張勤雪 陳景斌 袁星星
摘要:綠豆(Vigna radiata L.)是亞洲重要的經(jīng)濟(jì)作物,種質(zhì)資源豐富,營養(yǎng)價(jià)值高,但其產(chǎn)量和品質(zhì)受豆象的嚴(yán)重影響。因此,培育抗豆象新品種刻不容緩。從綠豆抗豆象種質(zhì)資源、抗豆象機(jī)理研究以及綠豆抗豆象基因的遺傳機(jī)理和定位等方面綜合闡述綠豆抗豆象的研究進(jìn)展,以期對相關(guān)研究提供借鑒。
關(guān)鍵詞:綠豆(Vigna radiata L.);抗豆象;種質(zhì)資源;機(jī)理研究;研究進(jìn)展
Abstract: Mungbean (Vigna radiata L.) is an important legume crop in Asia, the germplasm resources are extremely rich and the nutritional value is high. However, its yield and quality are seriously affected by the bean weevil. Therefore, it is urgent to cultivate new varieties resistant to bean weevil. The research progress of mungbean at home and abroad was reviewed from the aspects of germplasm resources, mechanism of resistance to mung bean and genetic mechanism and location of resistance gene in order to supply the useful information to correlation studies.
Key words: mungbean(Vigna radiata L.); bean weevil resistance; germplasm resources; mechanism research; research progress
綠豆(Vigna radiata L.)屬于豆科(Leguminosae)蝶形花亞科(Papilionaceae)豇豆屬(Vigna)菜豆族(Phaseoleae),染色體組為 2n=22[1],是亞洲重要的緩沖作物。由于綠豆生長周期短,耐旱以及固氮能力強(qiáng),因此廣受農(nóng)民歡迎[2]。一般食用其干種子和豆芽,是較好的食用蛋白來源。但是,綠豆的生產(chǎn)受到許多害蟲的破壞,其中,豆象Callosobruchus chinensis (L.)和Callosobruchus maculatus (F.)是綠豆田間生產(chǎn)和儲(chǔ)藏中危害最嚴(yán)重的害蟲,會(huì)造成減產(chǎn),種子質(zhì)量降低。
在中國,綠豆象一般每年發(fā)生達(dá)到4~6代,在南方更為顯著,可達(dá)11代[3]。豆象的初侵染是在田間發(fā)生,成蟲在嫩豆莢上產(chǎn)卵,并隨豆類收獲被帶入倉內(nèi)進(jìn)一步為害。成蟲羽化后引起第2次侵染,甚至可以為害整倉綠豆[4]。一般來講,豆象防控中常采用磷化氫熏蒸處理[5],但這些化學(xué)品毒性高,不利于環(huán)境安全,對食品安全也構(gòu)成威脅。現(xiàn)在雖然發(fā)現(xiàn)一些植物提取物如辣椒粉有控制豆象的作用[6, 7],但是這些物質(zhì)起效慢,易降解,而且會(huì)影響種子的萌發(fā)[8]。因此,培育抗豆象新品種成了發(fā)展綠豆產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。本文就綠豆抗豆象種質(zhì)資源、物理及生化物質(zhì)抗性、抗豆象基因的遺傳機(jī)理和定位等方面的研究進(jìn)行了分析,以期為綠豆抗豆象研究的進(jìn)一步發(fā)展提供依據(jù)。
