玉米抗非生物逆境分子育種的研究進(jìn)展

鄭雷雷 吳春來(lái) 李素榮 王洪君

長(zhǎng)期以來(lái)，玉米育種作為提升玉米產(chǎn)量和改進(jìn)玉米品質(zhì)的有效手段備受重視。從20世紀(jì)初的雜交育種優(yōu)勢(shì)技術(shù)開(kāi)創(chuàng)至今，玉米雙交種、單交種及如今的分子育種都不同程度地提高了當(dāng)時(shí)玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)，尤其玉米抗非生物逆境育種已是當(dāng)前分子育種技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

隨著分子生物學(xué)和遺傳學(xué)的發(fā)展，利用生物技術(shù)結(jié)合常規(guī)育種所培育的新型優(yōu)良玉米品種已漸漸成為第三代玉米育種技術(shù)，即玉米分子育種。玉米分子育種依賴基因組學(xué)和生物信息學(xué)等研究策略，包括轉(zhuǎn)基因育種和分子標(biāo)記育種，同時(shí)也克服了關(guān)鍵功能性基因的跨種問(wèn)題；通過(guò)開(kāi)發(fā)重要性狀定位的標(biāo)記，并應(yīng)用分子標(biāo)記輔助選擇的方法改良玉米自交系，從而人工定向培育出優(yōu)良玉米雜交種。

1 抗干旱逆境分子育種

干旱是玉影響玉米生長(zhǎng)最主要非生物逆境，同時(shí)也是制約玉米生產(chǎn)最主要因素之一。近年來(lái)，隨著極端天氣的加劇，干旱對(duì)玉米、小麥等重要糧食作物的威脅也日益明顯，這極大制約著玉米的產(chǎn)量和產(chǎn)業(yè)化程度。因此育出抗旱性玉米并廣泛運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)踐是當(dāng)前玉米育種的重要目標(biāo)。并且隨著“生物節(jié)水”概念的崛起，越來(lái)越多的研究也傾向于提高生物自身水利用率，借以遺傳育種的研究策略，發(fā)掘具有生物抗旱節(jié)水的潛力，也為玉米抗干旱逆境育種提供一條新思路。目前，借以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，無(wú)論是玉米干旱脅迫響應(yīng)機(jī)理還是抗干旱逆境的分子機(jī)制，還有待科研人員進(jìn)一步的對(duì)此進(jìn)行深入性研究，試圖解析并依靠基礎(chǔ)理論，在玉米抗干旱育種技術(shù)上有所突破。

2 抗低溫逆境分子育種

低溫冷害是當(dāng)前玉米生產(chǎn)上主要的氣候?yàn)?zāi)害之一，尤其在主要糧食輸出的東北地區(qū)，每年因低溫逆境所導(dǎo)致的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千萬(wàn)。低溫狀態(tài)下，玉米本身的細(xì)胞呼吸作用、光合作用、脯氨酸含量、電導(dǎo)率以及生物膜狀態(tài)都會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響了玉米根系（尤其是幼苗期）的生長(zhǎng)發(fā)育，甚至死亡。通常，人們應(yīng)用一些化學(xué)物質(zhì)（如多效唑和嘧啶醇、肌醇和玉米赤霉烯酮等）、植物抗寒劑、助長(zhǎng)劑或稀土、鉀肥以達(dá)到抗低溫脅迫的效果，但是這些外界輔助措施是否對(duì)玉米或環(huán)境存在負(fù)作用還不是很清楚，因此，依靠生物技術(shù)提高玉米本身抗低溫能力是解決該問(wèn)題的根本途徑。

國(guó)外大量研究表明，通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)將MnSOD基因?qū)胗衩兹~綠體中，在提高了玉米抗氧化能力的同時(shí)也達(dá)到抗低溫效果；Al Abed等利用Split-seed技術(shù)將來(lái)自擬南芥的CBF3基因轉(zhuǎn)入玉米中，在低溫脅迫誘導(dǎo)下過(guò)表達(dá)通過(guò)提高脯氨酸含量進(jìn)而增強(qiáng)玉米抗低溫能力。值得注意的是，在加深了解玉米抗低溫生理機(jī)制的同時(shí)，開(kāi)發(fā)抗低溫基因資源和推動(dòng)培育抗低溫的轉(zhuǎn)基因品種還需結(jié)合常規(guī)育種模式。

