鄧琳+余小剛+姜朵+劉倩+汪保華??
摘要:棉花分子育種是目前棉花育種研究的重要手段。本文從分子標記輔助育種和轉基因育種兩個方面,概述近幾年國內外棉花分子育種的研究進展,總結棉花分子育種目前遇到的問題,以期為今后棉花分子育種提供參考。
關鍵詞:棉花;分子標記;轉基因;育種
中圖分類號:S562.03文獻標識號:A文章編號:1001-4942(2017)05-0144-07
Research Progress of Cotton Molecular Breeding
Deng Lin,Yu Xiaogang,Jiang Duo,Liu Qian,Wang Baohua
(School of Life Sciences,Nantong University,Nantong 226019,China)
AbstractMolecular breeding is an important means in cotton breeding research at present. In this paper,the progress and problems of cotton molecular breeding at home and abroad in recent years were summarized from aspects of molecular marker-assisted breeding and transgenic breeding,so as to provide references for future cotton molecular breeding.
KeywordsCotton;Molecular marker;Transgene;Breeding
棉花是我國重要的經(jīng)濟作物,2015年種植面積達到379.9×104 hm2,總產(chǎn)量為560.5×104 t。除了主產(chǎn)品棉纖維外,副產(chǎn)品的經(jīng)濟效益也日益被發(fā)掘,棉稈和棉籽等都可以作為生物質能源原料被利用[1]。然而,傳統(tǒng)的棉花育種方式已不能充分滿足工業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展的需求。棉花分子育種由于能明顯縮短育種周期、可定向選擇優(yōu)質基因等優(yōu)點,已經(jīng)逐步成為棉花育種的重要方式,已高效實現(xiàn)棉花性狀中的產(chǎn)量、棉纖維品質、對生物及非生物脅迫的抗性(抗病抗逆性)、種子含油量、纖維顏色、光合效率等性狀的改良。本文擬從分子標記輔助育種、轉基因育種兩個方面概述近幾年來國內外棉花分子育種的研究進展、棉花分子育種目前的成就及面臨的困難,提出我們對于該問題的思考,以期為棉花分子育種提供參考。
1棉花分子標記輔助育種與轉基因技術的基本原理
1.1分子標記的種類及分子標記輔助育種的原理
經(jīng)過多年的發(fā)展,分子標記主要包括以下四類。第一類以DNA-DNA雜交技術為基礎,如限制性片段長度多態(tài)性(restriction fragment length polymorphism,RFLP)、數(shù)目可變串聯(lián)重復序列多態(tài)性(variable number of tandem repeat,VNTR)。第二類以PCR技術為基礎,如隨機擴增片段長度多態(tài)性DNA(random amplified polymorphic DNA,RAPD)、簡單重復序列(simple sequence repeat,SSR)、序列特異性擴增片段(sequence-characterized amplified region,SCAR)、相關序列擴增多態(tài)性(sequence-related amplified polymorphism,SRAP)、靶位區(qū)域擴增多態(tài)性(target region amplified polymorphism,TRAP)、擴增片段長度多態(tài)性(amplified fragment length polymorphism,AFLP)。