轉(zhuǎn)LOS5玉米的大田抗旱性鑒定

劉 成，楊炳鵬，孫寶成，章家長，唐懷君，王天宇，張登峰，謝小清，石云素，宋燕春 ，楊小紅，黎 裕，李建生

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轉(zhuǎn)玉米的大田抗旱性鑒定

劉 成1,2，楊炳鵬1，孫寶成2，章家長1，唐懷君2，王天宇3，張登峰3，謝小清2，石云素3，宋燕春3，楊小紅1，黎 裕3，李建生1

（1中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院國家玉米改良中心，北京100193；2新疆農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091；3中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所，北京100081）

【目的】培育轉(zhuǎn)基因抗旱玉米新品種是解決玉米生產(chǎn)問題的重要途徑。通過鑒定和分析擬南芥轉(zhuǎn)入玉米后對玉米田間抗旱性的影響，篩選抗旱性突出的轉(zhuǎn)的玉米株系用于抗旱育種?！痉椒ā吭?50、225、300、375、450和600 mm（CK）梯度灌水脅迫處理條件下，大田鑒定8個轉(zhuǎn)玉米株系及其受體鄭58的抗旱性，測定產(chǎn)量和其他農(nóng)藝性狀的變化，明確在提高玉米抗旱性方面的主要田間表現(xiàn)形式，同時篩選抗旱性顯著優(yōu)于受體的轉(zhuǎn)基因株系。【結(jié)果】隨著累計灌水量600—150 mm逐漸降低，9個試驗材料的產(chǎn)量和抗旱性均相應下降。8個轉(zhuǎn)基因玉米株系的產(chǎn)量在225—450 mm灌水范圍內(nèi)均顯著高于受體鄭58，且在正常灌水600 mm的一半處理（300 mm）時差異最大化。300 mm灌水處理中，8個轉(zhuǎn)基因株系的抗旱性指數(shù)為0.56—0.70，顯著高于受體鄭58（0.5），抗旱性提高12%—40%?？购敌詮膹姷饺醯牟牧享樞蚴荰8920B6、T8920B2、T8920B7、T8920B5、T8020B1、T8920B4、T8920B3、T8920B8和受體鄭58。營養(yǎng)體生長和發(fā)育方面，在灌水150—225 mm處理中，8個轉(zhuǎn)基因材料灌漿末期的葉色SPAD值38.4—42.4，均極顯著高于受體鄭58（28.7—37.5），但地上部生物重量、株高和穗位高沒有顯著差異；果穗發(fā)育方面，在灌水150—225 mm處理中，8個轉(zhuǎn)基因株系的穗重為42.3—61.6 g，穗長為10.9—13.1 cm，均極顯著高于受體（36.4—40.7 g和8.5—11.8 cm），但軸重和穗粗的差異不顯著；籽粒發(fā)育方面，8個轉(zhuǎn)基因株系的穗粒數(shù)為86.6—182.6，行粒數(shù)為8.4—15.6，也顯著高于受體的穗粒數(shù)57.3—83.2和行粒數(shù)4.9—7.1，但穗行數(shù)和百粒重差異不顯著?！窘Y(jié)論】轉(zhuǎn)入受體鄭58后，對轉(zhuǎn)基因玉米開花前營養(yǎng)生長的影響較小，但在開花之后維持受旱玉米的穗長、行粒數(shù)和灌漿后期葉色等方面發(fā)揮了積極作用，使受旱玉米的穗重、穗粒數(shù)和產(chǎn)量保持在相對較高的水平，從而提高了玉米的抗旱性；轉(zhuǎn)基因玉米株系的抗旱性均高于受體鄭58，但抗旱性提高程度有顯著差異，對不同轉(zhuǎn)化株系進行大田抗旱性鑒定和篩選是十分必要的；正常灌水量一半的脅迫強度能最大化玉米抗旱性的差異，有利于鑒定和篩選出有利用價值的轉(zhuǎn)基因材料。

