玉米胚乳遗传基础及相关基因研究

李水琴， 王文瑞， 刘海英， 谭 静

（云南大学农学院， 昆明650091）

玉米是世界上第一大粮食作物，同时也是饲料和工业原料的重要来源。为了解决现阶段人畜的粮食问题和满足未来工业发展的能源需求，提高玉米的产量及品质势在必行。玉米的营养价值和经济价值主要体现在籽粒上，玉米籽粒的营养成分主要包括淀粉、蛋白质、脂肪等物质。玉米籽粒中胚乳部分占籽粒干重的70%～90%，研究与玉米胚乳发育和形成的相关基因对提高玉米的产量与品质至关重要［1］。

1 玉米胚乳的结构及功能

玉米胚乳是营养物质的主要贮存场所，从结构和功能上分为淀粉层、糊粉层、胚乳基质转移层和胚附着区4个部分［2］。淀粉层是整个胚乳中体积最大的部分，主要成分是淀粉和蛋白质，为种子萌发直接提供营养。糊粉层是胚乳的最外层，位于胚乳与果皮之间，由一层致密的富含油脂和蛋白质的细胞构成；主要作用是控制种子的整个萌发过程，受胚分泌的激素诱导［3］。胚乳基质转移层位于籽粒基部、胚与果皮之间的一个区域内，主要作用是在种子萌发的过程中从外界吸取营养物质［4］，此外还有抗菌作用。而胚附着区是由颗粒状、较小的细胞构成，位于胚乳和胚之间，将胚与胚乳细胞分开，互不影响、同步发育，同时在种子萌发过程中起到将营养物质传递给胚的作用［5］。

2 与胚乳发育相关的功能基因

2.1 与胚乳淀粉合成有关的酶和基因

淀粉是玉米胚乳的主要成分，占胚乳总重量的87%左右，有直链淀粉和支链淀粉2种。淀粉的生物合成是个复杂的过程，是多种酶促反应的产物，蔗糖合成酶、ADPG葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉合成酶、淀粉分支酶及淀粉去分支酶是淀粉合成的几种关键酶，每种酶有多种同工酶形式，每种同工酶又由不同的基因编码。

蔗糖合成酶是由基因sh1编码的分子量为80～100kD亚基构成的四聚体蛋白质，是淀粉合成中非常重要的酶，在淀粉合成中主要起到分解蔗糖的作用，将来自叶片的蔗糖分解为果糖和UDP－葡萄糖。

ADPG葡萄糖焦磷酸化酶是由2个大亚基和2个小亚基构成的异源四聚体蛋白质，2种亚基分别由不同的基因编码，是玉米淀粉合成中的限速酶，其作用是将葡萄糖－1－磷酸进一步磷酸化，生成淀粉合成的重要前提物质，即腺苷二磷酸葡萄糖。

淀粉合成酶具有糖基转移的活性，将底物腺苷二磷酸葡萄糖的糖基转移到前体寡聚糖上，通过α－1，4－糖苷键相连接实现糖链的延伸。根据自身的性质和存在的状态分为2种：一种是颗粒结合型淀粉合成酶（GBSS），另 一 种 是 可 溶 性 淀 粉 合 成 酶 （SSS）［6］。GBSS主要负责直链淀粉的合成，又分为GBSSⅠ和GBSSⅡ两大类；而SSS主要负责支链淀粉的合成。玉米的GBSSⅠ基因位于第9染色体上［7］，对胚乳直链淀粉的合成十分关键。SSS基因如果发生改变或缺失，其编码的酶活性会下降甚至丧失，支链淀粉含量则相应降低［8］。

淀粉分支酶是一种具有2种催化活性的酶，首先它可以水解淀粉直链区段的α－1，4－糖苷键，然后将得到的短链以α－1，6－糖苷键与主碳链糖基的C－6连接，最终形成分支。根据结构和催化性质等不同，淀粉分支酶被分为SBEA和SBEB两个家族，SBEA家族主要参与支链淀粉的合成，而SBEB家族则主要作用于直链淀粉。在玉米中现已发现淀粉分支酶的3种同工酶，分别是SBEⅠ、SBEⅡa和SBEⅡb，其中SBEⅠ和SBEⅡb主要存在于胚乳中［9］；SBEⅡb是由基因ae编码的蛋白质，起到淀粉分支的作用［10－11］。