1 綠豆抗豆象種質(zhì)資源
根據(jù)豆象抗性表現(xiàn),可將抗豆象綠豆材料分為以下3種類型:①高抗類型(HR),豆象危害率在0~10%。②抗豆象類型(R),豆象危害率在10.1%~35.0%,可以觀察到部分豆種被蟲蝕現(xiàn)象。③中抗類型(MR),豆象危害率在35.1%~65.0%。
在20世紀(jì)80年代末期,全世界搜集和保存綠豆種質(zhì)資源有3萬多份,其中亞洲蔬菜研究與發(fā)展中心5 274份、印度尼西亞3 139份、中國3 591份等[9]。90年代以后,中國收集保存的綠豆種質(zhì)資源已達(dá)到6 000多份。為了發(fā)掘綠豆抗豆象種質(zhì)資源,對來自世界各國的5 000多份綠豆種質(zhì)資源進(jìn)行抗豆象鑒定,從中篩選出抗豆象栽培品種V2709、V2802和野生種TC1966[10]。從來自澳大利亞的野生綠豆中鑒定出ACC41和ACC23? 2份抗豆象種質(zhì),對TC1966、ACC41和ACC23進(jìn)行抗蟲性鑒定,發(fā)現(xiàn)TC1966和ACC23對綠豆象、四紋豆象、灰豆象和菜豆象這4種害蟲均表現(xiàn)免疫,ACC41對綠豆象、四紋豆象和菜豆象表現(xiàn)免疫,對灰豆象表現(xiàn)高抗[11]。
2 抗豆象機(jī)理研究
作物抗蟲性是指作物阻止害蟲侵害的能力[12]。寄主植物的抗性包括拒蟲性和抗生性。具體到豆科植物,拒蟲性包括子粒的顏色[13]、紋理[14]和硬度[15]等,而抗生性即作物含有的次生代謝產(chǎn)物和抗?fàn)I養(yǎng)化合物對害蟲的生長發(fā)育和繁殖產(chǎn)生不利影響。
2.1 基礎(chǔ)物理抗性
植物的形態(tài)特征如茸毛、刺等與害蟲的偏嗜性密切相關(guān)[12]。抗蟲植株一般細(xì)胞壁厚和木質(zhì)化程度高[16]。在種皮顏色方面,相比于綠色或黑色種子,豆象雌蟲偏向于把卵產(chǎn)在黃色的種子上[13]。種子的質(zhì)地影響四紋豆象的產(chǎn)卵數(shù)量,雌豆象喜歡把卵產(chǎn)在光滑的種子表面[14]。Fujii等[17]觀察到的抗豆象綠豆TC1966種子表面具有平行的橫脊網(wǎng)絡(luò),不像大部分栽培綠豆的光滑表面。Fernandez等[18]發(fā)現(xiàn)莢皮上的致密短柔毛和硬種皮是抗性的主要原因。Tripathi等[19]研究發(fā)現(xiàn),豇豆親本及雜交種的種皮厚度和抗蟲性顯著相關(guān)。但是,也有報(bào)道認(rèn)為綠豆抗豆象性狀與種皮硬度關(guān)系不大[20]。
2.2 生化基礎(chǔ)抗性
植物的某些特異代謝產(chǎn)物能夠使害蟲的消化系統(tǒng)受阻厭食,甚至中毒死亡。目前,發(fā)現(xiàn)的抗豆象物質(zhì)包括蛋白酶抑制劑[21]和外源凝集素。Moreno等[22]分別通過傳統(tǒng)技術(shù)和親和層析法從菜豆中提純了淀粉酶抑制劑。體外試驗(yàn)表明,這類菜豆淀粉酶抑制劑對四紋豆象和綠豆象均有抑制作用[23]。
Ishimoto等[24]從墨西哥1 154份栽培菜豆及726份野生及雜草型菜豆中發(fā)現(xiàn)豬胰腺α-淀粉酶和墨西哥豆象幼蟲α-淀粉酶抑制劑。Ishimoto等[25]將菜豆中的α-淀粉酶抑制劑(α-AI)轉(zhuǎn)入小豆中,抑制小豆種子中綠豆象和鷹嘴豆象的生長。
Chen等[26]從抗蟲近等基因系VC6089A中分離出一種抗微生物蛋白質(zhì)的cDNA,命名為VrCRP,免疫組織定位及原位雜交發(fā)現(xiàn)VrCRP蛋白主要集中在綠豆種子的種皮中。隨后研究發(fā)現(xiàn),將含有0.2%(m / m)的VrCRP-TSP的人工種子飼喂豆象能完全抑制綠豆象幼蟲的發(fā)育[27]。日本研究人員用含有蛋氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸連在一起形成的環(huán)形肽的綠豆粉進(jìn)行豆象培養(yǎng),豆象成活率極低[28]。Sugawara等[29]指出綠豆中含有一種抗豆象的縮氨酸物質(zhì),從抗性基因系種子中分離得到豇豆酸A,認(rèn)為是抗豆象物質(zhì)。
