玉米耐低磷研究现状及磷高效育种策略的探讨

摘要:土壤缺磷是影响作物产量提高和资源持续性发展利用的世界性问题, 解决这一问题的根本途径是筛选土壤磷利用效率高的作物品种, 玉米是中国主要的粮食作物, 但在中国以西南、华南为代表的一部分地区, 由于土壤有效磷含量偏低, 严重制约玉米产量的提高, 而在其他玉米产区由于磷肥的高度滥用, 导致土壤结构发生改变, 有效磷积累并不能满足玉米等作物的可持续性吸收利用。因此选择和培育玉米磷高效品种是提高土壤磷素利用效率, 解决中国部分土壤有效磷缺乏对玉米产量影响的一条有效途径。综述了目前国内外在玉米耐低磷种质资源的筛选、遗传研究及相关性状QTL定位的研究进展, 并在此基础上对玉米磷高效育种策略作了初步的探讨。

关键词:玉米;磷高效;种质筛选;遗传研究;QTL定位;育种策略

由于土壤对磷的吸收、矿化以及磷被土壤中有机物质的固定，导致土壤缺磷的“遗传学缺乏”，即土壤中总磷含量高，但能被植物吸收利用的磷（有效磷）却很低。土壤缺磷是一个全球性的问题[1]，有研究表明，土壤中有效磷缺乏已经成为作物生长的主要限制因子之一[2]。例如，在热带、亚热带、拉丁美洲以及非洲的一些地区，土壤有效磷的缺乏被认为是当地豆科作物生产的最大限制因素[3,4]。在中国，土壤缺磷面积接近7000万hm2，占耕地面积的2/3[5]。而以红壤或黄红壤土为主的南方山区，由于磷被土壤中较多的Fe、Al离子固定，大多以闭蓄态形式存在，其有效性更差。目前，土壤有效磷缺乏主要是通过施用磷肥来解决。但是，由于磷和土壤其他元素的相互作用，施入土壤中的磷有80%被土壤固定[6]。据统计，中国自20世纪中期施用磷肥以来，被固定在土壤中的磷素就高达6000万t，是目前磷消耗量10年的总和[7]。一方面，固定在土壤中的磷随着雨水冲刷、水土流失等原因流入江河、湖泊，造成水体富营养化，对环境构成严重的威胁[8]；另一方面，磷肥的大量投入消耗了有限的磷矿资源，调查发现，按目前磷肥的使用速率，全世界可供开采的能够被用作磷肥的磷矿资源只能维持60~90年的时间[9]，因此，如何充分利用土壤这一潜在的磷库，对节约有限的磷矿资源，减少因过多施用磷肥而带来的环境污染具有非常重要的意义。Smith早在1934就报道了不同玉米品种间存在着磷吸收利用的基因型差异[10]，后来发现这种差异在高粱、小麦、黑麦、水稻和菜豆等其他作物中均普遍存在。这种真实存在的差异为笔者进行作物磷高效基因型的选育提供了可能。玉米作为粮饲兼用的作物，同样也面临着“遗传学缺磷”的问题。因此，通过玉米磷高效基因型的筛选，研究玉米磷素营养的遗传规律，定位磷吸收利用相关基因或QTL，结合传统和现代育种手段培育玉米磷高效品种是解决目前土壤磷素利用效率低下的一条有效途径。

