玉米育種技術(shù)研究進(jìn)展

王鶴樺，劉金海

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院/醫(yī)藥生物檢測河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南 信陽 464000）

玉米是我國播種面積和總產(chǎn)量最大的糧食作物，也是主要的飼料原料和重要的工業(yè)原料。近年來，隨著畜牧業(yè)的快速發(fā)展，玉米的需求日益增加。與此同時，我國玉米品種營養(yǎng)品質(zhì)差，賴氨酸、色氨酸含量低等，嚴(yán)重影響了畜禽發(fā)育以及人民的身體健康。因此，亟需加快育種步伐，生產(chǎn)出更多質(zhì)量更好的玉米來滿足生產(chǎn)、生活的需要。

1 玉米育種技術(shù)

1.1 單倍體育種

單倍體是用天然或人工誘導(dǎo)方法（例如孤雌生殖）獲取單倍體生物以及用單倍體生物培育后代的育種方式，主要有誘導(dǎo)品系、組織體外培養(yǎng)和化學(xué)誘導(dǎo)的雜交方法等。單倍體誘導(dǎo)商業(yè)價值巨大，常規(guī)的雜交育種周期長，誘導(dǎo)單倍體加倍產(chǎn)生純合的二倍體，直接利用配子體進(jìn)行選擇，只需2～3 a即可育成穩(wěn)定的純系，可大大縮短育種時間、減少成本。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)陳紹江團(tuán)隊創(chuàng)建了玉米單倍體育種高效技術(shù)體系，將基礎(chǔ)研究與技術(shù)發(fā)明以及育種實踐結(jié)合起來。吳鵬昊等比較了多個不同遺傳背景的單倍體雄穗自然加倍能力，探明單倍體雄穗育性恢復(fù)不受細(xì)胞質(zhì)基因的控制，而受核基因控制。有學(xué)者認(rèn)為基因型在單倍體雌穗育性恢復(fù)中起主要作用，單倍體雌穗育性恢復(fù)過程與雄穗育性恢復(fù)過程相對獨立。北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心已經(jīng)創(chuàng)制出8個具有誘導(dǎo)率高、結(jié)實性好等優(yōu)良特性的玉米單倍體誘導(dǎo)系，并率先利用和選育出3個單交種型誘導(dǎo)系，選育出系列優(yōu)良玉米品種11個。

有學(xué)者認(rèn)為用同族單倍體誘導(dǎo)劑生產(chǎn)母體單倍體是常用的單倍體育種方法，在玉米育種中非常有效，并開發(fā)了一種從花粉粒中分離出3個核和從四分體中分離出4個小孢子的方法，觀察到非整倍性在三核期高發(fā)，表明配子體減數(shù)分裂后發(fā)生的連續(xù)染色體斷裂可能形成胚胎的單倍體。

1.2 遠(yuǎn)緣雜交育種

遠(yuǎn)緣雜交育種指的是不同種、屬間甚至親緣關(guān)系更遠(yuǎn)的物種間的雜交產(chǎn)生的后代。遠(yuǎn)緣雜交可以創(chuàng)造和利用雜種優(yōu)勢來創(chuàng)造新物種、改良舊物種，是育種的重要手段。

