我國(guó)玉米生物學(xué)研究進(jìn)展

王帥， 宋偉， 王榮煥， 趙久然

（北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究所，玉米DNA指紋及分子育種北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097）

玉米是我國(guó)種植面積較大，總產(chǎn)量較高的糧食和經(jīng)濟(jì)作物，在保障我國(guó)糧食安全的重大戰(zhàn)略中占有重要地位。近年來(lái)，我國(guó)在玉米全基因組測(cè)序、優(yōu)良農(nóng)藝性狀功能基因的挖掘與鑒定以及重要性狀遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等生物學(xué)研究方面取得了一系列重大的進(jìn)展，為“玉米分子設(shè)計(jì)育種”的快速發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文從玉米基因組學(xué)、玉米雄性不育遺傳調(diào)控、玉米株型遺傳調(diào)控、玉米籽粒發(fā)育遺傳調(diào)控、玉米單倍體育種技術(shù)、玉米抗生物脅迫遺傳調(diào)控、玉米抗非生物脅迫遺傳調(diào)控、玉米種質(zhì)資源相關(guān)基礎(chǔ)研究、玉米分子遺傳研究技術(shù)和平臺(tái)共9個(gè)方面對(duì)近3年來(lái)我國(guó)玉米生物學(xué)研究的重大進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，以期為今后玉米分子育種研究提供思路和參考。

1 玉米基因組學(xué)研究

玉米是生物學(xué)研究中的重要模式植物，高質(zhì)量的參考基因組對(duì)后續(xù)的研究有重要的意義。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)賴(lài)錦盛團(tuán)隊(duì)完成對(duì)玉米骨干自交系Mo17 的高質(zhì)量基因組的組裝，大小為2.18 Gb，覆蓋度高達(dá)97.4%，得到38 620個(gè)高質(zhì)量注釋基因[1]。北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心趙久然團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了中國(guó)玉米骨干自交系黃早四高質(zhì)量基因組圖譜，大小為2.2 Gb，預(yù)測(cè)40 893個(gè)編碼基因，并揭示了玉米基因組變異和黃早四衍生系形成的遺傳改良?xì)v史，是首次對(duì)中國(guó)的玉米骨干自交系完成的De Novo測(cè)序和基因組解析[2]。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵團(tuán)隊(duì)以熱帶小粒玉米品種（SK）為材料，組裝了高質(zhì)量的熱帶玉米參考基因組，大小為2.32 Gb，共獲得了43 271個(gè)注釋基因，進(jìn)一步利用熱帶玉米SK、溫帶玉米B73 和Mo17 基因組，以及521 份玉米自交系的重測(cè)序數(shù)據(jù)構(gòu)建了玉米的結(jié)構(gòu)變異圖譜，克隆了正向調(diào)控玉米粒重的基因ZmBAM1d[3]。上海交通大學(xué)王文琴團(tuán)隊(duì)與合作者組裝了南非的優(yōu)質(zhì)蛋白玉米自交系K0326Y 高質(zhì)量參考基因組[4]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家玉米改良中心田豐團(tuán)隊(duì)與楊小紅團(tuán)隊(duì)以368 份玉米自交系未成熟籽粒的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析了玉米全基因組水平的可變剪接情況，并利用全基因組關(guān)聯(lián)分析方法進(jìn)行了可變剪接變異數(shù)量性狀位點(diǎn)(quantitative trait locus,QTL)定位，揭示玉米可變剪接自然變異遺傳調(diào)控機(jī)制[5]。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)李平華團(tuán)隊(duì)與合作者利用大規(guī)模轉(zhuǎn)錄因子數(shù)據(jù)重新構(gòu)建了玉米葉片基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，分析了轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)對(duì)葉片形態(tài)、吐絲開(kāi)花等農(nóng)藝性狀的影響，解析了其在物種進(jìn)化中的保守性和變化，提出了轉(zhuǎn)錄因子共結(jié)合是影響植物轉(zhuǎn)錄調(diào)控特異性的關(guān)鍵因素的新觀點(diǎn)[6]。