1 玉米磷高效基因型的筛选

种质资源是玉米育种工作的基础，玉米磷高效育种也不例外。国内外在玉米磷高效基因型的筛选上进行了大量研究，所采用的筛选方法与鉴定指标也不尽一致。Baker(1970)等[11]研究了不同杂交种低磷胁迫下磷累积量的变化，发现苗期叶片含磷量可以对土壤磷素有效性进行评价，在低磷胁迫下，供试杂交种在穗位叶磷累积量上存在着显著差异。Bruetsch(1976)等[12]对12个玉米自交的磷素营养研究发现，12个供试材料在磷积累量上存在着显著差异，同时不同的供磷水平还对玉米成熟期干物质产量以及其他元素的积累量均构成响。Nielsen(1978)等[13]对12个玉米自交系的磷吸收动力学特征的研究发现，低磷胁迫下，自交系地上部干物质产量、根干重、根长和磷吸收动力学参数均存在显著差异，并提出了玉米磷高效基因型应具有较长的根系长度、较高的磷吸收速率(Imax)、较低的Km值和较低的初始浓度(Cmin)。Silva(1992)等[14]利用P-Al缓冲液建立长效胁迫体系，以地上部干物质产量为鉴定指标，对20个玉米自交系进行耐低磷胁迫筛选，研究发现B37、Oh40B、NY821和Pa36耐低磷胁迫。Kaeppler(2000)等[15]对28个玉米自交系的耐低磷筛选，以干物质产量为指标，筛选出表现极端差异的两个自交系，Mo17(磷高效)和B73（磷低效），并以其为亲本组配的RIL群体已在与磷吸收利用相关性状的QTL定位中发挥了重要的作用[16,17]。Gaume(2001)等[18]结合根系有机酸分泌能力的差异，对5个不同磷营养特性基因型玉米的耐低磷研究，研究发现，根系中具有较高有机酸含量和较低的有机酸分泌是低磷敏感基因型的典型特征，而磷高效基因型则具备较高的有机酸含量的同时又具备较高的分泌量。中国虽然对玉米耐低磷基因型筛选研究开展得较晚，但是到目前为止也取得了大量的研究结果。龚江等(2002)对26个玉米自交系的耐低磷筛选发现，供试材料中只有极少数属于磷高效基因型，并采用了植株相对磷浓度和相对产量对玉米磷吸收效率和利用效率进行评价[19]。刘鸿雁等(2004)对38份玉米自交系进行耐低磷筛选，发现交51、苏37、035-6、531属于磷高效基因型，并提出了玉米苗期耐低磷筛选的指标是生物产量，而磷浓度、磷吸收效率和磷利用效率难以作为磷高效基因型筛选的指标[20]。张丽梅(2004)等在3个不同供磷水平下，对20个玉米自交系进行苗期筛选发现，干物质重和缺素症状耐低磷指数的加权平均值可作为筛选的指标，同时鉴定出高效吸收型自交系99239、高效吸收利用型自交系99180和敏感自交系99152[21]。张丽梅(2005)等采用盆载试验，进一步对筛选出的不同磷营养特性玉米自交进行研究发现，磷高效吸收型99239和99180的相对磷浓度要大于敏感基因型99152。在孕穗期，与敏感基因型相比，磷高效基因型具有较高的穗上叶磷累计量；而在抽丝期，磷高效基因型的磷吸收效率和再分配效率要高于敏感自交系[22]。张吉海(2006)等在两个生态环境下，采用生物产量作为筛选指标对76个玉米自交系进行大田耐低磷筛选，得到了在两个环境下均表现优异的5个耐低磷材料。并提出了在不同生态地区以偏低含磷量进行大田耐低磷玉米种质的筛选鉴定方法[23]。

2 玉米磷效率及相关性状的遗传研究

尽管植物在磷效率方面的基因型差异早已引起人们的注意，但关于该性状遗传特性的研究却较晚，许多

研究表明，磷效率的遗传机制是相当复杂的，具有数量遗传的性质，受多基因，而且是微效多基因控制，表现

出连续的变异[24,25]。国外学者在玉米磷素营养遗传上开展了大量研究，Gorsline(1964)等[26]用不完全双列杂交的方法，采用营养液培养的方式，对玉米地上部干物质和籽粒含磷量进行遗传分析，结果表明这些性状受加性效应控制，显性效应也起一定作用。Barber(1972)等[27]利用10个玉米相互易/ 移位系对玉米苗期叶片磷累积性的遗传分析发现，发现有6个遗传位点控制这一性状，分别表现出显性及超显性的作用。Silva(1991)[28]以P-Al缓冲液作为培养体系筛选出6个磷高效与6个磷低效的玉米自交系进行6×6的不完全双列杂交，对亲本、F1及高代材料进行遗传参数估计，研究表明玉米磷高效特性主要受加性基因效应控制，同时也受显性基因效应的控制。Rakha(1992)[29]对利用2个磷含量较高、2个磷含量较低和1个磷含量中等的玉米自交系和其组配的10个F1及后代材料（10个F2、10个BC1和10个BC2群体），对磷累积量进行了遗传分析，研究发现，磷累积量主要受加性效应和显性效应作用，无等位基因的互作效应。研究玉米磷素营养的遗传规律对今后玉米磷高效育种具有重要的指导作用，但遗憾的是，中国在这方面的研究开展得较少。

