SNP分子標記在玉米非生物逆境抗性上的研究進展

于滔 曹士亮 張建國

摘要 玉米是我國第一大糧食作物，干旱、低溫、洪澇等非生物逆境的頻繁發生嚴重影響玉米的產量。玉米非生物逆境抗性多為復雜數量性狀，傳統的抗逆育種研究進展緩慢。單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphism，SNP）分子標記因具有多態性豐富、一致性好、成本低、通量高等諸多優點而得到廣泛應用。論述了SNP分子標記在玉米非生物逆境抗性上的研究進展，以期為玉米分子標記輔助選擇育種奠定基礎。

關鍵詞 SNP;分子標記;玉米;非生物逆境

中圖分類號 S513文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）19-0007-03

Abstract Maize is the largest grain crop in China. The frequent occurrence of abiotic stresses， such as drought， low temperature，floods and so on seriously affects maize yield. Maize abiotic stress resistance is mostly complex quantitative traits， the advancement of traditional stressresistant breeding is still slow. Single nucleotide polymorphism （SNP） molecular markers are widely used due to their rich polymorphism，good consistency， low cost and high throughput. The research progress of SNP molecular markers on maize abiotic stress resistance was discussed in order to lay the foundation for maize molecular markerassisted selection breeding.

Key words SNP;Molecular marker;Maize;Abiotic stresses

玉米（Zea mays L.）是我國第一大糧食作物，2016年總產量高達2.2億t。近年來，由于干旱、低溫、洪澇等非生物逆境的頻繁發生，致使玉米產量遭到嚴重的影響。因此，加強玉米非生物逆境抗性研究在保障國家玉米安全生產方面無疑具有十分重要的現實意義。玉米非生物逆境抗性多為微效多基因控制的復雜數量性狀，傳統的抗逆育種研究進展緩慢。研究玉米抗逆性的分子機制、挖掘和有效利用抗逆性相關基因資源、創制抗逆性優良的玉米新種質、培育抗逆玉米品種是應對非生物逆境對玉米生產威脅的重要策略[1-2]。

單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphism，SNP）分子標記是一種以測序為基礎的第3代分子標記，是由基因組上單堿基的轉換、顛換、缺失和插入引起的DNA序列多態性變化。Rafalski[3]研究發現，玉米基因組中SNP出現的頻率非常高，平均每70 bp有1個SNP，SNP分子標記也因具有多態性豐富、一致性好、成本低、通量高等諸多優點，被開發應用于玉米品種鑒定、遺傳多樣性分析、重要性狀的基因定位與輔助育種等方面。近年來，隨著基因芯片和全基因組關聯分析（genome-wide association studies，GWAS）技術的快速發展，SNP分子標記更是被廣泛應用于玉米復雜遺傳網絡解析、候選基因挖掘等方面。為此，筆者對SNP分子標記在玉米非生物抗逆性研究的應用進展進行綜述，以期為玉米分子標記輔助選擇育種奠定基礎。

