玉米种质资源研究发展现状及创新途径

焦仁海 仲义 刘俊 蔡鑫茹 吴凤新 刘兴二 夏远峰

(吉林省农业科学院，吉林 公主岭 136100)

玉米是全国第1大粮食作物[1,2]，在保障国家粮食安全、促进畜牧业发展、开发诸如工业乙醇等新能源方面发挥了举足轻重的作用[3]。为维护国家粮食安全及自身经济发展做出了巨大贡献。其中，新品种的选育与推广起到了不可代替的支撑作用，成为农业科技战略的核心。据美国学者预测，未来粮食增产潜力70%依靠新品种持续不断更新换代，而品种的更新换代进展决定于种质资源的创新研究水平。

1 玉米种质资源研究的意义

种质资源是保障国家粮食安全与重要农产品供给的战略性资源，是建设生态文明与支撑农业可持续发展的物质基础，是驱动农业科技原始创新与发展现代种业的芯片。种质资源保护与利用具有公益性、基础性、长期性等显著特点。种质资源是在不同生态条件下经过上千年的自然演变形成的，蕴藏着各种潜在有益基因，是人类生存和发展最有价值的宝贵财富，是作物育种、生物科学研究和农业生产的物质基础。举世闻名的“绿色革命”和杂交水稻的成功均源于种质资源的开发与利用。鉴于种质资源在农作物生产中的重要地位，世界范围内的种质资源竞争愈演愈烈，资源的争夺和发掘已成为竞争焦点，常规技术和现代分子技术相结合对种质资源进行深入精准鉴定评价、发掘、创新的研究已成为许多国家的战略共识。从种质资源中获取“基因主权”，带来巨额财富，已成为发达国家及其跨国公司控制别国经济的一种新的战略手段。种质资源不被专利保护，但从种质资源中获取的优异基因序列却可以实施专利保护，不仅可以使窃取别国基因资源的“生物海盗”合法化，而且将致使种质资源拥有国应用本国种质资源时变成非法化。将给包括中国在内的发展中国家造成巨大的经济损失，并有可能对粮食安全和国计民生带来重大影响。“种中国大豆侵美国权”等事件给人们敲响了警钟，充分说明了加强种质资源研究实力、提升总体研究水平的重要性。利用生物技术创制符合我国玉米生产需求的新种质、新材料，建立信息和资源共享平台，加快遗传进度，提高育种水平，以全面满足发展我国粮食生产对作物新品种的迫切需求，将起到巨大的推动和保障作用。

针对我国玉米育种遗传基础狭窄、优异种质匮乏、资源利用效率低下等问题，通过玉米萌发期耐旱、耐低温、玉米生长期抗病及生理成熟至收获期籽粒脱水快等种质资源的发掘，创制目标性状突出且综合性状较好的优异种质，用于适宜全程机械化生产的新品种培育，将显著增强品种的抗旱、耐低温能力、减少农药的使用量，节约资源、防止环境污染，减少农田用工、降低生产成本、增加农民收入，从而有利于促进玉米产业化的发展，对生态环境的保护起到重要作用，对建设节约型社会、促进社会主义新农村建设、发展可持续农业、解决“三农”问题具有重要的作用。

2 国外玉米种质资源研究发展现状

在国际上，美国和国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)是当前玉米种质创新的2大主力军。美国等发达国家，为保持玉米育种的世界领先地位和核心竞争力，一直致力于高产、抗病、广适的玉米种质改良工作，对中美洲及加勒比海等外来种质十分重视，用以扩增改良种质。美国Iowa州立大学合成、改良的BSSS和BSCB1群体，代表了美国玉米带的杂种优势模式。North Carolina州立大学用热带杂交种培育了一批适应温带环境的自交系。美国GEM计划创制出抗黄曲霉、抗西部食根虫等大量其它重要种质，CIMMYT将重点投向发展中国家的农家品种，包括对中国、印度、越南和非洲等国家的种质资源进行遗传多样性分析，开发和利用了高通量全基因组扫描方法、单核苷酸多态性分子标记发掘和检测等技术。在此基础上，划分杂种优势群，构建杂种优势模式，并开展分子标记辅助的种质创新。美国利用阿根廷的Maiz Amargo(苦玉米)种质的抗倒伏和抗病虫能力，实现了母本群里种质的扩增、改良与创新，育成优良自交系PH6WC；将Iodent籽粒灌浆和脱水速度快的种质导入父本群中，提高了杂交种的籽粒灌浆和脱水速度，降低了收获时含水量，为实现机械化生产提供了资源和品种支撑。杜邦先锋拥有全世界60%以上的玉米多样性资源，育成的品种市场竞争力极强。北卡罗来纳大学在1960年就开始扩增、利用拉丁美洲的玉米种质，经过多年改良创新利用，选育出了极具市场竞争力的商业杂交种如“87001”、“78599”、“JK108”等。

