谷子功能基因发掘现状及展望

禾璐，杨阳，王宇珅，张义茹，赵耀飞，唐娇艳，韩渊怀*

（1.山西农业大学 玉米研究所，山西 忻州 034000；2.山西农业大学 农学院，山西 晋中 030801；3.太原师范学院 生物系，山西 太原 030006）

谷子（Setaria italica）是起源于我国的古老粮食作物，在约1 万年前由青狗尾草（Setaria viridis）驯化而来，在漫长的中国北方旱地农耕文明历史中占有重要地位［1-2］。谷子脱壳后的小米富含人体所需的多种氨基酸、碳水化合物、脂肪酸、维生素、矿物质等，营养价值丰富，消化吸收率高，在提高人体免疫力、促消化、预防疾病等方面具有重要的食疗功效，被公认为重要的健康保健食品［3］。作为北方旱作生态农业建设的主体作物和应对未来极端气候条件的战略储备作物，谷子抗旱、耐贫瘠、适应性广等特性使其在当前的种植业结构调整中起着重要作用［4］。此外，谷子还具有自花授粉、单穗结实多、染色体倍性简单（二倍体）、基因组小（约430 Mb）、属于C4作物等特征，已被广泛接受为禾谷类作物C4光合作用和抗旱耐逆研究的模式作物［5-7］。随着谷子多个高质量参考基因组序列的公布，尤其是超早熟谷子突变体材料“xiaomi”高质量参考基因组的公布及遗传转化体系的建立，极大地推动了谷子重要性状的遗传基础解析及功能基因发掘［8］。鉴于此，本文对谷子农艺及产量相关性状、品质性状、氮磷吸收转运及抗逆等方面的研究现状进行了综述，并对存在的问题及未来的发展趋势进行了讨论和展望，以期推动谷子功能基因的快速发掘及利用。

1 谷子功能基因组的研究方法

1.1 研究材料创制方法

研究材料的创制是功能基因组学研究重要的组成部分。目前，利用物理、化学或生物诱变技术对优异谷子资源进行诱变，构建谷子突变体库，从中筛选出多样化，有价值的重要性状的突变体是最常见的材料创制的方法。中国农业科学院刁现民研究员团队构建了“豫谷1 号”EMS 突变体库，筛选出大量与株型、产量、品质和抗性相关的突变体材料，基于此开展了一系列基因克隆和鉴定工作。山西农业大学杂粮分子育种团队利用化学诱变技术构建了“晋谷21”EMS 突变体库，筛选出一个超早熟谷子突变体“xiaomi”，具有生育期短（约60 d），株高矮（约30 cm）和遗传转化效率高等特点，具有作为C4模式植物的潜力。以谷子成熟种子、茎尖等为受体，通过农杆菌介导，创制目的基因的转基因材料，可为深入解析基因功能提供材料。此外，具有丰富遗传多样性的谷子种质资源和杂交获得的重组自交系也被用作谷子功能基因组学研究。

1.2 性状控制基因的定位及功能验证方法

随着豫谷1 号、张谷、TT8 和“小米”高质量参考基因组的公布，极大地方便了谷子功能基因组学的研究。研究者利用QTL 定位、图位克隆、全基因组关联分析、基因组重测序及转录组测序等技术已经挖掘到一些重要性状的控制基因。目前，研究者主要通过基因时空表达模式分析、基因产物亚细胞定位、转基因、生物信息学分析及互作蛋白分析等方法，对克隆的目的基因的功能进行进一步验证。

2 谷子农艺及产量相关性状的研究

谷子农艺及产量性状是指包括株高、穗长、千粒重等在内的一些与谷子生长发育和产量相关的易于识别的主要性状，对农艺及产量性状的准确评价及遗传基础解析对指导谷子育种实践，提高谷子产量具有重要意义。

