甜玉米品質(zhì)遺傳改良研究進展

李 坤 ，李高科，肖穎妮，于永濤，李余良，謝利華，朱文廣，胡建廣

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/廣東省農(nóng)作物遺傳改良重點實驗室, 廣東 廣州 510640）

甜玉米是由于普通玉米籽粒在淀粉合成代謝途徑中一個或幾個基因發(fā)生突變，造成淀粉合成受阻，蔗糖等糖類物質(zhì)積累而形成的特用玉米類型［1］。甜玉米營養(yǎng)豐富、適口性好、經(jīng)濟效益高，集中了水果和谷物的優(yōu)質(zhì)特性，因其風味佳、適口性好，深受廣大消費者喜愛［2］。甜玉米在乳熟期采收，人們直接食用其未完全成熟的籽粒，籽粒中含有較高的糖分（是普通玉米的 2～8 倍）、脂肪、蛋白質(zhì)、粗纖維以及人體所需的氨基酸，其中氨基酸總量分別比普通玉米和糯玉米高 23.2%、12.7%。在氨基酸組分中，以賴氨酸、色氨酸的含量較高，比普通玉米高 2 倍以上。甜玉米中還含有多種維生素和Ca、Mg、Fe、Zn微量元素等營養(yǎng)成分［3］，其中硒的含量比普通玉米高8～10 倍。甜玉米種植簡單，易成規(guī)模，經(jīng)濟效益好，深受種植戶歡迎，已成為鄉(xiāng)村振興和農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的優(yōu)勢作物之一［4］。

甜玉米從普通玉米突變而來，涉及的基因和突變位點相對固定，育種歷史較短且規(guī)模小，導(dǎo)致甜玉米群體內(nèi)部可利用的遺傳多樣性有限，甜玉米育種過程中，普通玉米和糯玉米種質(zhì)也發(fā)揮了重要作用［5］。甜玉米中開展品質(zhì)研究較晚，相關(guān)研究也是近年才有報道。隨著甜玉米研究的開展，甜玉米種質(zhì)的創(chuàng)新和評價以及甜玉米和普通玉米，甜玉米和糯玉米之間的基因交流的不斷擴展和深入，甜玉米的品質(zhì)改良可利用資源將更加豐富。連鎖分析、關(guān)聯(lián)分析、混池測序（BSA）等分析方法的引入也將在甜玉米有利等位基因的發(fā)掘和利用中發(fā)揮重要作用。本文就近年國內(nèi)外在甜玉米品質(zhì)遺傳改良上取得的重要進展進行綜述，以期為國內(nèi)外同行提供參考，為甜玉米優(yōu)質(zhì)品種培育提供理論支持。

1 甜玉米食味品質(zhì)研究

1.1 胚乳突變基因

甜玉米是普通玉米淀粉合成的突變體，主要表現(xiàn)為糖類在胚乳中積累，由一個或多個隱性基因控制，相關(guān)基因有sh2、su1、bt1、bt2、du1、se1、ae1等。這些基因都有多種等位基因型，由此產(chǎn)生表型的差異，不同隱性等位基因組合在育種實踐中也得到不斷嘗試和應(yīng)用［6］。如su1和se1的組合使甜玉米籽粒中糖類含量接近sh2類型，可溶性多糖的含量又和su1類型相似，產(chǎn)生了一種高品質(zhì)，有奶油狀胚乳的甜玉米類型［7］；普甜玉米由于su1純合導(dǎo)致淀粉合成受阻，胚乳含糖量增加并積累了大量的水溶性多糖，具有粘性；雙隱性sh2控制的胚乳類型，淀粉含量很低，含糖量可達20%～25%，但水溶性多糖含量低，質(zhì)地甜且脆，缺少普通甜玉米粘糯的特點；su1和se1基因組合形成的加強甜玉米類型，綜合了普甜玉米和超甜玉米的優(yōu)點，含糖量高且有奶油狀特性［8］。

