我國玉米生物學研究進展

王帥， 宋偉， 王榮煥， 趙久然

（北京市農(nóng)林科學院玉米研究所，玉米DNA指紋及分子育種北京市重點實驗室，北京 100097）

玉米是我國種植面積較大，總產(chǎn)量較高的糧食和經(jīng)濟作物，在保障我國糧食安全的重大戰(zhàn)略中占有重要地位。近年來，我國在玉米全基因組測序、優(yōu)良農(nóng)藝性狀功能基因的挖掘與鑒定以及重要性狀遺傳調(diào)控網(wǎng)絡等生物學研究方面取得了一系列重大的進展，為“玉米分子設計育種”的快速發(fā)展打下了堅實的基礎。本文從玉米基因組學、玉米雄性不育遺傳調(diào)控、玉米株型遺傳調(diào)控、玉米籽粒發(fā)育遺傳調(diào)控、玉米單倍體育種技術、玉米抗生物脅迫遺傳調(diào)控、玉米抗非生物脅迫遺傳調(diào)控、玉米種質(zhì)資源相關基礎研究、玉米分子遺傳研究技術和平臺共9個方面對近3年來我國玉米生物學研究的重大進展進行了總結(jié)，以期為今后玉米分子育種研究提供思路和參考。

1 玉米基因組學研究

玉米是生物學研究中的重要模式植物，高質(zhì)量的參考基因組對后續(xù)的研究有重要的意義。中國農(nóng)業(yè)大學賴錦盛團隊完成對玉米骨干自交系Mo17 的高質(zhì)量基因組的組裝，大小為2.18 Gb，覆蓋度高達97.4%，得到38 620個高質(zhì)量注釋基因[1]。北京市農(nóng)林科學院玉米研究中心趙久然團隊構建了中國玉米骨干自交系黃早四高質(zhì)量基因組圖譜，大小為2.2 Gb，預測40 893個編碼基因，并揭示了玉米基因組變異和黃早四衍生系形成的遺傳改良歷史，是首次對中國的玉米骨干自交系完成的De Novo測序和基因組解析[2]。華中農(nóng)業(yè)大學嚴建兵團隊以熱帶小粒玉米品種（SK）為材料，組裝了高質(zhì)量的熱帶玉米參考基因組，大小為2.32 Gb，共獲得了43 271個注釋基因，進一步利用熱帶玉米SK、溫帶玉米B73 和Mo17 基因組，以及521 份玉米自交系的重測序數(shù)據(jù)構建了玉米的結(jié)構變異圖譜，克隆了正向調(diào)控玉米粒重的基因ZmBAM1d[3]。上海交通大學王文琴團隊與合作者組裝了南非的優(yōu)質(zhì)蛋白玉米自交系K0326Y 高質(zhì)量參考基因組[4]。中國農(nóng)業(yè)大學國家玉米改良中心田豐團隊與楊小紅團隊以368 份玉米自交系未成熟籽粒的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析了玉米全基因組水平的可變剪接情況，并利用全基因組關聯(lián)分析方法進行了可變剪接變異數(shù)量性狀位點(quantitative trait locus,QTL)定位，揭示玉米可變剪接自然變異遺傳調(diào)控機制[5]。山東農(nóng)業(yè)大學李平華團隊與合作者利用大規(guī)模轉(zhuǎn)錄因子數(shù)據(jù)重新構建了玉米葉片基因表達調(diào)控網(wǎng)絡，分析了轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點對葉片形態(tài)、吐絲開花等農(nóng)藝性狀的影響，解析了其在物種進化中的保守性和變化，提出了轉(zhuǎn)錄因子共結(jié)合是影響植物轉(zhuǎn)錄調(diào)控特異性的關鍵因素的新觀點[6]。

