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        油菜花色研究進展及育種應用前景

        2017-08-12 18:18:31黃華磊李文博李艷花周燕石有明
        江蘇農業(yè)科學 2017年11期
        關鍵詞:育種應用前景油菜

        黃華磊+李文博+李艷花+周燕+石有明+肖長明+劉濤+張曉春

        摘要:隨著分子生物學和生物信息學的快速發(fā)展、學科交叉研究的深入,大量植物花色相關基因被報道,同時油菜基因組測序工作的完成,為油菜分子輔助育種提供了重要支撐。目前,對油菜花色變異進行了大量的研究,分離克隆出一些油菜花色控制關鍵基因,并結合生物技術手段創(chuàng)制了一些油菜花色變異新材料。本文綜述了油菜花色變異來源及類型、油菜花色相關基因分離與克隆的研究進展,并分析、展望了觀光型油菜育種的現(xiàn)狀和前景。

        關鍵詞:油菜;花色控制基因;觀光型油菜;育種;應用前景

        中圖分類號: S634.303文獻標志碼: A文章編號:1002-1302(2017)11-0001-04

        目前,育種家對油菜育種目標主要集中在高產、優(yōu)質(高含油量、高蛋白、低芥酸、低硫苷)、高抗(抗菌核病、抗病毒病、抗倒伏)上,并選育了一大批突破性品種。關于油菜花色的研究,目前已經(jīng)有少量報道,田露申等通過遺傳分析1個甘藍型油菜白花突變體發(fā)現(xiàn),該性狀表現(xiàn)為數(shù)量遺傳,符合2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型[1]。同時,BnF3′H-1[2]、BnaC3.CCD4[3]等部分花色控制相關功能基因被克隆和報道,為油菜花色育種提供了部分理論依據(jù)。然而,關于這些功能基因的育種應用和油菜花色育種卻鮮有報道。本文就油菜花色變異類型及來源、油菜花色控制基因的分離與克隆、油菜花色基因的育種應用進行了歸納,并對油菜花色育種前景進行了展望。

        1油菜花色的變異類型及變異來源

        1.1油菜花色的變異類型

        常見的栽培油菜主要表現(xiàn)為鮮黃色花,而已知的油菜花色變異主要有乳白色、白色、金黃色、橘紅色、土黃色、杏花黃、微紫絲白花、黃白嵌合體等[4],但尚未見有藍色和紅色油菜花色報道。

        油菜白花變異類型是最為豐富的,研究人員已通過自然變異選育、人工誘變、遠緣雜交等多種途徑選育出白花油菜新品系。大多數(shù)研究人員對油菜白花性狀遺傳分析認為,白花由不完全顯性基因控制[1,5],也有學者研究發(fā)現(xiàn)白花為顯性上位、部分上位顯性、C基因組上單基因顯性等[6-9];對金黃花的研究發(fā)現(xiàn),白花對金黃花具有上位性作用,且該性狀可能受到2對主效基因控制[4];橘紅花色為隱性基因遺傳,且花色與植物的育性具有一定的遺傳關系,但其遺傳基礎仍不清楚[10-11];乳白色花受單隱性基因或2對隱性基因控制,與黃籽獨立遺傳[12-15];檸檬黃、橘黃花色表現(xiàn)為不完全顯性,其中AABB為檸檬黃,AAbb為橘黃,aaBB為淡黃,aabb為淺橙[16-17];黃白嵌合體材料受可局部表達的隱性白化基因控制,為可獨立于黃色遺傳的簡單隱性性狀或單基因的母體效應[18-20]。此外,研究人員通過遠緣雜交轉育、合成還獲得了紫色條紋花變異類型[21],推測這些性狀是由于基因的不完全顯性所致,表現(xiàn)為雙親的中間表型。

        從以上研究結果中可以發(fā)現(xiàn),油菜花色種類較多且遺傳較為復雜,由于研究材料的不同故研究結果不盡相同,但是共同認為油菜花色受1~3對基因控制,同時受細胞質因素和諸多數(shù)量性狀微效基因的影響。

        1.2油菜花色變異來源

        油菜花色變異來源廣泛,包括由自然條件下產生的自然突變,通過EMS等化學誘變或物理誘變并結合人工選育產生的變異,還有通過遠緣雜交引入近緣種基因并進行基因合成產生的花色變異等。

        1.2.1自然變異產生自然變異是物種進化的主要動力,是許多重要農藝性狀的遺傳基礎?,F(xiàn)階段,許多物種已有大量的自然遺傳突變體被報道,并闡釋了遺傳變異對物種功能的影響[22-23]。通過挖掘有利的自然變異可為培育優(yōu)質高產的品種打下堅實基礎,目前已獲得大量的自然遺傳油菜花色突變體。

