尹祥佳 李 晶 王雅琳 王劍虹

（蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

玉米（Zea maysL.）是全球也是我國第一大作物，主要用于主糧食用、飼料和燃料生產(chǎn)原料。玉米作為一種基礎(chǔ)研究模式植物，也是雜交良種應(yīng)用最早、商品化率和經(jīng)濟(jì)效益較高的作物，就播種面積和總產(chǎn)量而言在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中起著重要作用[1-3]。據(jù)中國報告網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，2019 年我國玉米播種面積達(dá)4128 萬hm2，總產(chǎn)量2.6 億t，雜交玉米制種面積17.06 萬hm2，生產(chǎn)玉米雜交種子9.9 億kg[4]，這些都得益于我國玉米育種科研實(shí)力的顯著提升。

我國玉米育種模式發(fā)展經(jīng)歷了傳統(tǒng)經(jīng)驗育種、雜種優(yōu)勢育種和現(xiàn)代生物工程育種3 個時期[5]，長期以來，以玉米雜交育種為代表的傳統(tǒng)育種為我國育成了大量的優(yōu)良品種，有力保障了我國玉米生產(chǎn)。近些年，隨著測序技術(shù)的快速發(fā)展和測序成本的下降，已經(jīng)有B73 等在內(nèi)的8 個玉米骨干自交系完成了全基因組測序工作，掌握了遺傳密碼[6]，這些玉米基因組遺傳信息的發(fā)布為發(fā)掘大量SNP 分子標(biāo)記提供了基礎(chǔ)，并能夠快速高效地改良和提高玉米品種的產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性等重要性狀，幫助育種家選育優(yōu)良的玉米品種[7]。

SNP 分子標(biāo)記具有多態(tài)性豐富，在玉米染色體上分布均勻，共顯性、準(zhǔn)確性高，可重復(fù)性好，易于高通量試驗等優(yōu)點(diǎn)，成為了玉米分子育種研究的首選技術(shù)手段[8]。因此，本文對SNP 標(biāo)記技術(shù)及其在玉米遺傳多樣性分析、構(gòu)建遺傳圖譜及QTL 分析、全基因組關(guān)聯(lián)分析、品種真實(shí)性和純度鑒定等方面的應(yīng)用進(jìn)行闡述，以期為玉米分子育種提供一些參考。

1 SNP 標(biāo)記

分子標(biāo)記是DNA 分子堿基序列變異引發(fā)的多態(tài)性標(biāo)記，按照技術(shù)原理可分為3 大類：第1 類是DNA 分子雜交標(biāo)記技術(shù)，如RFLP 標(biāo)記；第2 類是以PCR 為基礎(chǔ)的技術(shù)，包括RAPD、AFLP 和SSR；第3 類是基于基因組測序的分子標(biāo)記，其中SNP 標(biāo)記成為目前主要應(yīng)用的分子標(biāo)記技術(shù)[9]。SNP 是指在基因組水平上由于單個核苷酸的轉(zhuǎn)換、顛換、缺失和插入等4 種變異而引起的基因組水平的多態(tài)性表現(xiàn)，玉米基因組的每個SNP 標(biāo)記平均密度大約為57bp。SNP 標(biāo)記技術(shù)的研究包括SNP 的發(fā)掘和SNP 基因型鑒定技術(shù)，目前SNP 基因型鑒定技術(shù)有基因芯片技術(shù)、KASP 分型技術(shù)、TaqMan 探針技術(shù)、特異性引物延伸法（SPE）、高分辨率熔解曲線（HRM）、Illumina Goldengate 基因分型法、基于測序的基因分型技術(shù)（GBS）、FP-TDI 和引物入侵技術(shù)（InvaderTM）[10]，這些技術(shù)在玉米分子育種中有著廣泛的應(yīng)用。

