李 坤 ，李高科，肖颖妮，于永涛，李余良，谢利华，朱文广，胡建广

（广东省农业科学院作物研究所/广东省农作物遗传改良重点实验室, 广东 广州 510640）

甜玉米是由于普通玉米籽粒在淀粉合成代谢途径中一个或几个基因发生突变，造成淀粉合成受阻，蔗糖等糖类物质积累而形成的特用玉米类型［1］。甜玉米营养丰富、适口性好、经济效益高，集中了水果和谷物的优质特性，因其风味佳、适口性好，深受广大消费者喜爱［2］。甜玉米在乳熟期采收，人们直接食用其未完全成熟的籽粒，籽粒中含有较高的糖分（是普通玉米的 2～8 倍）、脂肪、蛋白质、粗纤维以及人体所需的氨基酸，其中氨基酸总量分别比普通玉米和糯玉米高 23.2%、12.7%。在氨基酸组分中，以赖氨酸、色氨酸的含量较高，比普通玉米高 2 倍以上。甜玉米中还含有多种维生素和Ca、Mg、Fe、Zn微量元素等营养成分［3］，其中硒的含量比普通玉米高8～10 倍。甜玉米种植简单，易成规模，经济效益好，深受种植户欢迎，已成为乡村振兴和农业转型升级的优势作物之一［4］。

甜玉米从普通玉米突变而来，涉及的基因和突变位点相对固定，育种历史较短且规模小，导致甜玉米群体内部可利用的遗传多样性有限，甜玉米育种过程中，普通玉米和糯玉米种质也发挥了重要作用［5］。甜玉米中开展品质研究较晚，相关研究也是近年才有报道。随着甜玉米研究的开展，甜玉米种质的创新和评价以及甜玉米和普通玉米，甜玉米和糯玉米之间的基因交流的不断扩展和深入，甜玉米的品质改良可利用资源将更加丰富。连锁分析、关联分析、混池测序（BSA）等分析方法的引入也将在甜玉米有利等位基因的发掘和利用中发挥重要作用。本文就近年国内外在甜玉米品质遗传改良上取得的重要进展进行综述，以期为国内外同行提供参考，为甜玉米优质品种培育提供理论支持。

1 甜玉米食味品质研究

1.1 胚乳突变基因

甜玉米是普通玉米淀粉合成的突变体，主要表现为糖类在胚乳中积累，由一个或多个隐性基因控制，相关基因有sh2、su1、bt1、bt2、du1、se1、ae1等。这些基因都有多种等位基因型，由此产生表型的差异，不同隐性等位基因组合在育种实践中也得到不断尝试和应用［6］。如su1和se1的组合使甜玉米籽粒中糖类含量接近sh2类型，可溶性多糖的含量又和su1类型相似，产生了一种高品质，有奶油状胚乳的甜玉米类型［7］；普甜玉米由于su1纯合导致淀粉合成受阻，胚乳含糖量增加并积累了大量的水溶性多糖，具有粘性；双隐性sh2控制的胚乳类型，淀粉含量很低，含糖量可达20%～25%，但水溶性多糖含量低，质地甜且脆，缺少普通甜玉米粘糯的特点；su1和se1基因组合形成的加强甜玉米类型，综合了普甜玉米和超甜玉米的优点，含糖量高且有奶油状特性［8］。

