玉米耐旱性的遺傳機理及分子育種研究進展

賈鈺瑩，孫成韜，于佳霖，劉曉麗

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所，遼寧沈陽110161）

隨著全球氣候變暖及各種極端氣候的不斷涌現(xiàn)，干旱作為最主要的非生物脅迫，對農(nóng)作物生長造成的影響日益加劇。玉米對干旱脅迫比較敏感，生長發(fā)育受到嚴重影響，從而導致減產(chǎn)。改良玉米的耐旱性，選育耐旱品種是解決這一問題的有效途徑。玉米的耐旱性是受多基因調控的數(shù)量性狀，容易受環(huán)境變化影響，傳統(tǒng)的遺傳改良受到很大限制。因此，在對復雜的玉米耐旱機制進行遺傳解析的基礎上，利用分子生物學方法對其進行特定的分子改良，已成為玉米耐旱育種的重要途徑。

1 玉米耐旱性遺傳機理研究

不同玉米基因型之間的耐旱性存在廣泛的自然變異，控制耐旱相關性狀的基因在干旱脅迫下相互作用，形成錯綜復雜的調控機制應對干旱脅迫，同時也揭示了玉米耐旱機制的復雜性[1]。隨著現(xiàn)代分子生物學的不斷發(fā)展，國內外學者對玉米耐旱遺傳機理的研究日益重視，目前此方面的研究主要有2種途徑：一是通過分子標記技術和相關統(tǒng)計方法定位與抗旱相關性狀的QTL；二是借助功能基因組學對干旱脅迫下相關基因的表達和調控進行研究。以上2種途徑相互補充驗證，在克隆耐旱相關基因并發(fā)掘優(yōu)良的等位基因變異方面起著重要作用。

1.1 連鎖分析定位耐旱相關QTL

目前，國內外學者定位的大部分玉米耐旱相關QTL是利用連鎖分析的方法。最早在1995年，Lebreton等[2]定位到了分布在不同染色體上控制氣孔導度、根系數(shù)目和葉綠素含量等抗旱相關性狀的多個QTL。其后，大量玉米抗旱相關性狀的QTL不斷被挖掘，主要集中在幾個方面[3]：①開花期：抽雄期和吐絲期的QTL幾乎分布在玉米的所有染色體上，控制抽雄至吐絲間隔時間（ASI）的QTL趨向于分布在第2和第6條染色體上；②產(chǎn)量及產(chǎn)量構成性狀：不同干旱環(huán)境和不同脅迫程度下進行多年試驗，定位到多個控制穗長、穗粒數(shù)、行粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量的加性QTL和上位性互作QTL；③根部性狀：相對于水培條件，在田間條件下調查根部性狀時難度大，研究人員根據(jù)2年的田間試驗鑒定了控制土壤表層下第6、7、8節(jié)根數(shù)目的QTL和3個第7節(jié)層根直徑的QTL；④植株內部的激素可作為信號分子參與多種干旱脅迫下的信號轉導途徑，在幾個分離群體中鑒定了控制葉片和木質部脫落酸含量的QTL。

1.2 關聯(lián)分析挖掘耐旱相關基因

近年來，隨著大量分子標記的開發(fā)和生物信息學的發(fā)展，應用關聯(lián)分析挖掘植物復雜數(shù)量性狀相關基因已成為當前植物基因組學研究熱點之一。目前利用全基因組關聯(lián)分析和候選基因關聯(lián)分析在玉米抗旱性研究方面已取得了一定的進展，為耐旱遺傳基礎的解析提供了更多的信息。Setter等[4]利用350份玉米自交系組成的關聯(lián)群體，在全基因組中挖掘出540個候選基因的1 229個高質量SNP標記，結合干旱及其對照條件下該群體不同組織的干旱相關代謝產(chǎn)物和開花期進行關聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)與脫落酸以及碳水化合物代謝途徑有關的基因115個。之后，該群體被重新進行了基因分型，結合該群體在不同環(huán)境和處理下的9個農(nóng)藝性狀進行GWAS分析，鑒定到涉及33候選基因的42個顯著關聯(lián)的SNPs。秦峰團隊通過關聯(lián)分析找到了3個與玉米抗旱有關的候選基因ZmDREB、NAC111和Zm VPP1，通過重測序、候選基因關聯(lián)分析、轉基因驗證及回交導入等方法，進一步證明這些基因的表達可以增強玉米的耐旱能力，研究可為玉米耐旱遺傳提供重要的分子遺傳學機理解析，鑒別出的基因可直接用于玉米耐旱育種改良的靶標[5-7]。