2 玉米雄性不育遺傳調(diào)控研究

玉米雄性不育系的利用是解決玉米雜交育種和制種過程中人工去雄的有效途徑，可以降低制種成本、提高制種純度和產(chǎn)量，具有非常重要的應用前景。北京科技大學萬向元團隊通過圖位克隆得到玉米雄性不育突變體ms30-6028 的育性恢復基因ZmMs30，該基因編碼新的GDSL（Gly-Asp-Ser-Leu）脂酶，在花藥發(fā)育的第7～9 時期特異表達。ZmMs30功能缺失會引起玉米花藥角質(zhì)層和花粉外壁基足層正常發(fā)育所需脂類物質(zhì)的不足，最終導致徹底的雄性不育。進一步研究發(fā)現(xiàn)，ms30不育基因在329 份不同遺傳背景的玉米自交系中不育性穩(wěn)定徹底，對多個重要農(nóng)藝性狀無負面影響，并且建立了基于不育基因ZmMs30的玉米多控不育技術（multi-control sterility,MCS）體系[7]。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所陳化榜團隊在玉米雄性不育方面取得了大量進展，與周奕華及薛勇彪團隊合作首次成功克隆了控制玉米單向雜交不親和現(xiàn)象的基因ZmGa1P，該基因編碼在Ga1-S 和Ga1-M 型玉米自交系花藥中特異表達的果膠甲脂酶（pectin methylesterase, PME）；ZmGa1P 定位于花粉管頂端，與花粉管特異的PME 蛋白互作，共同維持花粉管正常的甲酯化修飾程度，以保障花粉管在Ga1-S 型花絲中的正常伸長，并最終受精結(jié)實。該研究為實現(xiàn)玉米無隔離雜交種制種、特用玉米與普通玉米以及轉(zhuǎn)基因和非轉(zhuǎn)基因玉米的生殖隔離創(chuàng)造了條件[8]。隨后，陳化榜團隊與北京市農(nóng)林科學院玉米研究中心趙久然團隊合作，報道了核編碼的轉(zhuǎn)錄因子基因ZmDREB1.7，其調(diào)控玉米S 型細胞質(zhì)雄性不育基因orf355表達并導致不育的分子機制。在花藥中，ZmDREB1.7促進orf355表達，而orf355積累增強線粒體逆向信號，反過來促進ZmDREB1.7表達。因此ZmDREB1.7與orf355在S型玉米的小孢子中形成正反饋調(diào)控機制，最終導致orf355 蛋白的積累和敗育[9]。近期，陳化榜團隊利用圖位克隆方法得到玉米雄性不育基因IPE2，該基因編碼定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的GDSL 脂肪酶，在花藥發(fā)育的四分體期和小孢子釋放期特異表達；IPE2基因功能缺失導致脂質(zhì)代謝發(fā)生異常和花藥絨氈層和中間層細胞延遲降解，花藥角質(zhì)層和花粉外壁發(fā)育異常，最終導致玉米雄性不育[10]。

3 玉米株型遺傳調(diào)控研究

玉米株型與產(chǎn)量直接相關，目前緊湊密植株型在玉米生產(chǎn)中已經(jīng)廣泛應用，但其分子調(diào)控網(wǎng)絡還未得到闡明。中國農(nóng)業(yè)大學田豐團隊利用由玉米自交系W22 與玉米野生祖先種大芻草（CIMMT 8759）為親本雜交衍生得到的滲入系群體，從大芻草中克隆了控制玉米葉夾角的關鍵基因UPA1（upright plant architecture 1）和UPA2，建立了玉米緊湊株型的分子調(diào)控網(wǎng)絡，為玉米理想株型分子育種、密植高產(chǎn)品種培育提供了理論和實踐基礎[11]。中國農(nóng)業(yè)大學林中偉團隊克隆了來自甜玉米的主效分蘗基因tin1，該基因編碼C2H2 型鋅指蛋白，由于5’-UTR 的剪接位點發(fā)生變異導致內(nèi)含子得以保留從而提高了mRNA的穩(wěn)定性，tin1表達增強。進一步研究證實tin1控制了復雜基因網(wǎng)絡而促進了玉米分蘗芽的不斷伸長，最終促進分蘗形成，該研究揭示了玉米株型演化的關鍵分子遺傳機制[12]。華南農(nóng)業(yè)大學王海洋團隊對350 份中國和美國玉米育種材料進行表型鑒定和全基因組重測序分析，系統(tǒng)挖掘了現(xiàn)代玉米育種過程中的“育種選擇指紋”，闡明了跨越不同育種年代、中美兩國玉米育種的遺傳改良規(guī)律，并克隆了一批調(diào)控玉米耐密性和株型的關鍵候選基因，該研究為玉米耐密、理想株型的改良提供重要的理論指導和基因資源；同時，該研究還表明，綜合利用高通量表型組學和基因組學手段是解析作物遺傳改良規(guī)律的有效方法，為水稻、小麥等作物遺傳育種規(guī)律的解析和優(yōu)良基因挖掘提供了重要借鑒[13]。