3 抗性遺傳機(jī)理
作物的抗蟲性是可以遺傳的。根據(jù)抗性遺傳基礎(chǔ)可分為單基因、少基因、多基因和細(xì)胞質(zhì)抗性4種形式。
Kitamura等[30]以抗豆象野生種TC1966作父本,以O(shè)sakaryodutou和NO. 3-ryokutou作感豆象母本配制雜交組合,進(jìn)行室內(nèi)接蟲鑒定試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其抗豆象特性符合3∶1的分離規(guī)律,因此提出TC1966對綠豆象的抗性由1對顯性基因控制。Young等[31]從58個(gè)TC1966和VC3890的雜交F2植株上獲得55份種子,進(jìn)行接蟲試驗(yàn),卡方測驗(yàn)結(jié)果抗感分離比符合1∶2∶1,證明抗豆象特性由一對等位基因控制。程須珍等[32]以中綠1號為母本,TC1966為父本配制雜交組合進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果符合抗感分離比3∶1的分離規(guī)律,可以證明TC1966的抗豆象特性由一對顯性基因控制。Somta等[33]認(rèn)為V2709BG和V2802BG的抗性受母性遺傳影響,種子抗豆象與否取決于母本基因型。孫蕾等[34]通過試驗(yàn)證明,V2709的抗豆象特性是由一對顯性基因控制。梅麗[12]利用抗豆象材料ACC41和感蟲品種Berken構(gòu)建重組自交系,在4個(gè)環(huán)境下種植并進(jìn)行抗蟲鑒定,發(fā)現(xiàn)3個(gè)環(huán)境下RIL群體抗感分離比為1∶1,說明ACC41抗綠豆象由1個(gè)主效基因控制。
4 綠豆抗豆象基因的定位
程須珍等[35]用群組分離分析法 (BSA bulk segregant nalysis)對抗豆象基因的連鎖標(biāo)記進(jìn)行篩選時(shí),發(fā)現(xiàn)有6個(gè)引物在抗豆象野生種TC1966及其高代品系與V2709、V2802及6個(gè)感豆象品種有不同的擴(kuò)增產(chǎn)物,初步認(rèn)為共顯性標(biāo)記與TC1966抗豆象基因緊密連鎖。馬麗萍等[36]以抗蟲親本TC1966、感蟲親本中綠1號為研究材料,利用AFLP分子標(biāo)記技術(shù)對其進(jìn)行多態(tài)性指紋圖譜分析,為今后進(jìn)一步開展抗豆象基因的AFLP分子標(biāo)記提供參考依據(jù)。Young等[31]利用構(gòu)建的遺傳連鎖圖譜,首先將抗豆象基因Br定位在第8連鎖群上標(biāo)記sg A882和mg M151之間10 cM區(qū)間內(nèi)。Menancio等[37]將第8連鎖群修訂為第9連鎖群。Kaga等[38]利用BSA法進(jìn)一步分析將抗豆象基因Br定位在標(biāo)記Bng143和Bng110之間0.7 cM的區(qū)間內(nèi),Br基因與Bng143遺傳距離僅為0.2 cM。
Miyagi等[39]對抗性材料ACC41構(gòu)建了第1個(gè)容量為3.5倍綠豆基因組大小的BAC文庫。梅麗等[40]利用高感栽培種Berken和高抗野生種ACC41亞種內(nèi)雜交得到的重組近交系(RIL)群體構(gòu)建了1個(gè)包含79個(gè)RFLP分子標(biāo)記的遺傳圖譜。吳傳書[41]以重組自交系群體RIL12為試驗(yàn)群體,將ACC41抗豆象基因Br1定位到了第9連鎖群上1個(gè)2.4 cM的區(qū)間內(nèi)。孫蕾等[42]利用抗豆象栽培綠豆V2709與農(nóng)藝性狀優(yōu)良的感豆象推廣品種中綠1號(VC1973A)配制雜交組合,采用BSA法,定位F2代群體,抗豆象基因Br2初步定位在標(biāo)記RAPD和STS之間,遺傳距離分別為 11.0、5.8 cM。
