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在“ 盘点那些与粮食作物高产相关的基因（一） ”一文中，小远为大家总结了影响水稻产量的相关基因。玉米作为重要的经济作物，对我国的粮食安全、能源安全、工业发展及农村发展都具有重要的战略意义。尽管我国是世界第二大玉米生产国，但并非其起源地，因此种质资源相对匮乏，玉米育种往往依赖外来种质的引进与利用。农作物种质资源精准鉴定与基因挖掘是从源头上实现种业创新、保障粮食安全的根本路径。本篇文章主要介绍了玉米中与株型、产量、抗病及籽粒性状相关的基因，跟着小远一起去看看吧。

植物株型是影响“单位面积产量”的主要因素，对农业机械化等具有重要意义， 植物株型由顶端、腋生、居间、次生分生和花序分生组织的布局与活动以及茎、叶、枝条和花序的后续发育所决定(Wang et al., 2023)。挖掘玉米株型相关基因，可为培育密植高产品种提供重要的理论和实践基础。

2019年8月，中国农业大学田丰课题组在 Science 杂志上发表了一篇题为“Teosinte ligule allele narrows plant architecture and enhances high-density maize yields”的研究论文。该研究从玉米野生种大刍草中克隆了控制玉米紧凑株型、密植增产的关键基因，建立了玉米紧凑株型的分子调控网络。

在该研究中，作者利用玉米自交系W22与大刍草CIMMT 8759为亲本杂交衍生得到渗入系群体，对叶夹角进行QTL定位，并对位于玉米第1、2染色体上的两个主效QTL- UPA1 （ Upright Plant Architecture1）和 UPA2 进行精细定位和克隆，发现这两个QTL的潜在基因分别是 brd1 和 ZmRAVL1 （图1）。

图1 UPA2 和 UPA 1 的定位克隆( Tian et al., 2019 )。（A）在玉米-大刍草BC2S3群体中进行叶夹角QTL定位。 UPA2 和 UPA1 分别是最大和第二大叶夹角QTL。（B）使用NIL群体（n=3180）对 UPA 2 进行精细定位，将 UPA 2 界定在240bp非编码区。（C）使用NIL群体（n=2040）对 UPA1 进行精细定位，将 UPA1 界定在223kb区域，该区域仅包含一个注释基因 brd1 。

研究发现， UPA2 的功能差异是由于顺式调控元件中2bp核苷酸的插入/缺失引起的，该突变调控了下游9.5kb的B3转录因子 ZmRAVL1 的表达； UPA1 的功能基因是参与油菜素内酯（BR）合成途径的基因 brd1 。功能分析发现，大刍草 UPA2 等位基因与 DRL1 具有更强的结合能力， DRL1 可与 LG1（ 玉米中控制叶舌的蛋白 ） 互作并抑制 LG1 对 ZmRAVL1 的激活作用，导致下游基因 brd1 的表达下调，进而降低叶环处内源BR水平，影响叶耳细胞的增殖，最终导致叶夹角减小，株型趋于紧凑。

图2 在分子水平上 UPA2 -NIL ^W22 和 UPA2 -NIL ⁸⁷⁵⁹ 调控叶夹角的差异情况( Tian et al., 2019 )。 UPA2 由位于 ZmRAVL1 上游9.5kb的2bp序列变异（TG/-）控制。含有 UPA2 中 TG核苷酸的 UPA2 -NIL ⁸⁷⁵⁹ 与 D R L1 的结合力高于 UPA2 -NIL ^W22 。DRL1 与LG1相互作用并抑制LG1激活 ZmRAVL1 表达 。在 UPA2 -NIL ⁸⁷⁵⁹ 中， ZmRAVL1 水平较低，进而下调 brd1 的表达，从而降低叶片区的内源油菜素类固醇水平，减小叶夹角。

田间实验表明， UPA2 -NIL ⁸⁷⁵⁹ 在密植条件下具有显著的增产效应。借助分子标记辅助选择，将 UPA2 的大刍草等位基因回交导入到了优良玉米杂交种农大108双亲（HuangC × Xu178）中获得了携带 UPA2 大刍草等位基因的改良农大108。田间密植实验显示，改良农大108在密植条件下玉米籽粒产量显著增加。这些结果说明 UPA2 野生等位变异在当前密植高产育种中可能具有重要的利用价值。

