全 文 ：文章编号 :100028551 (2005) 012037204 综　述
植物形态建成基因 :遗传操作提高作物产量的靶标
贾小云1 　贺立恒2 　李润植1
(11 山西农业大学农业生物技术中心 ,山西 太谷　030801 ;21 山西省农科院果树研究 ,山西 太谷　030815)
摘 　要 :本文主要论述作物矮化基因和分蘖相关基因的研究进展 ,以及这些基因作为遗传操作
的分子靶标在增加粮食产量方面的重要应用价值。
关键词 :矮化 ;分蘖 ;遗传操作 ;作物产量
CENES UNDERLYING PLANT ARCHITECTURE :TARGETS
FOR INCREASING GRAIN YIELDS BY GENETIC MANIPULATION
J IA Xiao2yun1 　HE Li2heng2 　LI Run2zhi1
(11 Center for Agricultural Biotechnology , Shanxi Agricultural University , Taigu , Shanxi ,030801 ;
21 Pomology Research Institute , Shanxi Academy of Agricultural Science , Taigu , Shanxi ,030815)
Abstract :In the paper , the current progress of dwarfing and tillering2related genes is reviewed. It is also discussed
the important usage of these genes as the molecular target for increasing crop grain yields by genetic manipulation.
Key words :dwarfing genes ; tillering2related genes ; genetic manipulation ; crop yields
收稿日期 :2004207220
基金项目 :国家教育部科技重点项目 (2002203) 和国家教育部归国留学人员科研基金 (2001211)
作者简介 :贾小云 (1976 - ) ,女 ,硕士研究生 ,研究方向为分子遗传基因工程。E2mail :gssjxy @sohu. com。李润植为通讯作者 ,Tel :0354
6288374 ,E2mail : rli2001 @hotmail . com
随着世界人口的迅猛增长和可耕地面积愈来愈少 ,世界粮食安全问题日趋严重。传统农业技术及
发展 ,为解决世界粮食问题做出了重大贡献。然而 ,传统农业技术在继续提高粮食产量方面的潜力有
限。因此 ,开发和建立提高粮食作物单产的新技术体系 ,仍是人们关注的重要课题。随着分子生物学和
基因组学的飞速发展 ,对作物高产性状 ,高产机理及其相关基因的研究愈加深入 ,应用基因工程技术对
作物进行遗传改良已成为提高粮食作物产量的有效途径[1 ,2 ] 。作物株形和形态结构是影响作物籽粒产
量的重要农艺性状之一。近年来 ,有关植物形态建成的相关分子遗传研究取得了可喜的进展 ,相继克隆
了一些参与植物形态建成的基因。结合我们所开展的研究工作 ,本文主要论述作物矮化基因和分蘖相
关基因的研究进展 ,以及这些基因作为遗传操作的分子靶标在增加粮食产量方面的重要应用价值。
1 　矮化基因及其遗传操作
111 　矮化基因的克隆及功能
近年来 ,小麦和水稻等作物的矮化基因已相继被鉴定和克隆。Peng 等[3 ] 鉴定了小麦矮化基因
Rht1 ,并证明 Rht1 是拟南芥赤霉酸 ( GA)不敏感基因 GAI ,拟南芥 ga123 阻遏物基因 RGA , 玉米矮化基因