2 SNP 標(biāo)記的應(yīng)用

2.1 玉米遺傳多樣性分析玉米是利用雜種優(yōu)勢最為充分的作物。目前，通過分析玉米親本的遺傳多樣性，劃分雜種優(yōu)勢群，不斷開發(fā)和使用玉米種質(zhì)資源，為選育出高品質(zhì)和高產(chǎn)量的玉米品種提供了重要的理論和材料基礎(chǔ)。運(yùn)用SNP 標(biāo)記技術(shù)對玉米自交系的遺傳多樣性進(jìn)行分析，劃分雜種優(yōu)勢群已經(jīng)成為玉米育種最為有效的途徑。王文斌等[11]利用2846 個高質(zhì)量SNP 標(biāo)記對陜A 群11 個優(yōu)良自交系和陜B 群12 個自交系進(jìn)行了遺傳多樣性分析，將23 份選育的自交系劃分為2 個類群。趙久然等[12]利用MaizeSNP3072 芯片對344 份玉米自交系進(jìn)行全基因組分析，將344 份自交系劃分為8 個類群，從分子水平驗證了“X 群×黃改群”雜優(yōu)模式，研究提出了國外種質(zhì)資源與本地資源形成優(yōu)勢互補(bǔ)，進(jìn)一步選育優(yōu)良玉米品種。吳金鳳等[13]利用1041 個SNP 位點(diǎn)將51 份玉米自交系劃分為7 個雜種優(yōu)勢群，其中6 個類群中的瑞德群和改良瑞德群之間的遺傳距離最近，旅大紅骨群和P 群之間的遺傳距離最遠(yuǎn)，9 份糯玉米自交系為獨(dú)立的雜種優(yōu)勢群，劃分結(jié)果與系譜來源基本一致，能夠有效指導(dǎo)自交系組配和測配工作，提高育種效率。姜思奇等[14]利用56kSNP 芯片將44 份遼寧省玉米自交系劃分為4 個雜種優(yōu)勢群，研究得出根據(jù)不同的試驗?zāi)康倪x用不同密度SNP 劃分雜種優(yōu)勢群，能夠有效提升試驗效率。盧媛等[15]利用Axiom Maize 55K 芯片上的34257 個SNP 標(biāo)記將44 份不同來源的糯玉米自交系和5 份普通玉米自交系劃分為5 個類群，研究得出糯玉米種質(zhì)資源遺傳基礎(chǔ)狹窄，要不斷拓寬親本的遺傳基礎(chǔ)，提供廣泛的玉米育種種質(zhì)資源。因此，隨著玉米基因組高通量測序技術(shù)發(fā)展，SNP 標(biāo)記研究成本逐漸下降，開發(fā)出了大量的SNP 位點(diǎn)用于玉米種質(zhì)資源的遺傳多樣性分析和雜種優(yōu)勢群的劃分，及時從分子水平掌握育種材料的親緣關(guān)系，為玉米分子育種提供基礎(chǔ)育種材料。

2.2 構(gòu)建遺傳圖譜及QTL 分析利用SNP 標(biāo)記對作圖群體進(jìn)行基因型分析，選擇育種材料親本間多態(tài)性SNP 標(biāo)記，構(gòu)建遺傳圖譜，進(jìn)行產(chǎn)量和抗性性狀相關(guān)的QTL 分析。高星等[16]以黃早四和旅28為親本構(gòu)建了重組自交系（RIL）群體，利用GBS 方法對群體進(jìn)行基因型分型，構(gòu)建了遺傳圖譜，研究了玉米籽粒灌漿特性與生育期相關(guān)性狀的QTL，在bin 4.05 和bin 9.04 區(qū)間內(nèi)分別檢測到僅與灌漿速率相關(guān)的主效QTL。賴國榮等[17]以X178 和NX531 為親本構(gòu)建了重組自交系（RIL）群體，應(yīng)用測序的基因分型技術(shù)（GBS）獲得基因型純合的多態(tài)性SNP位點(diǎn)，得到了20 個營養(yǎng)品質(zhì)性狀相關(guān)QTL。秦偉偉等[18]以玉米自交系黃早四和Mo17 為親本，構(gòu)建包含130 個重組自交系（RIL）群體，基于GBS 技術(shù)獲得的高密度多態(tài)性SNP 位點(diǎn)，構(gòu)建了包含1262個Bin 標(biāo)記的高密度遺傳圖譜，研究了籽粒大小及百粒重性狀的QTL。許理文等[19]以先玉335 構(gòu)建了雙單倍體（DH）群體，基于MaizeSNP3072 芯片的1337 個SNP 標(biāo)記，得到了2 個玉米容重性狀相關(guān)QTL。鄭德波等[20]以K22×CI7、K22×Dan340的F2群體為作圖群體，用Illumina Maize SNP 500G基因芯片構(gòu)建了2 個連鎖圖譜，研究得出第7 染色體上可能存在控制株高和穗位高的主效QTL。張春宵等[21]以鄭58 和昌7-2 為親本構(gòu)建了包含151 份重組自交系（RIL）群體為作圖群體，通過MaizeSNP3072 芯片進(jìn)行基因型分析，篩選出1407個有效多態(tài)性SNP 標(biāo)記，定位了玉米萌發(fā)期和苗期的耐鹽和耐堿的相關(guān)性狀QTL。王輝等[22]以鄭58和HD568 為親本構(gòu)建了220 個重組自交系（RIL）群體為作圖群體，利用MaizeSNP3 芯片完成基因型分析，得到了在不同種植密度下玉米穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)的42 個穗部性狀QTL。因此，通過SNP 標(biāo)記構(gòu)建遺傳圖譜及QTL 分析，揭示玉米相關(guān)性狀的遺傳調(diào)控機(jī)制，從而為玉米相關(guān)性狀的主效QTL 精細(xì)定位及挖掘候選基因奠定了扎實(shí)的研究基礎(chǔ)。

