玉米耐旱性的遗传机理及分子育种研究进展

贾钰莹，孙成韬，于佳霖，刘晓丽

（辽宁省农业科学院玉米研究所，辽宁沈阳110161）

随着全球气候变暖及各种极端气候的不断涌现，干旱作为最主要的非生物胁迫，对农作物生长造成的影响日益加剧。玉米对干旱胁迫比较敏感，生长发育受到严重影响，从而导致减产。改良玉米的耐旱性，选育耐旱品种是解决这一问题的有效途径。玉米的耐旱性是受多基因调控的数量性状，容易受环境变化影响，传统的遗传改良受到很大限制。因此，在对复杂的玉米耐旱机制进行遗传解析的基础上，利用分子生物学方法对其进行特定的分子改良，已成为玉米耐旱育种的重要途径。

1 玉米耐旱性遗传机理研究

不同玉米基因型之间的耐旱性存在广泛的自然变异，控制耐旱相关性状的基因在干旱胁迫下相互作用，形成错综复杂的调控机制应对干旱胁迫，同时也揭示了玉米耐旱机制的复杂性[1]。随着现代分子生物学的不断发展，国内外学者对玉米耐旱遗传机理的研究日益重视，目前此方面的研究主要有2种途径：一是通过分子标记技术和相关统计方法定位与抗旱相关性状的QTL；二是借助功能基因组学对干旱胁迫下相关基因的表达和调控进行研究。以上2种途径相互补充验证，在克隆耐旱相关基因并发掘优良的等位基因变异方面起着重要作用。

1.1 连锁分析定位耐旱相关QTL

目前，国内外学者定位的大部分玉米耐旱相关QTL是利用连锁分析的方法。最早在1995年，Lebreton等[2]定位到了分布在不同染色体上控制气孔导度、根系数目和叶绿素含量等抗旱相关性状的多个QTL。其后，大量玉米抗旱相关性状的QTL不断被挖掘，主要集中在几个方面[3]：①开花期：抽雄期和吐丝期的QTL几乎分布在玉米的所有染色体上，控制抽雄至吐丝间隔时间（ASI）的QTL趋向于分布在第2和第6条染色体上；②产量及产量构成性状：不同干旱环境和不同胁迫程度下进行多年试验，定位到多个控制穗长、穗粒数、行粒数、百粒重和产量的加性QTL和上位性互作QTL；③根部性状：相对于水培条件，在田间条件下调查根部性状时难度大，研究人员根据2年的田间试验鉴定了控制土壤表层下第6、7、8节根数目的QTL和3个第7节层根直径的QTL；④植株内部的激素可作为信号分子参与多种干旱胁迫下的信号转导途径，在几个分离群体中鉴定了控制叶片和木质部脱落酸含量的QTL。

1.2 关联分析挖掘耐旱相关基因

近年来，随着大量分子标记的开发和生物信息学的发展，应用关联分析挖掘植物复杂数量性状相关基因已成为当前植物基因组学研究热点之一。目前利用全基因组关联分析和候选基因关联分析在玉米抗旱性研究方面已取得了一定的进展，为耐旱遗传基础的解析提供了更多的信息。Setter等[4]利用350份玉米自交系组成的关联群体，在全基因组中挖掘出540个候选基因的1 229个高质量SNP标记，结合干旱及其对照条件下该群体不同组织的干旱相关代谢产物和开花期进行关联分析，发现与脱落酸以及碳水化合物代谢途径有关的基因115个。之后，该群体被重新进行了基因分型，结合该群体在不同环境和处理下的9个农艺性状进行GWAS分析，鉴定到涉及33候选基因的42个显著关联的SNPs。秦峰团队通过关联分析找到了3个与玉米抗旱有关的候选基因ZmDREB、NAC111和Zm VPP1，通过重测序、候选基因关联分析、转基因验证及回交导入等方法，进一步证明这些基因的表达可以增强玉米的耐旱能力，研究可为玉米耐旱遗传提供重要的分子遗传学机理解析，鉴别出的基因可直接用于玉米耐旱育种改良的靶标[5-7]。

1.3 转录组学研究

植物对干旱胁迫的反馈反应是通过不断调整其生理代谢而实现的，其机制十分复杂，涉及到与此相关的众多基因网络。随着植物功能基因组相关研究技术的兴起，为研究干旱胁迫下这一复杂的过程提供了重要的手段，有助于解析与玉米胁迫响应相关的重要基因调控网络，对阐明抗旱相关分子机制具有重要意义。此部分研究最初是利用cDNA微阵列、基因芯片等技术对干旱胁迫下玉米不同时期、不同组织的基因表达情况进行分析，许多研究发掘了参与细胞周期、信号转导、碳水化合物代谢、活性氧清除、ABA应答等相关基因片段。之后随着第3代测序技术的发展，可以在单核苷酸水平上对物种的整体转录活性进行检测，为挖掘抗旱相关基因提供更为全面的信息[8]。

1.4 蛋白质组学研究

在生物体中，蛋白几乎调控细胞内所有的生理生化反应，同时还作为结构蛋白以及信号分子影响细胞进程，并且生物体还存在广泛的转录后修饰和翻译后修饰过程，因此了解转录组和蛋白质组之间的相互调控作用，可以更全面地对植物的抗旱功能进行研究。从最初的2D双向电泳到现今的iTRAQ和Laberfree等技术，高通量的蛋白质组学研究方法不断发展，可以对干旱胁迫下玉米的蛋白表达水平进行解析。目前此方面的研究极少，只有部分研究对干旱胁迫及其对照条件下玉米叶片和根系的蛋白质表达水平进行了定量分析，鉴定到一些蛋白参与多种细胞进程如能量和新陈代谢、氧化还原反应的平衡和调控等，可能与玉米抗旱性相关[9]。

