玉米生物技術(shù)研究進(jìn)展

高珊 徐祎博 盧凌霄 張玉秋 苗艷玲

摘? ?要：玉米是我國(guó)重要的糧食作物之一。隨著人口的增加，對(duì)玉米的需求也在不斷增加。全球以基因工程為核心的育種技術(shù)飛速發(fā)展，使玉米育種效率和品種改造等方面有了進(jìn)一步提高。主要概述了生物技術(shù)在玉米遺傳育種中的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：玉米;生物技術(shù);研究進(jìn)展

文章編號(hào)： 1005-2690（2020）08-0122-01? ? ? ?中圖分類(lèi)號(hào)： S513? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

近年來(lái)，生物技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)著玉米產(chǎn)業(yè)取得了巨大成效。生物技術(shù)是指以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合其他科學(xué)原理，運(yùn)用轉(zhuǎn)基因等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，改造生物體，以滿(mǎn)足人們的需求。根據(jù)國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家的育種經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，僅憑傳統(tǒng)的育種技術(shù)已經(jīng)滿(mǎn)足不了市場(chǎng)的需求，故生物技術(shù)育種在這樣的背景下孕育而生。生物技術(shù)包括雙單倍體技術(shù)、DNA分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)、轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)、分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)等。隨著這些技術(shù)的不斷完善，將對(duì)玉米品質(zhì)、產(chǎn)量，糧食安全方面產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

1? ?DNA分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)

DNA分子標(biāo)記輔助育種是通過(guò)利用與優(yōu)良性狀緊密連鎖的分子標(biāo)記對(duì)優(yōu)良性狀實(shí)施間接改造的育種技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)：育種效率較常規(guī)育種提高2～3倍;成本降低，方法簡(jiǎn)單;DNA遍布多個(gè)組織器官;不影響目標(biāo)性狀表達(dá);以目標(biāo)基因?yàn)椴僮鲗?duì)象，擺脫遺傳背景束縛;不受環(huán)境條件影響。

隨著分子育種技術(shù)對(duì)于作物育種效率和水平的重要性越來(lái)越大，我國(guó)已建立起以分子育種技術(shù)為核心的高新技術(shù)體系，目的是提高常規(guī)育種效率，培育出高產(chǎn)、高抗的作物新品種，使玉米育種從表性選擇過(guò)渡到基因型選擇，同時(shí)建立優(yōu)秀育種單位、聘用專(zhuān)門(mén)技術(shù)人員，已成為提高我國(guó)種業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的必然趨勢(shì)。

目前，玉米已經(jīng)有了比較完整的分子圖譜，通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇可判斷目標(biāo)性狀基因是否存在，其不受環(huán)境、顯隱關(guān)系、時(shí)間等控制，故可在播種前進(jìn)行選擇。應(yīng)用于玉米的分子標(biāo)記主要有3種：SSR標(biāo)記、SNP標(biāo)記、RAPD標(biāo)記。SSR標(biāo)記結(jié)果穩(wěn)定，不使用放射性同位素且具有重復(fù)性高的優(yōu)點(diǎn)。在公共數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)公布出2 000多個(gè)玉米SSR標(biāo)記。先鋒公司已經(jīng)擁有3 000多個(gè)玉米SNP標(biāo)記。現(xiàn)在更多的跨國(guó)公司對(duì)500多份骨干系測(cè)序，以開(kāi)發(fā)更多的SNP標(biāo)記。國(guó)內(nèi)許多研究所在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用SNP標(biāo)記上作了不懈努力，也取得了一些成績(jī)，如開(kāi)發(fā)了3K玉米SNP檢測(cè)芯片等。1999年趙久然等[1]利用RAPD分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)強(qiáng)優(yōu)勢(shì)玉米雜交組合進(jìn)行研究，結(jié)果表明，自交系間遺傳距離與自身雜交優(yōu)勢(shì)呈正比?，F(xiàn)在主要應(yīng)用分子標(biāo)記所做工作包括：鑒定玉米種質(zhì)親緣性，預(yù)測(cè)雜種優(yōu)勢(shì);構(gòu)建遺傳連鎖圖譜;分子標(biāo)記輔助選擇育種;種子純度鑒定。

2? ?分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)

分子設(shè)計(jì)育種以基因組學(xué)為基礎(chǔ)，通過(guò)生物學(xué)技術(shù)對(duì)自交系親本的基因進(jìn)行優(yōu)化，使其培育出最佳親本的育種技術(shù)?，F(xiàn)在玉米全基因組已測(cè)序完成，功能基因正在進(jìn)一步研究中。目前，已發(fā)表的功能基因序列被許多公司用于雜種優(yōu)勢(shì)的初步預(yù)測(cè)。近幾年，第二代測(cè)序技術(shù)和全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)為分子設(shè)計(jì)育種提供了技術(shù)支持。國(guó)內(nèi)許多大種子公司正在著力于分子育種的研究，如金色農(nóng)華、中種集團(tuán)。這種高效精確的育種技術(shù)大大提高了玉米育種的效率。