第三類以DNA單鏈、單核苷酸多態(tài)性為基礎,如單鏈物質多態(tài)性(single strand conformation polymorphism,SSCP)、單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)、衍生的酶切擴增多態(tài)性(derived cleaved amplified polymorphic sequence,dCAPS)。第四類原位雜交技術(in situ hybridization,ISH),包括熒光原位雜交(fluorecence in situ hybridization,F(xiàn)ISH)和基因組原位雜交(genome in situ hybridization,GISH)等[2]。分子標記輔助選擇是在作物改良過程中,利用分子標記選擇目的性狀基因型的一種輔助手段。它為了減少連鎖累贅,獲得帶有期望性狀的個體,提高育種效率,而借助與目的基因呈共分離關系或緊密連鎖的分子標記篩選選擇個體,包括目標區(qū)域以及全基因組兩個部分。它是在分子水平上對作物育種的直接應用,不受環(huán)境干擾,結果可靠。
1.2轉基因技術的原理
轉基因技術可以定向性地將優(yōu)質基因導入棉花體內,由此獲得生產(chǎn)成本低、經(jīng)濟效益高的轉基因棉花。農(nóng)桿菌轉化法、花粉管通道法、基因槍法是目前廣泛用于棉花轉基因技術的方法[3]。
1.2.1農(nóng)桿菌轉化法農(nóng)桿菌大致分為四類,而能夠應用于轉化植物的只有兩類,即帶有Ti質粒的根癌農(nóng)桿菌與帶有Ri質粒的發(fā)根農(nóng)桿菌。又因對于Ti質粒研究得較為透徹,且以下胚軸做受體的轉化率極高,故根癌農(nóng)桿菌最常用于棉花遺傳轉化[4]。根癌農(nóng)桿菌的Ti質粒上有一段可以將目的基因插入的T-DNA區(qū),借助農(nóng)桿菌的侵染能力,經(jīng)過一系列過程,便可將外源基因導入到受體中[5]。例如,NOS(nopaline synthase)反義基因通過農(nóng)桿菌介導的轉化和體細胞胚發(fā)生系統(tǒng)介導,經(jīng)PCR反應和Southern雜交,檢測到該基因的存在并且轉基因植株并沒有感染棉花曲葉病毒[6]。
1.2.2花粉管通道法花粉管通道法的基本原理是外源DNA能通過花粉管滲透,經(jīng)過珠心進入胚囊,變成不具有細胞壁的合子或早期胚胎細胞。歐文氏菌對大白菜造成最具破壞性的疾病,借助花粉管通道法將aiiA基因導入大白菜中,建立軟腐病抗性的aiiA基因轉化系統(tǒng),可以培育出有效的抗軟腐病植株[7]。目前該方法已成功運用于棉花遺傳轉化,并得到耐鹽變異體、雙價轉基因抗蟲棉株系等優(yōu)質品種[8]。
1.2.3基因槍法該法是利用基因槍在棉花受體中導入外源基因,即在動力系統(tǒng)的作用下,金屬顆粒(金?;蜴u粒)將DNA吸附在表面,然后在不需除去細胞壁和細胞膜的情況下以一定的速度射進植物細胞進入基因組,從而達到穩(wěn)定轉化的目的。馬玲玲[9]對新疆自育海島棉品種新海13號莖尖和新陸早33號胚性愈傷組織進行基因槍轉化,建立了高效的遺傳轉化技術體系。
2棉花分子標記輔助育種的發(fā)展現(xiàn)狀
近年來,分子標記輔助育種技術在棉花上的運用日漸成熟,特別是在遺傳圖譜構建和纖維品質、抗枯黃萎病、耐鹽性、含油量、光合效率等性狀方面均取得重大成就,這些將為以后的棉花分子育種提供信息支持。
2.1纖維品質
近年來,國內外在提高棉花產(chǎn)量方面碩果累累。但是先進的紡紗技術對棉花纖維品質提出了更高的要求。應用基于與優(yōu)良纖維性狀相關基因緊密連鎖的分子標記進行輔助育種是改良纖維品質的有效途徑。表1列出了近幾年國內外在棉花纖維品質QTL的定位情況。
2.2抗枯黃萎病
