玉米抗旱育種研究進(jìn)展

任志強(qiáng)，王曉清，卜華虎，肖建紅，張 寧，楊慧珍

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原030031；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究中心，山西太原030031；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西太原030031）

玉米是全球重要的糧食、經(jīng)濟(jì)作物，也是重要的能源和工業(yè)原料。隨著畜牧業(yè)、工業(yè)及能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，玉米的需求量逐漸增加，我國玉米需求量也逐年增長。伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化和玉米產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國玉米種植產(chǎn)業(yè)面臨著重大挑戰(zhàn)和機(jī)遇[1]。

玉米作為需水量較大的作物，關(guān)鍵生長時(shí)期缺水會(huì)嚴(yán)重影響玉米產(chǎn)量。全球干旱、半干旱地區(qū)占陸地總面積的34.9%，具有灌溉條件的耕地僅占地球總面積的2.32%～3.49%，嚴(yán)重制約著全球糧食生產(chǎn)。我國玉米種植面積約2 400萬hm2，西北、西南、華北、東北等主要玉米產(chǎn)區(qū)玉米農(nóng)田多為依靠自然降水的旱地，水分蒸發(fā)量大、流失快且降水不均勻，干旱頻發(fā)，且程度加重。雖然我國灌溉條件和有效灌溉面積逐年穩(wěn)步增長，但干旱不僅發(fā)生在干旱半干旱區(qū)域，降水時(shí)間或降水不均勻等也能引發(fā)干旱[2]。國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2014—2016年每年旱災(zāi)受災(zāi)和成災(zāi)面積高達(dá)1600萬hm2，干旱已成為影響我國和全球糧食產(chǎn)量的較大因素之一[3]。隨著自然環(huán)境的逐步惡化，土地沙漠化和草原退化有加劇的趨勢，全國受旱面積逐年擴(kuò)大[4-5]，選育抗旱玉米品種成為提高玉米產(chǎn)量的重要途徑之一。

1 國內(nèi)外玉米抗旱育種現(xiàn)狀

玉米耐旱性由多種數(shù)量性狀和質(zhì)量性狀復(fù)合遺傳因子組成，隨著測序技術(shù)和高通量SNP分析技術(shù)的快速發(fā)展以及QTL、基因功能研究、基因型選擇等試驗(yàn)手段的逐漸普及，再輔以其他現(xiàn)代化育種技術(shù)，目前已選育出多個(gè)抗旱玉米品種[6]。目前，抗旱育種的手段包括基因型選擇和抗旱表型篩選，通過復(fù)合篩選增加有利等位基因的頻率，VIVEK等[7]于2017年將亞洲黃早四群體與非洲抗旱系雜交選育出2個(gè)CIMMYTAsia群體（CAP1和CAP2），具有很好的抗旱性。CHENG等2017年也在AffymetrixAxiom平臺上開發(fā)了可改進(jìn)分子育種基因組覆蓋率的玉米55KSNP陣列，其中，55 229個(gè)SNP均勻分布在基因組中，包括22 278個(gè)外顯子和19 425個(gè)內(nèi)含子SNP，該陣列包含451個(gè)已知基因相關(guān)標(biāo)記和耐旱性相關(guān)的重要農(nóng)藝性狀，有助于提高抗旱育種效率[8]。

目前，國內(nèi)玉米抗旱育種集中于2個(gè)方面，一方面為抗旱種質(zhì)的鑒定篩選，另一方面為利用國外抗旱性強(qiáng)的種質(zhì)對國內(nèi)種質(zhì)進(jìn)行改良。李新海等[9]2002年利用雌雄開花間隔期（ASI）對我國37份主要玉米自交系進(jìn)行抗旱鑒定，篩選出K22、SH15等12份耐旱自交系，并利用47對SSR引物檢測出156個(gè)等位基因變異。周樹峰等[10]2002年篩選出81565、N87-1、R09、9635、9651、南 21-3、TF 和 5003等耐旱自交系。張振文等[11]2008年對44份國內(nèi)外種質(zhì)進(jìn)行PEG處理模擬芽期干旱，獲得5份抗旱性極強(qiáng)的種質(zhì)：N4號、N54-1號、武鳴1號、Tn1701和GD0601。劉賢德等[12]對我國72份主要玉米自交系進(jìn)行了室內(nèi)苗期抗旱鑒定，并通過研究2組18份耐旱和不耐旱品種苗期生理生化性狀，篩選出313、旱23等耐旱自交系。劉成等[13]2007年結(jié)合產(chǎn)量性狀、株高、穗位、ASI、千粒質(zhì)量等生理指標(biāo)，用抗旱性指數(shù)（DTIg）作為評價(jià)指標(biāo)，對國家種子庫454份材料進(jìn)行抗旱鑒定，鑒定出抗旱性極強(qiáng)種質(zhì)23份：84112、巖172、Q114-1等，中等抗旱種質(zhì)161份：黃早四、太系112、冀甜15等。陳春梅等[14]2014年利用我國常用的51份自交系群體，進(jìn)行2 a的3個(gè)試點(diǎn)檢測，通過關(guān)聯(lián)分析，獲得抗旱性強(qiáng)的自交系8 份：沈 137、H21等。

