玉米耐旱育種及分子育種方法研究

呂曉靜

（河南金博士種業(yè)股份有限公司獻縣分公司，河北 滄州 062250）

農(nóng)業(yè)是人類生存的基礎，是支撐社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要保障。隨著社會環(huán)境問題日益嚴峻，全球面臨著巨大的氣候變化問題，洪澇、干旱、低溫等自然災害這些都會直接影響農(nóng)作物健康生長。我國人口眾多，農(nóng)業(yè)在整個社會發(fā)展中占有重要地位，尤其是玉米在整個農(nóng)業(yè)體系中占有較大種植比例。玉米在種植過程中易受干旱氣候的影響，導致玉米產(chǎn)量與質量降低，為了有效應對玉米栽植環(huán)境中的干旱問題，必須加強種子改良，增強其耐旱或抗旱性。

1 干旱對玉米栽植的影響

玉米作為國內(nèi)一種主要糧食作物，每年栽植面積可達2 450 萬hm2。玉米栽植的影響因素眾多，如低溫、低氮、水澇或者干旱等自然災害都會對玉米的生長、產(chǎn)量與品質帶來不利影響。其中干旱問題是指某一區(qū)域在很長一段時間內(nèi)存在少降水或無降水的情況，造成土壤缺水、空氣干燥，這是半干旱與干旱地區(qū)一種常見的氣候現(xiàn)象。在半濕潤地區(qū)某一段時間內(nèi)，因為氣候異常使得降水量遠遠低于該地區(qū)的平均值，那么易出現(xiàn)干旱，俗稱季節(jié)性干旱。如果玉米在生長中遇到干旱問題，那么就會缺水，嚴重時會因為缺水而出現(xiàn)枯萎死亡問題。

從受旱角度來講，可以將干旱分成大氣干旱與土壤干旱兩種類型，其中大氣干旱是指外界空氣水分含量低，氣溫較高，有時會伴有一定程度的風力，使得玉米在生長過程中出現(xiàn)了非常強烈的蒸騰作用，造成體內(nèi)水分快速丟失；土壤干旱是指由于外界少降水或無降水造成土壤缺乏供玉米生長所必備的水分，影響蒸騰作用、光合作用的發(fā)揮。一般土壤干旱多出現(xiàn)在大氣干旱后，二者具有緊密聯(lián)系，或者說大氣干旱進一步惡化會誘發(fā)土壤干旱。因此，影響玉米種植干旱氣候占據(jù)首位。如果干旱問題嚴重會使區(qū)域范圍內(nèi)玉米大量減產(chǎn)，同時影響玉米品質。由此可見，為了應對玉米種植中的干旱問題，需要從改良玉米品種的抗旱性或耐旱性入手，做好育種與選種等方面工作[1]。

2 玉米耐旱性的鑒定指標

2.1 產(chǎn)量指標

耐旱性是指玉米對干旱生長條件的一種抵抗能力與適應能力。反映玉米耐旱性的一個最直觀指標，即玉米在干旱環(huán)境條件下是否可以實現(xiàn)高產(chǎn)種植目標。利用產(chǎn)量指標作為評估玉米抗寒性能，直觀反映抗旱指數(shù)。

抗旱指數(shù)=（抗旱系數(shù)×旱地產(chǎn)量）/特定基因型玉米旱地產(chǎn)量均值 （1）

運用抗寒指數(shù)可以彌補使用敏感指數(shù)或抗旱系數(shù)的不足，可以保證玉米耐旱性。

2.2 發(fā)育指標

芽苗期是玉米發(fā)育與生長的初始階段，該時期的耐旱性會對干旱環(huán)境條件下的整齊度以及成苗率起決定性作用，進而影響玉米最終產(chǎn)量。在利用發(fā)育指標評估玉米耐旱性的過程中，一般可以選擇玉米種子在不同滲透率或高滲溶液中的發(fā)芽率（勢）評估芽期耐旱性。此外，可以選擇干旱條件下幼苗實際存活率鑒定耐旱性。該指標在國內(nèi)玉米耐旱性評估實踐中已經(jīng)得到了大量應用。一般種子萌芽階段的耐旱指數(shù)（GDRI）、葉面積、株高等指標都可以應用于鑒定玉米發(fā)育期間的耐旱性[2]。

