分子模块设计育种技术在玉米育种中的应用及前景展望

分子模块设计育种在玉米育种中的实际应用及重要成果

目前采用分子设计育种技术已经成为了国际上玉米育种的大趋势。世界玉米种业巨头“拜耳-孟山都”“陶氏杜邦”及利马格兰等均在通过生物技术手段，将分子设计育种广泛应用到玉米育种中，有效加快育种进程，其研发投入约占营业额的 15%。早在 2007 年，先锋良种国际有限公司（以下简称“先锋公司”）借助玉米全基因组测序技术测定了 600 多个优良玉米自交系的 10 000 个基因组；目前，先锋公司和孟山都公司已拥有上万个 SNPs（single nucleotide polymorphisms）标记。同时，这些种业公司还积极开发先进的表型检测设备，对玉米的田间表型进行精准收集和分析，挖掘切实可用的分子模块，为分子设计育种提供信息支撑。与此同时，我国科学家对玉米分子设计育种也进行了一系列深入探索，在骨干自交系的全基因组测序和 SNP 挖掘、控制玉米籽粒油分、抗病虫害关键分子模块的功能解析及新品种创制等方面取得了重要进展。

近年来，水资源不足已成为世界各国农业产区存在的现实问题。2012 年，干旱曾导致美国中西部地区玉米产量下降 20%。玉米作为旱地作物，整个生育期的需水量较大；而玉米的抗旱性是受多基因控制的数量性状，遗传机制非常复杂。我国是世界上最缺水的国家之一，特别是在我国主要的玉米生产区，水分不足严重影响了玉米的生长和产量。因此，挖掘、解析玉米中水分胁迫调控的分子模块，培育水分利用率高的品种，对我国农业生产过程中玉米的增产稳产具有十分重要的意义。针对这一目标，2013 年中国科学院战略性先导科技专项（A类）“分子模块设计育种创新体系”（以下简称“分子模块先导专项”）专门开展了“玉米水分高效利用分子模块解析”方面的工作，院内多家单位从苗期、开花期、根系、叶夹角以及干旱-盐碱互作等多个方面进行了深入研究，挖掘到一批具有重要生产应用价值的分子模块，并将部分关键模块成功导入底盘品种中，主要进展如下。

苗期水分高效利用分子模块得到挖掘和解析

秦峰研究组对来自全球的 368 份玉米自交系的苗期耐旱性进行统计，结合全基因组关联分析发现了 83 个遗传变异位点（解析至 42 个候选基因）与玉米苗期抗旱性显著相关，并对挖掘到的 2 个分子模块的功能变异位点和遗传效应进行了深度解析。研究发现，在干旱敏感的材料中，ZmNAC111 基因启动子区域携带 1 个 82 bp 的微型转座子插入，该转座子可通过小 RNA 介导的 DNA 和组蛋白甲基化抑制 ZmNAC111 的表达（图 1）。提高 ZmNAC111的表达量可促进干旱胁迫下气孔的关闭，气孔导度和蒸腾速率显著降低，诱导一些重要的水分胁迫应答基因表达上调，从而提高水分利用率，增强玉米的耐旱性。而 ZmVPP1基因，编码一个定位于液泡膜上的焦磷酸水解酶。在抗旱玉米自交系中，ZmVPP1 基因启动子前端插入了 366 个碱基的 DNA 片段（InDel-379）。将抗旱材料的 ZmVPP1 基因导入干旱敏感的材料中可有效提高玉米苗期的抗旱性。目前该课题组对于其他候选基因的分析工作还在进行中，这些研究成果将为玉米耐旱性的遗传改良及培育玉米耐旱新品种提供极其重要的基因资源。

谢旗研究组通过对 PH4CV（耐旱品种）与 F9721 （旱敏感品种）构建的 181 个重组自交系（RILs）的耐旱处理实验，选取极端耐旱株系 RIL70 和极端敏感株系 RIL93 的叶片进行了比较转录组学分析，利用 SIMM（simultaneously identification of multiple mutations）方法计算每个株系特异的渐渗区间，最终确定了 2 个耐旱分子模块。目前，已将耐旱相关分子模块导入骨干自交系“郑 58”和“昌 7-2”中。利用苗期耐盐碱鉴定技术标准，王柏臣研究组对 69 个玉米自交系进行了苗期耐盐碱性的鉴定，通过关联分析确定了一个耐盐碱的分子模块 ZmTLP，能解释表型变异的 15%。同时，还组配了“郑 58”和“昌 7-2”的重组自交系以进行耐盐碱性的筛选，相关研究工作还在进行中。