2.1 株型

谷子株型改良主要是指谷子株高、叶群结构、分蘖等表型特征的改良。株高是与产量有关的重要性状，一定程度上降低株高可以有效地解决高产与倒伏的统一，在增加抗倒性的同时实现单位面积产量的提高。经过多年的矮化选育，已有许多谷子矮化品种应用到生产实践中［9］。谷子叶群结构是指谷子叶片的着生角度及其在植株上的垂直分布特征，是决定谷子株型的主要因素。其对群体内部的光分布和光合生产具有重要作用［9］。油菜素内酯（BR）信号在叶片与茎的夹角调控中具有重要作用，谷子的披垂叶基因（DROOPY LEAF1）作为BR 信号的“刹车”基因调控叶片直立与披垂［10］。此外，在谷子育种中，茎秆节间短粗的品种往往表现出较强的单株生产力和抗倒力，尤其基部4 个节间短粗的品种，表现出的抗倒伏性能更为明显［11］。谷子分枝和分蘖与其产量密切相关。Doust 等［12］以谷子和狗尾草的杂交后代为作图群体，鉴定出4 个与谷子分蘖显著相关的QTL和4 个与叶腋分枝显著相关的QTL。Zhang 等［13］通过对439 份谷子重组自交系群体进行重测序，在不同光周期条件下共鉴定出6 个控制分蘖的QTL。杜晓芬等［14］利用简化基因组测序技术，通过对杂交F2代分离群体进行分析鉴定出5 个控制分蘖的QTL，并开发了与分蘖QTLqAJTN7-3和qHCTN7紧密连锁的InDel 分子标记。

2.2 粒型

谷子籽粒大小是重要的产量构成因子。Jaiswal 等［15］利用全基因组关联分析获得了10 个与谷子千粒重显著关联的SNP 位点，并进一步筛选出了8 个与千粒重相关的候选基因。Zhi 等［16］利用重组自交系群体在不同环境下共鉴定出10 个与谷子千粒重显著关联的QTL。刁现民等［17］利用豫谷1号EMS 诱变小籽粒突变体sgdw1克隆了控制谷子籽粒大小的关键基因SGDW1。汤文强等［18］利用同源克隆获得了1 个BR 信号转导通路中的转录因子SiBZR1基因，通过转基因手段，证实其对谷子粒长、粒宽、表面积及千粒重均有正面效应。此外，长非编码RNA（lncRNAs）在调控谷子产量上也发挥着重要作用。Zhao 等［19］通过对4 个不同产量水平谷子品种幼穗的转录组分析，鉴定出70 个lncRNAs 与谷子产量密切相关。

2.3 穗型

穗是重要的生殖器官，同时也是决定谷子产量和品质的重要器官。尽管在育种上实现了谷子产量的重大突破，但调控谷子产量及穗型的分子和遗传机制仍然不清楚。只有少数与穗型结构相关的基因从突变体中被成功克隆［16］。目前已经成功克隆了谷子穗发育基因SiMADS34［20］、LP1［21］和SiAUX1［22］、穗颜色基因WP1［23］，并对小穗突变体Si-SP1［24］、sidts1［25］及T1340［26］、颖 花 发 育 突 变 体sins1［27］、穗顶端 败育突变体sipaal［28］的目的 基 因进行了初定位。其中SiMADS34编码E 类MADSbox 转录因子，突变后导致穗粗增加，穗长缩短、穗重降低［20］；LP1和SiAUX1突变造成穗码变稀、单穗产量极显著降低［21-22］；Si-SP1突变体株高显著降低，穗长明显缩短［24］；sidts1突变体穗部变短、变细、顶部变尖，穗下部码粒较紧实，由下往上花器官数目逐渐减少导致结实率降低，穗顶部几乎不结实［25］；T1340突变体穗顶部秃尖，穗粒减少，产量显著降低［26］。