玉米；；抗旱性；轉(zhuǎn)基因

0 引言

【研究意義】玉米是世界三大糧食作物之一，也是需水較多、對干旱比較敏感的作物。干旱可以導致玉米生長發(fā)育受阻、產(chǎn)量降低。因此，挖掘玉米抗旱基因，運用轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育抗旱玉米新品種，對提高干旱半干旱地區(qū)玉米的穩(wěn)產(chǎn)性意義重大。【前人研究進展】近年來，轉(zhuǎn)基因技術(shù)在玉米抗旱新品種培育中得到越來越多的應用[1]。轉(zhuǎn)化的基因類型包括：（1）功能基因，如玉米磷脂酶C1基因[2]、玉米磷脂酰肌醇合成酶基因[3]、細菌甘氨酸肌氨酸甲酰轉(zhuǎn)移酶基因[4]、細菌二甲基甘氨酸甲酰轉(zhuǎn)移酶基因[4]、大腸桿菌膽堿脫氫酶基因[5-6]、鹽芥液泡氫離子-焦磷酸酶基因[6-7]、大腸桿菌谷氨酸脫氫酶基因[8]等；（2）蛋白激酶基因，如煙草蛋白基因[9]等；（3）轉(zhuǎn)錄因子基因，如鹽芥[10]、玉米[11]、玉米[12]。這些基因轉(zhuǎn)入玉米植株后抗旱性均得到提高。Castiglioni等[13]把大腸桿菌冷休克蛋白基因和枯草桿菌冷休克蛋白基因轉(zhuǎn)移到玉米中培育的抗旱品種在美國已產(chǎn)業(yè)化。已有研究表明，脫落酸（ABA）在植物對干旱脅迫的響應中具有重要作用[14]，ABA合成過程中的多種酶類均有可能對植物抗旱性產(chǎn)生影響。2001年Xiong等[15]通過突變體在擬南芥中克隆到，該基因編碼鉬輔因子（MOCO）硫化酶，催化MoCo硫酸化形式的產(chǎn)生，而該形式的MoCo是植物中ABA生物合成途徑最后一步起作用的醛氧化酶所必需的輔助因子，證明是調(diào)節(jié)多種逆境脅迫和ABA合成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。擬南芥轉(zhuǎn)入水稻[16]、棉花[17]、大豆[18]和煙草[19]后，轉(zhuǎn)基因植株均表現(xiàn)出良好的抗旱性；在轉(zhuǎn)基因甘薯[20]和黃瓜[21]中還表現(xiàn)出耐鹽性和耐冷性。該基因轉(zhuǎn)入玉米后，耐鹽性得以提高[22]；轉(zhuǎn)基因植株醛氧化酶活性顯著提高，ABA積累增多，抗旱性也得到增強[23]。因此，在植物抗干旱脅迫中起著重要的調(diào)控作用，可能具有重要的育種應用價值?！颈狙芯壳腥朦c】在前期工作中，通過農(nóng)桿菌介導的方法轉(zhuǎn)化玉米幼胚，獲得了的單拷貝轉(zhuǎn)基因玉米株系，盆栽條件下鑒定了其抗旱性，但缺乏大田抗旱性鑒定驗證。且轉(zhuǎn)基因玉米株系在農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀等方面的抗旱性具體表現(xiàn)仍不明確。為了更好地了解的作用并篩選抗旱性突出的轉(zhuǎn)化株系，需要進一步進行田間抗旱性鑒定研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過對8個不同的轉(zhuǎn)株系及受體鄭58進行不同生育時期的梯度灌水脅迫處理，分析轉(zhuǎn)不同株系材料在干旱脅迫后農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀的變化以及抗旱性差異，明確抗旱性的具體田間表現(xiàn)形式，篩選抗旱性最為突出的轉(zhuǎn)基因玉米株系。為抗旱轉(zhuǎn)基因玉米新品種培育提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料共9份，其中1份為轉(zhuǎn)基因受體鄭58（Z58），另外8份是轉(zhuǎn)入鄭58的不同轉(zhuǎn)化株系，分別為T8920B1（B1）、T8920B2（B2）、T8920B3（B3）、T8920B4（B4）、T8920B5（B5）、T8920B6（B6）、T8920B7（B7）和T8920B8（B8），這8份轉(zhuǎn)化材料，是運用農(nóng)桿菌介導法，將來自擬南芥的編碼鉬輔因子（MOCO）硫化酶基因在ubiquitin啟動子啟動時分別以正義和反義2個方向轉(zhuǎn)入玉米幼胚中所獲得的單拷貝轉(zhuǎn)基因株系，屬于不同的轉(zhuǎn)化事件。PCR和Southern blotting證明外援基因已被整合到轉(zhuǎn)化植株及其后代的玉米基因組中[23]，遺傳穩(wěn)定，抗旱表型突出，具有鄭58遺傳背景。

1.2 試驗方法

試驗于2010年在新疆烏魯木齊市北郊新疆農(nóng)業(yè)科學院安寧渠試驗場進行。試驗區(qū)土壤肥力水平中等。2010年試驗場玉米生長期5—9月份的降雨量分別為26.2、31.2、13.2、12.5和5.1 mm，合計62.0 mm。試驗采用梯度水分脅迫處理[24]，5個干旱脅迫處理和1個正常灌水對照，共6個水分處理區(qū)，每個處理內(nèi)3次重復，隨機區(qū)組。處理之間及四周均設置5 m以上水分隔離帶。每個材料4行，行長5 m，行距0.6 m，株距0.3 m。每次每個處理灌水75 mm（750 m3·hm-2）。6個水分處理的總灌水量分別為150、225、300、375、450和600 mm（CK），每1 mm灌水量等價于10 m3·hm-2。具體灌水時間見表1。

