分子模塊設(shè)計(jì)育種在玉米育種中的實(shí)際應(yīng)用及重要成果

目前采用分子設(shè)計(jì)育種技術(shù)已經(jīng)成為了國際上玉米育種的大趨勢。世界玉米種業(yè)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(shù)手段，將分子設(shè)計(jì)育種廣泛應(yīng)用到玉米育種中，有效加快育種進(jìn)程，其研發(fā)投入約占營業(yè)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(shù)測定了?600?多個(gè)優(yōu)良玉米自交系的?10?000?個(gè)基因組；目前，先鋒公司和孟山都公司已擁有上萬個(gè)?SNPs（single nucleotide polymorphisms）標(biāo)記。同時(shí)，這些種業(yè)公司還積極開發(fā)先進(jìn)的表型檢測設(shè)備，對玉米的田間表型進(jìn)行精準(zhǔn)收集和分析，挖掘切實(shí)可用的分子模塊，為分子設(shè)計(jì)育種提供信息支撐。與此同時(shí)，我國科學(xué)家對玉米分子設(shè)計(jì)育種也進(jìn)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(guān)鍵分子模塊的功能解析及新品種創(chuàng)制等方面取得了重要進(jìn)展。

近年來，水資源不足已成為世界各國農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)存在的現(xiàn)實(shí)問題。2012?年，干旱曾導(dǎo)致美國中西部地區(qū)玉米產(chǎn)量下降?20%。玉米作為旱地作物，整個(gè)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(shù)量性狀，遺傳機(jī)制非常復(fù)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(chǎn)區(qū)，水分不足嚴(yán)重影響了玉米的生長和產(chǎn)量。因此，挖掘、解析玉米中水分脅迫調(diào)控的分子模塊，培育水分利用率高的品種，對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中玉米的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有十分重要的意義。針對這一目標(biāo)，2013?年中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）“分子模塊設(shè)計(jì)育種創(chuàng)新體系”（以下簡稱“分子模塊先導(dǎo)專項(xiàng)”）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(nèi)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(gè)方面進(jìn)行了深入研究，挖掘到一批具有重要生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值的分子模塊，并將部分關(guān)鍵模塊成功導(dǎo)入底盤品種中，主要進(jìn)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)了?83?個(gè)遺傳變異位點(diǎn)（解析至?42?個(gè)候選基因）與玉米苗期抗旱性顯著相關(guān)，并對挖掘到的?2?個(gè)分子模塊的功能變異位點(diǎn)和遺傳效應(yīng)進(jìn)行了深度解析。研究發(fā)現(xiàn)，在干旱敏感的材料中，ZmNAC111?基因啟動(dòng)子區(qū)域攜帶?1?個(gè)?82?bp?的微型轉(zhuǎn)座子插入，該轉(zhuǎn)座子可通過小?RNA?介導(dǎo)的?DNA?和組蛋白甲基化抑制?ZmNAC111?的表達(dá)（圖?1）。提高?ZmNAC111的表達(dá)量可促進(jìn)干旱脅迫下氣孔的關(guān)閉，氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率顯著降低，誘導(dǎo)一些重要的水分脅迫應(yīng)答基因表達(dá)上調(diào)，從而提高水分利用率，增強(qiáng)玉米的耐旱性。而?ZmVPP1基因，編碼一個(gè)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(dòng)子前端插入了?366?個(gè)堿基的?DNA?片段（InDel-379）。將抗旱材料的?ZmVPP1?基因?qū)敫珊得舾械牟牧现锌捎行岣哂衩酌缙诘目购敌浴Ｄ壳霸撜n題組對于其他候選基因的分析工作還在進(jìn)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(gòu)建的?181?個(gè)重組自交系（RILs）的耐旱處理實(shí)驗(yàn)，選取極端耐旱株系?RIL70?和極端敏感株系?RIL93?的葉片進(jìn)行了比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，利用?SIMM（simultaneously identification of multiple mutations）方法計(jì)算每個(gè)株系特異的漸滲區(qū)間，最終確定了?2?個(gè)耐旱分子模塊。目前，已將耐旱相關(guān)分子模塊導(dǎo)入骨干自交系“鄭?58”和“昌?7-2”中。利用苗期耐鹽堿鑒定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，王柏臣研究組對?69?個(gè)玉米自交系進(jìn)行了苗期耐鹽堿性的鑒定，通過關(guān)聯(lián)分析確定了一個(gè)耐鹽堿的分子模塊?ZmTLP，能解釋表型變異的?15%。同時(shí)，還組配了“鄭?58”和“昌?7-2”的重組自交系以進(jìn)行耐鹽堿性的篩選，相關(guān)研究工作還在進(jìn)行中。