2 玉米雄性不育遺傳調(diào)控研究

玉米雄性不育系的利用是解決玉米雜交育種和制種過(guò)程中人工去雄的有效途徑，可以降低制種成本、提高制種純度和產(chǎn)量，具有非常重要的應(yīng)用前景。北京科技大學(xué)萬(wàn)向元團(tuán)隊(duì)通過(guò)圖位克隆得到玉米雄性不育突變體ms30-6028 的育性恢復(fù)基因ZmMs30，該基因編碼新的GDSL（Gly-Asp-Ser-Leu）脂酶，在花藥發(fā)育的第7～9 時(shí)期特異表達(dá)。ZmMs30功能缺失會(huì)引起玉米花藥角質(zhì)層和花粉外壁基足層正常發(fā)育所需脂類(lèi)物質(zhì)的不足，最終導(dǎo)致徹底的雄性不育。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，ms30不育基因在329 份不同遺傳背景的玉米自交系中不育性穩(wěn)定徹底，對(duì)多個(gè)重要農(nóng)藝性狀無(wú)負(fù)面影響，并且建立了基于不育基因ZmMs30的玉米多控不育技術(shù)（multi-control sterility,MCS）體系[7]。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所陳化榜團(tuán)隊(duì)在玉米雄性不育方面取得了大量進(jìn)展，與周奕華及薛勇彪團(tuán)隊(duì)合作首次成功克隆了控制玉米單向雜交不親和現(xiàn)象的基因ZmGa1P，該基因編碼在Ga1-S 和Ga1-M 型玉米自交系花藥中特異表達(dá)的果膠甲脂酶（pectin methylesterase, PME）；ZmGa1P 定位于花粉管頂端，與花粉管特異的PME 蛋白互作，共同維持花粉管正常的甲酯化修飾程度，以保障花粉管在Ga1-S 型花絲中的正常伸長(zhǎng)，并最終受精結(jié)實(shí)。該研究為實(shí)現(xiàn)玉米無(wú)隔離雜交種制種、特用玉米與普通玉米以及轉(zhuǎn)基因和非轉(zhuǎn)基因玉米的生殖隔離創(chuàng)造了條件[8]。隨后，陳化榜團(tuán)隊(duì)與北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心趙久然團(tuán)隊(duì)合作，報(bào)道了核編碼的轉(zhuǎn)錄因子基因ZmDREB1.7，其調(diào)控玉米S 型細(xì)胞質(zhì)雄性不育基因orf355表達(dá)并導(dǎo)致不育的分子機(jī)制。在花藥中，ZmDREB1.7促進(jìn)orf355表達(dá)，而orf355積累增強(qiáng)線粒體逆向信號(hào)，反過(guò)來(lái)促進(jìn)ZmDREB1.7表達(dá)。因此ZmDREB1.7與orf355在S型玉米的小孢子中形成正反饋調(diào)控機(jī)制，最終導(dǎo)致orf355 蛋白的積累和敗育[9]。近期，陳化榜團(tuán)隊(duì)利用圖位克隆方法得到玉米雄性不育基因IPE2，該基因編碼定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的GDSL 脂肪酶，在花藥發(fā)育的四分體期和小孢子釋放期特異表達(dá)；IPE2基因功能缺失導(dǎo)致脂質(zhì)代謝發(fā)生異常和花藥絨氈層和中間層細(xì)胞延遲降解，花藥角質(zhì)層和花粉外壁發(fā)育異常，最終導(dǎo)致玉米雄性不育[10]。

3 玉米株型遺傳調(diào)控研究

玉米株型與產(chǎn)量直接相關(guān)，目前緊湊密植株型在玉米生產(chǎn)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但其分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還未得到闡明。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)田豐團(tuán)隊(duì)利用由玉米自交系W22 與玉米野生祖先種大芻草（CIMMT 8759）為親本雜交衍生得到的滲入系群體，從大芻草中克隆了控制玉米葉夾角的關(guān)鍵基因UPA1（upright plant architecture 1）和UPA2，建立了玉米緊湊株型的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為玉米理想株型分子育種、密植高產(chǎn)品種培育提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)[11]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)林中偉團(tuán)隊(duì)克隆了來(lái)自甜玉米的主效分蘗基因tin1，該基因編碼C2H2 型鋅指蛋白，由于5’-UTR 的剪接位點(diǎn)發(fā)生變異導(dǎo)致內(nèi)含子得以保留從而提高了mRNA的穩(wěn)定性，tin1表達(dá)增強(qiáng)。進(jìn)一步研究證實(shí)tin1控制了復(fù)雜基因網(wǎng)絡(luò)而促進(jìn)了玉米分蘗芽的不斷伸長(zhǎng)，最終促進(jìn)分蘗形成，該研究揭示了玉米株型演化的關(guān)鍵分子遺傳機(jī)制[12]。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)王海洋團(tuán)隊(duì)對(duì)350 份中國(guó)和美國(guó)玉米育種材料進(jìn)行表型鑒定和全基因組重測(cè)序分析，系統(tǒng)挖掘了現(xiàn)代玉米育種過(guò)程中的“育種選擇指紋”，闡明了跨越不同育種年代、中美兩國(guó)玉米育種的遺傳改良規(guī)律，并克隆了一批調(diào)控玉米耐密性和株型的關(guān)鍵候選基因，該研究為玉米耐密、理想株型的改良提供重要的理論指導(dǎo)和基因資源；同時(shí)，該研究還表明，綜合利用高通量表型組學(xué)和基因組學(xué)手段是解析作物遺傳改良規(guī)律的有效方法，為水稻、小麥等作物遺傳育種規(guī)律的解析和優(yōu)良基因挖掘提供了重要借鑒[13]。