甜玉米中，淀粉合成缺陷基因一直是研究熱點。不同缺陷基因形成的甜玉米在品質(zhì)、抗性等方面均有較大差異［9-10］?；騭u1是最早發(fā)現(xiàn)并定義的甜玉米突變體，su1在基因區(qū)發(fā)生了多處突變，且至少經(jīng)歷了4次獨立的突變事件并被當?shù)剞r(nóng)民保存下來［11］。在su1主要的等位基因中，su1-ref，su1-nc和su1-sw3個等位基因編碼酶蛋白序列中包含單氨基酸替換使蛋白失活。su1-cm的第一個外顯子包含一個轉(zhuǎn)座子元件使基因失去編碼蛋白的能力［11］。此外，還發(fā)現(xiàn)有su1等位基因編碼區(qū)域序列本身無變異，但其所編碼的酶活性卻降低了，其原因還未探明［11］。含有以上等位基因的材料在籽?？偺呛?、籽粒組分、出苗率等方面均存在顯著差異［12］。su1-ref因含有較低的淀粉含量被廣泛應(yīng)用于溫帶甜玉米商業(yè)化育種，但淀粉含量也使其田間出苗率受較大影響［12］。se1基因是su1的增強子，se1并不在淀粉合成途徑中，se1和su1組合時可使甜玉米籽粒具有細膩、奶油狀的胚乳而成為優(yōu)質(zhì)型甜玉米［7］，但se1的作用方式并不清楚。基因se1編碼176個氨基酸，但功能未知，進一步研究發(fā)現(xiàn)隱性se1株系在se1處存在637 bp的缺失，這個缺失變異使se1功能改變，在碳水化合物代謝層面上產(chǎn)生了巨大的影響，突變體能顯著提高籽粒中蔗糖和麥芽糖含量［13］。近等基因系之間的差異表達分析顯示，差異基因富集在淀粉合成和降解途徑，表明se1的功能不單一，而是綜合、復(fù)雜的［13］。

野生型sh2基因編碼腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸酶的大亞基，sh2的突變直接影響淀粉合成，使糖類在籽粒中大量積累［14］。sh2是目前廣泛應(yīng)用的甜玉米類型。等位基因sh2-R功能完全丟失，可以產(chǎn)生非常皺縮的表型，也是甜玉米產(chǎn)業(yè)廣泛使用的突變類型。sh2-R的產(chǎn)生源于在sh2區(qū)域基因組結(jié)構(gòu)發(fā)生了斷裂并重排，使sh2基因結(jié)構(gòu)完全損壞［15-17］。sh2突變主要影響籽粒中胚乳淀粉的合成，而其他部位如葉片、胚中淀粉的合成則不受影響，當sh2失去功能時，其他部位的淀粉也會向胚乳中轉(zhuǎn)運約25%的淀粉［18］。