1.3 轉錄組學研究

植物對干旱脅迫的反饋反應是通過不斷調整其生理代謝而實現(xiàn)的，其機制十分復雜，涉及到與此相關的眾多基因網(wǎng)絡。隨著植物功能基因組相關研究技術的興起，為研究干旱脅迫下這一復雜的過程提供了重要的手段，有助于解析與玉米脅迫響應相關的重要基因調控網(wǎng)絡，對闡明抗旱相關分子機制具有重要意義。此部分研究最初是利用cDNA微陣列、基因芯片等技術對干旱脅迫下玉米不同時期、不同組織的基因表達情況進行分析，許多研究發(fā)掘了參與細胞周期、信號轉導、碳水化合物代謝、活性氧清除、ABA應答等相關基因片段。之后隨著第3代測序技術的發(fā)展，可以在單核苷酸水平上對物種的整體轉錄活性進行檢測，為挖掘抗旱相關基因提供更為全面的信息[8]。

1.4 蛋白質組學研究

在生物體中，蛋白幾乎調控細胞內所有的生理生化反應，同時還作為結構蛋白以及信號分子影響細胞進程，并且生物體還存在廣泛的轉錄后修飾和翻譯后修飾過程，因此了解轉錄組和蛋白質組之間的相互調控作用，可以更全面地對植物的抗旱功能進行研究。從最初的2D雙向電泳到現(xiàn)今的iTRAQ和Laberfree等技術，高通量的蛋白質組學研究方法不斷發(fā)展，可以對干旱脅迫下玉米的蛋白表達水平進行解析。目前此方面的研究極少，只有部分研究對干旱脅迫及其對照條件下玉米葉片和根系的蛋白質表達水平進行了定量分析，鑒定到一些蛋白參與多種細胞進程如能量和新陳代謝、氧化還原反應的平衡和調控等，可能與玉米抗旱性相關[9]。

2 玉米耐旱分子育種研究

傳統(tǒng)的耐旱性遺傳改良是在干旱情況下通過對產(chǎn)量及其他次級性狀進行選擇，但是在育種實踐中能夠提供的干旱環(huán)境條件有限，選擇效率比較低。隨著現(xiàn)代生物技術的發(fā)展，利用分子標記輔助選擇、轉基因和基因編輯等方法提高玉米的抗旱性，從而加速育種進程，已成為抗旱分子育種的發(fā)展方向。

2.1 分子標記輔助選擇

分子標記輔助選擇的前提是開發(fā)耐旱性狀的功能標記，根據(jù)其檢測結果就可以在早世代預測選擇田間的耐旱相關性狀。目前，通過連鎖分析方法已定位到大量的耐旱相關性狀的QTL，真正運用到分子標記輔助育種中的例子并不多，主要原因是分子標記與目標等位基因之間的連鎖關系很容易被后代的遺傳重組打破。針對以上方法的局限性，近年來，研究人員嘗試了多種方法發(fā)掘復雜數(shù)量性狀表型變異的功能型等位基因。柳思思[10]利用關聯(lián)分析方法進行玉米全基因組分析，開發(fā)了應用于玉米耐旱育種的CAPS功能標記dhnC397和rspC1090，進一步研究表明這2個標記是基于耐旱基因dhn1和rsp41中的單核苷酸A/G多態(tài)性。Assenov等[11]利用直接PCR測序法對耐旱和干旱敏感玉米材料的一種轉錄因子ZmMYBE1基因中的SNP進行鑒定，發(fā)現(xiàn)在耐旱型玉米中此基因富含絲氨酸/蘇氨酸的區(qū)域存在A/G轉變，可進一步用于開發(fā)耐旱性狀的功能標記。