图3 UPA2 -NIL ⁸⁷⁵⁹ 和携带8759 UPA2 等位基因的改良农大108在高密度种植条件下，显示出较高的产量( Tian et al., 2019 )。（A-D）2017年在中国铁岭进行的不同种植密度下 UPA2 -NIL ^W22 和 UPA2 -NIL ⁸⁷⁵⁹ 的百粒重（A）、单株粒数（B）、单株粒产量（C）和每公顷籽粒产量（D）的比较。（E、F）2017年中国三亚田间试验中不同种植密度下 UPA2 -NIL ^W22 和 UPA2 -NIL ⁸⁷⁵⁹ 的百粒重（E）和单株粒数（F）的比较。（G、H）2018年中国三亚大田试验中改良农大108与原农大108在不同种植密度下的百粒重（G）和单株粒数（H）的比较。

另外 ZmRAVL1 的基因敲除材料叶夹角减小，株型紧凑，并且没有出现其他不利表型。田间实验表明， ZmRAVL1 基因敲除材料 在密植情况下具有显著的增产效应（图4）。

图4 直立叶夹角的 ZmRAVL1 -KO#1在高密度种植条件下表现出较高的产量( Tian et al., 2019 )。 （A-C）2018年在中国铁岭地区不同种植密度下， ZmRAVL1 -KO#1和野生型玉米的大田表型（A），百粒重（B）和单株粒数（C）的比较。 （D-G）2018年在中国三亚地区不同种植密度下， ZmRAVL1 -KO#1和野生型玉米的百粒重（D）、单株粒数（E）、单株产量（F）和每公顷粒产量（G）的比较。

玉米产量与多种因素相关，而且玉米产量是一个极为复杂的数量性状。在构成玉米产量的诸多因素中，百粒重、穗行数（KRN）、行粒数是影响玉米产量高低的决定性因素。穗行数是指果穗的籽粒行数，作为玉米产量性状最重要的构成因子之一，与产量显著正相关。在这里我们就主要给大家介绍一下与穗行数性状相关的基因。

2022年3月，中国农业大学杨小红/李建生课题组和华中农业大学严建兵课题组在 Science 杂志上发表了一篇题为“Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice”的研究论文。该论文发现，玉米 KRN2 和水稻 OsKRN2 受到趋同选择并通过相似的途径调控玉米和水稻的产量。

利用玉米野生种大刍草近缘且穗行数为6的MT-6材料与穗行数为16的现代栽培玉米自交系B73进行杂交，构建了一套重组自交系群体，利用该群体在2号染色体上初定位到了一个控制穗行数的主效QTL位点 qKRN2 （图5A），进一步的精细定位将基因锁定为 KRN2 （图5B-F）。

图5 qKRN2 的精细定位( Chen et al., 2022 )。（A） qKRN2 初定位于2号染色体IDP1和IDP8标记之间。（B） qKRN2 精细定位到标记IDP2和IDP5之间。（C、E） qKRN2 进一步 精细定位到标记IDP3和SNP1之间。（D）自交系群体中KRN的QTL的对数似然比轮廓图。（F）NIL- KRN2 ^B73 和NIL- KRN2 ^teosinte KRN2 基因结构及序列比较。

为验证 KRN2 的功能，利用Mu转座子插入技术创制了纯合突变体 Mu-krn2 （图6A、B）。通过分析发现 纯合突变体 Mu-krn2 产生的穗比野生型多约1.8行（图6C）。这些结果表明， KRN2 是 qKRN2 中KRN变异的关键基因，并且敲除该基因可以增加玉米的KRN。

图6 KRN2 的敲除增加了KRN( Chen et al., 2022 )。（A） Mu-krn2 中 KRN2 的Mutator转座子插入位点。黑色阴影表示外显子；灰色阴影表示UTR。三角形表示 Mutator 插入位点。（B）WT和 Mu-krn2 中Mutator插入的PCR检测。（C）WT和 Mu-krn2 的穗表型。（D）WT和 Mu-krn2 之间KRN的定量分析。

KRN2 编码的蛋白定位于细胞质，为了揭示KRN2蛋白的功能，利用酵母双杂筛库寻找其互作蛋白，最终筛选到DUF1644蛋白。后续通过酵母双杂实验、荧光素酶互补实验验证了KRN2蛋白与DUF1644蛋白之间的相互作用（图7A、B）。利用基因编辑技术构建了 KRN2 与 DUF1644 的单突变体与双突变体材料，发现 krn2 单突变体的花序分生组织变大，穗行数增加。同时还发现，虽然 duf1644 单突变体的花序分生组织大小和穗行数并未发生明显变化，但 krn2/ duf1644 双突变体能够使花序分生组织和穗行数在 krn2 单突变体的基础上进一步增加（图7C-H）。

