SNP分子標(biāo)記在玉米非生物逆境抗性上的研究進(jìn)展

于滔 曹士亮 張建國

摘要 玉米是我國第一大糧食作物，干旱、低溫、洪澇等非生物逆境的頻繁發(fā)生嚴(yán)重影響玉米的產(chǎn)量。玉米非生物逆境抗性多為復(fù)雜數(shù)量性狀，傳統(tǒng)的抗逆育種研究進(jìn)展緩慢。單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）分子標(biāo)記因具有多態(tài)性豐富、一致性好、成本低、通量高等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。論述了SNP分子標(biāo)記在玉米非生物逆境抗性上的研究進(jìn)展，以期為玉米分子標(biāo)記輔助選擇育種奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 SNP;分子標(biāo)記;玉米;非生物逆境

中圖分類號 S513文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）19-0007-03

Abstract Maize is the largest grain crop in China. The frequent occurrence of abiotic stresses， such as drought， low temperature，floods and so on seriously affects maize yield. Maize abiotic stress resistance is mostly complex quantitative traits， the advancement of traditional stressresistant breeding is still slow. Single nucleotide polymorphism （SNP） molecular markers are widely used due to their rich polymorphism，good consistency， low cost and high throughput. The research progress of SNP molecular markers on maize abiotic stress resistance was discussed in order to lay the foundation for maize molecular markerassisted selection breeding.

Key words SNP;Molecular marker;Maize;Abiotic stresses

玉米（Zea mays L.）是我國第一大糧食作物，2016年總產(chǎn)量高達(dá)2.2億t。近年來，由于干旱、低溫、洪澇等非生物逆境的頻繁發(fā)生，致使玉米產(chǎn)量遭到嚴(yán)重的影響。因此，加強(qiáng)玉米非生物逆境抗性研究在保障國家玉米安全生產(chǎn)方面無疑具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。玉米非生物逆境抗性多為微效多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀，傳統(tǒng)的抗逆育種研究進(jìn)展緩慢。研究玉米抗逆性的分子機(jī)制、挖掘和有效利用抗逆性相關(guān)基因資源、創(chuàng)制抗逆性優(yōu)良的玉米新種質(zhì)、培育抗逆玉米品種是應(yīng)對非生物逆境對玉米生產(chǎn)威脅的重要策略[1-2]。

單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）分子標(biāo)記是一種以測序?yàn)榛A(chǔ)的第3代分子標(biāo)記，是由基因組上單堿基的轉(zhuǎn)換、顛換、缺失和插入引起的DNA序列多態(tài)性變化。Rafalski[3]研究發(fā)現(xiàn)，玉米基因組中SNP出現(xiàn)的頻率非常高，平均每70 bp有1個(gè)SNP，SNP分子標(biāo)記也因具有多態(tài)性豐富、一致性好、成本低、通量高等諸多優(yōu)點(diǎn)，被開發(fā)應(yīng)用于玉米品種鑒定、遺傳多樣性分析、重要性狀的基因定位與輔助育種等方面。近年來，隨著基因芯片和全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome-wide association studies，GWAS）技術(shù)的快速發(fā)展，SNP分子標(biāo)記更是被廣泛應(yīng)用于玉米復(fù)雜遺傳網(wǎng)絡(luò)解析、候選基因挖掘等方面。為此，筆者對SNP分子標(biāo)記在玉米非生物抗逆性研究的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為玉米分子標(biāo)記輔助選擇育種奠定基礎(chǔ)。

1 SNP分子標(biāo)記在玉米耐旱研究中的應(yīng)用

全球耕地面積的43.9%為干旱、半干旱地區(qū)[4]。我國玉米種植面積中，旱作面積約占2/3，每年由于干旱造成的玉米減產(chǎn)高達(dá)20%～30%[5]。

