玉米子粒灌浆的生理机制和分子调控机理

陈 定

（湖北生物科技职业学院，武汉 430070）

玉米在中国不仅是主要的食用饲用作物，也是重要的能源植物。玉米子粒灌浆阶段的干物质积累很大程度影响玉米后期的收成，玉米子粒灌浆速率及灌浆期持续时间决定了玉米的粒重和产量水平。另外，中国目前的玉米品种收获时具有较高的子粒含水量，一定程度上增加了机械化收割的难度和收获成本。玉米子粒的灌浆速率与子粒脱水率互相影响，不可分割，当前中国玉米育种工作中需要攻克的一大难题就是如何培育灌浆速率和子粒脱水速率更高的玉米品种。玉米子粒灌浆过程调控复杂，受多基因控制和环境条件影响［1-3］。通过对玉米子粒灌浆生理特性及其分子遗传机制的了解，可以通过分子辅助设计育种，培育子粒灌浆速率快、高产优质的玉米新品种，适应农业现代化的发展需求。本研究对玉米子粒灌浆的生理特性以及子粒灌浆速率的分子调控机制进行概述，为通过调控玉米子粒灌浆速率实现玉米增产提质提供参考。

1 玉米子粒灌浆过程的生理特性

1.1 玉米子粒灌浆过程

玉米子粒灌浆持续期是授粉阶段至灌浆停止的整个过程，通常被划分成3个阶段［4，5］。玉米授粉完成后，前10 d为缓慢灌浆期，子粒干物质积累缓慢，灌浆速率低。授粉后10～25 d为线性灌浆期，灌浆速度骤增。授粉25 d后到达成熟脱水期，灌浆速度趋于减慢直至停止，此时乳线消失、黑色层形成，子粒成熟。因此，玉米整个子粒灌浆期一般呈单峰曲线［5］。有效灌浆期是增加干物质积累和提高产量的关键时期，子粒重量明显随着灌浆速率的提高而增加。

1.2 玉米子粒灌浆过程中的生理变化

子粒灌浆过程中的蛋白质组学变化表明，与碳水化合物代谢有关的蛋白质在授粉后15～20 d达到最大积累，随后下降直至授粉后30 d。相比耐旱性弱的玉米自交系，耐旱性强的玉米自交系中有更多显著差异表达的蛋白质，如抗氧化酶、脱水蛋白、蛋白酶水解抑制剂、脱落酸应答蛋白和类防御素等，这些蛋白质共同协作帮助玉米灌浆期子粒更好地适应干旱胁迫［6］。

植物生长调节剂对于作物的生理代谢活动及生长发育都不可或缺，对玉米子粒灌浆过程也有关键影响。生长素（IAA）、细胞分裂素（CTK）和赤霉素（GA3）参与调控光合产物向子粒的运输过程以及在子粒中的积累速率，脱落酸（ABA）可以促进子粒生长发育，并可能影响子粒的脱水过程，但过量的ABA则使子粒脱水减缓，还与IAA、GA3和CTK的一些生理效应相拮抗［7］。

玉米子粒灌浆过程中内源激素含量会发生变化，且内源激素的变化模式及子粒灌浆速度因玉米品种而异［8］，但同一内源激素的含量在子粒生长发育过程中的变化趋势总是相同的。有研究发现，尽管熟期不同，子粒灌浆速率和脱水速率均受到IAA、玉米素核苷（ZR）、GA3的正调控和ABA的负调控，说明玉米子粒灌浆与脱水是关联密切的2个过程，并且受内源激素水平的影响。2个早熟品种登海518、衡早8号子粒脱水速率明显随着ZR含量的上升而升高，并且较晚熟品种而言，子粒中含有更高的ABA含量，尤其在灌浆中后期［7］。

降低GA3或者提高ABA的水平能够促进碳水化合物向子粒转运，提高灌浆速率［9］。充足的内源ABA可促进蔗糖转化为淀粉，加快子粒灌浆和脱水速率，导致子粒早熟。喷施外源ABA则减缓子粒灌浆速率，提高了子粒含水率，尤其是对脱水快类型的玉米品种［10］。GA4+7涂抹玉米雌穗能有效调节子粒中生长调节剂水平和穗位叶的抗氧化酶活性，促进子粒内源IAA、ZR、GA3和ABA的合成，抑制叶片积累丙二醛，推迟玉米叶片进入衰老时期，从而使玉米子粒灌浆期加长，给予玉米子粒充分积累干物质的条件，促使子粒灌浆充足，增加玉米粒重和穗粒数，达到玉米增产的目标［11］。

玉米的灌浆速率除受内源激素水平调控外，还受到环境因素的影响，主要有光照、温度、水分和养分。光照能影响子粒灌浆速率和淀粉含量，从而影响子粒重［12］。有研究表明，高温可以促进子粒干物质积累，提高灌浆效率，使子粒有效灌浆期缩短，促进子粒迅速脱水［5］。玉米播种期推迟，玉米灌浆期温度偏低，将延长玉米灌浆持续期，降低灌浆速率，后期对粒重影响较大。已有报道表明，子粒灌浆速率受温度影响［13］，热量资源有限生态区的玉米作物进入灌浆缓增期后处于低温环境，子粒灌浆缓慢，导致后期收获时中晚熟品种粒重更低［14］。