淀粉去分支酶是能够特异性地水解α－1，6－糖苷键的一种水解酶［12］，根据底物的不同又可以分为两大类，一类是间接去分支酶，另一类是直接去分支酶。直接去分支酶又分为2类，一类是普鲁蓝酶或极限糊精酶，是由基因zpu1编码的；另一类是异淀粉酶，是由基因su1编码的。

2.2 与胚乳蛋白合成有关的基因

蛋白质是玉米胚乳的另一重要成分，按照溶解性一般可分成四大类：清蛋白、球蛋白、醇蛋白和谷蛋白。其中醇溶蛋白是玉米蛋白中的主要蛋白，不溶于水且缺乏赖氨酸、色氨酸等必需氨基酸［13］。

玉米蛋白质由多核糖体在粗糙内质网膜上合成初生蛋白，经加工处理后切除信息部分，然后进入蛋白质体积累。玉米醇溶蛋白基因不含内含子，只在胚乳中表达，其mRNA水平在胚乳发育过程中不断变化，已发现其启动子区有4个不同的蛋白质结合位点，且有2个只与胚乳细胞的蛋白结合，因此表现出组织特异性。玉米谷蛋白基因也不含内含子，其编码的信号肽序列与醇溶蛋白基因编码的相似，但是它的产物谷蛋白却与醇溶蛋白在结构上不相关，有其自身的特征：8个PPPVHL重复保守序列，一个PX序段，一个赖氨酸丰富区，以及谷氨酰胺丰富的C端。

2.3 其他与胚乳发育相关的基因

玉米糊粉层细胞含有大量的花青素，目前已知的调控花青素合成的基因主要有Vp1、C1和R1。Vp1编码一个转录因子，该转录因子具有B 3结构域，它通过与C1基因的启动子相互作用来调节C1基因的表达，从而起到调控花青素合成的作用［14］。C1基因能够编码具有MYB结构域的转录因子，该转录因子能够与R1基因的转录因子相互作用，共同控制激活花青素合成的相关基因［15］。

已知的胚乳基质转移层特异表达的基因根据功能的不同分为两大类，一类是BAPs基因家族，另一类是BETs基因家族［14］。BAPs基因家族编码的蛋白能够增加胚乳基质转移层细胞壁的厚度，以抵抗病原菌的入侵；BETs基因家族编码一类抗菌肽，能够与病原体作用抑制病原体的繁殖。

玉米胚附着区起着胚和胚乳之间信号传导的作用，也使胚和胚乳互不影响、同步发育。对于胚附着区相关基因的认识较晚，目前发现与其相关的功能基因有 ESR－1、ESR－2和 ESR－3［16］。

3 玉米胚乳突变基因

玉米在其进化过程中产生了许多胚乳突变类型，目前已发现的玉米胚乳突变基因已有20多个，有一定或潜在应用价值的主要有su1、sh2、bt1、bt2、ae1、du1、wx1、se1、o2等。大量的研究表明，这些突变基因可以影响灌浆期和乳熟期籽粒胚乳中碳水化合物或蛋白质的含量和组成，从而影响玉米品质。因此，研究这些胚乳突变基因的效应及基因间的互作效应，对玉米育种和改良具有重要意义［17］。

3.1 高赖氨酸o2（opaque－2）突变

自从1964年，Mertz等［18］首次报道o2突变体可以显著提高玉米籽粒的赖氨酸含量以来，新的高赖氨酸突变体被陆续发现［19－22］。但是除了o2外，其他突变体都存在一些难以克服的缺陷或问题，很难在育种中利用，o2突变体仍是高赖氨酸玉米育种广泛利用的基础材料。o2基因位于第七染色体短臂上，表现为单隐性基因遗传；主要是通过抑制醇溶蛋白22KD亚基的合成，从而显著提高籽粒中的赖氨酸和色氨酸含量［23］。o2突变体玉米籽粒的赖氨酸含量比普通玉米高69%、色氨酸含量高一倍以上；但是o2基因对淀粉合成有一定的抑制作用，因而造成籽粒密度下降，粒重减轻，外观表现为不透明的粉质胚乳。利用o2基因的修饰因子可以改善o2玉米的粉质胚乳，这种通过修饰基因修饰了农艺性状的高赖氨酸玉米称为优质蛋白玉米。