3 玉米磷吸收利用相关性状的QTL定位

目前，与作物磷吸收利用相关性状的QTL的定位研究已在玉米[16]、水稻[30]、小麦[31]和大豆[32]等作物中报道。但大多集中在根系等性状上，这是因为根是高等植物吸收磷素的主要器官，也是植物感受低磷胁迫最直接的部位，低磷胁迫下，高等植物通过根系形态结构的变化做出适应性调整[33~36]。

Reiter(1991)等[37]利用来源于两个玉米自交系的F3群体为研究材料，以P-Al缓冲液为培养体系，发现与耐低磷特性相关的6个RFLP标记，分别位于4条染色体上，且所有标记位点均表现出加性效应。其中一个位点与amc117连锁，它强烈影响低磷条件下根系的生长，而另一位点则与umc19连锁，它强烈影响地上部生长状况，其他几个QTL对根系和地上部的生长也均有作用。Zhu(2005)[16]等利用160个重组自交系（RIL）群体，在两种供磷水平下对玉米侧根数量（LRN）和长度（LRL）进行了QTL定位，研究发现，在高磷处理下发现1个影响LRN的QTL，位于第2条染色体上；同时还发现5个QTL对LRL起作用，分别位于第2、3、4和8染色体上，进一步研究发现，1个控制LRL的QTL所在区域与Reiter(1991)等所报道的1个控制玉米苗期干物质产量的QTL所在区域重叠[37]。而在低磷处理下，发现了1个控制LRN的QTL，位于第4染色体上；6个QTL对LRL起作用，分别位于1、2、3、6和8染色体上。值得注意是，在两种供磷水平下，均检测到一个位于标记nc003和umc36之间且控制LRN的QTL，因此推断该QTL可能同时还与其他营养元素的吸收有关。Zhu(2006)等[17]利用162个重组自交系（RIL）群体，对两种供磷水平下胚根长度和数量进行了QTL分析，研究发现，在低磷处理下，1个主效QTL影响着胚根的长度，该QTL位于第2染色体上，其贡献率为11%；研究同时还发现了3个与胚根数量相关的QTLs，分别位于第1、2和6染色体上。而在高磷处理下分别检测到2个控制胚根长度和控制胚根数量的QTL，分别位于第1、2和3染色体上。同时，该研究还发现QTL的上位性效应在控制胚根性状上具有非常重要的作用。

根毛性状（例如根毛的长度、密度等）的变化和与菌根形成共生体都被认为是高等植物在低磷胁迫下的适

应性反应[38,39]，也在某种程度上反映出不同基因型间耐低磷胁迫能力的大小[40]。在缺磷条件下，植物中90%的磷都是通过根毛吸收的[36]。因此关于根毛与磷吸收相关性状的研究也多有报道[41,15]。在玉米上，Zhu(2005)等[16]利用169个重组自交系（RIL）群体在两种供磷水平下，对控制根毛长度（RHL）以及根毛长度可塑性（Root hairlengthplasticity）进行了QTL检测，研究发现，在高磷处理下，检测到1个影响根毛长度可塑性的QTL，3个控制根毛长度的QTL；在低磷处理下，只检测到1个控制根毛长度的QTL，没有检测到与根毛可塑性有关的QTL。Kaeppler(2000)等[15]利用196个重组自交系（RIL）群体，在不同供磷水平和有无菌根等处理下，对玉米苗期生长情况（以地上部干物质为评价指标）进行了QTL定位，研究表明，在无菌根浸染下，3个QTL控制着低磷条件下的干物质产量，同时还发现了1个控制菌根浸染的QTL。该研究进一步为利用菌根来改良玉米磷吸收利用能力提供了参考。

