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及生物技术在育种中的应用
铁双贵 卢彩霞 河南省农业科学院粮食作物研究所 郑州450002
【摘要】甜玉米是基于一个或多个隐性等位基因，这些基因改变了胚乳碳水化合物的成分。到目前至少发现了8个与甜玉米有关的基因，它们都与碳水化合物的合成有关，以单个基因或2或多个基因工作而形成甜性胚乳。甜玉米与大田玉米相比有许多基因差别，对整个生育期都有主要和次要的影响，这些基因影响食用质量（如风味、幼嫩性、黏性等）、穗形态、株型、种子生产力。开展甜玉米品质性状基因的遗传与效应分析，对甜玉米品种选育具有指导作用。采用生物技术可以加快育种进程，显著地提高选择效率。 【关键词】甜玉米 胚乳 生物技术
甜玉米是一种集粮、果、蔬、饲为一体的经济型作物，鲜穗可直接上市或加工。深加工产品主要有甜玉米罐头、软包装甜玉米、速冻甜玉米粒、速冻甜玉米穗以及加入其他蔬菜、松仁等制成的什锦甜玉米等。甜玉米也可当水果直接食用。根据现代医学研究，甜玉米具有特别的营养和保健功能，经常食用甜玉米能降低胆固醇，防止动脉硬化，预防胃肠癌症及糖尿病和胆石症等。因此，甜玉米在发达国家和地区受到人们的普遍欢迎。我国甜玉米科研与生产起步较晚，由于南北方观念和人们饮食习惯的差异及经济发展的不平衡，南方甜玉米发展较快，需求量大于北方。特别是速冻穗和速冻粒供不应求。开展甜玉米品质性状基因的遗传与效应分析，对甜玉米品种选育具有指导作用。采用生物技术可以加快育种进程，显著提高选择效率。 1 甜玉米的遗传基础 1.1 胚乳的突变类型 甜玉米的风味，主要是由甜性基因决定的，这些基因影响胚乳内糖和淀粉的成分，大多数甜玉米的突变体能增加糖的含量而减少淀粉的含量，有14个突变类型被利用或被研究，只有8个具有商业利用价值。 这些重要基因可以分为两类，第一类包括bt1，bt2，Sh1，sh2，sh4。在胚乳形成中积累糖分，在成熟的种子中碳水化合物的含量显著降低（表1），授粉后18～22天为甜玉米收获期，这些重要基因可将总糖量提高4—8倍。Sh2，bt1，bt2已具有商业价值（commercialization），sh2是继su以后应用最广泛的突变体。由于超高的含糖水平，具有这些基因型的品种被称为超甜（supersweet， extrasweet ）玉米（见表 1）。第二类基因的功能是改变淀粉的类型，包括ae，du，su2，wx，较轻微地降低成熟子粒中的淀粉含量，在授粉21天后较小地增加总的含糖量。单一基因不能应用，但两个基因的结合互作可显著提高含糖水平，接近第一类基因的个体含糖量，在商业化杂交种已有3个隐性基因型（ae du wx）被推广（见表 1）。 第三种类型是se糖分增强子，当与纯合的su等位基因结合即 sese susu基因型，由于 se的作用含糖量水平与 sh2基因个体内的含糖量水平相当，而WSP水平与susu个体相当，既增强了甜度又增加动度。se基因不是完全隐性基因而表现为剂量效应，若胚乳中只有一个基因（SeSesesususu）时与没有se基因的（SeSeSesususu）含糖量没有多大区别，若有2个基因（Sesesesususu）提高2倍的含糖量，若有3个基因（sesesesususu）则增加3倍的含糖量，若在没有su个体中se只是轻微提高含糖量。应用该基因的主要限制是难以鉴定在不同的遗传背景中se是否真实存在。淡黄色与se基因较紧密连锁，许多消费者并不喜欢这种颜色。
表1 成熟或授粉后21～22天不同胚乳的基因型碳水化合物的成分
注：上栏为授粉后21天数据，下栏为授粉后22天数据。 胚乳突变也对其他食用性状具有重要影响，如 su 在 18一20天内收获含糖量达到最高水平，若 DAP （days after pollination）增加4～5天糖分减少 50％，因而 su 类型收获期很短（表2）。 1.2 胚乳突变基因互作效应 正如上述所讲 ae du wx 和 su se已经商业化应用，互作效应可以改善适口性，提高商业价值，或提高种子发芽率，便于种植推广。
表2 5种基因型胚乳、4个收获期碳水化合物成分变化
