玉米生物技术研究进展

高珊 徐祎博 卢凌霄 张玉秋 苗艳玲

摘   要：玉米是我国重要的粮食作物之一。随着人口的增加，对玉米的需求也在不断增加。全球以基因工程为核心的育种技术飞速发展，使玉米育种效率和品种改造等方面有了进一步提高。主要概述了生物技术在玉米遗传育种中的研究进展。

关键词：玉米;生物技术;研究进展

文章编号： 1005-2690（2020）08-0122-01       中图分类号： S513       文献标志码： A

近年来，生物技术的飞速发展推动着玉米产业取得了巨大成效。生物技术是指以现代生命科学为基础，结合其他科学原理，运用转基因等先进科学技术，改造生物体，以满足人们的需求。根据国际上发达国家的育种经验可以发现，仅凭传统的育种技术已经满足不了市场的需求，故生物技术育种在这样的背景下孕育而生。生物技术包括双单倍体技术、DNA分子标记辅助育种技术、转基因育种技术、分子设计育种技术等。随着这些技术的不断完善，将对玉米品质、产量，粮食安全方面产生巨大的推动作用。

1   DNA分子标记辅助育种技术

DNA分子标记辅助育种是通过利用与优良性状紧密连锁的分子标记对优良性状实施间接改造的育种技术。优点：育种效率较常规育种提高2～3倍;成本降低，方法简单;DNA遍布多个组织器官;不影响目标性状表达;以目标基因为操作对象，摆脱遗传背景束缚;不受环境条件影响。

随着分子育种技术对于作物育种效率和水平的重要性越来越大，我国已建立起以分子育种技术为核心的高新技术体系，目的是提高常规育种效率，培育出高产、高抗的作物新品种，使玉米育种从表性选择过渡到基因型选择，同时建立优秀育种单位、聘用专门技术人员，已成为提高我国种业国际竞争力的必然趋势。

目前，玉米已经有了比较完整的分子图谱，通过分子标记辅助选择可判断目标性状基因是否存在，其不受环境、显隐关系、时间等控制，故可在播种前进行选择。应用于玉米的分子标记主要有3种：SSR标记、SNP标记、RAPD标记。SSR标记结果稳定，不使用放射性同位素且具有重复性高的优点。在公共数据库中已经公布出2 000多个玉米SSR标记。先锋公司已经拥有3 000多个玉米SNP标记。现在更多的跨国公司对500多份骨干系测序，以开发更多的SNP标记。国内许多研究所在开发和应用SNP标记上作了不懈努力，也取得了一些成绩，如开发了3K玉米SNP检测芯片等。1999年赵久然等[1]利用RAPD分子标记技术对强优势玉米杂交组合进行研究，结果表明，自交系间遗传距离与自身杂交优势呈正比。现在主要应用分子标记所做工作包括：鉴定玉米种质亲缘性，预测杂种优势;构建遗传连锁图谱;分子标记辅助选择育种;种子纯度鉴定。

2   分子设计育种技术

分子设计育种以基因组学为基础，通过生物学技术对自交系亲本的基因进行优化，使其培育出最佳亲本的育种技术。现在玉米全基因组已测序完成，功能基因正在进一步研究中。目前，已发表的功能基因序列被许多公司用于杂种优势的初步预测。近几年，第二代测序技术和全基因组关联分析技术为分子设计育种提供了技术支持。国内许多大种子公司正在着力于分子育种的研究，如金色农华、中种集团。这种高效精确的育种技术大大提高了玉米育种的效率。

近些年，拟南芥、小麦和玉米基因组学研究取得了很大的成就，基因定位、QTL作图和计算机技术三者的结合为分子设计育种奠定了坚实的基础。Peleman等[2]对分子设计育种进行了研究。运用分子育种技术可以做的工作包括：定位重要农艺性状的QTL;分析相关位点的等位性变异;进行设计育种。

3   转基因育种技术

转基因技术是指在体外将重组DNA导入植物细胞或组织，改良植物性状的技术。近年来，随着基因工程技术的兴起和发展，为培育抗性品种提供了先进的技术手段。转基因技术主要通过抗虫、抗病、抗逆性来改善植物性状，从而提高育种能力。现在转基因方法有农杆菌介导法、阳离子介导法、PEG介导法、超声波法、子房注射法、基因枪法、电击法、脂质体法、花粉管通道法等。

