SNP 标记在玉米分子育种中的应用

尹祥佳 李 晶 王雅琳 王剑虹

（兰州职业技术学院，甘肃兰州 730070）

玉米（Zea maysL.）是全球也是我国第一大作物，主要用于主粮食用、饲料和燃料生产原料。玉米作为一种基础研究模式植物，也是杂交良种应用最早、商品化率和经济效益较高的作物，就播种面积和总产量而言在我国农业经济结构中起着重要作用[1-3]。据中国报告网数据显示，2019 年我国玉米播种面积达4128 万hm2，总产量2.6 亿t，杂交玉米制种面积17.06 万hm2，生产玉米杂交种子9.9 亿kg[4]，这些都得益于我国玉米育种科研实力的显著提升。

我国玉米育种模式发展经历了传统经验育种、杂种优势育种和现代生物工程育种3 个时期[5]，长期以来，以玉米杂交育种为代表的传统育种为我国育成了大量的优良品种，有力保障了我国玉米生产。近些年，随着测序技术的快速发展和测序成本的下降，已经有B73 等在内的8 个玉米骨干自交系完成了全基因组测序工作，掌握了遗传密码[6]，这些玉米基因组遗传信息的发布为发掘大量SNP 分子标记提供了基础，并能够快速高效地改良和提高玉米品种的产量、品质和抗性等重要性状，帮助育种家选育优良的玉米品种[7]。

SNP 分子标记具有多态性丰富，在玉米染色体上分布均匀，共显性、准确性高，可重复性好，易于高通量试验等优点，成为了玉米分子育种研究的首选技术手段[8]。因此，本文对SNP 标记技术及其在玉米遗传多样性分析、构建遗传图谱及QTL 分析、全基因组关联分析、品种真实性和纯度鉴定等方面的应用进行阐述，以期为玉米分子育种提供一些参考。

1 SNP 标记

分子标记是DNA 分子碱基序列变异引发的多态性标记，按照技术原理可分为3 大类：第1 类是DNA 分子杂交标记技术，如RFLP 标记；第2 类是以PCR 为基础的技术，包括RAPD、AFLP 和SSR；第3 类是基于基因组测序的分子标记，其中SNP 标记成为目前主要应用的分子标记技术[9]。SNP 是指在基因组水平上由于单个核苷酸的转换、颠换、缺失和插入等4 种变异而引起的基因组水平的多态性表现，玉米基因组的每个SNP 标记平均密度大约为57bp。SNP 标记技术的研究包括SNP 的发掘和SNP 基因型鉴定技术，目前SNP 基因型鉴定技术有基因芯片技术、KASP 分型技术、TaqMan 探针技术、特异性引物延伸法（SPE）、高分辨率熔解曲线（HRM）、Illumina Goldengate 基因分型法、基于测序的基因分型技术（GBS）、FP-TDI 和引物入侵技术（InvaderTM）[10]，这些技术在玉米分子育种中有着广泛的应用。

2 SNP 标记的应用

2.1 玉米遗传多样性分析玉米是利用杂种优势最为充分的作物。目前，通过分析玉米亲本的遗传多样性，划分杂种优势群，不断开发和使用玉米种质资源，为选育出高品质和高产量的玉米品种提供了重要的理论和材料基础。运用SNP 标记技术对玉米自交系的遗传多样性进行分析，划分杂种优势群已经成为玉米育种最为有效的途径。王文斌等[11]利用2846 个高质量SNP 标记对陕A 群11 个优良自交系和陕B 群12 个自交系进行了遗传多样性分析，将23 份选育的自交系划分为2 个类群。赵久然等[12]利用MaizeSNP3072 芯片对344 份玉米自交系进行全基因组分析，将344 份自交系划分为8 个类群，从分子水平验证了“X 群×黄改群”杂优模式，研究提出了国外种质资源与本地资源形成优势互补，进一步选育优良玉米品种。吴金凤等[13]利用1041 个SNP 位点将51 份玉米自交系划分为7 个杂种优势群，其中6 个类群中的瑞德群和改良瑞德群之间的遗传距离最近，旅大红骨群和P 群之间的遗传距离最远，9 份糯玉米自交系为独立的杂种优势群，划分结果与系谱来源基本一致，能够有效指导自交系组配和测配工作，提高育种效率。姜思奇等[14]利用56kSNP 芯片将44 份辽宁省玉米自交系划分为4 个杂种优势群，研究得出根据不同的试验目的选用不同密度SNP 划分杂种优势群，能够有效提升试验效率。卢媛等[15]利用Axiom Maize 55K 芯片上的34257 个SNP 标记将44 份不同来源的糯玉米自交系和5 份普通玉米自交系划分为5 个类群，研究得出糯玉米种质资源遗传基础狭窄，要不断拓宽亲本的遗传基础，提供广泛的玉米育种种质资源。因此，随着玉米基因组高通量测序技术发展，SNP 标记研究成本逐渐下降，开发出了大量的SNP 位点用于玉米种质资源的遗传多样性分析和杂种优势群的划分，及时从分子水平掌握育种材料的亲缘关系，为玉米分子育种提供基础育种材料。