1 SNP分子標記在玉米耐旱研究中的應用

全球耕地面積的43.9%為干旱、半干旱地區[4]。我國玉米種植面積中，旱作面積約占2/3，每年由于干旱造成的玉米減產高達20%～30%[5]。

有很多學者開展了SNP分子標記在玉米耐旱研究，取得了豐碩的成果。國際玉米小麥改良中心（CIMMYT，International maize and wheat improvement center）利用10 000個SNP設計玉米耐旱芯片，對350份來自全球的玉米自交系進行GWAS，獲得大量參與玉米耐旱代謝遺傳網絡的候選基因及其變異位點[6]。蘇治軍[7]通過關聯分析，在干旱脅迫下找到dbf1基因中存在2個多態性位點與3個耐旱相關性狀存在顯著關聯。Lu等[8]利用1 536個SNP標記對干旱脅迫條件下的株高和植被均一化指數（NDVI）這2個性狀進行關聯分析，結果分別檢測到2和29個顯著的SNP。Xue等[9]進行了干旱脅迫和正常水分環境下9個性狀的關聯分析，共檢測到位于33個基因內42個顯著的SNP，其中3個基因定位在耐旱相關的QTL區段內。柳思思等[10-11]利用關聯分析法，在玉米基因組中共檢測到 29 個與玉米耐旱性緊密相關的變異位點，并根據耐旱基因dhn1 和 rsp41中的多態性位點開發出dhnC397 和 rspC1090 2個CAPS 功能標記用于選育玉米抗旱品種。Assenov等[12]通過對 26 份耐旱和對干旱敏感的玉米自交系ZmMYBE1基因中的 SNP進行測序鑒定，發現耐旱玉米自交系的ZmMYBE1基因在富含絲氨酸/蘇氨酸的區域存在 A/G 轉變。王楠[13]借助MaizeSNP50芯片分析了188份玉米自交系的產量性狀，在玉米第一染色體bin 1.03處分析得到一個編碼肌動蛋白解聚因子5的耐旱候選基因ZmADF5，干旱條件下該基因能夠通過促進根的生長，縮短生育期，從而提高植株抗旱性。胡新民[14]利用耐旱玉米自交系旱21和干旱敏感玉米自交系掖478構建的DH群體，通過芯片技術獲得1 266個親本間有效多態性SNP，結合田間表型數據，定位到13個玉米苗期、開花期重要耐旱QTL。Wang等[15]分析了300多份玉米自交系干旱脅迫下苗的存活率，篩選到42個苗期耐旱候選基因，其中一個編碼植物液泡膜上焦磷酸酶的基因ZmVPP1為玉米苗期耐旱關鍵基因。施婷婷等[16]利用1 490 007個SNP標記對80份吉林省玉米骨干自交系進行玉米苗期抗旱性關聯分析，在bin3.06和bin5.04位置分別獲得1個與玉米苗期抗旱性顯著關聯的SNP位點，并挖掘出2個候選基因。

2 SNP分子標記在玉米耐冷研究中的應用

玉米是起源于熱帶、亞熱帶地區的典型C4植物，最適生長溫度為28～32 ℃[17]，在芽期、苗期和灌漿期對溫度尤為敏感。低溫冷害是我國北方春玉米區和西北灌溉玉米區普遍發生的一種自然災害[18]，對玉米的產量和品質均造成嚴重影響。

國內外研究人員利用不同的作圖群體，先后定位到200余個玉米耐冷相關QTL。近期，王大志[19]以Mo17和墨西哥野生大芻草X26-4為材料構建連鎖群體，借助1 282個SNP標記構建遺傳連鎖圖譜，在常溫和低溫下共定位到10個與玉米苗期株高、根長和干重相關的QTL，可解釋的表型貢獻率為5.8%～8.8%。同時，研究者利用GWAS技術定位到多個玉米耐冷相關SNP位點，為培育優良耐冷玉米品種奠定基礎。Huang等[20]通過GWAS分析了由125份玉米自交系構成的自然群體萌發期和苗期的10個耐冷相關性狀，共檢測到分布于40個耐冷相關候選基因內的31個顯著SNP。Strigens等[21]利用MaizeSNP50芯片對低溫脅迫下375份玉米自交系苗期早發性和葉綠素熒光參數進行關聯分析，獲得19個耐冷相關QTL，并確定6個SNP與早發性顯著相關。Hu等[22]利用2 271 584個SNP對低溫脅迫下發芽率、發芽50%所需天數和發芽指數進行關聯分析，共獲得17個顯著SNP，其中7個SNP定位于候選基因內。Yan等[23]采用GWAS技術對玉米苗期的4個耐冷相關性狀進行了研究，共鑒定出32個顯著SNP位點，篩選出10個耐冷相關候選基因。

3 SNP分子標記在玉米耐鹽堿研究中的應用

鹽堿土包含鹽土、堿土及各種鹽化和堿化土壤。在我國，鹽堿土面積將近4 000萬hm2，其中鹽堿化耕地760萬hm2，極大地限制了我國玉米的種植，因此增強玉米的耐鹽堿性，提高玉米在鹽堿脅迫下的產量，一直以來都是人們研究的熱點。

