贾冠清等:主要农作物驯化研究进展与展望 1361 221落粒性在水稻中,Zhou等利用一个野中,相同性状的驯化机制可能是完全不同的。 生稻染色体片段渗入系S14,采用Coy-射线处22株型穗型在水稻中,Zhu等以特青为 理,获得了落粒渗入系的不落粒突变体shI,经过受体亲本,利用野生稻染色体片段渗人系Y31构 图位克隆分析,发现突变基因SHAT′编码一个AP2建的重组分离群体,采用图位克隆的技术手段,克 家族蛋白,该基因的第1个外显子区41~42位碱基隆了控制水稻松散穗型基因 OsLO I,该基因编码 处发生的单碱基缺失导致了移码突变和蛋白翻译个 SBP-domain家族转录因子蛋白。研究发现, 的提前终止。由于SHA可特异地维持水稻穗部在野生稻和栽培稻群体间,OsLG/上游调控区存 小花枝梗离层的形成,突变体无法产生离层,从而在的一个单碱基替换导致了水稻穗型由野生稻的 克服了落粒性的产生。进一步的研究发现,SHAT松散型驯化为栽培水稻的紧凑型,揭示了人类对作 的表达受到SH4的调控,并且SHAT/和SH4作用物驯化基因的选择完全可以发生在顺式调控元件 于qSH的上游,共同影响水稻离层的分化形成;区域,并且这样的选择类型非常高效;Hua等 Wu等s以非洲栽培稻为研究对象,通过构建非93-11为受体亲本,创制鉴定野生稻染色体片段渗 洲野生稻的染色体片段渗入系,对一个控制落粒性入系9YIL304,具有芒长增加的表型,图位克隆了控 的QL位点进行了图位克隆,分离得到了一个水制基因 LABAI,发现该基因编码一个细胞分裂素活 稻新的落粒基因GL4,该基因编码一个MYB家族化酶,在栽培水稻中,由于该基因发生的一个移码突 转录因子,基因编码区的一个单碱基突变导致了栽变,导致细胞分裂素含量在芒生长原基中的含量减 培稻中编码蛋白的提前终止,穗部小花枝梗离层无低,从而使栽培水稻芒长变短。序列分析结果表明 法形成,从而克服了落粒性的产生。这一研究结LABA附近存在一个800kb的核酸序列多样性选 果为深入认识非洲栽培稻的驯化过程提供了基础择清除区域,单倍型溯源分析结果表明,LABA最 数据。 先在粳稻中被驯化选择,之后扩散渗入到籼稻中,提 在高粱中,Lin等构建了一个远缘杂交群示该基因在水稻驯化的早期受到了人工选择。 体,采用图位克隆技术手段,克隆了高粱落粒性控 在玉米中, Studer等)对玉米驯化基因TBl 制基因S,编码一个 YABBY家族转录因子,在栽的遗传机制进行了深入的研究,通过远缘杂交手段 培高粱中,共检测到了3种不同的功能弱化变异,获得了18个TBl基因组区段的玉米一大刍草基因 包括启动子区出现的碱基变异导致表达量的降低,区段重组单株,并获得了这18个重组基因组区段的 编码区22kb片段的缺失导致产生截断的蛋白,以近等基因系,通过遗传效应分析,结合多样性变异 及内含子区的一个“ GT-to-GG”变异导致的可变剪发现一个 Hopscotch转座元件插入到了TB/基因的 切。Sh/单倍型分析结果提示高粱可能具有3次独上游,并且通过影响TBl的表达量控制分支分蘖性 立的起源。深人的研究分析发现,水稻中的同源基的改变。单倍型分析结果证实了在栽培玉米中几 因OsSh和玉米中的同源基因ZmSh-1和ZmSh-乎都含有这一 Hopscotch转座元件,而野生种大刍 5|+ZmSh1-5.2具有相同的功能。这一研究结果支草中却几乎没有这一转座元件。