枯黃萎病嚴重影響棉花產(chǎn)量,培育抗病品種是解決該問題的有效措施,也是棉花育種的重要目標。促進抗病性QTL的定位,實現(xiàn)棉花抗病分子育種,需開發(fā)出多態(tài)性分子標記。表2列出了近幾年國內外棉花抗黃萎病QTL的定位情況。
.3耐鹽性
我國現(xiàn)有鹽漬土面積為3 470×104 hm2,且尚有1 733×104 hm2左右的潛在鹽漬化土壤。這些鹽堿地嚴重威脅我國主產(chǎn)棉區(qū)的環(huán)境,對棉花生產(chǎn)有一定影響[38],因此,對耐鹽相關的分子標記的開發(fā)很有必要。徐鵬等[39]利用陸地棉品種Miscott7913-83和蘇棉12在不同鹽脅迫下的基因表達獲得3 232條差異表達基因,并利用生物信息學手段大規(guī)模地開發(fā)了SSR以及Indel等分子標記,提供了一套高效可行的快速開發(fā)陸地棉品種間多態(tài)性分子標記的分析方法。劉雅輝等[40]利用相關序列擴增多態(tài)性和群體分離法對棉花耐鹽材料×敏鹽材料組合的F2群體及26個耐、敏鹽品種進行了分析和鑒定,篩選出了與棉花耐鹽相關的分子標記。
2.4含油量
陸地棉棉仁的含油量與大豆相當,達25%~40%[41],是植物油的重要來源??蒲泄ぷ髡叩难芯糠秶饕杏诳鼓嫘誀?、纖維品質以及產(chǎn)量性狀,對棉仁含油量性狀關注較少。趙文霞[41]從全國收集到507份陸地棉種質資源,以其組成的自然群體和雙親分離群體開展關聯(lián)和連鎖分析,獲得6個油分含量QTLs,得到群體含油量性狀具有很高遺傳力和易受環(huán)境顯著影響的結果,為后續(xù)QTL的精準定位和克隆提供了信息資源,也為高油育種提供了優(yōu)良條件。
2.5光合效率
光合效率是影響棉花經(jīng)濟產(chǎn)量的主要因素,光合效率高能顯著增加棉花產(chǎn)量。張建[42]利用渝棉1號和T586的重組近交系群體F2∶7家系,分析光合性狀的QTL及其效應,檢測到48個光合性狀QTL,對提高棉花產(chǎn)量具有重要意義。
3棉花轉基因技術的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著轉基因技術的不斷成熟,棉花在這方面的成果也在不斷更新。近年來,轉基因技術廣泛應用于改良棉花的抗蟲、抗病、抗逆性、抗除草劑和纖維品質等性狀[43]。
3.1抗蟲基因
蘇云金芽孢桿菌的內毒素蛋白基因、蛋白酶抑制基因和植物外源凝集素類基因是廣泛應用于棉花的抗蟲基因[44]。蘇云金芽孢桿菌殺蟲蛋白基因可用于構建具有抗蟲作用的抗蟲工程菌,通過拌種或葉面噴霧等方法可達到快捷、經(jīng)濟、高效地防治蟲害的目的[45]。從蘇云金桿菌(Bt)提取出的Cry1Fa蛋白基因有控制鱗翅目害蟲的潛力,尤其是在玉米和棉花的轉基因表達中[46]。納米氧化銅(Cu-NPs)對轉基因抗蟲棉性狀表達具有重要作用。CuO-NPs影響轉基因棉和常規(guī)棉的生長、養(yǎng)分含量、吲哚乙酸(IAA)和脫落酸(ABA)濃度。納米氧化銅提高了外源基因編碼的Bt毒蛋白在葉片和根中的表達程度,對轉基因棉花的抗蟲性有積極意義[47]。申貴芳等[48]對2005—2014年山東省棉花轉基因抗蟲育種中間材料的纖維品質測試數(shù)據(jù)進行比較,并與我國其它產(chǎn)棉區(qū)數(shù)據(jù)進行比對,分析山東省棉花品質育種現(xiàn)狀和存在的主要問題,對今后的棉花品質育種提出了方向。
3.2抗除草劑基因
棉田雜草嚴重影響棉花產(chǎn)量,而濫用殺蟲劑不但會增加雜草對它的抗性,也會對棉花植株造成影響。在棉花植株中導入抗除草劑基因,會大大削弱除草劑對于作物的影響??共莞熟⒒蚴俏覈晒τ糜诿藁ǖ目钩輨┗?。劉錫娟等[49]將抗草甘膦基因導入棉花中,得到有較強草甘膦抗性的轉基因棉花植株。Puspito等[50]采用農(nóng)桿菌介導的轉化方法將兩個Bt基因(Cry1Ac和Cry2A)和抗除草劑基因(CP4 EPSPS)轉導進入一個當?shù)氐拿藁ㄆ贩NVH 289,得到轉基因植株。與非轉基因品種相比,轉基因品種表現(xiàn)出更好的抗性。
