玉米籽粒主要品質(zhì)性狀的分子遺傳研究進(jìn)展

王麗珊，張建國，于 滔，曹士亮，楊耿斌，李文躍，王成波，段雅娟，歐英卓，趙 晴，劉長華

（1黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080；2黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，哈爾濱 150086）

0 引言

玉米是全球三大糧食作物之一，主要被應(yīng)用于食品、醫(yī)療、能源和工業(yè)等方面。2020年中國玉米總產(chǎn)量約為2.6億t，占全球總產(chǎn)量的23%[1]。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)產(chǎn)品需求劇增，玉米育種在追求高產(chǎn)的同時，對籽粒的綠色、優(yōu)質(zhì)和安全提出了更高的要求[2]，開展玉米籽粒品質(zhì)性狀基礎(chǔ)理論研究能夠推動特用玉米新品種的研發(fā)，對保障中國糧食安全和適應(yīng)消費(fèi)需求具有重要意義[3]。

玉米籽粒品質(zhì)性狀主要包括：蛋白質(zhì)、淀粉、油分及賴氨酸等[4]。目前，育種家多是通過分析儀器進(jìn)行早代系的品質(zhì)選擇[5]。但是，玉米品質(zhì)性狀絕大多數(shù)是由微效多基因控制的數(shù)量性狀[6]，采用半同胞輪回等常規(guī)育種方法提升玉米品質(zhì)，易降低遺傳多樣性，存在育種效率低，周期長等問題[7-8]。隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展，將分子標(biāo)記與轉(zhuǎn)基因技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于玉米籽粒品質(zhì)性狀進(jìn)行遺傳改良已經(jīng)成為可能[9]。本文通過對國內(nèi)外玉米籽粒品質(zhì)性狀的QTL定位、分子標(biāo)記輔助改良和候選基因克隆及轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，以期為玉米籽粒品質(zhì)性狀的分子設(shè)計育種提供參考。

1 玉米籽粒主要品質(zhì)性狀的QTL定位

在利用分子標(biāo)記進(jìn)行基因定位的基礎(chǔ)上構(gòu)建高密度遺傳圖譜，可以實現(xiàn)對玉米籽粒品質(zhì)性狀的分子遺傳研究[10]。國內(nèi)外研究人員應(yīng)用不同的試驗材料和研究方法（表1），對玉米品質(zhì)性狀遺傳開展了大量研究，鑒定和定位了一批與玉米籽粒品質(zhì)性狀相關(guān)的QTL。

表1 玉米籽粒品質(zhì)性狀的QTL研究

1.1 玉米籽粒蛋白質(zhì)含量的QTL定位

BERKE等[11]對IHO×ILO群體進(jìn)行RFLP標(biāo)記，共發(fā)現(xiàn)16個蛋白質(zhì)含量相關(guān)QTL。LI等[12]以高油玉米和普通玉米為材料進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)4個只與蛋白質(zhì)含量相關(guān)QTL，綜合4種品質(zhì)性狀的檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)和淀粉含量存在6個共同位點(diǎn)。孫海艷等[13]通過區(qū)間作圖法對3種不同環(huán)境條件下的玉米材料進(jìn)行全基因組QTL掃描發(fā)現(xiàn)5個與蛋白質(zhì)含量相關(guān)的QTL，分布在第1、2、6、8和10染色體上。僅有1個QTL在3個環(huán)境中都能檢測到，其表型變異方差介于10.0%～17.8%之間。說明環(huán)境是影響籽粒品質(zhì)QTL表現(xiàn)的重要因素，這些在多個環(huán)境中穩(wěn)定表達(dá)的QTL為深入開展分子標(biāo)記輔助育種研究提供了理論依據(jù)。鄧敏[14]對玉米自交系的關(guān)聯(lián)群體和3個重組自交系群體進(jìn)行研究，共鑒定到了404個氨基酸性狀相關(guān)QTL，3個自交群體解釋的表型變異平均為9.03%、9.39%和10.15%。說明群體間相同氨基酸性狀變異是存在差異的，可為后續(xù)玉米氨基酸的遺傳改良提供遺傳資源。