2.3 全基因組關(guān)聯(lián)分析全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）具有更高的分辨率和更廣泛的遺傳變異。近年來，隨著高通量測序技術(shù)的應(yīng)用，開發(fā)出了大量的玉米SNP 標(biāo)記并應(yīng)用于玉米全基因組關(guān)聯(lián)分析[23]。2008 年首次報道了通過全基因組關(guān)聯(lián)分析法研究了影響玉米自交系籽粒中脂肪酸含量的基因，全基因組關(guān)聯(lián)分析可以作為分析玉米不同性狀、挖掘優(yōu)良基因的有效途徑，是一種QTL 精細(xì)定位策略[24]。吳律等[25]以80 份吉林省核心玉米自交系作為關(guān)聯(lián)群體，利用第2 代測序技術(shù)對關(guān)聯(lián)群體進(jìn)行全基因組重測序，精細(xì)定位與行粒數(shù)緊密關(guān)聯(lián)的SNP 分子標(biāo)記，挖掘出4 個玉米行粒數(shù)候選基因。張煥欣等[26]以203 份主要玉米自交系為關(guān)聯(lián)群體，用Illumina 公司開發(fā)的MaizeSNP50 BeadChip 芯片進(jìn)行基因型檢測，用41101 個高質(zhì)量的SNP 標(biāo)記進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)9 個與穗行數(shù)顯著關(guān)聯(lián)的SNP，發(fā)掘出了4 個玉米穗行數(shù)候選基因。邵曉宇等[27]以292 份自交系組成自然群體，用Illumina 公司開發(fā)的MaizeSNP50 BeadChip 芯片進(jìn)行基因型檢測，用25331 個SNP 基因型數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)28 個與穗粗顯著關(guān)聯(lián)的SNP，發(fā)掘了9 個玉米穗粗候選基因。李凱等[28]以360 份玉米自交系為試驗材料，用Illumina 公司開發(fā)的MaizeSNP50 芯片進(jìn)行基因型檢測，篩選出44569 個高質(zhì)量的SNP 標(biāo)記進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，得到了6 個與株高顯著關(guān)聯(lián)的SNP 位點(diǎn)，18 個與穗位高顯著關(guān)聯(lián)的SNP 位點(diǎn)。滕守振等[29]分析了287 份玉米自交系第一片葉的葉綠素含量，利用558269 個SNP 分子標(biāo)記進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)性分析，得到了9 個與玉米葉片葉綠素含量顯著關(guān)聯(lián)SNP 位點(diǎn)和16 個候選基因。彭勃等[30]以285 份玉米自交系為研究材料，用MaizeSNP50 BeadChip 芯片篩選出39827 個SNP 標(biāo)記進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)性分析，得到了玉米葉向值的27 個SNP 位點(diǎn)，挖掘了15 個控制玉米葉向值的候選基因。田潤苗等[31]測定了476 份玉米自交系種子萌發(fā)相關(guān)的6 個性狀，結(jié)合1.25M 的SNP 標(biāo)記進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)分析，檢測到了15 個種子萌發(fā)相關(guān)性狀的顯著SNP 位點(diǎn)和6 個候選基因。董青松等[32]以吉林省80 份核心玉米自交系為關(guān)聯(lián)群體，用IlluminaPE150 進(jìn)行測序，對子粒脂肪含量和1490007 個高質(zhì)量的SNP 標(biāo)記進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，得到了10 個與玉米子粒脂肪含量顯著相關(guān)的SNP 和6 個候選基因。除此之外，相關(guān)文獻(xiàn)還報道了研究玉米抗粗縮病[33]、絲黑穗病[34]、耐旱[35]、耐鹽[36]和耐低磷[37]的全基因組關(guān)聯(lián)分析。因此，利用測序技術(shù)和SNP 芯片技術(shù)對玉米重要產(chǎn)量性狀、養(yǎng)分利用、光合作用、抗旱和抗病相關(guān)性狀進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，挖掘候選基因，為基因克隆和功能驗證、功能分子標(biāo)記開發(fā)及選育優(yōu)良玉米育種材料奠定了基礎(chǔ)。