由于開展玉米全生育期耐鹽堿性研究難度較大，因此前人主要針對萌發期和苗期玉米耐鹽堿的生理生化機制及遺傳機制進行研究。近年來，研究人員通過GWAS挖掘到部分玉米耐鹽堿的相關分子標記及候選基因，陳婷婷[24]采用56萬個SNP標記對364份玉米自交系在鹽脅迫下植株的存活天數和死葉率進行GWAS，檢測出4個顯著SNP，并最終克隆一個位于5號染色體上的玉米耐鹽性相關基因。汪泓洋[25] 以苗期株高和鮮重為指標，在420個品系構成的自然群體中篩選出耐鹽玉米材料27份和鹽敏感玉米材料22份，結合GWAS及生物信息學技術獲得了99個鹽脅迫相關SNP及潛在玉米鹽脅迫相關基因。陳陽松[26]以耐鹽水平、株高比率、鮮重比率和干重比率為指標，對368份玉米自交系的苗期耐鹽性進行GWAS，檢測到145個位于玉米全基因組與耐鹽性顯著相關的SNP位點。同時對玉米ZmCIPK基因家族進行耐鹽性關聯分析，共在14個ZmCIPK基因區域內檢測到顯著性SNP位點。王炳才[27]以存活率為指標，對445份玉米關聯群體的耐鹽性進行GWAS，共獲得與鹽脅迫顯著相關的SNP 196個，并發現鹽脅迫下64個參與逆境脅迫、激素信號、代謝和發育過程的基因的表達量發生明顯變化。任鳳陽[28]利用35 171個SNP標記對172個玉米自交系在鹽脅迫下的萌發期相對發芽率、相對活力指數、綜合指標進行關聯分析，獲得與3個性狀同時關聯的SNP標記3個。

4 SNP分子標記在玉米耐漬研究中的應用

玉米作為旱地作物，對澇漬環境極其敏感。在我國南方，玉米苗期、花期經常遇到雨水天氣，長期的低氧脅迫環境易造成玉米根系腐爛及葉片枯黃，因此漬害已成為限制我國南方玉米產量的重要影響因素。

Zhang等[29]利用包含56 110個SNP的芯片對144份玉米自交系的苗期耐漬相關性狀進行GWAS，在第5、6和9染色體上共檢測到與苗期耐漬極顯著相關的SNP位點4個。趙蝶[30]使用Q+K的混合線性模型MLM分析了64份玉米自交系zma-miR528啟動子多態性與水淹脅迫下其表達量變化的相關性，在zma-miR528啟動子區域內檢測到調控zma-miR528淹水脅迫下表達的功能位點8個。Qiu等[31]和鄒錫玲[32]根據耐漬玉米自交系HZ32和敏感玉米自交系K12中zmbRLZ基因的SNP，開發出CAPS標記zmbRC/G，并利用構建的（HZ32×K12）F2群體，將zmbRLZ基因進一步定位在SSR標記umc1743和umc1107之間。趙俊立[33]利用連鎖和關聯分析對170份RILs和368份玉米自交系水淹后的葉片損傷進行研究，在第6、8和9染色體上發現了6個顯著關聯SNPs位點，并確定2個關鍵耐漬候選基因GRMZM2G095302 和GRMZM2G395672。Yu等[34]利用368份玉米自交系的關聯群體結合GWAS與候選基因關聯分析，定位玉米苗期耐漬關鍵基因ZmEREB180。

