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生物新技术在甜玉米育种中的应用研究进展

来源：花匠小妙招时间：2024-12-23 13:33

　生物新技术在甜玉米育种中的应用研究进展

    甜玉米（Sweet corn）是由于受一个或几个突变基因的影响，乳熟期籽粒糖分积累量显著提高的一类特用玉米。在美国和加拿大，它是最大众化的蔬菜之一，世界其他地区的消费增长也很快。与普通玉米相比，甜玉米的可溶性糖向淀粉的转化较慢，乳熟期糖分含量是普通玉米的2－4倍。根据突变基因的不同，甜玉米分为3种基本类型，即超甜玉米、普甜玉米和加强甜玉米，它们在糖分含量、糖分向淀粉转化的速度和适口性等方面存在显著差异。
    经过一个多世纪的资源筛选和培育，甜玉米的资源类型已经非常丰富，世界不同地区，培育了适合不同生态类型的甜玉米品种，产量潜力、食用品质、抗性水平均不断地提高。20世纪80年代以后，生物新技术和新的诱变技术的迅猛发展，并在作物品种改良中大量应用，极大地提高了农作物资源创新和品种选育的技术水平，部分研究成果在生产上得到广泛应用，产生了巨大地经济效益和社会效益。笔者就生物新技术和航天技术在甜玉米育种研究所取得的进展进行论述。
    1  转基因技术应用
    1.1  转基因作物的应用概况
    转基因技术是现代生物技术应用最为广泛的生物高新技术，自20世纪80年代问世以来，在普通玉米、大豆、棉花、油菜等主要作物育种，取得多项突破成果，转基因抗虫和耐除草剂玉米、抗虫棉花、耐除草剂大豆和油菜等于1995年以后投入商业化生产，相继在美国、加拿大、阿根廷等国家大面积种植，由于其具有产量高、成本低、易于管理等优点，种植面积迅速扩大。从1996年到2002年，美国抗虫转基因玉米种植面积从不到1%增加到24%，耐除草剂转基因玉米的种植面积增加到11%。2002年统计，世界范围内转基因抗虫玉米和耐除草剂玉米分别为9%和2%。转基因大豆、棉花、油菜的种植比例更高，全世界的种植面积分别达到51%、27%和12%。
    通过转基因抗虫玉米、抗虫棉的使用，美国的玉米主要害虫—欧洲玉米螟（European corn borer），棉花主要害虫—烟草芽虫（tobacco budworm）、棉铃虫（cotton bollworm）和红铃虫（pink bollworm）得到有效控制。提高了玉米和棉花的产量与品质，化学农药的用量显著减少，经济效益也显著提高。据Janet Carpenter等报道，因年份不同虫害程度存在差异，经济效益不同，虫害越严重的年份，直接经济效益越明显。1997年，美国种植抗虫玉米每公顷可增加收入44美元，1999年为4.25美元。1999年，美国通过种植转基因抗虫玉米，减少虫害损失高达660万蒲式耳，相当于20.2万公顷的产量，增加收入12.6亿美元。随着抗虫玉米、棉花的大量种植，化学杀虫剂的用量逐年下降。在美国有5种农药广泛用于欧洲玉米螟的防治，即Bt，chlorpyrifos，合成除虫菊酯（permeththrin），lambdacyhalothrin和甲基对硫磷。抗虫转基因玉米，从1996年在生产上应用开始，到1999年，这5种农药的使用量逐年下降，其中，chlorpyrifos和甲基对硫磷的在抗虫转基因玉米的使用量分别减少40%和67%，除虫菊酯的使用量减少25%。
    1.2  转基因抗虫甜玉米育种
    转基因抗虫甜玉米首先由瑞士的先正达公司（Syngenta）培育成功。该公司根据普通土壤细菌（Bacillus thuringiensis，Bt）苏云金杆菌内毒素蛋白基因序列，人工合成了CrylAb基因，该基因对欧洲玉米螟、玉米钻心虫和穗蛀虫均有专一性毒性。利用转基因技术，将该合成基因与标记（pat）一起导入甜玉米自交系，成功培育出转基因抗虫甜玉米品种，Bt-11甜玉米，该转基因甜玉米在多个国家通过了可消化性试验、毒力试验和致敏试验。从1998年开始，首先在美国、加拿大商业化种植，随后扩展到阿根廷、南非、日本种植，在美国、加拿大、阿根廷、瑞士、澳大利亚、新西南、日本、菲律宾、韩国和南非等国，Bt-11甜玉米可以作为食品食用。目前，该转基因甜玉米已经通过欧盟食品安全科学委员会的安全性鉴定，欧盟理事会正在审议是否容许在欧洲作为食品食用。
