SNP 標記在玉米分子育種中的應用

尹祥佳 李 晶 王雅琳 王劍虹

（蘭州職業技術學院，甘肅蘭州 730070）

玉米（Zea maysL.）是全球也是我國第一大作物，主要用于主糧食用、飼料和燃料生產原料。玉米作為一種基礎研究模式植物，也是雜交良種應用最早、商品化率和經濟效益較高的作物，就播種面積和總產量而言在我國農業經濟結構中起著重要作用[1-3]。據中國報告網數據顯示，2019 年我國玉米播種面積達4128 萬hm2，總產量2.6 億t，雜交玉米制種面積17.06 萬hm2，生產玉米雜交種子9.9 億kg[4]，這些都得益于我國玉米育種科研實力的顯著提升。

我國玉米育種模式發展經歷了傳統經驗育種、雜種優勢育種和現代生物工程育種3 個時期[5]，長期以來，以玉米雜交育種為代表的傳統育種為我國育成了大量的優良品種，有力保障了我國玉米生產。近些年，隨著測序技術的快速發展和測序成本的下降，已經有B73 等在內的8 個玉米骨干自交系完成了全基因組測序工作，掌握了遺傳密碼[6]，這些玉米基因組遺傳信息的發布為發掘大量SNP 分子標記提供了基礎，并能夠快速高效地改良和提高玉米品種的產量、品質和抗性等重要性狀，幫助育種家選育優良的玉米品種[7]。

SNP 分子標記具有多態性豐富，在玉米染色體上分布均勻，共顯性、準確性高，可重復性好，易于高通量試驗等優點，成為了玉米分子育種研究的首選技術手段[8]。因此，本文對SNP 標記技術及其在玉米遺傳多樣性分析、構建遺傳圖譜及QTL 分析、全基因組關聯分析、品種真實性和純度鑒定等方面的應用進行闡述，以期為玉米分子育種提供一些參考。

1 SNP 標記

分子標記是DNA 分子堿基序列變異引發的多態性標記，按照技術原理可分為3 大類：第1 類是DNA 分子雜交標記技術，如RFLP 標記；第2 類是以PCR 為基礎的技術，包括RAPD、AFLP 和SSR；第3 類是基于基因組測序的分子標記，其中SNP 標記成為目前主要應用的分子標記技術[9]。SNP 是指在基因組水平上由于單個核苷酸的轉換、顛換、缺失和插入等4 種變異而引起的基因組水平的多態性表現，玉米基因組的每個SNP 標記平均密度大約為57bp。SNP 標記技術的研究包括SNP 的發掘和SNP 基因型鑒定技術，目前SNP 基因型鑒定技術有基因芯片技術、KASP 分型技術、TaqMan 探針技術、特異性引物延伸法（SPE）、高分辨率熔解曲線（HRM）、Illumina Goldengate 基因分型法、基于測序的基因分型技術（GBS）、FP-TDI 和引物入侵技術（InvaderTM）[10]，這些技術在玉米分子育種中有著廣泛的應用。

2 SNP 標記的應用

2.1 玉米遺傳多樣性分析玉米是利用雜種優勢最為充分的作物。目前，通過分析玉米親本的遺傳多樣性，劃分雜種優勢群，不斷開發和使用玉米種質資源，為選育出高品質和高產量的玉米品種提供了重要的理論和材料基礎。運用SNP 標記技術對玉米自交系的遺傳多樣性進行分析，劃分雜種優勢群已經成為玉米育種最為有效的途徑。王文斌等[11]利用2846 個高質量SNP 標記對陜A 群11 個優良自交系和陜B 群12 個自交系進行了遺傳多樣性分析，將23 份選育的自交系劃分為2 個類群。趙久然等[12]利用MaizeSNP3072 芯片對344 份玉米自交系進行全基因組分析，將344 份自交系劃分為8 個類群，從分子水平驗證了“X 群×黃改群”雜優模式，研究提出了國外種質資源與本地資源形成優勢互補，進一步選育優良玉米品種。吳金鳳等[13]利用1041 個SNP 位點將51 份玉米自交系劃分為7 個雜種優勢群，其中6 個類群中的瑞德群和改良瑞德群之間的遺傳距離最近，旅大紅骨群和P 群之間的遺傳距離最遠，9 份糯玉米自交系為獨立的雜種優勢群，劃分結果與系譜來源基本一致，能夠有效指導自交系組配和測配工作，提高育種效率。姜思奇等[14]利用56kSNP 芯片將44 份遼寧省玉米自交系劃分為4 個雜種優勢群，研究得出根據不同的試驗目的選用不同密度SNP 劃分雜種優勢群，能夠有效提升試驗效率。盧媛等[15]利用Axiom Maize 55K 芯片上的34257 個SNP 標記將44 份不同來源的糯玉米自交系和5 份普通玉米自交系劃分為5 個類群，研究得出糯玉米種質資源遺傳基礎狹窄，要不斷拓寬親本的遺傳基礎，提供廣泛的玉米育種種質資源。因此，隨著玉米基因組高通量測序技術發展，SNP 標記研究成本逐漸下降，開發出了大量的SNP 位點用于玉米種質資源的遺傳多樣性分析和雜種優勢群的劃分，及時從分子水平掌握育種材料的親緣關系，為玉米分子育種提供基礎育種材料。