3 谷子品质性状的研究

谷子是小杂粮，充分发掘和利用谷子优良品质特性，尤其是一些特色功能成分，对谷子产业发展具有重要意义。谷子的品质包括外观品质、营养品质、蒸煮品质和食味品质。

3.1 米色

米色是评价谷子外观品质的重要指标，直观反映小米品质的优劣，优质小米色泽深黄且一致性好。米色能直接影响小米的营养、食味等品质，谷子米色与小米蒸煮后米饭的香味、色泽和适口性呈极显著正相关［29］。小米黄色素的主要成分为类胡萝卜素，米色与类胡萝卜素积累存在显著正相关［30］。利用高效液相色谱-质谱联用的方法对小米中类胡萝卜素组分进行分析，发现叶黄素和玉米黄质是小米类胡萝卜素中的主要成分，且蒸煮过程中小米米色的改变主要是由于类胡萝卜素的降解导致［31］。进一步从分子水平进行研究，发现类胡萝卜素合成途径第一个关键基因SiPSY1在灌浆中后期的差异表达造成了黄色与白色小米中类胡萝卜素的差异积累。通过对黄米和白米谷子品种籽粒发育过程中14 个类胡萝卜素代谢途径基因的表达模式进行分析，初步确定SiPSY和SiCCD基因在米色形成中起主导作用［32］。随着储藏时间延长，小米出现褪色现象，这与小米中的类胡萝卜素易氧化降解有关。类胡萝卜素的氧化降解主要是由脂氧化酶（LOX）作用产生的［33］。探索小米米色形成及褪色现象的分子机制，为谷子米色品质分子辅助育种奠定基础。

3.2 主要营养成分

小米中富含人体所需的多种营养成分，其中主要营养成分包括蛋白质、脂肪、淀粉等具有多样性，据统计，中国作物种质信息网收录的2040 余份谷子种质资源的粗蛋白含量平均为13.32%，变幅在8.02%～21.90%，粗脂肪含量平均为4.05%，变幅在1.21%～6.21%。小米中富含大量的必需氨基酸和非必需氨基酸，如异亮氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、脯氨酸和丙氨酸等。但是，谷子籽粒中赖氨酸含量偏低，影响了其它必需氨基酸的吸收［34］。薛静等［35］利用马铃薯高赖氨酸蛋白基因sb401为探针，从谷子未成熟种子cDNA 文库中筛选并首次克隆到了1 个在幼穗及未成熟种子中表达的基因f103。改良小米氨基酸组分及含量，尤其是赖氨酸含量对改善其营养价值至关重要。

3.3 特色功能成分

小米中还含有一些特色功能成分。叶酸是DNA 合成、甲基化和细胞分裂所必需的b 族维生素［36］。人类和其它动物自身不能合成叶酸，需要通过日常食物来补充，成年人每日需摄取至少400 μg 叶酸，孕妇摄取至少600 μg，缺乏会导致神经系统疾病及心血管病等发生［37-38］。谷子是一种理想的C4模式作物，其籽粒叶酸含量高于其它禾谷类作物，是膳食叶酸较好的来源之一［39］。目前通过生物技术的手段对主要农作物进行叶酸生物强化育种在近些年来引得广泛的关注。Hou［40］等人研究发现在谷穗发育过程中总叶酸及其衍生物的含量呈逐渐降低趋势，5-CHO-THFGlu2 是谷子叶酸存在的主要形式；SiADCL1和SiGGH是谷子穗部发育过程中叶酸代谢通路的主要控制因子，SiSHMT3是控制谷子籽粒中THF 含量的主要基因，这3 个基因在谷子穗发育叶酸积累过程中发挥关键作用。马贵芳等［41］通过转录组与代谢组联合解析了晋谷21 穗发育期叶酸组分的特征，发现Si-ADCS、SiDHFR2和SiGGH基 因 是 晋 谷21 穗 叶酸积累的关键基因。贺佳星［42］通过转录组测序的手段比较极端叶酸含量谷子品种的差异表达基因，发现Seita. 2G307800促进谷子叶酸合成，Seita. 4G012900抑制叶酸合成或促进叶酸降解。高豪［43］等人研究表明SiMRP7和SiMRP12基因的高表达可能调控了谷子籽粒叶酸的积累。

黄酮类化合物具有抗炎、抗菌、抗病毒、抗氧化、抗肿瘤等功效，能预防眼部疾病、心血管病、心脏病、糖尿病等慢性疾病。黄酮类物质主要包括黄酮、黄烷酮、黄酮醇、异黄酮、花青素、原花青素等。谷子籽粒中含量最高的黄酮代谢物为柚皮苷查尔酮和柚皮苷［44］。不同谷子品种间黄酮类化合物含量差异很大，其含量对小米的品质具有直接的影响，在小米米色形成过程中也起着至关重要的作用［45］。韩尚玲等［46］利用加权基因共表达网络分析（WGCNA）筛选了7 个可能参与类黄酮代谢调控的候选转录因子，分别为WRKY38、MYB4a、PI、WRKY15、WRKY62、MYB46 和WRKY23。张瑞杰等［47］利用转录组测序技术对高花青素谷子资源进行分析，鉴定出结构基因PAL、4CL、DFR、LDOX-1、LDOX-2、UFGT、5GT、GT、AT和转录因子MYB、bHLH 在谷子成熟期叶片的花青素积累中发挥关键作用。上述结果将为谷子特色功能成分富集提供目标基因，也为功能性杂粮食品的开发与利用奠定基础。