农杆菌介导法是以根瘤农杆菌和Ti或Ri质粒为载体，将外源基因导入植物体内的方法。张艳贞[3]使用根瘤农杆菌介导法将含有Bt杀虫的基因导入玉米自交系中开展了比较系统的研究。1991年Gould.J.以根瘤农杆菌为载体，将抗卡那霉素和GUS转化到玉米芽尖并取得成功。关淑艳[4]将淀粉分支酶基因表达载体使用农杆菌介导法导入玉米胚性愈伤组织中，经PCR检测表明，外源基因已导入玉米基因组中。

基因枪法是把载有外源基因的金粒或钨粒高速射入靶细胞的一种方法。其受体可以是悬浮细胞系、愈伤组织等。1989年Klein等人[5]使用基因枪法将外源基因转入玉米，标志着基因枪法已经成功应用于玉米。1994年赵天永[6]使用载有NPTⅡ基因、GUS基因和nos3′调控区的基因枪射入玉米萌发幼芽中并获得表达。1999年中国农业科学院使用JQ-700型基因枪将GUS转化到玉米花粉内，经试验表明，外源基因已整合到玉米体内获得表达。

1974年周光宇[7]首次采用花粉管通道技术将外源基因导入棉花内。1995年祁永红等[8-9]将外源基因通过花粉管导入玉米自交系，该技术具有操作简单、育种时间短等优点。

近年来，随着国家对转基因工程的不断重视，关于抗性转基因玉米的研究日趋完善。1995年王国英等[10]使用基因枪法将Bt毒蛋白基因射入玉米胚性愈傷组织和幼胚中并获得了转基因植株。2008年王悦冰等[11]用基因枪轰击玉米胚性愈伤组织，成功获得新型Bt基因cry1Ah植株。

杂草为害已成为影响玉米产量的重要因素之一。中国农业大学在抗杂草剂转基因玉米研究取得了很好的成绩，其转化事件cc-2在经过6倍浓度的草甘膦除草剂喷洒后，转基因玉米农艺性状没有改变。

此外，先锋公司研发的SPT技术和中国农业大学研发的SMM技术在玉米雄性不育制种中得到了很好应用。

4   展望

现在，以分子生物学为核心的生物技术正蓬勃发展，现代农业生物技术产业仍处于初步阶段，但隨着更多的生物技术产品从实验室发展到生产商业化，生物技术将会为我国农业生产提供很好的发展前景。一些新研发的修饰基因、分子标记、功能基因已被申请专利。国内外各大公司已意识到生物技术的重要性。

笔者认为生物技术还存在以下问题：生物育种所需费用高;对专业技术人员技术水平和知识要求高，既要求其具备设计试验的能力，又要有有效的分析试验结果;可利用的分子标记少;外源基因在受体不易表达。目前，虽然生物技术还存在一些局限性，但随着生物技术的不断发展和完善，相信一定会克服问题，更有力地提高玉米产量。

参考文献：

[ 1 ] 赵久然，郭景伦，孔艳芳，等.应用RAPD分子标记技术选配强优势玉米杂交组合的研究[J].玉米科学，1999（2）：12-15.

[ 2 ] PelemanJ D，van der Voort J R.Breeding by design[J].Trends in Plant Science，2003，8（7）：330-334.

[ 3 ] 张艳贞，王罡，胡汉桥，等.农杆菌介导将Bt杀虫蛋白基因导入优良玉米自交系的研究[J].遗传，2002（1）：35-39.

[ 4 ] 关淑艳，赵丽娜，刘慧婧，等.农杆菌介导的sbe2a基因RNAi载体对玉米遗传转化的研究[J].作物杂志，2011（2）：36-40.

[ 5 ] Klein T M.Genetic transformation of maize cells by particle bombardment[J].Plant physiology，1989（91）：440-444.

[ 6 ] 赵天永.用基因枪将GUS基因导入玉米和小麦的茎尖分支组织[J].农业生物技术学报，1994（2）：93-94.

[ 7 ] 周光宇.从生物化学的角度探讨远缘杂交的理论[J].中国农业科学，1978（2）：16-20.

[ 8 ] 祁永红，韩玉珠，李春秋，等.玉米自交系中白芸豆（Phaseolus vulgaris L.）DNA的导入转化及引起性状变异的研究初报[J].玉米科学，1995（3）：29-32.

[ 9 ] 祁永红，韩玉珠，李春秋，等.玉米自交系授粉后外源DNA的导入转化及性状变异的研究初报[J].玉米科学，1996（1）：19-21.

[ 10 ] 王国英，张宏，谢友菊，等.玉米胚性愈伤组织转化及转Bt基因植株的抗虫性[J].农业生物技术学报，1995（3）：49-53.

[ 11 ] 王悦冰，郎志宏，张杰，等.利用ubi1内含子增强Bt cry1Ah基因在转基因玉米中的表达[J].科学通报，2008（17）：2041-2046.