現(xiàn)代栽培的玉米大約在10 000 a前由野生大芻草(Zea mays ssp.Parviglumis)馴化而來，在長期的栽培過程中丟失了大量的優(yōu)質(zhì)基因，極大地降低了玉米的遺傳多樣性。在高原地區(qū)生長的大芻草可以與現(xiàn)代栽培的玉米自由雜交，為現(xiàn)代栽培玉米的遺傳改良提供了新思路?，F(xiàn)階段，育種學(xué)家對兩者間基因滲透的范圍和對現(xiàn)代玉米遺傳改良的貢獻(xiàn)仍然知之甚少。一個重要的原因是，野生大芻草和現(xiàn)代玉米的基因組都高度復(fù)雜，相互滲透并組裝起來相當(dāng)困難。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊把玉米和類蜀黍的基因組分成超過100 個小區(qū)段，基因組復(fù)雜性大大降低，并混合組裝出了較高質(zhì)量的玉米及類蜀黍基因組。通過比較分析，發(fā)現(xiàn)栽培玉米品種和野生品種在基因組間存在大量的結(jié)構(gòu)變異，其中包括300萬堿基的結(jié)構(gòu)變異，以及9號染色體上的3 000萬堿基的反轉(zhuǎn)。這種倒置可以引起某些農(nóng)藝性狀的變化，例如玉米葉型的變化。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，大芻草的基因組片段幾乎存在于每個玉米材料中，玉米基因組與大芻草基因組大約有10%左右的基因滲透。

1.3 分子標(biāo)記輔助育種

分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)和傳統(tǒng)的雜交育種技術(shù)不同，可以定向選擇和改良目標(biāo)性狀，不但有效、準(zhǔn)確，而且可大大縮短育種時間，加快育種速度?；诜肿訕?biāo)記輔助選擇技術(shù)的分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)，可以快速有效地獲得具有靶基因的個體，被廣泛應(yīng)用于育種。在提高產(chǎn)量、含水量和莖稈硬度方面，分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)的效率是傳統(tǒng)育種技術(shù)的2倍以上。學(xué)者通過軟件模擬比較了9種育種策略，發(fā)現(xiàn)2種利用分子標(biāo)記的MAS育種策略具有較高的育種效率和經(jīng)濟(jì)效益。

目前，分子標(biāo)記輔助育種已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但培育出的新品種或品系相對較少。主要原因有以下幾點：第一，輔助育種的標(biāo)記資源有限。標(biāo)記應(yīng)與相關(guān)的基因緊密連接，大多數(shù)農(nóng)藝性狀作圖僅保留在主要位置，一些主要的數(shù)量性狀基因位點（QTL）仍未發(fā)現(xiàn)，定位精度還不能滿足標(biāo)記輔助育種的需要。第二，QTL間存在互作效應(yīng)，輔助標(biāo)記育種僅對已知部分的QTL進(jìn)行選擇，具有互作效應(yīng)的QTL并未被選擇到同一個個體內(nèi)，使QTL失去了相互作用效應(yīng)，并且在表型鑒定中消除了所選擇的個體。第三，我國長期存在基礎(chǔ)研究與育種實踐相脫節(jié)的現(xiàn)象，導(dǎo)致用于QTL定位的材料在育種中的應(yīng)用價值有限，定位到的QTL難以發(fā)揮作用。

1.4 分子模塊設(shè)計育種

隨著生物技術(shù)的迅速發(fā)展，分子育種技術(shù)已成為玉米育種的重要方向和必然選擇，其中分子模塊設(shè)計育種將是多學(xué)科的，在全基因組水平上實現(xiàn)多模塊優(yōu)化組裝將極大地促進(jìn)玉米育種的未來。

分子模塊化設(shè)計育種是一種新的分子育種技術(shù)，綜合系統(tǒng)生物學(xué)、分子生物學(xué)、基因組學(xué)和計算生物學(xué)等技術(shù)，將玉米育種與多學(xué)科發(fā)展相結(jié)合，培育成具有目標(biāo)性狀的新品種。分子模塊化設(shè)計育種主要包括3個方面：第一，對控制復(fù)雜性狀的重要基因或QTL進(jìn)行功能研究；第二，挖掘模塊的有機(jī)耦合、理論模擬和功能預(yù)測，提出最佳匹配策略；第三，在全基因組水平上進(jìn)行多模塊優(yōu)化組裝，實現(xiàn)復(fù)雜性狀的定向改進(jìn)。在理論和技術(shù)方面，分子模塊設(shè)計育種技術(shù)是中國玉米育種業(yè)的新突破，是玉米復(fù)雜性狀分子改良的基礎(chǔ)，也將成為未來實踐中創(chuàng)造新品種的重要方法。