1.3 抗旱性評價方法

干旱脅迫后調(diào)查各材料的抽雄期、揚花期、吐絲期、葉片萎蔫及卷曲度，收獲前分別測定株高、穗位高和有效穗數(shù)，收獲后測定單株穗重和生物干重，室內(nèi)考種測定單株粒重、穗粒數(shù)和千粒重。用3個重復的單株粒重平均值作為產(chǎn)量衡量指標[25]，用抗旱系數(shù)（drought resistant coefficient）評價抗旱性[26]。

表1 不同處理的灌水時間和灌水量

—表示終止灌水。T1、T2、T3、T4、T5為5個不同的水分脅迫處理，CK為正常灌水處理

— refers to no irrigation. T1, T2, T3, T4 and T5 refer to five water stress treatments, and CK refers to the normal irrigation

抗旱系數(shù)=水分脅迫處理區(qū)的產(chǎn)量/正常灌水對照區(qū)的產(chǎn)量。

用SPAD-502儀測定灌漿后期葉片的SPAD 葉色值（soil and plant analyzer development leaf color）[27]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel和Statistica7.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差ANOVA和Duncan新復極差法分析每個水分處理區(qū)材料之間的差異。

2 結(jié)果

2.1 水分脅迫后轉(zhuǎn)基因玉米營養(yǎng)生長的變化

正常灌水條件下（600 mm），8個轉(zhuǎn)基因材料灌漿后期的葉色與受體鄭58（Z58）相比無顯著差異，而當灌水量下降到225和150 mm后，8個轉(zhuǎn)基因材料的葉色SPAD值為38.4—42.4，極顯著高于受體（28.7—37.5），方差分析值分別為42.92**和19.97**，而轉(zhuǎn)基因材料之間無明顯差異（圖1-A）。

地上部單株鮮重雖然隨著灌水量的減少而大幅下降，但8個轉(zhuǎn)基因材料與受體在相同灌水處理中差異不顯著（圖1-B）。

轉(zhuǎn)基因材料和受體鄭58在正常灌水（600 mm）和輕度干旱脅迫（375 mm）條件下的株高和穗位高度存在差異顯著。方差分析表明，在600、375、225和150 mm灌水條件下，株高檢驗值分別為13.09**、3.80**、2.54*和0.751，穗位高檢驗值分別為19.29**、3.04*、1.394和0.760，表明在正常灌水條件下，9個材料之間的株高和穗位差異在干旱脅迫加大后逐漸減小。從圖1-C和圖1-D可以看出，株高的差異和穗位高的差異主要存在于8個轉(zhuǎn)基因材料之間，轉(zhuǎn)基因材料與受體鄭58（Z58）相比則無明顯差異。

以上結(jié)果表明，在營養(yǎng)器官的生長發(fā)育方面，有明顯延緩干旱條件下玉米葉片衰老、保持后期葉綠素含量的效應，但對地上部生物產(chǎn)量、株高和穗位高影響相對較小。

2.2 水分脅迫后轉(zhuǎn)基因玉米穗部性狀的變化

在正常條件（灌水600 mm）和輕度干旱脅迫（灌水450 mm）條件下，轉(zhuǎn)基因材料與受體之間的穗重和軸重無顯著差異，但在灌水量150和225 mm的中高強度脅迫條件下，8個轉(zhuǎn)基因材料的穗重為42.3—61.6 g，顯著高于受體的穗重36.4—40.7 g（值分別為9.74**和8.40*，圖2-A），但軸重未達到顯著水平（圖2-B）。

圖2 不同灌水量處理8個LOS5轉(zhuǎn)基因材料與受體鄭58（Z58）的穗重（A）、軸重（B）、穗長（C）和穗粗（D）的變化比較

在正常條件（灌水600 mm）和輕度干旱脅迫（灌水450 mm）條件下，轉(zhuǎn)基因材料與受體之間的穗長和穗粗均無顯著差異，在當灌水量下降到150和225 mm后，8個轉(zhuǎn)基因材料的穗長為10.9—13.1 cm，極顯著高于受體的8.5—11.8 cm（值分別為5.18**和3.02**，圖2-C、圖2-D）。

以上表明，在維持受旱玉米的穗長和穗重方面有積極作用，而對穗粗和軸重的影響相對較小。

2.3 水分脅迫后轉(zhuǎn)基因玉米籽粒性狀的變化

在150—600 mm灌水范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)基因材料B1—B8的穗行數(shù)差異只在灌水375 mm處理中達到顯著水平（=2.54*），相對于受體差異則不顯著（圖3-A）。在灌水量375—600 mm灌水條件下，9個玉米材料的穗行數(shù)和行粒數(shù)變化較小，而在灌水量下降到150—225 mm后行粒數(shù)大幅下降，此區(qū)間中8個轉(zhuǎn)基因材料行粒數(shù)為8.4—15.6，極顯著高于受體鄭58的4.9—7.1（=10.12**和34.87**，圖3-B）。