3.3抗病基因
病害是影響棉花產(chǎn)量的重要因素之一,可導致棉花欠收甚至絕收,其中最為嚴重的就是黃萎病,目前尚無法根治[51]。近年來,大量科研人員對此病進行了研究。婁善偉等[52]通過田間小區(qū)試驗,研究不同包衣處理防治黃萎病的效果。結果表明:在不同包衣處理后,出苗時間縮短,出苗率提高,其中枯草芽孢桿菌包衣處理結果最好。一種新型的抗菌蛋白(HCM1)使轉基因棉花產(chǎn)生微觀的過敏反應(micro-HR)、活性氧(ROS)爆裂,并導致在響應非生物脅迫相關的基因激活,表明轉基因棉花保護宿主免受病原感染[53]。
3.4纖維品質改良
棉花的強度、長度、馬克隆值等都是評價棉花纖維品質的重要指標[54]。張海平等[55]將木醋桿菌纖維素合酶基因acsA和acsB導入棕色棉G007和白色棉X003中,轉基因后代的棉纖維品質有顯著提高。張震林等[56]通過花粉管通道轉基因技術,在高產(chǎn)棉花品種蘇棉16號中導入兔角蛋白基因,成熟植株纖維的品質得到部分改良,比強度有較明顯提升。李飛飛等[57]通過農(nóng)桿菌介導法在陸地棉品系 WC中導入蠶絲心蛋白基因,檢測結果表明,目的基因已整合到棉花基因組,并且能夠穩(wěn)定遺傳和表達,從而獲得纖維品質改良的棉花株系。Han等[58]的研究表明通過轉基因方法來調節(jié)內源性激素水平,可以提高棉花纖維品質。從陸地棉中克隆出一個假定存在的PSK基因(GhPSK),能夠在迅速增強伸長的纖維細胞(5~20天開花后)中特異表達。GhPSK基因的過度表達增加內源性 PSK-α的水平和促進棉纖維細胞的伸長,產(chǎn)生更長和更細的纖維。從生理學上分析表明,GhPSK通過K+外流影響纖維的進一步發(fā)育。數(shù)字基因表達(DGE)進一步分析證明PSK信號可能調節(jié)呼吸鏈電子傳遞活性氧,從而影響棉纖維的品質。
3.5抗逆基因
由于土壤、水源的客觀存在性,所以要想改變植株本身對環(huán)境的適應能力,就需要改變其選擇性的基因,借此提高棉花對環(huán)境的抗性。目前取得研究進展的抗性基因包括抗旱基因、耐鹽堿基因等。朱超等[59]利用花粉管通道法,獲得了轉Δ1-二氫吡咯-5-羧酸合成酶基因(MvP5CS)高代棉花材料,并在田間干旱脅迫下比較了轉MvP5CS基因的T6代3個株系植株與受體棉花材料 D5主要生理生化指標和農(nóng)藝性狀的差異,結果表明:轉基因棉花比非轉基因棉花植株更有利于在干旱脅迫條件下生長,且在單鈴重、籽棉產(chǎn)量、皮棉產(chǎn)量、衣分等方面更具優(yōu)勢,纖維長度和強度有所增加,馬克隆值降低,品質得到改善。為獲得耐鹽性高的棉花植株,蔣玉容等[60]通過花粉管通道法在中棉所35中導入山菠菜甜菜堿醛(BADH)基因,與對照相比,其T2代種子在0.6% NaCl鹽池的發(fā)芽結果表明,轉化植株的耐鹽性有顯著增加。
4分子標記輔助育種存在的問題
近十幾年來,分子標記輔助育種雖在棉花上得到較大發(fā)展,但多數(shù)僅關注于標記鑒定、定位、作圖等基礎環(huán)節(jié)。通過分子標記輔助育種提高育種效率、大規(guī)模培育優(yōu)良品種的技術還未成熟,其中還存在大量問題[61]。
4.1標記鑒定與輔助育種兩個重要環(huán)節(jié)脫節(jié)
大多數(shù)科研工作者只關注重要標記的鑒定,而忽視了標記輔助育種?;谶@個問題,若起始親本選用優(yōu)良品種,那么一方面標記的可行性能得到保障,另一方面可以進一步為培育優(yōu)良品系提供種質資源[62]。
4.2標記的選擇和鑒定技術亟待提高
現(xiàn)有的標記輔助選擇體系的有效范圍僅僅在于單個或少數(shù)幾個基因,但對于多基因控制的數(shù)量性狀,收效甚微。另外,分子標記鑒定技術的操作依舊不夠精簡,實驗成本高且費時[63]。
4.3遺傳圖譜飽和度有待提高