3 我国玉米种质资源研究发展现状

我国玉米生产和育种所依赖的种质基础很狭窄，这对培育绿色优质适宜机械化生产的玉米新品种十分不利。因此，只有大力开展玉米种质创新，才能进一步提高玉米育种研究的创新能力。20世纪70年代，我国研究人员从美国引入高产、抗病、抗倒伏的兰卡斯特类群玉米自交系Mo17，与我国当时骨干自交系黄早4杂交育成玉米新品种“黄莫”，极大地加快了我国玉米育种进程，使我国玉米单产提高了5倍，在我国玉米育种史上具有划时代的意义。20世纪90年代以来，我国研究人员从CIMMYT和美国引进一批玉米自交系和种质资源并育成系列自交系、热带和亚热带玉米群体、优质蛋白玉米群体和高油群体等，使我国玉米种质创新进入了一个良好的发展阶段。2003年前后，从美国引入高产、硬粒、优质、少雄穗、早发性好的优良自交系PH6WC及用其配制的玉米杂交种“先玉335”，促进精量播种技术的普及、玉米商品品质的大幅提升，加速中等耐密性品种的推广。在自交系掖478的繁殖田里发现的一株杂株育成了“郑58”，与“昌7-2”杂交育成风靡全国的玉米杂交种“郑单958”，是中国玉米育种史上里程碑式的品种，把中国玉米育种的水平提升了近20a，从2004年以来一直稳居我国玉米品种播种面积的首位，使玉米单产大幅提高[4]。

近年来，为尽快培育出突破性杂交种，我国十分重视种质资源的搜集创新工作，并进行丰产性、抗逆性、品质及经济性状的鉴定研究。吉林省农科院率先将热带种质的抗病性等优良性状与温带种质高的经济系数相结合而获得成功，培育出含有热带种质，并高抗玉米丝黑穗病的自交系吉1037等，已成为国内玉米育种广泛应用的重要热导自交系。与中国农大合作，进行玉米丝黑穗病基因的精细定位、分子标记辅助育种、基因克隆和抗病机理研究，成功把吉1037的抗玉米丝黑穗病的主效基因转入到10个骨干自交系，育成吉K04、吉K287、吉K853、吉K22等一批抗病自交系。利用欧洲种质创制优异自交系吉V022，获2018年吉林省科技进步二等奖。与中国农科院合作，建立了回交与标记选择相结合的抗玉米矮花叶病育种技术，创造出抗玉米矮花叶病自交系LX466。此外，吉林省农科院已构建玉米抗病、抗逆、宜机收性状的本土化鉴评体系，并已颁布3部省地标和1部农业部行标；定位并开发各类性状功能标记20余个，创制新种质30余份。

4 玉米种质资源创新途径

玉米遗传育种领域的科技进步首先体现在玉米种质素材的搜集、研究、改良与创新方面，只有加大玉米种质资源的创新力度，才能进一步提高玉米育种研究的创新能力。

4.1 搜集外来种质资源加以改良利用

种质遗传基础狭窄、具有自主知识产权的优异种质匮乏，是制约我国玉米育种快速发展的瓶颈和薄弱环节。研究表明，外来种质对我国玉米生产的贡献率近60%[5]，以美国种质贡献最大，其次为CIMMYT。美国种质遗传贡献率每增加1%，国内玉米单产将提高0.2%或10kg·hm-2。因此，引进、利用外来优良种质及对外来优良种质加以改良和创新，是玉米育种研发快速发展的基本策略之一。

我国北方玉米育种基本上以温带种质为基础材料，引进和利用北半球温带地区如美国、加拿大和欧洲的资源比较适合，在日照长度、气候条件和生态环境等方面非常相似，引过来就能利用[6]或直接用作改良创新的中间材料。热带、亚热带种质，尤其是CIMMYT的种质，在我国玉米育种中的作用越来越突出，具有北半球温带地区育种材料所不具备的优良性状及其控制基因，与温带育种材料杂交后许多农艺性状呈现出较大的差异[7]，如果能把这些资源通过杂交、回交等方式进行改良创新，应用到育种中，对于解决我国玉米种质资源遗传基础狭窄，生产上应用品种同质化严重，丰富现有玉米种质的遗传多样性是至关重要的[8]。但是热带、亚热带种质在温带表现为光周期反应敏感，常常出现植株高大、雌雄花期不调、空杆、生育期长、不能正常结实等不良现象，在温带地区种植这些材料并进行杂交改良，是非常难以操作的。育种经验表明，在引进热带、亚热带种质时，应该充分了解系谱来源和重要农艺性状的综合表现，并进行杂种优势类群划分。