1.2 果皮厚度

果皮厚度是衡量鮮食玉米品質(zhì)的重要指標。甜玉米果皮由不可消化的纖維素、多糖等組成，果皮厚度直接影響甜玉米口感。在甜玉米育種過程中，選育薄果皮甜玉米自交系和雜交種一直是甜玉米育種的重要目標。多項研究表明，果皮厚度與采摘時間、環(huán)境等外在因素相關(guān)，但在同等條件下，果皮厚度與遺傳背景也高度相關(guān)，且該性狀的遺傳力也較高［19-20］。果皮厚度是一個受多基因控制的復(fù)雜性狀，對其相關(guān)調(diào)控基因的定位較困難，迄今為止還沒有定位到果皮厚度相關(guān)的主效基因。研究者通過構(gòu)建不同的研究群體，已定位到了一些與果皮厚度相關(guān)的QTL，但對這些QTL中功能基因的解析進展緩慢。泰國研究者通過構(gòu)建重組自交示群體，利用果皮重量代替果皮厚度的指標對泰系甜玉米果皮厚度的遺傳調(diào)控進行了探究，在5號染色體上標記bnlg278和phi128之間定位到一個主效QTL，該QTL可以解釋未成熟甜玉米籽粒果皮厚度73.7%的變異和成熟后41.6%的變異［21］；在糯玉米中，Choe等［22］通過100個SSR標記對玉米籽粒果皮厚度和穗部性狀進行了分析，發(fā)現(xiàn)一些控制果皮厚度的QTL位點和果穗性狀相關(guān)QTL共定位，表明果皮厚度和產(chǎn)量等性狀有關(guān)，這為培育高產(chǎn)且薄果皮的甜玉米品種提出了新的機遇和挑戰(zhàn)。于永濤等［23］利用薄果皮親本日超-1和厚果皮材料1021構(gòu)建的包含190個家系的BC1F2回交群體，利用復(fù)合區(qū)間作圖模型和基于混合線性 CIM 模型（MCIM）對QTL進行了定位，分別檢測到3、5個控制果皮厚度的QTL，同時發(fā)現(xiàn)，利用MCIM模型能檢測果皮厚度QTL之間的上位性效應(yīng)，更適用于果皮厚度QTL定位研究。Wu等［24］利用包含148個家系的BC4F3群體，并構(gòu)建了包含3 876個標記的高密度連鎖圖譜，共檢測到14個QTL，其中10號染色體上有一個能多次重現(xiàn)的穩(wěn)定QTL，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，提名了3個候選基因。甜玉米果皮厚度研究雖然開展較早，但還沒有定位到關(guān)鍵基因。以上研究都使用了相關(guān)甜玉米群體以正向遺傳學(xué)的研究方法對這一性狀進行研究，但局限性也很明顯，群體較小，標記密度較低，不能完全代表基因組的功能變異，基因定位效率較低。

樂素菊等［25-26］從果皮結(jié)構(gòu)出發(fā)，系統(tǒng)闡明了果皮性狀包含了果皮細胞層數(shù)、細胞排列緊密層度、細胞壁角質(zhì)化層度等，并指出果皮細胞層數(shù)少、果皮細胞壁木質(zhì)化程度低是優(yōu)質(zhì)甜玉米的重要指標。趙捷等［27］利用果皮穿刺強度，對果皮的柔嫩性進行了評價，發(fā)現(xiàn)果皮穿刺強度和果皮中纖維素含量及果皮細胞層數(shù)成正相關(guān)關(guān)系，且果皮層數(shù)的影響要大于纖維素含量。以上研究表明，果皮細胞層數(shù)是決定甜玉米果皮厚度的重要影響因子。

2 甜玉米營養(yǎng)品質(zhì)研究

2.1 維生素E

維生素E是一種在植物組織或者一些藍藻細菌中合成的脂溶性維生素，是人類必需的微量營養(yǎng)物質(zhì)，它和多種人類疾病有關(guān)，如心血管疾病、癌癥和糖尿病等［28-29］，成年人每日維生素E攝入量應(yīng)在15 mg左右［30］。維生素E主要包含生育酚（tocopherol）和生育三烯酚（tocotrienol）兩大類，根據(jù)芳香環(huán)甲基數(shù)目和位置的不同，每類均可分為α、β、γ、δ 4種類型［31］。不同組分與人或動物體內(nèi)轉(zhuǎn)運蛋白的結(jié)合能力不等，其抗氧化活性也不同［32］，一般而言，生育酚的活性高于生育三烯酚，α活性大于β活性，遠大于γ，δ活性最低［33-34］。

