玉米抗旱育种研究进展

任志强，王晓清，卜华虎，肖建红，张 宁，杨慧珍

（1.山西省农业科学院现代农业研究中心，山西太原030031；2.山西省农业科学院生物技术研究中心，山西太原030031；3.山西省农业科学院作物科学研究所，山西太原030031）

玉米是全球重要的粮食、经济作物，也是重要的能源和工业原料。随着畜牧业、工业及能源相关产业的发展，玉米的需求量逐渐增加，我国玉米需求量也逐年增长。伴随着经济全球化和玉米产业结构的调整，我国玉米种植产业面临着重大挑战和机遇[1]。

玉米作为需水量较大的作物，关键生长时期缺水会严重影响玉米产量。全球干旱、半干旱地区占陆地总面积的34.9%，具有灌溉条件的耕地仅占地球总面积的2.32%～3.49%，严重制约着全球粮食生产。我国玉米种植面积约2 400万hm2，西北、西南、华北、东北等主要玉米产区玉米农田多为依靠自然降水的旱地，水分蒸发量大、流失快且降水不均匀，干旱频发，且程度加重。虽然我国灌溉条件和有效灌溉面积逐年稳步增长，但干旱不仅发生在干旱半干旱区域，降水时间或降水不均匀等也能引发干旱[2]。国家统计局数据显示，2014—2016年每年旱灾受灾和成灾面积高达1600万hm2，干旱已成为影响我国和全球粮食产量的较大因素之一[3]。随着自然环境的逐步恶化，土地沙漠化和草原退化有加剧的趋势，全国受旱面积逐年扩大[4-5]，选育抗旱玉米品种成为提高玉米产量的重要途径之一。

1 国内外玉米抗旱育种现状

玉米耐旱性由多种数量性状和质量性状复合遗传因子组成，随着测序技术和高通量SNP分析技术的快速发展以及QTL、基因功能研究、基因型选择等试验手段的逐渐普及，再辅以其他现代化育种技术，目前已选育出多个抗旱玉米品种[6]。目前，抗旱育种的手段包括基因型选择和抗旱表型筛选，通过复合筛选增加有利等位基因的频率，VIVEK等[7]于2017年将亚洲黄早四群体与非洲抗旱系杂交选育出2个CIMMYTAsia群体（CAP1和CAP2），具有很好的抗旱性。CHENG等2017年也在AffymetrixAxiom平台上开发了可改进分子育种基因组覆盖率的玉米55KSNP阵列，其中，55 229个SNP均匀分布在基因组中，包括22 278个外显子和19 425个内含子SNP，该阵列包含451个已知基因相关标记和耐旱性相关的重要农艺性状，有助于提高抗旱育种效率[8]。

目前，国内玉米抗旱育种集中于2个方面，一方面为抗旱种质的鉴定筛选，另一方面为利用国外抗旱性强的种质对国内种质进行改良。李新海等[9]2002年利用雌雄开花间隔期（ASI）对我国37份主要玉米自交系进行抗旱鉴定，筛选出K22、SH15等12份耐旱自交系，并利用47对SSR引物检测出156个等位基因变异。周树峰等[10]2002年筛选出81565、N87-1、R09、9635、9651、南 21-3、TF 和 5003等耐旱自交系。张振文等[11]2008年对44份国内外种质进行PEG处理模拟芽期干旱，获得5份抗旱性极强的种质：N4号、N54-1号、武鸣1号、Tn1701和GD0601。刘贤德等[12]对我国72份主要玉米自交系进行了室内苗期抗旱鉴定，并通过研究2组18份耐旱和不耐旱品种苗期生理生化性状，筛选出313、旱23等耐旱自交系。刘成等[13]2007年结合产量性状、株高、穗位、ASI、千粒质量等生理指标，用抗旱性指数（DTIg）作为评价指标，对国家种子库454份材料进行抗旱鉴定，鉴定出抗旱性极强种质23份：84112、岩172、Q114-1等，中等抗旱种质161份：黄早四、太系112、冀甜15等。陈春梅等[14]2014年利用我国常用的51份自交系群体，进行2 a的3个试点检测，通过关联分析，获得抗旱性强的自交系8 份：沈 137、H21等。

国外玉米育种目前也倾向于转基因抗旱玉米品种选育。孟山都公司也早在2009年转化获得MON 87460抗旱转基因玉米[15]及5个转基因衍生材料，并于2013年向市场推出GenuityDrought-GardTM杂交玉米品种，目前已在美国、非洲等多个国家进行推广测试。其余转基因抗旱玉米研究尚停留在试验阶段，未得到大面积推广。

2 抗旱基因QTL定位研究现状

近年来，随着分子生物学技术的不断发展，玉米抗旱响应通路、信号传导途径以及遗传规律方面都有较深入的研究[16-17]。科研工作者鉴定和筛选出大量抗旱相关性SSR位点、QTL位点以及SNP位点，同时也鉴定出100多个与抗旱性相关基因[18-21]。迄今为止，玉米中多个抗旱性状被定位，且连锁图谱等相关信息也在不断完善中[22]，为抗旱育种工程提供了可靠的基因资源和技术支持。