2.3 形態(tài)指標

水分是決定玉米生長的一個核心要素。水分在進入玉米植株細胞后會發(fā)生生物化學反應、生理變化和結構變化等，其會通過玉米植株的外在形態(tài)直觀地呈現(xiàn)及表達，這就決定了鑒定玉米耐旱性可以選擇形態(tài)指標，玉米植株的根系發(fā)達程度（根系的數(shù)量、最大長度、干重等）、莖的水分疏導能力（如直徑、束內(nèi)導管形態(tài)及數(shù)量等）、葉片形態(tài)（如葉片的形狀、尺寸大小、卷曲情況與角度等）、穗實的粒數(shù)、結實率與谷粒寬度等都反映玉米形狀指標，都可用于鑒定玉米耐旱性[3]。

2.4 生化指標

干旱問題會影響玉米生長，如玉米生長中的呼吸作用、光合作用、營養(yǎng)吸收、水分運輸?shù)壬磉^程都會受水分影響。在耐旱性方面，不同品種的玉米會展現(xiàn)出較大差異性，都有各自固有的生理生化基礎條件。在生化指標方面，為了有效反映玉米耐旱性，一般可以通過玉米葉片蒸騰速率與含水量等指標來評估不同品種玉米的耐旱性。此外，鉀離子與可溶性糖等成分含量也可以評估玉米植株耐旱性。比如，可以借助測定儀或同位素示蹤技術等測定及評估玉米耐旱性，通過有效運用生化指標來明確玉米耐旱性[4]。

3 玉米耐旱育種材料選擇及鑒定

3.1 玉米耐旱育種材料選擇

在耐旱育種期間，育種材料選擇是開展育種的第一步，也是非常關鍵的一步。一般在耐旱育種過程中育種材料可以選擇耐旱的玉米自交系當成基礎育種材料，但是同樣可以選擇干旱區(qū)域具有耐旱性玉米品種來構成基礎群體。在合成玉米耐旱育種中基礎群體前需要先鑒定選擇的育種材料，并且要在干旱條件下鑒定玉米品種耐旱性，在最適宜的環(huán)境條件下完成玉米豐產(chǎn)性任務。在玉米耐旱育種期間，一般可以選擇組群玉米材料，必須要涵蓋耐旱類型和豐產(chǎn)類型的玉米材料，這樣可以為后續(xù)的耐旱育種保證最終培育的玉米品種具有耐旱性和豐產(chǎn)性，力求可以更好地實現(xiàn)玉米增產(chǎn)目標。當前國內(nèi)玉米育種期間選擇的雜交種與自交系中存在耐旱性基因變異情況，所以可以作為耐旱育種材料來使用[5]。

現(xiàn)階段國內(nèi)立足遺傳育種視角關于耐旱育種研究不是非常多，相應育種材料及資源不夠豐富，所以必須要加快有效地挖掘具備耐旱基因的玉米品種資源，明確改良玉米種質的方法。在玉米耐旱育種實踐中，基礎材料可以選擇具有豐產(chǎn)性與耐旱性的玉米材料，當前應盡量廣泛應用雜交種與自交系中選擇育種材料，確保耐旱玉米資源篩選的優(yōu)良性，具體可以側重如下幾個方面。

1）鑒定優(yōu)良豐產(chǎn)玉米種質資源的耐旱性，具有良好耐旱性的玉米材料構成耐旱育種基礎材料，并且在實際的育種過程中要對這些選擇的基礎材料提出更高要求，以提升玉米育種效率。