4 玉米籽粒發(fā)育遺傳調(diào)控研究

玉米籽粒相關性狀與產(chǎn)量和品質(zhì)直接相關。近年來，在玉米籽粒相關性狀功能基因克隆、網(wǎng)絡調(diào)控、高通量組學分析等方面取得了大量的進展，加深了對玉米籽粒、胚和胚乳遺傳發(fā)育調(diào)控的認識。河南農(nóng)業(yè)大學湯繼華團隊和中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所李文學團隊合作，利用圖位克隆方法得到了控制籽粒大小的基因ZmUrb2，該基因編碼核糖體合成過程中的裝配因子；進一步研究表明，ZmUrb2主要通過影響核糖體的生物合成和pre-rRNA 的加工來影響籽粒發(fā)育和整個營養(yǎng)生長過程；此外，通過單倍型分析證明了ZmUrb2的Hap3單倍型可能作為優(yōu)良的等位基因，在玉米從熱帶到溫帶的馴化過程中被人工選擇。該研究結(jié)果對于揭示玉米籽粒發(fā)育的調(diào)控機制和產(chǎn)量形成的分子基礎具有重要的意義[14]。中國農(nóng)業(yè)大學宋任濤團隊圖位克隆了玉米胚乳調(diào)控基因Opaque11（O11），該基因編碼胚乳特異的bHLH 轉(zhuǎn)錄因子，突變后籽粒發(fā)育異常、儲藏物積累下降，O11作為關鍵調(diào)控因子，協(xié)調(diào)胚乳細胞發(fā)育、儲藏物代謝和逆境響應等生物學過程，是胚乳整體基因調(diào)控網(wǎng)絡的核心調(diào)控節(jié)點[15]。中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心巫永睿團隊對馬達驅(qū)動蛋白編碼基因Vks1（varied kernel size 1）進行了克隆和功能分析，vks1突變體果穗表現(xiàn)出大小變異的籽粒，Vks1在籽粒發(fā)育過程中的早期（細胞快速增殖的活躍階段）特異高表達，馬達驅(qū)動蛋白VKS1與有絲分裂過程中的微管共定位，突變后導致微管系統(tǒng)紊亂；vks1突變體在胚乳發(fā)育的起始合胞體階段游離核緊貼著胚囊壁和聚集在一起，嚴重影響合胞體階段游離核的遷移，而且有絲分裂過程異常，形成大小核和多核細胞等不正常的胚乳細胞類型，最終形成變異的籽粒大小。該研究解析了馬達驅(qū)動蛋白在玉米早期胚乳發(fā)育過程中的關鍵作用，揭示了早期胚乳細胞數(shù)目增殖對最終籽粒大小決定的重要分子機理[16]。中國農(nóng)業(yè)大學研究宋偉彬團隊圖位克隆了玉米小粒基因Mn6，該基因編碼內(nèi)質(zhì)網(wǎng)I 型信號肽酶(ZmSigp1)，mn6突變體表現(xiàn)胚乳發(fā)育不良, 胚乳大小嚴重縮?。籑n6主要參與加工碳水化合物合成相關蛋白，可能通過調(diào)控在胚乳轉(zhuǎn)移層（BETL）特異表達的細胞壁轉(zhuǎn)化酶基因（miniature seed1，Mn1)來調(diào)控籽粒灌漿和胚乳發(fā)育[17]。華中農(nóng)業(yè)大學張祖新團隊通過圖位克隆獲得控制玉米穗長、每行籽粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量的基因KNR6，該基因編碼編碼絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶；KNR6增效等位基因型能夠使雜交種的穗長、行粒數(shù)以及穗粒數(shù)增加，過表達KNR6也可顯著提高玉米雜交種籽粒產(chǎn)量[18]。該研究有助于解析玉米穗粒數(shù)形成的分子機制，為提高玉米雜交種產(chǎn)量提供了理論依據(jù)和基因資源。