4 玉米籽粒發(fā)育遺傳調(diào)控研究

玉米籽粒相關(guān)性狀與產(chǎn)量和品質(zhì)直接相關(guān)。近年來(lái)，在玉米籽粒相關(guān)性狀功能基因克隆、網(wǎng)絡(luò)調(diào)控、高通量組學(xué)分析等方面取得了大量的進(jìn)展，加深了對(duì)玉米籽粒、胚和胚乳遺傳發(fā)育調(diào)控的認(rèn)識(shí)。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)湯繼華團(tuán)隊(duì)和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所李文學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，利用圖位克隆方法得到了控制籽粒大小的基因ZmUrb2，該基因編碼核糖體合成過(guò)程中的裝配因子；進(jìn)一步研究表明，ZmUrb2主要通過(guò)影響核糖體的生物合成和pre-rRNA 的加工來(lái)影響籽粒發(fā)育和整個(gè)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)程；此外，通過(guò)單倍型分析證明了ZmUrb2的Hap3單倍型可能作為優(yōu)良的等位基因，在玉米從熱帶到溫帶的馴化過(guò)程中被人工選擇。該研究結(jié)果對(duì)于揭示玉米籽粒發(fā)育的調(diào)控機(jī)制和產(chǎn)量形成的分子基礎(chǔ)具有重要的意義[14]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)宋任濤團(tuán)隊(duì)圖位克隆了玉米胚乳調(diào)控基因Opaque11（O11），該基因編碼胚乳特異的bHLH 轉(zhuǎn)錄因子，突變后籽粒發(fā)育異常、儲(chǔ)藏物積累下降，O11作為關(guān)鍵調(diào)控因子，協(xié)調(diào)胚乳細(xì)胞發(fā)育、儲(chǔ)藏物代謝和逆境響應(yīng)等生物學(xué)過(guò)程，是胚乳整體基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心調(diào)控節(jié)點(diǎn)[15]。中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿團(tuán)隊(duì)對(duì)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)蛋白編碼基因Vks1（varied kernel size 1）進(jìn)行了克隆和功能分析，vks1突變體果穗表現(xiàn)出大小變異的籽粒，Vks1在籽粒發(fā)育過(guò)程中的早期（細(xì)胞快速增殖的活躍階段）特異高表達(dá)，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)蛋白VKS1與有絲分裂過(guò)程中的微管共定位，突變后導(dǎo)致微管系統(tǒng)紊亂；vks1突變體在胚乳發(fā)育的起始合胞體階段游離核緊貼著胚囊壁和聚集在一起，嚴(yán)重影響合胞體階段游離核的遷移，而且有絲分裂過(guò)程異常，形成大小核和多核細(xì)胞等不正常的胚乳細(xì)胞類(lèi)型，最終形成變異的籽粒大小。該研究解析了馬達(dá)驅(qū)動(dòng)蛋白在玉米早期胚乳發(fā)育過(guò)程中的關(guān)鍵作用，揭示了早期胚乳細(xì)胞數(shù)目增殖對(duì)最終籽粒大小決定的重要分子機(jī)理[16]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究宋偉彬團(tuán)隊(duì)圖位克隆了玉米小粒基因Mn6，該基因編碼內(nèi)質(zhì)網(wǎng)I 型信號(hào)肽酶(ZmSigp1)，mn6突變體表現(xiàn)胚乳發(fā)育不良, 胚乳大小嚴(yán)重縮小；Mn6主要參與加工碳水化合物合成相關(guān)蛋白，可能通過(guò)調(diào)控在胚乳轉(zhuǎn)移層（BETL）特異表達(dá)的細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶基因（miniature seed1，Mn1)來(lái)調(diào)控籽粒灌漿和胚乳發(fā)育[17]。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張祖新團(tuán)隊(duì)通過(guò)圖位克隆獲得控制玉米穗長(zhǎng)、每行籽粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量的基因KNR6，該基因編碼編碼絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶；KNR6增效等位基因型能夠使雜交種的穗長(zhǎng)、行粒數(shù)以及穗粒數(shù)增加，過(guò)表達(dá)KNR6也可顯著提高玉米雜交種籽粒產(chǎn)量[18]。該研究有助于解析玉米穗粒數(shù)形成的分子機(jī)制，為提高玉米雜交種產(chǎn)量提供了理論依據(jù)和基因資源。

