赵永亮，李美美

(河南工业大学生物工程学院，河南郑州 450001)

作物驯化在人类从狩猎和采摘的原始生活状态到农耕文明的演化过程中起着至关重要的作用。作物驯化的特点是关键性状的改变，主要涉及株型、穗型、落粒性、芒性、丰产性等，栽培作物与其野生祖先存在一系列表型的差异，这些差异被称作驯化综合征。驯化谷类作物与其野生后代之间最显著的差异是穗的脱节。落粒是许多植物适应自然环境、自我繁殖、保存种群的一个基础生物学特性，却是作物栽培和生产中首先要克服的一个缺点。落粒性的丧失是谷类作物人工驯化过程中的一个关键事件,是谷类作物驯化的首要性状，也是驯化研究的典型性状。野生谷类作物的穗在成熟时破碎，而驯化谷类作物的穗保持完整，使之更容易收获。因此，坚穗被认为是驯化谷类作物的诊断指标。

麦类作物是最早被驯化的作物之一，麦类作物的脆穗性状是科学家们最早关注的脆性性状，也是目前研究比较热门的领域。本文就麦类作物小穗轴节的脆性与作物驯化、大麦脆穗基因与驯化模式、小麦脆穗基因的同源性和多态性以及影响麦类作物脆穗形成的其他机制等方面的研究进展进行综述，并对麦类作物脆穗基因的研究方向进行展望。

1 麦类作物的脆穗性状与作物驯化

根据麦类作物小穗轴成熟后断裂与否，可分为脆穗和坚穗两种类型。人们最早关注作物穗轴的脆性性状可追溯到一百多年前，普通大麦中的野生种和大麦属其他所有近缘野生种都为脆穗类型，它们的种子成熟时，每个穗轴节点迅速脱落，形成典型的楔形小穗；而栽培大麦都是坚穗类型。野生大麦的脆穗性状属于一种普遍的自然适应现象，有助于每个小穗相互分离以及籽粒与芒分散，有利于其传播和繁衍后代。栽培大麦的坚穗性状更有利于种子的收获，减少籽粒损失，是人工选择的结果。从解剖学上来看，脆穗性状表现为穗轴着生点明显收缩，穗轴断裂产生的疤痕是光滑的，易于种子散落；而坚穗性状表现为穗轴断裂后，会产生比较粗糙的疤痕，因而种子不易脱落。坚穗性状的出现是大麦最重要的驯化事件，也是区别栽培大麦与野生大麦的最主要依据。

从脆穗到坚穗性状的转化是麦类作物驯化过程中的普遍现象，除大麦外，目前，已报道的具有脆穗性状的麦类作物主要有一粒小麦()、硬粒小麦()、普通小麦()、节节麦()、西藏半野生小麦(ssp.shao)、斯卑尔脱小麦()等。

2 大麦的脆穗基因与驯化

大麦驯化中最重要的坚穗基因为和，均为隐性基因，任何一个独立存在均可导致坚穗性状。西方栽培大麦携带，东方栽培大麦携带，均表现为坚穗性状；野生大麦携带双显性基因，其成熟后小穗节点剧烈收缩断裂，表现为脆穗性状；而和两种基因型的栽培大麦，成熟后小穗节点并不收缩断裂，均表现为坚穗性状。遗传学研究表明，和紧密连锁，定位于大麦3H染色体短臂上。目前已通过图位克隆，精细定位并克隆到和基因。和分别编码含有196和202个氨基酸的蛋白质，序列比对表明，坚穗轴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。

根据和的定位、分子特征及突变后的相同表型，推测在介导细胞壁厚度方面，和可能为潜在的受体-配对体。按照这一假设，特定基因型的坚穗栽培大麦杂交，比如杂交，其F代便是脆穗型的。试验证明，与其他基因型相比，携带上述坚穗基因的亲本杂交后代的轴脆性显著提高，此外，坚穗杂交种(×或×)中轴节分离的百分比高于亲本，进一步揭示了控制穗轴脆性性状的其他显性遗传因子的存在。

通过分析野生和栽培大麦中和基因的等位变异，认为历史上和基因分别在地中海黎凡特的南部和北部先后被独立驯化选择，大麦种子散落系统的进化模式如图1所示。

图1 大麦种子散落统的进化[10]Fig.1 Evolution of the grain dispersal system in barley[10]

3 小麦的脆穗基因与驯化

3.1 野生二粒小麦的脆穗基因

野生二粒小麦(var.)的脆穗性由位于3A和3B染色体的两个显性基因控制，分别命名为和。目前，随着大麦基因的克隆和野生二粒小麦基因组的破解，这两个重要的脆穗基因已经被成功克隆。野生二粒小麦()和()基因与大麦脆穗基因属于直系同源基因，表现为同一基因的平行驯化过程。对于基因，其驯化型等位基因在编码区90 bp位置存在2 bp的缺失，导致移码突变和提前终止。相比于具有196个氨基酸的正常蛋白，驯化型等位基因的预测蛋白仅有97个氨基酸，失去了正常功能。同样，由于的驯化型等位基因在编码区39 bp位置存在4 bp的插入，导致移码突变和延迟终止，最终，驯化型等位基因编码蛋白的C端序列要长于正常蛋白，同样导致正常功能丧失。