有很多學(xué)者開展了SNP分子標(biāo)記在玉米耐旱研究，取得了豐碩的成果。國際玉米小麥改良中心（CIMMYT，International maize and wheat improvement center）利用10 000個(gè)SNP設(shè)計(jì)玉米耐旱芯片，對350份來自全球的玉米自交系進(jìn)行GWAS，獲得大量參與玉米耐旱代謝遺傳網(wǎng)絡(luò)的候選基因及其變異位點(diǎn)[6]。蘇治軍[7]通過關(guān)聯(lián)分析，在干旱脅迫下找到dbf1基因中存在2個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)與3個(gè)耐旱相關(guān)性狀存在顯著關(guān)聯(lián)。Lu等[8]利用1 536個(gè)SNP標(biāo)記對干旱脅迫條件下的株高和植被均一化指數(shù)（NDVI）這2個(gè)性狀進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，結(jié)果分別檢測到2和29個(gè)顯著的SNP。Xue等[9]進(jìn)行了干旱脅迫和正常水分環(huán)境下9個(gè)性狀的關(guān)聯(lián)分析，共檢測到位于33個(gè)基因內(nèi)42個(gè)顯著的SNP，其中3個(gè)基因定位在耐旱相關(guān)的QTL區(qū)段內(nèi)。柳思思等[10-11]利用關(guān)聯(lián)分析法，在玉米基因組中共檢測到 29 個(gè)與玉米耐旱性緊密相關(guān)的變異位點(diǎn)，并根據(jù)耐旱基因dhn1 和 rsp41中的多態(tài)性位點(diǎn)開發(fā)出dhnC397 和 rspC1090 2個(gè)CAPS 功能標(biāo)記用于選育玉米抗旱品種。Assenov等[12]通過對 26 份耐旱和對干旱敏感的玉米自交系ZmMYBE1基因中的 SNP進(jìn)行測序鑒定，發(fā)現(xiàn)耐旱玉米自交系的ZmMYBE1基因在富含絲氨酸/蘇氨酸的區(qū)域存在 A/G 轉(zhuǎn)變。王楠[13]借助MaizeSNP50芯片分析了188份玉米自交系的產(chǎn)量性狀，在玉米第一染色體bin 1.03處分析得到一個(gè)編碼肌動蛋白解聚因子5的耐旱候選基因ZmADF5，干旱條件下該基因能夠通過促進(jìn)根的生長，縮短生育期，從而提高植株抗旱性。胡新民[14]利用耐旱玉米自交系旱21和干旱敏感玉米自交系掖478構(gòu)建的DH群體，通過芯片技術(shù)獲得1 266個(gè)親本間有效多態(tài)性SNP，結(jié)合田間表型數(shù)據(jù)，定位到13個(gè)玉米苗期、開花期重要耐旱QTL。Wang等[15]分析了300多份玉米自交系干旱脅迫下苗的存活率，篩選到42個(gè)苗期耐旱候選基因，其中一個(gè)編碼植物液泡膜上焦磷酸酶的基因ZmVPP1為玉米苗期耐旱關(guān)鍵基因。施婷婷等[16]利用1 490 007個(gè)SNP標(biāo)記對80份吉林省玉米骨干自交系進(jìn)行玉米苗期抗旱性關(guān)聯(lián)分析，在bin3.06和bin5.04位置分別獲得1個(gè)與玉米苗期抗旱性顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點(diǎn)，并挖掘出2個(gè)候選基因。

2 SNP分子標(biāo)記在玉米耐冷研究中的應(yīng)用

玉米是起源于熱帶、亞熱帶地區(qū)的典型C4植物，最適生長溫度為28～32 ℃[17]，在芽期、苗期和灌漿期對溫度尤為敏感。低溫冷害是我國北方春玉米區(qū)和西北灌溉玉米區(qū)普遍發(fā)生的一種自然災(zāi)害[18]，對玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)均造成嚴(yán)重影響。

