分子模塊設計育種在玉米育種中的實際應用及重要成果

目前采用分子設計育種技術已經成為了國際上玉米育種的大趨勢。世界玉米種業巨頭“拜耳-孟山都”“陶氏杜邦”及利馬格蘭等均在通過生物技術手段，將分子設計育種廣泛應用到玉米育種中，有效加快育種進程，其研發投入約占營業額的?15%。早在?2007?年，先鋒良種國際有限公司（以下簡稱“先鋒公司”）借助玉米全基因組測序技術測定了?600?多個優良玉米自交系的?10?000?個基因組；目前，先鋒公司和孟山都公司已擁有上萬個?SNPs（single nucleotide polymorphisms）標記。同時，這些種業公司還積極開發先進的表型檢測設備，對玉米的田間表型進行精準收集和分析，挖掘切實可用的分子模塊，為分子設計育種提供信息支撐。與此同時，我國科學家對玉米分子設計育種也進行了一系列深入探索，在骨干自交系的全基因組測序和?SNP?挖掘、控制玉米籽粒油分、抗病蟲害關鍵分子模塊的功能解析及新品種創制等方面取得了重要進展。

近年來，水資源不足已成為世界各國農業產區存在的現實問題。2012?年，干旱曾導致美國中西部地區玉米產量下降?20%。玉米作為旱地作物，整個生育期的需水量較大；而玉米的抗旱性是受多基因控制的數量性狀，遺傳機制非常復雜。我國是世界上最缺水的國家之一，特別是在我國主要的玉米生產區，水分不足嚴重影響了玉米的生長和產量。因此，挖掘、解析玉米中水分脅迫調控的分子模塊，培育水分利用率高的品種，對我國農業生產過程中玉米的增產穩產具有十分重要的意義。針對這一目標，2013?年中國科學院戰略性先導科技專項（A類）“分子模塊設計育種創新體系”（以下簡稱“分子模塊先導專項”）專門開展了“玉米水分高效利用分子模塊解析”方面的工作，院內多家單位從苗期、開花期、根系、葉夾角以及干旱-鹽堿互作等多個方面進行了深入研究，挖掘到一批具有重要生產應用價值的分子模塊，并將部分關鍵模塊成功導入底盤品種中，主要進展如下。

苗期水分高效利用分子模塊得到挖掘和解析

秦峰研究組對來自全球的?368?份玉米自交系的苗期耐旱性進行統計，結合全基因組關聯分析發現了?83?個遺傳變異位點（解析至?42?個候選基因）與玉米苗期抗旱性顯著相關，并對挖掘到的?2?個分子模塊的功能變異位點和遺傳效應進行了深度解析。研究發現，在干旱敏感的材料中，ZmNAC111?基因啟動子區域攜帶?1?個?82?bp?的微型轉座子插入，該轉座子可通過小?RNA?介導的?DNA?和組蛋白甲基化抑制?ZmNAC111?的表達（圖?1）。提高?ZmNAC111的表達量可促進干旱脅迫下氣孔的關閉，氣孔導度和蒸騰速率顯著降低，誘導一些重要的水分脅迫應答基因表達上調，從而提高水分利用率，增強玉米的耐旱性。而?ZmVPP1基因，編碼一個定位于液泡膜上的焦磷酸水解酶。在抗旱玉米自交系中，ZmVPP1?基因啟動子前端插入了?366?個堿基的?DNA?片段（InDel-379）。將抗旱材料的?ZmVPP1?基因導入干旱敏感的材料中可有效提高玉米苗期的抗旱性。目前該課題組對于其他候選基因的分析工作還在進行中，這些研究成果將為玉米耐旱性的遺傳改良及培育玉米耐旱新品種提供極其重要的基因資源。

謝旗研究組通過對?PH4CV（耐旱品種）與?F9721?（旱敏感品種）構建的?181?個重組自交系（RILs）的耐旱處理實驗，選取極端耐旱株系?RIL70?和極端敏感株系?RIL93?的葉片進行了比較轉錄組學分析，利用?SIMM（simultaneously identification of multiple mutations）方法計算每個株系特異的漸滲區間，最終確定了?2?個耐旱分子模塊。目前，已將耐旱相關分子模塊導入骨干自交系“鄭?58”和“昌?7-2”中。利用苗期耐鹽堿鑒定技術標準，王柏臣研究組對?69?個玉米自交系進行了苗期耐鹽堿性的鑒定，通過關聯分析確定了一個耐鹽堿的分子模塊?ZmTLP，能解釋表型變異的?15%。同時，還組配了“鄭?58”和“昌?7-2”的重組自交系以進行耐鹽堿性的篩選，相關研究工作還在進行中。