2.2 构建遗传图谱及QTL 分析利用SNP 标记对作图群体进行基因型分析，选择育种材料亲本间多态性SNP 标记，构建遗传图谱，进行产量和抗性性状相关的QTL 分析。高星等[16]以黄早四和旅28为亲本构建了重组自交系（RIL）群体，利用GBS 方法对群体进行基因型分型，构建了遗传图谱，研究了玉米籽粒灌浆特性与生育期相关性状的QTL，在bin 4.05 和bin 9.04 区间内分别检测到仅与灌浆速率相关的主效QTL。赖国荣等[17]以X178 和NX531 为亲本构建了重组自交系（RIL）群体，应用测序的基因分型技术（GBS）获得基因型纯合的多态性SNP位点，得到了20 个营养品质性状相关QTL。秦伟伟等[18]以玉米自交系黄早四和Mo17 为亲本，构建包含130 个重组自交系（RIL）群体，基于GBS 技术获得的高密度多态性SNP 位点，构建了包含1262个Bin 标记的高密度遗传图谱，研究了籽粒大小及百粒重性状的QTL。许理文等[19]以先玉335 构建了双单倍体（DH）群体，基于MaizeSNP3072 芯片的1337 个SNP 标记，得到了2 个玉米容重性状相关QTL。郑德波等[20]以K22×CI7、K22×Dan340的F2群体为作图群体，用Illumina Maize SNP 500G基因芯片构建了2 个连锁图谱，研究得出第7 染色体上可能存在控制株高和穗位高的主效QTL。张春宵等[21]以郑58 和昌7-2 为亲本构建了包含151 份重组自交系（RIL）群体为作图群体，通过MaizeSNP3072 芯片进行基因型分析，筛选出1407个有效多态性SNP 标记，定位了玉米萌发期和苗期的耐盐和耐碱的相关性状QTL。王辉等[22]以郑58和HD568 为亲本构建了220 个重组自交系（RIL）群体为作图群体，利用MaizeSNP3 芯片完成基因型分析，得到了在不同种植密度下玉米穗长、穗粗、穗行数、行粒数的42 个穗部性状QTL。因此，通过SNP 标记构建遗传图谱及QTL 分析，揭示玉米相关性状的遗传调控机制，从而为玉米相关性状的主效QTL 精细定位及挖掘候选基因奠定了扎实的研究基础。

