1.2.2 全球玉米分子育种技术研究进展

现代育种技术的升级改造在种业竞争中的作用越发明显，育种技术的研发和应用正在推动玉米育种水平的不断提升。近三十年，分子标记技术、双单倍体技术、转基因技术等相继进入玉米育种科研过程。美国玉米种业在系统化育种、专业分工、分子技术、转基因研究等方面的表现优于世界其他国家，其实际应用的分子技术包括自交系及杂交种全基因组分析（Genome Wide Analysis， GWA）、基因型选拔（Marker Based Genotypic Selection，MBGS）、基因平台（Genotyping Platforms，GP）、数量性状基因定位（Quantitative Trait Locus，QTL）和性状关联筛选（Trait Association Selection，TAS）、单一核苷多型性分析（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）、分子标记辅助筛选（Marker Assisted Selection，MAS）、分子标记辅助回交育种（Marker Assisted Backcross，MABC）、分子标记辅助轮回选拔（Marker Assisted Recurrent Selection，MARS）、蛋白质剖析（Protein Profile，PP）及代谢功能研究等[39]。

1．转基因育种

转基因育种是指通过在分子水平上进行基因操作，可以突破物种间的遗传障碍，超越物种间的不亲和性。植物基因工程中新的方法、技术不断涌现，并形成了成熟的实验流程。1996年，美国的第一代转基因玉米品种开始投入市场。2005年，孟山都公司释放了世界上第一个抗玉米根虫的转基因玉米品种。截至2018年，玉米已在35个国家/地区获批137个转化体，仍然是转化体获批数量最多的作物[19]。其中，耐除草剂玉米转化体NK603获得28个国家/地区和欧盟28国的61个批文，获得的批文数量仍然最多；抗虫玉米MON810获得26个国家/地区和欧盟28国的55个批文，耐除草剂和抗虫玉米Bt11获得25个国家/地区和欧盟28国的54个批文，耐除草剂和抗虫玉米TC1507获得25个国家/地区和欧盟28国的53个批文，抗虫玉米MON89034获得24个国家/地区和欧盟28国的51个批文，耐除草剂玉米GA21获得23个国家/地区和欧盟28国的50个批文；其次依次是耐除草剂和抗虫玉米MON88017、抗虫玉米MIR162和耐除草剂玉米T25。高通量的转基因技术是发现新基因和新性状的有效工具[40]。

玉米转基因育种涉及多种性状，包括抗虫、抗除草剂、优质、抗逆、抗病、高产、生物反应器、复合性状等，其中产品最多、应用范围最广的是抗虫、抗除草剂的玉米产品。抗虫转基因玉米的抗虫基因主要来源于苏云金杆菌（Bacillus thuringiensis），称为Bt基因。抗虫转基因玉米育种的发展趋势包括不断拓展靶标昆虫的范围、不断拓展相关基因的挖掘和应用，同时主要研究方向是培育与抗虫性状结合的复合性状新品种[41]。CP4-EPSPS是应用较广泛的抗草甘膦基因，来源于根癌农杆菌CP4菌株（Agrobacterium Tumefaciens Strain CP4），孟山都公司导入该基因研制的抗草甘膦转基因玉米NK603在后续的抗除草剂育种中应用较多[42]。中国农业科学院作物科学研究所对来自细菌的5-烯醇丙酮酰亚胺-3-磷酸合成酶（EPSPS）编码基因AM79 aroA进行了密码子优化，把合成的基因mAM79转入玉米后，表现出对草甘膦的4倍剂量抗性[43]。

虽然玉米遗传转化技术已得到广泛使用，但仍然存在一些亟待解决的问题，如遗传转化效率、再生效率、获得高质量的转化事件、简单易行的转化方法、基因型依赖性等。美国爱荷华州立大学及密苏里大学、中国农业大学、中国农业科学院，以及中国一些公司建立了多个规模化转基因技术平台，希望能解决这些问题，他们的玉米转基因技术平台农杆菌转化效率均已稳定在5%以上[41]。国外的抗虫、抗除草剂的转基因玉米产品已经非常成熟，具有抗旱、优质、高产等复合性状的玉米产品也在不断增加，生物反应器产品开发方面亦取得了不错进展。在转基因玉米领域，国外跨国种业公司已远远走在世界前列，给中国玉米种业发展带来了巨大压力[41]。据此有学者建议，加强基因编辑技术研发及其应用，深入研发玉米基因组中的基因及其功能，强化植物微生物的基因克隆和功能验证，挖掘出有自主知识产权的优异抗虫、抗除草剂等新基因，培育抗旱、抗病、养分高效利用等转基因玉米品种，采用科企合作方式研发生物反应器，以及加强基因叠加技术和产品研发将是未来转基因育种的主要方向[41]。

2．分子标记辅助选择育种

在玉米育种领域，依托现代生物技术发展的随机扩增多态性DNA标记（Random Amplified Polymorphic DNA，RAFD）、扩增片段长度多态性（Amplified Fragment Length Polymorphism，AFLP）、简单重复序列标记（Simple Sequence Repeats，SSR）、单一核苷多型性分析SNP、数量性状基因定位QTL等分子标记方法得到了普遍应用。开发分子标记、利用分子标记开展重要农艺性状和产量性状的定位研究是分子育种的重要基础。20世纪80年代是分子标记技术开发的发展期，分子标记仅仅应用于改良简单性状，很少有针对复杂数量性状的分子辅助育种的实践。从20世纪90年代开始，分子标记辅助选择育种进入实际的应用时期，并证明了分子标记辅助选择育种可以改善玉米自交系的一般性状和提高玉米杂交种的产量。到目前为止，分子标记的类型经历了三个阶段[40]。①第一代分子标记：以限制性酶为基础的限制性片段长度多态性（Restriction Fragment Length Polymorphism，RFLP）等；②第二代分子标记：SSR、RAPD等，以聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）为基础的SSR是其中的代表；③第三代分子标记：以序列为基础的SNP标记展现了其巨大的利用潜力，孟山都公司和先锋良种公司都建立了可直接用于分子育种的遗传连锁图，其中含有几千个SNP标记。这些高通量的分子标记已经被广泛用于标记的辅助选择、回交选择和轮回选择。分子标记辅助选择育种技术可以分为MAS、MARS、MABC和分子标记辅助双群体相互轮回选择法（Marker Assisted Reciprocal Recurrent Selection）等[44]。