5 SNP分子標記在玉米其他非生物抗逆性研究中的應用

SNP分子標記在發掘玉米耐低氮基因資源方面，吳永升[35]通過候選基因關聯分析法對180份玉米自交系群體的氮代謝關鍵基因（Gln1-3、 Gln1-4）進行研究，發現在低氮脅迫下，Gln1-3基因中有19個SNP位點與開花期的5個性狀顯著關聯，Gln1-4基因中有14個SNP位點與大喇叭口期和開花期的5個性狀顯著關聯。SNP分子標記在發掘應答玉米低磷脅迫候選基因方面，許誠[36]利用55K芯片對593份玉米自交系進行GWAS、DNA混池以及RNA-seq分析，篩選到45個顯著的SNP位點和6個耐低磷相關候選基因區段。張力天[37]運用SNP50芯片對456份玉米自交系苗期性狀進行GWAS，分別在低磷脅迫和正常供磷條件下篩選到44個和62個顯著關聯SNP標記，并挖掘到4個玉米耐低磷候選基因。SNP分子標記在玉米耐低鋅、耐低鐵研究方面，徐健欽[38]借助4個重組自交系群體和508份玉米自交系自然群體，聯合連鎖分析及GWAS分析，篩選到與玉米耐低鋅脅迫顯著相關SNP位點13個，與玉米耐低鐵脅迫顯著相關的SNP位點14個，并挖掘到相關候選基因。

6 展望

隨著測序技術的飛速發展和測序成本的不斷降低，SNP分子標記在玉米非生物逆境抗性研究中凸顯出更加重要的作用?？梢灶A期SNP分子標記的應用將為解析玉米非生物逆境抗性的遺傳結構、挖掘和定位抗逆基因提供技術支持，能夠加快玉米非生物逆境抗性功能分子標記的開發，對玉米非生物逆境抗性的分子標記輔助選擇育種具有指導意義。

參考文獻

[1] MONNEVEUX P，SANCHEZ C，BECK D，et al.Drought tolerance improvement in tropical maize source populations[J].Crop science，2006，46（1）：180-191.

[2] ZAIDI P H，SRINIVASAN G，SINGH N N.Increasing cropwater productivity through genetic improvement for tolerance to water stresses in maize（Zea mays L.）[C]//FISCHER T.New directions for a diverse planet.Proceedings for the 4th International Crop Sci Congress，Brisbane，Australia，26 SeptemberI October 2004.Gosford，NSW，Australia：[s.n.]，2004.

[3] RAFALSKI A.Applications of single nucleotide polymorphisms in crop genetics[J].Current opinion in plant biology，2002，5（2）：94-100.

[4] 張木清，陳如凱.作物抗旱分子生理與遺傳改良[M].北京：科學出版社，2005.

[5] 高志勇，謝恒星，王志平，等.玉米抗旱性功能基因研究進展[J].作物研究，2016，30（6）：732-735.

[6] 郝轉芳，蘇治軍，李亮，等.基于SNP標記的關聯分析在玉米耐旱研究中的應用[J].作物雜志，2009（6）：1-7.

[7] 蘇治軍.耐旱候選基因與玉米相關性狀的關聯分析[D].北京：中國農業科學院，2009.

[8] LU Y L，XU J，YUAN Z M，et al.Comparative? LD? mapping? using? single? SNPs? and? haplotypes? identifies? QTL? for? plant height and biomass as secondary traits of drought tolerance in maize[J].Molecular breeding，2012，30（1）：407-418.

[9] XUE Y D，WARBURTON M L，SAWKINS M，et al.Genomewide association? analysis for nine agronomic traits in maize under wellwatered and waterstressed conditions[J].Theoretical and applied genetics，2013，126（10）：2587-2596.

[10] 柳思思.玉米耐旱功能標記開發及優異單倍型應用[D].烏魯木齊：新疆農業大學，2012.

[11] LIU S S，HAO Z F，WENG J F，et al.Identification of two functional markers associated with drought resistance in maize[J].Molecular breeding，2015，35（1）：1-10.

[12] ASSENOV B，ANDJELKOVIC V，IGNJATOVICMICIC D，et al.Identification of SNP mutations in MYBE1 gene involved in drought stress tolerance in maize[J].Bulgarian journal of agricultural Science，2013，19（2）：181-185.

[13] 王楠.干旱脅迫下玉米ZmADF5基因功能解析[D].沈陽：沈陽農業大學，2016.

[14] 胡新民.利用玉米DH和BC群體鑒定耐旱QTL及選育耐旱材料[D].北京：中國農業大學，2017.