在玉米籽粒胚乳研究方面，中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心巫永睿團(tuán)隊(duì)取得了大量的進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)克隆了玉米籽粒胚乳發(fā)育調(diào)控基因OCD1（oxalyl-CoA decarboxylase 1），其編碼草酰輔酶A脫羧酶，OCD1基因突變后籽粒胚乳呈現(xiàn)出粉質(zhì)的表型，儲(chǔ)存物質(zhì)合成和粒重也發(fā)生下降；高賴(lài)氨酸基因Opaque7（O7）編碼草酰輔酶A 合成酶，并證明O7可以催化草酸形成草酰輔酶A；O7基因突變后籽粒胚乳的能量代謝、糖類(lèi)、氨基酸以及激素含量均受到顯著影響。該研究揭示了草酸降解途徑與籽粒胚乳發(fā)育、代謝和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的關(guān)系[19]。該團(tuán)隊(duì)圍繞胚乳灌漿調(diào)控的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子Opaque2（O2）開(kāi)展了一系列的研究工作，克隆O2增強(qiáng)子基因Oen1（O2enhancer），該基因?yàn)橛衩滓阎騍hrunken1（Sh1），O2對(duì) 3個(gè)Sus（sucrose synthase）基因都有轉(zhuǎn)錄激活功能，其中對(duì)Sus1和Sus2的轉(zhuǎn)錄激活最強(qiáng)；在玉米籽粒高速灌漿時(shí)，雖然Sh1是蔗糖合酶活性最主要的貢獻(xiàn)者，但O2對(duì)Sus1和Sus2轉(zhuǎn)錄激活是對(duì)Sh1介導(dǎo)的籽粒灌漿的必要補(bǔ)充。該研究進(jìn)一步拓展了O2作為玉米胚乳灌漿調(diào)控網(wǎng)絡(luò)核心轉(zhuǎn)錄因子的作用范圍，揭示其可以調(diào)控胚乳儲(chǔ)藏物質(zhì)合成起始單元生成所需基因的協(xié)同表達(dá)[20]。之后，他們利用O2鑒定到協(xié)同籽粒早期發(fā)育與灌漿起始的核心轉(zhuǎn)錄因子基因ZmABI19，其轉(zhuǎn)錄和蛋白水平在籽粒早期最高，且胚中的mRNA水平顯著高于胚乳；而zmabi19純合突變體籽粒的胚和胚乳均發(fā)育異常，成熟籽粒變小并粉質(zhì)，不能萌發(fā)，暗示ZmABI19 對(duì)籽粒早期發(fā)育和灌漿都有調(diào)控作用，而且可能同時(shí)調(diào)控胚和胚乳發(fā)育；ZmABI19能識(shí)別并轉(zhuǎn)錄激活O2啟動(dòng)子，從而調(diào)控下游醇溶蛋白基因的表達(dá)，還能直接調(diào)控胚發(fā)育與盾片儲(chǔ)藏物質(zhì)合成的核心轉(zhuǎn)錄因子Vp1 以及多個(gè)植物激素相關(guān)因子，結(jié)果證實(shí)ZmABI19 能夠協(xié)同調(diào)控玉米籽粒早期發(fā)育（形態(tài)建成）與灌漿起始（儲(chǔ)藏物質(zhì)合成）這2個(gè)緊密銜接又相對(duì)獨(dú)立的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程[21]。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)從自然群體中克隆到控制玉米硬/粉質(zhì)胚乳形成的主效QTL——Ven1（vitreous endosperm 1），該基因的等位變異能夠調(diào)控玉米胚乳中類(lèi)胡蘿卜素極性和非極性組分的含量；非極性胡蘿卜素的增加能延遲淀粉體膜的降解，阻礙蛋白體和淀粉粒的互作，從而影響硬質(zhì)胚乳形成[22]。該研究深入解析了類(lèi)胡蘿卜素成分改變影響玉米硬質(zhì)胚乳形成的分子遺傳機(jī)制，為培育高β-胡蘿卜素、硬質(zhì)的優(yōu)良品種奠定基礎(chǔ)。此外，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)宋任濤團(tuán)隊(duì)采用生物素標(biāo)記探針Pull-down 和質(zhì)譜的新方法鑒定到調(diào)控玉米儲(chǔ)藏蛋白表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子基因ZmbZIP22，該基因突變后，27-kD 醇溶蛋白累積顯著降低，賴(lài)氨酸和色氨酸含量顯著上升；ZmbZIP22 在籽粒灌漿期特異結(jié)合27-kD 醇溶蛋白的啟動(dòng)子，直接調(diào)控27-kD 醇溶蛋白的表達(dá)；此外，ZmbZIP22通過(guò)與其他多個(gè)調(diào)控27-kD 醇溶蛋白的轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同作用，來(lái)確保27-kD 醇溶蛋白在籽粒灌漿期的穩(wěn)定表達(dá)[23]。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)黃玉碧團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所李新海團(tuán)隊(duì)，以玉米骨干自交系Mo17 為材料，測(cè)定灌漿過(guò)程中胚乳淀粉積累動(dòng)態(tài)，選擇淀粉積累過(guò)程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)胚乳材料，對(duì)轉(zhuǎn)錄組、miRNA 組和DNA 甲基化組的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析，構(gòu)建了DNA 甲基化、miRNA、轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同調(diào)控玉米胚乳淀粉合成關(guān)鍵酶基因表達(dá)的網(wǎng)絡(luò)圖[24]。

