(一). 浅谈基因工程在玉米遗传育种中的应用 育种工作者都希望培育出性状优良的品种.而实现这一目标的关键是得到目的基因和对高产.优质.抗病虫等目标性状的选择.过去人们多借用形态学和同工酶等遗传标记来辅助育种.并已在玉米育种中获得了成功.但由于受环境等因素影响.这些方法要求经验丰富的育种者花费较长的时间.近年来.基因工程在玉米遗传育种中取得了巨大进展.基因工程弥补了玉米遗传资源的不足．并解决了过去不能解决的难题. 1基因工程在玉米遗传育种中的应用现状 1．1基因工程的进展及应用概况 20世纪80年代初.RFLP作为遗传标记构建人类遗传连锁图首次使用.随后各种分子标记技术发展迅速．并在动.植物遗传的研究中得以广泛应用.1983年第一个转基因植物问世.随后基因工程发展日新月异.迄今为止．全世界已分离目的基因100多个.获得转基因植物近200种.有的已进入或正在进入商业开发阶段.植物基因工程对高科技农业发展的重要性举世瞩目.基因工程集现代新技术为一体.如DNA重组技术.分子杂交技术.细胞培养技术.基因转化技术和基因表达调控技术等.使育种途径进入了一个高新技术时代.1988年以前.玉米组织培养只能用愈伤组织再生植株.原生质体再分化植株没有成功.直到1993年.玉米基因工程研究才取得了一系列成绩.在玉米遗传育种中常用的基因工程技术主要有分子标记.DNA重组技术等.转基因技术方法主要有农杆菌.基因枪.PEG介导等方法.到目前为止.在玉米基因工程中应用最多.效果最好的转基因方法就是基因枪法.分子标记自1980年以来发展迅速.多种DNA分子标记技术的应用.解决了许多玉米遗传育种工程技术上的难题.转基因技术.分子标记技术等基因工程技术被广泛应用于玉米自交系的遗传多样性分析.玉米优势群划分.玉米雄性不育系的研究．玉米品质改良.玉米病虫害抗性等方面. 1．2基因转化技术在玉米遗传育种中的应用 玉米转基因技术应用领域十分广泛.主要应用在抗除草剂玉米.特种玉米等方面.抗虫转基因玉米主要应用的是苏云金杆菌分离苏云金杆菌杀虫结晶蛋白基因和从植物中分离出的昆虫蛋白酶抑制基因(广泛应用的是豆胰蛋白酶抑制剂基因CpTL及植物凝集素基因等.目前所发现的Bt基因．可以毒杀鳞翅目.双翅目.鞘翅目的昆虫.CpTL对于许多给农业生产造成重大经济损失的害虫都具有抗性.其中包括玉米螟.鞘翅目的玉米根叶甲.杂拟谷盗.直翅目的蝗虫等.将抗除草剂耐性引入玉米是增加除草剂选择及安全性的一种新途径.BASF公司开发的抗除草剂玉米对于稀禾定具有高度耐受性.使其可以在玉米发芽后喷施.防止所有的禾本科杂草.美国得克萨斯大学试验站的ProdiGene公司把遗传工程玉米天然产生的特别蛋白推向市场.抗冻蛋白(AFP)是具有降低冰点和减少冰晶生长速度的蛋白质．通过电激法人工合成的黄盖鲽AFP基因被导入玉米原生质中并获得了表达.近年来．转基因玉米层出不穷.1998年.转基因玉米占全球转基因作物面积的30%．仅次于转基因大豆．主要是抗虫玉米和耐除草剂玉米. Mcumullen等报道抗玉米矮花叶病毒基因mdml被定位于6号染色体短臂上.大量研究表明.玉米抗病虫基因在染色体上聚群存在.这有利于提高抗病基因的克隆效率.利用玉米抗性基因群可以在有抗病基因存在的染色体区段构建高密度的遗传连锁图谱.这种图谱可以用来克隆目标基因.总之.随着大量抗病基因分子标记的不断发掘及精确定位.标记辅助选择必将在常规抗病育种中发挥愈来愈重要的作用.随着分子生物学的发展.一大部分控制重要性状的基因相继被定位到饱和的分子标记图谱上．可利用图谱分离和克隆这些基因.最终用基因工程手段来改良品种.此外.DNA分子标记技术.还用来进行种性和种子质量鉴定.这也为品种知识产权保护和种子质量监测提供了可靠依据. 1．3分子标记技术在玉米遗传育种中的应用 随着分子生物学的发展.开发了一类基于DNA变异的分子标记.目前.已开发了多种分子标记.主要有:限制性片段长度多态性.随机扩增多态DNA.扩增片段长度多态性.简单序列重复(SSR).序列特异扩增区域.单链构象多态性.单核苷酸多态性(SNP)和数量可变串联重复等.分子标记直接以DNA形式表现.不受环境条件和发育阶段的影响.标记的数目多.多态性高.有许多分子标记表现为共显性．能提供完整的遗传信息.分子标记可用于分子图谱构建.基因定位.DNA指纹库建立等.Helentiaris等用100多个500-1000bp的简单序列克隆建立了第一张玉米RFLP分子标记遗传图谱．定位于113个位点.到1995年玉米遗传连锁图已经定位了1 168个RFLP标记.根据DNA分子标记.可以准确定位玉米的各种质量性状和数量性状基因.