D8 ,大麦纤细型基因 Sln1 和水稻纤细型基因 Slr1 的正向同源基因[4～7 ] 。遗传分析表明这些基因使植株
对 GA 信号反应不敏感[8 ] ,其编码产物为转录因子 ,属于 GRAS 蛋白质家族。
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与小麦 Rht1 等矮化基因相反 ,水稻隐性半矮化基因 sd1 是 GA 信号敏感型的 ,对其突变体施用 GA
可使植株恢复到正常的植株高度 ,这表明 sd1 突变体是 GA 合成缺陷型的[9 ] 。3 个研究小组独立地分离
到 sd1 基因 ,且通过克隆和序列分析证明它编码一个参与 GA 生物合成的酶 —GA - 20 - 氧化酶
(OsGA20ox) [10～12 ] 。其中有 2 个研究组运用图位克隆策略检测出 OsGA20ox 的一个开放阅读框 (ORF) ,这
个 ORF 与染色体 1 长臂上的 sd1 位点紧密相连[10 ,12 ] 。另一个研究组则依据 GA 含量的突变效应推导出
基因的特性 ,并运用 PCR 扩增了 2 个 OsGA20ox 基因的相应片段 ,其中一个已作图于 sd1 位点。GA20ox
是依赖于 20 - 酮戊酸的双加氧酶 ,能催化 GA 生物合成中 C220 的切除[13 ] 。在水稻中现已鉴定出 4 种
GA20 氧化酶基因 ( OsGA20ox124) , 它们在生殖器官中都表达 ,其中 3 种 ( OsGA20ox2 , OsGA20ox1 和
OsGA20ox4) 也在植物营养器官中重叠表达[14 ] 。
112 　矮化基因的遗传操作
上述有关作物矮化基因的克隆和功能分析 ,展示出对这些基因进行遗传操作 ,培育适度矮化作物高
产品种的可行性和有效性。例如 ,通过遗传转化导入单个显性矮秆基因就很容易获得理想矮化植株表
型。由于 GA 代谢的调控与植株矮化表型及其它形态建成密切相关 ,通过对参与 GA 代谢酶基因进行遗
传操作 ,减少内源性 GA 的含量 ,亦可获得理想的矮化表型。
过量表达 GA 分解酶 —GA22氧化酶 ,可大幅度减少有生物活性 GA 的含量 ,从而使植株高度降低。
在肌动蛋白组成性启动子 ( Actin1) 驱动下 ,水稻 GA22氧化酶基因 OsGA2ox1 的过量表达 ,引起极明显的
矮化表型[15 ,16 ] 。用豆类 GA22氧化酶基因 PcGA2ox1 转化的拟南芥和小麦植株 ,也表现出相似的矮化性
状[13 ,17 ] 。值得指出的是 ,这些转化体在花器官和籽粒发育方面有严重的缺陷。使用组织特异性或者器
官特异性启动子驱动 GA22氧化酶超表达 ,既可获得理想矮化性状 ,又不影响生殖器官中 GA 含量 ,从而
确保籽粒良好发育。例如 ,催化 GA 生物合成途径最后一步反应的水稻 GA32氧化酶基因就具有组织特
异性启动子[15 ] 。水稻含有两个 GA32氧化酶基因。一个是 OsGA3ox1 ,它只在生殖器官中专一性表达 ;另
一个是 OsGA3ox2 ,仅在营养器官中表达。OsGA3ox2 的功能丧失性突变体 d18 ,其茎的延伸生长受阻 ,花
和种子则正常发育。因此 ,D18 启动子驱动 OsGA2ox1 异位表达的转基因水稻植株 , GA 生物合成的抑制
被限制在叶和茎组织中 ,植株表现为适度矮化。由於花器官中 GA 合成不受影响 ,籽粒就能正常发育形
成。
然而 ,植株体内 GA 水平存在自我调节机制 ,它通过 GA 生物合成酶基因的负反馈调节和分解酶基
因的正向调节 ,使 GA 含量维持一定水平。当我们通过基因操作来改变 GA 水平时 ,GA 的这种自我调节
特性可能会产生一些意外的表型。例如 , Itoh 等培育的水稻 GA 32氧化酶基因 ( OsGA3ox2) 的反义转化
体[18 ] ,只有少数转基因植株表现为所期望的半矮秆性状 ,且不能稳定地遗传。在拟南芥 GA 202氧化酶