图7 KRN2及其相互作用蛋白DUF1644通过协同途径调节KRN( Chen et al., 2022 )。（A、B）KRN2和DUF1644之间的相互作用被酵母双杂实验（A）和荧光素酶互补实验（B）证实。（C、D）利用CRISPR/Cas9技术对目的基因进行编辑。（E、F）敲除 DUF1644 不会改变KRN（E），而敲除 KRN 会增加KRN（F）。（G、H）WT、 DUF1644 和 KRN2 单敲除突变体以及双敲除突变体的穗表型及测量。

KRN2 在水稻中具有同源基因 OsKRN2 ，同时发现 OsKRN2 通过相似的途径调控水稻的产量。 OsKRN2 具有与玉米 KRN2 类似的在花序原基中高表达的模式，OsKRN2也能够与OsDUF1644发生相互作用。通过CRISPR/Cas9构建的 oskrn2 突变体表现出二级枝梗数与穗粒数增加的表型，而在 OsKRN2 过表达材料中出现了相反的表型。

将 KRN2 和 OsKRN2 基因编辑材料进行多年多点的测产实验，所有实验结果均表明， KRN2 和 OsKRN2 的功能丧失之后，与对照相比能够通过增加穗行数或穗粒数分别提高大约10%的玉米产量和8%的水稻产量，同时在生育期和株型等其它农艺性状上无明显变化（图8）。

图8 田间条件下 KRN2 和 OsKRN2 基因编辑材料的产量表现( Chen et al., 2022 )。（A）WT、 CR-krn2-1 和 CR-krn2-2 的植株和籽粒的形态学特征。（B）三个地点的WT、 CR-krn2-1 和 CR-krn2-2 的产量。（C）WT、 CR-oskrn2-1 和 CR-oskrn2-2 的植株、稻穗和籽粒形态学特征。（D）在一个地点进行的WT、 CR-oskrn2-1 和 CR-oskrn2-2 的籽粒产量。

玉米病害是影响玉米产量和品质的一个重要的因素。大斑病（NLB）、南方锈病（SCR）和灰斑病（GLS）是玉米常见的几种病害。接下来向大家介绍的是一个广谱抗病基因。

2021年7月，华中农业大学赖志兵课题组在 Molecular Plant 杂志上发表了一篇题为“A Teosinte-derived Allele of a MYB Tranion Repressor Confers Multiple Disease Resistance in Maize”的研究论文。该研究成功地从玉米野生种大刍草中克隆了对NLB、SCR和GLS表现广谱抗病性的新基因 ZmMM1 ，并鉴定到了一个能够增强ZmMM1蛋白翻译水平的调控序列qLMchr7 C117。

研究团队利用多重病害抗性相关的病斑表型为切入点，选取含有14%大刍草基因型的C117（抗病）和玉米自交系Mo17（感病）作为亲本进行遗传群体的构建，利用F2代完成初定位。选取位于7号染色体上，表型贡献率最高的QTL位点 qLMchr7 进行精细定位。利用分子标记M2和M3将 qLMchr7 定位到5kb的区间内，根据基因注释，在此区间只有一个候选基因，将其命名为 ZmMM1 ，进一步的分析发现 qLMchr7 区段位于 ZmMM1 的3' UTR区域。

图9 qLMchr7 的精细定位( Wang et al., 2021 )。（A）十叶期后两个亲本自交系（Mo17和C117）DAB染色前后的病斑表型。（B）精细定位将 qLMchr7 限定在距离 ZmMM1 基因1kb的区域。（C）在1kb的 qLMchr7 区域，Mo17和C117之间发现了20个SNP和7个Indels。该特定区域含有SNP443、SNP459和Indel462。

通过遗传学分析发现， ZmMM1 基因正向调控玉米对NLB、SCR和GLS的广谱抗病性；而且， ZmMM1 的大刍草基因型材料（ qLMchr7 -NIL ^C117 ）比其玉米自交系Mo17的基因型（ qLMchr7 -NIL ^Mo17 ）材料更抗病。

图10 ZmMM1 正向调节玉米对NLB、GLS和SCR的抗性( Wang et al., 2021 )。（A、B、E）WT和突变体 zmmm1-1 对NLB、GLS及SCR的病害表型。WT植株和 zmmm1-1 突变株是从 zmmm1-1 突变体×B73 F2群体中分离出来的。（C、D、F）WT和突变体 zmmm1-1 的NLB、GLS及SCR病斑宽度。（G、I、K）近等基因系（ qLMchr7 -NIL ^C117 和 qLMchr7 -NIL ^Mo17 ）对NLB、GLS及SCR的抗病表型。（H、J、L）近等基因系（ qLMchr7 -NIL ^C117 和 qLMchr7 -NIL ^Mo17 ）对NLB、GLS及SCR的病害评分。