在玉米籽粒胚乳研究方面，中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心巫永睿團隊取得了大量的進展。該團隊克隆了玉米籽粒胚乳發(fā)育調(diào)控基因OCD1（oxalyl-CoA decarboxylase 1），其編碼草酰輔酶A脫羧酶，OCD1基因突變后籽粒胚乳呈現(xiàn)出粉質(zhì)的表型，儲存物質(zhì)合成和粒重也發(fā)生下降；高賴氨酸基因Opaque7（O7）編碼草酰輔酶A 合成酶，并證明O7可以催化草酸形成草酰輔酶A；O7基因突變后籽粒胚乳的能量代謝、糖類、氨基酸以及激素含量均受到顯著影響。該研究揭示了草酸降解途徑與籽粒胚乳發(fā)育、代謝和營養(yǎng)品質(zhì)的關系[19]。該團隊圍繞胚乳灌漿調(diào)控的關鍵轉(zhuǎn)錄因子Opaque2（O2）開展了一系列的研究工作，克隆O2增強子基因Oen1（O2enhancer），該基因為玉米已知基因Shrunken1（Sh1），O2對 3個Sus（sucrose synthase）基因都有轉(zhuǎn)錄激活功能，其中對Sus1和Sus2的轉(zhuǎn)錄激活最強；在玉米籽粒高速灌漿時，雖然Sh1是蔗糖合酶活性最主要的貢獻者，但O2對Sus1和Sus2轉(zhuǎn)錄激活是對Sh1介導的籽粒灌漿的必要補充。該研究進一步拓展了O2作為玉米胚乳灌漿調(diào)控網(wǎng)絡核心轉(zhuǎn)錄因子的作用范圍，揭示其可以調(diào)控胚乳儲藏物質(zhì)合成起始單元生成所需基因的協(xié)同表達[20]。之后，他們利用O2鑒定到協(xié)同籽粒早期發(fā)育與灌漿起始的核心轉(zhuǎn)錄因子基因ZmABI19，其轉(zhuǎn)錄和蛋白水平在籽粒早期最高，且胚中的mRNA水平顯著高于胚乳；而zmabi19純合突變體籽粒的胚和胚乳均發(fā)育異常，成熟籽粒變小并粉質(zhì)，不能萌發(fā)，暗示ZmABI19 對籽粒早期發(fā)育和灌漿都有調(diào)控作用，而且可能同時調(diào)控胚和胚乳發(fā)育；ZmABI19能識別并轉(zhuǎn)錄激活O2啟動子，從而調(diào)控下游醇溶蛋白基因的表達，還能直接調(diào)控胚發(fā)育與盾片儲藏物質(zhì)合成的核心轉(zhuǎn)錄因子Vp1 以及多個植物激素相關因子，結(jié)果證實ZmABI19 能夠協(xié)同調(diào)控玉米籽粒早期發(fā)育（形態(tài)建成）與灌漿起始（儲藏物質(zhì)合成）這2個緊密銜接又相對獨立的生長發(fā)育過程[21]。同時，該團隊從自然群體中克隆到控制玉米硬/粉質(zhì)胚乳形成的主效QTL——Ven1（vitreous endosperm 1），該基因的等位變異能夠調(diào)控玉米胚乳中類胡蘿卜素極性和非極性組分的含量；非極性胡蘿卜素的增加能延遲淀粉體膜的降解，阻礙蛋白體和淀粉粒的互作，從而影響硬質(zhì)胚乳形成[22]。該研究深入解析了類胡蘿卜素成分改變影響玉米硬質(zhì)胚乳形成的分子遺傳機制，為培育高β-胡蘿卜素、硬質(zhì)的優(yōu)良品種奠定基礎。此外，中國農(nóng)業(yè)大學宋任濤團隊采用生物素標記探針Pull-down 和質(zhì)譜的新方法鑒定到調(diào)控玉米儲藏蛋白表達的轉(zhuǎn)錄因子基因ZmbZIP22，該基因突變后，27-kD 醇溶蛋白累積顯著降低，賴氨酸和色氨酸含量顯著上升；ZmbZIP22 在籽粒灌漿期特異結(jié)合27-kD 醇溶蛋白的啟動子，直接調(diào)控27-kD 醇溶蛋白的表達；此外，ZmbZIP22通過與其他多個調(diào)控27-kD 醇溶蛋白的轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同作用，來確保27-kD 醇溶蛋白在籽粒灌漿期的穩(wěn)定表達[23]。四川農(nóng)業(yè)大學黃玉碧團隊聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所李新海團隊，以玉米骨干自交系Mo17 為材料，測定灌漿過程中胚乳淀粉積累動態(tài)，選擇淀粉積累過程中的關鍵節(jié)點胚乳材料，對轉(zhuǎn)錄組、miRNA 組和DNA 甲基化組的動態(tài)變化進行了分析，構建了DNA 甲基化、miRNA、轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同調(diào)控玉米胚乳淀粉合成關鍵酶基因表達的網(wǎng)絡圖[24]。

