（RIL）群体在两个不同的密度下种植，通过分析在高密度条件下鉴定的株高 QTL，发现部分 QTL 成簇存在，推测株高可能受一些具有加性效应的共有变异决定。另外，Fernandez 等43研究表明株高与开花期、叶长、叶宽、茎节构造、小穗长度等性状相关，其中株高与开花期紧密相关，即晚花植物的株高较高。目前，随着高通量测序技术、统计分析方法和遥感技术的快速发展，株高 QTL 的检出效率也随之增加。Yin 等44将全基因组关联分析与高分辨率连锁作图法相结合，通过 NAM 群体对玉米株高、穗位高相关 QTL 进行定位，共鉴定出 105 个 SNPs 和22 个 QTLs 与株高和穗位高显著相关。Sa 等45利用 Illumina Maize-SNP50 芯 片 对 玉 米 Mo17/KW7 的RIL 群体进行基因分型，检测到 3 个与株高相关的 QTLs，表型变异范围为在 16.01%-19.85%之间。Zhang 等46发明了一种新的统计分析方法数量性状基因测序（QTG-seq）来对数量性状进行定位。即通过 QTL 性状分离、极端表型混池测序技术以及关联分析新方法 smoothLOD 相结合，快速鉴定株高的候选基因46。Wang 等47采用无人机遥感技术，对玉米自然群体不同发育时期的株高性状进行全基因组关联分析，鉴定到涉及不同发育阶段株高的QTL，为玉米株高的高通量研究提供借鉴。2023,39(8)45王天依等：玉米矮秆基因与矮秆育种研究Gramene 数 据 库 资 料 显 示（https:/archive.gramene.org/qtl），截至今日，已确定的调控玉米株高的 quantitative trait locus（QTLs）共计 219 个，它们分布在玉米的 10 条染色体上，但在自然界中，或许仍有很多 QTLs 位点尚未得到鉴定，可能的原因有以下 4 方面：（1）株高相关 QTLs 位点的检测效率会受到群体结构的影响；（2）QTLs 表型受遗传背景的影响；（3）对于具有拮抗多效性的基因，在自然群体中难以检测到，可以利用突变材料进行定位；（4）QTLs 定位受环境或受基因型与环境互作的影响48。2 矮秆玉米的分子调控机制株高主要受植物激素调节，研究发现，生长素、表 1 已克隆的玉米矮秆基因Table1 Cloned genes related to dwarf maize基因 Gene全称 Full name分子机制 Molecular mechanismAn111Anther ear1赤霉素生物合成 Gibberellin biosynthesisAn212Anther ear2赤霉素生物合成 Gibberellin biosynthesisBr210Brachytic2生长素极性运输 Polar auxin transportBrd113Brassinosteroid-deficient dwarf1油菜素内酯合成 Brassinosteroid biosynthesisBRI1a14Brassinosteroid insensitive1a油菜素内酯信号转导 Brassinosteroid signalingBv115Brevis plant1生长素信号转导 Auxin transportCr416Crinkly4激素信号转导 Hormone signalingCt217Compact plant2赤霉素生物合成 Gibberellin biosynthesisD118D219D320D519D821D8-102322D921Dwarf plant1Dwarf plant 2Dwarf plant 3Dwarf plant 5Dwarf plant 8Dwarf8-1023Dwarf plant9赤霉素合成最后一步 The final step of bioactive GA synthesis赤霉素早期合成 Early step in GA biosynthesis赤霉素早期合成 Early step in GA biosynthesis赤霉素早期合成 Early step in GA biosynthesis赤霉素信号转导 Gibberellin signaling赤霉素生物合成 Gibberellin biosynthesis赤霉素信号转导 Gibberellin signalingD1123Dwarf11赤霉素生物合成 Gibberellin biosynthesisD200324Dwarf2003调控分生组织发育 Regulate meristem developmentDil125Dwarf&irregular leaf1转录因子调控，影响激素通路基因表达 Regulation of transori ptin factyr,affect