生物技术在玉米遗传育种中的应用及展望.doc

生物技术在玉米遗传育种中的应用及展望摘 要：玉米是我国的主要粮食作物之一。目前,我国玉米单产和总产的增长速度已超过其它发展中国家,玉米杂交种的普及率也达到95%左右,接近于发达国家的水平,玉米在我国粮食生产中的地位显得愈来愈重要。但随着经济的发展和人民生活水平的提高，迫切需要提高玉米的产量和品质.目前国际国内育种技术迅猛发展，以基因工程为核心的生物技术的广泛应用，以及生物技术育种与常规育种技术的有机结合提高了玉米育种的效率，开辟了玉米育种的新途径。本文主要论述生物技术在玉米遗传育种上的应用研究及提出对玉米遗传育种的展望。关键词：玉米 遗传育种 生物技术玉米，学名：Zea mays L. ，英文名字：Maize ，Corn ，别名：玉米、苞芦、玉蜀、玉茭黍、大蜀黍、棒子、苞米、苞谷、玉菱、玉麦、稀麦、玉豆、六谷、芦黍、珍珠米、红颜麦、薏米包，金豆。玉米早熟禾科(Poaceae)玉蜀黍族(Maydeae)一年生谷类植物，植株高大，茎强壮，挺直；叶窄而大，边缘波状，于茎的两侧互生；雄花花序穗状顶生，雌花花穗腋生，成熟后成谷穗。玉米原产于南美洲。7000年前美洲的印第安人就已经开始种植玉米。由于玉米适合旱地种植，因此西欧殖民者侵入美洲后将玉米种子带回欧洲，之后在亚洲和欧洲被广泛种植。大约在十六世纪中期，中国开始引进玉米，十八世纪又传到印度。到目前为止，世界各大洲均有玉米种植，其中北美洲和中美洲的玉米种植面积最大。12玉米是世界上分布最广泛的粮食作物之一，种植面积仅次于小麦和水稻而居第三位。种植范围从北纬58(加拿大和俄罗斯)至南纬40(南美)。中国是世界玉米主要生产和消费国之一，玉米产销量占世界玉米总量的20左右，仅次于美国，居世界第二位，其次是巴西、墨西哥、阿根廷。同样，在我国3大谷物中，玉米产量也位居第二位，而且在谷物中的比重逐年递增。1玉米是我国的主要粮食作物之一。目前,我国玉米单产和总产的增长速度已超过其它发展中国家,玉米杂交种的普及率也达到95%左右,接近于发达国家的水平,玉米在我国粮食生产中的地位显得愈来愈重要。因此，玉米育种的研究受到广泛的重视,多途径创新和深入研究不仅有利于提高我国玉米种质资源的利用效率,而且对促进我国玉米生产持续稳定发展也显得非常重要。我国玉米杂交种优势的利用对提高玉米单产起到了至关重要的作用，目前国际国内育种技术迅猛发展，以基因工程为核心的生物技术的广泛应用，以及生物技术育种与常规育种技术的有机结合提高了玉米育种的效率，开辟了玉米育种的新途径。但随着经济的发展和人民生活水平的提高，迫切需要提高玉米的产量和品质，比如现在广泛种植的农大108、郑单958。近年国外新品种的介入如先玉335 等，这就给我国的广大育种科技人员提出了新的挑战。如何对已往的育种思路、育种方法、育种目标进行调整已经引起了广泛关注。1近年来，除常规育种技术外，生物技术在各种作物育种上也取得了很大的突破，如组织培养育种技术、单倍体育种技术、基因工程育种、分子标记辅助育种等。在玉米育种上，生物技术育种与常规育种技术的有机结合提高了玉米育种的效率，开辟了玉米育种的新途径。从我国的玉米育种现状来看，利用单倍体育种技术选育自交系已经成为自交系选育的重要手段、利用分子标记划分玉米杂种优势群和杂种优势模式已经得到了大家的认可并在育种实践中加以应用，转基因玉米已经逐步从实验室走向田间，并将很快实现产业化。2生物技术育种不仅对丰富玉米种质资源，建立玉米杂种优势群，提高育种效率，发挥了无可替代的作用，而且对促进我国玉米生产持续稳定发展和加快经济建设做出了非常大的贡献。本文主要论述生物技术在玉米遗传育种上的应用研究及对玉米遗传育种的展望。1.生物技术在玉米育种上的应用1.1 细胞工程育种玉米组织培养和细胞培养起步较早，Green（1974）首先获得了玉米再生植株，并筛选出抗小叶斑病的细胞系和再生植株。到了20世纪80年代，玉米组织培养成功的报道已在国外大量出现，能高效率地以多种基因型诱导出胚性愈伤组织并再生植株。与此同时，谢友菊等人以玉米幼穗为材料，多基因型诱导出胚性愈伤组织取得了可喜进展。由于玉米组织培养受基因型限制，因而国内成功报道并不多见。