分子模块设计育种技术在玉米育种中的应用及前景展望

开花期耐旱分子模块的挖掘及应用

研究表明，玉米开花前后对干旱胁迫最为敏感，田间持水量轻微程度的降低都可能严重影响玉米的各种生理特性，最终造成玉米产量的损失。为了探寻玉米开花期耐旱的分子机制，解析玉米生殖生育期水分胁迫调控的分子模块，我们通过对前期收集的 1 100 份玉米自交系材料在甘肃、新疆和内蒙古等地的多年多点干旱处理实验，对叶片持绿性、雌雄穗开花间隔时间以及产量相关性状进行了深入调查，并对 243 份核心种质资源进行芯片检测和 GWAS 分析，挖掘到了 44 个与花期耐旱显著相关的遗传位点。同时，结合转录组测序分析，确定了 1 个核心分子模块。将其导入东北底盘品种“吉单 27”后，叶片的光合速率显著提高、持绿耐旱性及稳产性明显增强。

根系耐旱分子模块的挖掘

根系作为植物感知、吸收水分的主要器官，与耐旱性密切相关。一般来说，发达的根系更有利于作物在干旱条件下吸收土壤深层的水分，增强其抵抗干旱胁迫的能力。为了深入了解成株期根系构型的变化在玉米耐旱中的作用机制，寻找与玉米水分高效利用密切相关的分子模块，谢旗研究组从 150 多份自交系中筛选出根系构型差异较大的 23 个自交系（12 个根少的自交系和 11 个根多的自交系）进行多年多点的干旱实验，最终确定 2 号染色体上 ~6.66 Mb 的区间对根系表型具有最大贡献率。与此同时还构建了回交群体，目前正在对包含目标区间的回交个体进行鉴定，并挖掘可能的候选分子模块。

叶夹角分子模块的解析及初步应用

叶夹角是决定玉米株型的一个主要因素，与产量及耐旱性密切相关。刘宏涛研究组发现玉米叶夹角突变体 WF01 和 WF02 均是由茎尖分生组织特异表达基因 RS1 的异位表达所致。通过启动子序列分析，发现 WF01 和 WF02 中 RS1 基因的 −758 bp 处插入了一个 1089 bp 的反转录转座子 Flourf 长末端重复序列。此外，将这 2 个分子模块分别导入到“昌 7-2”中，以组配改良的“郑单 958”。初步测产结果表明 WF01 回交改育的材料与“郑单 958”的产量相当；下一步将继续通过回交以纯化背景并提高种植密度，对改良系在正常及水分胁迫条件下的表现与“郑单 958”进行比较分析。

通过分子模块先导专项的开展，我国科研人员在玉米分子模块设计育种方面取得了一定的进展，挖掘到多个具有重要应用价值的玉米水分高效利用分子模块，并对部分模块的作用机理、调控网络及功能进行了分析。下一步仍需要继续深入探索玉米水分胁迫调控的遗传网络，鉴定关键分子模块，挖掘优异等位变异，建立“分子模块—水分胁迫调控性状”的关联；同时通过多模块计算模拟和定向设计育种技术将这些关键分子模块进行优化设计、耦合和组装，定向改良底盘品种，缩短育种周期，实现玉米水分高效利用新品系的创制。