圖3 不同灌水量處理8個LOS5轉(zhuǎn)基因材料與受體鄭58（Z58）穗行數(shù)（A）、行粒數(shù)（B）、穗粒數(shù)（C）和百粒重（D）的變化比較

在灌水量375、450和600 mm的處理中，9個材料的穗粒數(shù)沒有明顯差異，而在灌水量150和225 mm處理中，8個轉(zhuǎn)基因材料的穗粒數(shù)為86.6—182.6，極顯著高于受體鄭58的57.3—83.2（值10.63**和29.14**，圖3-C）。其中，以B2和B6的穗粒數(shù)下降最少。隨著灌水量的減少，百粒重也有明顯的下降趨勢，但轉(zhuǎn)基因材料與受體相比，差異不顯著（圖3-D）。

以上分析表明，與受體相比，轉(zhuǎn)玉米在受旱后有保持穗粒數(shù)和行粒數(shù)較高水平的作用，而對百粒重和穗行數(shù)的影響較小。

2.4 水分脅迫后轉(zhuǎn)基因玉米產(chǎn)量的變化

在灌水600 mm的對照中，轉(zhuǎn)基因材料和受體的產(chǎn)量差異不顯著。而隨著灌水量的逐漸減少，在灌水150—375 mm，轉(zhuǎn)基因材料和受體的產(chǎn)量均有較大幅度的下降，但8個轉(zhuǎn)基因材料的產(chǎn)量始終顯著高于受體，產(chǎn)量差異在正常灌水一半時（300 mm）達到最大化（=15.66**，圖4）。因此，8個轉(zhuǎn)基因材料均較受體抗旱。其中，受旱后產(chǎn)量下降最少的是材料B2和B6，這兩個材料在225 mm和300 mm灌水處理中產(chǎn)量極顯著高于受體（值10.11**和15.66**），在150 mm和375 mm處理中分別顯著高于受體（值3.09*和1.85*），表現(xiàn)出相對突出的抗旱性。

圖4 不同灌水量處理的轉(zhuǎn)LOS5材料的單株產(chǎn)量與受體鄭58（Z58）的比較

2.5 水分脅迫后轉(zhuǎn)基因玉米抗旱性的變化

在灌水量150—600 mm，隨著灌水量的減小，9個試驗材料的抗旱系數(shù)逐漸下降，但每個處理中，轉(zhuǎn)基因材料的抗旱性總是較受體為高（圖5）。在充分灌水（600 mm）和極端脅迫處理（150 mm）條件下，轉(zhuǎn)基因材料的抗旱性與受體的抗旱性差異稍小，但在225—450 mm灌水處理區(qū)間，轉(zhuǎn)基因材料與受體的抗旱性差異較大，差異最大的處理仍是300 mm處理，這與產(chǎn)量分析結(jié)果相一致。在300 mm灌水處理中，8個轉(zhuǎn)基因株系的抗旱系數(shù)為0.56—0.70，較受體鄭58的抗旱系數(shù)0.50提高12%—40%，特別是B2和B6材料在該處理中，抗旱性系數(shù)與受體的差異最為明顯（圖5）。按照5個脅迫處理的抗旱系數(shù)平均值排序，抗旱性從強到弱的材料順序是B6（T8920B6）、B2（T8920B2）、B7（T8920B7）、B5（T8920B5）、B1（T8920B1）、B4（T8920B4）、B3（T8920B3）、B8（T8920B8）和Z58（鄭58）?？购敌酝怀龅腡8920B6和T8920B2轉(zhuǎn)基因株系在節(jié)水50%（灌水300 mm）時抗旱系數(shù)均為0.70（產(chǎn)量下降30%），而同條件下受體鄭58的抗旱性為0.50（產(chǎn)量下降50%），其抗旱性均較受體提高40%，可以用于轉(zhuǎn)基因玉米新品種培育中。