5 玉米單倍體育種技術(shù)研究

單倍體育種技術(shù)已廣泛應(yīng)用并成為現(xiàn)代玉米育種的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，該技術(shù)能夠快速創(chuàng)制純合自交系，大大加快育種進(jìn)程。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所謝傳曉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)陳紹江團(tuán)隊(duì)利用CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)創(chuàng)制了高效孤雌生殖單倍體誘導(dǎo)系，并為其配套了完善的組織特異表達(dá)的雙熒光蛋白標(biāo)記，已應(yīng)用于單倍體鑒定[25]。該研究為基因編輯技術(shù)創(chuàng)制作物孤雌生殖單倍體誘導(dǎo)系，并同時(shí)具備高效單倍體篩選與鑒定標(biāo)記，為作物雙單倍體（doubled haploid,DH）育種技術(shù)體系提供了范例，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)陳紹江團(tuán)隊(duì)利用圖位克隆的方法克隆了首個(gè)非Stock6來(lái)源的玉米單倍體誘導(dǎo)關(guān)鍵基因ZmDMP，該基因編碼DUF679 結(jié)構(gòu) 域 膜 蛋 白（DUF679 domain membrane protein）[26]。在誘導(dǎo)基因ZmPLA1突變基礎(chǔ)上，單堿基替換導(dǎo)致的氨基酸錯(cuò)義突變，將單倍體誘導(dǎo)率提高2～3倍，而將ZmDMP完全敲除后可進(jìn)一步將單倍體誘導(dǎo)率提高5～6倍，而且ZmDMP基因敲除后具有獨(dú)立的誘導(dǎo)單倍體能力[27]。該研究首次在非Stock6 材料上發(fā)現(xiàn)獨(dú)立誘導(dǎo)現(xiàn)象，不僅可為遺傳學(xué)與生殖生物學(xué)研究提供新的借鑒，而且在實(shí)踐上也將為基于分子標(biāo)記輔助選育及基因編輯技術(shù)創(chuàng)建高頻的單倍體誘導(dǎo)系奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。Wang 等[28]提出了單倍體 IMGE（haploid inducermediated genome editing）育種策略，巧妙地將單倍體誘導(dǎo)與CRISPR/Cas9 基因編輯技術(shù)結(jié)合起來(lái)，成功地在兩代內(nèi)創(chuàng)造出了經(jīng)基因編輯改良的DH純系，該方法可以打破之前基因編輯育種對(duì)材料遺傳轉(zhuǎn)化能力的依賴(lài)，并且創(chuàng)造出不含轉(zhuǎn)基因（CRISPR載體）的純系。IMGE技術(shù)與利用基因組編輯技術(shù)獲得無(wú)融合生殖株系相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)雜種優(yōu)勢(shì)快速固定的技術(shù)，有望成為新的下一代作物育種技術(shù)，預(yù)期在今后的作物育種中將得到廣泛應(yīng)用。

6 玉米抗生物脅迫遺傳調(diào)控研究

病蟲(chóng)害、草害等是當(dāng)前玉米生產(chǎn)所面臨的重要生物脅迫，嚴(yán)重影響玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所王振營(yíng)團(tuán)隊(duì)利用北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心選育并提供的天然抗蟲(chóng)的玉米品種京科968 為材料，經(jīng)過(guò)短期飼喂、兩性生命表以及寄生蜂行為選擇等試驗(yàn)，證明了京科968 在受到亞洲玉米螟為害誘導(dǎo)后會(huì)產(chǎn)生抑制亞洲玉米螟生長(zhǎng)發(fā)育的直接防御反應(yīng)，也能產(chǎn)生吸引其寄生性天敵腰帶長(zhǎng)體繭蜂的間接誘導(dǎo)防御反應(yīng)；該研究還從基因表達(dá)、苯并惡嗪酮類(lèi)物質(zhì)、植物激素及揮發(fā)物的含量變化等方面進(jìn)一步揭示了亞洲玉米螟為害玉米誘導(dǎo)防御反應(yīng)相關(guān)的生理生化及其分子機(jī)制，為玉米利用自身誘導(dǎo)防御反應(yīng)控制亞洲玉米螟提供了科學(xué)依據(jù)[29]。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)儲(chǔ)昭輝團(tuán)隊(duì)首次克隆了玉米紋枯病數(shù)量性狀抗病基因ZmFBL41，該基因編碼F-box 蛋白；ZmFBL41負(fù)調(diào)控植物免疫，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該基因通過(guò)自然變異避免病原菌對(duì)木質(zhì)素合成的抑制從而引起抗紋枯病的機(jī)制[30]。該研究克隆的抗性基因ZmFBL41是利用正向遺傳學(xué)克隆的植物抗立枯絲核菌菌屬病害的首個(gè)基因，研究結(jié)果對(duì)更多作物的抗紋枯病遺傳改良具有重要意義。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)徐明良團(tuán)隊(duì)通過(guò)圖位克隆獲得了編碼生長(zhǎng)素調(diào)節(jié)蛋白的基因ZmAuxRP1，該基因同時(shí)能夠顯著提高玉米對(duì)莖腐病的抗性，對(duì)穗粒腐病也同樣有效；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，ZmAuxRP1促進(jìn)生長(zhǎng)素 IAA 的合成，但抑制次生防御物質(zhì)苯并噁唑嗪酮的合成，研究結(jié)果揭示了玉米調(diào)控生長(zhǎng)與抗病平衡的遺傳基礎(chǔ)和分子機(jī)制[31]。該團(tuán)隊(duì)利用圖位克隆的方法鑒定到編碼囊泡運(yùn)輸關(guān)鍵的Rab GDP 解離抑制因子（Rab GDP dissociation inhibitor alpha，GDIα）與玉米粗縮病抗病有關(guān)，野生型的ZmGDIα為感病等位基因；當(dāng)helitron 轉(zhuǎn)座子插入到內(nèi)含子（intron）10 后，轉(zhuǎn)變成抗病等位基因ZmGDIα-hel，同時(shí)也揭示了玉米粗縮病隱性抗病的分子機(jī)制[32]。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所聯(lián)合國(guó)內(nèi)外7 家單位完成玉米大斑病抗性基因Ht2/Ht3的克隆，該基因編碼細(xì)胞壁相關(guān)受體蛋白激酶（ZmWAK-RLK1），為Htn1基因的新型等位變異，該研究為玉米抗大斑病育種提供了優(yōu)質(zhì)抗源和標(biāo)記輔助選擇工具，證實(shí)了ZmWAKRLK1基因遺傳變異與玉米大斑病的遺傳互作關(guān)系，為定向挖掘優(yōu)異抗性新資源/基因提供了方向[33]。