5 玉米單倍體育種技術研究

單倍體育種技術已廣泛應用并成為現(xiàn)代玉米育種的關鍵核心技術之一，該技術能夠快速創(chuàng)制純合自交系，大大加快育種進程。中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所謝傳曉團隊聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學陳紹江團隊利用CRISPR/Cas9 基因編輯技術創(chuàng)制了高效孤雌生殖單倍體誘導系，并為其配套了完善的組織特異表達的雙熒光蛋白標記，已應用于單倍體鑒定[25]。該研究為基因編輯技術創(chuàng)制作物孤雌生殖單倍體誘導系，并同時具備高效單倍體篩選與鑒定標記，為作物雙單倍體（doubled haploid,DH）育種技術體系提供了范例，具有很高的應用價值。中國農(nóng)業(yè)大學陳紹江團隊利用圖位克隆的方法克隆了首個非Stock6來源的玉米單倍體誘導關鍵基因ZmDMP，該基因編碼DUF679 結(jié)構 域 膜 蛋 白（DUF679 domain membrane protein）[26]。在誘導基因ZmPLA1突變基礎上，單堿基替換導致的氨基酸錯義突變，將單倍體誘導率提高2～3倍，而將ZmDMP完全敲除后可進一步將單倍體誘導率提高5～6倍，而且ZmDMP基因敲除后具有獨立的誘導單倍體能力[27]。該研究首次在非Stock6 材料上發(fā)現(xiàn)獨立誘導現(xiàn)象，不僅可為遺傳學與生殖生物學研究提供新的借鑒，而且在實踐上也將為基于分子標記輔助選育及基因編輯技術創(chuàng)建高頻的單倍體誘導系奠定堅實的基礎。Wang 等[28]提出了單倍體 IMGE（haploid inducermediated genome editing）育種策略，巧妙地將單倍體誘導與CRISPR/Cas9 基因編輯技術結(jié)合起來，成功地在兩代內(nèi)創(chuàng)造出了經(jīng)基因編輯改良的DH純系，該方法可以打破之前基因編輯育種對材料遺傳轉(zhuǎn)化能力的依賴，并且創(chuàng)造出不含轉(zhuǎn)基因（CRISPR載體）的純系。IMGE技術與利用基因組編輯技術獲得無融合生殖株系相結(jié)合，從而實現(xiàn)雜種優(yōu)勢快速固定的技術，有望成為新的下一代作物育種技術，預期在今后的作物育種中將得到廣泛應用。

