王成，郝楠，李月明

（辽宁省农业科学院玉米研究所，辽宁沈阳 110161）

种子活力是检验种子质量高低的一项可靠指标。高活力种子发芽早、出苗整齐迅速，对不良环境的抵抗力强，具有明显的生长优势和生产潜力；低活力种子在适宜的条件下虽然能发芽，但是发芽缓慢，在不良环境条件下出苗不整齐，甚至不出苗[1]。种子活力是作物增产的关键要素，深入研究种子活力具有重要的理论价值和实践意义。种子活力主要受遗传和环境两方面因素的影响，其中遗传因素主要包括亲本的遗传性、杂种优势等，因遗传因素的不同，导致植物不同品种间种子活力水平呈现较大的差异[2-5]。种子活力是一个复杂的综合性状，表现在发芽率、发芽势、低温发芽能力、抗老化、耐贮藏等性状上，而这些性状均为数量性状，受众多基因及其互作调控，其分子作用机制比较复杂。近年来，随着分子生物学和基因组学研究技术的发展，在种子活力的分子机制研究方面取得了显著的进展。该文对作物种子活力的分子调控机制进行了综合论述，以期为进一步利用分子手段提高农作物种子活力及鉴定、筛选和创制高活力种质资源提供理论基础。

1 主要农作物种子活力相关QTL 和候选基因鉴定

种子活力是典型的数量性状，受多基因控制。近些年，DNA 分子标记和遗传作图技术发展迅速，种子活力数量性状位点（QTL）定位研究取得了很多突破性的研究进展。研究的对象已经从早期的模式植物拟南芥[6]扩展到水稻[7-9]、小麦[10]和玉米[11-15]等主要农作物上。Zhang 等[9]以粳稻和籼稻为亲本的重组自交系（RIL）为材料，分析了3个与种子活力相关的性状，包括种子发芽率、幼苗长和干物质重，利用表型数据和198个标记构建的遗传连锁图谱进行了复合区间作图，共鉴定出13个与种子活力相关的QTL位点以及19 对上位性位点，单个QTL 能解释表型变异5%～10%，且这些QTL 和上位性基因座大多数聚集在玉米第7 染色体区域。此外，发现位于第7 染色体上的qSV-7对多个种子活力相关性状具有较高的效应值，可作为水稻高活力育种中利用标记辅助选择的潜在靶点。Miura 等[8]以98个粳稻和籼稻杂交的回交自交系（BILs）为材料，通过老化处理，鉴定了3个控制水稻种子寿命的QTL qg-2、qg-4 和qg-9，其中效应最大的QTL qg-9 解释表型变异59.5%，qg-2 和qg-4 分别解释表型变异13.4%和11.6%。近年来，对小麦种子活力的研究大多集中在揭示人工老化过程中、种子启动后以及其他处理后抗氧化系统、贮藏物质、内源激素和有害物质的变化等生理机制，也有少量关于种子活力分子机制的研究。Shi 等[10]以双单倍体群体为材料，利用小麦高密度遗传连锁图谱，设置6个控制环境处理，测定了种子发芽率、发芽势、发芽指数、苗长、根长、苗重、活力指数和简单活力指数等8个性状，初步证明了随着人工老化处理时间的延长，以上性状表现出持续下降的趋势，且大部分性状之间存在显著的相关性。共定位到 12 条染色体（1B、2D、3A、3B、3D、4A、4D、5A、5B、5D、6D和7A）上49个与种子活力相关性状的加性QTL，解释表型变异6.01%～17.18%。在5A、5B 和5D 染色体上分别发现了 3个 QTL 热点区域，其中 QGEe5B、QGIe5B、QSLc5B、QSLd5B、QSLf5B、QRLd5B、QRLe5B、QRLf5B、QVId5B、QVIe5B、QVIf5B、QSVId5B 和 QSVIe5B 等 13个 QTL 位于5B 染色体上标记区间AX-94643729 和AX-110529646 之间，物理区间为 707，412，449～710，959，479 bp，位于该区间的基因 TRAESCS5B01G564900、TRAESCS5B01G564-200、TRAESCS5B01G562600、TraesCS5B02G562700、TRAESCS5B01G561300、TRAESCS5B01G561400 和 TRAESCS5B-01G562100 参与调控碳水化合物和脂质代谢、转录和细胞分裂，因此被认为是调控种子活力相关性状的候选基因。