圖5 不同灌水量處理8個LOS5轉(zhuǎn)基因材料與受體鄭58（Z58）的抗旱性比較

3 討論

脫落酸（ABA）是植物在逆境脅迫反應過程中的重要調(diào)控因子。編碼ABA合成的關(guān)鍵酶鉬輔因子（MOCO）硫化酶，脫落酸醛氧化成ABA是植物中ABA生物合成的最后一步，因此，與逆境條件下ABA的合成密切相關(guān)[15]，這可能是具有抗旱應用潛力的重要原因。Lu等[23]應用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法把擬南芥轉(zhuǎn)移到玉米優(yōu)良自交系鄭58中，獲得了16個獨立轉(zhuǎn)化體。針對其中2個顯性純合的轉(zhuǎn)化體進行了盆栽條件下的抗旱性鑒定評價，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因植株氣孔開度減小，由此導致與受體對照相比水分散失降低、相對水分含量較高；同時，轉(zhuǎn)基因植株比受體對照葉片萎蔫程度降低，電解質(zhì)滲出率、丙二醛和過氧化氫含量更低，抗氧化酶類和脯氨酸含量更高；此外，的過表達導致一批脅迫調(diào)控基因的表達，在復水后根系發(fā)育和生物量積累比受體對照快[22]。植物受旱后，葉片光合系統(tǒng)受損，葉綠素含量下降，綠色減少，葉色SPAD值降低[28-30]。陳春梅等[31]利用耐旱性不同的51個玉米自交系表明，玉米自交系在吐絲期干旱脅迫與正常灌溉條件下SPAD 的相對值與其耐旱系數(shù)呈極顯著正相關(guān), SPAD 的相對值和耐旱系數(shù)可作為其耐旱性評價指標。本研究對大田干旱脅迫下轉(zhuǎn)基因玉米分析結(jié)果顯示，在干旱條件下，轉(zhuǎn)株系與受體鄭58相比葉色SPAD值更高、持綠性更強。這說明還可能具有降低逆境脅迫條件下葉片葉綠素降解的作用。

Yue等[17]將轉(zhuǎn)入棉花，獲得轉(zhuǎn)基因棉花株系，該株系與受體對照在自然條件下的抗旱性鑒定結(jié)果，表明轉(zhuǎn)基因棉花株系抗旱性明顯優(yōu)于受體對照，并且轉(zhuǎn)基因棉花在節(jié)水50%情況下增產(chǎn)效果極為顯著。此外，在棉花[17]、煙草[19]、玉米[23]等作物也發(fā)現(xiàn)的抗旱作用。在本試驗中，隨著600、450、375、300、225和150 mm梯度灌水量的逐漸減少，8個轉(zhuǎn)材料T8920B1—T8920B8的單株產(chǎn)量均有不同程度的下降，但下降量均較受體鄭58少，抗旱性均高于受體鄭58。在提高作物抗旱性方面可能具有普遍性。

在本試驗中，在灌水量450 mm的輕度脅迫和600 mm正常灌水條件下，8個轉(zhuǎn)材料和對照鄭58的產(chǎn)量及抗旱性差異不顯著。在灌水量370 mm以下的中強度干旱脅迫條件下，材料間的產(chǎn)量及抗旱性差異才達到顯著以上水平。其中，產(chǎn)量差異最大的灌水處理為300 mm，即正常灌水量50%時產(chǎn)量差異最大。灌水量一半（本文300 mm灌水量）作為最佳的鑒定條件，能夠較好區(qū)分材料的抗旱性差異，在過度脅迫（如150 mm灌水）條件下，所有材料幾乎不能結(jié)實，導致抗旱系數(shù)全部接近于0，差異縮?。辉诿{迫不足的灌水條件下（如450 mm灌水），所有材料受脅迫傷害較輕，產(chǎn)量基本接近充分灌水對照區(qū)產(chǎn)量，難以區(qū)分材料的抗旱性差異。因此，灌水一半的中等脅迫條件有利于區(qū)分轉(zhuǎn)各玉米株系的田間抗旱性。

本研究中，8個轉(zhuǎn)基因玉米受旱后，在植株高度、葉片顏色、生物產(chǎn)量、果穗大小、籽粒數(shù)量以及產(chǎn)量等多方面的受旱影響均較受體鄭58少，因此，轉(zhuǎn)入鄭58后抗旱性的表現(xiàn)是多方面的。但表現(xiàn)最突出的方面在于，一是轉(zhuǎn)玉米維持了果穗長度和行粒數(shù)，確保了較高水平的穗粒數(shù)和果穗重量，使轉(zhuǎn)基因玉米在脅迫條件下獲得了較高的產(chǎn)量?？购缔D(zhuǎn)基因玉米的穗粒數(shù)下降較少與SUN的研究結(jié)果[25]一致；二是轉(zhuǎn)入鄭58后，極顯著延長了灌漿末期葉片的持綠性，確保了灌漿的順利進行。

試驗結(jié)果也表明，相對于受體鄭58而言，雖然的8個轉(zhuǎn)化事件株系的抗旱性普遍得到了提高，但轉(zhuǎn)化株系之間仍然存在很大的抗旱性差異。抗旱性表現(xiàn)最為突出的T8920B6和T8920B2株系,在節(jié)水50%（灌水300 mm）時抗旱系數(shù)均為0.7左右（產(chǎn)量下降30%），而同條件下受體鄭58的抗旱性為0.50（產(chǎn)量下降50%），其抗旱性均較受體提高40%.但B8920B3和B8920B8在5個脅迫條件下的抗旱性與受體極為接近。因此，在PCR和Southern blotting證明外援基因已被整合并獲得穩(wěn)定遺傳后代后，不同轉(zhuǎn)化事件株系的抗旱性具有差異，轉(zhuǎn)化事件株系的抗旱性仍然需要大田鑒定試驗的確認和篩選。本研究中篩選出的T8920B6和T8920B2，可作為優(yōu)良自交系用于抗旱轉(zhuǎn)基因玉米新品種培育。