2）在耐旱玉米種植選擇中可以選擇CMMYT 等這些專門育種機構提供具有良好耐旱性的玉米種質資源，有效改良玉米種質資源的耐旱性。

3）可以選擇本土玉米種質資源擁有發(fā)展?jié)摿Φ膬?yōu)良品種，選定及利用其耐旱性。

4）可以選擇玉米遠緣種與近緣種類型的耐旱玉米資源，為玉米育種提供必要的物質基礎與條件。

3.2 玉米耐旱育種鑒定思路

作為玉米耐旱育種的重要基礎，玉米品種耐旱性的準確鑒定是基礎工作。基于遺傳學可知，耐旱性是可以遺傳的，選擇耐旱性較強的玉米品種，需要高度重視鑒定所選品種以及自交系玉米的耐旱性。在選擇玉米材料耐旱性時，要兼顧考慮其生產(chǎn)產(chǎn)量的穩(wěn)定性與豐產(chǎn)性。玉米不同生長階段所具有的耐旱性不同。通常而言，根據(jù)玉米幼苗期或發(fā)苗期的耐旱性，可以預測玉米成株后的耐旱性，所以要切實做好幼苗期與發(fā)芽期的篩選耐旱玉米品種的工作。不同的耐旱玉米品種會發(fā)生遺傳變異的情況。比如，在玉米苗期處于干旱條件下會阻礙幼苗健康生長，從而影響幼苗的存活率，降低玉米的產(chǎn)量及品質。

由于玉米耐旱性是由多種因素決定的，因此處于苗期或者萌芽期時應認真分析玉米耐旱情況，尤其是玉米幼苗期可以重復性測定玉米耐旱性，鑒定時間較短，且不會對外部環(huán)境或者玉米生長帶來不利影響，同時可以間接反映玉米品種本身耐旱性差異[6]。

3.3 玉米耐旱育種鑒定方法

鑒于影響玉米耐旱性的因素眾多，可以選擇某一決定玉米品種耐旱性的因素來有效鑒定玉米品種的耐旱性。現(xiàn)階段有關耐旱育種鑒定的方法較多，常用的主要包括如下幾種。

1）耐旱系數(shù)法。耐旱系數(shù)法是指在水分脅迫條件下玉米產(chǎn)量與常規(guī)條件下玉米產(chǎn)量的比值。根據(jù)耐旱系數(shù)的大小情況，可以用來鑒定各種品種玉米耐旱性。該種鑒定方法可以便捷地鑒定大量玉米品種，最終選擇耐旱系數(shù)較高的玉米品種，以保障玉米整體的質量與產(chǎn)量。

2）綜合評價法。玉米品種的耐旱性是經(jīng)歷了許多代交替迭代所形成的，為了確定玉米品種的耐旱性，一般可以通過選擇有關耐旱性的性狀指標來開展綜合評價。根據(jù)玉米耐旱性與相關性狀之間的密切關系可以給予權重分配，一般可以選擇耐旱系數(shù)、離體葉片保水率、根苗比、抽絲與散粉間隔4 個指標進行綜合評價。在應用綜合評價法評估玉米耐旱性的過程中要有效掌控實際樣本采摘時間，并且要將水分脅迫的條件維持在中等干旱。

3）第二性狀法。關于玉米耐旱性狀的研究相對較多，但是應用于育種并且能夠助力育種效率提升第二性狀方面研究非常有限。第二性狀是指除了玉米產(chǎn)量之外的玉米其他特征，在干旱條件下提升玉米產(chǎn)量。雖然玉米耐旱育種的根本目的是讓培育的玉米在干旱條件下依舊可以保持良好收成。但是在干旱條件下玉米產(chǎn)量不存在顯著差異性，并且遺傳力相對較低，因此可以借助第二性狀鑒定玉米耐旱性。在第二性狀鑒定指標下，可以保證水分脅迫條件下玉米耐旱性鑒定結果的可靠性。在水分脅迫條件下第二性狀遺傳力要高于玉米產(chǎn)量，并且同玉米產(chǎn)量的相關性會隨著脅迫強度增加而增大。在確定玉米第二性狀時，重要程度由大到小依次是每株玉米的穗數(shù)、ASI、葉片的衰老率情況、雄穗的大小情況、有葉片的卷曲率情況。

