小麦株高分子遗传学研究进展

　　摘要：株高作为小麦重要的农艺性状之一，受遗传因子外部环境共同影响，但遗传因子是最为主要的决定因素。小麦株高性状受到多基因调控，其数量性状位点广泛分布在小麦21条染色体上，目前已开发多个直接应用于育种辅助选择的株高相关的分子标记。目前，国内外学者围绕株高形成的遗传因素、基因定位与克隆、基因调控机理、分子标记辅助育种选择等进行了大量研究，并取得了重要的研究进展。本文综述了小麦株高的构成因素，阐述了小麦株高形成相关基因的遗传定位、克隆及其等位变异的挖掘和在小麦辅助育种中的利用，并展望了小麦株高下一步研究的前景。

　　关键词：小麦;株高;基因;遗传定位;分子标记;育种

　　小麦(TriticumaestivumL.)作为世界上最重要的粮食作物之一，在世界各地广泛分布，是人类获取能量的主要来源。据预测，到2050年，世界人口将达到97亿，对小麦的需求将会持续不断地增加[1]。为了满足庞大人口的粮食需求，改良小麦优异农艺性状成为提高小麦产量的重要途径[2]。

　　株高作为小麦重要的农艺性状，影响植株的形态建成，并与田间群体产量密切相关。小麦株高在形成过程中受到包括遗传因子、内源激素、外界环境等多种因素的影响。目前，国内外在围绕小麦株高形成的生理生化、内源激素代谢、基因遗传等机制以及水分、养分等外界环境因素开展了大量研究。植物内源激素如赤霉素(GA)、细胞分裂素(CTK)、生长素(IAA)、脱落酸(ABA)、油菜素内酯(BR)，通过进、抑制或改变生理活动，参与植物株高的建成，调控株高的生长发育进程[3-6]。

　　外界环境例如小麦不同时期的肥水、光照、干旱以及多重胁迫对小麦植株生长发育进程均具有重要影响[7]。20世纪60年代，引起“绿色革命”的小麦赤霉素反应调节器基因Rht-B1b、Rht-D1b等的发现和利用，降低了株高，提高了小麦水肥利用效率，从而大幅度提高了产量，对现代小麦育种具有深远影响[8]。经典遗传学研究表明，小麦株高是一个复杂性状，既有数量性状，也有质量性状，由多个基因控制，既存在主效基因，也有微效位点。

　　目前，至少已发现了包括推动绿色革命的Rht1在内的35个控制小麦株高的基因[9]。此外，国内外学者还定位了与小麦株高相关的大量QTLs(QuantitativeTraitLoci)，对影响株高的因素和遗传机理等方面也已开展了大量的研究，并取得较大研究进展。由于影响株高的因素很多，有限篇幅很难做到详尽的总结，本文重点对小麦株高性状的遗传定位、相关基因的克隆和分子标记开发以及在育种中的应用等进行综述，并展望小麦株高基因的挖掘方法和利用策略，旨在为我国小麦分子育种提供参考和帮助。

　　1小麦株高相关基因/QTL的遗传定位及克隆

　　1.1小麦株高构成因素的遗传定位

　　小麦株高构成包括各节间长与主穗长，小麦株高表型差异主要是因为控制各茎节间长及主穗长的遗传位点对小麦株高的遗传贡献不一致引起的。Cui等[10]在单个QTL水平上分析了株高与穗长及各节间长之间的关系，发现第三节长对株高影响最大。钟明志等[11]以硬粒小麦ANW16G为材料研究株高及其茎节间长性状的遗传模型与基因的作用方式，并估测其主基因、多基因遗传效应与遗传率，株高与各节间长均极显著正相关，与倒一节间长的相关性最高。两者存在明显差异，究其原因，可能与所选材料和研究环境有关。