1.2 玉米籽粒淀粉含量的QTL定位

玉米籽粒淀粉含量受基因型和環(huán)境的共同影響。張中偉[15]以普通玉米自交系與優(yōu)良爆裂玉米自交系為材料，在3種環(huán)境條件下共檢測到18個與淀粉含量相關(guān)的QTL位點(diǎn)，第5條染色體上具有最多的相關(guān)位點(diǎn)，共有5個QTL，其中qCT-5-2在3種環(huán)境下的單個貢獻(xiàn)率為9.1%～13.4%，認(rèn)定其為主效QTL。裴玉賀[16]在對LX00-6×E28的F2:3群體研究時，利用復(fù)合區(qū)間作圖法檢測到2個與淀粉含量有關(guān)的QTL，分布在第1條和第8條染色體上，二者解釋表型變異率分別為7.8%和8.3%，第8條染色體上的QTL作用方式為部分顯性。2個QTL加性效應(yīng)值均是正值，分別為0.55和0.40，說明其作用方向是增加籽粒淀粉含量。趙丹[17]以自交系LH8012和13218008組配得到的F2:3家系群體為材料進(jìn)行兩點(diǎn)田間試驗，共檢測到13個與籽粒淀粉含量相關(guān)的QTL，分布于第1、4、5、8和9號染色體，位于區(qū)間umc1348～umc1990的QTL具有最高表型貢獻(xiàn)率，為15.3%，可以將其看作主效QTL。

1.3 玉米籽粒油分含量的QTL定位

GOLDMAN等[18]利用RFLP位點(diǎn)進(jìn)行群體標(biāo)記時，共發(fā)現(xiàn)25個與油分含量顯著相關(guān)的位點(diǎn)，加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)的位點(diǎn)個數(shù)分別為11個和4個。MANGOLIN等[19]運(yùn)用復(fù)合區(qū)間作圖法對F2:3群體進(jìn)行QTL分析時發(fā)現(xiàn)，共有13個與油分含量顯著相關(guān)的位點(diǎn)，QTL對表型變異的解釋范圍為2.35%～8.40%，除第8和10條染色體外，其余染色體上均能檢測到與油分含量相關(guān)QTL。YANG等[20]以普通玉米B73和高油系玉米By804為材料，在26個基因組區(qū)域共鑒定出58個籽粒含油量及其組成性狀QTL，其中包括8個主效QTL。玉米籽粒品質(zhì)除受材料和環(huán)境影響外，還可能與肥料有關(guān)，為探究這一問題，蘭天茹等[21]以許178×K12重組自交系群體為材料，進(jìn)行施氮肥與不施氮肥兩種處理。其中，施氮處理下只在第9條染色體上檢測到1個油分含量相關(guān)QTL，貢獻(xiàn)率為8.23%；不施氮肥處理時共在第1條和第6染色體上檢測到2個相關(guān)位點(diǎn)，貢獻(xiàn)率分別為9.32%和9.08%。兩種氮素水平下沒有共同存在的QTL位點(diǎn)，說明在此試驗處理下，玉米籽粒油分含量受環(huán)境因素影響較小。

1.4 玉米籽粒賴氨酸含量的QTL定位

賴氨酸是玉米中重要的氨基酸，其含量高低與玉米籽粒品質(zhì)緊密相關(guān)。趙丹[17]在對F2:3家系群體進(jìn)行玉米籽粒賴氨酸QTL定位時，共檢測到5個相關(guān)QTL，位于第5、8、10染色體上，與以往賴氨酸含量相關(guān)研究比較，未檢測到相同或相近的染色體bin位點(diǎn)。石海春等[22]在對玉米自交系201×1698-3組合的F2:3群體進(jìn)行研究時，在檢測到的35個與品質(zhì)相關(guān)QTL位點(diǎn)中，與賴氨酸含量相關(guān)的QTL為2個，分布于第2、4號染色體上，兩個QTL均表現(xiàn)超顯性效應(yīng)，表型貢獻(xiàn)率分別為11.8%和5.9%。張珍珍[23]在對Pop1和Pop2兩個RIL群體進(jìn)行研究時共檢測到與玉米籽粒賴氨酸含量相關(guān)的10個QTL，這些QTL分別位于Pop1的第1、2、5、7、8染色體上以及Pop2的第5、9染色體上，可以作為后續(xù)分子標(biāo)記輔助選擇的位點(diǎn)來進(jìn)行后代前景選擇，從而提高玉米育種效率。