        張潔夫等在甘藍型油菜中發(fā)現(xiàn)了金黃色花材料,并以甘藍型油菜白花和金黃色花突變體及正常黃花親本為材料對油菜花色遺傳表現(xiàn)進行解析[4]。發(fā)現(xiàn)白花對黃花受1對不完全顯性基因控制(WW),雜合體(Ww)表現(xiàn)為中間色呈乳白色;而黃花對金黃花則受2對重疊顯性基因控制(Y1Y1Y2Y2);白花基因對黃花和金黃花具有上位性作用。李莓等從CMS恢復系自交后代中選育得到橘紅色花變異株系R18,并證實該性狀可作為恢復系純度鑒定的標記性狀,進一步對其遺傳基礎解析發(fā)現(xiàn),該性狀受2對隱性核基因控制[10]。田露申等在白菜型油菜Sarson和人工合成甘藍型油菜中發(fā)現(xiàn)了乳白色花突變體,并對其遺傳效應進行了剖析[1,24]。此外,張雪梅等報道了不同材料中黃白嵌合體花瓣,初步推測黃白花色嵌合可能是由某個隱性白化基因局部表達引起的[25-27]。同時,筆者所在課題組也從甘藍型油菜育種材料中發(fā)現(xiàn)了一些白花、乳白花、杏黃花、土黃花等自然突變育種新材料,正開展一些花色控制關鍵功能基因的分離、克隆,并結合育種工作進行觀光型油菜新品種的選育和開發(fā)工作。

        1.2.2人工誘變選育雖然自然變異廣泛存在,但其變異頻率較低不能大規(guī)模獲得目標性狀的突變體材料,而采用甲基磺酸乙酯(EMS)化學處理或射線輻射等物理誘變成為獲取大量突變體的有效方法。目前,在多種農作物物種中已有大量關于人工誘變突變體庫構建和篩選的報道[28-33]。研究人員在對油菜的誘變工作中發(fā)現(xiàn)了大量的花色突變材料。周永明等通過輻射誘變較早地發(fā)現(xiàn)了油菜的花色變異材料,但表現(xiàn)為花器官異常[34]。孫加焱等通過理化方法處理構建了甘藍型油菜突變體庫,從M3突變體庫中篩選到白花和白斑花變異材料[35]。石從廣等用EMS處理甘藍型油菜,從M2代中分離出淺色花和白斑花突變體,并伴隨有花瓣數(shù)量的變異[36]。

        1.2.3遠緣雜交和基因工程合成種質資源是育種和功能基因研究的重要基礎,縱觀整個油菜花色育種工作,油菜花色性狀遺傳基礎較窄。因此,實施遠緣雜交和基因工程技術對油菜花色性狀進行遺傳改良是切實可行的辦法。遠緣雜交可以將不同種、屬的性狀結合起來,突破種屬界限擴大遺傳變異,進而改良物種、創(chuàng)造新物種、利用雜種優(yōu)勢。但遠緣雜交也存在雜種不育或夭亡、后代分離情況嚴重、世代不易穩(wěn)定等問題,因此關于油菜與近緣種的雜交研究為數(shù)不多。

        相比油菜花色,蘿卜具有更為豐富的花色遺傳類型,包括黃色、白色、粉紅、青銅色、紫色。劉英春利用黃花甘藍型油菜和人工合成乳黃色花甘藍型油菜與紫花蘿卜進行雜交,發(fā)現(xiàn)它們的雜種后代受精后發(fā)育存在障礙,最終通過胚珠離體培育和染色體加倍獲得了白花和紫色條紋花株系[21]。實際上,國外研究人員早在1989年就已經(jīng)開始對蘿卜和油菜的遠緣雜交進行探索,也獲得了一些花色變異材料[37]。雜種后代花色由雙親決定,而后代出現(xiàn)的白花與雙親均不一樣,推測白花基因來源于蘿卜,而蘿卜中存在胡蘿卜素合成抑制因子[38];同時,雜種后代無紫花性狀產生可能是由于甘藍型油菜基因組中存在花青素合成抑制因子,這也合理地解釋了油菜無紫花性狀的原因[21]。此外,研究人員還利用Ogura CMS紫菜苔×蘿卜雜種F1(♀)與甘藍型油菜(♂)雜交獲得了乳白色和黃白鑲嵌型花[39];趙志剛等從人工合成甘藍型油菜中也發(fā)現(xiàn)了黃白鑲嵌型花,并在形態(tài)學和基因組學水平上進行了解析[40]。除了油菜與蘿卜雜交外,青海省農業(yè)科學院還嘗試將白花芥藍進行基因轉育改良油菜花色,將大黃油菜(♀)與中遲芥藍(♂)雜交,合成白花和嵌合花型油菜[41]。