甜玉米中，淀粉合成缺陷基因一直是研究热点。不同缺陷基因形成的甜玉米在品质、抗性等方面均有较大差异［9-10］。基因su1是最早发现并定义的甜玉米突变体，su1在基因区发生了多处突变，且至少经历了4次独立的突变事件并被当地农民保存下来［11］。在su1主要的等位基因中，su1-ref，su1-nc和su1-sw3个等位基因编码酶蛋白序列中包含单氨基酸替换使蛋白失活。su1-cm的第一个外显子包含一个转座子元件使基因失去编码蛋白的能力［11］。此外，还发现有su1等位基因编码区域序列本身无变异，但其所编码的酶活性却降低了，其原因还未探明［11］。含有以上等位基因的材料在籽粒总糖含量、籽粒组分、出苗率等方面均存在显著差异［12］。su1-ref因含有较低的淀粉含量被广泛应用于温带甜玉米商业化育种，但淀粉含量也使其田间出苗率受较大影响［12］。se1基因是su1的增强子，se1并不在淀粉合成途径中，se1和su1组合时可使甜玉米籽粒具有细腻、奶油状的胚乳而成为优质型甜玉米［7］，但se1的作用方式并不清楚。基因se1编码176个氨基酸，但功能未知，进一步研究发现隐性se1株系在se1处存在637 bp的缺失，这个缺失变异使se1功能改变，在碳水化合物代谢层面上产生了巨大的影响，突变体能显著提高籽粒中蔗糖和麦芽糖含量［13］。近等基因系之间的差异表达分析显示，差异基因富集在淀粉合成和降解途径，表明se1的功能不单一，而是综合、复杂的［13］。

野生型sh2基因编码腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸酶的大亚基，sh2的突变直接影响淀粉合成，使糖类在籽粒中大量积累［14］。sh2是目前广泛应用的甜玉米类型。等位基因sh2-R功能完全丢失，可以产生非常皱缩的表型，也是甜玉米产业广泛使用的突变类型。sh2-R的产生源于在sh2区域基因组结构发生了断裂并重排，使sh2基因结构完全损坏［15-17］。sh2突变主要影响籽粒中胚乳淀粉的合成，而其他部位如叶片、胚中淀粉的合成则不受影响，当sh2失去功能时，其他部位的淀粉也会向胚乳中转运约25%的淀粉［18］。

1.2 果皮厚度

果皮厚度是衡量鲜食玉米品质的重要指标。甜玉米果皮由不可消化的纤维素、多糖等组成，果皮厚度直接影响甜玉米口感。在甜玉米育种过程中，选育薄果皮甜玉米自交系和杂交种一直是甜玉米育种的重要目标。多项研究表明，果皮厚度与采摘时间、环境等外在因素相关，但在同等条件下，果皮厚度与遗传背景也高度相关，且该性状的遗传力也较高［19-20］。果皮厚度是一个受多基因控制的复杂性状，对其相关调控基因的定位较困难，迄今为止还没有定位到果皮厚度相关的主效基因。研究者通过构建不同的研究群体，已定位到了一些与果皮厚度相关的QTL，但对这些QTL中功能基因的解析进展缓慢。泰国研究者通过构建重组自交示群体，利用果皮重量代替果皮厚度的指标对泰系甜玉米果皮厚度的遗传调控进行了探究，在5号染色体上标记bnlg278和phi128之间定位到一个主效QTL，该QTL可以解释未成熟甜玉米籽粒果皮厚度73.7%的变异和成熟后41.6%的变异［21］；在糯玉米中，Choe等［22］通过100个SSR标记对玉米籽粒果皮厚度和穗部性状进行了分析，发现一些控制果皮厚度的QTL位点和果穗性状相关QTL共定位，表明果皮厚度和产量等性状有关，这为培育高产且薄果皮的甜玉米品种提出了新的机遇和挑战。于永涛等［23］利用薄果皮亲本日超-1和厚果皮材料1021构建的包含190个家系的BC1F2回交群体，利用复合区间作图模型和基于混合线性 CIM 模型（MCIM）对QTL进行了定位，分别检测到3、5个控制果皮厚度的QTL，同时发现，利用MCIM模型能检测果皮厚度QTL之间的上位性效应，更适用于果皮厚度QTL定位研究。Wu等［24］利用包含148个家系的BC4F3群体，并构建了包含3 876个标记的高密度连锁图谱，共检测到14个QTL，其中10号染色体上有一个能多次重现的稳定QTL，结合转录组数据，提名了3个候选基因。甜玉米果皮厚度研究虽然开展较早，但还没有定位到关键基因。以上研究都使用了相关甜玉米群体以正向遗传学的研究方法对这一性状进行研究，但局限性也很明显，群体较小，标记密度较低，不能完全代表基因组的功能变异，基因定位效率较低。