6 玉米抗生物脅迫遺傳調(diào)控研究

病蟲害、草害等是當前玉米生產(chǎn)所面臨的重要生物脅迫，嚴重影響玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)。中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所王振營團隊利用北京市農(nóng)林科學院玉米研究中心選育并提供的天然抗蟲的玉米品種京科968 為材料，經(jīng)過短期飼喂、兩性生命表以及寄生蜂行為選擇等試驗，證明了京科968 在受到亞洲玉米螟為害誘導后會產(chǎn)生抑制亞洲玉米螟生長發(fā)育的直接防御反應，也能產(chǎn)生吸引其寄生性天敵腰帶長體繭蜂的間接誘導防御反應；該研究還從基因表達、苯并惡嗪酮類物質(zhì)、植物激素及揮發(fā)物的含量變化等方面進一步揭示了亞洲玉米螟為害玉米誘導防御反應相關的生理生化及其分子機制，為玉米利用自身誘導防御反應控制亞洲玉米螟提供了科學依據(jù)[29]。山東農(nóng)業(yè)大學儲昭輝團隊首次克隆了玉米紋枯病數(shù)量性狀抗病基因ZmFBL41，該基因編碼F-box 蛋白；ZmFBL41負調(diào)控植物免疫，進一步研究發(fā)現(xiàn)，該基因通過自然變異避免病原菌對木質(zhì)素合成的抑制從而引起抗紋枯病的機制[30]。該研究克隆的抗性基因ZmFBL41是利用正向遺傳學克隆的植物抗立枯絲核菌菌屬病害的首個基因，研究結(jié)果對更多作物的抗紋枯病遺傳改良具有重要意義。中國農(nóng)業(yè)大學徐明良團隊通過圖位克隆獲得了編碼生長素調(diào)節(jié)蛋白的基因ZmAuxRP1，該基因同時能夠顯著提高玉米對莖腐病的抗性，對穗粒腐病也同樣有效；進一步研究發(fā)現(xiàn)，ZmAuxRP1促進生長素 IAA 的合成，但抑制次生防御物質(zhì)苯并噁唑嗪酮的合成，研究結(jié)果揭示了玉米調(diào)控生長與抗病平衡的遺傳基礎和分子機制[31]。該團隊利用圖位克隆的方法鑒定到編碼囊泡運輸關鍵的Rab GDP 解離抑制因子（Rab GDP dissociation inhibitor alpha，GDIα）與玉米粗縮病抗病有關，野生型的ZmGDIα為感病等位基因；當helitron 轉(zhuǎn)座子插入到內(nèi)含子（intron）10 后，轉(zhuǎn)變成抗病等位基因ZmGDIα-hel，同時也揭示了玉米粗縮病隱性抗病的分子機制[32]。中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所聯(lián)合國內(nèi)外7 家單位完成玉米大斑病抗性基因Ht2/Ht3的克隆，該基因編碼細胞壁相關受體蛋白激酶（ZmWAK-RLK1），為Htn1基因的新型等位變異，該研究為玉米抗大斑病育種提供了優(yōu)質(zhì)抗源和標記輔助選擇工具，證實了ZmWAKRLK1基因遺傳變異與玉米大斑病的遺傳互作關系，為定向挖掘優(yōu)異抗性新資源/基因提供了方向[33]。

7 玉米抗非生物脅迫遺傳調(diào)控研究

玉米生長發(fā)育過程中會遇到高溫、干旱、倒伏等非生物脅迫，對脅迫響應基因進行克隆和功能解析，并加以利用是提高玉米抵御非生物脅迫的重要手段。中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所李文學團隊發(fā)現(xiàn)單子葉植物特異性miR528通過直接調(diào)控靶基因ZmLAC3和ZmLAC5的豐度調(diào)控木質(zhì)素合成路徑關鍵酶基因ZmPAL，進而調(diào)控玉米木質(zhì)素合成，影響高氮條件下玉米的倒伏性[34]。該研究詳盡闡述了miRNA、氮素與木質(zhì)素之間的關系，為培育抗倒伏玉米品種提供了強有力的分子生物學證據(jù)。華中農(nóng)業(yè)大學邱法展團隊通過候選基因關聯(lián)分析鑒定到玉米第7 亞家族乙烯響應因子 （ethlyene responsive factor, ERF） 基 因ZmEREB180，其通過影響內(nèi)源激素生長素和乙烯的合成調(diào)控漬水脅迫下不定根發(fā)育，并通過調(diào)控ROS 的水平增強玉米苗期耐漬性,該研究揭示了ERF 轉(zhuǎn)錄因子ZmEREB180提高玉米耐漬性的分子機制，并提供了玉米耐漬性遺傳改良的功能標記[35]。之后，該團隊克隆了編碼CASP LIKE 蛋白的ZmSRL5基因，該基因其通過控制表皮蠟質(zhì)的結(jié)構而改變玉米葉表皮的通透性和植株的抗旱性[36]。中國農(nóng)業(yè)大學林中偉團隊克隆主效玉米莖稈強度QTL——stiff1，其位于玉米第6 染色體上，編碼F-box 蛋白，該基因過表達使植株莖稈變軟，后期出現(xiàn)倒伏，而基因沉默植株莖稈強度增強；進一步研究發(fā)現(xiàn)，stiff1表達量下調(diào)導致莖稈的纖維素和木質(zhì)素含量提高，從而玉米莖稈強度增加[37]。研究結(jié)果揭示了玉米莖稈強度的分子機制，為我國玉米莖稈強度的精準改良提供了抗源材料。華中農(nóng)業(yè)大學代明球團隊克隆到新型核苷酸酶編碼基因PTPN，在玉米和擬南芥中突變PTPN基因降低植物的抗旱性，而超表達PTPN則提高植物的抗旱能力，進一步研究揭示了新型核苷酸酶PTPN作為關鍵調(diào)控節(jié)點介導ABA 信號途徑與AsA 合成途徑之間的互作，進而促進植物抗旱的分子機制[38]。