2 玉米籽粒主要品質(zhì)性狀的分子標(biāo)記輔助改良

利用傳統(tǒng)常規(guī)的玉米育種方法培育新品種時，選擇依據(jù)通常為表型性狀，而分子標(biāo)記輔助選擇可直接選定目的性狀的基因型，加快玉米育種進(jìn)程[24-25]。寧麗華等[26]開發(fā)了與高直鏈淀粉含量有關(guān)的玉米ae基因的功能標(biāo)記。該功能標(biāo)記被廣泛應(yīng)用于雜合基因型和個體純合基因型個體的鑒定，能夠精確篩選出高直鏈淀粉含量玉米品種，從而提高育種效率。ZHENG等[27]在玉米fatB基因的第六外顯子中插入一個鳥嘌呤核苷酸后形成了一個截短形式的fatB基因，該基因能夠降低籽粒中飽和脂肪酸的含量。玉米fatB基因功能標(biāo)記可應(yīng)用于低飽和脂肪酸含量品種的培育，以滿足不同的市場需求。

2.1 分子標(biāo)記在品質(zhì)改良中的應(yīng)用

分子標(biāo)記以遺傳物質(zhì)變異為基礎(chǔ)，表現(xiàn)為DNA水平遺傳多態(tài)性。常見的分子標(biāo)記有RFLP、SSR、SNP等。利用分子標(biāo)記獲得的信息可對親本進(jìn)行質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀的輔助選擇[28]。

20世紀(jì)60年代MERTZ等[29]研究結(jié)果表明玉米o(hù)paque-2基因可大幅度增加籽粒賴氨酸的含量。國際玉米和小麥改良中心應(yīng)用opaque-2基因培育出了優(yōu)質(zhì)高蛋白玉米品種QPM[30]。而后中國研究學(xué)者宋敏等[31]運(yùn)用SSR分子標(biāo)記方法，以phi057為引物，對QPM高代系opaque-2基因頻率進(jìn)行檢測時發(fā)現(xiàn)opaque-2位點(diǎn)上的基因發(fā)生了突變，說明常規(guī)育種方法無法保證基因的純合性，可利用SSR分子標(biāo)記提前對早代系進(jìn)行檢測以準(zhǔn)確篩選高蛋白含量玉米后代。張文龍[32]選用兩個高賴氨酸玉米自交系和一個糯玉米自交系組建了兩個回交群體，利用o2和wx基因內(nèi)進(jìn)行SSR分子標(biāo)記以及o16基因內(nèi)的連鎖標(biāo)記，測定籽粒賴氨酸含量，最終獲得了不同隱性突變基因聚合的材料。魯守平等[33]利用連鎖SSR標(biāo)記，采用回交育種方法，把提高籽粒油分的主效QTL轉(zhuǎn)至低油分材料By804自交系中，最終使得3個自交系的改良系平均含油量增加0.58%。王長進(jìn)等[34]在對甜玉米進(jìn)行SNP分子標(biāo)記時，共檢測到20個與油分含量相關(guān)的SNP位點(diǎn)，位于第5條染色體上的qFAT-5-1表型貢獻(xiàn)率最高為17.06%，與油分含量顯著關(guān)聯(lián)。