与大麦基因的显性效应不同，野生二粒小麦()和()基因具有数量效应，其中携带或/基因型的小麦穗表现为半脆性。这种半脆性使这些植物在收获期间具有相对优势。AVNI等和NAVE等推测，半脆性个体在种群中的比例会随着时间的推移而增加，并最终趋于稳定。随后，小麦驯化过程将继续进行，/基因型突变的获得和聚合，导致驯化的坚穗表型丧失了在自然界中的生存能力(图2)。

3.2 野生二粒小麦脆穗基因的驯化

结合考古发现与分子遗传学数据，确认野生二粒小麦的驯化源于公元前1万年的新月沃土地区。在作物被驯化以前，早期人类持续了大约1万年左右的采集生活。与大麦相比，小麦的驯化过程更为复杂，野生二粒小麦的驯化可分为四个步骤：首先，野生二粒小麦中控制脆穗性的两个主效基因和最早被驯化，形成坚穗性的栽培二粒小麦(ssp.)；接着，影响栽培二粒小麦落粒性的基因被驯化为，形成易落粒的二粒小麦；随后，高度驯化易落粒的二粒小麦与节节麦杂交形成原始的六倍体小麦，并引入了包壳基因，使得原始六倍体小麦具有包壳特性，导致种子难以落粒；最后，在六倍体小麦的栽培生产中，包壳基因被驯化，形成坚穗易落粒的普通小麦。在小麦驯化过程中，控制脆穗性状的基因与大麦的基因直系同源，但在二倍体、四倍体和六倍体小麦中，穗轴脆性的特征表现及基因均有所不同。

3.3 野生一粒小麦、节节麦和普通小麦的脆穗基因

栽培一粒小麦的驯化过程与二粒小麦相似，也是直系同源基因的变异导致脆穗性丧失。Pourkheirandish等对53份一粒小麦的基因进行测序，结果显示，一个非同义突变引起第119个氨基酸发生了改变(丙氨酸→苏氨酸)，最终导致坚穗性状的出现。Zhao等通过转基因验证，最终确认就是栽培一粒小麦脆穗性驯化的关键基因。Zeng等研究发现，节节麦缺乏的拷贝，携带两个基因。

在栽培多倍体小麦物种中，基因在编码区中存在2 bp的缺失，导致移码突变和提前终止，从而引发脆穗性状到坚穗性状的改变。

3.4 小穗断裂模式与Btr基因的特异表达

根据麦类作物断穗位置不同，其脆穗类型通常被分为两种类型，即断穗位于小穗与穗轴连接处上方的称为楔型断穗，断穗位于小穗与穗轴连接处下方的被称为桶型断穗。楔型断穗比较常见，发生在含有H、A、B、G、S和T基因组的物种和西藏半野生小麦中，而在含有D基因组的物种可观察到桶型断穗。在斯卑尔脱小麦中，小穗分离类型与它们的起源有关。欧洲起源的斯卑尔脱小麦是桶型断穗，而伊朗起源的斯卑尔脱小麦是楔型断穗。西藏半野生小麦的脆穗性状虽然由显性基因控制，但断穗的类型受多种修饰基因的影响，同一脆穗基因在不同修饰基因及其遗传背景的相互作用下产生不同的断穗类型。

场景1中， btr1-A突变首先发生并被固定，形成半脆穗表型，然后是 btr1-B突变。场景2中， btr1-B突变首先发生并被固定，形成半脆穗表型，然后是 btr1-A突变。场景3中， btr1突变在不同的个体中被固定，有可能形成中间表型，随后通过杂交和人工选择导致形成坚穗表型，即驯化的 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).图2 具有脆穗的野生二粒小麦(Btr1-A/Btr1-B)向具有坚穗的驯化二粒小麦(btr1-A/btr1-B )进化的可能模式[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，麦类作物的小穗断裂模式与基因的特异表达有关，和的共同表达是发生楔型断穗所必需的。而节节麦携带两个基因，缺乏的拷贝，并且转录本存在于小麦与穗轴连接处下方脱落区形成的区域中，说明在这个物种中，参与了桶型扩散单元的形成。

4 Btr基因在禾本科作物基因组中的排列方式

将已经公布的大麦和-(591 nt)、(597 nt)、(609 nt)和(579 nt)基因序列与已经完成基因组测序的禾本科植物的核酸序列进行比对，发现在乌拉尔图小麦()、普通小麦、高大山羊草()、节节麦、二粒小麦()、短柄草()、水稻()、谷子()、高粱 ()、玉米 ()、黑麦草()等禾本科植物中，若同时含有和基因，这两个基因则以头对头的方式排列，且彼此靠近(水稻除外)(图3)，这说明它们编码的蛋白质可能发挥不可或缺的功能，推测它们是被共同调节的一对基因，但还需要进一步的试验来验证。