3 抗鹽堿逆境分子育種

在全球土地鹽堿化加劇的情況下，土壤肥力的降低直接影響糧食經(jīng)濟(jì)作物的種植。玉米在鹽堿逆境脅迫下，Na+使土壤導(dǎo)水性降低，導(dǎo)致玉米根部細(xì)胞與土壤之間的滲透壓作用發(fā)生巨大改變，造成根部失水，從而影響玉米生長(zhǎng)發(fā)育。除此之外，在鹽堿脅迫下，激素失衡、營(yíng)養(yǎng)吸收能力和活性氧清除劑等生理響應(yīng)也對(duì)玉米育種造成損傷。

國(guó)內(nèi)學(xué)者將編碼甜菜堿脫氫酶的batA基因?qū)胗衩鬃越幌礑H4866，進(jìn)行相關(guān)性狀和雜交優(yōu)勢(shì)分析表明，該玉米品種具有很強(qiáng)的抗鹽堿能力。同樣利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，國(guó)內(nèi)學(xué)者曾將編碼6-磷酸山梨醇脫氫酶的gutD基因也轉(zhuǎn)入玉米，經(jīng)蛋白表達(dá)分析其功能，并采用氣相色譜法檢測(cè)到轉(zhuǎn)基因玉米中存在大量山梨醇，同時(shí)也初步證實(shí)其抗鹽堿逆境能力明顯高于親本株。

通常植物對(duì)非生物逆境的生理響應(yīng)主要由脫落酸（ABA）所調(diào)控，早在1987年，Singh等發(fā)現(xiàn)外源ABA不僅能提高懸浮細(xì)胞對(duì)鹽堿度的適應(yīng)能力還能促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)功能性蛋白質(zhì)的合成，這說(shuō)明ABA的分泌直接影響作物抗鹽堿能力。因此可以利用基因組學(xué)和生物信息學(xué)策略尋找參與ABA轉(zhuǎn)錄或合成的相關(guān)調(diào)控基因，再采用分子生物學(xué)手段研究這些候選基因，也為玉米轉(zhuǎn)基因育種提供另一條研究思路。

4 抗重金屬逆境分子育種

重金屬不易被環(huán)境降解，在隨著食物鏈生物富集的循環(huán)下對(duì)生物有機(jī)體會(huì)造成嚴(yán)重的危害。研究表明，土壤中Cd、Cu、Zn、Pb、As等重金屬的復(fù)合污染對(duì)種植地區(qū)的環(huán)境帶來(lái)重大威脅。

目前，玉米抗重金屬逆境的研究大多圍繞著抗性鑒定及重金屬協(xié)同污染方面，對(duì)玉米分子育種的研究甚少。但在研究煙草對(duì)重金屬抗性時(shí)，研究人員將印度芥菜的BjPCS1基因（編碼絡(luò)合素合成酶）和BjPIP1基因（編碼水孔蛋白）在轉(zhuǎn)入煙草后，檢測(cè)到轉(zhuǎn)基因煙草株的MDA明顯降低，抗氧化酶活性有所增加，最終提高了對(duì)重金屬的抗性，說(shuō)明這些基因的表達(dá)在調(diào)節(jié)重金屬污染方面發(fā)揮重要作用。而且MDA、SOD、POD和CAT活性的檢測(cè)是評(píng)價(jià)玉米抗重金屬脅迫主要指標(biāo)。因此，發(fā)掘降低MDA含量或增加抗性酶活性的調(diào)控基因或相關(guān)性狀QTL可能會(huì)成為今后玉米抗重金屬逆境分子育種的重點(diǎn)。

5 展望

干旱、低溫、鹽堿和重金屬污染等非生物逆境因素一直制約了我國(guó)玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。通常這些非生物逆境會(huì)改變植物正常生理生化狀態(tài)和細(xì)胞分子水平，從而影響了植物的生長(zhǎng)甚至存活。因此，當(dāng)務(wù)之急是發(fā)掘玉米抗逆QTL和培育高配合力株系，尤其對(duì)抗逆相關(guān)基因及其連鎖分子標(biāo)記，對(duì)篩選通用抗逆QTL并精準(zhǔn)定位分析更是意義重大。如今玉米分子育種主要圍繞重要性狀QTL定位及分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)、重要性狀功能標(biāo)記的開(kāi)發(fā)、玉米優(yōu)良自交系的分子標(biāo)記輔助改良等方面開(kāi)展研究，深入應(yīng)用分子標(biāo)記輔助選擇改良玉米自交系的雜交和回交已成為培育優(yōu)良抗逆玉米品種的主流方法之一。

（作者單位：450016河南金博士種業(yè)股份有限公司）