7 玉米抗非生物脅迫遺傳調(diào)控研究

玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中會(huì)遇到高溫、干旱、倒伏等非生物脅迫，對(duì)脅迫響應(yīng)基因進(jìn)行克隆和功能解析，并加以利用是提高玉米抵御非生物脅迫的重要手段。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所李文學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)單子葉植物特異性miR528通過(guò)直接調(diào)控靶基因ZmLAC3和ZmLAC5的豐度調(diào)控木質(zhì)素合成路徑關(guān)鍵酶基因ZmPAL，進(jìn)而調(diào)控玉米木質(zhì)素合成，影響高氮條件下玉米的倒伏性[34]。該研究詳盡闡述了miRNA、氮素與木質(zhì)素之間的關(guān)系，為培育抗倒伏玉米品種提供了強(qiáng)有力的分子生物學(xué)證據(jù)。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)邱法展團(tuán)隊(duì)通過(guò)候選基因關(guān)聯(lián)分析鑒定到玉米第7 亞家族乙烯響應(yīng)因子 （ethlyene responsive factor, ERF） 基 因ZmEREB180，其通過(guò)影響內(nèi)源激素生長(zhǎng)素和乙烯的合成調(diào)控漬水脅迫下不定根發(fā)育，并通過(guò)調(diào)控ROS 的水平增強(qiáng)玉米苗期耐漬性,該研究揭示了ERF 轉(zhuǎn)錄因子ZmEREB180提高玉米耐漬性的分子機(jī)制，并提供了玉米耐漬性遺傳改良的功能標(biāo)記[35]。之后，該團(tuán)隊(duì)克隆了編碼CASP LIKE 蛋白的ZmSRL5基因，該基因其通過(guò)控制表皮蠟質(zhì)的結(jié)構(gòu)而改變玉米葉表皮的通透性和植株的抗旱性[36]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)林中偉團(tuán)隊(duì)克隆主效玉米莖稈強(qiáng)度QTL——stiff1，其位于玉米第6 染色體上，編碼F-box 蛋白，該基因過(guò)表達(dá)使植株莖稈變軟，后期出現(xiàn)倒伏，而基因沉默植株莖稈強(qiáng)度增強(qiáng)；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，stiff1表達(dá)量下調(diào)導(dǎo)致莖稈的纖維素和木質(zhì)素含量提高，從而玉米莖稈強(qiáng)度增加[37]。研究結(jié)果揭示了玉米莖稈強(qiáng)度的分子機(jī)制，為我國(guó)玉米莖稈強(qiáng)度的精準(zhǔn)改良提供了抗源材料。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)代明球團(tuán)隊(duì)克隆到新型核苷酸酶編碼基因PTPN，在玉米和擬南芥中突變PTPN基因降低植物的抗旱性，而超表達(dá)PTPN則提高植物的抗旱能力，進(jìn)一步研究揭示了新型核苷酸酶PTPN作為關(guān)鍵調(diào)控節(jié)點(diǎn)介導(dǎo)ABA 信號(hào)途徑與AsA 合成途徑之間的互作，進(jìn)而促進(jìn)植物抗旱的分子機(jī)制[38]。