2.3 全基因组关联分析全基因组关联分析（GWAS）具有更高的分辨率和更广泛的遗传变异。近年来，随着高通量测序技术的应用，开发出了大量的玉米SNP 标记并应用于玉米全基因组关联分析[23]。2008 年首次报道了通过全基因组关联分析法研究了影响玉米自交系籽粒中脂肪酸含量的基因，全基因组关联分析可以作为分析玉米不同性状、挖掘优良基因的有效途径，是一种QTL 精细定位策略[24]。吴律等[25]以80 份吉林省核心玉米自交系作为关联群体，利用第2 代测序技术对关联群体进行全基因组重测序，精细定位与行粒数紧密关联的SNP 分子标记，挖掘出4 个玉米行粒数候选基因。张焕欣等[26]以203 份主要玉米自交系为关联群体，用Illumina 公司开发的MaizeSNP50 BeadChip 芯片进行基因型检测，用41101 个高质量的SNP 标记进行关联分析，发现9 个与穗行数显著关联的SNP，发掘出了4 个玉米穗行数候选基因。邵晓宇等[27]以292 份自交系组成自然群体，用Illumina 公司开发的MaizeSNP50 BeadChip 芯片进行基因型检测，用25331 个SNP 基因型数据进行关联分析，发现28 个与穗粗显著关联的SNP，发掘了9 个玉米穗粗候选基因。李凯等[28]以360 份玉米自交系为试验材料，用Illumina 公司开发的MaizeSNP50 芯片进行基因型检测，筛选出44569 个高质量的SNP 标记进行关联分析，得到了6 个与株高显著关联的SNP 位点，18 个与穗位高显著关联的SNP 位点。滕守振等[29]分析了287 份玉米自交系第一片叶的叶绿素含量，利用558269 个SNP 分子标记进行全基因组关联性分析，得到了9 个与玉米叶片叶绿素含量显著关联SNP 位点和16 个候选基因。彭勃等[30]以285 份玉米自交系为研究材料，用MaizeSNP50 BeadChip 芯片筛选出39827 个SNP 标记进行全基因组关联性分析，得到了玉米叶向值的27 个SNP 位点，挖掘了15 个控制玉米叶向值的候选基因。田润苗等[31]测定了476 份玉米自交系种子萌发相关的6 个性状，结合1.25M 的SNP 标记进行了全基因组关联分析，检测到了15 个种子萌发相关性状的显著SNP 位点和6 个候选基因。董青松等[32]以吉林省80 份核心玉米自交系为关联群体，用IlluminaPE150 进行测序，对子粒脂肪含量和1490007 个高质量的SNP 标记进行全基因组关联分析，得到了10 个与玉米子粒脂肪含量显著相关的SNP 和6 个候选基因。除此之外，相关文献还报道了研究玉米抗粗缩病[33]、丝黑穗病[34]、耐旱[35]、耐盐[36]和耐低磷[37]的全基因组关联分析。因此，利用测序技术和SNP 芯片技术对玉米重要产量性状、养分利用、光合作用、抗旱和抗病相关性状进行全基因组关联分析，挖掘候选基因，为基因克隆和功能验证、功能分子标记开发及选育优良玉米育种材料奠定了基础。

2.4 品种真实性和纯度鉴定我国玉米种子商品化率为100%，市场规模占7 种重要农作物种子市值的3 成以上，2020 年全国商品玉米种子使用量达10.55 亿kg，市场规模为282.25 亿元[38]。玉米种子质量直接关系到玉米种植产量和品质，玉米品种真实性和纯度的鉴定成为了至关重要的技术指标。李雪等[39]比较研究了SNP 和SSR 分子标记在11 份玉米杂交种的真实性方面的差别，SNP 标记技术在试验数据整合和高通量方面具有一定的优势。田红丽等[40]研究利用384 个核心SNP 位点构建了335 个国审玉米杂交种的DNA 指纹图谱数据，可以应用在高密度的SNP 芯片平台，高通量的KASP 和Taqman 技术平台，以及高通量的测序平台，为玉米品种分子鉴定提供了数据支撑。吴明生等[41]利用TaqManSNP 分型技术快速鉴定出了中糯2 号、郑单958、北农301、农大86 和京农科728 等5 份玉米杂交种的纯度。姚宗泽等[42]将SNP 分子标记的高分辨率熔解曲线（HRM）技术与田间小区鉴定法进行了比较研究，验证了SNP 分子标记HRM 技术鉴定玉米杂交种家佳荣2 号纯度的可靠性，提出了鉴定玉米杂交种新的方法。因此，随着SNP 分子标记技术的发展，不断展现了其高通量、微型化和自动化的技术应用优势，将广泛应用于玉米品种真实性和纯度鉴定研究[43]。

3 展望

随着SNP 分子标记技术的快速发展，SNP 分型技术不断完善，试验结果将更加科学、准确。SNP标记技术在玉米遗传多样性分析、构建遗传图谱及QTL 分析、全基因组关联分析、品种真实性和纯度鉴定等玉米育种方面的研究充分体现出了技术的优越性。SNP 分子标记技术能够有效划分玉米杂种优势群、挖掘抗性基因、实现主效基因的精细定位，能够对杂交育种等传统育种理论和技术进行辅助育种，帮助育种家精准了解现有玉米育种材料的优良性状，进行统筹有效的设计育种，直接加速育种材料实现优良基因的选择和有效聚合，缩短育种年限，极大提高玉米育种效率，将对玉米育种理论研究和玉米新品种选育产生深远的影响。