玉米耐旱分子育种研究进展_刘秀林

玉米耐旱分子育种研究进展*

刘秀林󰀁郝转芳󰀁谢传晓󰀁王玉国󰀁张世煌

摘要󰀁干旱是玉米生产的主要非生物胁迫因

子之一,培育耐旱品种可以有效地保持其在干旱环

境下的产量稳定性。目前,随着生物信息学数据库

的不断完善及基因组学技术的发展,耐旱通用QTL

的发掘以及关联分析技术在功能标记开发上的应

用,新的耐旱相关转录因子/基因的克隆都为解释玉

米耐旱性的复杂遗传网络和分子育种提供了新的机

遇和方法。本文综述了耐旱基因组学研究进展及其

在玉米耐旱分子育种上的应用。

关键词󰀁玉米;耐旱性;分子育种

玉米是温热带地区重要的粮食、饲料和生物燃

料作物。随着全球畜牧业迅速发展和最近两年用玉

米加工液体燃料乙醇的需求迅速攀升,玉米的需求

量大幅度增加。然而,干旱严重影响了玉米产量的

正常发挥,培育具有高产潜力以及环境稳定性的玉

米品种已经成为育种家的主要目标[1]。80多年的

育种实践已经对品种的干旱适应性进行了很好的改

良,一定程度上提高了品种在干旱环境下的产量。

然而,复杂的耐旱机理以及基因型与环境互作造成

对品种的耐旱性遗传改良进度缓慢。近几年来,在

作物生理学和基因组学研究方面所取得的成效为耐

旱遗传改良提供了新视野、新知识和新工具[2]。

1󰀁玉米耐旱相关性状的分子标记辅助育种

作物耐旱性属于复杂的遗传性状,传统的耐旱

育种进展相当缓慢。许多研究表明,如果对植物耐

旱的关键生理过程和遗传机制有更深入的了解,就

会大大加速耐旱育种研究的进展[1]。利用分子标

记技术找到并精细定位控制玉米耐旱性的基因/

QTL(Quantitativetraitloci),一旦发现一个耐旱相关

性状的基因/QTL与某个分子标记紧密连锁,就有可

能进行分子标记辅助选择,选育抗性材料。

作者简介:刘秀林,硕士,主要从事玉米耐旱遗传研究,山西农业大学农学院,030801,山西太谷郝转芳,谢传晓,张世煌(通讯作者),中国农业科学院作物科学研究所王玉国,通讯地址同第1作者*基金项目:国家自然科学基金(30600394),中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(2060302-19)收稿日期:2007-09-10;修回日期:2007-12-14在过去十多年的研究中,由于耐旱性的复杂性