8 玉米種質(zhì)資源相關基礎研究

近年來，研究人員利用玉米種質(zhì)資源開展了大量的研究。浙江農(nóng)林大學劉慶坡團隊與加州大學歐文分校研究團隊合作，利用11個地方品種6個世代的自交系探究了自交過程中玉米全基因組遺傳清除的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)在玉米自交過程中，雜合的有害單核苷酸多態(tài)性位點（dSNPs）更易從基因組中丟失；此外，隨著自交代數(shù)的增加，3個玉米地方種（MR01、MR08 和 MR18）的基因組由于大量轉(zhuǎn)座元件和染色體鈕被清除而顯著減小[39]。該研究對于深入理解植物基因組進化，尤其植物自交過程中有害變異和重復序列等基因組序列選擇性清除的內(nèi)在機理等具有一定意義。華中農(nóng)業(yè)大學李青團隊和明尼蘇達大學合作，利用液相探針捕獲技術對263 份來自熱帶、亞熱帶和溫帶的玉米自交系的DNA 甲基化進行分析，尋找到大量DNA 甲基化差異區(qū)段（differentially methylated region, DMR），結(jié)合高密度 SNP 數(shù)據(jù)、葉片和籽?；虮磉_數(shù)據(jù)以及籽粒代謝數(shù)據(jù)，解析了DNA 甲基化變異的遺傳基礎及其對表型變異的影響[40]。該研究系統(tǒng)解析了DNA 甲基化變異的遺傳基礎，并證明DNA 甲基化可調(diào)控基因表達和表型，為解釋消失的遺傳力提供了新的支持，這是首次在群體水平分析作物中DNA 甲基化的變異和功能。華中農(nóng)業(yè)大學嚴建兵團隊與北京農(nóng)林科學院玉米研究中心趙久然團隊合作創(chuàng)制了CUBIC 群體：利用廣泛應用于我國育種項目的24個骨干材料為親本，創(chuàng)新性地通過兩輪雙列雜交在實現(xiàn)了所有親本基因交流的情況下大大縮短了群體發(fā)展周期，接著采用6代開放授粉和6代連續(xù)自交，最終得到1 404個自交家系用于后續(xù)研究；利用此群體對23個玉米重要的農(nóng)藝性狀進行了系統(tǒng)性的遺傳剖析；在鑒定到的數(shù)百個數(shù)量性狀位點（QTLs）基礎上，充分利用本群體設計的優(yōu)點，結(jié)合多組學、多群體分析快速鎖定目標基因，并以葉寬基因為例展示了該策略在功能基因快速克隆方面的優(yōu)勢[41]。

