玉米育种中分子标记的研究进展与应用

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　　摘要 分子标记技术的开发利用使玉米育种家有可能直接根据基因型而不是表现型进行选择，在玉米育种工作中起着越来越重要的作用。综述了玉米育种中主要的分子标记和近年来分子标记技术在玉米遗传图谱构建、目标基因的标记与定位、遗传多样性研究、品种真实性鉴定、杂种优势预测以及分子标记辅助选择中的应用。
　　关键词 玉米育种；分子标记；应用
　　中图分类号 S513.035.3文献标识码A文章编号1007-5739（2008）18-0168-02
　　
　　分子标记是20世纪80年代随着分子生物学的发展开发的一类以DNA多态性为基础的遗传标记，它能够反映植物在遗传物质DNA水平下产量差异，是生物遗传物质变化的外在反映，信息量极为丰富，而且不受外部环境的影响[1]。在植物的不同发育阶段、不同环境条件下、不同组织中都可以进行检测，使得对基因型的早期选择成为可能，而且在后代中表现显性、共显性遗传。不仅有利于对隐性基因控制的农艺性状进行选择，而且可以利用与目标基因紧密连锁的分子标记对育种后代材料进行相关选择，提高选择的准确性，缩短育种年限，减少工作量，提高育种效率。分子标记技术的迅猛发展，促进了玉米育种研究各个领域的发展。
　　
　　1玉米育种中的主要分子标记
　　
　　1.1RFLP
　　RFLP即限制性片段多态性。其基本原理是检测DNA在限制性内切酶酶切后形成的特定DNA片段的大小，包括基因组DNA限制性酶切、电泳分离、southern转移、特异性探针杂交检测等步骤。
　　1.2RAPD
　　RAPD即随机扩增多态性，是由Williams（1990）和Welsh（1990）领导的2个研究小组同时发现的一种新的DNA分子标记。它是以PCR为基础，利用人工合成的随机序列寡核苷酸作引物，以生物的基因组DNA作为模板进行PCR扩增反应，产生不连续的DNA产物，通过琼脂糖凝胶电泳来检测DNA序列的多态性。
　　1.3AFLP
　　AFLP即扩增的酶切片断长度多态性，是由Zebeau等（1993）发明的利用PCR检测DNA多态性的一项技术。其基本原理是基因组DNA用限制性内切酶消化产生大小不等的DNA片段，经添加接头和PCR选择扩增、电泳形成丰富DNA标记。AFLP标记结合了RFLP和RAPD的优点，具有多态性丰富、所需DNA量少、结果稳定可靠、重复性好等特点。
　　1.4SSR
　　SSR又称为简单重复序列，是由1～9个bp对为重复单位组成的高度重复序列。在染色体上呈随机分布。由于重复次数和重复程度不同，造成了每个基因位点的多态性。可以根据重复单元两端存在的保守序列设计引物，经PCR扩增、电泳等技术进行检测。
　　
　　2分子标记在玉米育种中的研究进展与应用
　　
　　2.1DNA指纹图谱建立、品种鉴定及种子纯度检测
　　作物性状大多属数量性状，由多基因控制，易受环境影响，分子标记可以用来建立DNA指纹库，利用DNA指纹图谱可以进行玉米自交系及杂交种的分类与鉴定。根据种质资源DNA指纹的多态性，可以对育种材料的变异丰富做出评价。在杂交育种中，可以选择到各个目标性状互补程度最大的亲本，以便在后代中有可能选择到综合性状最优的单株。另外通过建立主要玉米自交系和主要推广杂交种的指纹图谱，可以很有效地鉴定品种纯度，对种子质量进行监测。赵久然等[2]利用5个玉米单交种子粒的果皮，以160对SSR引物进行SSR分析，表明果皮中的DNA具有与杂交种母本完全相同的DNA指纹，可通过杂交种获得其母本的全套DNA及其指纹图谱。李晓晖等[3]以21份玉米骨干自交系组配的13个杂交种为材料进行SSR分析，结果表明，应用2～3个引物组合构建的SSR图谱通过统计测验就可以将13个杂交种完全区分，SSR技术结合单子粒DNA快速提取的方法可以快速、准确地鉴定玉米杂交种纯度[3]。
　　2.2总标记与杂种优势预测
　　利用分子标记研究亲本遗传差异与杂种优势的相关性首先是在玉米中展开的，分子标记遗传距离与杂种产量及杂种优势表现之间存在的相关性为预测杂种优势提供了新方法。Smith等[4]发现，亲本间RFLP的遗传距离和杂种优势有着显著的正相关性；Godshalk[5]等则观测到亲本间RFLP的遗传距离和F1杂种产量及杂种优势间的相关性很低。Melchinger等[6]指出，在同一杂种优势组内亲本间RFLP的遗传距离和F1表现的相关性高；亲本来源于不同的杂种优势组时，相关性低。吴敏生等[7，8]研究了17个玉米自交系的AFLP分子标记与相应136个单交种的产量、产量杂种优势的关系，结果发现：基于AFLP数据计算的遗传距离与杂种产量、产量杂种优势的相关性均达到显著水平，但决定系数（r2）都很小；当亲本材料改变时，它们的相关性也随着改变，尤其是当亲本自交系亲缘关系较远时，二者完全不相关，分群后其相关性显著提高，可用于玉米杂种优势群的划分，认为利用AFLP技术预测杂种优势、杂种产量作用有限。
　　2.3基因定位