the expression of genes related to hormonal pathwaysGID126Gibberellin-insensitive dwarf1 赤霉素信号转导 Gibberellin signalingKn127Knotted1调控赤霉素分解代谢 Regulate of gibberellin catabolismLil128Lilliputian1油菜素内酯合成 Brassinosteroid biosynthesisNa129Nana plant1油菜素内酯早期生物合成 Early step in brassinosteroid biosynthesisNa230Nana plant2油菜素内酯早期生物合成 Early step in brassinosteroid biosynthesisRd2Sdw331Reduced plant2Semidwarf3赤霉素信号响应 Responds to gibberellin乙烯生物合成 Ethylene biosynthesisTan132Tangled1调控细胞骨架排布 Regulates cytoskeleton arrangementTd133Te134Thick tassel dwarf1Terminal ear1CLV-WUS 途径 CLV-WUS pathway生长素运输途径 Auxin transport pathwayVt235Vanishing tassel2生长素合成途径 Auxin biosynthesis pathwayZmCCD836Carotenoid cleavage dioxygenase8独脚金内酯合成途径 Strigolactone biosynthesis pathwayZmGLR37Glutamic acid and lysine-rich油菜素内酯和生长素共同调控 Both brassinosteroid and auxin regulateZmGRF1038Growth-regulating factors10转录因子，影响多种生物学途径 Transcription factor,affect multiple biological pathwaysZmPIN1a39PIN-formed1a生长素极性运输 Polar auxin transportZmPHYC40ZmRPH141Phytochrome CReducing plant height1响应光周期 Response photoperiod微管细胞骨架排布 Microtubule cytoskeleton arrangement生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.846油菜素内酯、赤霉素、乙烯、独脚金内酯等激素的合成、转运以及信号转导相关基因突变，均可影响玉米株高。另外，有部分基因则通过改变微管骨架排布或影响成花转变来调控玉米株高。2.1 激素途径2.1.1 生长素对玉米株高的调控 生长素（auxin,IAA）是发现最早的一种植物激素，它影响细胞分裂分化、器官生长、维管束分化、顶端优势等多个过程，对植物生长发育具有广泛的调节作用49。IAA 主要合成于茎尖分生组织、发育中的果实等细胞快速分裂的组织，并通过多种途径向作用部位运输。生长素的生物合成、极性运输和信号转导有关基因发生突变，均会对株高造成影响。玉米Vanishing tassel2（Vt2）基因通过色氨酸依赖途径中的吲哚-3-丙酮酸途径参与 IAA 的生物合成，突变后 IAA 含量下降，雄穗、雌穗发育严重缺陷，叶片数减少，株高降低约 55%35。Terminal ear1（ZmTE1）是株高的关键调节因子，通过介导 IAA 的极性运输来维持节间细胞伸长和居间分生组织形成。ZmTE1突变后，IAA 的极性运输受到抑制，从而影响细胞分裂和细胞伸长，使玉米节间缩短、株高降低约40%34。而 br2 突变体则是由于 ABCB1/PGP1 基因异常表达所致。该基因在茎尖表达，将 IAA 从玉米节运输至节间部位；突变后生长素极性运输受阻，节间伸长被抑制，从而使株高降低50。研究表明，玉米中的 Brevis plant1（bv1）基因与水稻矮秆基因D50 同源，编码具有 WD40 结构域的肌醇多磷酸 5-磷酸酶，对生长素信号转导起关键作用51。该基因突变会造成肌醇磷酸酶结构域的保守残基发生非同义替换，使 IAA 介导的节间薄壁细胞排列异常，从而导致节间缩短，株高降低约 70%15。2.1.2 赤霉素对玉米株高的调控 19 世纪末，日本的水稻中流行一种会使植株异常徒长的恶苗病，科学家从患有恶苗病的水稻中分离出了这种引起稻苗徒长的物质并命名为赤霉素（gibberellin,GA）52。