基因的反义转化体植株中也得到了类似的结果。这被认为是 GA 含量的减少诱发了其它 GA 生物合成
基因的反馈正调节所致[18 ,19 ] 。使用 OsGA3ox2ΠD18 启动子则能够调控这种稳态机制 ,获得稳定半矮秆性
状。OsGA3ox2ΠD18 启动子控制 GA22氧化酶基因 ( OsGA2ox1) 的表达 ,可使 GA 含量降低。低含量的 GA ,
反过来将会等量地上调 OsGA3ox2 的表达和转入的 OsGA2ox1 的表达 ,这样就克服了这种稳态机制的约
束 ,得到了理想的半矮秆性状。因此 ,在对 GA 代谢途径进行基因操作时 ,要设计出调控这种 GA 稳态机
制的有效方案 ,以达到基因改良的预期效果。
2 　分蘖或分枝相关基因的克隆及功能
分蘖Π分枝是植物形态建成的一个重要性状。小麦 ,水稻和谷子等禾谷类作物都具有分蘖特性。分
蘖力强弱 ,尤其是有效分蘖 (能正常形成籽粒的分蘖)数量直接影响着穗数的多少 ,是决定籽粒产量高低
的一个主效因子。培育分蘖数可控的高产品种一直是作物育种的重要目标。有关分蘖性状的分子遗传
研究进展为此奠定了基础。
分枝的形成一般分为两个阶段 ,即茎尖分生组织产生腋芽原基和从腋芽原基生长成侧枝。迄今已
发现、鉴定和克隆了一些参与分枝形成这两个阶段的基因 ,例如 TB1 , OsTB1 , MOC1 和 Ls 等基因。玉米
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分枝基因 TB1 编码一种含有碱性螺旋2环2螺旋 (bHLH) DNA 结合基序的转录因子[20 ] 。它主要在腋芽组
织中表达 ,抑制侧枝形成 ,它的功能缺失突变 ( tb1) 引起侧枝增生。因此 ,玉米 TB1 对腋芽的生长起负
调节作用[21 ] 。
依据谷类作物基因组序列比较分析 ,发现水稻基因组中存在着玉米 TB1 的正向同源基因 ,即水稻
的 TB1 基因 ( OsTB1) [22 ] 。采用一系列正向和反向遗传学技术对水稻 OsTB1 的研究显示 , OsTB1 与玉米
TB1 有相似的特性 :即 OsTB1 mRNA 在腋芽部位表达 , OsTB1 cDNA 过量表达的转基因水稻的分蘖数明
显减少。然而 , OsTB1 功能丧失突变体 fc1 (fine culm1)的分蘖数却明显增加[23 ] 。这说明水稻 OsTB1 也是
侧芽生长的负调节因子。这两个基因主要控制从腋芽原基到侧枝形成的生长过程。
拟南芥的 REV 基因 ,番茄 Blind ( Bl) 和 Ls (lateral suppressor) 基因则主要控制侧芽的启始 (即腋芽原
基的形成) 。REV 基因编码一种转录因子 ,属于含有固醇结合域的植物同源域亮氨酸拉链 ( HD2ZIP2
START)基因家族成员[24 ] 。它通过激活一些调节分生组织基因的表达而控制侧芽分生组织的形成。Bl
基因编码的转录因子则属于控制许多不同调节途径的 MYB 家族 R2R3 蛋白[25 ] 。Ls 基因编码的转录因
子为含有保守的 VHIID 基序的 GRAS 调节蛋白家族成员 ,它的功能缺失突变体表型为番茄植株无分枝 ,
无花被 ,雌雄育性降低 ,这是由于腋芽分数组织的启始被阻断所致[26 ] 。显然 ,Ls 基因对侧枝形成起正调
节作用。
水稻的另一个与分蘖相关的基因是单秆基因 MOC1。我国学者通过对 MOC1 基因座的定位克隆 ,
成功地分离到此基因 ,并对其功能进行了详尽的论证[27 ] 。MOC1 功能缺失隐性突变体几乎没有分蘖能
力 ,只生成 1 根主茎。MOC1 是水稻基因组的一个单拷贝基因 ,它编码一种核转录因子 ,属于 GRAS 调节
蛋白家族。该转录因子与番茄 Ls 具有同源性。研究表明 ,在腋芽形态特征发生可观察到的变化之前 ,