乐素菊等［25-26］从果皮结构出发，系统阐明了果皮性状包含了果皮细胞层数、细胞排列紧密层度、细胞壁角质化层度等，并指出果皮细胞层数少、果皮细胞壁木质化程度低是优质甜玉米的重要指标。赵捷等［27］利用果皮穿刺强度，对果皮的柔嫩性进行了评价，发现果皮穿刺强度和果皮中纤维素含量及果皮细胞层数成正相关关系，且果皮层数的影响要大于纤维素含量。以上研究表明，果皮细胞层数是决定甜玉米果皮厚度的重要影响因子。

2 甜玉米营养品质研究

2.1 维生素E

维生素E是一种在植物组织或者一些蓝藻细菌中合成的脂溶性维生素，是人类必需的微量营养物质，它和多种人类疾病有关，如心血管疾病、癌症和糖尿病等［28-29］，成年人每日维生素E摄入量应在15 mg左右［30］。维生素E主要包含生育酚（tocopherol）和生育三烯酚（tocotrienol）两大类，根据芳香环甲基数目和位置的不同，每类均可分为α、β、γ、δ 4种类型［31］。不同组分与人或动物体内转运蛋白的结合能力不等，其抗氧化活性也不同［32］，一般而言，生育酚的活性高于生育三烯酚，α活性大于β活性，远大于γ，δ活性最低［33-34］。

甜玉米籽粒中的维生素E主要存在于胚中，在籽粒发育过程中，除β-生育三烯酚未检测到，其余7种组分均有检测到［35］，各组分含量均随着发育进程而不断升高［36］，生育三烯酚含量大部分均高于生育酚，且γ生育三烯酚含量最高［37-38］。在拟南芥中，维生素E的生物合成代谢途径已经相当清楚，控制这些步骤的关键酶基因也已经克隆。而在甜玉米中，维生素E的遗传研究起步较晚，冯发强等［39-40］对47份甜玉米自交系进行了生育酚含量的测定，从中选取了总生育酚含量极端的自交系A6和A57进行杂交，构建了一个包含229份家系的F2群体，再结合136个分子标记，对甜玉米籽粒中的生育酚含量进行QTL初定位，共检测到11个QTL。借助于普通玉米中生育酚的研究，Fe ng等将普通玉米在ZmVTE4［41］基因上的优良等位基因导入到4个优良甜玉米自交系中，提高了籽粒γ生育酚和总生育酚含量［42］。随着测序技术的发展，全基因组关联分析已成为挖掘数量性状位点的有利工具，Baseggio等［37］首次构建了包含411份甜玉米自交系的关联群体，测定了维生素E的6个组分含量，检测到336个和维生素E相关的SNP。几乎同时，Xiao等［38］也构建了包含204份自交系的甜玉米关联群体，测定了维生素E的7个组分含量，检测到119个和维生素E相关的位点。值得注意的是，在上述两个关联群体中均检测到ZmVTE4基因，这与普通玉米的定位结果一致，广东省农业科学院作物研究所利用位于该基因上的分子标记，成功培育了两个高维生素E甜玉米品种［38］。

2.2 玉米黄质

玉米黄质及其异构体叶黄素均属于类胡萝卜素［43］，可以防止蓝光对人眼的氧化和细胞损伤，增加视觉的敏锐度［44-45］。相较于叶黄素，玉米黄质在人类饮食中来源更少，而且玉米黄质在眼部的含量要高于叶黄素，足见其对眼睛保护的重要性。相对于其他食物，甜玉米含有更丰富的玉米黄素，是玉米黄质的良好来源，但当前甜玉米玉米黄质浓度较低，还不能满足人体对玉米黄素的需求。