        近年來,伴隨著基因工程和分子生物學的快速發(fā)展,逐漸采用細胞及基因工程等技術手段人工合成新的種質資源。梁明山等通過花粉管通道法將諸葛菜基因組導入甘藍型油菜,獲得了深黃花色油菜[42];張傳利等采用PEG/Ca2+在高pH值條件下融合油菜和芝麻下胚軸細胞原生質體,獲得的后代花色性狀介于兩者之間[43]。此外,基于轉基因技術的植物基因修飾、外緣基因導入、基因組編輯等重要技術也逐步在油菜花色育種工作中體現(xiàn)出強大的優(yōu)勢和應用前景。

        2油菜花色控制基因的分離與克隆

        自然界中,花色主要由類胡蘿卜素、類黃酮、甜菜紅堿3類色素的成分決定[3],目前大量花色相關基因和代謝通路相關基因已經(jīng)被克隆及被大規(guī)模的生物信息學所分析。這些信息將為基因工程修飾油菜基因組,創(chuàng)制新的油菜花色育種材料、品種提供重要的理論依據(jù)。油菜遺傳基礎較為復雜,甘藍型油菜基因組為異源四倍體(AACC,2n=38),由來源于白菜的A基因組與甘藍的C基因組組成。目前,對油菜花色性狀的研究經(jīng)過各國科研人員的共同努力,大致明確了部分材料中花色的遺傳模式,并結合突變體材料對一些主效數(shù)量性狀基因座(簡稱QTL)進行定位和關鍵功能基因的分離與克隆,并結合生物信息學對花色苷代謝信號通路預測進行功能基因挖掘。同時,在模式植物和其他植物中已報道,有部分花色控制基因可通過同位克隆方法驗證它們在油菜中的功能。

        目前,研究人員以自然變異材料為基礎,結合人工誘變、遠緣雜交、基因工程等手段拓寬了油菜花色變異,獲得了大量的花色變異材料,利用這些材料對油菜花色的遺傳機制進行初步分析。柳麗分析認為,白花油菜遺傳遵循數(shù)量遺傳規(guī)律,包括2對具有加性、顯性、上位性效應的主效基因,多基因效應較小,并篩選和開發(fā)出多個與花色緊密連鎖的分子標記,為進一步精細定位和克隆花色相關基因奠定了基礎[44]。然而,對于花色形成的分子機制卻不清楚。Xu等從甘藍型油菜中克隆了1個黃烷酮羥化酶基因,與擬南芥 BnF3′H-1 基因高度同源,編碼1個定位于內質網(wǎng)膜上的細胞色素P450蛋白[2]。進一步研究表明,該基因的非翻譯區(qū)(簡稱UTR)對基因的表達具有關鍵調控作用。對基因的表達模式分析發(fā)現(xiàn),該基因在花器官中優(yōu)勢表達,在果莢、種皮上也有一定表達,但該基因并不參與控制油菜籽粒顏色形成。另外,Zhang等從甘藍型油菜中發(fā)現(xiàn)了4個類胡蘿卜素裂解酶Ⅳ基因,其中只有BnaC3.CCD4在花瓣中優(yōu)勢表達參與白色花的形成,這種現(xiàn)象與番茄、菊花等物種花色控制十分相似[3,45]。通過在編碼區(qū)插入1個CACTA-like轉座子元件(簡稱TE1)擾亂基因的表達,最終獲得白花油菜,說明BnaC3.CCD4對油菜花色形成確實具有重要功能。在甘藍型油菜中,黃色花瓣的類胡蘿卜素含量遠遠高于白色花瓣,而紫黃素是類胡蘿卜素的主要成分。通過高效氣相色譜分析發(fā)現(xiàn),白色花瓣油菜能釋放α-紫羅蘭酮,主成分為揮發(fā)性脫輔基類胡蘿卜素,推測BnaC3.CCD4以δ-胡蘿卜素、α-胡蘿卜素為酶促反應底物。