尽管难度很大，但经过多年努力，张举仁等不但建立起玉米体细胞无性系的成套技术，而且注重选材以骨干玉米自交系和单交种为主，并通过细胞突变体筛选获得抗逆自交系。31.2 单倍体育种单倍体育种是加速培育玉米自交系的一种有效方法。单倍体育种主要包括孤雌生殖和孤雄生殖两个途径。孤雌生殖一般采用花粉培养，通常有两种方法：一是离体子房培养，二是药剂诱导孤雌生殖（整株）。花粉培养一般在两代便可获得纯合二倍体自交系。国内外许多学者对此展开了研究，在国内古明光等（1975）诱导出第一批玉米花粉植株，经根尖染色体观察，16个绿色植株中3 株为单倍体，1株为二倍体，其余314为混倍体。杭玲等（1991）先后培育出玉米花培杂交种桂花1号和桂三1号3。杨宪民（1995）利用玉米花培纯系选育出优良杂交种花单1号3。目前，玉米花培的主要问题是大多数基因型不能诱导愈伤组织和分化绿苗。31.3 基因工程育种20世纪80年代开始，科学家试图利用基因工程技术，将外源或经体外修饰后的内源基因（统称转基因Transgene）导入植物,改良植物的性状,并获得成功。 近年来，由于生物工程技术的兴起和发展，特别是基因工程技术在改良作物抗性中的广泛应用，为培育抗性品种提供了新的手段，从而开辟了玉米抗性育种的新时代。转基因技术将玉米基因库中不具有的抗性基因导入玉米，实现了传统育种方法无法实现的基因重组，大大提高了育种水平。5转基因育种是通过基因转移方法创造玉米新种质或新品种的途径。转基因方法很多，有农杆菌介导法、PEG介导法、电击穿孔法、显微注射法、基因枪法、花粉管通道法、超声波法和微光微束法5。现应用于玉米转基因育种比较成功的方法主要有以下3种：1.3.1 农杆菌介导法该法是以根癌农杆菌和Ti或Ri质粒为载体将目的基因转移到受体染色体上的一种方法。Ti和Ri质粒上有一段T-DNA，它可以把克隆的目的基因转移到受体细胞核的染色体上。此法最成功的例子是Gould.J.(1991)利用含抗卡那霉素和GUS两种基因质粒的根癌农杆菌转化玉米芽尖获得成功。该法简单易掌握，缺点是转化率低（仅5%左右）。41.3.2 基因枪法该法是将载有外源DNA的钨粒或金粒加速后射入细胞的一种物理方法，现有以火药为动力、以压缩气体为动力和高压放电式基因枪3种。Fromm等（1990）用基因枪法转化玉米愈伤组织，将GUS和BAR基因转入玉米。Cao等（1989）用基因枪轰击玉米胚，把GUS基因转入玉米。目前国外对抗虫基因B.t毒蛋白的转移多用此法。本法的优点：一是无宿主（物种）限制；二是受体类型广泛，种子胚、幼胚、幼穗、愈伤组织、花粉细胞和子房都可以轰击。它的缺点是处理成本较高转化率较低，且后代容易出现嵌合体。41.3.3 花粉管通道法本法是中国科学家周光宇先生于1978年首创并推广的。他首先应用花粉管通道法在棉花基因转移上取得成功4。这是利用授粉后花粉发芽时花粉管进入胚囊所形成的通道，将外源DNA导入受体受精卵的一种方法。由于玉米花丝较长，一般操作难以成功，因此在玉米上极少采用此法。杨利国等经过探索创造出一套较好的操作方法并获得成功，1996年，杨利国等利用此法将广谱无毒抗病基因PYH157转入玉米自交系4。祁永红（1996）用这个方法将大豆DNA转移到玉米材料中4。该方法的优点在于：既可向玉米导入目的基因，也可转移含目的基因性状的供体总DNA。这对于目前玉米大多数农艺性状基因还没有完全分离出来的现状具有重要的现实意义。同时，该法简便易学。杨利国（1992）以外源总DNA为供体处理一批试材，其后代在株高、成熟度和抗病性上均表现不同程度的变异。41.4 分子标记辅助育种分子标记是20世纪80年代产生的以DNA多态性为基础的遗传标记，它具有独特的优点，即在植物的不同发育阶段、不同环境条件下、不同组织都可以进检测，使得对基因型的早期选择成为可能。7常用的分子标记主要有RFLP、RAPD、SSR、AFLP、SNP等。在玉米育种中分子标记技术主要应用于玉米自交系、群体杂种优势群的划分、种子纯度的鉴定、种子真伪性鉴定、数量性状QTL定位、玉米QPM育种中的前景选择和背景选择等各个方面，其中应用比较广泛的是SSR和AFLP技术。6，71.4.1 SSR标记在玉米育种中的应用合理准确地划分玉米杂种优势群，建立相应的杂种优势模式，才能有的放矢地改良自交系和选配杂交组合，提高育种效率。