分子时钟分析结 持在高粱、水稻和玉米中存在落粒基因位点的平行果表明, Hopscotch转座元件的插入时间至少距今 驯化选择的推论。 万年,远在玉米驯化之前。研究结果证实了正是 在大麦中, Pourkheirandish等通过利用野生由于人类对这一转座元件插入事件的选择,推动了 大麦与栽培大麦的远缘杂交群体,采用图位克隆的玉米的驯化进程,结果也再次验证了转座元件是物 方法,克隆了大麦落粒基因Bm1和Br2。其中基因种基因组进化的主要动力;Tian等3采用图位克 Bt编码—个跨膜蛋白,Bm2编码了一个具有CAR隆技术,定位克隆了控制玉米叶片夹角的关键驯化 和PIP结构域的可溶性蛋白。研究发现在Bm和基因UPA2,并证实了这一主效位点在玉米的驯化 Bm2中分别发生了1bp和1lbp的碱基缺失,导致过程中被选择丢失了,该位点变异发生在 ZmRAVLI 翻译蛋白不完整,从而使栽培大麦获得了不落粒的基因的上游调控区,是一个2bp的碱基插入,可以 特性。形态解剖观察结果表明,大麦的落粒性是由导致玉米叶夹角变小,并通过研究发现,该驯化基 于小穗轴部细胞的细胞壁过薄导致穗轴过脆,从而因的育种应用可以显著提高玉米在密植条件下的 产生的落粒现象,与水稻中由于离层的产生导致的产量水平; Bommert等0利用 TILLING技术,验 落粒机制完全不同,这也从侧面揭示了在不同作物证了玉米控制果穗行粒数的驯化基因 FASCIATED6 期 贾冠清等：主要农作物驯化研究进展与展望 1361 2.2.1 落粒性 在水稻中，Zhou 等［49］利用一个野 生稻染色体片段渗入系 SL4，采用 60Co γ- 射线处 理，获得了落粒渗入系的不落粒突变体 shat1，经过 图位克隆分析，发现突变基因 SHAT1 编码一个 AP2 家族蛋白，该基因的第 1 个外显子区 41~42 位碱基 处发生的单碱基缺失导致了移码突变和蛋白翻译 的提前终止。由于 SHAT1 可特异地维持水稻穗部 小花枝梗离层的形成，突变体无法产生离层，从而 克服了落粒性的产生。进一步的研究发现，SHAT1 的表达受到 SH4 的调控，并且 SHAT1 和 SH4 作用 于 qSH1 的上游，共同影响水稻离层的分化形成； Wu 等［51］以非洲栽培稻为研究对象，通过构建非 洲野生稻的染色体片段渗入系，对一个控制落粒性 的 QTL 位点进行了图位克隆，分离得到了一个水 稻新的落粒基因 GL4，该基因编码一个 MYB 家族 转录因子，基因编码区的一个单碱基突变导致了栽 培稻中编码蛋白的提前终止，穗部小花枝梗离层无 法形成，从而克服了落粒性的产生。这一研究结 果为深入认识非洲栽培稻的驯化过程提供了基础 数据。 在高粱中，Lin 等［69］构建了一个远缘杂交群 体，采用图位克隆技术手段，克隆了高粱落粒性控 制基因 Sh1，编码一个 YABBY 家族转录因子，在栽 培高粱中，共检测到了 3 种不同的功能弱化变异， 包括启动子区出现的碱基变异导致表达量的降低， 编码区 2.2 kb 片段的缺失导致产生截断的蛋白，以 及内含子区的一个“GT-to-GG”变异导致的可变剪 切。Sh1 单倍型分析结果提示高粱可能具有 3 次独 立的起源。深入的研究分析发现，水稻中的同源基 因 OsSh1 和玉米中的同源基因 ZmSh1-1 和 ZmSh1- 5.1+ZmSh1-5.2 具有相同的功能。