目前已有 130 余种赤霉素被报道，分别参与了种子萌发、株高调控、花器官发育、结实等多个生物学过程53，对调控植物生长发育以及应对生物和非生物胁迫方面发挥重要作用54。赤霉素的生物合成可分为 3 个阶段：在质体中进行从异戊烯焦磷酸到贝壳杉烯阶段；在内质网上进行从贝壳杉烯到 GA12醛阶段；在细胞质中进行将无活性的 GA12醛转化成有活性 GA，该过程需经过GA20 氧化酶、GA3 氧化酶等催化53。Teng 等55利用综 3 与其染色体片段代换系 SL15 杂交的群体，在第 3 染色体上鉴定到一个与株高有关的主效 QTL qPH3.1。并进一步精细定位将候选基因确定为编码GA3-羟化酶的 ZmGA3ox2，其编码区大片段缺失会使 GA 合成受阻、植株变矮。与导致严重矮化的矮秆突变体不同，qPH3.1 将株高降低约 10%，并且不影响产量相关性状和开花期，因此 ZmGA3ox2 可用于玉米分子标记辅助选择育种55-56。赤霉素的信号转导主要受 DELLA 蛋白和 GID1（GA-insensitive dwarf）受体蛋白调控54。玉米中的两个编码 DELLA 蛋白的基因座 Dwarf8（D8）和Dwarf9（D9）影响 GA 的信号转导。二者突变后DELLA 结构域的 N 端保守区均发生变异，使得 GA-GID1-DELLA 复合体形成受阻，GA 信号转导被抑制，从而造成玉米植株矮化21。2.1.3 油菜素内酯对玉米株高的调控 油菜素内酯（brassinosteroid,BR）参与茎秆细胞伸长、根系生长、维管束分化、叶片脱落等多个植物生长发育阶段。BR 的生物合成途径与赤霉素较为相似，二者均以异戊烯焦磷酸为基本单位进行合成。从菜油甾醇开始，经过 C-6 氧化途径，最终形成 BR57。Nana plant2（Na2）编码 d24-甾醇还原酶，参与 BR 早期的生物合成。Na2 功能缺失使 BR 合成途径中 24-亚甲基胆固醇还原为菜油甾醇的过程受阻，BR 含量下降，导致植株分蘖减少、叶片直立、严重矮化30。而Lilliputian1（Lil1）和 Brassinosteroid-deficient dwarf1（Brd1）则参与 BR 生物合成的最后一步，二者互为等位基因，均编码细胞色素 P450 蛋白家族的 BR C-6氧化酶，突变后植株体内油菜素内酯合成受到抑制，株高降低13,28。BRI1 是 BR 在质膜上感知信号的主要受体，与BAK1 相结合形成异源二聚体，使 BR 信号传递到细胞核，进而激活驱动细胞生长的 BR 响应基因的转录57。BR 信号转导有关基因突变会使植株器官生长发育严重受损，进而形成矮秆表型58。玉米2023,39(8)47王天依等：玉米矮秆基因与矮秆育种研究Brassinosteroid insensitive1a（ZmBRI1a）基因编码一个富含亮氨酸的受体激酶，该激酶位于质膜上，含有一个与 BR 结合的胞外结构域，该基因功能缺失后会使 BR 的信号转导途径受抑制，减少细胞分裂和伸长，从而使节间缩短导致植株矮化14。2.1.4 其他激素对玉米株高的调节 近年来，除生长素、赤霉素和油菜素内酯途径调控株高，还发现乙烯、独脚金内酯（strigolactone,SL）等激素也对株高起到调节作用。独脚金内酯是 2008 年发现的，被称作第七类植物激素，由植物根系分泌的类胡萝卜素经过酶促反应后衍生而来，可以抑制侧芽生长59。Guan 等36发现玉米中编码类胡萝卜素裂解双加氧酶的基因 Carotenoid cleavage dioxygenase8（ZmCCD8）敲除后影响 SL 的生物合成，使茎秆变细、节间缩短、根发育延迟、株高降低约 10%。Li 等31研究表明，玉米半矮秆突变体 Semidwarf3（Sdw3）株高降低的原因是乙烯生物合成途径中限速酶 ZmACS7 的 C 端结构发生了改变，提高了 ZmACS7 蛋白的稳定性，增加了 Sdw3 突变体中乙烯的含量，使得节间细胞的纵向伸长被抑制，最终形成矮化表型。2.2 非激素途径目前已克隆的大部分矮秆基因多受激素调控，而还有部分突变体通过改变微管骨架排布或影响成花转变来调控玉米株高。细胞骨架包含微管骨架和微丝骨架两部分，对植物生长发育起到调节作用。微管可以引导植物细胞向指定的方向极性生长，该过程受一系列微管结合蛋白（microtubule-associated proteins,MAPs）调控。玉米 Reducing plant height1（ZmRPH1）基因编码一个 MAP 蛋白，过表达 ZmRPH1 使下胚轴和节间长度均有所缩短，植株呈现矮秆表型。过表达 ZmRPH1 材料根表皮细胞的横向微管比例不足 10%，与野生型（93%）相比显著减少，且节间表皮细胞和薄壁细胞长度也显著减少，表明 ZmRPH1 基因通过调节微管延伸方向来控制玉米株高41。