8 玉米種質(zhì)資源相關(guān)基礎(chǔ)研究

近年來(lái)，研究人員利用玉米種質(zhì)資源開(kāi)展了大量的研究。浙江農(nóng)林大學(xué)劉慶坡團(tuán)隊(duì)與加州大學(xué)歐文分校研究團(tuán)隊(duì)合作，利用11個(gè)地方品種6個(gè)世代的自交系探究了自交過(guò)程中玉米全基因組遺傳清除的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)在玉米自交過(guò)程中，雜合的有害單核苷酸多態(tài)性位點(diǎn)（dSNPs）更易從基因組中丟失；此外，隨著自交代數(shù)的增加，3個(gè)玉米地方種（MR01、MR08 和 MR18）的基因組由于大量轉(zhuǎn)座元件和染色體鈕被清除而顯著減小[39]。該研究對(duì)于深入理解植物基因組進(jìn)化，尤其植物自交過(guò)程中有害變異和重復(fù)序列等基因組序列選擇性清除的內(nèi)在機(jī)理等具有一定意義。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)李青團(tuán)隊(duì)和明尼蘇達(dá)大學(xué)合作，利用液相探針捕獲技術(shù)對(duì)263 份來(lái)自熱帶、亞熱帶和溫帶的玉米自交系的DNA 甲基化進(jìn)行分析，尋找到大量DNA 甲基化差異區(qū)段（differentially methylated region, DMR），結(jié)合高密度 SNP 數(shù)據(jù)、葉片和籽粒基因表達(dá)數(shù)據(jù)以及籽粒代謝數(shù)據(jù)，解析了DNA 甲基化變異的遺傳基礎(chǔ)及其對(duì)表型變異的影響[40]。該研究系統(tǒng)解析了DNA 甲基化變異的遺傳基礎(chǔ)，并證明DNA 甲基化可調(diào)控基因表達(dá)和表型，為解釋消失的遺傳力提供了新的支持，這是首次在群體水平分析作物中DNA 甲基化的變異和功能。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵團(tuán)隊(duì)與北京農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心趙久然團(tuán)隊(duì)合作創(chuàng)制了CUBIC 群體：利用廣泛應(yīng)用于我國(guó)育種項(xiàng)目的24個(gè)骨干材料為親本，創(chuàng)新性地通過(guò)兩輪雙列雜交在實(shí)現(xiàn)了所有親本基因交流的情況下大大縮短了群體發(fā)展周期，接著采用6代開(kāi)放授粉和6代連續(xù)自交，最終得到1 404個(gè)自交家系用于后續(xù)研究；利用此群體對(duì)23個(gè)玉米重要的農(nóng)藝性狀進(jìn)行了系統(tǒng)性的遺傳剖析；在鑒定到的數(shù)百個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTLs）基礎(chǔ)上，充分利用本群體設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合多組學(xué)、多群體分析快速鎖定目標(biāo)基因，并以葉寬基因?yàn)槔故玖嗽摬呗栽诠δ芑蚩焖倏寺》矫娴膬?yōu)勢(shì)[41]。

9 玉米分子遺傳研究技術(shù)和平臺(tái)