和难以直接度量的特点,所以在对玉米耐旱性进行

遗传解析时,研究人员往往以产量性状(每株穗数、

穗长、单穗重、单穗粒数、百粒重等)、形态学性状

(植株散粉、吐丝时的生育期、株高、穗位高、开花吐

丝间隔时间、根的相关性状等)、生理生化性状(光

合作用性状、植株水分状况、ABA含量)等耐旱相关

性状来确定玉米的耐旱性。作物在不同的生育阶段

对水分胁迫有不同的感应能力。玉米在干旱条件下

雌雄开花间隔时间(Anthesisandsilkinginterva,l

ASI)幅度越小,结穗率越高,子粒产量越高,说明品

种的耐旱能力就越强。其中,有关ASI的研究较多,

玉米开花散粉和吐丝时间的协调一致是决定结实能

力的关键因素。减数分裂、开花和雌雄器官的长势

都对干旱胁迫极度敏感,如果玉米花期遇上水分缺

失,极易引起穗数减少,最终导致产量的降低[3]。

另外,玉米植株地上部分的持水力、叶片的抗失水能

力、某些渗透调节物质的动态变化以及发达的根系

等都是其适应干旱环境的重要生理特性,经常会作

为玉米耐旱的鉴定指标。

1󰀁1󰀁耐旱相关性状的QTLs发掘与应用

通过遗传连锁作图和关联分析,分子标记可被

用于定位和发掘栽培品种和野生品种中有用的等位

基因,并由此进行无世代限制和非干旱处理条件下

的耐旱性辅助育种。尽管目前关联分析方法因其较

高的定位精度本质上比传统的遗传连锁作图具有更

强大的功效,但目前大多数可用的耐旱QTLs仍是

来源于遗传分离群体的构建和QTL分析[4]。

分子遗传学研究发现,大量QTLs影响干旱环

境下玉米的产量表现以及耐旱相关性状的表达。其

中,通过连锁QTL定位技术在玉米的10条染色体

上发掘了大量控制耐旱性的基因位点,几乎涉及到

玉米生长发育过程中的所有生理、形态和发育变

化[5]。但由于耐旱相关性状的遗传力较低、基因型

与环境之间的互作较强以及作图群体背景不同等诸

多因素的影响,即使对控制同一性状的QTL进行定

位,结果也不尽相同,使得一些QTL定位的结果只

能用于同一个作图遗传背景和同一种环境条件。因9作物杂志󰀁Crops2008󰀁1此,如何找到切实有效的标记,并将这些定位的QTL

用于育种实践已经成为分子生物学的重点研究课

题,为了使MAS(Marker󰀁assistedselection)技术的实

施提供更多的信息以及扩展QTL分析结果应用于

其他的育种群体,有必要构建一个通用的耐旱QTL

定位图谱以发掘不同作图群体和不同环境的重叠

QTLs。近年来,生物信息学和比较基因组学的理论

和方法已被成功地用于作物重要性状基因的比较定

位,基于性状的比较定位,不仅有助于发掘一致性主

效QTL位点及其连锁标记,而且为基因或QTL的克

隆和利用提供了信息。Chardon等[6]收集313个玉

米花期相关性状的QTLs,采用󰀁元分析󰀁方法,发现

了62个一致性的QTLs(consensusQTLs)。王毅

等[7]以IBM2Neighbors图谱为基础,对公开发表的、

控制68个株高、产量等性状的1201个玉米QTLs

进行整合,构建了用于分子标记发掘、QTL定位、基

因克隆和分子标记辅助选择的综合图谱。李雪华

等[8]对玉米干旱条件下农艺性状和生理性状相关

的181个QTLs进行整合后,在玉米的10条染色体

上发掘出15个耐旱󰀁通用QTL󰀁。CIMMYT使用

CMTV(theComparativeMapandTraitViewer)软件从

公布的数据库中整合玉米耐旱QTL结果用于育种

实践[9]。

截至目前,在MaizeGDB网上已经注册了2000

多个玉米农艺性状的QTL(http://www󰀁maizegdb󰀁

com),其中涉及到耐旱性状的QTL有150多个。虽

然找到的耐旱相关性状的QTL也不少,但真正运用

到MAB(Marker󰀁assistedbreeding,MAB)的例子并不

是很多,一个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之间的遗传重组打

破。尽管目前进行MAB选择的都是目标等位基因

两侧的标记同时来降低后代的重组机率,但是一个

精确的分子标记通常需要定位的QTL区间非常小,

加上耐旱性与环境之间的互作,这样就更使得玉米

耐旱MAB很难用于实际的育种项目。因此,通过基

因组学研究来辅助育种获得玉米耐旱品种的报道甚

少。其中成功报道的目前只有Ribaut等[10]开展的

分子标记回交育种,通过导入5个ASIQTLs改良了

一个优良的热带不耐旱自交系CML247。具体的做

法是用Ac7643(耐旱)作为供体,杂交获得F2群体,

进行遗传分析,在不同的水分处理下评估F3代在田

间的表现,找到与干旱相关的QTLs,其中有5个

QTLs确定被回交转入到受体中,可以解释表型变异

的38%。经过两轮回交和两轮自交以后,选择70个材料与CIMMYT的2个测验种杂交,对测交种进

行田间评估,结果即使是在异常高温,水分胁迫非常

严重的情况下,70个中选材料的产量明显高于对照

(CML247与同样的2个测验种杂交)。需要特别注

意的是,即使在水分正常的情况下,来源于MAS的

杂交种也没有减产。

候选基因策略可以更快地缩短QTL与分子标

记实用化之间的进程。到目前为止,还没有见到耐

旱QTL克隆的报道,但是在模式植物拟南芥上,

Masle等[11]克隆了一个控制蒸腾速率的QTL内的

基因ERECTA。在水稻上,Xu等[12]报道,克隆了一

个效应值较大的耐淹QTL区段内的基因,将其导入

栽培种中,获得了很好的结果。尽管目前在耐旱育

种上应用分子标记进行MAS非常困难,但是随着基

因组学技术的不断推进和完善,利用反向遗传学获

得的耐旱基因候选序列与通用耐旱QTL相结合,对

较大效应以及一致性耐旱QTL区段内的候选基因

进行发掘和克隆,为揭示耐旱机理和进行耐旱分子

育种显示出光明的前景。

1󰀁2󰀁关联分析用于耐旱功能标记开发

针对上述连锁作图方法所定位和筛选的分子标

记在育种上的局限性,近年来,多种方法已被用于在

植物基因组中发掘表型变异的功能型等位基因,其

中对于复杂的数量性状,尤其对玉米这种连锁不平

衡耗散(Linkagedisequilibriumdecay,LDdecay)较

快的植物,目前研究比较多的是采用等位基因的关

联分析。关联分析是利用自然群体中的原始重组

变异,通过分析基因型和表型之间的关系来精细定

位数量性状位点(QTL)或进行候选基因功能位点分

析。在分析多样性丰富的玉米自交系时,可以精确

定位到染色体某一区段,甚至达到2000bp的精

度[13]。建立在LD基础之上的关联分析可以识别表

型变异的基因,所评估的性状变异通常是由一个等

位基因的单核苷酸代换引起的,称之为单核苷酸多

态性(Singlenucleotidepolymorphism,SNP)。生物体

中大多数自然发生的遗传变异是单个碱基变化或是

小的插入/缺失,这种变异即是SNP。研究发现,玉

米是进行功能候选基因SNP关联分析的理想物种,

因为玉米的遗传多样性丰富(这样用少量的标记

就可以检测整个基因组)而LD程度却很低(这样

LD分析时就不易延伸到候选基因外面)[13]。Phil󰀁

lips等[14]对7个玉米基因型的研究表明所发生的

变异主要是由于点突变或插入/缺失引起的,平均

每13个碱基就有一个变异。Batley等[15]直接分析10作物杂志󰀁2008Crops󰀁1