使育种者可更清楚地了解一些重要性状的遗传基础.有助于根据基因间的互作效应.基因与标记间的遗传距离等.决定选用哪种育种方法．配制多少组合及培育多大供选群体.从而制定高效育种计划.1991年.Ottaviano.Reiter和Beavis分别应用RFLP技术.对控制玉米耐热性.低磷环境胁迫和株高3个性状进行了分子标记.到1996年．玉米的株高.穗位高.叶片数.叶面积.雄穗分枝数.吐丝期.抗倒性.抗旱性.穗长.穗粗.穗行数.百粒重.粒深.单株粒重.蛋白质含量.淀粉含量.油脂含量等主要数量性状.都已进行了标记.在辅助选择及杂种优势分析方面．近年来．许多育种者利用DNA分子标记提示的遗传多样性.计算自交系之间的遗传距离．并以此预测杂种优势.Ai- mone用一次能够标记200多个位点的AFLP技术．分析不同杂种优势群间13个自交系的遗传差异．发现特殊遗传距离与特殊配合力之间具有一定的相关性.Mumm等和Dubreuil等成功地利用RFLP标记对欧洲和北美的常用玉米自交系进行了杂种优势群划分.刘新芝等利用RAPD标记首次对我国玉米自交系进行杂种优势群划分.吴敏生等利用AFLP分子标记技术研究了17个玉米优良自交系的遗传多态性．李新海等利用SSR标记研究21个玉米自交系的遗传变异.他们的研究结果表明AFLP.SSR可用于玉米自交系遗传变异分析．并可用于杂种优势群划分．这为玉米分子标记辅助育种.选配杂种组合提供了理论依据.分子标记技术近年也已被成功用于玉米抗病虫遗传研究. 2基因工程在玉米遗传育种中的应用展望 2．1基因工程在玉米遗传育种中存在的问题 如前所述转基因中．抗虫的Bt基因潜在问题是害虫可能会产生抗性．解决方法是将遗传工程植株和非工程化植株混种．以保证在繁育群体中保留一部分未经筛选的害虫.或同时使用两种以上Bt基因转化农作物或联合使用Bt基因和其他类型的抗虫基因:CpTL基因要求能够在转基因植物中高效表达.给基因工程带来一定困难.解决这一问题的关键在于对表达的不同调控机理的深入研究上.利用植物凝集素基因进行玉米抗虫基因工程刚刚开始不久.获得的转基因植株是否对人.畜无害.还有待进一步研究证实.另外.广泛种植的转基因Bt花粉能够杀死一种蝴蝶.这种昆虫体表接触到Bt花粉之后．就会逐渐死亡.基因工程与环境关系方面的问题有待加强研究.另一方面.基因工程还存在基因转化率低的问题.目前.已获得的许多植物的转基因植株.实际上都是进行了大量的重复实验而得到的几个转化体克隆.玉米方面高频再生受体系统中的再生频率低.基因型依赖性强.组织培养水平也应随基因工程技术发展而需进一步提高.基因工程与常规育种的结合也应引起高度重视.我国在基因工程技术应用方面.由于财力所限和历史原因.起步较晚.与国际先进水平相比.有明显的差距. 2．2基因工程在玉米遗传育种中的应用展望 在饱和遗传图谱和分子标记的基础上.Pratt等开展了抗病基因分子标记辅助选择工作.尤其是QTLs的分子标记基因定位.使操作单个QTL成为可能.育种者可从单个主基因或单个QTL直接选择.在抗病基因和外壳蛋白基因克隆方面．利用转座子标记法已得到克隆的玉米抗圆斑病基因Hml.玉米的抗锈病基因RPI.玉米矮花叶病毒外壳蛋白基因相继被克隆.转基因玉米数量也是逐年增多.1998年转基因玉米在全球种植面积为830万hm2．1999年增至1100万hm2.油分含量高.加工品质好.营养丰富.是将来玉米转基因的研究方向.因而转基因研究应从单基因的转化向多基因转化方向发展.加强特种玉米的转基因研究.我国要加强国际间合作.充分利用我国的资源优势和现有成果.用不同的分子标记来实现我们自己的研究目的.利用分子标记．建立我国玉米自交系和杂交种遗传脆弱性监测机制及体系.通过研究遗传多样性.为玉米种质资源收集.保存和利用.为亲本选择.玉米类群的划分和组建提供依据.同时加强基因工程在杂种优势预测方面的研究.使基因工程更好地服务于玉米遗传育种工作.将基因工程与常规育种方法结合起来.可以准确地鉴定基因型.例如.可以先用常规方法把多个抗性基因组装在一起.然后利用分子标记技术快速.准确地鉴定出多抗性基因型.应用基因工程技术与常规育种方法紧密结合是玉米育种的一个突破方向.而实现种间.属间甚至动.植物间的基因流动是另一个突破方向. 目前.发展起来的基因芯片技术弥补了传统核酸印迹杂交技术复杂.自动化程度低.检测目标分子数量少.成本高.效率低等不足.已被广泛应用于基因表达研究.发现新基因等领域.将来有望在玉米遗传育种上发挥其重要作用. 【
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