4.2 群体改良是利用外来种质扩充遗传基础的有效途径

群体是选育优良自交系的重要基础材料。轮回选择是增加有利基因频率、打破优良基因与不良基因的连锁，从而改良群体性能的有效方法，也是利用性状差异较大的外来种质进一步扩充本地遗传基础的有效途径。美国依阿华州立大学Ames合成坚杆综合种(BSSS)，从中选育出B14、B73等自交系，对美国杂交玉米的贡献达8%。研究表明，本地骨干系是群体改良的重要组成部分，约占育成优良系基因组组分的80%，而外引新种质可提供提高产量和配合力的有利基因，约占组分20%，表明本土骨干系仍然具有较高的利用价值，外引新的种质资源可提供高产、高配合力的有利基因。吉林省农业科学院1980年开始，从云、贵、川、桂等地搜集玉米种质资源，建立了“吉林库-Ⅰ”，经20a的群体改良工作，创造了一批遗传类型差异较大的优异育种新材料，对外引忻综、中综群体开展了改良和选系利用。有效拓宽玉米种质基础，为玉米自交系选育提供良好的育种素材，已从改良群体培育出吉921、吉930、吉B93-4等一批优良自交系并组配出一批杂交种审定推广，取得了较大突破。

4.3 利用现代生物技术提高玉米育种效率

运用转基因技术、分子标记辅助选择技术、基因编辑技术，规模化、精准化地快速改良和提高品种优良性状，实现目标性状基因聚合，是现代生物育种的重要方面，可以使玉米育种效率提高60%～150%。

转基因技术是将人工分离和修饰过的基因导入到生物体基因组中，导入基因的表达，引起生物体性状的可遗传修饰。转基因技术与传统育种技术区别主要表现为传统育种技术一般只能在生物种内个体上实现基因转移，而转基因技术不受生物体间亲缘关系的限制，可打破不同物种间天然杂交的屏障，扩大可利用基因的范围；传统的杂交和选择技术一般是在生物个体水平上进行，操作对象是整个基因组，不可能准确地对某个基因进行操作和选择，对后代的表现预见性较差。而转基因技术所操作和转移的一般是经过明确定义的基因，功能清楚，后代表现可准确预期。

玉米是利用分子标记技术最早的作物之一，并且取得了丰硕成果。20世纪80—90年代初期对玉米进行分子标记方面的研究多是基础性的项目研究，如建立分子标记连锁图谱、定位遗传多样性的评价基因等。20世纪90年代中期，重要基因定位方面的研究成为主要发展方向。由于分子标记直接以DNA形式表现，具有不受环境条件和发育阶段的影响、标记的数目多、多态性高等优点，所以发展迅速，并且种类不断增多。

基因编辑技术可针对选定的基因目标区域序列进行编辑，经过编辑后的目标序列可产生缺失、插入或置换等形式的突变，这些变异形式都具有可遗传性，在近几年来发展迅速。目前基因编辑技术中CRISPR/Cas9系统已经应用于多种植物上，根据不同作物的性状，基因编辑不仅能准确地对目标基因进行诱变，而且可有效地同时针对多个目标基因或运用于多倍体基因组使序列产生变异。将基因编辑技术应用于作物育种中可高效育成耐逆境的新品种，为解决全球粮食安全提供新途径和思路。作为生命科学发展迅速的重要研究领域，基因编辑育种技术具有精确、通用、高通量、安全的优点，发展迅猛，使玉米的遗传改造进入了史无前例的深度与广度，成为作物育种的崭新的手段，具有巨大的市场应用前景。在玉米育种中主要用于提高产量、改良品质、提高抗病性和抗逆性等。

4.4 利用单倍体育种技术提高新种质创制速度

现代农作物育种技术有几个里程碑式的发展，其中利用孤雌生殖诱导系杂交诱导单倍体育种技术对玉米育种技术的革新、加速玉米生产中新品种的更替起到重大的推进作用。玉米单倍体育种技术是以选系基础群体为母本，利用孤雌生殖诱导系作父本杂交诱导产生单倍体，通过自然加倍或化学加倍的方法获得纯合二倍体DH系的育种技术。单倍体育种技术有效提高了新材料和新种质的创制速度。利用常规育种技术需要自交6代或更长时间方可获得稳定的自交系，而利用单倍体育种技术，仅2个世代即可育成纯合自交系，只需1a的时间，进而用于优良杂交种的组配，显著提升了育种效率。以自选核心种质为主、多供体亲本为辅的轮回选择，采取单倍体育种技术将性状差异较大的外来种质的优良基因导入到核心种质之中，逐步改良核心种质，不断提升群体中的有利基因频率，为创制突破性新种质、新品种打下坚实基础。吉林省农业科学院利用该技术育成了高产、高配合力玉米自交系吉A6601，用其配制出矮杆、耐密、脱水快的宜机收玉米杂交种“吉单66”，于2017年通过国家机收组审定并得到了大面积的推广种植。