        此外,科學家們也試圖從基因組學中找到一些與花色形成密切相關的代謝途徑。Casimiro等對不同花色的蠅子草進行轉錄組測序(簡稱RNA-seq),結果顯示至少有12類(PAL、C4H、4CL、CHS、CHI、F3′H、DFR、ANS、FLS、UF3GT、AT、FNS)結構基因和3類調控基因(MYB、bHLH、WD40)參與花色苷的生物合成途徑[46]。該結果與Holton等總結的花色苷合成相關基因(酶)結果[47-48]一致。其中,F(xiàn)3′H1基因表達差異可達到42倍左右,推測可能是由于白花中的Myb1a表達下調引起。結合這些線索,田露申使用RACE技術克隆分離出甘藍型油菜類胡蘿卜素代謝途徑相關酶基因-八氫番茄紅素合成酶(簡稱BnPSY)、八氫番茄紅素脫氫酶(簡稱BnPDS)、δ-類胡蘿卜素脫氫酶(簡稱BnZDS)、番茄紅素e-環(huán)化酶(簡稱BnLYCE)、番茄紅素β-環(huán)化酶(簡稱BnLYCB)、胡蘿卜素β-環(huán)羥化酶(簡稱BnBCH)、玉米黃質環(huán)氧化酶(簡稱BnZEP)、順式-環(huán)氧類胡蘿卜素雙氧合酶(簡稱BnNCED3)、類胡蘿卜素裂解雙氧合酶(簡稱BnCCD1)[49]?;虮磉_分析結果顯示,這些基因的相對表達量黃花油菜均遠遠高于白花油菜,而乳黃色油菜這些基因的表達介于兩者之間;分析花瓣在不同發(fā)育階段的花色變化,結果發(fā)現(xiàn)花色變化主要是由BnPSY、BnPDS、BnZDS、BnLYCB、BnLYCE、BnNCED3、BnCCD1等基因共同調控的結果[50]。

        3觀光型油菜育種現(xiàn)狀及展望

        近年來,通過科學家和育種家們不斷的努力,油菜花色基礎研究取得了長足進步,結合現(xiàn)代生態(tài)觀光農業(yè)主題,油菜花色育種也逐步得到發(fā)展。目前,通過研究一些突變體取得了較多成果,研究的技術手段更為精細可靠,特別是克隆了多個白花性狀相關的功能基因。然而,品種選育方面卻始終面臨著重大的瓶頸問題,選育的可直接應用于生產的品種(系)較少。究其主要原因包括相比其他花卉植物,油菜花色變異種類較少,豐富油菜花色突變體類型和導入近緣物種的花色基因是目前亟須解決的問題。油菜花色與其他農藝性狀的連鎖遺傳或遺傳互作,如高芥酸、雄性不育等,如Liu等研究發(fā)現(xiàn)甘藍型油菜白花性狀與高芥酸緊密連鎖[5];李莓等發(fā)現(xiàn)含有純合隱性橘紅花色植株的雄配子生活力比較低的現(xiàn)象,從而難以選育出高品質、高產量的穩(wěn)定觀光型油菜新品種[10];相比水稻、擬南芥等,油菜遺傳背景相對復雜,基因組測序近年才完成,油菜的遺傳解析工作正處于迅速突破期[51-52];在推廣應用方面存在投入不足,沒有完善的配套栽培技術體系,限制了“多彩花色”油菜的市場化步伐。

        豐富的油菜花色變異類型具有極高的美學和觀賞價值,觀光型油菜育種前景廣闊,具備良好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益、社會效益。綜合分析油菜花色研究進展和觀光型油菜育種的現(xiàn)狀,未來可嘗試從以下幾個方面入手開展油菜花色育種:(1)拓寬油菜花色遺傳基礎,從矮牽牛、月季、金魚草、觀賞水稻成功案例來看,藍紫色、粉紅色是可以在油菜中實現(xiàn)的[53];(2)扎實基礎研究,明確花色形成的分子機制,挖掘更多的花色相關功能基因;(3)轉變研究方法和育種思路,雜交轉育和基因工程技術手段相結合[54],傳統(tǒng)的遠緣雜交獲得的后代存在育性不穩(wěn)、株型矮小等缺陷,而采用基因工程手段,特別是基于基因定點編輯技術(簡稱CRISPIR/Cas9)在多種作物中的成功案例,為創(chuàng)造更多的油菜花色提供了重要思路,一方面可以導入不同花色素基因及液泡pH值調節(jié)基因,另一方面抑制油菜內源黃色色素(類胡蘿卜素)的積累,進而獲得新的花色油菜品種[55];(4)選育綜合農藝性狀優(yōu)良的多彩花色油菜,結合高產、高抗、優(yōu)質等育種目標選育,促進農業(yè)增產增效;(5)配套良好的栽培技術體系和推廣示范規(guī)程,為表現(xiàn)優(yōu)異的觀光型油菜新品種提供展示平臺;(6)油菜花色可作為田間標記性狀在種子生產、保障種子純度方面發(fā)揮更大的作用。

        總之,“油菜花?!弊鳛樾滦偷穆糜斡^光資源,開發(fā)優(yōu)異花色種質資源和品種對支撐地方經(jīng)濟、發(fā)展特色旅游產業(yè)舉足輕重,應用前景廣闊。同時,該項工作也面臨著巨大的挑戰(zhàn),需要更多的育種家們一起努力。

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