O'Hare等［46］对200份热带甜玉米自交系叶黄素和玉米黄质等类胡萝卜素含量进行了测定，发现玉米黄质在甜玉米群体中具有较大的遗传变异，通过对黄玉米质甜玉米材料间的多代杂交富集玉米黄质合成有利等位基因，使玉米黄质含量提高了近10倍，达到食用约100 g鲜甜玉米就可满足人体对玉米黄质摄入量的需求。但该研究成果向育种实践转化仍有距离，因该研究并没有对其遗传机制进行研究，对高玉米黄质材料的筛选仅从穗部颜色进行分辨，并未通过可靠的分子标记进行筛选；进一步研究发现玉米黄质的含量和β紫罗酮含量有正相关关系，而β紫罗酮作为玉米中一种易挥发的风味物质，可以影响甜玉米的风味［47］。Ibrahim等［48］通过种植和测定不同年份和季节的41份甜玉米材料叶黄素和玉米黄质含量，结果发现两者不同年份和季节含量变化不大，而在不同甜玉米种质间差异变化大且稳定，表明叶黄素和玉米黄质主要受遗传调控。PSY、LCYE和HYD是玉米黄质和叶黄素合成代谢途径中关键基因，其中PSY编码八氢番茄红素合酶且已在玉米、大刍草、高粱中克隆［49］；LCYE和HYD均是通过在普通玉米群体中利用关联分析手段进行克隆，且鉴定到了有利等位基因［50-51］，冯发强等［52-53］利用该3个基因开发了基于PCR技术的分子标记，并对47份甜玉米自交系材料进行了基因型鉴定，结合高效液相色谱对类胡萝卜素各组分进行测定，进一步评估了这3个基因在甜玉米中的效应，其中PSY1可以解释玉米黄质变异的14%，LCYE可以解释总类胡萝卜素含量的16%左右，而这3个基因的有利等位基因组合可以解释类胡萝卜素含量变异的41%［52-53］。

2.3 锌

锌是人类饮食中最受限的矿物营养元素之一［54］。长期以来，锌的营养强化在小麦、水稻、小米、高粱、大麦等主要作物的育种中［55］。玉米作为主要农作物之一，锌含量的变化备受研究者关注，但并未取得较大研究进展。其主要原因可能有以下几点：（1）基于不同种质的锌含量遗传力估算结果可能存在较大差异，Niji等［56］对63份甜玉米材料的锌含量进行测定，并估测了锌含量的遗传力，发现锌含量遗传力在0.9以上，而郝小琴等［57］对甜、糯玉米中矿物质元素含量测定结果表明，各种矿物营养元素的广义遗传力较低。以上两项研究均以杂交种为研究对象，加上环境和研究材料背景差异等因素，并未能很好的对锌含量遗传力进行准确评估。（2）锌元素的积累部位限制了锌强化在普通玉米中的应用。锌主要存在于玉米果皮、糊粉层、胚等部位，胚乳中含量较低，在玉米加工过程中，锌含量损失约80%［58-59］。而甜玉米作为鲜食型玉米，全籽粒食用，因此对于锌含量的研究和利用更有意义。（3）锌含量和植酸含量相关。玉米籽粒中植酸可以螯合金属元素，包括锌，产生不能溶解的盐，从而阻碍人体对锌元素的吸收［60］。研究还发现，玉米籽粒中高锌含量伴随着高硫含量，但不会提高籽粒中磷元素含量［61］，这为高锌甜玉米育种提供了很好的理论支持。在甜玉米中开展高锌、低植酸甜玉米种质创新和品种选育，并进行推广应用，将促进人体对锌元素的吸收和利用；同时，甜玉米籽粒中锌含量受土壤中矿物元素影响明显，但不同遗传背景对锌的积累差异也较大［62］，表明遗传调控对锌积累具有重要作用，而且锌含量和甜玉米产量无明显相关性，为高锌高产甜玉米培育奠定了理论基础。但现阶段高锌甜玉米品种培育仍面临巨大困难，其主要原因是对锌含量的遗传解析不够深入，玉米籽粒中锌元素的吸收和积累机制不明确，仍未发掘到高锌含量的甜玉米等位基因资源。