4 結(jié)論

在灌水225—375 mm的脅迫區(qū)間，8個轉(zhuǎn)株系的產(chǎn)量下降量均較受體少，抗旱性顯著高于受體12%—40%，通過田間抗旱性鑒定和篩選，T8920B6和T8920B2株系可用于抗旱轉(zhuǎn)基因育種。轉(zhuǎn)化事件之間存在抗旱性顯著差異，因此，對轉(zhuǎn)化事件株系開展大田抗旱性鑒定和篩選是十分必要的；灌水量為正常灌水一半時，能最大化轉(zhuǎn)基因株系與受體的抗旱性差異，最有利于抗旱性鑒定；對開花前玉米營養(yǎng)生長的影響較小，但在開花期維持受旱玉米的穗長和行粒數(shù)方面發(fā)揮了顯著作用，最終導致受旱玉米將穗重、穗粒數(shù)和產(chǎn)量保持在相對較高的水平，表現(xiàn)出較受體更高的抗旱性，在灌漿后期維持葉片持綠性方面也有極顯著作用。

References

[1] 黎裕, 王建康, 邱麗娟, 馬有志, 李新海, 萬建民. 中國作物分子育種性狀與發(fā)展前景. 作物學報, 2010, 36(9): 1425-1430.

Li Y, Wang J K, Qiu L J, Ma Y Z, Li X H, Wan J M. The traits and development prospect of crop molecular breeding in China., 2010, 36(9): 1425-1430. (in Chinese)

[2] Wang C R, Yang A F, Yue G D, Gao Q, Yin H Y, Zhang J R. Enhanced expression of phospholipase C1 () improves drought tolerance in transgenic maize., 2008, 227: 1127-1140.

[3] Liu X, Zhai S, Zhao Y, Sun B, Liu C, Yang A, Zhang J. Overexpression of the phosphatidylinositol synthase gene () conferring drought stress tolerance by altering membrane lipid composition and increasing ABA synthesis in maize., 2013, 36: 1037-1055.

[4] He C M, He Y, Liu Q, Liu T, Liu C, Wang L, Zhang J. co-expression of genes ApGSMT2 and ApDMT2 for glycine betaine synthesis in maize enhances the drought tolerance of plant., 2013, 31: 559-573.

[5] Quan R D, Shang M, Zhang H, Zhao Y, Zhang J. Engineering of enhanced glycine betaine synthesis improves drought tolerance in maize., 2004, 2: 477-486.

[6] Wei A Y, He C M, Li B, Li N, Zhang J R. The pyramid of transgenes TsVp and BetA effectively enhances the drought tolerance of maize plants., 2011, 9: 216-229.

[7] Li B, Wei A, Song C, Li N, Zhang J. Heterologous expression of the TsVP gene improves the drought resistance of maize., 2008, 6: 146-159.

[8] Lightfoot D A, Mungur R, Ameziane R, Nolte S, Long L, Bernhard K, Colter A, Jones K, Iqbal M J, Varsa E, Young B. Improved drought tolerance of transgenicplants that express the glutamate dehydrogenase gene (gdhA) of., 2007, 156: 103-116.

[9] Shou H X, Bordallo P, Wang K. Expression of the Nicotiana protein kinase (NPK1) enhanced drought tolerance in transgenic maize., 2004, 55: 1013-1019.

[10] Zhang S J, Li N, Gao F, Yang A, Zhang J. Over-expression of TsCBF1 gene confers improved drought tolerance n transgenic maize., 2010, 26: 455-465.

[11] Nelson D E, Repetti P P, Adams T R, Creelman R A, Wu J, Warner D C, Anstrom D C, Bensen R J, Castiglioni P P, Donnarummo M G, Hinchey B S, Kumimoto R W, Maszle D R, Canales R D, Krolikowski K A, Dotson S B, Gutterson N, Ratcliffe O J, Heard J E. Plant nuclear factor Y (NF-Y) B subunits confer drought tolerance and lead to improved corn yields on water-limited acres., 2007, 104: 16450-16455.

[12] Virlouvet L, Jacquemot M P, Gerentes D, Corti H, Bouton S, Gilard F, Valot B, Trouverie J, Tcherkez G, Falque M, Damerval C, Rogowsky P, Perez P, Noctor G, Zivy M, Coursol S. The ZmASR1 protein influences branched-chain amino acid biosynthesis and maintains kenel yield in maize under water-limited conditions., 2011, 157: 917-936.

[13] Castiglioni P, Warner D, Bensen R J, Anstrom D C, Harrison J, Stoecker M, Abad M, Kumar G, Salvador S, D’Ordine R, Navarro S, Back S, Fernandes M, Targolli J, Dasgupta S, Bonin C, Luethy M H, Heard J E. Bacterial RNA chaperones confer abiotic stress tolerance in plants and improved grain yield in maize under water-limited conditions., 2008, 147: 446-455.