4 玉米磷高效育种策略的探讨

4.1 加大筛选力度, 建立合适的筛选体系及评价指标

到目前为止，国内外在玉米耐低磷种质资源的筛选上进行了大量研究，但是磷高效种质资源在整个种质资源中所占的比例很小，如王艳(2003)等[42]对400份玉米自交系进行耐低磷筛选，仅鉴定到3个磷高效种质资源，而大部分为磷效率敏感型自交系。张吉海(2006)等[23]对76个玉米自交系耐低磷鉴定结果发现，在两个试验点表现一致的耐低磷自交系仅5个，占参试材料的6.5%，敏感型材料占47%。因此，玉米耐低磷种质资源的筛选必须建立在掌握丰富的材料的基础上，同时，还应该保证筛选材料间具有较大的遗传差异。在玉米磷高效基因型的筛选过程中，筛选方法与鉴定指标十分重要。目前许多研究都是以大田或营养液单一的筛选方法，大田筛选虽然符合生产实际，但是由于其受天气、水分等诸多因素的影响，难以保证筛选的准确性和重复性；营养液处理虽然能够较好地解决以上问题，但浓度的控制以及技术条件要求较高，且不能进行大量鉴定。因此玉米磷高效种质的筛选应先在大田鉴定的基础上，再对所鉴定出的材料进行营养液或盆栽鉴定。另外，在大田鉴定中，由于不同生态环境下进行的耐低磷筛选所得结果也不尽一致，因此大田鉴定需多年多点进行。同时，在鉴定指标上，地上部干物质产量或籽粒产量是耐低磷能力的直接评价，也是目前耐低磷筛选中大部分采用的筛选指标。而其他指标如缺素叶数、根长度、根条数等可作为磷高效基因型评价的参考指标，或者将其综合考虑进行综合评价。最后，适度的选择压力是耐低磷筛选的关键。磷是作物必需的营养元素之一，只有在一定的含磷量水平植物才能正常生长。因此，筛选耐低磷材料必须保证介质中磷的含量在适宜水平。总结国内外玉米耐低磷鉴定采用的筛选压力，大田鉴定中以每千克土含有效磷8~10μg能达到较好的效果，而营养液培养中磷浓度为10μM/L左右鉴定效果较好。含磷量过低，无论是耐低磷材料，还是低磷敏感型材料都不能正常生长，筛选工作无法进行；含磷量过高，胁迫强度不够，作物耐低磷特性得不到充分表达，材料间性状的相对值无差异或差异不显著，也不能得出准确的鉴定果。

4.2 玉米磷高效基因聚合育种

基因聚合(genepyramiding)就是通过传统杂交、回交、复交技术将有利基因聚合到同一个基因组，在分离世代中通过分子标记选择含有多个目标基因的单株，从中再选出性状优良的单株进行杂交和自交，再结合分子标记筛选和合适的选择压力下进行人工选择，最终实现有利基因的聚合。玉米磷效率的遗传受微效多基因控制，只要找到了与玉米磷高效基因或QTL紧密连锁的分子标记，育种者就可以运用MAS手段进行基因聚合。分子标记辅助选择技术为磷高效基因的聚合提供了强有力的工具。育种者可以运用MAS手段筛选出同时含有那些基因或QTL的单株，而无需在早代进行耐低磷鉴定。通过MAS手段，可以有效地对多个基因或QTL同时进行选择，将来自不同的与磷高效相关的基因聚合到一个品种之中，以提高植株对磷素的吸收和利用能力。

4.3 利用现代分子生物学手段对现有材料进行遗传改良

种质资源是玉米育种工作的基础。玉米磷高效种质资源的缺乏是制约玉米磷高效育种的瓶颈。值得庆幸是，近年来，包括玉米等作物在内的基因组学得到了迅猛发展，可以在全基因组水平上对基因的定位、序列和表达上获得全新的认识。基因差异表达技术（cDNA-AFLP、SSH、基因芯片等）日趋完善，为笔者从发育的动态角度探讨特定的遗传现象和遗传规律提供了便利。现代分子生物学技术为从鉴定、分离、克隆磷吸收相关基因提供了方便，基因工程手段的运用为我们进行玉米磷高效种质资源的创新提供了可能。

5 结语

玉米磷高效率育种是解决土壤磷素利用率低下的一条有效途径。磷高效种质资源匮乏，特别是极端耐低磷基因型的缺乏是目前制约玉米磷高效育种的主要的限制性因素之一，因此在今后的耐低磷育种工作中加大筛选力度和范围，结合分子生物学方法，鉴定、分离、克隆磷吸收相关基因，并利用基因工程手段进行种质资源的改良和创新，是今后玉米磷高效育种的一个发展方向。

参考文献（省略）

文章来源中国农学通报