Salse等研究表明，禾本科植物中和均与大麦3H染色体存在共线性区域。前人已经证明，和存在于禾本科植物中，而、仅在小麦中被发现。虽然短柄草、黑麦草与小麦有较近的亲缘关系，但它们缺乏和，因此，推测和的复制事件发生在小麦与黑麦草和短柄草分化之后。

5 影响麦类作物脆穗形成的其他机制

是控制麦类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响麦类作物的脆穗性。

小麦的基因位于5AL染色体上，且已被克隆，它属于APETALA2类转录因子，同时影响脆穗性、包壳、落粒性、穗长、穗密度、株高、粒重、产量以及加工品质等性状。基因的驯化是由于Micro RNA172(miR172)结合位点的一个SNP突变，从而减弱了基因与miR172的结合效率，与等位基因相比，基因被降解的少且具有更高的表达水平，进而通过基因的剂量效应来影响表型。此外，Q蛋白与转录抑制因子TOPLESS的物理结合会抑制Q蛋白的活性，进而调控小麦穗型发育。

西藏半野生小麦中的基因是控制脆穗性的主效位点，位于5AL染色体上，与上文提到的基因的SNP突变不同，西藏半野生小麦的基因型()在其编码区第五外显子存在一个161 bp的转座插入，导致其编码蛋白质的结构发生变化，无法与小麦穗部的其他蛋白互作。

箭头表示转录方向；数字表示基因ID或基因翻译起点的核苷酸位置；Ψ表示与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.图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 小麦与水稻落粒机制的比较

与小麦类似，落粒性的丧失也是水稻驯化过程中的关键事件之一，但是与控制小麦落粒性的不同。目前已定位到的控制水稻落粒性的基因/QTL数量有95个，广泛分布于水稻的12条染色体上，已克隆到的与水稻落粒性相关的基因有十余个，其中、、、、、、和是控制落粒性的主效基因，而、、、和则属于多效基因，在控制落粒性的同时对其他的农艺性状也具有显著的效应。这些基因编码转录因子或激酶，主要通过影响离层的发育来调控落粒性。

部分与水稻落粒性相关的基因之间存在相互作用，比如正向调节的表达，反过来也维持在离层中的表达，两者共同促进离层早期的分化，且作用于和的下游，而和正向调控在离区的表达，最终促进离层的形成。另外，诱导和的表达，正向调控和的表达，从而影响离区木质素沉积和离层发育，最终调控水稻的落粒性。

尽管控制水稻落粒性的分子机制与麦类作物有很多差异，但它们也有相似之处，比如西藏半野生小麦中的基因是控制脆穗性的主效位点，属于APETALA2类转录因子家族成员，在水稻中控制落粒性的两个基因和也属于APETALA2类转录因子家族成员，说明控制落粒性状的基因在驯化过程中有一定保守性。

7 思考与展望

综上所述，随着大麦、小麦基因组测序工作的完成，麦类作物脆穗性状相关基因的克隆及研究已取得长足进展，然而麦类作物脆穗基因的研究远未结束，有几个问题值得进一步研究：

第一、前人研究表明，、虽然功能相关，但它们的序列不同，推测这与它们是互补显性基因有关。但是它们如何互作，互作的分子机制是什么，需要进一步深入研究。

第二、、分别编码膜结合蛋白和可溶性蛋白，这两个蛋白与目前已发现的蛋白没有同源性，从结构特征看，它们属于同一类转录因子，而麦类作物脆穗的形成大都与断裂处细胞壁的变薄有关，那么、通过什么机制影响细胞壁的厚度，还需要进一步研究。

第三、在禾本科作物的基因组中，除存在和外，还有和的存在，且它们在染色体上的物理距离相距更近，在穗发育的不同阶段，它们的表达水平与、也不同，那么、的作用机制是什么，还需要进一步研究。

解决上述问题的有效途径是利用射线、微波、化学诱变等传统诱变技术，结合定点诱变、基因编辑、插入转座子标签等先进诱变技术创制人工突变体，建立麦类作物突变体库，同时加强相关蛋白互作的研究。作物驯化解决了人类食物稳定供应的基本问题，为人类社会发展奠定了坚实的基础。然而人工选择不仅会导致被选择基因位点的遗传多样性降低，同时还导致与目标基因相关联的基因位点的遗传多样性也降低，这也是目前作物改良的瓶颈。许多未被人工驯化的野生物种蕴含了潜在的食用价值或经济价值，利用基因组编辑、合成生物学、染色体工程等现代生物技术以及多维组学等育种技术，在大数据、人工智能的助推下，发掘这些物种的潜在价值，快速驯化这些物种，开启精准设计育种的新时代，突破现有作物改良局限和技术瓶颈，对保障中国粮食安全具有重要的战略意义。