这一研究结果支 持在高粱、水稻和玉米中存在落粒基因位点的平行 驯化选择的推论。 在大麦中，Pourkheirandish 等［72］ 通过利用野生 大麦与栽培大麦的远缘杂交群体，采用图位克隆的 方法，克隆了大麦落粒基因 Btr1 和 Btr2。其中基因 Btr1 编码一个跨膜蛋白，Btr2 编码了一个具有 CAR 和 PIP 结构域的可溶性蛋白。研究发现在 Btr1 和 Btr2 中分别发生了 1 bp 和 11 bp 的碱基缺失，导致 翻译蛋白不完整，从而使栽培大麦获得了不落粒的 特性。形态解剖观察结果表明，大麦的落粒性是由 于小穗轴部细胞的细胞壁过薄导致穗轴过脆，从而 产生的落粒现象，与水稻中由于离层的产生导致的 落粒机制完全不同，这也从侧面揭示了在不同作物 中，相同性状的驯化机制可能是完全不同的。 2.2.2 株型穗型 在水稻中，Zhu 等［18］以特青为 受体亲本，利用野生稻染色体片段渗入系 YIL31 构 建的重组分离群体，采用图位克隆的技术手段，克 隆了控制水稻松散穗型基因 OsLG1，该基因编码 一个 SBP-domain 家族转录因子蛋白。研究发现， 在野生稻和栽培稻群体间，OsLG1 上游调控区存 在的一个单碱基替换导致了水稻穗型由野生稻的 松散型驯化为栽培水稻的紧凑型，揭示了人类对作 物驯化基因的选择完全可以发生在顺式调控元件 区域，并且这样的选择类型非常高效；Hua 等［17］ 以 93-11 为受体亲本，创制鉴定野生稻染色体片段渗 入系 9YIL304，具有芒长增加的表型，图位克隆了控 制基因 LABA1，发现该基因编码一个细胞分裂素活 化酶，在栽培水稻中，由于该基因发生的一个移码突 变，导致细胞分裂素含量在芒生长原基中的含量减 低，从而使栽培水稻芒长变短。序列分析结果表明， LABA1 附近存在一个 800 kb 的核酸序列多样性选 择清除区域，单倍型溯源分析结果表明，LABA1 最 先在粳稻中被驯化选择，之后扩散渗入到籼稻中，提 示该基因在水稻驯化的早期受到了人工选择。 在玉米中，Studer 等［59］对玉米驯化基因 TB1 的遗传机制进行了深入的研究，通过远缘杂交手段， 获得了 18 个 TB1 基因组区段的玉米—大刍草基因 区段重组单株，并获得了这 18 个重组基因组区段的 近等基因系，通过遗传效应分析，结合多样性变异， 发现一个 Hopscotch 转座元件插入到了 TB1 基因的 上游，并且通过影响 TB1 的表达量控制分支分蘖性 的改变。单倍型分析结果证实了在栽培玉米中几 乎都含有这一 Hopscotch 转座元件，而野生种大刍 草中却几乎没有这一转座元件。分子时钟分析结 果表明，Hopscotch 转座元件的插入时间至少距今 1 万年，远在玉米驯化之前。研究结果证实了正是 由于人类对这一转座元件插入事件的选择，推动了 玉米的驯化进程，结果也再次验证了转座元件是物 种基因组进化的主要动力；Tian 等［58］采用图位克 隆技术，定位克隆了控制玉米叶片夹角的关键驯化 基因 UPA2，并证实了这一主效位点在玉米的驯化 过程中被选择丢失了，该位点变异发生在 ZmRAVL1 基因的上游调控区，是一个 2 bp 的碱基插入，可以 导致玉米叶夹角变小，并通过研究发现，该驯化基 因的育种应用可以显著提高玉米在密植条件下的 产量水平；Bommert 等［20］利用 TILLING 技术，验 证了玉米控制果穗行粒数的驯化基因 FASCIATED