3.4 蒸煮食味品质

风味是谷子脱壳产物小米蒸煮品质的重要指标，是消费者食用、评价小米品质优良的重要参考。小米粥中的挥发性物质种类有醛、酮、醇、酚及多种杂环类物质，且醛类物质最为丰富，对小米粥风味贡献较大［48-49］。相关研究表明，反，反-2，4-癸二烯醛、正己醛、1-辛烯-3 醇、辛醛、壬醛、2-正戊基呋喃等为小米粥中的特征性风味物质［50-51］。谷子蒸煮品质与谷子直链淀粉含量密切相关。颗粒结合型淀粉合成酶GBSS 是合成直链淀粉的关键酶，陈晓敏［52］在糯质谷子品种中检测到GBSS基因存在单核苷酸多态性变异，GBSS基因碱基插入和缺失突变影响了谷子的糯性表型。进一步开发利用谷子蒸煮食味品质形成相关的功能基因，对谷子品质育种及优质谷子产业发展具有重要意义。

4 谷子氮磷转运

近年来，谷子因其二倍体、基因组小、C4光合特性以及逆境适应能力强等特性，成为干旱以及作物营养胁迫机制研究的禾本科模式植物。谷子可以通过减少或者增加其根系系统来促进氮磷吸收转运从而应对低氮或低磷胁迫［53-54］。Nadeem等［55］发现低氮胁迫下谷子不仅可通过增加C/N、根冠比、根系表面积以及根系木质部直径来促进氮的再分配利用效率，同时其可能通过上调根系氮 转 运 蛋 白 基 因SiNRT1.1、SiNRT2.1和SiNAR2.1，和 地 上 部SiNRT1.11和SiNRT1.12的表达，从而提高氮吸收能力。Ge 等［56］通过对低氮胁迫下谷子转录组分析发现转录因子SiMYB3通过调控根系发育从而提高谷子对低氮的耐受能力。

低磷影响谷子的生长发育和产量。Ceaser等［57］发现磷浓度影响谷子12 个磷转运蛋白SiPHT1的表达，并进一步通过功能分析证实了3个SiPHT基 因（SiPHT1；2，SiPHT1；3 和SiPHT1；4）的下调表达降低了谷子体内总磷和无机磷含量。此外，谷子对低磷胁迫的响应与外界环境中的氮营养水平相关联，低磷可以作为一种信号分子调节谷子氮转运［55］。最近，Nadeem 等［58］综述了谷子对低氮与低磷的响应平衡机制，提出谷子通过氮转运蛋白SiNRT1.11、SiNRT1.12、SiNRT1.1、SiNRT2.1 和SiNAR2.1 等 与 磷 转 运蛋 白SiPHT1.1、SiPHT1.2 和SiPHT1.4 等 以 及生长素、赤霉素和脱落酸等在内的激素途径网络调控其对低氮以及低磷环境的适应能力。

5 谷子对非生物胁迫和生物胁迫的响应

5.1 抗旱性

随着全球气候变暖的日益加剧，干旱已成为影响大多数农作物生产的最重要因素［59］。因此，研究作物的抗旱机理，通过遗传手段改良作物的抗旱性状变得尤为迫切。谷子拥有抗旱、耐贫瘠、水分利用率高等特征，谷子仅需其种子重量26%的水分即可萌发，平均每消耗257 g 水就可产生1 g干物质，水分利用率远远高于其它作物［5］。刁现民研究员团队对近千份谷子资源进行了系统地抗旱性鉴定，并基于转录组分析从极端材料中筛选了20 个抗旱关键候选基因［60］。Pan 等［61］证明SiLTP基因在提高谷子耐旱性方面起重要作用。Li 等［62］证实SiASR4是SiARDP 转录因子的靶基因，进一步通过在谷子和拟南芥中的转化实验，证实SiASR4可以提高谷子对高盐、干旱等非生物胁迫的抗性。此外，通过转化模式植物（拟南芥或烟草）过表达谷子基因验证了SiARDP（ABA 响应的DREB 结合蛋白基因）和SiATG8a（自噬蛋白基因）基因与谷子抗旱的关系［63-64］。脱落酸胁迫成熟基因ASR1和胚胎发育蛋白基因SiLEA14也与谷子的耐旱性密切相关［65-66］。以上研究为明确谷子响应干旱胁迫的分子机理提供了优质基因资源，也为谷子抗旱育种奠定基础。