过表达 ZmRPH1 基因在降低玉米株高的同时没有显著减少玉米产量，可以将其应用到玉米矮秆品种改良中。株高与开花期紧密相关，一般而言，开花期短则株高矮，反之亦然，因此，影响开花期的基因常常影响株高。据报道，光敏色素在植物的光周期和开花期控制中发挥重要作用。当植物处在植被茂密的环境中，会感受到光竞争，从而引发避荫反应综合征（SAS），表现为株高和穗位高增加、输送到籽粒的营养物质减少、吐丝-散粉间隔期延长、雄穗发育异常等，最终造成作物减产。因此，解析玉米中的 SAS 调控机制可以为选育耐密植的玉米品种提供指导。Phytochrome C1（ZmPHYC1）、ZmPHYC2 是玉米的两个光敏色素 C 基因，研究表明，ZmPHYC1与 ZmPHYC2 双敲除突变体在长日照条件下表现出中度的早花表型，而过表达 ZmPHYC2 会使植株株高适度降低40。ZmPHYC1 和 ZmPHYC2 可以作为玉米基因工程的潜在靶位点，为创制适合高密度种植的株型结构作出贡献。3 玉米矮秆品种的选育目前，玉米矮秆育种中研究利用最多的基因仍是 Br2。20 世纪 50 年代，墨西哥育种家率先利用br2 种质资源培育出本雀利比亚 AN-360 超矮秆玉米杂交种，在超高密度（8 000 株/亩）种植条件下能达到 1 000 kg 亩产量60。然而这种超高密度的种植方式，在带来高产的同时也大大增加了农药、化肥等用量，不利于土地资源的可持续发展61。我国在玉米矮化育种之路上也取得了一定成果。研究人员利用 br2 的矮生特性，经过连续 12 代的“高矮杂交、选择矮株”，以改善 br2 叶片重叠、结实率低等不利性状，育成了矮秆玉米杂交种矮单 268，该品种在4 500 株/亩的种植密度下，平均亩产量为 636 kg，高产攻关田亩产量可达 903 kg62。除了常规育种手段，育种家们也在挖掘与创造 Br2 的有利突变。Wei等63定位到了 Br2 的一个新等位基因 qpa1，该基因在最后一个外显子上存在 241 bp 缺失，突变后可以极大地改善株型结构，并对产量没有负面影响。d129 是通过 EMS 诱变技术获得 Br2 的等位突变，其第二个外显子上发生了 G-A 的碱基替换6。而 br2-sil 则是通过太空育种产生的，在 Br2 的第 5 个外显子上存在着一个逆转录转座子的插入64。这些优良等位变异将助力玉米矮秆品种选育。相较于单基因矮秆突变体，多基因调控的矮秆表型是由数个基因共同作用所形成，效应更为温和，生物技术通报 Biotechnology Bulletin2023,Vol.39,No.848是株型改良颇具潜力的遗传资源。沈阳农科院利用美国杂交种 3147 选育出的多基因矮生系 5003 及其姊妹系 5005，是玉米优良核心种质，目前育种中大面积应用的自交系郑 58（株高 140 cm）、478（株高160 cm）、浚 9058（株高 165 cm）均为含有 5003 血缘的矮秆自交系65。这些亲本育种材料都曾培育出具有代表性的玉米品种，例如以 478 为母本育成的玉米杂交种掖单 13，其株高在 250 cm 左右，在现代育种历程中发挥着重要作用。近 20 年来随着育种技术的发展，我国育种家通过系谱法、分子标记辅助育种等技术，选育出多个综合性状优良的株高小于 250 cm 的中矮秆品种。如登海 661、登海 1717、丰德存玉 22、金博士 825、鹏玉 35 等。北京市农林科学院玉米研究所创制培育的新一轮黄改血缘骨干亲本自交系京 2416，已组配育成国审品种 40 多个，具有良好控制株高的效果。例如将京 92 与京 724 组配育成的京科 968 株高达 300 cm 以上，而用京 2416 与京 724 组配育成的国审品种 MC738 的株高为 248 cm。随着越来越多矮化玉米自交系及杂交种的育成，预示着我国或将进入玉米矮秆育种新阶段。基于目前对玉米杂交种植株高度标准划分尚未进行明确界定，本团队赵久然多年研究认为，玉米株高可划分为 5 个等级：（1）超高秆，340 cm；（2）高秆，280-340 cm（31030）cm；（3）中秆，220-280 cm（25030）cm，其中 250-280 cm 可称为中高秆，220-250 cm 可称为中矮秆；（4）矮秆，160-220 cm（19030）cm；（5）超 矮 秆，160 cm。目前，我国近十年所育成的表现优异的矮化玉米新品种，株高距矮秆标准尚有一定距离，仍需加大玉米矮秆育种研究力度，在矮秆有利等位基因鉴定、矮秆分子标记开发、矮秆种质资源创制等方面开展创新型研究4。4 总结与展望 在 20 世纪 60 年代，世界人口迅速增加，全球均面临着粮食短缺的危机66。