4 玉米耐旱育種的常用方法

4.1 常規(guī)耐旱育種方法

玉米耐旱育種期間，常規(guī)育種方法主要是在非水分脅迫環(huán)境下選擇與確定培育品種的產(chǎn)量，之后在干旱條件下開展評價，可以獲取具有優(yōu)良耐旱性的雜交玉米品種，但是這種耐旱育種方法本身的育苗種子選擇強度相對較小，所以整體的選擇效果不是非常顯著。在干旱環(huán)境條件下直接開展抗旱育種，通?？梢栽诟珊导竟?jié)試驗，具體是應用灌水方式合理調控玉米育種期間的干旱條件與水平。在干旱環(huán)境中可以有效反映玉米在抗旱性狀方面的遺傳變異情況，所以這時可以獲取更好地耐旱育種選擇效果。在干旱程度與強度保持一致的條件下，很難控制干旱時間，并且容易受外在環(huán)境條件及因素的影響，使得實際的耐旱育種操作遇到一些困難[7]。

4.2 分子標記輔助育種

在分子生物技術發(fā)展迅猛的今天，基于分子標記技術輔助耐旱玉米育種技術越發(fā)成熟，當下國外在玉米遺傳育種領域中已經(jīng)廣泛開始運用分子標記技術，國內(nèi)也在該方面進行了大量研究，相關技術逐漸趨于成熟。有效運用分子標記技術可以為耐旱育苗提供一個全新路徑，通過同QTL 位點篩選緊密連鎖的遺傳標記，可以間接篩選抗旱QTL，極大提高了耐旱育種工作效率。

由于分子標記同目標等位基因之間存在的聯(lián)鎖關系非常容易在后代之間遺傳的過程中被打破。基于SNP 關聯(lián)分析，可以在玉米基因組中挖掘表型變異功能的相應等位基因序列，這樣必然可以很好地克服QTL 應用于耐旱育種期間的局限性。在ANP 分型技術支持下，可以利用其標記玉米基因功能來驗證或者開發(fā)玉米耐旱性，保證標記輔助選擇具有耐旱性品種結果的可靠性與準確性[8]。

5 玉米分子育種方法的發(fā)展趨勢

當前玉米耐旱育種在全球領域都得到了廣泛研究，玉米本身抗旱屬性本質上是一個在遺傳層面上受到眾多基因所共同決定的數(shù)量性狀。在耐旱育種實踐中，選擇某些目標或者有關性狀間接選擇耐旱育種。玉米耐旱性是一種數(shù)量性狀遺傳，并且涉及較為復雜的遺傳基礎，采用通過融合數(shù)量性狀方面的遺傳理論，在統(tǒng)計方法運用基礎上可以確定玉米品種的抗旱性。

分子育種方法可以充分運用分子技術來為耐旱育種提供一個全新的路徑。隨著分子遺傳學與植物生理學之間的交叉發(fā)展，玉米耐旱育種必然會向更深層發(fā)展，從分子水平層面上闡明玉米耐旱性的生理機制以及物質基礎。

與此同時，基于分子生物技術支持的玉米耐旱QTL定位的各種類型分子標記連鎖圖譜逐漸趨于完善，所以未來可以在分子育種過程中借助對QTL 定位、基因工程、克隆等從分子層面上重新組合玉米耐旱基因，構建全新類型的耐旱性玉米體系，這樣可以在分子育種技術支持下極大地縮短玉米耐旱育種的整個周期。

在分子育苗的過程中，自然條件下要注意全面監(jiān)控玉米的生長情況，避免因為在內(nèi)部溫室培養(yǎng)或試驗條件下影響了最終的育種效果。因為基于分子育苗技術得到的耐旱品種可以在溫室條件下健康生長，但是卻可能在自然環(huán)境下受各種外在因素影響而直接影響最終的生長質量與耐旱性發(fā)揮[9-10]。

6 結束語

耐旱性是提高玉米生存率，有效應對日益嚴峻環(huán)境破壞問題的一個不可或缺的生長屬性。在玉米耐旱育種中，要注意選擇恰當類型的育種材料，選擇適當?shù)哪秃敌澡b定方法，靈活運用分子育種方法等，提高耐旱玉米育種的質量。