少数腋芽表皮和皮下细胞中可检测到 MOC1 mRNA 的表达。随着生长发育 , MOC1 mRNA 的表达扩展到
腋芽分生组织和整个分蘖芽中。MOC1 既能激活侧芽分生组织和侧芽原基的形成 ,也可促进腋芽的生
长[27 ] 。与番茄 Ls 相似 , MOC1 的功能也是腋芽原基形成和侧枝生长的正调节物。可见 ,这两个基因主
要控制侧芽分生组织及原基形成。对水稻分蘖而言 , MOC1 正向调节分蘖原基的形成 , OsTB1 则负向调
节分蘖的生长。对这两个基因进行遗传操作 ,可望培育出具有理想分蘖数 ,且籽粒产量高的水稻品种。
3 　展望
为了满足世界人口对粮食日益增长的需求 ,建立培育高产粮食作物品种的新技术体系日显迫切。
确定出要具体改良的性状和遗传修饰的分子靶标 ,是提高应用基因工程技术培育作物高产品种效率的
关键之一。应用分子标记技术对作物形态建成等与产量相关的主要农艺性状进行遗传作图和 QTL 分
析 ,是发现控制产量性状的基因族群和分离相关主效基因的一条可行途径 ,可为遗传改良分子靶标的确
定奠定基础。我们曾对小麦株高性状[28 ] ,水稻株高、单株有效穗数和子粒产量等进行了分子作图和
QTL 分析 ,并探讨了 QTL 之间及其与环境的互作效应 ,找到了一些与产量有关的主效 QTL 和具有多效
性的 QTL [29 ] , 有利于进一步鉴定遗传操作的分子靶标。
通过上述矮化和分枝基因的遗传操作 ,将半矮秆特性和分蘖有机结合 ,培育理想的株型和形态结
构 ,使构成籽粒产量的各要素形成最佳平衡 ,将可能极大地提高粮食作物产量。应用精可诱导基因表达
的顺式元件调控矮化基因表达已有成功的实践 ,进一步可用来在田间实现对株型的时空调节 ,提高作物
产量[30 ] 。拟南芥油菜素类固醇不敏感基因 BRI1 是油菜素类固醇的一个受体 ,拟南芥 bri1 突变体表现
为油菜素类固醇不敏感的极矮秆表型[31 ] 。BRI1 在大麦 ,水稻基因组中的同源基因是 uzu[30 ] 和 OsBRI1。
OsBRI1 控制的水稻 d61 突变体[33 ] ,不仅表现为半矮秆 ,而且它的叶子是直立的。因为直立的叶子可以
更有效地捕获光能[34 ] ,这一表型在培育高产品种上更有价值。油菜素类固醇 (BR) 在植物细胞伸长 ,雄
性不育 ,衰老和木质部分化等生长发育中起重要作用[35 ] 。这种与 BR 信号相关的形态性状 ,将是培育作
物高产品种的又一个主要遗传修饰靶标。
参与矮化 ,分蘖等植物形态建成的基因编码的蛋白质多数为转录因子。有关这些基因突变体表型
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的遗传研究表明[25 ] ,它们分别作用于不同的生长发育途径 ,亦有相互影响的例证。在植物形态建成的
调控网络中 ,这些基因是如何在时空上协同行使功能 ,目前还不清楚。进一步综合应用基因组学 ,转录
组学 ,蛋白组学和代谢物组学等研究数据 ,将有助于更全面认识植物形态建成基因调控网络的运行机制
和建立更有效的提高作物产量的遗传改良技术体系。
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抗蚜鉴定结果。本次试验以肖松华的分级标准来进行抗性鉴定 ,这是因为他的分级标准是以对照为参
照物 ,而不是以抗蚜或感蚜品种为对照。因此 ,尽管彩色棉也是陆地棉 ,但遗传背景与白色陆地棉相比
还是有差异 ,还需进一步对转基因彩色棉进行棉蚜抗性试验 ,同时将抗棉蚜陆地棉品种 (白色棉)也作为
对照 ,从而筛选出抗棉蚜转基因彩色棉。并且系统研究彩色棉抗蚜鉴定方法和分级标准 ,为今后抗棉蚜
彩色棉品种育种奠定基础。
致谢 :本试验承蒙新疆农业大学农学院于江南老师指导 ,在此表示衷心的感谢 !
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