2.4 蛋白质

蛋白质是玉米籽粒的重要组分之一，蛋白质含量在不同遗传背景下差异较大［63-64］。在普通玉米研究中，已有大量蛋白质含量及QTL定位研究的报道［65-67］，但以甜玉米为试材的研究报道较少，取得的成果没有普通玉米丰富。蛋白质和淀粉含量直接影响甜玉米食味品质，蛋白质含量作为复杂的数量性状受多基因调控。在玉米中，蛋白质含量表现出一些共性，如在不同类型玉米中存在较大差异，大部分彩色甜糯玉米中粗蛋白的含量要低于黄色或白色甜糯玉米［68］。甜玉米蛋白质含量的遗传解析主要基于连锁和关联分析对相关QTL进行定位研究，张姿丽等［69］选择了两个蛋白质含量差异较大的亲本T8（10.88%）和T48（14.66%）构建了包含232个F2子代的群体，利用245个SSR标记构建了甜玉米遗传连锁图谱，并对粗蛋白含量进行QTL定位，共鉴定到10个甜玉米籽粒粗蛋白含量QTL位点，这些位点分别位于2、4、5、6、9号染色体上，单个QTL解释的表型变异率在5.97%～16.52%之间。

近期，王长进等［70］首先利用56K SNP芯片对100份甜玉米自交系进行了SNP扫描，然后采用凯氏定氮蒸馏法测定了甜玉米种子中蛋白质含量，发现甜玉米群体材料蛋白含量变异丰富，变异范围在8.96%～18.01%，最后利用覆盖基因组的3.7万个SNP位点结合蛋白质含量表型进行了关联分析，在全基因组范围内共鉴定到15个SNP和蛋白含量相关，主要分布在1、2、4、8、9号染色体上，其中1号染色体136 Mb 和9号染色体155Mb处的两个QTL对蛋白质含量表型贡献最大，分别可以解释蛋白含量变异的52%和45%，这些位点的获得为甜玉米蛋白质含量分子标记辅助选择和品质育种提供了理论基础。

3 结语与展望

目前为止，与甜玉米有关的主要胚乳突变基因已开展了大量克隆和功能研究，如su1的编码区的碱基替换和转座子插入、sh2的结构变异、se1的大片段缺失等。这些功能位点变异的获得为甜玉米品质性状的分子标记辅助选择打下了坚实基础，同时，这些基因的突变在整个碳水化合物甚至整个代谢途径上的影响也在被快速解析。近年来，甜玉米在品质遗传改良方面取得了较大进展，从宏观到微观，从大分子到小分子，均开展了相关研究和探索，主要方向集中在表型遗传力、QTL定位等，而在功能基因的解析方面还需投入更多精力。

我国在甜玉米育种和基础研究方面起步较晚，研究基础薄弱。甜玉米品质性状的研究还处于初级阶段，甜玉米品质改良过程中一些基础性问题亟需回答。以下几方面将有望成为甜玉米品质改良研究的重点领域：（1）淀粉合成缺陷基因的功能研究，这些突变基因中大部分都已克隆并且鉴定到功能位点，但这些基因所发挥的功能以及突变后在基因组、转录组、蛋白质组、代谢组等层面的影响解析还不够深入；（2）果皮相关性状的改良，果皮是影响甜玉米口感的重要影响因素，果皮中纤维素含量，细胞层数等问题也将是重要研究方向；（3）甜玉米中蛋白含量和品质改良。甜玉米淀粉含量的减少，直接突出了蛋白质在甜玉米籽粒中的比例和地位，不仅影响甜玉米食味品质，还是甜玉米营养的主要体现形式；（4）微量营养元素的强化。微量营养元素包括维生素、矿物质元素等，这些营养元素的强化是提高甜玉米附加值、增强甜玉米竞争力、满足多元化需求的重要发展方向。

甜玉米源于普通玉米，来源较单一，造成甜玉米种质资源遗传基础狭窄，导致在甜玉米基础研究和育种过程中可利用的遗传资源有限。收集和创新更多的种质资源，扩大研究群体，并结合连锁和关联分析方法，是打破这一瓶颈的有效方法。随着研究手段的持续更新和发展，甜玉米在多组学、基因编辑、全基因组选择及单倍体技术等方面的持续进步必将极大的加速甜玉米品质遗传改良和优质甜玉米品种培育进程。