[14] Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K. Gene expression and signal transduction in water-stress response., 1997, 115: 327-334.

[15] Xiong L, Ishitani M, Lee H, Zhu J K. TheLOS5/ABA3 locus encodes a molybdenum cofactor sulfurase and modulates cold stress- and osmotic stress-responsive gene expression., 2001, 13: 2063-2083.

[16] Xiao B Z, Chen X, Ceng B, Tang N, Zhang Q F, Xiong L Z. Evaluation of seven function-known candidate genes for their effects on improving drought resistance of transgenic rice under field conditions (Special Issue: Abiotic stress tolerance: from gene discovery in model organisms to crop improvement)., 2009, 2(1): 73-83.

[17] Yue Y S, Zhang M C, Zhang J C, Tian X L, Duan L S, Li Z H. Overexpression of the AtLOS5 gene increased abscisic acid level and drought tolerance in transgenic cotton., 2012, 63: 3741-3748.

[18] Li Y J, Zhang J C, Zhang J, Hao L, Hua J P, Duan L S, Zhang M C, Li Z H. Expression of anmolybdenum factor sulphurase gene in soybean enhances drought tolerance and increases yield under field conditions., 2013, 11: 747-758.

[19] Yue Y S, Zhang M C, Zhang J C, Duan L S, Li Z H.LOS5/ABA3 overexpression in transgenic tobacco (cv. Xanthi-nc) results in enhanced drought tolerance., 2011, 181: 405-411.

[20] Gao S, Yuan L, Zhai H, Liu C L, He S Z, Liu Q C. Transgenic sweet potato plants expressing an LOS5 gene are tolerant to salt stress., 2011, 107(2): 205-213.

[21] Liu L, Duan L, Zhang J, Mi G, Zhang X, Zhang Z, Ren H.LOS5 gene enhances chilling and salt stress tolerance in cucumber., 2013, 12: 825-834.

[22] Zhang J, Yu H, Zhang Y, Wang Y, Li M, Zhang J, Duan L, Zhang M, Li Z. Increased abscisic acid levels in transgenic maize overexpressing At LOS5 mediated root ion fluxes and leaf water status under salt stress., 2016, 67: 1339-1355.

[23] Lu U Y, Li Y J, Zhang J C, Xiao Y T, Yue Y S, Duan L S, Zhang M Z, Li Z H. Overexpression ofmolybdenum cofactor sulfurase gene confers drought tolerance in maize (L.)., 2013, 8(1): 39 ref.

[24] 楊啟良, 孫英杰, 齊亞峰, 劉艷偉, 王成武, 劉小剛, 戈振揚. 不同水量交替灌溉對小桐子生長調(diào)控與水分利用的影響. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2012, 28(18): 121-126.

Yang Q L, Sun Y J, Qi Y F, Liu Y W, Wang C W, Liu X G, Ge Z Y. Effect on growth regulation and water use efficiency ofby different water alternate irrigation., 2012, 28(18): 121-126. (in Chinese)

[25] 孫寶成, 劉成, 王天宇, 黎裕, 張登峰, 李亮, 唐懷君, 石云素, 宋燕春. 轉(zhuǎn)基因玉米株高、ASI和穗部性狀與抗旱性的關(guān)系研究. 新疆農(nóng)業(yè)科學, 2012, 49: 1961-1965.

Sun B C, Liu C, Wang T Y, Li Y, Zhang D F, Li L, Tang H J, Shi Y S, Song Y C. Studies on the relationship between plant height, ASI, ear traits and drought resistance of transgenic maize., 2012, 49: 1961-1965. (in Chinese)

[26] 黎裕, 王天宇, 劉成, 石云素, 宋燕春. 玉米抗旱品種的篩選指標研究. 植物遺傳資源學報, 2004, 5: 210-215.

Li Y, Wang T Y, Liu C, Shi Y S, Song Y C. Analysis of criteria for screening drought tolerant maize hybrids., 2004, 5: 210-215. (in Chinese)

[27] 艾天成, 李方敏, 周治安, 張敏, 吳海榮. 作物葉片葉綠素含量與SPAD值相關(guān)性研究. 湖北農(nóng)學院學報, 2000, 20(1): 6-8.

Ai T C, Li F M, Zhou Z A, Zhang M, Wu H R. Correlation study on chlorophyll content and SPAD value of crop leaves., 2000, 20(1): 6-8. (in Chinese)

[28] JOSE L R, DAVID A, RAMIRE Z, WENDY Y, PHILIPPE M, ROBERTO Q. Leaf greenness as a drought tolerance related trait in potato (L.)., 2015, 10: 27-35.

[29] HIDETOSHI A, BENJAMIN K S, HAEFELE M S, KHAMDOK S, KOKI H, YOSHIYUKI K, YOSHIO I, TAT-SUHIKO S, TAKESHI H. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos, 1. Soil physical properties, leaf SPAD and grain yield., 2009, 111: 81-84.