Lin等[43]對VC1973A(感豆象品種)和VC6089A(由TC1966育成的抗豆象品系)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組和蛋白組分析,通過對差異表達(dá)基因/差異蛋白分析后預(yù)測位于第5染色體上編碼抗性-特異蛋白(resistant-specific protein)的基因g39185為抗豆象候選基因。Chotechung等 [44]利用KPS1和V2802構(gòu)建的BC11 F2群體繪制的連鎖圖譜將V2802中抗豆象基因定位在第5染色體上38 kb的區(qū)間內(nèi),只包含2個(gè)注釋基因,并預(yù)測VrPGIP2可能是V2802的抗豆象候選基因。同樣,Kaewwongwal等[45]將V2709的抗豆象基因定位在綠豆5染色體上,并預(yù)測 VrPGIP1和VrPGIP2可能是V2709的抗豆象候選基因。劉長友等[46]以V1128和感豆象栽培綠豆冀綠7號雜交形成的F2分離群體為試驗(yàn)材料,對V1128抗豆象基因進(jìn)行染色體定位分析,發(fā)現(xiàn)V1128對綠豆象的抗性由具有主效作用的顯性單基因Br3控制。
5 討論
綠豆作為中國重要的雜糧作物,在中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中發(fā)揮重要作用。但綠豆在生長和倉儲(chǔ)過程中會(huì)遭受各種生物或非生物脅迫的危害,因此高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗新品種培育是綠豆育種工作的重要目標(biāo)。
本文從綠豆抗豆象種質(zhì)資源、抗豆象機(jī)理研究以及綠豆抗豆象基因的遺傳機(jī)理和定位等方面綜合闡述綠豆國內(nèi)外研究進(jìn)展。篩選出抗豆象栽培品種V2709、V2802和野生種TC1966之后陸續(xù)又發(fā)現(xiàn)野生種ACC41、ACC23及栽培種V1128、V2817[20]是抗豆象種質(zhì)資源。對不同抗豆象資源的抗豆象機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)子粒的顏色、紋理及硬度影響豆象的代謝活動(dòng)。大量的研究表明,不同抗豆象綠豆資源中均存在主效的顯性抗豆象基因。Young等[31]與Chen等[47]認(rèn)為,野生綠豆TC1966的抗豆象特性由1個(gè)主效基因和微效基因共同控制的。這與程須珍等[32]認(rèn)為TC1966是由1對顯性基因控制不同,但可能由于所選擇雜交的母本或者后代抗蟲鑒定時(shí)所選的蟲源不一樣導(dǎo)致的,其抗性遺產(chǎn)機(jī)制仍需要進(jìn)一步研究。
目前部分研究者已定位出抗豆象候選基因,如Lin等[43]利用抗感材料進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組和蛋白組分析,預(yù)測位于第5染色體上基因39185為抗豆象候選基因。Chotechung 等[44]預(yù)測VrPGIP2可能是抗豆象候選基因。同樣,劉長友等[46]將Br3定位在綠豆染色體5的288 kb區(qū)間,此區(qū)間內(nèi)共有11個(gè)注釋基因,其中有5個(gè)基因編碼RD22類蛋白,2個(gè)基因編碼多聚半乳糖醛酸酶抑制劑類蛋白,3個(gè)基因編碼未知蛋白;LOC106760238則為假基因。其中編碼多聚半乳糖醛酸酶抑制劑類蛋白的基因與Chotechung 等[44]預(yù)測的VrPGIP2是一致的。對于VrPGIP2基因是否是真正的抗豆象基因,仍然需要進(jìn)行功能驗(yàn)證。因此,攻克綠豆的遺傳轉(zhuǎn)化及培育綠豆抗豆象新品種仍是今后科研工作者研究的重點(diǎn)。
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