近些年，擬南芥、小麥和玉米基因組學(xué)研究取得了很大的成就，基因定位、QTL作圖和計(jì)算機(jī)技術(shù)三者的結(jié)合為分子設(shè)計(jì)育種奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Peleman等[2]對(duì)分子設(shè)計(jì)育種進(jìn)行了研究。運(yùn)用分子育種技術(shù)可以做的工作包括：定位重要農(nóng)藝性狀的QTL;分析相關(guān)位點(diǎn)的等位性變異;進(jìn)行設(shè)計(jì)育種。

3? ?轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)

轉(zhuǎn)基因技術(shù)是指在體外將重組DNA導(dǎo)入植物細(xì)胞或組織，改良植物性狀的技術(shù)。近年來(lái)，隨著基因工程技術(shù)的興起和發(fā)展，為培育抗性品種提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。轉(zhuǎn)基因技術(shù)主要通過(guò)抗蟲(chóng)、抗病、抗逆性來(lái)改善植物性狀，從而提高育種能力?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)基因方法有農(nóng)桿菌介導(dǎo)法、陽(yáng)離子介導(dǎo)法、PEG介導(dǎo)法、超聲波法、子房注射法、基因槍法、電擊法、脂質(zhì)體法、花粉管通道法等。

農(nóng)桿菌介導(dǎo)法是以根瘤農(nóng)桿菌和Ti或Ri質(zhì)粒為載體，將外源基因?qū)胫参矬w內(nèi)的方法。張艷貞[3]使用根瘤農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將含有Bt殺蟲(chóng)的基因?qū)胗衩鬃越幌抵虚_(kāi)展了比較系統(tǒng)的研究。1991年Gould.J.以根瘤農(nóng)桿菌為載體，將抗卡那霉素和GUS轉(zhuǎn)化到玉米芽尖并取得成功。關(guān)淑艷[4]將淀粉分支酶基因表達(dá)載體使用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法導(dǎo)入玉米胚性愈傷組織中，經(jīng)PCR檢測(cè)表明，外源基因已導(dǎo)入玉米基因組中。

基因槍法是把載有外源基因的金?；蜴u粒高速射入靶細(xì)胞的一種方法。其受體可以是懸浮細(xì)胞系、愈傷組織等。1989年Klein等人[5]使用基因槍法將外源基因轉(zhuǎn)入玉米，標(biāo)志著基因槍法已經(jīng)成功應(yīng)用于玉米。1994年趙天永[6]使用載有NPTⅡ基因、GUS基因和nos3′調(diào)控區(qū)的基因槍射入玉米萌發(fā)幼芽中并獲得表達(dá)。1999年中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院使用JQ-700型基因槍將GUS轉(zhuǎn)化到玉米花粉內(nèi)，經(jīng)試驗(yàn)表明，外源基因已整合到玉米體內(nèi)獲得表達(dá)。

1974年周光宇[7]首次采用花粉管通道技術(shù)將外源基因?qū)朊藁▋?nèi)。1995年祁永紅等[8-9]將外源基因通過(guò)花粉管導(dǎo)入玉米自交系，該技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、育種時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)轉(zhuǎn)基因工程的不斷重視，關(guān)于抗性轉(zhuǎn)基因玉米的研究日趨完善。1995年王國(guó)英等[10]使用基因槍法將Bt毒蛋白基因射入玉米胚性愈傷組織和幼胚中并獲得了轉(zhuǎn)基因植株。2008年王悅冰等[11]用基因槍轟擊玉米胚性愈傷組織，成功獲得新型Bt基因cry1Ah植株。

雜草為害已成為影響玉米產(chǎn)量的重要因素之一。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)在抗雜草劑轉(zhuǎn)基因玉米研究取得了很好的成績(jī)，其轉(zhuǎn)化事件cc-2在經(jīng)過(guò)6倍濃度的草甘膦除草劑噴灑后，轉(zhuǎn)基因玉米農(nóng)藝性狀沒(méi)有改變。

此外，先鋒公司研發(fā)的SPT技術(shù)和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的SMM技術(shù)在玉米雄性不育制種中得到了很好應(yīng)用。

4? ?展望

現(xiàn)在，以分子生物學(xué)為核心的生物技術(shù)正蓬勃發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)仍處于初步階段，但隨著更多的生物技術(shù)產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室發(fā)展到生產(chǎn)商業(yè)化，生物技術(shù)將會(huì)為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供很好的發(fā)展前景。一些新研發(fā)的修飾基因、分子標(biāo)記、功能基因已被申請(qǐng)專(zhuān)利。國(guó)內(nèi)外各大公司已意識(shí)到生物技術(shù)的重要性。

筆者認(rèn)為生物技術(shù)還存在以下問(wèn)題：生物育種所需費(fèi)用高;對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員技術(shù)水平和知識(shí)要求高，既要求其具備設(shè)計(jì)試驗(yàn)的能力，又要有有效的分析試驗(yàn)結(jié)果;可利用的分子標(biāo)記少;外源基因在受體不易表達(dá)。目前，雖然生物技術(shù)還存在一些局限性，但隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信一定會(huì)克服問(wèn)題，更有力地提高玉米產(chǎn)量。

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