9 玉米分子遺傳研究技術和平臺

近年來，我國科研人員在突變體庫構建、芯片研究和基因編輯等技術和平臺方面取得了很大的進展，為玉米功能基因驗證和新種質(zhì)創(chuàng)制提供更多的技術手段。中國農(nóng)業(yè)科學院生物技術研究所張春義團隊與北京市農(nóng)林科學院玉米研究中心趙久然團隊合作構建了B73 背景的EMS 突變體庫，并結(jié)合外顯子組捕獲和新一代測序技術挖掘到突變位點的精準位置，發(fā)現(xiàn)約20 萬個點突變，覆蓋了82%玉米基因組中可預測的編碼基因[42]。中國農(nóng)業(yè)大學宋任濤團隊和江蘇農(nóng)業(yè)科學院趙涵團隊合作構建了玉米Mutator轉(zhuǎn)座子突變體數(shù)據(jù)庫，鑒定到約10 萬個Mu 插入位點，覆蓋約45.7%的玉米基因[43]。北京市農(nóng)林科學院玉米研究中心趙久然團隊對國內(nèi)外具有廣泛代表性的400 份玉米自交系進行深度測序，成功研制玉米新型芯片產(chǎn)品Maize6H-60K，涉及玉米基因組6 萬多個位點，有效位點達到90%以上[44]。中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所謝傳曉和李新海團隊利用基因編輯技術一步法同時創(chuàng)制作物隱性核不育系（genic male sterility，GMS）與操控型核不育性保持系（MGM）的技術體系。在該技術體系中，MGM 保持系可同時生產(chǎn)GMS 不育系與MGM 保持系自身，從而實現(xiàn)了不依賴于自然GMS 不育系的作物第三代雜交育種技術[45]。華中農(nóng)業(yè)大學李林團隊、章元明團隊與中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所王國英團隊合作開發(fā)QTG-seq，即通過QTL 分離（將數(shù)量性狀轉(zhuǎn)化為質(zhì)量性狀）、極端表型混池、高通量測序以及新算法挖掘候選基因，并利用該技術成功鑒定到玉米株高控制基因qPH7，該研究為作物QTL快速精細定位與克隆提供了新的技術和手段[46]。華中農(nóng)業(yè)大學嚴建兵團隊和李青團隊合作開發(fā)了一種能廣泛應用于不同物種組織、不依賴于DNA甲基化狀態(tài)的單細胞DNA 甲基化測序技術，為不同物種提供了相對無偏的單細胞DNA 甲基化檢測方法[47]。之后，嚴建兵團隊進一步開發(fā)了玉米單個雌配子體的分離方法，并擴增測序了其基因組，發(fā)現(xiàn)在同一遺傳背景下，玉米雄配子相對于雌配子會發(fā)生更多的重組交換[48]。該研究也極大地改變了對減數(shù)分裂重組交換發(fā)生的認識，并對作物的雜交育種產(chǎn)生重要影響。在玉米轉(zhuǎn)化和基因編輯方面，中國農(nóng)業(yè)大學陳其軍團隊、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所高彩霞團隊和河南大學周云團隊合作報道了利用引導編輯技術（prime editing）對玉米基因組進行精準編輯的研究。研究人員推測pegRNA 的表達水平是影響引導編輯效率的關鍵因素之一，通過增加pegRNA 表達框的數(shù)量及使用兩種類型的啟動子（常規(guī)型和復合型）驅(qū)動pegRNA 的表達，從而提高pegRNA 的表達；同時，首次利用引導編輯工具在2個乙酰乳酸合酶基因ZmALS1和ZmALS2中實現(xiàn)了純合突變，且獲得了2個基因的雙位點突變體[49]。研究結(jié)果為開發(fā)非轉(zhuǎn)基因抗多種除草劑的玉米品系提供了一種可行且有效的方法，也為進一步優(yōu)化植物引導編輯器提供了方向。華中農(nóng)業(yè)大學嚴建兵團隊聯(lián)合國內(nèi)外多家單位報道了構建基于先驗知識的靶向突變體庫，可以大大加速功能基因的挖掘。研究人員綜合傳統(tǒng)遺傳定位和高通量靶向基因編輯加速玉米功能基因挖掘的思路，充分利用CRISPR/Cas9 高度特異和靶向性的同時，借助先前的定位線索為每個靶向基因提供預期的潛在表型，該研究探索并完善了基于CRISPR/Cas9 的高通量的技術體系，大大降低了成本；構建的基于先驗知識的靶向突變體庫是玉米功能基因挖掘的有益資源；同時發(fā)現(xiàn)，植物基因編輯突變譜與人類細胞系一樣，且具有較高的可預測性，增加了對植物基因編輯規(guī)律的認識[50]。

10 結(jié)語

近年來，我國玉米生物學的研究進展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：高質(zhì)量的玉米基因組序列公布，第3 代基因組測序技術加快了玉米基因組學的研究步伐，多個骨干自交系完成了基因組組裝，這將有利于深入解析玉米基因組結(jié)構變異和基因組馴化；玉米重要性狀基因的克隆及功能研究，包括育性、株型、籽粒發(fā)育及生物與非生物脅迫等方面，并深入解析其遺傳調(diào)控機理，極大地促進了我國玉米分子育種前進的步伐；基因編輯技術平臺的優(yōu)化，以CRISPR/Cas9 為代表的基因編輯技術快速發(fā)展，在提高編輯效率的同時能夠?qū)Χ鄠€基因同時開展編輯，并與傳統(tǒng)研究方法相結(jié)合形成新的技術手段，為玉米分子育種提供新的思路。隨著基因編輯技術、重測序技術、全基因組關聯(lián)分析以及第3 代分子標記技術等現(xiàn)代分子生物學技術的快速發(fā)展，我國玉米生物學研究也將取得更大的突破和研究成果，為我國玉米育種的發(fā)展提供強有力的支撐。