[30] RAHIMI A, MADAH H S, POORYOOSEF M, FATATEH I. Variation of leaf water potential, relative water content and SPAD under gradual drought stress and stress recovery in two medicinal species of Plant ago ovata and., 2010(2): 53-60.

[31] 陳春梅, 高聚林, 蘇治軍, 于曉芳, 胡樹平, 趙曉亮. 玉米自交系吐絲期葉片光合參數(shù)與其耐旱性的關(guān)系. 作物學報, 2014, 40(9): 1667-1676.

CHEN C M, GAO J L, SU Z J, YU X F, HU S P, ZHAO X L. Relationship between leaf photosynthetic parameters and drought resistance at silking stage in maize inbred lines., 2014, 40(9): 1667-1676. (in Chinese)

（責任編輯 李莉）

Field identification of drought tolerance oftransgenic maize

LIU Cheng1,2, YANG Bing-peng1, SUN Bao-cheng2, ZHANG Jia-chang1, TANG Huai-jun2, WANG Tian-yu3, ZHANG Deng-feng3, XIE Xiao-qing2, SHI Yun-su3, SONG Yan-chun3, YANG Xiao-hong1, LI Yu3, LI Jian-sheng1

(1National Maize Improvement Center, College of agriculture, China Agricultural University, Beijing 100193;2Institute of Grain Crops, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091;3Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)

【Objective】Development of transgenic drought tolerant varieties of maize is an effective way to solve the production problems such as drought disaster and water shortage. The objective of this study was to identify and analyze the effectson drought tolerance of maize which were transferred withgene. And, the transgenicmaize lines with strongest drought tolerance were screened out for the maize breeding. 【Method】Under the gradient stress of 150, 225, 300, 375, 450 and 600 mm (CK) irrigation amount, the yield and drought tolerance of eighttransgenic maize lines and their receptor Zheng58 were identified in field. Yield components and other agronomic traits were measured and compared for determining what were the characters most correlated with the enhanced drought tolerance. The transgenic maize lines with significant drought tolerance were screened out for the transgenic breeding application.【Result】The yields and drought tolerances of all 9 maize lines decreased gradually with the decreasing of irrigation amount from 600 to 150 mm. The yields of 8 transgenic maize lines were all significantly higher than that of the receptor Zheng58 in the stress range of 225 mm to 450 mm, and the maximum difference was in the half irrigation (300 mm) of the normal irrigation (600 mm). In the irrigation amount of 300 mm, the drought resistant coefficients of 8 transgenic lines were 0.56 to 0.70, which were significantly higher than that of the receptor Zheng58(0.5), and the drought tolerance then increased by 12% to 40%. The materials in descending order of the drought resistant coefficient were T8920B6, T8920B2, T8920B7, T8920B5, T8920B1, T8920B4, T89B3, B8920B8 and the receptor Zheng58. In the respect of vegetative development, only the leaf color SPAD value of transgenic lines (38.4 to 42.4) were significantly higher than that of the receptor Zheng58 (28.7 to 37.5) in the irrigation of 150 to 225 mm, but the biomass above the ground, plant height and ear site height had no significance among the 9 maize lines. In the development of ear, the ear weight and the ear length of 8 transgenic lines were 42.3 to 61.6 g and 10.9 to 13.1 cm, which were significantly higher than 36.4 to 40.7 g and 8.5 to 11.8 cm of the receptor, respectively, in the irrigation treatments of 150 to 225 mm, but the cob weight and ear diameter were not with significance among the transgenic lines and their receptor. In the grain development, the grain numbers per ear and the grain number per row of the 8 transgenic lines were 86.6 to 182.6 and 8.4 to 15.6, which were significantly higher than 57.3 to 83.2 and 4.9 to 7.1 of the receptor, respectively, but no significant difference was found among the 8 transgenic maize lines and their receptor in the respect of grain rows per ear and 100-grains weight.【Conclusion】had little effect on the vegetable growth of transgenic maize before flowering, but it played a positive role in maintaining of ear length, grain number per row and leaf color of late-filling stage after flowering. And, the ear weight, grain number per ear and yield of transgenic maize were therefore maintained at higher levels when stressed. Drought tolerance oftransgenic lines was enhanced with different degrees, so field identification and screening is necessary. Stress with a half of normal irrigation can maximize the difference of maize drought tolerance, and was satisfactory for the identification and screening.

maize;; drought tolerance; transgenes

2016-06-06；接受日期：2016-08-11

國家轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專項（2014ZX08003-004）

劉成，Tel：0991-4508076；E-mail：liuchengxj@126.com。通信作者李建生，Tel：010-62732422；E-mail：lijiansheng@cau.edu.cn。通信作者黎裕，Tel：010-62131196；E-mail：liyu03@caas.cn