几十年来，形态差异、地理来源、系谱追踪、配合力表现以及同功酶标记等方法相继被用于杂种优势群划分，但都表现出局限性。SSR标记技术为玉米杂种优势群划分提供了新的工具。61.4.2 AFLP标记在玉米育种中的应用AFLP分子标记技术同样也可以用于玉米的遗传多样性分析。吴敏生、袁力行等利用AFLP技术分别对供试材料进行优势群划分，结果与系谱亲缘关系基本一致6。Lubberstedt利用AFLP技术对代表欧洲早熟硬粒型和马齿型杂优类群的51个自交系进行了类群划分,分析结果与系谱记载基本符合。6,7在玉米QPM育种中利用AFLP分子标记对回交后代群体进行背景选择，可以大大加快基因的纯合,加快QPM 系的转育进程。田清震等在选育二环系的F2代苗期采用标记辅助选择系统，结果表明可以减少3/4的田间工作量，节省大量试验费用，利用AFLP进行背景选择，虽然增加实验成本，但通过减少回交代数和缩小回交群体，可节约大量试验经费，获得事半功倍的效果。6,72. 生物技术在玉米育种上现状分析及展望在玉米育种技术不断更新的今天，生物技术育种在拓宽玉米自交系种质素材，提高杂交种抗逆、抗病、产量等方面将扮演越来越重要的角色，为育种工作者将科技转化为现实生产力提供重要的理论依据。虽然玉米的遗传育种研究取得了很大进展，但还应进一步完善技术，还有许多问题需要解决。就生物技术本身而言，还有许多不成熟的地方。玉米育种中一些重要的农艺性状往往是数量性状，即便实现了基因定位也很难实现相关基因的转化。在分子标记辅助育种方面，还缺乏有效的与性状紧密连锁的标记，可供选择利用的标记还很少或与性状的连锁关系不紧密，降低了选择的效果；在DNA实验操作方面，自动化程度还很低，造成试验周期长，难以大规模展开；数据处理和整合难，往往许多人重复了大量的工作其结果无法实现有效的整合，人为影响也比较大；由于基因沉默效应的存在，插入的基因往往不表达。玉米转基因植株往往出现矮化、散粉结实性差的现象，因此一些玉米转基因研究仍然停留在试验阶段，还没有实现产业化。以上大量因素的存在，制约着玉米生物技术育种的发展。1- 5结合我国目前主要推广的玉米品种的特点，未来我国玉米育种时应注意这几个方面：、高产和抗性结合的选择。高产是玉米育种追求的永恒目标，但是抗性是带来高产保证不可或缺的必要条件，所以说，高产和抗性的选育是玉米育种中一个永恒的课题。、品种果穗性状优良。选育的品种要具备优良的穗部性状。优良的果穗性状应包括果穗长、行数多、出籽率高、籽粒大、容重高、籽粒排列整齐紧密、秃尖小、穗轴细等，这些与产量也是密切相关，所以育种者也应侧重穗选这个重要环节。、加强传统育种与生物技术的有机结合，尽力保护种质资源(特别是我国丰富的玉米地方品种资源)的多样性，避免可能出现的负面影响，防患于未然。参考文献：1.张世煌、徐伟平、李明顺等；玉米育种面临的机遇和挑战J；玉米科学；2008,16（6）：1-52.曹士亮、王成波；生物技术在玉米育种中应用的现状和展望J；黑龙江农业科学；2008（3）：14-163.刘洁；生物技术在玉米育种中的应用J；科学情报开发与经济；2005,15（2）4.吴永升、莫健伟、谭华等；生物技术在玉米育种中的应用J；广西农业科学；2006,37（2）：104-1065.曲健磊；玉米育种的现状及未来发展探析J；黑龙江科技信息；6.蔡春荣、许海涛；玉米育种中分子标记的研究进展与应用J；现代农业科学；2008,18：168-1717.毛梅芬；分子标记在玉米育种中的应用J；内蒙古科技与经济；2009,14（192）：598.余丽霞、李文建、董喜存；离子束生物技术及其在玉米育种中的应用J；同位素；2008,21（4）:235-2409.刘纪麟；玉米育种的策略J；玉米科学；2003:54-5710.田清震、张世煌、李新海等；玉米育种发展动态J；玉米科学；2007，15(1)：242811.扬风玲、林本淼、张桂华等；植物孤雌生殖在玉米育种中的应用J；内蒙古农业科技；2008，6：788012.佟屏亚；20 世纪中国玉米品种改良的历程和成就M；中国科技史料2001，22（2）:113 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