3.2 直链淀粉扩增ae1突变

1952年Vineyar和Bear发现了位于玉米第5条染色体上的ae1基因［24］。ae1突变基因为直链淀粉扩增基因，由编码淀粉分支酶SBEⅡb的基因突变而来。该突变基因的主要效应是减少支链淀粉的α－1，6－糖苷键的分支，从而相对增加了籽粒中直链淀粉的含量［25］。具有ae1纯合突变的籽粒表皮皱缩，重量明显下降，直链淀粉含量显著提高。在隐性纯合突变体的胚乳中，直链淀粉的含量可高达70%，而野生型籽粒胚乳的直链淀粉含量通常只有25%左右［26］。由于直链淀粉是重要的工业原料，用途很广，因此利用ae1基因培育高直链淀粉玉米品种具有重要意义［27］。

3.3 钝性du1突变

Mangelsdorf于1947年报道du1突变基因能改变胚乳碳水化合物的性质［28］，其效应在于降低水溶性淀粉合成酶SSSⅡ2和淀粉分支酶SBEⅡa的活性，从而影响籽粒淀粉合成的质量和数量［29］。与非突变体籽粒相比，du1突变体在籽粒的发育过程中各类糖的总浓度明显高于正常型，但淀粉的含量却低［30］，干燥籽粒呈玻璃状、无光泽。ae1和du1突变基因均能导致直链淀粉含量显著提高和籽粒重量明显下降，但单突变的ae1和du1群体内各籽粒间的直链淀粉含量和重量差异较大，说明遗传背景中存在影响直链淀粉含量的修饰基因［31］。

3.4 糯性wx1突变

糯性wx1是由编码颗粒结合型淀粉合成酶GBSS的基因突变而来，该酶负责直链淀粉的生物合成，该基因突变后使得GBSS活性丧失、直链淀粉合成受阻［32］。Sprague在1943年首先发现wx1突变体的胚乳用碘液染色呈紫红色，进一步的实验证明wx1突变体胚乳中的淀粉全为支链淀粉，直链淀粉完全缺失［33］。Kuiper等发现，wx1突变体中虽然没有直链淀粉合成，但是淀粉的含量却没有减少，只是淀粉的组成发生了变化，因此该突变体籽粒干重与野生型差不多［34］。

3.5 甜性su1突变

East和Hayes在1911年首先描述了甜质基因su1［35］。su1突变体的主要效应在于它在乳熟期能阻止糖分向淀粉转化，使还原糖、蔗糖含量显著高于普通玉米，使玉米未成熟籽粒中大量累积水溶性多糖（WSP）［36］。该突变体玉米籽粒种皮皱缩透明，胚乳变小，干重减少，淀粉含量明显下降而糖分显著提高。研究证实，su1编码的蛋白与淀粉去分支酶相似，属于异淀粉酶［37］。

3.6 皱缩sh1突变

sh1基因编码的蛋白是蔗糖合成酶，与淀粉合成的前物质生成有关。sh1基因的突变会使淀粉合成酶活性降低或丧失从而导致淀粉合成障碍，使得玉米籽粒在发育初始阶段大量积累还原糖和蔗糖。该突变体籽粒皱缩，胚乳不透明，淀粉含量及籽粒干重明显减少。