国际玉米小麦改良中心的 Norman Borlaug 利用两个 Reduced plant height（Rht）半矮化基因 Rht-B1b 和 Rht-D1b，成功培育出一系列矮秆、高产、耐肥、抗倒伏的小麦新品种，并迅速在墨西哥和印度广泛种植67。同时期，国际水稻研究所利用水稻矮秆基因 Semidwarf1（SD1）育成半矮秆水稻新品种 IR8，提高了水稻抗倒伏性，进而提升了收获指数68。这一系列通过矮化育种技术提高作物新品种产量的农技改革运动，使世界粮食总产量得以大幅提升，极大程度改善了粮食短缺问题，被誉为“绿色革命”69。推动绿色革命的SD1 与 Rht1 基因在水稻和小麦育种中早已被大规模应用，而玉米中的同源基因 D8 功能缺失后，在降低株高的同时，分蘖增加、延迟开花、雌穗着生花药，这些农艺性状都是玉米生产的不利因素，因此没有像水稻、小麦一样普遍应用。目前已被克隆的玉米矮秆基因有近 40 个，却仍未培育出突破性矮秆品种，其可能原因如下：（1）目前玉米中鉴定到的矮秆基因表型多为极端矮化，对产量造成的负面影响较为严重10；（2）商业化的玉米品种几乎均为杂交种，而株高性状的杂种优势较强，杂交种很容易受双亲基因组间的遗传互作而表现出较高的株高，遮盖亲本自交系中株高基因的效应；（3）玉米矮秆基因可能与调控其他性状的基因紧密连锁，这些矮秆基因突变时会产生很多育种中的不良性状，密植后产能未得到明显提升，无法直接应用于玉米育种中22。尽管玉米矮化育种充满挑战，但是不可否认，矮秆品种具有广阔的应用前景。以拜耳为代表的跨国种业公司已意识到耐密植玉米的潜力，将矮秆玉米研究工作放在了首要位置，计划今年推出系列玉米 矮 秆 品 种（https:/ QTL 位点，抑或通过多个株高 QTL 聚合的方式，来创制开花期、抗逆性、产量、品质等综合性状优良的玉米矮秆品种。随着人们对调控关键性状基因的认识与研究逐渐深入，利用生物技术手段创制矮秆种质，或许是助力作物绿色革命的一种新型选择。育种上许多重要性状的遗传变异发生在顺式调控区域，通过采用基因编辑技术对该区域进行不同长度片段的遗传操控，可对目标基因的表达量进行分级调控，进而产2023,39(8)49王天依等：玉米矮秆基因与矮秆育种研究生目标表型变异广泛的突变体。Rodrguez-Leal 等70利用 CRISPR/Cas9 技术，对番茄 CLAVATA3 基因的调控区域进行编辑，得到了多种果实大小不同的番茄突变体。我们可以将这种方法应用到玉米矮秆育种中，通过对控制株高基因的启动子区进行编辑，以实现对基因表达量的精细调控。这种突变方式可以对数量性状产生不同程度的影响，从而创造出一系列玉米株高连续变异的材料，以期挖掘出既能适度降低株高又可增加单株产量的育种材料。自然界中存在一些极为稀有的株高变异类型，在地理分布范围较窄的自然群体中可能会因为等位基因频率较低而难以检测到，可以创建新型群体遗传材料，通过增加稀有等位基因的频率来提高GWAS 的检出能力，从而鉴定出更多的矮秆 QTLs 位点。针对双亲群体鉴定到的株高基因，可通过基因组学的方法，将其在变异范围更广的自然群体或近缘物种间进行扫描，鉴定优异单倍型，进而开发出更有效的分子标记，以应用到玉米株高的分子标记辅助选择中，为种质创新和分子育种提供技术支持。参 考 文 献1Ranum P,Pea-Rosas JP,Garcia-Casal MN.Global maize production,utilization,and consumptionJ.Ann N Y Acad Sci,2014,1312:105-112.2赵久然,王荣焕.美国玉米持续增产的因素及其对我国的启示J.玉米科学,2009,17（5）:156-159,163.Zhao JR,Wang RH.Factors promoting the steady increase of American maize production and their enlightenments for ChinaJ.J Maize Sci,2009,17（5）:156-159,163.3王文秀,王磊.玉米矮杆基因研究进展J.生物技术通报,2018,34（11）:22-26.Wang WX,Wang L.Research progress on maize dwarf genesJ.Biotechnol Bull,2018,34（11）:22-26.4Sher A,Khan A,Ashraf U,et al.Characterization of the effect of increased plant density on canopy morphology 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