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(xué)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(dǎo)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(diào)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(fù)雜的玉米耐旱機制進行遺傳解析的基礎(chǔ)上，利用分子生物學(xué)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(guān)性狀的基因在干旱脅迫下相互作用，形成錯綜復(fù)雜的調(diào)控機制應(yīng)對干旱脅迫，同時也揭示了玉米耐旱機制的復(fù)雜性[1]。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)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(shù)和相關(guān)統(tǒng)計方法定位與抗旱相關(guān)性狀的QTL；二是借助功能基因組學(xué)對干旱脅迫下相關(guān)基因的表達和調(diào)控進行研究。以上2種途徑相互補充驗證，在克隆耐旱相關(guān)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(guān)QTL

目前，國內(nèi)外學(xué)者定位的大部分玉米耐旱相關(guān)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(dǎo)度、根系數(shù)目和葉綠素含量等抗旱相關(guān)性狀的多個QTL。其后，大量玉米抗旱相關(guān)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(gòu)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(diào)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(nèi)部的激素可作為信號分子參與多種干旱脅迫下的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，在幾個分離群體中鑒定了控制葉片和木質(zhì)部脫落酸含量的QTL。

1.2 關(guān)聯(lián)分析挖掘耐旱相關(guān)基因

近年來，隨著大量分子標記的開發(fā)和生物信息學(xué)的發(fā)展，應(yīng)用關(guān)聯(lián)分析挖掘植物復(fù)雜數(shù)量性狀相關(guān)基因已成為當前植物基因組學(xué)研究熱點之一。目前利用全基因組關(guān)聯(lián)分析和候選基因關(guān)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(chǔ)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(guān)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(zhì)量SNP標記，結(jié)合干旱及其對照條件下該群體不同組織的干旱相關(guān)代謝產(chǎn)物和開花期進行關(guān)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(guān)的基因115個。之后，該群體被重新進行了基因分型，結(jié)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(guān)聯(lián)的SNPs。秦峰團隊通過關(guān)聯(lián)分析找到了3個與玉米抗旱有關(guān)的候選基因ZmDREB、NAC111和Zm VPP1，通過重測序、候選基因關(guān)聯(lián)分析、轉(zhuǎn)基因驗證及回交導(dǎo)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(xué)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(zhuǎn)錄組學(xué)研究

植物對干旱脅迫的反饋反應(yīng)是通過不斷調(diào)整其生理代謝而實現(xiàn)的，其機制十分復(fù)雜，涉及到與此相關(guān)的眾多基因網(wǎng)絡(luò)。隨著植物功能基因組相關(guān)研究技術(shù)的興起，為研究干旱脅迫下這一復(fù)雜的過程提供了重要的手段，有助于解析與玉米脅迫響應(yīng)相關(guān)的重要基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，對闡明抗旱相關(guān)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(shù)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(zhuǎn)導(dǎo)、碳水化合物代謝、活性氧清除、ABA應(yīng)答等相關(guān)基因片段。之后隨著第3代測序技術(shù)的發(fā)展，可以在單核苷酸水平上對物種的整體轉(zhuǎn)錄活性進行檢測，為挖掘抗旱相關(guān)基因提供更為全面的信息[8]。

1.4 蛋白質(zhì)組學(xué)研究

在生物體中，蛋白幾乎調(diào)控細胞內(nèi)所有的生理生化反應(yīng)，同時還作為結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)錄后修飾和翻譯后修飾過程，因此了解轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組之間的相互調(diào)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(shù)，高通量的蛋白質(zhì)組學(xué)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(zhì)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(yīng)的平衡和調(diào)控等，可能與玉米抗旱性相關(guān)[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(shù)的發(fā)展，利用分子標記輔助選擇、轉(zhuǎn)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(jié)果就可以在早世代預(yù)測選擇田間的耐旱相關(guān)性狀。目前，通過連鎖分析方法已定位到大量的耐旱相關(guān)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(guān)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(fù)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(guān)聯(lián)分析方法進行玉米全基因組分析，開發(fā)了應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變，可進一步用于開發(fā)耐旱性狀的功能標記。

2.2 轉(zhuǎn)基因研究

玉米耐旱轉(zhuǎn)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(nèi)外學(xué)者將鑒定出的許多耐旱相關(guān)基因利用遺傳轉(zhuǎn)化的方法導(dǎo)入到玉米植株中，提高了玉米的耐旱性，創(chuàng)制了耐旱轉(zhuǎn)基因玉米新種質(zhì)，在玉米耐旱育種中有重要應(yīng)用價值。研究表明，與脅迫相關(guān)的轉(zhuǎn)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(dǎo)上調(diào)干旱響應(yīng)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(zhuǎn)基因研究方面處于領(lǐng)先地位，該公司研究通過增強轉(zhuǎn)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(zhuǎn)基因耐旱玉米MON87460轉(zhuǎn)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(shù)是對基因組進行定向編輯的一項新技術(shù)，自從第3代基因編輯技術(shù)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(yīng)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(shù)在作物改良中主要應(yīng)用在營養(yǎng)品質(zhì)、抗病、抗逆和高產(chǎn)等方面，在玉米重要農(nóng)藝性狀方面應(yīng)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(shù)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(shù)敲除玉米株系中的一種HKT型轉(zhuǎn)運蛋白基因ZmHKT1，降低了植株鹽堿脅迫耐受性，證明該基因?qū)μ岣哂衩啄望}堿脅迫有積極的作用。目前，基因編輯技術(shù)應(yīng)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(guān)成功的案例會越來越多。

3 總結(jié)與展望

近些年，國內(nèi)外學(xué)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(guān)，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(shù)不斷涌現(xiàn)，充分運用各種相關(guān)技術(shù)，借助基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)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(zhì)，有助于解析復(fù)雜的玉米耐旱調(diào)控網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(zhuǎn)基因研究中，耐旱基因的遺傳轉(zhuǎn)化集中在單基因上，在多基因聚合方面，孟山都SmartStax的轉(zhuǎn)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(shù)為基礎(chǔ)的新育種技術(shù)，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(shù)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(shù)的巨大潛力。伴隨著分子生物學(xué)及其相關(guān)技術(shù)的向前進步以及不同學(xué)科的相互結(jié)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。