2.2 高通量測序在品質(zhì)改良中的應(yīng)用

高通量測序技術(shù)作為轉(zhuǎn)錄組測序的代表，在生物基因組學(xué)中應(yīng)用廣泛。根據(jù)高通量測序技術(shù)所得到的數(shù)據(jù)，可以在全基因組范圍內(nèi)找到玉米籽粒物質(zhì)所累積的有關(guān)功能基因，這對于作物育種以及改良具有極其重要的意義[35]。何騁[36]對溫帶和熱帶玉米兩個類群的籽粒進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，利用XP-EHH信號選擇方法在兩個類群中分別鑒定到了731個和421個選擇區(qū)域，而后對受選擇的基因進(jìn)行功能注釋，最終發(fā)現(xiàn)油分合成途徑的相關(guān)基因GRMZM2G083195和GRMZM2G061885以及與脂肪酸延長相關(guān)基因GRMZM2G152105和GRMZM2G003501均在溫帶玉米中受到了強(qiáng)烈的選擇，說明人工選擇可在特用玉米研發(fā)中起到關(guān)鍵作用。黨仁芳[37]在試驗前期預(yù)測zmmads11突變體能夠參與玉米籽粒淀粉合成，并通過多代回交和自交得到純合的突變體，對野生型和純合突變體進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序發(fā)現(xiàn)：zmmads11純合突變體中有2個參與淀粉和糖代謝途徑的基因上調(diào)，分別為β-葡萄糖苷酶和海藻糖磷酸酶，從而推斷zmmads11突變體中淀粉含量與代謝途徑中相關(guān)酶基因表達(dá)量成正比。由于轉(zhuǎn)錄調(diào)控首先是調(diào)節(jié)相關(guān)酶基因的表達(dá)水平，進(jìn)而調(diào)控淀粉的生物合成，此研究針對玉米淀粉生物合成過程中的分子調(diào)控機(jī)制，為未來培育高淀粉玉米提供理論依據(jù)。

2.3 關(guān)聯(lián)分析在品質(zhì)改良中的應(yīng)用

關(guān)聯(lián)分析在分子標(biāo)記的基礎(chǔ)上，選擇遺傳變異相對廣泛的自然群體，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)分析，最終鑒定出影響目標(biāo)性狀的關(guān)聯(lián)位點(diǎn)和基因，為后續(xù)玉米品質(zhì)基因克隆和轉(zhuǎn)基因研究提供候選基因，加快育種進(jìn)程[38]。董青松[39]以吉林省80份玉米自交系為試驗材料，對1490007個SNP進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析（表2）。研究結(jié)果表明與蛋白質(zhì)含量顯著關(guān)聯(lián)的SNP位點(diǎn)數(shù)最多為11個，其中位于染色體框3.04的SNP最高解釋了85.76%的表型貢獻(xiàn)率，在連鎖不平衡區(qū)域內(nèi)共挖掘出13個候選基因。李長生[40]利用碘染法對464份玉米自交系的直鏈淀粉含量和重測序基因型數(shù)據(jù)進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明：位于第9號染色體SNP位點(diǎn)與直鏈淀粉含量顯著相關(guān)。該SNP信息為C或T，含有SNP T信息的玉米直鏈淀粉含量普遍偏低，所以該SNP位點(diǎn)可以作為分子標(biāo)記對糯玉米進(jìn)行選育。

表2 吉林省80份玉米核心自交系全基因組關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

3 基因克隆及轉(zhuǎn)基因進(jìn)展

3.1 玉米籽粒品質(zhì)性狀相關(guān)的基因克隆

中國關(guān)于玉米籽粒品質(zhì)基因克隆的研究位于世界前沿。岳靜[41]從棉花基因組和谷子cDNA中克隆得到了高賴氨酸蛋白基因GHLRP和SiREM6，為中國玉米品質(zhì)的改良提供了基因資源。國外研究方面，YANG等[42]克隆了玉米籽粒淀粉合成相關(guān)候選基因ZmNAC36和ZmbZIP91，發(fā)現(xiàn)這2個基因?qū)τ衩鬃蚜５矸酆铣赏緩骄哂姓{(diào)控作用。QI等[43]對Dof(DNA binding with one finger)家族基因中的ZmDof3進(jìn)行功能驗證，發(fā)現(xiàn)該基因會造成籽粒中所含的淀粉含量下降以及部分糊粉層有一定的缺陷。這一驗證表明在胚乳發(fā)育過程中ZmDof3作用十分顯著，為后續(xù)玉米品質(zhì)基因的克隆提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