甜玉米籽粒中的維生素E主要存在于胚中，在籽粒發(fā)育過程中，除β-生育三烯酚未檢測到，其余7種組分均有檢測到［35］，各組分含量均隨著發(fā)育進程而不斷升高［36］，生育三烯酚含量大部分均高于生育酚，且γ生育三烯酚含量最高［37-38］。在擬南芥中，維生素E的生物合成代謝途徑已經(jīng)相當清楚，控制這些步驟的關(guān)鍵酶基因也已經(jīng)克隆。而在甜玉米中，維生素E的遺傳研究起步較晚，馮發(fā)強等［39-40］對47份甜玉米自交系進行了生育酚含量的測定，從中選取了總生育酚含量極端的自交系A(chǔ)6和A57進行雜交，構(gòu)建了一個包含229份家系的F2群體，再結(jié)合136個分子標記，對甜玉米籽粒中的生育酚含量進行QTL初定位，共檢測到11個QTL。借助于普通玉米中生育酚的研究，F(xiàn)e ng等將普通玉米在ZmVTE4［41］基因上的優(yōu)良等位基因?qū)氲?個優(yōu)良甜玉米自交系中，提高了籽粒γ生育酚和總生育酚含量［42］。隨著測序技術(shù)的發(fā)展，全基因組關(guān)聯(lián)分析已成為挖掘數(shù)量性狀位點的有利工具，Baseggio等［37］首次構(gòu)建了包含411份甜玉米自交系的關(guān)聯(lián)群體，測定了維生素E的6個組分含量，檢測到336個和維生素E相關(guān)的SNP。幾乎同時，Xiao等［38］也構(gòu)建了包含204份自交系的甜玉米關(guān)聯(lián)群體，測定了維生素E的7個組分含量，檢測到119個和維生素E相關(guān)的位點。值得注意的是，在上述兩個關(guān)聯(lián)群體中均檢測到ZmVTE4基因，這與普通玉米的定位結(jié)果一致，廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所利用位于該基因上的分子標記，成功培育了兩個高維生素E甜玉米品種［38］。

2.2 玉米黃質(zhì)

玉米黃質(zhì)及其異構(gòu)體葉黃素均屬于類胡蘿卜素［43］，可以防止藍光對人眼的氧化和細胞損傷，增加視覺的敏銳度［44-45］。相較于葉黃素，玉米黃質(zhì)在人類飲食中來源更少，而且玉米黃質(zhì)在眼部的含量要高于葉黃素，足見其對眼睛保護的重要性。相對于其他食物，甜玉米含有更豐富的玉米黃素，是玉米黃質(zhì)的良好來源，但當前甜玉米玉米黃質(zhì)濃度較低，還不能滿足人體對玉米黃素的需求。

O'Hare等［46］對200份熱帶甜玉米自交系葉黃素和玉米黃質(zhì)等類胡蘿卜素含量進行了測定，發(fā)現(xiàn)玉米黃質(zhì)在甜玉米群體中具有較大的遺傳變異，通過對黃玉米質(zhì)甜玉米材料間的多代雜交富集玉米黃質(zhì)合成有利等位基因，使玉米黃質(zhì)含量提高了近10倍，達到食用約100 g鮮甜玉米就可滿足人體對玉米黃質(zhì)攝入量的需求。但該研究成果向育種實踐轉(zhuǎn)化仍有距離，因該研究并沒有對其遺傳機制進行研究，對高玉米黃質(zhì)材料的篩選僅從穗部顏色進行分辨，并未通過可靠的分子標記進行篩選；進一步研究發(fā)現(xiàn)玉米黃質(zhì)的含量和β紫羅酮含量有正相關(guān)關(guān)系，而β紫羅酮作為玉米中一種易揮發(fā)的風味物質(zhì)，可以影響甜玉米的風味［47］。Ibrahim等［48］通過種植和測定不同年份和季節(jié)的41份甜玉米材料葉黃素和玉米黃質(zhì)含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者不同年份和季節(jié)含量變化不大，而在不同甜玉米種質(zhì)間差異變化大且穩(wěn)定，表明葉黃素和玉米黃質(zhì)主要受遺傳調(diào)控。PSY、LCYE和HYD是玉米黃質(zhì)和葉黃素合成代謝途徑中關(guān)鍵基因，其中PSY編碼八氫番茄紅素合酶且已在玉米、大芻草、高粱中克?。?9］；LCYE和HYD均是通過在普通玉米群體中利用關(guān)聯(lián)分析手段進行克隆，且鑒定到了有利等位基因［50-51］，馮發(fā)強等［52-53］利用該3個基因開發(fā)了基于PCR技術(shù)的分子標記，并對47份甜玉米自交系材料進行了基因型鑒定，結(jié)合高效液相色譜對類胡蘿卜素各組分進行測定，進一步評估了這3個基因在甜玉米中的效應(yīng)，其中PSY1可以解釋玉米黃質(zhì)變異的14%，LCYE可以解釋總類胡蘿卜素含量的16%左右，而這3個基因的有利等位基因組合可以解釋類胡蘿卜素含量變異的41%［52-53］。