2.2 構建遺傳圖譜及QTL 分析利用SNP 標記對作圖群體進行基因型分析，選擇育種材料親本間多態性SNP 標記，構建遺傳圖譜，進行產量和抗性性狀相關的QTL 分析。高星等[16]以黃早四和旅28為親本構建了重組自交系（RIL）群體，利用GBS 方法對群體進行基因型分型，構建了遺傳圖譜，研究了玉米籽粒灌漿特性與生育期相關性狀的QTL，在bin 4.05 和bin 9.04 區間內分別檢測到僅與灌漿速率相關的主效QTL。賴國榮等[17]以X178 和NX531 為親本構建了重組自交系（RIL）群體，應用測序的基因分型技術（GBS）獲得基因型純合的多態性SNP位點，得到了20 個營養品質性狀相關QTL。秦偉偉等[18]以玉米自交系黃早四和Mo17 為親本，構建包含130 個重組自交系（RIL）群體，基于GBS 技術獲得的高密度多態性SNP 位點，構建了包含1262個Bin 標記的高密度遺傳圖譜，研究了籽粒大小及百粒重性狀的QTL。許理文等[19]以先玉335 構建了雙單倍體（DH）群體，基于MaizeSNP3072 芯片的1337 個SNP 標記，得到了2 個玉米容重性狀相關QTL。鄭德波等[20]以K22×CI7、K22×Dan340的F2群體為作圖群體，用Illumina Maize SNP 500G基因芯片構建了2 個連鎖圖譜，研究得出第7 染色體上可能存在控制株高和穗位高的主效QTL。張春宵等[21]以鄭58 和昌7-2 為親本構建了包含151 份重組自交系（RIL）群體為作圖群體，通過MaizeSNP3072 芯片進行基因型分析，篩選出1407個有效多態性SNP 標記，定位了玉米萌發期和苗期的耐鹽和耐堿的相關性狀QTL。王輝等[22]以鄭58和HD568 為親本構建了220 個重組自交系（RIL）群體為作圖群體，利用MaizeSNP3 芯片完成基因型分析，得到了在不同種植密度下玉米穗長、穗粗、穗行數、行粒數的42 個穗部性狀QTL。因此，通過SNP 標記構建遺傳圖譜及QTL 分析，揭示玉米相關性狀的遺傳調控機制，從而為玉米相關性狀的主效QTL 精細定位及挖掘候選基因奠定了扎實的研究基礎。