2 玉米灌浆速率遗传机理和分子调控机制

近年来，对玉米子粒灌浆速率的研究逐渐加深，对控制玉米灌浆速率遗传机理和分子调控机制取得了一定进展。

玉米子粒干重约70%都是淀粉，淀粉的合成与积累是玉米子粒灌浆的主要环节。在水稻中发现了27个具有组织和发育时期特异性的淀粉合成相关基因参与灌浆过程［15］，这些家族的所有成员同样也在玉米基因组中鉴定得到［16］。Zhang等［17］研究了玉米子粒灌浆过程中淀粉合成相关酶活性之间及其与直链淀粉、支链淀粉和淀粉积累速率的相关性，这有助于从酶学调控水平探究玉米灌浆过程的生理代谢机制。

为了更好地揭示玉米子粒发育的遗传基础，对胚和胚乳的发育过程在不同水平上进行了研究，对玉米胚和胚乳的发育过程有了一定了解［4，18-24］。一些和玉米子粒大小及发育的相关基因，如RGF1、SH1、SH2、DEK1、MNL1和CNR1已被克隆［25］。玉米子粒灌浆过程具有复杂遗传效应，玉米子粒灌浆速率由多基因控制，在不同基因型玉米中表现出连续性的明显变异。玉米灌浆速率还受到高温、干旱、栽培条件等环境条件的影响，表现出复杂的动态变化。目前，已克隆的和玉米、水稻子粒灌浆速率相关的基因（如RGF1、GS5和GIF1）还很少［26-28］。研究不断致力于定位玉米灌浆速率的相关基因或QTL（Quantitative trait loci）。Thévenot等［29］利用100个家系组成的重组自交系群体，定位了子粒灌浆过程中与淀粉合成酶活性和可溶性碳水化合物含量相关的大量QTLs，发现在染色体某些区域有QTLs的大量富集，形成QTL簇。许多和淀粉合成途径相关的基因与QTLs共定位，其中有4个QTLs与编码蔗糖合成酶基因Sh1临近。Liu等［1］利用获得的203个重组自交系，定位了灌浆过程中不同时期的23个非条件QTLs和9个条件QTLs，除第9染色体外均有分布，其中有6个条件QTLs与非条件QTL是共同检测到的。Zhang等［25］利用永久F2代群体在玉米有效灌浆期和脱水成熟期6个阶段鉴定到33个非条件QTLs和14个条件QTLs，大部分的QTLs与之前研究报道的与子粒灌浆速率、淀粉合成酶活性、可溶性碳水化合物以及子粒灌浆相关基因的QTLs共定位，授粉后16～35 d特异表达的QTLs对于决定子粒重量可能发挥重要作用。

玉米灌浆期干旱胁迫转录组学研究表明，在抗旱玉米品种特异性表达的上调基因广泛参与氮代谢过程和生物合成；下调基因则主要参与蛋白质磷酸化和磷脂信号通路［30］。

miRNAs可以调控许多转录因子的转录后水平，进而从各方面影响植物的生长发育过程［31］。对郑单958的4个灌浆时期进行高通量测序，鉴定到77个保守的miRNAs和74个新的miRNA。这些miRNA的表达在玉米灌浆时期存在动态变化，说明miRNA的表达因不同组织和发育时期而异，那些在玉米灌浆速率最大时，表达量最大或最低的miRNAs可能对玉米灌浆速率的调控具有重要作用，通过分析这些miRNAs和预测靶基因的功能，初步揭示了几个关键miRNAs参与玉米灌浆过程调控的机制［32］。

除了在转录组水平上研究玉米灌浆速率外，利用蛋白质组学技术分析玉米灌浆速率的研究也有报道。利用3个玉米杂交种（郑单958、农大108和先玉335）在玉米线性灌浆期进行了玉米胚和胚乳的蛋白质组学分析，寻找参与玉米灌浆速率的重要调节因子，为研究玉米灌浆的网络调控机理提供了一些线索［33］。通过GO注释干旱胁迫下玉米灌浆期子粒差异表达蛋白质，获得了相关关键蛋白质信息，以揭示玉米抵御干旱的作用机理［6］。综合分析干旱胁迫下玉米灌浆过程的极显著差异表达蛋白质和代谢通路，初步构建其耐旱分子模型，耐旱自交系YE8112特异性差异丰富蛋白DAPs主要在内质网蛋白质加工和色氨酸代谢途径发挥作用，而干旱敏感自交系Mo17特异性DAPs则对淀粉蔗糖代谢和氧化磷酸化途径进行调控［34］。

虽然在转录组、蛋白质组水平上对玉米灌浆速率有了初步研究，对影响玉米灌浆速率的QTLs也进行了分析，但是对影响玉米灌浆速率的主基因或主效QTL的定位还很少，对基因的结构、功能以及参与灌浆速率的基因网络调控途径仍不清楚。以往的研究使用了来自不同遗传背景的自交系、杂交品种或重组自交系用于玉米灌浆速率的QTL分析、转录组或蛋白质组学分析，获得有用信息较少。利用近等基因系可以消除遗传背景的干扰，使基因组只存在一个或者几个QTL分离，有利于精准定位主效基因或QTL，为基因功能分析、分子辅助标记和育种工作提供帮助。

未来可通过获得不同的重组自交系材料或其他材料，综合运用植物生理、细胞生物学、遗传、生化、分子生物学等技术，在全基因组、转录组、蛋白质组等水平上开展玉米灌浆速率研究，寻找控制玉米灌浆速率的重要基因或QTLs，开展相关基因的功能研究，初步绘制玉米灌浆持续期的分子调控网络。通过分子辅助标记和分子设计育种，获得子粒灌浆速率和脱水速率更快、含水率更低的玉米新品种，提高玉米培育全程机械化水平，促进农业现代化发展。