2.3 鋅

鋅是人類飲食中最受限的礦物營養(yǎng)元素之一［54］。長期以來，鋅的營養(yǎng)強化在小麥、水稻、小米、高粱、大麥等主要作物的育種中［55］。玉米作為主要農(nóng)作物之一，鋅含量的變化備受研究者關(guān)注，但并未取得較大研究進展。其主要原因可能有以下幾點：（1）基于不同種質(zhì)的鋅含量遺傳力估算結(jié)果可能存在較大差異，Niji等［56］對63份甜玉米材料的鋅含量進行測定，并估測了鋅含量的遺傳力，發(fā)現(xiàn)鋅含量遺傳力在0.9以上，而郝小琴等［57］對甜、糯玉米中礦物質(zhì)元素含量測定結(jié)果表明，各種礦物營養(yǎng)元素的廣義遺傳力較低。以上兩項研究均以雜交種為研究對象，加上環(huán)境和研究材料背景差異等因素，并未能很好的對鋅含量遺傳力進行準確評估。（2）鋅元素的積累部位限制了鋅強化在普通玉米中的應(yīng)用。鋅主要存在于玉米果皮、糊粉層、胚等部位，胚乳中含量較低，在玉米加工過程中，鋅含量損失約80%［58-59］。而甜玉米作為鮮食型玉米，全籽粒食用，因此對于鋅含量的研究和利用更有意義。（3）鋅含量和植酸含量相關(guān)。玉米籽粒中植酸可以螯合金屬元素，包括鋅，產(chǎn)生不能溶解的鹽，從而阻礙人體對鋅元素的吸收［60］。研究還發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒中高鋅含量伴隨著高硫含量，但不會提高籽粒中磷元素含量［61］，這為高鋅甜玉米育種提供了很好的理論支持。在甜玉米中開展高鋅、低植酸甜玉米種質(zhì)創(chuàng)新和品種選育，并進行推廣應(yīng)用，將促進人體對鋅元素的吸收和利用；同時，甜玉米籽粒中鋅含量受土壤中礦物元素影響明顯，但不同遺傳背景對鋅的積累差異也較大［62］，表明遺傳調(diào)控對鋅積累具有重要作用，而且鋅含量和甜玉米產(chǎn)量無明顯相關(guān)性，為高鋅高產(chǎn)甜玉米培育奠定了理論基礎(chǔ)。但現(xiàn)階段高鋅甜玉米品種培育仍面臨巨大困難，其主要原因是對鋅含量的遺傳解析不夠深入，玉米籽粒中鋅元素的吸收和積累機制不明確，仍未發(fā)掘到高鋅含量的甜玉米等位基因資源。

2.4 蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)是玉米籽粒的重要組分之一，蛋白質(zhì)含量在不同遺傳背景下差異較大［63-64］。在普通玉米研究中，已有大量蛋白質(zhì)含量及QTL定位研究的報道［65-67］，但以甜玉米為試材的研究報道較少，取得的成果沒有普通玉米豐富。蛋白質(zhì)和淀粉含量直接影響甜玉米食味品質(zhì)，蛋白質(zhì)含量作為復(fù)雜的數(shù)量性狀受多基因調(diào)控。在玉米中，蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)出一些共性，如在不同類型玉米中存在較大差異，大部分彩色甜糯玉米中粗蛋白的含量要低于黃色或白色甜糯玉米［68］。甜玉米蛋白質(zhì)含量的遺傳解析主要基于連鎖和關(guān)聯(lián)分析對相關(guān)QTL進行定位研究，張姿麗等［69］選擇了兩個蛋白質(zhì)含量差異較大的親本T8（10.88%）和T48（14.66%）構(gòu)建了包含232個F2子代的群體，利用245個SSR標記構(gòu)建了甜玉米遺傳連鎖圖譜，并對粗蛋白含量進行QTL定位，共鑒定到10個甜玉米籽粒粗蛋白含量QTL位點，這些位點分別位于2、4、5、6、9號染色體上，單個QTL解釋的表型變異率在5.97%～16.52%之間。