5.2 耐盐碱性

盐碱胁迫是仅次于干旱胁迫的第二大阻碍作物正常生长发育的不利因素。研究发现一些与谷子抗旱性相关的基因同时在谷子抗盐碱中发挥作用。ARDP［63］、SiLEA14［66］、PHGPX［67］、SiNFYA1［68］，SiNF-YB8［68］和NAC 转 录 因 子［69］均 与 谷子耐盐性相关。但是谷子抗盐碱分子机制仍不明确，因此，进一步探究谷子盐碱响应的遗传规律，并定位耐盐碱型的相关基因，是谷子耐盐碱种质发掘及遗传改良的重要途径。

5.3 抗病性

除了各种环境因素之外，谷子在其生活史中还会遭遇到真菌、卵菌、病毒和线虫等病原体造成的生物胁迫。由卵菌禾生指梗霉（Sclerospora graminicola）引起的谷子白发病是近年来危害最大的土传病害，其发病症状典型且多样，覆盖谷子的整个生育期，根据发病时期和发病部位，可分为“芽 死”“灰 背”“白 尖”“枪 杆”“发 丝”“刺 猬 头”［70］。禾生指梗霉的基因组序列已被测定，研究人员已发现谷子中部分抗病相关基因和植物激素对谷子抵御白发病具有重要作用［71-73］。由真菌Pyricularia setariae引发的谷瘟病是影响谷子产量的一种气传病害，研究人员已进行了大量抗性品种鉴定以及病原菌生理小种的甄别，为降低谷瘟病危害奠定了基础［74］。此外，由粟单孢锈菌（Uromyces setariae-italicae）侵染引起的谷子锈病也是一种重要的爆发流行性病害，多个与谷子抗锈病基因及其连锁的分子标记（如Rusi1）和调控锈病抗性的转录 因 子（SiMYB041、SiMYB074、SiMYB100、Si-MYB177 和SiMYB202 等）已在正向和反向遗传学研究中被鉴定到［75-76］。最近，引起谷子出现穗部腐烂症状的一种新真菌也被成功分离［77］。由于物种存在多样性，环境因素也会导致病原菌持续出现变异，我们对于谷子响应生物胁迫的认识还有待进一步加强。持续研究病原菌的侵染过程，发掘抗性基因，推动广谱高抗品种选育也是谷子育种的重要目标。

6 结语

随着谷子基因组数据的公布及质量的不断提升，谷子重要性状功能基因的挖掘、克隆和鉴定取得了一系列重要进展（表1）。然而，与拟南芥、水稻等模式作物相比，谷子作为C4模式植物，其功能基因有很大的研究空间。目前，存在的问题主要包括：（1）控制谷子重要性状的基因未得到充分挖掘，需要基于更有效的突变体库或种质资源库，结合多种技术手段定位克隆新的基因；（2）目前已克隆的基因间相互关系及调控网络仍不完善，缺乏更深入的分子机制解析；（3）受品种限制，谷子的遗传转化体系仍不稳定，转化效率有待提高，需要创建一套适应性广且高效的转基因体系；（4）基因资源的利用仍不充分，有待建立谷子功能基因的分子设计育种体系和平台。

表1 已知功能的谷子基因Table 1 Genes functionally characterized in foxtail millet

通过谷子功能基因组等多组学研究，挖掘控制谷子性状的关键基因并深入解析其转录、翻译及代谢途径等分子机制，为谷子生物学理论研究奠定基础，也为谷子遗传改良提供基因资源。将谷子功能基因组研究成果与现代育种技术结合运用到优异谷子新品种选育实践中，以期推动我国谷子的科研创新水平及产业发展。

续表