3.7 超甜sh2、bt1和bt2突变

sh2、bt1、bt2都是超甜玉米突变体。其中sh2由编码ADPG葡萄糖焦磷酸化酶大亚基的基因突变而来［38］，其突变体籽粒的含糖量是普通玉米的10倍，其中大部分是蔗糖而水溶性多糖较少；成熟的sh2突变籽粒仅有少量淀粉，饱满、透明，干燥后凹陷干瘪、极度皱缩、易脆。bt1由编码腺苷酸转运蛋白的基因突变而来［39］，而bt2则是由编码ADPG葡萄糖焦磷酸化酶小亚基的基因突变而来［40］。bt1和bt2突变使淀粉合成受阻，部位与sh2突变相同或相似，突变效应也相似，在乳熟期籽粒还原糖和蔗糖含量高，但水溶性多糖和淀粉含量低，干燥后籽粒凹陷干瘪、易脆。

3.8 加强甜se1突变

加强甜se1突变基因于1976年被报道［41］，一开始被怀疑是另一个甜质基因或者是不透明基因或粉质基因的等位基因，后被证明se1是su1基因的隐性修饰基因［42］，只对su1隐性纯合体起作用，且具有剂量作用，su1和se1独立遗传。在se1su1双隐性纯合体中籽粒的可溶性糖、蔗糖及果糖含量十分丰富，具有普通甜玉米和超甜玉米双重风味［33］。

4 胚乳突变基因的相互作用改良玉米的品质

大量研究表明，胚乳突变体都有各自特异的基因效应，影响胚乳中淀粉或糖类或蛋白质的数量和质量。玉米胚乳的成分不仅受到等位基因的控制，非等位基因的相互作用即基因间的互作效应同样影响着胚乳中各种营养物质的含量和比例［43］，如玉米wx1和o2隐性突变基因聚合后，能够提高糯玉米的赖氨酸含量，但籽粒的总淀粉含量以及籽粒百粒重下降［44］。在遗传特异性上，玉米胚乳突变体多为隐性单基因遗传，且各突变体的基因效应大多只作用于胚乳。玉米胚乳突变体的遗传是主基因控制的，但突变体基因效应的表达又受到遗传背景多基因系统的修饰［45］。

1983年Boyer和Shannon在讨论利用胚乳突变体改良甜玉米品种时，建议根据基因间的相互作用、表型特征及基因表达产物，将甜玉米的胚乳突变基因分成两类，将影响碳水化合物合成的场所是在淀粉体外的胚乳突变基因归为第一类，将影响碳水化合物合成的场所是在淀粉体内的胚乳突变基因归为第二类［46］。就8个已应用于商业化育种的胚乳突变基因来看，其中3个突变基因sh2、bt1、bt2属于第一类，另外5个突变基因su1、ae1、du1、wx1、se1则属于第二类。

许多学者利用不同的双隐性、三隐性突变体材料，研究了隐性基因的互作效应，发现这些基因组合在一起，表现出上位性和互补性［47］。据报道，第一类基因之间互作不存在着上位性效应或者累加效应［43］，例如ae1或du1纯合突变体的籽粒表皮皱缩，重量明显下降，直链淀粉含量显著提高。在ae1与du1的杂交后代中，子粒的单粒重和直链淀粉含量没有显著变化，表明ae1与du1双突变体并不能导致直链淀粉含量增加。然而，第一类基因对第二类基因却存在着上位性效应，例如在第一类基因纯合隐性的遗传背景条件下，引入第二类基因如ae1、du1或wx1时，第二类基因固有的表型特征就会被掩盖［46，48］。第一类基因对第二类基因的上位性可以从反应的先后次序上加以解释，第二类基因调控的反应所需原料是由第一类基因控制的反应合成的，因此第一类基因的突变掩盖了第二类基因的表现［45］。而第二类基因之间互作表现出累加效应［49］，例如双隐性突变体ae1wx1蔗糖含量比它们的单隐性突变体提高2～10倍，三隐性突变体ae1du1wx1的蔗糖含量可到达23.7%，而这3种单隐性突变体中蔗糖积累不多。

胚乳突变基因间互作的研究表明，不同类型的隐性突变体组合可以进一步改良胚乳的特性；某些双隐性突变体可以综合两个单隐性突变体的特点，克服单隐性突变体在品质或农艺性状方面的不足，从而实现了玉米品质的改良。

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