2 玉米耐旱分子育种研究

传统的耐旱性遗传改良是在干旱情况下通过对产量及其他次级性状进行选择，但是在育种实践中能够提供的干旱环境条件有限，选择效率比较低。随着现代生物技术的发展，利用分子标记辅助选择、转基因和基因编辑等方法提高玉米的抗旱性，从而加速育种进程，已成为抗旱分子育种的发展方向。

2.1 分子标记辅助选择

分子标记辅助选择的前提是开发耐旱性状的功能标记，根据其检测结果就可以在早世代预测选择田间的耐旱相关性状。目前，通过连锁分析方法已定位到大量的耐旱相关性状的QTL，真正运用到分子标记辅助育种中的例子并不多，主要原因是分子标记与目标等位基因之间的连锁关系很容易被后代的遗传重组打破。针对以上方法的局限性，近年来，研究人员尝试了多种方法发掘复杂数量性状表型变异的功能型等位基因。柳思思[10]利用关联分析方法进行玉米全基因组分析，开发了应用于玉米耐旱育种的CAPS功能标记dhnC397和rspC1090，进一步研究表明这2个标记是基于耐旱基因dhn1和rsp41中的单核苷酸A/G多态性。Assenov等[11]利用直接PCR测序法对耐旱和干旱敏感玉米材料的一种转录因子ZmMYBE1基因中的SNP进行鉴定，发现在耐旱型玉米中此基因富含丝氨酸/苏氨酸的区域存在A/G转变，可进一步用于开发耐旱性状的功能标记。

2.2 转基因研究

玉米耐旱转基因研究不仅为耐旱机理的探索提供了有效的工具，并且加快了玉米耐旱分子育种的进程。国内外学者将鉴定出的许多耐旱相关基因利用遗传转化的方法导入到玉米植株中，提高了玉米的耐旱性，创制了耐旱转基因玉米新种质，在玉米耐旱育种中有重要应用价值。研究表明，与胁迫相关的转录因子ASR在玉米中过表达后，可增强玉米在干旱条件叶片衰老程度；编码氢离子焦磷酸酶的ZmVPP1基因在玉米中过表达后，因増强了玉米的光合效率和根的发育，从而提高了玉米苗期的耐旱性[7]；玉米ZmNAC111基因可提高植株的水分利用效率并诱导上调干旱响应基因，增强该基因的表达，提高苗期玉米的耐旱性[6]。一些跨国公司，尤其是孟山都公司在耐旱玉米转基因研究方面处于领先地位，该公司研究通过增强转录因子ZmNF-YB2的表达，提高玉米耐旱性进而使产量增加，所研发的转基因耐旱玉米MON87460转化体，通过增加单株的籽粒数，从而提高干旱环境下玉米的产量。

2.3 基因编辑研究

基因编辑技术是对基因组进行定向编辑的一项新技术，自从第3代基因编辑技术CRISPR/Cas系统的出现，特别是以简单、高效和适用性广而被广泛应用的CRISPR/Cas9系统，已成为作物基因功能研究和性状改良的又一有效工具。CRISPR-Cas9基因编辑技术在作物改良中主要应用在营养品质、抗病、抗逆和高产等方面，在玉米重要农艺性状方面应用成功的报道虽然为数不多，但是很具有代表性。其中，Shi等[12]利用CRISPR/Cas9技术改变了ARGOS8基因的启动子，增加了ARGOS8基因表达，使玉米株系籽粒产量受干旱胁迫的影响减弱，增强了玉米耐旱性。Zhang等[13]利用CRISPR/Cas9技术敲除玉米株系中的一种HKT型转运蛋白基因ZmHKT1，降低了植株盐碱胁迫耐受性，证明该基因对提高玉米耐盐碱胁迫有积极的作用。目前，基因编辑技术应用在玉米育种中的报道虽然相对较少，尤其在玉米耐旱方面，但是随着研究的深入，相关成功的案例会越来越多。

3 总结与展望

近些年，国内外学者在玉米耐旱性研究方面已经取得了卓越性的进展，发现了很多基因与玉米的抗旱性息息相关，但是多数被验证有所欠缺或还缺少必要的功能分析，对其潜在的耐旱遗传机理的解析还有巨大的进展空间。如今各种新兴技术不断涌现，充分运用各种相关技术，借助基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等工具鉴定和分析干旱路径中基因、蛋白和代谢产物等物质，有助于解析复杂的玉米耐旱调控网络并阐明玉米干旱耐受机理，可为玉米耐旱育种提供新的契机。

玉米耐旱育种是一项艰巨的工作，尤其是干旱可影响玉米生长的各个阶段，大量研究证明将分子手段与传统育种相结合是加速耐旱材料选育的有效途径，现阶段虽有诸多不足，但也在不断进步。目前，在玉米耐旱性的转基因研究中，耐旱基因的遗传转化集中在单基因上，在多基因聚合方面，孟山都SmartStax的转基因方法能同时定位8个基因，使得多基因耐旱成为可能。另外，以基因组编辑技术为基础的新育种技术，允许在优良品种中同时修改多个遗传位点，随着测序技术和大数据的发展，会有大量基因组数据为基因组编辑改良作物性状提供便利，展现了这种新兴育种技术的巨大潜力。伴随着分子生物学及其相关技术的向前进步以及不同学科的相互结合，相信未来玉米耐旱分子育种将获得更广阔的发展空间。