　　目前，对小麦各茎节间长度的QTL定位研究有很多，Zhang等[12]通过对不同时期各个节间长度的测定，明确了5个与各个节间长度相关的稳定QTL，qPh-3A主要通过调节第一节长和第五节长调节株高，qPh-3D影响全部的五个茎节间长度，qPh-4B主要影响第一至第四节长，qPh-5A.1主要控制第二至第四节长，qPh-6B主要通过控制第一节长影响株高。余马等[13]系统剖析小麦株高与穗长及各茎节间长的遗传关系发现，并非所有控制小麦株高的遗传位点对主穗长及各茎节间长起主导作用。

　　姜朋等[14]将各节间长度、穗长及总高度QTL聚焦到6个染色体区段，每个染色体区段对株高的贡献率不一致，初步明确了各节间对株高的遗传调控机制，通过开发KASP标记，同时聚合Qph-2D与Qph-5A.1两个位点具有较高的选择效率，而Qd1-5D可作为穗下节长的选择标记对株高开展优化选择。作为株高的构成因子，小麦穗长相关QTL位点在所有21条染色体上均有分布，其中1B、2D、4B、5A及7A染色体上的穗长QTL位点在多个遗传背景及环境下都有报道[15-22]。所以，株高构成从遗传方面考虑，并不只是各节间长遗传位点的叠加，但具体的调控机理还不明确，需要进一步的研究。

　　1.2小麦株高相关基因的遗传定位

　　小麦株高是由多基因控制或者少数主效基因和一些微效基因或修饰基因控制的复杂性状。国内外学者对其遗传机制进行了大量深入的研究，定位的QTL位点遍及小麦的全部21条染色体[15,16,23-27]。例如Borner等[15]以Opata85×W7984构建的RIL群体在1AS、2D、4AL和6AS上共检测到4个株高主效QTL。Sourdile等[16]利用DH群体在4BS、4DL、7AL和7BL染色体上定位到4个株高相关QTL。Liu等[24]对5个不同发育时期株高性状的QTL进行分析，共定位到9个非条件QTL和6个条件QTL，分别位于2B、2D、3B、4A、4B、4D、5A和7B染色体上。Griffiths等[25]利用4个DH群体检测到16个株高Meta-QTL，分布于除3D、4A、5D、7A、7B、7D之外的所有染色体上。

　　1.3小麦株高相关基因的克隆及其变异类型

　　目前，只有少数小麦矮秆主效基因被克隆。利用比较基因组学，Rht-B1b和Rht-D1b分别定位在4B和4D染色体的短臂上，研究发现它们在降低株高之后能显著提高小麦的产量[8]，由于定位材料的差异，当前共挖掘到Rht-B1b的6个等位变异基因(Rht-B1c、Rht-B1d、Rht-B1e、Rht-B1f、Rht-B1g和Rht-B1p)和Rht-D1b的4个等位变异基因(Rht-D1a、Rht-D1b、Rht-D1c和Rht-D1d)，例如Rht-B1c是Rht-B1b的自然突变基因，与Rht-B1b相比，Rht-B1c有一个2kb的转座子插入，在基因上游序列有4个SNP位点，在编码区有3个SNP位点和1个197bp的序列插入[38];Rht-B1e和Rht-B1a的序列比较发现，在Rht-B1e核苷酸181位置出现A和T的置换，造成DELLA结构域的终止。Rht-A1，是Rht-B1和Rht-D1的同源基因，在面包小麦中被发现并得到了基因序列，但是其连锁的遗传标记并没有鉴定和挖掘。

　　Ford等[4]经过遗传群体定位和功能分析初步发现在SNP位点IWA3230和IWB62878标记之间的TaGA2oxA9基因为赤霉素敏感型矮秆基因Rht18。Bazhenov等[39]发现了Rht-B1基因的第178核苷酸处发生了C到T的替换，并引起了DELLA结构域的提前终止，将其命名为Rht-B1p，通过对该基因构建分离群体发现，Rht-B1p可以引起株高降低约30~50%，并判断Rht-B1p基因为早期鉴定到的Rht17基因。Sun等[40]在定位Rht12基因及转录组分析发现，在5AL染色体Rht12区域的483kb范围内检测到一个赤霉素失活酶基因TaGA2oxA8，该基因可以引起植株矮化。