近期，王長進等［70］首先利用56K SNP芯片對100份甜玉米自交系進行了SNP掃描，然后采用凱氏定氮蒸餾法測定了甜玉米種子中蛋白質(zhì)含量，發(fā)現(xiàn)甜玉米群體材料蛋白含量變異豐富，變異范圍在8.96%～18.01%，最后利用覆蓋基因組的3.7萬個SNP位點結(jié)合蛋白質(zhì)含量表型進行了關(guān)聯(lián)分析，在全基因組范圍內(nèi)共鑒定到15個SNP和蛋白含量相關(guān)，主要分布在1、2、4、8、9號染色體上，其中1號染色體136 Mb 和9號染色體155Mb處的兩個QTL對蛋白質(zhì)含量表型貢獻最大，分別可以解釋蛋白含量變異的52%和45%，這些位點的獲得為甜玉米蛋白質(zhì)含量分子標記輔助選擇和品質(zhì)育種提供了理論基礎(chǔ)。

3 結(jié)語與展望

目前為止，與甜玉米有關(guān)的主要胚乳突變基因已開展了大量克隆和功能研究，如su1的編碼區(qū)的堿基替換和轉(zhuǎn)座子插入、sh2的結(jié)構(gòu)變異、se1的大片段缺失等。這些功能位點變異的獲得為甜玉米品質(zhì)性狀的分子標記輔助選擇打下了堅實基礎(chǔ)，同時，這些基因的突變在整個碳水化合物甚至整個代謝途徑上的影響也在被快速解析。近年來，甜玉米在品質(zhì)遺傳改良方面取得了較大進展，從宏觀到微觀，從大分子到小分子，均開展了相關(guān)研究和探索，主要方向集中在表型遺傳力、QTL定位等，而在功能基因的解析方面還需投入更多精力。

我國在甜玉米育種和基礎(chǔ)研究方面起步較晚，研究基礎(chǔ)薄弱。甜玉米品質(zhì)性狀的研究還處于初級階段，甜玉米品質(zhì)改良過程中一些基礎(chǔ)性問題亟需回答。以下幾方面將有望成為甜玉米品質(zhì)改良研究的重點領(lǐng)域：（1）淀粉合成缺陷基因的功能研究，這些突變基因中大部分都已克隆并且鑒定到功能位點，但這些基因所發(fā)揮的功能以及突變后在基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組、代謝組等層面的影響解析還不夠深入；（2）果皮相關(guān)性狀的改良，果皮是影響甜玉米口感的重要影響因素，果皮中纖維素含量，細胞層數(shù)等問題也將是重要研究方向；（3）甜玉米中蛋白含量和品質(zhì)改良。甜玉米淀粉含量的減少，直接突出了蛋白質(zhì)在甜玉米籽粒中的比例和地位，不僅影響甜玉米食味品質(zhì)，還是甜玉米營養(yǎng)的主要體現(xiàn)形式；（4）微量營養(yǎng)元素的強化。微量營養(yǎng)元素包括維生素、礦物質(zhì)元素等，這些營養(yǎng)元素的強化是提高甜玉米附加值、增強甜玉米競爭力、滿足多元化需求的重要發(fā)展方向。

甜玉米源于普通玉米，來源較單一，造成甜玉米種質(zhì)資源遺傳基礎(chǔ)狹窄，導(dǎo)致在甜玉米基礎(chǔ)研究和育種過程中可利用的遺傳資源有限。收集和創(chuàng)新更多的種質(zhì)資源，擴大研究群體，并結(jié)合連鎖和關(guān)聯(lián)分析方法，是打破這一瓶頸的有效方法。隨著研究手段的持續(xù)更新和發(fā)展，甜玉米在多組學(xué)、基因編輯、全基因組選擇及單倍體技術(shù)等方面的持續(xù)進步必將極大的加速甜玉米品質(zhì)遺傳改良和優(yōu)質(zhì)甜玉米品種培育進程。