國外玉米育種目前也傾向于轉(zhuǎn)基因抗旱玉米品種選育。孟山都公司也早在2009年轉(zhuǎn)化獲得MON 87460抗旱轉(zhuǎn)基因玉米[15]及5個(gè)轉(zhuǎn)基因衍生材料，并于2013年向市場推出GenuityDrought-GardTM雜交玉米品種，目前已在美國、非洲等多個(gè)國家進(jìn)行推廣測試。其余轉(zhuǎn)基因抗旱玉米研究尚停留在試驗(yàn)階段，未得到大面積推廣。

2 抗旱基因QTL定位研究現(xiàn)狀

近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，玉米抗旱響應(yīng)通路、信號傳導(dǎo)途徑以及遺傳規(guī)律方面都有較深入的研究[16-17]。科研工作者鑒定和篩選出大量抗旱相關(guān)性SSR位點(diǎn)、QTL位點(diǎn)以及SNP位點(diǎn)，同時(shí)也鑒定出100多個(gè)與抗旱性相關(guān)基因[18-21]。迄今為止，玉米中多個(gè)抗旱性狀被定位，且連鎖圖譜等相關(guān)信息也在不斷完善中[22]，為抗旱育種工程提供了可靠的基因資源和技術(shù)支持。

MARINO等[23]于2009年從B73和H99組配的142個(gè)重組自交系群體中，篩選出50個(gè)重要的抗旱QTL位點(diǎn)，并挑選出抗旱能力差異較大的2個(gè)抗旱系和2個(gè)敏感系，利用DNA芯片技術(shù)，對正常水分處理和水分脅迫下授粉10 d后玉米籽粒中基因的表達(dá)水平進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有252個(gè)基因的表達(dá)顯著受到干旱脅迫影響，通過遺傳圖譜分析和QTL定位，將88個(gè)差異表達(dá)的基因定位到連鎖圖上，有22個(gè)差異表達(dá)的基因定位在抗旱性相關(guān)QTL區(qū)域，并開發(fā)出49個(gè)新QTL標(biāo)記。LU等[24]于2010年以3個(gè)重組自交系和305個(gè)后代群體選系組成的關(guān)聯(lián)群體，用2 052個(gè)SNP及659個(gè)抗旱相關(guān)SNP進(jìn)行基因型鑒定，以散粉—吐絲間隔期（ASI）為抗旱性鑒定指標(biāo)，并定位到編碼SET結(jié)構(gòu)域蛋白和酸酮還原酶等2個(gè)抗旱相關(guān)候選基因。LI等[25]通過2 a試驗(yàn)，利用基因分型分析的方法，研究正常水分處理和干旱脅迫下產(chǎn)量相關(guān)位點(diǎn)，共檢測到48對標(biāo)記和性狀顯著相關(guān)，并發(fā)現(xiàn)ivr2基因參與玉米抗逆響應(yīng)的新機(jī)制。SU等[26]于2011年用196份自交系，在海南三亞和新疆烏魯木齊進(jìn)行大田抗旱性鑒定，結(jié)合產(chǎn)量、單穗質(zhì)量、生物產(chǎn)量等22個(gè)表型數(shù)據(jù)，利用候選基因關(guān)聯(lián)分析方法，在干旱脅迫下分別檢測到與候選基因nced相關(guān)的13位點(diǎn)、與rab28基因相關(guān)的11位點(diǎn)，并克隆到nced和rab28基因全長DNA序列。陳志輝等[27]于2012年利用抗旱自交系和干旱脅迫敏感系湘97-7組配160個(gè)F2∶3家系，并用110個(gè)SSR標(biāo)記定位了43個(gè)與玉米抗旱性相關(guān)的QTL，其中，貢獻(xiàn)率大于10%的加性主效QTL為控制抽雄至吐絲間隔期（ASI）的qASI3－1（標(biāo)記區(qū)間umc1746—bnlg1144）。目前，用QTL標(biāo)記直接鑒定或篩選抗旱材料的研究報(bào)道較少[28-29]。