1.5 基因工程方法育種

玉米轉(zhuǎn)基因技術(shù)是利用基因工程構(gòu)建能表現(xiàn)出優(yōu)良性狀的基因（如抗蟲性、抗病性、抗逆性、高質(zhì)量和高產(chǎn)量）等，將有效的轉(zhuǎn)化方法引入玉米受體系統(tǒng)，獲得高效穩(wěn)定表達(dá)的過程。

已有研究結(jié)果表明，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育抗旱玉米新品種是一條有別于傳統(tǒng)育種且行之有效的途徑，正成為引導(dǎo)玉米種業(yè)發(fā)展的一個強(qiáng)力引擎。目前，在玉米抗旱轉(zhuǎn)基因研究中，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成相關(guān)基因、轉(zhuǎn)錄因子基因和信號傳導(dǎo)相關(guān)基因已取得了新的進(jìn)展。與此同時，在植物抗旱性作用機(jī)制方面，對伴侶蛋白基因、解毒酶相關(guān)基因、代謝相關(guān)基因和轉(zhuǎn)運蛋白基因的研究正逐步展開，為培育抗旱轉(zhuǎn)基因玉米品種奠定了堅實的基礎(chǔ)。

2 問題與展望

2.1 加強(qiáng)玉米種質(zhì)資源擴(kuò)增

加強(qiáng)玉米種質(zhì)資源擴(kuò)增是創(chuàng)新玉米新品種育種的關(guān)鍵。目前玉米品種中有很多品種親本血緣關(guān)系較近，同時遺傳基礎(chǔ)也較單一。為了有成效地選育出具有優(yōu)良性狀的玉米新品種，加強(qiáng)玉米安全育種的生產(chǎn)系數(shù)，減少某些品種的集中使用，促使玉米育種上一個新臺階，玉米育種需要從種質(zhì)資源的豐富性、優(yōu)良種質(zhì)資源挖掘上進(jìn)行具體的研究工作，積極開展優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源分子評價的相關(guān)研究。

2.2 進(jìn)一步完善玉米品質(zhì)評價體系

玉米品質(zhì)除了受內(nèi)、外部因素的綜合影響。要遵從遺傳機(jī)制和規(guī)律，從提高品質(zhì)鑒定的準(zhǔn)確性上判定育種的成效，全面、深入地加強(qiáng)玉米的品質(zhì)性狀和遺傳機(jī)制的研究，明確玉米各品質(zhì)性狀間的遺傳機(jī)制，逐步建立和完善玉米綜合評價體系和操作規(guī)程，制定出快速、易行的鑒定標(biāo)準(zhǔn)，加速育種進(jìn)程。

2.3 加強(qiáng)新技術(shù)與常規(guī)育種技術(shù)的結(jié)合

隨著基因鑒定、分子標(biāo)記輔助育種等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代生物技術(shù)在玉米育種中發(fā)揮著越來越重要的作用。玉米育種技術(shù)的發(fā)展，要不斷利用新的科學(xué)技術(shù)來改進(jìn)現(xiàn)有的育種技術(shù)和常規(guī)育種方法。在常規(guī)育種的同時，注重分子標(biāo)記輔助技術(shù)、轉(zhuǎn)基因育種等現(xiàn)代分子育種技術(shù)體系的應(yīng)用。加強(qiáng)種質(zhì)系統(tǒng)評價，建立資源多樣性分析、表型分析、材料創(chuàng)新、基因型檢測相結(jié)合篩選等系統(tǒng)培育的技術(shù)路線，通過多學(xué)科間協(xié)作、技術(shù)結(jié)合、親本配組、區(qū)點選拔鑒定等方法，創(chuàng)新優(yōu)化種質(zhì)資源，突破傳統(tǒng)玉米育種方法在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、商品性好等多種優(yōu)良基因結(jié)合方面的難題。