為了解決很多類型的分子標記在陸地棉中多態(tài)性很低的問題,所以需要大量篩選與目的基因緊密連鎖的分子標記[64]?;诤j戨s交群體和陸陸雜交群體構建的較高密度遺傳連鎖圖譜,仍然不能滿足相關性狀精細定位進行圖位克隆和分子標記輔助育種需要的現(xiàn)狀[65],因此需要開發(fā)更多的分子標記,整合基于不同群體構建的遺傳圖譜,或采取多元雜交配制群體等方法提高遺傳圖譜飽和度,從而提高QTL定位的準確度。馬和歡等[66]在最大限度地消除了遺傳背景干擾的條件下,利用與其緊密連鎖的分子標記精確地解析了Chr.7 染色體纖維品質 QTLs 的遺傳效應,是值得借鑒的一個方向。
5轉基因技術存在的問題
轉基因育種與傳統(tǒng)育種相比,以其大大縮短固有生長周期的優(yōu)勢而被廣泛運用。導入的優(yōu)質基因使棉花具有了各種抵抗不良環(huán)境的能力。但由于技術本身尚不完善,轉基因育種目前仍面臨著許多亟待解決的問題。
5.1基因轉化率低
在各種物理、生化因素的影響下,基因轉化效率仍處于較低水平。在農(nóng)桿菌介導海島棉遺傳轉化實驗中,盡管已選用最佳的處理方法,但是效率依舊很低,達不到預期效果。周夢巖等[4]為提高實驗桿菌轉化遺傳因子的效率,分別從浸染時間、菌液濃度、共培養(yǎng)方法和預培養(yǎng)時間等方面進行了研究。
5.2對環(huán)境產(chǎn)生的不良影響
導入的外源基因具有不穩(wěn)定性,因而轉基因作物可能會對環(huán)境產(chǎn)生無法預知的影響,這些影響大致包括:轉基因作物本身遺傳性質不穩(wěn)定,可能演變?yōu)槠渌锓N;基因逃逸影響周圍物種,且大量的實驗都集中研究轉基因作物和它們的野生近緣物種因轉基因逃逸而發(fā)生基因流的概率。通過分析基因流的不同步驟,表明雜種雖長得很好,但種子比它們的野生親本少,且隨著世代的增加而下降[43];可能對非目標生物造成危害[67]。
5.3轉基因產(chǎn)品的安全問題
轉基因作物的安全性也影響到產(chǎn)物的進一步推廣。2014年1月,名為“Genetic Basis of Unintended Effects in Modified Plants”的國際會議在加拿大渥太華舉行。會議進一步研究植物修飾后的意外效應,并討論如何提高轉基因作物安全性[68]。由此可見,轉基因安全問題不容忽視。杜紅方等[69]從轉基因植物的外源基因和蛋白質是否會被降解或發(fā)生轉移,及抗除草劑植株的除草劑殘留等幾個方面,分析了轉基因作物飼養(yǎng)動物的安全性。
6思考與展望
隨著基因組測序等多種技術的突破,現(xiàn)代作物分子育種技術已逐步成為國際上作物育種的主流。與傳統(tǒng)育種相比,分子育種能利用現(xiàn)代分子技術打破生殖隔離,縮短育種周期,實現(xiàn)基因的直接選擇和有效聚合,在提高作物品質和產(chǎn)量等方面都有顯著成效。然而,隨著理論體系的不斷更新和完善,分子育種技術還有巨大潛力。對于轉基因育種來說,有限的優(yōu)質基因制約了新品種作物研究的進程,新型優(yōu)質基因亟待挖掘;目前的基因轉化方法效率較低,未來轉基因技術的發(fā)展有賴于改良現(xiàn)有轉化方法的工藝流程,以期獲得更高的轉化效率;對于轉基因產(chǎn)品的安全檢測也應進一步加強,借以消除大眾對轉基因產(chǎn)品的疑慮,從而使轉基因技術得到更好的發(fā)展。針對分子標記輔助育種,我們可以利用DNA芯片及相應的計算機分析軟件等實現(xiàn)標記篩選和鑒定的自動化、規(guī)?;涣硪环矫嫖覀冞€可以加強引進、發(fā)掘、保存與利用與標記相關的細胞遺傳學材料,進一步構建相關性狀分子標記和遺傳連鎖群體。相信在不久的將來,和常規(guī)育種結合的分子育種可最大限度地為作物育種做出貢獻,推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
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