2.4 品種真實(shí)性和純度鑒定我國玉米種子商品化率為100%，市場規(guī)模占7 種重要農(nóng)作物種子市值的3 成以上，2020 年全國商品玉米種子使用量達(dá)10.55 億kg，市場規(guī)模為282.25 億元[38]。玉米種子質(zhì)量直接關(guān)系到玉米種植產(chǎn)量和品質(zhì)，玉米品種真實(shí)性和純度的鑒定成為了至關(guān)重要的技術(shù)指標(biāo)。李雪等[39]比較研究了SNP 和SSR 分子標(biāo)記在11 份玉米雜交種的真實(shí)性方面的差別，SNP 標(biāo)記技術(shù)在試驗數(shù)據(jù)整合和高通量方面具有一定的優(yōu)勢。田紅麗等[40]研究利用384 個核心SNP 位點(diǎn)構(gòu)建了335 個國審玉米雜交種的DNA 指紋圖譜數(shù)據(jù)，可以應(yīng)用在高密度的SNP 芯片平臺，高通量的KASP 和Taqman 技術(shù)平臺，以及高通量的測序平臺，為玉米品種分子鑒定提供了數(shù)據(jù)支撐。吳明生等[41]利用TaqManSNP 分型技術(shù)快速鑒定出了中糯2 號、鄭單958、北農(nóng)301、農(nóng)大86 和京農(nóng)科728 等5 份玉米雜交種的純度。姚宗澤等[42]將SNP 分子標(biāo)記的高分辨率熔解曲線（HRM）技術(shù)與田間小區(qū)鑒定法進(jìn)行了比較研究，驗證了SNP 分子標(biāo)記HRM 技術(shù)鑒定玉米雜交種家佳榮2 號純度的可靠性，提出了鑒定玉米雜交種新的方法。因此，隨著SNP 分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，不斷展現(xiàn)了其高通量、微型化和自動化的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢，將廣泛應(yīng)用于玉米品種真實(shí)性和純度鑒定研究[43]。

3 展望

隨著SNP 分子標(biāo)記技術(shù)的快速發(fā)展，SNP 分型技術(shù)不斷完善，試驗結(jié)果將更加科學(xué)、準(zhǔn)確。SNP標(biāo)記技術(shù)在玉米遺傳多樣性分析、構(gòu)建遺傳圖譜及QTL 分析、全基因組關(guān)聯(lián)分析、品種真實(shí)性和純度鑒定等玉米育種方面的研究充分體現(xiàn)出了技術(shù)的優(yōu)越性。SNP 分子標(biāo)記技術(shù)能夠有效劃分玉米雜種優(yōu)勢群、挖掘抗性基因、實(shí)現(xiàn)主效基因的精細(xì)定位，能夠?qū)﹄s交育種等傳統(tǒng)育種理論和技術(shù)進(jìn)行輔助育種，幫助育種家精準(zhǔn)了解現(xiàn)有玉米育種材料的優(yōu)良性狀，進(jìn)行統(tǒng)籌有效的設(shè)計育種，直接加速育種材料實(shí)現(xiàn)優(yōu)良基因的選擇和有效聚合，縮短育種年限，極大提高玉米育種效率，將對玉米育種理論研究和玉米新品種選育產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。