MARINO等[23]于2009年从B73和H99组配的142个重组自交系群体中，筛选出50个重要的抗旱QTL位点，并挑选出抗旱能力差异较大的2个抗旱系和2个敏感系，利用DNA芯片技术，对正常水分处理和水分胁迫下授粉10 d后玉米籽粒中基因的表达水平进行研究，结果发现，有252个基因的表达显著受到干旱胁迫影响，通过遗传图谱分析和QTL定位，将88个差异表达的基因定位到连锁图上，有22个差异表达的基因定位在抗旱性相关QTL区域，并开发出49个新QTL标记。LU等[24]于2010年以3个重组自交系和305个后代群体选系组成的关联群体，用2 052个SNP及659个抗旱相关SNP进行基因型鉴定，以散粉—吐丝间隔期（ASI）为抗旱性鉴定指标，并定位到编码SET结构域蛋白和酸酮还原酶等2个抗旱相关候选基因。LI等[25]通过2 a试验，利用基因分型分析的方法，研究正常水分处理和干旱胁迫下产量相关位点，共检测到48对标记和性状显著相关，并发现ivr2基因参与玉米抗逆响应的新机制。SU等[26]于2011年用196份自交系，在海南三亚和新疆乌鲁木齐进行大田抗旱性鉴定，结合产量、单穗质量、生物产量等22个表型数据，利用候选基因关联分析方法，在干旱胁迫下分别检测到与候选基因nced相关的13位点、与rab28基因相关的11位点，并克隆到nced和rab28基因全长DNA序列。陈志辉等[27]于2012年利用抗旱自交系和干旱胁迫敏感系湘97-7组配160个F2∶3家系，并用110个SSR标记定位了43个与玉米抗旱性相关的QTL，其中，贡献率大于10%的加性主效QTL为控制抽雄至吐丝间隔期（ASI）的qASI3－1（标记区间umc1746—bnlg1144）。目前，用QTL标记直接鉴定或筛选抗旱材料的研究报道较少[28-29]。

LI等[30]于2016年对水分胁迫条件下的玉米表型进行了分析，其GBS数据已被用于鉴定玉米嵌套关联图（NAM）群体中的水分胁迫条件下的ASI和其他干旱相关性状的QTL和SNP；SEMAGN等[31]于2013年采用Meta-QTL方法从18个双亲映射种群数据中鉴定了干旱条件下籽粒产量的QTLs；ABDULMALIK等[32]于2017年则通过KASP测定了275个SNP，该标记可辅助MARS改善玉米种群的耐旱性。MITTAL等[33]于2018年利用29619个SNP对240份玉米自交系进行基因型分析，共发现1 053个显著差异SNP，其中，77个SNP位点与10个已发表的干旱响应转录因子相关联。

3 玉米抗旱基因研究

目前，全球抗旱商业品种较少，加之很多国家对转基因玉米持观望态度，全球也仅5%的种质用于商业化育种，因而发掘许多耐旱性的新等位基因具有重要意义[34]。近年来，转基因技术在玉米抗旱品种培育中得到越来越多的应用[35]。目前，转化的基因集中于功能基因和转录因子，其中，功能基因包括能够表达肌醇及蛋白激酶等可提高转基因植株抗旱性的基因，如玉米磷脂酶C1基因ZmPLC1[36]、玉米磷脂酰肌醇合成酶基因ZmPIS[37]等；转录因子是参与植物抗逆响应的重要调节因子，在多种抗逆反应中都起到重要的作用，玉米ZmNF-YB2[38]、玉米ZmASR1[39]等转录因子转入玉米植株后抗旱性均得到提高。目前还发现bZIP、MYB、MYC、EREBP/AP2、DREB等转录因子的表达都受到干旱胁迫诱导，猜测这些转录因子家族也具有抗旱相关功能[40]。

QIN等[41]克隆了玉米中与拟南芥DREB2基因同源的ZmDREB2A基因，通过实时定量分析发现，ZmDREB2A转录因子受脱水、盐、冷、热胁迫诱导。将过量表达该转录因子的玉米植株进行基因芯片分析发现，与干旱及低温胁迫相关的基因均上调表达。AMARA等[42]在玉米中大量表达LEA Rab28蛋白后，发现转基因玉米株系的抗旱性显著增强。

4 展望

随着全球人口不断增加，生态环境不断破坏，沙漠化、盐碱化地不断增加，可用耕地不断减少，气象灾害发生频率及危害程度不断增加，粮食安全成为许多国家和地区的主要问题之一。我国干旱和半干旱地区面积广，干旱发生频繁，危害大，成为我国玉米主产区的主要自然灾害，选育和推广抗旱玉米品种，是提高土地利用率，减少农业用水以及增加玉米产量和提高农民收入的主要途径之一。

国内外对玉米抗旱方面的研究主要集中于抗旱节水栽培技术、抗旱品种筛选、抗旱QTL和SNP及抗旱基因的筛选鉴定及功能上，及转基因抗旱品种选育上。玉米耐旱性受多种性状的综合影响，其复杂性给抗旱品种选育带来很多困难。应结合多年多生态选育方案和生理生化指标检测及QTL、SSR、SNP等辅助手段，进行快速、准确的抗旱种质品系筛选，为抗旱品种选育提供种质基础和基因资源。