　　Zhao等[41]利用EMS技术突变苏麦3号小麦，在5D染色体Rht23位置处的Q基因(5Dq)中检测出一个SNP位点，引起突变植株矮化，并伴随着株型紧凑，根据该SNP位点开发的标记在RIL群体中与Rht23共分离，初步认为该基因为Rht23基因。迄今为止，大部分矮秆基因只是在QTL分析和初步定位的阶段，并没有明确的证据获得目的基因。

　　2小麦株高相关基因的分子标记开发及其在育种中的应用

　　2.1小麦株高相关基因的标记开发

　　绿色革命之前，生产上普遍利用的地方品种收获指数较低。矮秆基因的引入大幅度提高了小麦产量。传统小麦育种主要从表型的选择入手，但是环境条件、基因间互作均会对植物表型产生影响，从而降低育种效率。因此，与株高相关基因的分子标记挖掘和育种利用可以提高育种的选择效率，也成为当前株高选择的研究热点之一。但小麦中株高基因克隆的还比较少，相应开发的功能标记也很少，与矮秆基因连锁的分子标记研究的比较多。

　　Ellis等[62]开发了多个矮秆基因的连锁标记，包括Rht4(Xwms317)、Rht5(Xbarc102)、Rht8(Xgwm261)、Rht9(Xbarc410)、Rht12(Xwmc410)和Rht13(WMS577)。Li等[51]在克隆Rht-B1e和研究其功能的同时，基于差异序列开发了NH.BF.2和Me.R引物的特异标记，用来检测目标基因Rht-B1e。Tian等[29]在定位Rht24基因时检测到Rht24基因的连锁标记Xbarc103和Xwmc256。借助660K芯片加密6A染色体，利用Rht24附近的基因开发的SNP标记TaFAR和TaAP2鉴定了Rht24的品种分布情况。

　　3展望

　　虽然小麦中已经定位克隆了一些与株高性状相关的QTL和基因，但与玉米、水稻等二倍体作物相比，关于小麦株高基因分子调控机制、激素代谢和信号传导等方面的研究还不够深入。另外，小麦基因组庞大(16Gb，约是水稻基因组的40倍)，结构复杂，也限制了关于株高形成基因的定位、克隆及调控机理的研究。

　　农作物种植论文范例：高产稳产小麦新品种轮选1658的选育及其栽培技术

　　当前，随着二代和三代测序技术快速发展，小麦基因组工作取得突破性进展：普通小麦中国春的全基因组鸟枪法测序[74]，粗山羊草物理图谱构建[75]，3B染色体基因精细图谱绘制[76]，普通小麦A基因组原始二倍体供体乌拉尔图小麦(AA)[77]和D基因组供体粗山羊草(DD)的基因组测序[78-79]，整合来自BAC序列、全基因组重测序序列以及BioNano单分子光学图谱技术等数据，组装了D基因组的7条染色体序列[80]，IWGSC公布最新的中国春参考序列(IWGSCRefSeqv1.0)。这些基因组数据为小麦功能基因组学研究奠定了坚实基础。

　　参考文献

　　[1]JuliaB,JaneEP,ElizabethAA,GilesEDO,JulianIS.GeneticstrategiesforimprovingcropyieldsNature,2019,575:109-118

　　[2]DongHX,YanSL,LiuJ,LiuP,SunJQ.TaCOLD1definesanewregulatorofplantheightinbreadwheat.PlantBiotechnologyJournal,2019,17:687-699

　　[3]SunTP.Gibberellin-GID1-DELLA:apivotalregulatorymoduleforplantgrowthanddeelopment.PlantPhysiology,2010,154:567-570

　　[4]FordBA,FooE,SharwoodR,KarafiatovaM,VránaJ,MacMillanC,NicholsDS,SteuernagelB,UauyC,DolezelJ,ChandlerPM,SpielmeyerW.Rht18semidwarfisminwheatisduetoincreasedGA2-oxidaseA9expressionandreducedGAcontent.Plant.Physiology,2018,177:168-180

　　作者：吕广德1，靳雪梅2，郭营3，赵岩3，钱兆国1，吴科1，李斯深3