    Powell等详细研究了Bt甜玉米和非转基因甜玉米的生产和销售。研究表明，Bt甜玉米生产管理比较简单，整个生产过程不需要使用杀虫和杀菌剂，产品质量稳定，虫害损失仅为2%左右。非转基因甜玉米的生产要复杂很多，必须时刻监控病虫害发生状况，病虫害严重年份，即使大量使用化学农药，也难以控制虫害，虫害损失在10%－20%。生产成本与气候条件和生产季节密切相关，虫害轻微的季节或气候条件，非转基因甜玉米的生产成本略低，反之，抗虫甜玉米的生产成本明显较低。由于Bt甜玉米的产品质量稳定，产品商品化率比非转基因甜玉米高10%以上，因此，经济效益也提高10%以上。对消费者消费趋向调查发现，愿意选择购买转基因甜玉米的人数明显高于选择非转基因甜玉米的人数，二者之比为1.5：1。促使人们购买转基因甜玉米的主要原因是适口性好、化学农药使用少，而促使人们不愿意购买的原因是环保、食品安全与健康。
    1.3  甜玉米其他转基因研究
    Bt抗虫基因具有专一性，仅对鳞翅目的害虫有效，而生产重视多种病虫同时为害，因此，同时导入多种抗虫基因，对于提高甜玉米的抗性有重要作用。李余良等利用子房注射方法，将4个抗虫基因同时倒入甜玉米自交系，得到4个抗虫基因的转基因甜玉米虫。胡建广等利用农杆菌介导转化方法，将猪伪狂犬病毒的保护性抗原基因（gD）导入甜玉米自交系，利用种子特异表达启动子控制基因表达，该转基因甜玉米的种子特异表达伪狂犬病毒的保护性抗原蛋白，生猪通过喂该转基因甜玉米，即可达到防治猪伪狂犬病的作用，已经获得转基因甜玉米株系。
    2  分子标记技术在重要数量性状定位中的应用
    对农业生产有重要经济价值的性状的遗传均比较复杂，受微效多基因控制，环境影响明显，利用转基因方法难以取得显著效果。分子标记技术的出现，使控制数量性状的微效基因在染色体上精确定位成为可能。经过近20年的研究，大量有应用价值的数量性状基因点定位在染色体上，部分研究成果已经应用育种实践。
    2.1  玉米耐寒型基因定位
    作物耐寒性提高，对于甜玉米农业生产具有重要意义。甜玉米的适宜生长温度为21－30℃之间，10℃以上才出现有效生长。15℃以上才能进行有效的光合作用，但不同甜玉米资源存在差异。Francheboud等研究表明，玉米的耐寒性与植物叶片中的叶绿素含量、叶绿素a／b比值、β－胡萝卜素／叶黄素比值呈显著正相关。在第3号染色体，距着丝粒70cM位点的QTL基因对玉米的耐寒性至关重要，资源间拉寒性差异主要受该位点基因变异的影响。进一步分析表明，耐寒品种的基因主要通过改善类囊体膜结构，增强品种的耐寒性。控制低温条件下CO2固定和φPSⅡQTL位点在标记umc10前2.5Cm处，tha1基因正好也在该位置。因此，推测控制耐寒性的主效基因可以为类囊体装配蛋白1。Barkan的研究也表明，tha1基因突变将导致PSⅡ、PSI细胞色素bf多肽水平下降。位于第1号染色体148cM、第2号染色体的138cM和第9号染色体62cM的QTL位点对玉米抗寒性也有重要作用。
    2.2  甜玉米花丝抗虫基因定位与利用