玉米是世界上重要的粮食作物，在粮食安全、经济健康发展以及化解能源危机方面具有举足轻重的作用，玉米种子质量的高低直接影响农业生产的成效，而QTL 定位和克隆是解析玉米种子活力性状遗传基础和培育高活力玉米种质资源的重要途径。Liu 等[11]为了阐明玉米不同成熟期种子活力的遗传基础，对构建的RIL 群体在授粉后32、40 和45 d 3个不同成熟期的种子进行了研究，田间评价了4个种子活力相关性状，包括发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数。构建了包含217个SSR 标记的全基因组遗传连锁图谱。结果表明，种子活力相关性状在3次取样时均呈显著正相关，且随种子成熟度的变化呈现数量上的变化，但与百粒重的相关性不显著。共检测出16个主效QTL，均位于玉米第7 染色体的同一区域，因此说明玉米第7 染色体对种子在生理成熟前收获的活力等性状具有重要的作用。Han 等[14]利用单核苷酸多态性标记，对2个RIL 群体在种子萌发过程中4个活力性状进行了QTL 定位。共鉴定出分布在2个群体间的65个QTL，并利用meta 分析对遗传图谱进行了整合，其中61个QTL 集成到18个meta-QTL 中，其中23个与种子活力性状相关的候选基因与13个meta-QTL 相关。候选基因包括1个钙依赖蛋白激酶基因（302810918），该基因参与到玉米种子活力相关的信号转导路径，还鉴定出丝氨酸蛋白酶基因（At5g67360）和钙依赖蛋白激酶基因（302810918）等，在糖代谢途径和蛋白质代谢中都具有重要的功能。玉米种子老化降低了种子的质量和活力，对农业生产会造成重大的经济损失。Wang 等[15]为了鉴定玉米自交系和杂交种种子老化的遗传差异，以RIL 和永久F2（IF2）群体为材料，在45%和 85%湿度条件下，对种子进行0、2、3 和4 d 老化处理，并对种子活力进行评价。结果表明，各品种种子活力随老化时间的延长而急剧下降，且杂交种种子活力下降速度慢于自交系。在RIL 群体中共检测到28个活力性状QTL 位点，在IF2群体中共检测到21个活力性状QTL 位点，而在2个群体中仅检测到1个相同的QTL，即qGP5，说明在自交系和杂交种中参与抗衰老机制的基因存在差异。在与种子活力和老化有关的主效QTL 中，在RIL 群体中检测到的 QTL qVI4b 和qGE3a 与 ZmLOX1 和 ZmPLD1基因在染色体区域一致，这些QTL 可为玉米抗衰老基因的筛选提供参考。

2 全基因组关联分析（GWAS）鉴定种子活力相关QTL和候选基因

近年来，随着生物信息学的发展，关联分析（Association Analysis）成为当前植物基因组学研究的热点之一[16]。研究表明，在植物不同品种的同源序列中存在着大量的单核苷酸多态性位点（SNP）[17-18]，因此，应用基于连锁不平衡理论的关联分析方法成为定位QTL 和发掘数量性状基因的一种快速、有效的策略。关联分析主要包括全基因组关联分析和候选基因关联分析。全基因组关联分析是通过对全基因组突变位点的扫描，建立特定的突变位点与表型的联系[16]。与传统的QTL 连锁分析相比，GWAS 在构建群体的材料选择上通常使用大量遗传变异丰富的种质资源，从而增加了等位基因和单倍型的多样性。而QTL 分析只能在特定的F2群体及其衍生群体或DH 系群体进行等位基因多样性分析，构建的遗传连锁图谱分辨率受到重组株系数量和群体遗传多样性等多种因素限制，GWAS 由于选择材料的特点使其克服了这方面的缺点[19-20]。近年来，GWAS 分析在作物种子活力的分子机制研究上已经得到了广泛的应用，定位到很多有效突变位点及基因。