近年來(lái)，我國(guó)科研人員在突變體庫(kù)構(gòu)建、芯片研究和基因編輯等技術(shù)和平臺(tái)方面取得了很大的進(jìn)展，為玉米功能基因驗(yàn)證和新種質(zhì)創(chuàng)制提供更多的技術(shù)手段。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所張春義團(tuán)隊(duì)與北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心趙久然團(tuán)隊(duì)合作構(gòu)建了B73 背景的EMS 突變體庫(kù)，并結(jié)合外顯子組捕獲和新一代測(cè)序技術(shù)挖掘到突變位點(diǎn)的精準(zhǔn)位置，發(fā)現(xiàn)約20 萬(wàn)個(gè)點(diǎn)突變，覆蓋了82%玉米基因組中可預(yù)測(cè)的編碼基因[42]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)宋任濤團(tuán)隊(duì)和江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)院趙涵團(tuán)隊(duì)合作構(gòu)建了玉米Mutator轉(zhuǎn)座子突變體數(shù)據(jù)庫(kù)，鑒定到約10 萬(wàn)個(gè)Mu 插入位點(diǎn)，覆蓋約45.7%的玉米基因[43]。北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心趙久然團(tuán)隊(duì)對(duì)國(guó)內(nèi)外具有廣泛代表性的400 份玉米自交系進(jìn)行深度測(cè)序，成功研制玉米新型芯片產(chǎn)品Maize6H-60K，涉及玉米基因組6 萬(wàn)多個(gè)位點(diǎn)，有效位點(diǎn)達(dá)到90%以上[44]。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所謝傳曉和李新海團(tuán)隊(duì)利用基因編輯技術(shù)一步法同時(shí)創(chuàng)制作物隱性核不育系（genic male sterility，GMS）與操控型核不育性保持系（MGM）的技術(shù)體系。在該技術(shù)體系中，MGM 保持系可同時(shí)生產(chǎn)GMS 不育系與MGM 保持系自身，從而實(shí)現(xiàn)了不依賴(lài)于自然GMS 不育系的作物第三代雜交育種技術(shù)[45]。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)李林團(tuán)隊(duì)、章元明團(tuán)隊(duì)與中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所王國(guó)英團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)QTG-seq，即通過(guò)QTL 分離（將數(shù)量性狀轉(zhuǎn)化為質(zhì)量性狀）、極端表型混池、高通量測(cè)序以及新算法挖掘候選基因，并利用該技術(shù)成功鑒定到玉米株高控制基因qPH7，該研究為作物QTL快速精細(xì)定位與克隆提供了新的技術(shù)和手段[46]。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵團(tuán)隊(duì)和李青團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)了一種能廣泛應(yīng)用于不同物種組織、不依賴(lài)于DNA甲基化狀態(tài)的單細(xì)胞DNA 甲基化測(cè)序技術(shù)，為不同物種提供了相對(duì)無(wú)偏的單細(xì)胞DNA 甲基化檢測(cè)方法[47]。之后，嚴(yán)建兵團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了玉米單個(gè)雌配子體的分離方法，并擴(kuò)增測(cè)序了其基因組，發(fā)現(xiàn)在同一遺傳背景下，玉米雄配子相對(duì)于雌配子會(huì)發(fā)生更多的重組交換[48]。該研究也極大地改變了對(duì)減數(shù)分裂重組交換發(fā)生的認(rèn)識(shí)，并對(duì)作物的雜交育種產(chǎn)生重要影響。在玉米轉(zhuǎn)化和基因編輯方面，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)陳其軍團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所高彩霞團(tuán)隊(duì)和河南大學(xué)周云團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了利用引導(dǎo)編輯技術(shù)（prime editing）對(duì)玉米基因組進(jìn)行精準(zhǔn)編輯的研究。研究人員推測(cè)pegRNA 的表達(dá)水平是影響引導(dǎo)編輯效率的關(guān)鍵因素之一，通過(guò)增加pegRNA 表達(dá)框的數(shù)量及使用兩種類(lèi)型的啟動(dòng)子（常規(guī)型和復(fù)合型）驅(qū)動(dòng)pegRNA 的表達(dá)，從而提高pegRNA 的表達(dá)；同時(shí)，首次利用引導(dǎo)編輯工具在2個(gè)乙酰乳酸合酶基因ZmALS1和ZmALS2中實(shí)現(xiàn)了純合突變，且獲得了2個(gè)基因的雙位點(diǎn)突變體[49]。研究結(jié)果為開(kāi)發(fā)非轉(zhuǎn)基因抗多種除草劑的玉米品系提供了一種可行且有效的方法，也為進(jìn)一步優(yōu)化植物引導(dǎo)編輯器提供了方向。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)嚴(yán)建兵團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國(guó)內(nèi)外多家單位報(bào)道了構(gòu)建基于先驗(yàn)知識(shí)的靶向突變體庫(kù)，可以大大加速功能基因的挖掘。研究人員綜合傳統(tǒng)遺傳定位和高通量靶向基因編輯加速玉米功能基因挖掘的思路，充分利用CRISPR/Cas9 高度特異和靶向性的同時(shí)，借助先前的定位線索為每個(gè)靶向基因提供預(yù)期的潛在表型，該研究探索并完善了基于CRISPR/Cas9 的高通量的技術(shù)體系，大大降低了成本；構(gòu)建的基于先驗(yàn)知識(shí)的靶向突變體庫(kù)是玉米功能基因挖掘的有益資源；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，植物基因編輯突變譜與人類(lèi)細(xì)胞系一樣，且具有較高的可預(yù)測(cè)性，增加了對(duì)植物基因編輯規(guī)律的認(rèn)識(shí)[50]。

10 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，我國(guó)玉米生物學(xué)的研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：高質(zhì)量的玉米基因組序列公布，第3 代基因組測(cè)序技術(shù)加快了玉米基因組學(xué)的研究步伐，多個(gè)骨干自交系完成了基因組組裝，這將有利于深入解析玉米基因組結(jié)構(gòu)變異和基因組馴化；玉米重要性狀基因的克隆及功能研究，包括育性、株型、籽粒發(fā)育及生物與非生物脅迫等方面，并深入解析其遺傳調(diào)控機(jī)理，極大地促進(jìn)了我國(guó)玉米分子育種前進(jìn)的步伐；基因編輯技術(shù)平臺(tái)的優(yōu)化，以CRISPR/Cas9 為代表的基因編輯技術(shù)快速發(fā)展，在提高編輯效率的同時(shí)能夠?qū)Χ鄠€(gè)基因同時(shí)開(kāi)展編輯，并與傳統(tǒng)研究方法相結(jié)合形成新的技術(shù)手段，為玉米分子育種提供新的思路。隨著基因編輯技術(shù)、重測(cè)序技術(shù)、全基因組關(guān)聯(lián)分析以及第3 代分子標(biāo)記技術(shù)等現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)玉米生物學(xué)研究也將取得更大的突破和研究成果，為我國(guó)玉米育種的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。