该研究后续通过一系列分子实验提出了 ZmMM1 对多种病害（NLB、GLS和SCR）的抗性功能模型。如图11所示， ZmMT3 作为 ZmMM1 直接靶向的基因，编码一个lncRNA，在病原体感染过程中负调控ROS的积累，从而增强对多种疾病的抗性。 ZmMM1 mRNA的3' UTR上转录的 qLMchr7 区域调控了 ZmMM1 基因的翻译水平。

尽管在 qLMchr7 -NIL ^C117 和 qLMchr7 -NIL ^Mo17 植株之间的 ZmMM1 转录水平没有差异，但 qLMchr7 ^C117 的自然变异使得 qLMchr7 -NIL ^C117 植株中的ZmMM1蛋白水平高于 qLMchr7 -NIL ^Mo17 植株，对 ZmMT3具有更强的转录抑制能力，导致 ROS水平增强，解释了它们对NLB、GLS和SCR更强的抗性。

图11 ZmMM1 对多种病害（NLB、GLS和SCR）的抗性功能模型( Wang et al., 2021 )。

玉米籽粒性状特征主要包括粒重、容重、含水量、籽粒质地、蛋白含量、赖氨酸含量、甜玉米和糯玉米、生物强化玉米等等，在这里主要向大家介绍与玉米籽粒质地相关的基因。

2024年3月，中国科学院分子植物科学卓越创新中心巫永睿课题组联合上海师范大学王文琴课题组在 Nature Communications 杂志上发表了题为“An ARF gene mutation creates flint kernel architecture in dent maize”的研究论文。该研究首次成功克隆了将马齿玉米转变为硬粒型玉米的关键基因 Fka1 （ ARFTF17 ）。

研究团队利用EMS来诱变马齿型玉米自交系B73来筛选硬粒型籽粒表型，在M3代获得了一份硬粒型且百粒重不变的材料，命名为 fka1 -1 。为了克隆导致 fka1 -1 突变的基因，利用该突变体材料与野生型B73创建了一个F2群体，根据后代分离比确认突变体表型是由一个单隐性基因控制的（图12a）。基于植株穗型收集叶片DNA样本进行BSA测序，结果显示在5号染色体上有一个跨越2Mb区域（27-29Mb）的单峰（图12b-d）。基于B73基因组注释，在此区域鉴定出38个蛋白编码基因，其中只有 Zm00001d014013 （ ARFTF17 ）具有单核苷酸多态性，这个多态性位于该基因的第一个外显子中，由C突变为了T（图12e）。 ARFTF17 基因编码ARF转录因子，在玉米种皮中高表达，随后经过遗传验证得出其突变是导致 fka1 -1 表型变化的原因（图12f）。

图12 通过BSA克隆 fka1-1 和 fka1-1 的基因验证( Wang et al., 2024 )。（a）构建 fka1-1 遗传群体的过程示意图。（b-d）对 fka1-1 进行图位克隆。（e）fka1-1的测序图谱分析显示，在 ARFTF17 基因的第一个外显子中发现了一个C到T的突变。（f） f ka1-1 与其他等位基因互补及 ARFTF17Pro：FLAG-ARFTF17 的遗传验证。

通过不同发育时期的RNA-seq数据和代谢组数据分析发现 ARFTF17 调控类黄酮的生物合成。ARFTF17通过与MYB40相互作用，抑制了MYB40对下游基因的调控功能，其中MYB40具有抑制PIN1表达和激活类黄酮生物合成基因的双重功能。 ARFTF17 突变或 MYB40 过表达会降低 PIN1 的表达并促进类黄酮生物合成进而减少种皮中生长素的含量，从而导致种皮变短形成硬粒粒型。

图13 ARFTF17-MYB40模块调节玉米种皮发育活性的模型( Wang et al., 2024 )。

为了评估 fka1 表型在其他马齿型遗传背景材料中的表现，将 fka1-1 与20个马齿自交系（目前广泛种植的玉米杂交种特性）杂交，并观察 fka1-1 纯合的F2植株的穗部表型。其中18个品系具有完整的 fka1 表型，而只有两个品系（PHR55和LH93）表现出部分 fka1 表型（图14a）。这一结果证实了利用 fka1 改良玉米籽粒结构的广泛价值。

图14 fka1-1 在不同的马齿型玉米遗传背景中表现出来的类似硬粒玉米的籽粒表型( Wang et al., 2024 )。

破解我国玉米种业“卡脖子”问题是广大科研工作者努力的方向，基因资源的挖掘正是不可或缺的一环，这些研究就是这一现象的真实写照。除此之外，玉米优异种质资源挖掘与利用、现代生物技术育种研发与应用都是行业发展的发力点，由于篇幅有限，小远在此就不再赘述，大家感兴趣的话也可以自行查阅哦！