Li 等[21]利用全基因组关联分析的方法，确定了4个与水稻种子发芽率相关的数量性状位点，其中编码2-氧戊二酸（OsOMT）的候选基因被验证为qGR11，该基因突变能降低水稻种子活力，包括种子萌发和幼苗生长等性状。功能分析表明，OsOMT 主要通过调节氨基酸水平、糖代谢和三羧酸循环过程来影响种子活力。与野生型相比，OsOMT 基因突变体成熟的种子及早期萌发种子中的氨基酸水平显著降低，包括天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、组氨酸、丙氨酸、亮氨酸和缬氨酸等，同时突变体种子在萌发过程中葡萄糖和可溶性糖含量以及三磷酸腺苷含量显著降低，这些结果为研究OsOMT 基因在水稻种子活力中的作用提供了重要依据。Thapa 等[22]应用水稻7K SNP 芯片，对由香稻、澳洲稻、热带粳稻、温带粳稻和籼稻5个主要亚群组成的244 份水稻材料进行了水稻活力性状的GWAS分析，在温室控制条件下，对7个种子活力相关性状进行了评价，除苗干重变异系数为11.4%外，其余性状均呈正态分布，表型变异范围较大，变异系数在27.6%～43.9%之间。共鉴定出43个与种子活力性状相关的QTL 区间，其中19个QTL 区间位于之前鉴定的基因或QTL 区间附近。这些结果证实了前人鉴定的19个QTL，并确定了24个新的 QTL 位点。Yang 等[23]以水稻种子吸胀后 3、5 和 7 d 的萌发率和萌发指数为重要性状，通过GWAS 分析的方法鉴定出19个与种子萌发相关的QTL，其中2个主效QTL qSG4 和qSG11.1 连续2年均检测到。此外，编码丙酮酸激酶的OsPK5 基因是水稻种子萌发的关键调控因子，推测是位于第11 染色体上的主效QTL qSG11.1 的候选基因。OsPK5 功能的自然变异改变了丙酮酸激酶的活性，当OsPK5 基因功能突变以后，水稻种子萌发和幼苗生长均变得缓慢，引起葡萄糖积累，影响赤霉素和脱落酸的平衡。在种子萌发阶段提高直播水稻的耐盐性是许多亚洲水稻种植国家的一个主要育种目标。Shi 等[23]通过对478份水稻品种的基因组重测序，采用混合线性模型，基于6 361 920个单核苷酸多态性，对7个种子萌发相关性状进行了GWAS 分析。以活力指数、胁迫敏感性指数和平均萌发时间为性状，共鉴定出11个包含22个SNP 的QTL区间，其中与活力指数和胁迫敏感性指数相关的6个主效位点解释了20.2%的表型变异，与平均萌发时间和胁迫敏感性指数相关的5个主效位点解释了26.4%的表型变异。其中与活力指数和胁迫敏感性指数关联最强的区域含有2个硝酸盐转运蛋白家族基因（OsNRT2.1 和OsNRT2.2）。这些结果将有助于通过基因组选择或标记辅助选择提高直播水稻品种的耐盐性。

Hu 等[24]对 282个玉米自交系在正常温度（25℃）和低温（8℃）条件下进行了发芽试验。以萌发率、萌发天数至50%、萌发指数作为耐寒性指标，以先前研究中筛选的2 271 584个SNP 为基础进行GWAS 分析，共鉴定出17个与耐寒性状相关的遗传位点，包含18个候选基因，其中3个为筛选到的新基因，这些候选基因和相关的多态性位点为今后开发耐寒玉米品种提供了宝贵资源。Zhang 等[25]通过GWAS 分析方法，对14个与玉米种子萌发相关的表型性状进行了遗传多样性分析，共筛选出14个与耐低温性状相关的候选基因，转录组表达谱分析也初步证实了候选基因与玉米种子耐寒性状相关。结合基因功能富集分析，Zm00001d039219 和 Zm00001d034319 基因分别参与了丝分裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号转导和脂肪酸代谢过程，推测这些基因可能与低温信号转导和细胞膜流动性有关。Ma 等[26]以300个玉米种质为材料，采用GWAS分析方法，检测出11个SNP 和75个候选基因与种子萌发性状显著相关。此外，利用萌发率差异较大的2个自交系，从4个萌发期的玉米种子中构建了24个转录组文库。在种子萌发过程中，共检测了15 865个差异表达基因。整合GWAS 和转录组分析的结果，筛选了4个玉米种子萌发的关键基因。其中位于MADS26 基因（Zm00001d017932）启动子上的变异影响了种子的萌发。在拟南芥中试验证实了通过乙烯诱导过表达MADS26 基因可提高拟南芥种子的萌发能力，以上研究结果将有助于理解玉米种子萌发的遗传和分子机制，以及种子萌发能力的遗传修饰。

3 展望

作物种子活力直接关系到种子质量安全、种子保存和播种方式等问题。早期，对种子活力的研究主要集中在种子发育规律、环境因素对种子活力的影响以及种子劣变的生理机制等方面。近些年，随着分子生物学和基因组学的快速发展，对种子活力调控的分子机理和遗传规律等研究取得了显著进展。越来越多和种子活力相关的功能基因被鉴定、挖掘和克隆。对这些基因的生物学功能和基因之间的调控网络等进行研究，为解析种子活力的分子调控机制奠定了重要的基础。在分子设计育种中，可以对克隆的种子活力相关基因进行开发和利用，通过基因编辑等技术，将优良基因进行聚合，有目的地提高种子活力和创制种质资源，以满足农业生产对高质量种子的需求，为作物高产奠定重要基础。