最普通的例子是部分修饰。两个不同基因互作是指一个基因是纯合，而另一个基因是杂合的，杂合基因在为消费者提供的商品穗上表现分离，在子粒中保持高含糖量。例如用一个纯合su位点和另一个杂合的 sh2位点的自交系（susu Sh2sh2）与另一个双隐性基因（susu sh2sh2）杂交而配成杂交种，经过后代授粉后，穗子粒中有75％的为 susu Sh2＿和 25％susu sh2sh2。因此，75％的子粒具有su基因黏性，25 ％个有超甜基因的甜性，调解了黏性与甜度的矛盾（单纯的susu高黏低甜，而sh2sh2高甜低黏），目前在美国susu Sh2sh2结合最为普通，但是还有其他类型的基因型 Susu sh2sh2或 susu sese。 除了提升含糖量之外，还有许多部分修饰的优势，超甜玉米杂种中（sh2sh2）与susu相比发芽率很低，种子生产也非常困难，采用部分修饰系统可以保持甜度和正常的种子发芽。如果采用含有su基因自交系为亲本，F1代产生的杂交种将会有高发芽率，如 susu sh2sh2。但问题是，作父本双隐性个体 susu sh2sh2是一个典型的低发芽率型，如果在低温土壤或其他恶劣条件下种植，父本种子将不会出苗。制种时无粉可授。如果父本为susu sese基因型，发芽率将会被改善。基因结合还遇到另一个问题是，在加工过程中由于子粒的颜色有差别，为加工带来了困难。 在三个隐性基因的结合引起部分修饰有44％（7/16）的子粒保持高甜度，最常见的三基因结合为 susu sese sh2sh2 × susu sese sh2sh2。 基因型susu sese是具有100％修饰作用例子，杂种双亲均为双隐性个体届而具有超甜水平含糖量，具有高的WSP，深受北方消费者欢迎。 1.3 遗传背景对胚乳突变期表达的影响 同一类胚乳突变基因在不同的遗传背景中含糖量不同。Soberalske和Andrew研究，由于不同自交系而配制的具有sh2基因的杂交种总含糖量有38％一40％变幅，su具有13％一26％变幅。 双列杂交分析表明，su的自交系蔗糖和WSP积累的一般配合力（GCA）有差异，而特殊配合力（SCA）无差异。但是对sh2 基因研究，GCA无差别，而SCA具有显著差异，总糖量的GCA、SCA均有差异。不同的自交系背景，WSP、水分含量均有显著差别。Juvikefal通过轮回选择可以明显地改变碳水化合物的组分和含量，通过对sh2群体的10个循环轮回选择，单子粒淀粉重量由17mg/粒增加到27mg/粒，说明通过改变遗传背景可以提高相关指标。 遗传背景的影响还表现在种子生活力上，su基因通过回交转育时发现有致死状态或半致死状态种子。 胚乳突变的等位基因有变异，su，sh2，bt和bt2具备一系列的等位基因。 2 其他品质性状 甜度是甜玉米口味的最主要指标。其次是香味，特别是与aroma（芳香，一种特别好闻的香气）有关，它通过7种化合物产生，其中一种主要成分为二甲基硫（dimethyl shlfide），被称为玉米素（corny）。这些化合物大多数以纯合状态存在植株内，只有在它们结合时才产生香味。第三个食用品质特性是幼嫩度，主要指子粒表皮硬度，它与表皮的厚度呈正相关，目前还不能控制。表皮厚度基因的数目是由许多微效基因控制的，F1代的种皮厚度往往倾向于种皮较薄的亲本。种皮厚度的遗传力是非常高的，通过轮回选择可以改变种皮的厚度。Rrewbaker通过轮回选择将种皮厚度由Co的74μm降低到Q3的53μm，每循环降低6.8μm。种皮厚度受遗传背景、基因型影响。 3 其他综合性状 3.1 穗轴和子粒的颜色 白色的穗轴与透明发亮的种皮是甜玉米应具有的重要特征。胚乳的颜色也是很重要的，共有三种主要类型：黄色、白色、双色（在同一穗上有 25％白色和75％黄色子粒），黄色胚乳对加工是最重要的，黄子粒在鲜食市场或长途运输销售市场具有绝对优势，双色玉米在日本市场非常受欢迎。黄色（YY）对白色(yy)为显性，杂交种F1（Yy）黄色子粒后代具有3：1的分离。 3.2 穗部表现 因为近年来的穗供应市场的份额越来越多，针对鲜穗市场或整穗冷冻市场，穗部性状尤为重要，包括子粒行数，行的形状（直线性用，排列是否美观），穗顶尖的饱满度，子粒的宽度、深度，穗的形状、大小，这些标准要根据市场需求，不同的季节、地区而变化。合适苞叶对预防鸟虫害是重要的。在市场上往往长的、浓缩色的旗叶受欢迎，在大多美国市场，鲜食市场有16行小型子粒、粒较深、无秃尖、长度为20—23cm的穗较受欢迎（表3）。
表3 栽培甜玉米品种的重要性状及其在鲜货加工市场的相对重要性
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