國內(nèi)外研究人員利用不同的作圖群體，先后定位到200余個(gè)玉米耐冷相關(guān)QTL。近期，王大志[19]以Mo17和墨西哥野生大芻草X26-4為材料構(gòu)建連鎖群體，借助1 282個(gè)SNP標(biāo)記構(gòu)建遺傳連鎖圖譜，在常溫和低溫下共定位到10個(gè)與玉米苗期株高、根長和干重相關(guān)的QTL，可解釋的表型貢獻(xiàn)率為5.8%～8.8%。同時(shí)，研究者利用GWAS技術(shù)定位到多個(gè)玉米耐冷相關(guān)SNP位點(diǎn)，為培育優(yōu)良耐冷玉米品種奠定基礎(chǔ)。Huang等[20]通過GWAS分析了由125份玉米自交系構(gòu)成的自然群體萌發(fā)期和苗期的10個(gè)耐冷相關(guān)性狀，共檢測到分布于40個(gè)耐冷相關(guān)候選基因內(nèi)的31個(gè)顯著SNP。Strigens等[21]利用MaizeSNP50芯片對低溫脅迫下375份玉米自交系苗期早發(fā)性和葉綠素?zé)晒鈪?shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，獲得19個(gè)耐冷相關(guān)QTL，并確定6個(gè)SNP與早發(fā)性顯著相關(guān)。Hu等[22]利用2 271 584個(gè)SNP對低溫脅迫下發(fā)芽率、發(fā)芽50%所需天數(shù)和發(fā)芽指數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，共獲得17個(gè)顯著SNP，其中7個(gè)SNP定位于候選基因內(nèi)。Yan等[23]采用GWAS技術(shù)對玉米苗期的4個(gè)耐冷相關(guān)性狀進(jìn)行了研究，共鑒定出32個(gè)顯著SNP位點(diǎn)，篩選出10個(gè)耐冷相關(guān)候選基因。

3 SNP分子標(biāo)記在玉米耐鹽堿研究中的應(yīng)用

鹽堿土包含鹽土、堿土及各種鹽化和堿化土壤。在我國，鹽堿土面積將近4 000萬hm2，其中鹽堿化耕地760萬hm2，極大地限制了我國玉米的種植，因此增強(qiáng)玉米的耐鹽堿性，提高玉米在鹽堿脅迫下的產(chǎn)量，一直以來都是人們研究的熱點(diǎn)。

由于開展玉米全生育期耐鹽堿性研究難度較大，因此前人主要針對萌發(fā)期和苗期玉米耐鹽堿的生理生化機(jī)制及遺傳機(jī)制進(jìn)行研究。近年來，研究人員通過GWAS挖掘到部分玉米耐鹽堿的相關(guān)分子標(biāo)記及候選基因，陳婷婷[24]采用56萬個(gè)SNP標(biāo)記對364份玉米自交系在鹽脅迫下植株的存活天數(shù)和死葉率進(jìn)行GWAS，檢測出4個(gè)顯著SNP，并最終克隆一個(gè)位于5號染色體上的玉米耐鹽性相關(guān)基因。汪泓洋[25] 以苗期株高和鮮重為指標(biāo)，在420個(gè)品系構(gòu)成的自然群體中篩選出耐鹽玉米材料27份和鹽敏感玉米材料22份，結(jié)合GWAS及生物信息學(xué)技術(shù)獲得了99個(gè)鹽脅迫相關(guān)SNP及潛在玉米鹽脅迫相關(guān)基因。陳陽松[26]以耐鹽水平、株高比率、鮮重比率和干重比率為指標(biāo)，對368份玉米自交系的苗期耐鹽性進(jìn)行GWAS，檢測到145個(gè)位于玉米全基因組與耐鹽性顯著相關(guān)的SNP位點(diǎn)。同時(shí)對玉米ZmCIPK基因家族進(jìn)行耐鹽性關(guān)聯(lián)分析，共在14個(gè)ZmCIPK基因區(qū)域內(nèi)檢測到顯著性SNP位點(diǎn)。王炳才[27]以存活率為指標(biāo)，對445份玉米關(guān)聯(lián)群體的耐鹽性進(jìn)行GWAS，共獲得與鹽脅迫顯著相關(guān)的SNP 196個(gè)，并發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下64個(gè)參與逆境脅迫、激素信號、代謝和發(fā)育過程的基因的表達(dá)量發(fā)生明顯變化。任鳳陽[28]利用35 171個(gè)SNP標(biāo)記對172個(gè)玉米自交系在鹽脅迫下的萌發(fā)期相對發(fā)芽率、相對活力指數(shù)、綜合指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，獲得與3個(gè)性狀同時(shí)關(guān)聯(lián)的SNP標(biāo)記3個(gè)。

4 SNP分子標(biāo)記在玉米耐漬研究中的應(yīng)用

玉米作為旱地作物，對澇漬環(huán)境極其敏感。在我國南方，玉米苗期、花期經(jīng)常遇到雨水天氣，長期的低氧脅迫環(huán)境易造成玉米根系腐爛及葉片枯黃，因此漬害已成為限制我國南方玉米產(chǎn)量的重要影響因素。