[15] WANG X L，WANG H W，LIU S X，et al.Genetic variation in ZmVPP1 contributes to drought tolerance in maize seedlings[J].Nature genetics，2016，48（10）：1233-1241.

[16] 施婷婷，張默，吳楠，等.玉米苗期抗旱性的全基因組關聯分析[J].玉米科學，2018，26（5）：44-48.

[17] ARNOLD C Y.Predicting stages of sweet corn（Zea mays L.）development[J].J Am Soc Hortic Sci，1974，99（6）：501-505.

[18] 馮玉香.何維勛.我國玉米霜凍害的時空分布[J].中國農業氣象，2000，21（3）：6-10.

[19] 王大志.玉米苗期耐冷QTL初步定位與分析[D].沈陽：沈陽農業大學，2018.

[20] HUANG J，ZHANG J H，LI W Z，et al.Genomewide association analysis of ten chilling tolerance indices at the germination and seeding stages in maize[J].J Integr Plant Biol，2013，55（8）：735-744.

[21] STRIGENS A，FREITAG N M，GILBERT X，et al.Association mapping for chilling tolerance in elite flint and dent maize inbred lines evaluated in growth chamber and field experiments[J].Plant cell & environment，2013，36（10）：1871-1887.

[22] HU G H，LI Z，LU Y C，et al.Genomewide association study identified multiple genetic loci on chilling resistance during germination in maize[J].Scientific reports，2017，7（1）：1-11.

[23] YAN J B，WU Y，LI W M，et al.Genetic mapping with testcrossing associations and F2∶3 populations reveals the importance of heterosis in chilling tolerance at maize seedling stage[J].Scientific reports，2017，7（5）：427-428.

[24] 陳婷婷.玉米苗期耐鹽性光合機制及耐鹽基因挖掘研究[D].揚州：揚州大學，2016.

[25] 汪泓洋.玉米苗期耐鹽性狀的關聯分析[D].揚州：揚州大學，2016.

[26] 陳陽松.玉米苗期耐鹽性全基因組關聯分析[D].北京：中國農業科學院，2017.

[27] 王炳才.玉米苗期耐鹽性的全基因組關聯分析[D].武漢：華中農業大學，2017.

[28] 任鳳陽.玉米自交系萌發特性的評價及SNP關聯分析[D].泰安：山東農業大學，2014.

[29] ZHANG X B，TANG B，YU F，et al.Identification of major QTL for waterlogging tolerance using Genomewide association and linkage mapping of maize seedlings[J].Plant Mol Biol Rep，2013，31（3）：594-606.

[30] 趙蝶.玉米zma-miR528對淹水脅迫響應的順反調控機理研究[D].武漢：華中農業大學，2016.

[31] QIU F Z，ZHENG Y L，ZHANG Z L，et al.Mapping of QTL associated with waterlogging tolerance during the seedling stage in maize[J].Ann Bot，2007，99（6）：1067-1081.

[32] 鄒錫玲.玉米苗期根系淹水應答相關基因的篩選、克隆以及鑒定[D].武漢：華中農業大學，2011.

[33] 趙俊立.玉米耐漬性位點的鑒定[D].武漢：華中農業大學，2016.

[34] YU F，LIANG K，FANG T，et al.A group VII ethylene response factor gene，ZmEREB180，coordinates waterlogging tolerance in maize seedlings[J/OL].Plant Biotechnol J，2019[2019-03-20].https：//www.researchgate.net/publication/332734792.DOI：10.1111/pbi.13140.

[35] 吳永升.玉米谷氨酰胺合成酶基因Gln1-3、Gln1-4氮利用效率關聯性分析[D].北京：中國農業科學院，2009.

[36] 許誠.玉米耐低磷種質資源篩選和遺傳研究[D].北京：中國農業科學院，2018.

[37] 張力天.玉米苗期耐低磷相關性狀全基因組關聯分析[D].雅安：四川農業大學，2014.

[38] 徐健欽.結合連鎖與關聯分析剖析玉米耐低鋅、鐵脅迫的遺傳機制[D].北京：中國農業大學，2017.