LI等[30]于2016年對水分脅迫條件下的玉米表型進(jìn)行了分析，其GBS數(shù)據(jù)已被用于鑒定玉米嵌套關(guān)聯(lián)圖（NAM）群體中的水分脅迫條件下的ASI和其他干旱相關(guān)性狀的QTL和SNP；SEMAGN等[31]于2013年采用Meta-QTL方法從18個(gè)雙親映射種群數(shù)據(jù)中鑒定了干旱條件下籽粒產(chǎn)量的QTLs；ABDULMALIK等[32]于2017年則通過KASP測定了275個(gè)SNP，該標(biāo)記可輔助MARS改善玉米種群的耐旱性。MITTAL等[33]于2018年利用29619個(gè)SNP對240份玉米自交系進(jìn)行基因型分析，共發(fā)現(xiàn)1 053個(gè)顯著差異SNP，其中，77個(gè)SNP位點(diǎn)與10個(gè)已發(fā)表的干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)聯(lián)。

3 玉米抗旱基因研究

目前，全球抗旱商業(yè)品種較少，加之很多國家對轉(zhuǎn)基因玉米持觀望態(tài)度，全球也僅5%的種質(zhì)用于商業(yè)化育種，因而發(fā)掘許多耐旱性的新等位基因具有重要意義[34]。近年來，轉(zhuǎn)基因技術(shù)在玉米抗旱品種培育中得到越來越多的應(yīng)用[35]。目前，轉(zhuǎn)化的基因集中于功能基因和轉(zhuǎn)錄因子，其中，功能基因包括能夠表達(dá)肌醇及蛋白激酶等可提高轉(zhuǎn)基因植株抗旱性的基因，如玉米磷脂酶C1基因ZmPLC1[36]、玉米磷脂酰肌醇合成酶基因ZmPIS[37]等；轉(zhuǎn)錄因子是參與植物抗逆響應(yīng)的重要調(diào)節(jié)因子，在多種抗逆反應(yīng)中都起到重要的作用，玉米ZmNF-YB2[38]、玉米ZmASR1[39]等轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)入玉米植株后抗旱性均得到提高。目前還發(fā)現(xiàn)bZIP、MYB、MYC、EREBP/AP2、DREB等轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)都受到干旱脅迫誘導(dǎo)，猜測這些轉(zhuǎn)錄因子家族也具有抗旱相關(guān)功能[40]。

QIN等[41]克隆了玉米中與擬南芥DREB2基因同源的ZmDREB2A基因，通過實(shí)時(shí)定量分析發(fā)現(xiàn)，ZmDREB2A轉(zhuǎn)錄因子受脫水、鹽、冷、熱脅迫誘導(dǎo)。將過量表達(dá)該轉(zhuǎn)錄因子的玉米植株進(jìn)行基因芯片分析發(fā)現(xiàn)，與干旱及低溫脅迫相關(guān)的基因均上調(diào)表達(dá)。AMARA等[42]在玉米中大量表達(dá)LEA Rab28蛋白后，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因玉米株系的抗旱性顯著增強(qiáng)。

4 展望

隨著全球人口不斷增加，生態(tài)環(huán)境不斷破壞，沙漠化、鹽堿化地不斷增加，可用耕地不斷減少，氣象災(zāi)害發(fā)生頻率及危害程度不斷增加，糧食安全成為許多國家和地區(qū)的主要問題之一。我國干旱和半干旱地區(qū)面積廣，干旱發(fā)生頻繁，危害大，成為我國玉米主產(chǎn)區(qū)的主要自然災(zāi)害，選育和推廣抗旱玉米品種，是提高土地利用率，減少農(nóng)業(yè)用水以及增加玉米產(chǎn)量和提高農(nóng)民收入的主要途徑之一。

國內(nèi)外對玉米抗旱方面的研究主要集中于抗旱節(jié)水栽培技術(shù)、抗旱品種篩選、抗旱QTL和SNP及抗旱基因的篩選鑒定及功能上，及轉(zhuǎn)基因抗旱品種選育上。玉米耐旱性受多種性狀的綜合影響，其復(fù)雜性給抗旱品種選育帶來很多困難。應(yīng)結(jié)合多年多生態(tài)選育方案和生理生化指標(biāo)檢測及QTL、SSR、SNP等輔助手段，進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的抗旱種質(zhì)品系篩選，為抗旱品種選育提供種質(zhì)基礎(chǔ)和基因資源。