2.3 全基因組關聯分析全基因組關聯分析（GWAS）具有更高的分辨率和更廣泛的遺傳變異。近年來，隨著高通量測序技術的應用，開發出了大量的玉米SNP 標記并應用于玉米全基因組關聯分析[23]。2008 年首次報道了通過全基因組關聯分析法研究了影響玉米自交系籽粒中脂肪酸含量的基因，全基因組關聯分析可以作為分析玉米不同性狀、挖掘優良基因的有效途徑，是一種QTL 精細定位策略[24]。吳律等[25]以80 份吉林省核心玉米自交系作為關聯群體，利用第2 代測序技術對關聯群體進行全基因組重測序，精細定位與行粒數緊密關聯的SNP 分子標記，挖掘出4 個玉米行粒數候選基因。張煥欣等[26]以203 份主要玉米自交系為關聯群體，用Illumina 公司開發的MaizeSNP50 BeadChip 芯片進行基因型檢測，用41101 個高質量的SNP 標記進行關聯分析，發現9 個與穗行數顯著關聯的SNP，發掘出了4 個玉米穗行數候選基因。邵曉宇等[27]以292 份自交系組成自然群體，用Illumina 公司開發的MaizeSNP50 BeadChip 芯片進行基因型檢測，用25331 個SNP 基因型數據進行關聯分析，發現28 個與穗粗顯著關聯的SNP，發掘了9 個玉米穗粗候選基因。李凱等[28]以360 份玉米自交系為試驗材料，用Illumina 公司開發的MaizeSNP50 芯片進行基因型檢測，篩選出44569 個高質量的SNP 標記進行關聯分析，得到了6 個與株高顯著關聯的SNP 位點，18 個與穗位高顯著關聯的SNP 位點。滕守振等[29]分析了287 份玉米自交系第一片葉的葉綠素含量，利用558269 個SNP 分子標記進行全基因組關聯性分析，得到了9 個與玉米葉片葉綠素含量顯著關聯SNP 位點和16 個候選基因。彭勃等[30]以285 份玉米自交系為研究材料，用MaizeSNP50 BeadChip 芯片篩選出39827 個SNP 標記進行全基因組關聯性分析，得到了玉米葉向值的27 個SNP 位點，挖掘了15 個控制玉米葉向值的候選基因。田潤苗等[31]測定了476 份玉米自交系種子萌發相關的6 個性狀，結合1.25M 的SNP 標記進行了全基因組關聯分析，檢測到了15 個種子萌發相關性狀的顯著SNP 位點和6 個候選基因。董青松等[32]以吉林省80 份核心玉米自交系為關聯群體，用IlluminaPE150 進行測序，對子粒脂肪含量和1490007 個高質量的SNP 標記進行全基因組關聯分析，得到了10 個與玉米子粒脂肪含量顯著相關的SNP 和6 個候選基因。除此之外，相關文獻還報道了研究玉米抗粗縮病[33]、絲黑穗病[34]、耐旱[35]、耐鹽[36]和耐低磷[37]的全基因組關聯分析。因此，利用測序技術和SNP 芯片技術對玉米重要產量性狀、養分利用、光合作用、抗旱和抗病相關性狀進行全基因組關聯分析，挖掘候選基因，為基因克隆和功能驗證、功能分子標記開發及選育優良玉米育種材料奠定了基礎。

2.4 品種真實性和純度鑒定我國玉米種子商品化率為100%，市場規模占7 種重要農作物種子市值的3 成以上，2020 年全國商品玉米種子使用量達10.55 億kg，市場規模為282.25 億元[38]。玉米種子質量直接關系到玉米種植產量和品質，玉米品種真實性和純度的鑒定成為了至關重要的技術指標。李雪等[39]比較研究了SNP 和SSR 分子標記在11 份玉米雜交種的真實性方面的差別，SNP 標記技術在試驗數據整合和高通量方面具有一定的優勢。田紅麗等[40]研究利用384 個核心SNP 位點構建了335 個國審玉米雜交種的DNA 指紋圖譜數據，可以應用在高密度的SNP 芯片平臺，高通量的KASP 和Taqman 技術平臺，以及高通量的測序平臺，為玉米品種分子鑒定提供了數據支撐。吳明生等[41]利用TaqManSNP 分型技術快速鑒定出了中糯2 號、鄭單958、北農301、農大86 和京農科728 等5 份玉米雜交種的純度。姚宗澤等[42]將SNP 分子標記的高分辨率熔解曲線（HRM）技術與田間小區鑒定法進行了比較研究，驗證了SNP 分子標記HRM 技術鑒定玉米雜交種家佳榮2 號純度的可靠性，提出了鑒定玉米雜交種新的方法。因此，隨著SNP 分子標記技術的發展，不斷展現了其高通量、微型化和自動化的技術應用優勢，將廣泛應用于玉米品種真實性和純度鑒定研究[43]。

3 展望

隨著SNP 分子標記技術的快速發展，SNP 分型技術不斷完善，試驗結果將更加科學、準確。SNP標記技術在玉米遺傳多樣性分析、構建遺傳圖譜及QTL 分析、全基因組關聯分析、品種真實性和純度鑒定等玉米育種方面的研究充分體現出了技術的優越性。SNP 分子標記技術能夠有效劃分玉米雜種優勢群、挖掘抗性基因、實現主效基因的精細定位，能夠對雜交育種等傳統育種理論和技術進行輔助育種，幫助育種家精準了解現有玉米育種材料的優良性狀，進行統籌有效的設計育種，直接加速育種材料實現優良基因的選擇和有效聚合，縮短育種年限，極大提高玉米育種效率，將對玉米育種理論研究和玉米新品種選育產生深遠的影響。