Zhang等[29]利用包含56 110個(gè)SNP的芯片對144份玉米自交系的苗期耐漬相關(guān)性狀進(jìn)行GWAS，在第5、6和9染色體上共檢測到與苗期耐漬極顯著相關(guān)的SNP位點(diǎn)4個(gè)。趙蝶[30]使用Q+K的混合線性模型MLM分析了64份玉米自交系zma-miR528啟動子多態(tài)性與水淹脅迫下其表達(dá)量變化的相關(guān)性，在zma-miR528啟動子區(qū)域內(nèi)檢測到調(diào)控zma-miR528淹水脅迫下表達(dá)的功能位點(diǎn)8個(gè)。Qiu等[31]和鄒錫玲[32]根據(jù)耐漬玉米自交系HZ32和敏感玉米自交系K12中zmbRLZ基因的SNP，開發(fā)出CAPS標(biāo)記zmbRC/G，并利用構(gòu)建的（HZ32×K12）F2群體，將zmbRLZ基因進(jìn)一步定位在SSR標(biāo)記umc1743和umc1107之間。趙俊立[33]利用連鎖和關(guān)聯(lián)分析對170份RILs和368份玉米自交系水淹后的葉片損傷進(jìn)行研究，在第6、8和9染色體上發(fā)現(xiàn)了6個(gè)顯著關(guān)聯(lián)SNPs位點(diǎn)，并確定2個(gè)關(guān)鍵耐漬候選基因GRMZM2G095302 和GRMZM2G395672。Yu等[34]利用368份玉米自交系的關(guān)聯(lián)群體結(jié)合GWAS與候選基因關(guān)聯(lián)分析，定位玉米苗期耐漬關(guān)鍵基因ZmEREB180。

5 SNP分子標(biāo)記在玉米其他非生物抗逆性研究中的應(yīng)用

SNP分子標(biāo)記在發(fā)掘玉米耐低氮基因資源方面，吳永升[35]通過候選基因關(guān)聯(lián)分析法對180份玉米自交系群體的氮代謝關(guān)鍵基因（Gln1-3、 Gln1-4）進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在低氮脅迫下，Gln1-3基因中有19個(gè)SNP位點(diǎn)與開花期的5個(gè)性狀顯著關(guān)聯(lián)，Gln1-4基因中有14個(gè)SNP位點(diǎn)與大喇叭口期和開花期的5個(gè)性狀顯著關(guān)聯(lián)。SNP分子標(biāo)記在發(fā)掘應(yīng)答玉米低磷脅迫候選基因方面，許誠[36]利用55K芯片對593份玉米自交系進(jìn)行GWAS、DNA混池以及RNA-seq分析，篩選到45個(gè)顯著的SNP位點(diǎn)和6個(gè)耐低磷相關(guān)候選基因區(qū)段。張力天[37]運(yùn)用SNP50芯片對456份玉米自交系苗期性狀進(jìn)行GWAS，分別在低磷脅迫和正常供磷條件下篩選到44個(gè)和62個(gè)顯著關(guān)聯(lián)SNP標(biāo)記，并挖掘到4個(gè)玉米耐低磷候選基因。SNP分子標(biāo)記在玉米耐低鋅、耐低鐵研究方面，徐健欽[38]借助4個(gè)重組自交系群體和508份玉米自交系自然群體，聯(lián)合連鎖分析及GWAS分析，篩選到與玉米耐低鋅脅迫顯著相關(guān)SNP位點(diǎn)13個(gè)，與玉米耐低鐵脅迫顯著相關(guān)的SNP位點(diǎn)14個(gè)，并挖掘到相關(guān)候選基因。

6 展望

隨著測序技術(shù)的飛速發(fā)展和測序成本的不斷降低，SNP分子標(biāo)記在玉米非生物逆境抗性研究中凸顯出更加重要的作用。可以預(yù)期SNP分子標(biāo)記的應(yīng)用將為解析玉米非生物逆境抗性的遺傳結(jié)構(gòu)、挖掘和定位抗逆基因提供技術(shù)支持，能夠加快玉米非生物逆境抗性功能分子標(biāo)記的開發(fā)，對玉米非生物逆境抗性的分子標(biāo)記輔助選擇育種具有指導(dǎo)意義。

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