3.2 轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用于玉米品質(zhì)性狀

自1995年第一株轉(zhuǎn)基因玉米品種獲得商業(yè)許可后，國內(nèi)外開展了大量轉(zhuǎn)基因玉米研究[44]。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)將外源基因?qū)胗衩字校蓪崿F(xiàn)基因的優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)化，以滿足人們對玉米品質(zhì)的特定需求[45]。研究者通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良了玉米籽粒中直鏈淀粉、賴氨酸和微量元素含量（表3）。

表3 轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用于玉米品質(zhì)研究進(jìn)展

柴曉杰等[46]利用花粉管通道法將玉米淀粉分支酶基因?qū)胫仓旰?，籽粒中直鏈淀粉的含量提高約50%。JIANG等[47]向玉米中導(dǎo)入SbeI和SbeIIb后，玉米直鏈淀粉含量增加約40%。

蛋白質(zhì)中第一限制性氨基酸是賴氨酸，它是評價玉米營養(yǎng)價值的重要指標(biāo)。孫學(xué)輝等[48]將富含賴氨酸的外源蛋白基因SB401導(dǎo)入玉米自交系后，賴氨酸含量提高16%。WU等[49]向玉米中導(dǎo)入擬南芥賴氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)RNA，使得賴氨酸含量提高到26%。

ALURU等[50]將外源基因crtB和crtI分別與γ-zein啟動子結(jié)合后轉(zhuǎn)入玉米植株中，均能夠高效表達(dá)。ZHU等[51]利用基因槍法將5個類胡蘿卜素基因?qū)胗衩字仓旰竽軌虺晒Ρ磉_(dá)。有研究表明，將大豆鐵蛋白SoyFer1基因?qū)胗衩字仓旰?，籽粒中的微量元素含量，例如鈣、鎂、鐵等都大幅度提高。

4 展望

目前國內(nèi)玉米籽粒品質(zhì)性狀的研究取得了一定的進(jìn)展，但很多研究工作還處于起步階段。因此，今后的研究可以考慮從以下幾個方面開展：

（1）目前國內(nèi)外還未充分利用玉米品質(zhì)基因資源，后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)篩選優(yōu)良等位基因，以推動特用玉米的育種工作進(jìn)展。

（2）運(yùn)用區(qū)間作圖法和復(fù)合區(qū)間作圖法進(jìn)行QTL初級定位時，存在較大的置信區(qū)間，定位結(jié)果受作圖群體和圖譜飽和度影響較大，應(yīng)結(jié)合多種方法對QTL定位進(jìn)行全面系統(tǒng)研究，提高QTL定位的準(zhǔn)確性，為分子標(biāo)記輔助選擇奠定基礎(chǔ)。

（3）目前應(yīng)用最廣泛的分子標(biāo)記方法是SNP和SSR。SNP標(biāo)記穩(wěn)定性好且可實現(xiàn)快速高通量檢測，但投入花費(fèi)較高；SSR標(biāo)記操作簡便且多態(tài)性高，但無法實現(xiàn)高通量。所以應(yīng)開發(fā)新的功能標(biāo)記，達(dá)到高通量且低成本的檢測目的。

（4）目前國內(nèi)外研究學(xué)者在玉米育種工作中主要側(cè)重于培育高產(chǎn)量新品種，而忽略了品質(zhì)性狀的研究，今后應(yīng)改進(jìn)育種方法和分析鑒定技術(shù)，提高后代遺傳穩(wěn)定性的同時縮短育種年限，走玉米優(yōu)質(zhì)且高產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展路線。