2.2 轉基因研究

玉米耐旱轉基因研究不僅為耐旱機理的探索提供了有效的工具，并且加快了玉米耐旱分子育種的進程。國內外學者將鑒定出的許多耐旱相關基因利用遺傳轉化的方法導入到玉米植株中，提高了玉米的耐旱性，創(chuàng)制了耐旱轉基因玉米新種質，在玉米耐旱育種中有重要應用價值。研究表明，與脅迫相關的轉錄因子ASR在玉米中過表達后，可增強玉米在干旱條件葉片衰老程度；編碼氫離子焦磷酸酶的ZmVPP1基因在玉米中過表達后，因増強了玉米的光合效率和根的發(fā)育，從而提高了玉米苗期的耐旱性[7]；玉米ZmNAC111基因可提高植株的水分利用效率并誘導上調干旱響應基因，增強該基因的表達，提高苗期玉米的耐旱性[6]。一些跨國公司，尤其是孟山都公司在耐旱玉米轉基因研究方面處于領先地位，該公司研究通過增強轉錄因子ZmNF-YB2的表達，提高玉米耐旱性進而使產(chǎn)量增加，所研發(fā)的轉基因耐旱玉米MON87460轉化體，通過增加單株的籽粒數(shù)，從而提高干旱環(huán)境下玉米的產(chǎn)量。

2.3 基因編輯研究

基因編輯技術是對基因組進行定向編輯的一項新技術，自從第3代基因編輯技術CRISPR/Cas系統(tǒng)的出現(xiàn)，特別是以簡單、高效和適用性廣而被廣泛應用的CRISPR/Cas9系統(tǒng)，已成為作物基因功能研究和性狀改良的又一有效工具。CRISPR-Cas9基因編輯技術在作物改良中主要應用在營養(yǎng)品質、抗病、抗逆和高產(chǎn)等方面，在玉米重要農(nóng)藝性狀方面應用成功的報道雖然為數(shù)不多，但是很具有代表性。其中，Shi等[12]利用CRISPR/Cas9技術改變了ARGOS8基因的啟動子，增加了ARGOS8基因表達，使玉米株系籽粒產(chǎn)量受干旱脅迫的影響減弱，增強了玉米耐旱性。Zhang等[13]利用CRISPR/Cas9技術敲除玉米株系中的一種HKT型轉運蛋白基因ZmHKT1，降低了植株鹽堿脅迫耐受性，證明該基因對提高玉米耐鹽堿脅迫有積極的作用。目前，基因編輯技術應用在玉米育種中的報道雖然相對較少，尤其在玉米耐旱方面，但是隨著研究的深入，相關成功的案例會越來越多。

3 總結與展望

近些年，國內外學者在玉米耐旱性研究方面已經(jīng)取得了卓越性的進展，發(fā)現(xiàn)了很多基因與玉米的抗旱性息息相關，但是多數(shù)被驗證有所欠缺或還缺少必要的功能分析，對其潛在的耐旱遺傳機理的解析還有巨大的進展空間。如今各種新興技術不斷涌現(xiàn)，充分運用各種相關技術，借助基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等工具鑒定和分析干旱路徑中基因、蛋白和代謝產(chǎn)物等物質，有助于解析復雜的玉米耐旱調控網(wǎng)絡并闡明玉米干旱耐受機理，可為玉米耐旱育種提供新的契機。

玉米耐旱育種是一項艱巨的工作，尤其是干旱可影響玉米生長的各個階段，大量研究證明將分子手段與傳統(tǒng)育種相結合是加速耐旱材料選育的有效途徑，現(xiàn)階段雖有諸多不足，但也在不斷進步。目前，在玉米耐旱性的轉基因研究中，耐旱基因的遺傳轉化集中在單基因上，在多基因聚合方面，孟山都SmartStax的轉基因方法能同時定位8個基因，使得多基因耐旱成為可能。另外，以基因組編輯技術為基礎的新育種技術，允許在優(yōu)良品種中同時修改多個遺傳位點，隨著測序技術和大數(shù)據(jù)的發(fā)展，會有大量基因組數(shù)據(jù)為基因組編輯改良作物性狀提供便利，展現(xiàn)了這種新興育種技術的巨大潛力。伴隨著分子生物學及其相關技術的向前進步以及不同學科的相互結合，相信未來玉米耐旱分子育種將獲得更廣闊的發(fā)展空間。