    玉米穗蛀虫（corn ear worm）是为害甜玉米的三类主要害虫之一，也是对品种影响最严重的害虫，玉米花丝中的黄烷酮糖苷（maysin）对穗蛀虫有杀灭效果。Guo等利用富含黄烷酮糖苷的马齿型玉米自交系SC102与Sh2型超甜玉米自交系杂交，利用RFLP分子标记方法将控制该基因的两个主要的QTL位点分别定位在第1号染色体断臂上的pl基因相邻的标记npi286区域和第3号染色体的长臂上的a1位点。前者的变异贡献率为25.6%，后者的变异贡献率为15.7%。位于第9号染色体断臂上的umc66a位点（在c2近）和umc105a位点的变异贡献率较小，上述位点单独或相互作用的变异贡献率达到76.3%。Guo等在对对GE37（马齿玉米，基因型PlAl）×565（超甜玉米sh2型，基因型plal）的杂交后代研究中还发现，pl和al基因位点还与杂交后代的芹菜黄烷酮糖苷（apimaysin）、甲基黄烷酮糖苷（methoxymaysin）、绿源酸（chlorogenicacid）含量有显著影响，并且pl对al具有上位性。通过4到5代连续回交和分子标记辅助选择，在后代中分离到富含上述3种抗虫有效成分的超甜玉米株系，含量为供体亲本GE37二到三倍，抗虫效果明显提高。
    2.3  玉米抗矮花叶病毒数量性状位点定位
    矮花叶病（chlorotic dwarf virus）是病毒性病害，采用化学或物理的方法无法控制，因此，只有通过抗性基因的利用，提高品种的抗性才能解决这一难题。Jones等利用高抗玉米自交系ohlⅥ与高感的自交系的杂交，利用人工接种方法对分离世代个体的抗病性进行鉴定，利用合成函数区间定位（composite interval mapping）和弯异分析方法对抗病基因的QTL进行定位。研究发现，位于染色体3和染色体10上分别有一个起主效作用QTL位点，该两位点的抗性贡献相当。在第4号和第6号染色体上分别有一个起次要作用的位点，所有位点的抗性作用是累加的。
    2.4  控制甜玉米幼苗长势基因的定位与利用
    幼苗的生长势是影响甜玉米杂交种商品化应用重要性状，不同甜玉米品种差异非常明显。Yousef等利用RFLP分子标记方法发现3个基因位点控制甜玉米幼苗生长势。这3个位点分别于第2号染色及第1号染色体的php200689标记连锁，它们的变异贡献率分别为40.8%、30.2%和28.2%。其将幼苗生长势强的重组自交系与3个优秀商用甜玉米自交系杂交，后代与商用自交系连续回交，利用分子标记辅助选择方法和田间鉴定方法，可以明显加快转育的速度和效率。
    2.5  甜玉米食用品质相关基因定位
    甜玉米是果蔬型特用玉米，产品质量的优劣主要决定于食用品质的高低。甜玉米的食用品质主要包括风味（aroma）、甜度（sweetness）、适口性（grassiness）、脆性（crispness）、柔嫩性（tenderness）和多汁性（juiciness）。不同品种差异明显，中国甜玉米的食用品质与国际先进水平差距明显。Fermin Azaza等以均匀分布在甜玉米基因组的94个基因组克隆为探针，对食用品质具有极端差异的甜玉米自交系W678口IL731杂交F3代的102个家系进行RFLP差异分析，F3代家系的食用品质评价经过21位品尝专家组成的专家组鉴定。对鉴定结果单因子统计分析表明，风味、甜度、适口性、脆性、柔嫩性和多汁性等食用品质分别由7、9、3、6、6和5个QTL位点控制，这些位点在整个基因组上均有分布，第个染色体有3－5个位点不等，变异贡献率为20%－60%。利用分子标记与专家品尝结合，可用于指导甜玉米食用品质改良育种。
    2.6  分子标记在资源鉴定中的应用
    甜玉米的表型性状由于受生长环境和气候的影响，同一资源在不同地方和生长季节，表型可能不同，这为资源的鉴定、管理与利用产生一定影响。分子标记因反应植物基因组的差异，稳定性高，多态性丰富，在动植物种质鉴定，遗传多样性分析等领域获得广泛应用。胡建广等利用RAPD分子标记方法，建立粤甜3号、粤甜9号和粤甜2号甜玉米品种的特征性图谱，仅用两个特征性引物，实现3个近缘杂交种以及亲本之间的有效区分，用于这些品种的种子纯度鉴定。该研究小组还初步建立了广东省主要甜玉米品种的特征分子标记，并对这些品种的遗传多样性进行了研究，研究结果将于近期发表。