　　玉米许多重要的农艺性状表现质量性状遗传的特点，如抗病、育性等，利用分子标记进行质量性状目标基因定位，通过分子标记与目标性状的重组值来估计标记与性状的连锁关系及其遗传距离，应用多个标记与性状的连锁分析，就可以把控制某性状的基因准确定位在某2个确定的标记间的精确座位上[9]。Wise（1994）将T组育性恢复基因Rf1、Rf2分别定位在距分子标记umc97、umc153为1.5cm、3.8cm的位点上。石永刚等（1997）找到了玉米S组育性恢复基因Rf3相连锁的2个标记，一个距离为4.8cM的RFLP标记，另一个距离为2.3cM的RAPD标记。李家立（1998）将2个与玉米大斑病抗性基因Ht1连锁的RFLP标记进行了定位，发现它们除位于第2染色体上，第7染色体上也有其同源序列存在。对于其他表现为数量性状遗传特点的农艺性状，如玉米的产量性状、成熟期、品质、抗旱性，完整的高密度分子标记图谱给数量性状位点（QTL）提供了有用的工具，它完全可以将控制数量性状的基因总体分解成许多个QTL，逐个进行分析，不但可以确定每个QTL的位置和控制某一数量性状的QTL数目，还可以估算每个QTL对数量性状影响的程度和性质。Veldboom（1994）研究指出，位于6L上的一个位点npi286与产量性状的关系最为密切，约占产量总变异的35%。Stuber（1995）等人已利用分子标记将玉米高产基因从自交系TX303转移到B73中，从Oh43转移到Mo17中，育成了B73和Mo17各自的增强型自交系。
　　2.4辅助选择育种
　　分子标记辅助选择（MAS）是指在植物育种改良中利用分子标记提高选择效率。在传统的育种工作中，对目标性状的选择主要是根据形态标记进行的，要求时间长，而且所依赖的表型性状易受到许多环境因素的影响，不很可靠。分子标记的应用极大地提高了性状选择的效率和准确性，通过对其遗传背景进行准确考察，并通过MAS获得带有不同优良基因的个体，减少了育种过程的盲目性和周期性。在玉米育种中，分子标记辅助选择是通过分析与目标基因紧密连锁的分子标记来判断目标基因是否存在，大大加速目标基因的转移和利用，从而提高回交育种的效率，较早淘汰不利相关性状，设计和培育理想品种，其快速、准确的优越性已在实践中表现。夏军红等[10]利用多种分子标记开展了玉米Rf3近等基因系的选择研究，结果表明，通过1代表型选择和2代MAS，可育单株遗传背景与轮回亲本最相似程度已达98%。
　　2.5玉米自交系的遗传多态性及杂种优势群研究
　　研究玉米自交系的遗传变异及其之间的亲缘关系，从而进行类群划分是构建玉米杂种优势群的重要依据，是提高选育优良杂种效率的基础性工作。国内外学者利分子标记在玉米中，特别是在玉米的遗传多态生分析和杂种优势群划分方面做了大量的研究工作。Senior M.L.等[11]用70个SSR标记位点研究了94份自交系的遗传多态性，从中检测到365个等位基因变异，每个位点检测到等位基因数2～23个，平均为5个，PIC值的变幅在0.17～0.92，平均为0.59，SSR多态性所揭示的遗传变异模式与已知血缘关系一致，聚类分析成功地将供试材料分为9个类群，与北美玉米的主要杂种优势群或市场分类相符。在国内，李新海等[12，13]首先利用SSR标记研究了21个玉米自交系的遗传变异，并初步进行了杂种优势群划分，43对SSR引物共检测出127个等位基因变异，每对引物检测到等位基因2～7个，平均为2.95个，平均PIC值为0.511，将供试自交系分为两个类群，5个亚群，划群结果与其系谱关系基本一致，多数高产组合亲本分别来自不同类群，而在群（亚群）内无高产组合。他用同样方法划分了我国70份主要玉米自交系的杂种优势群，用64对引物从供试材料中共检测248个等位基因变异，每对引物检测出等位基因2～9个，平均3.88个，平均PIC值为0.523。试材分属于塘四平头、旅大经骨、PA、PB、BSSS及Lancaster 6个类群，划群结果与系谱分析和育种家经验基本相符。
　　
　　3结语
　　
　　分子标记作为一种新的遗传标记技术发展不过几十年，却具有很强的生命力，十分活跃，呈现出广阔的应用前景和巨大的应用潜力。它从更深层次上揭示了基因与性状之间的关系，使育种选择从操纵表型真正进入到操纵基因的阶段，能从更广泛的空间认识基因的作用，找到充分利用遗传资源的途径，为玉米遗传育种研究开辟了新的途径，为玉米种质资源和品种的鉴定、分类、遗传图谱构建及目标性状基因标记等提供了理想的方法。在玉米种质资源利用方面，分子标记技术是迅速有效的DNA检测工具，可以通过探查、挖掘、收集玉米的重要农艺基因，进行分类整理，为玉米育种提供原始材料或谱克隆重要基因。根据玉米育种目标，设计出能最大限度地综合利用有利基因和避免不利基因的最佳杂交组合，这将有利于促进玉米品种的改良。分子标记的应用，尤其是在分子辅助早期选择方面的应用前景更为广阔，有目的地将所需基因导入，然后根据分子遗传图谱和重要基因的分子标记，对杂交后代群体进行早期选择，筛选出含有目的基因的植株，这将大大提高选择准确性和育种效率，缩短育种年限，加快玉米育种进程。
　　4参考文献
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