彭楓 張瑩 陳珂 戴雨柔 李亞兵 蔡曉鋒
摘? 要: 簡述了DNA分子標記的種類和特點,綜述了分子標記技術(shù)在菠菜遺傳育種中的主要應(yīng)用,包括:性別鑒定、抗病菠菜育種、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菠菜培育、物種親緣關(guān)系和遺傳多樣性研究,及分子標記輔助育種等方面的研究進展,并對分子標記技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景進行了展望.
關(guān)鍵詞: 分子標記; 菠菜; 遺傳育種
中圖分類號: S 636.1??? 文獻標志碼: A??? 文章編號: 1000-5137(2021)02-0237-06
Research progress of DNA molecular markers in spinach genetic breeding
PENG Feng1, ZHANG Ying2, CHEN Ke1, DAI Yurou1, LI Yabing1, CAI Xiaofeng1*
(1.College of Life Sciences, Shanghai Normal University, Shanghai 200234, China;2.Department of Plant Science and Technology, Shanghai Vocational College ofAgriculture and Forestry, Shanghai 201699, China)
Abstract: The types and characteristics of DNA molecular markers were briefly introduced in this paper,while itemphatically illustrated sex test,disease-resistant spinach breeding,high-yield and high-quality spinach breeding,genetic relationship and diversity and molecular marker-assisted selection in spinach genetic breeding.Then,the future development and application prospects of DNA molecular markers were prospected.
Key words: molecular marker; spinach; genetic breeding
菠菜(Spinacia oleracea L.)為莧科藜亞科菠菜屬植物[1],是以綠葉為主要產(chǎn)品器官的1~2年生草本植物.由于其具有適應(yīng)性較強、適應(yīng)性廣、易儲存、供應(yīng)期長、栽培方式多樣等優(yōu)點,可實現(xiàn)周年供應(yīng),是一種重要的經(jīng)濟蔬菜作物.菠菜可鮮食亦可加工,是中國分布最普遍、群眾食用最廣泛的蔬菜之一,同時也是中國出口創(chuàng)匯的主要蔬菜之一[2].菠菜在中國的種植面積僅次于大白菜、青花菜、甘藍等蔬菜作物,位居第4[3].
在常規(guī)育種工作中,研究人員基于植株的表型性狀對特定植物進行定向選擇,但選擇效率低、耗時費力.為加速植物的育種改良進程,分子標記應(yīng)運而生.分子標記是以個體間遺傳物質(zhì)DNA的多態(tài)性為基礎(chǔ)的遺傳標記,它相對于其他的遺傳標記具有準確性高、信息量大、檢測手段簡單迅速、重現(xiàn)性好等優(yōu)點[4].近年來,隨著分子生物學技術(shù)的不斷發(fā)展,分子標記技術(shù)也在不斷完善進步.隨著分子標記技術(shù)的不斷成熟,其在園藝作物育種中的應(yīng)用范圍也越來越廣泛.
本文在簡述DNA分子標記的種類和特點的基礎(chǔ)上,重點闡述了分子標記技術(shù)在菠菜抗病性研究、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菠菜培育、品種鑒定和性別鑒定、物種親緣關(guān)系和遺傳多樣性研究,以及分子標記輔助育種等方面的研究現(xiàn)狀,并對分子標記技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景進行了展望.
1? DNA分子標記的種類和特點
DNA分子標記技術(shù)興起于20世紀80年代,隨著分子生物學技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,到21世紀初,已經(jīng)成為應(yīng)用十分廣泛而且比較成熟的技術(shù).根據(jù)DNA檢測方法的不同,可以將DNA標記分為4類:1) 基于分子雜交的分子標記技術(shù),主要有限制性片段長度多態(tài)性(RFLP)和數(shù)目可變串聯(lián)重復多態(tài)性(VNTR);2) 以PCR為基礎(chǔ)的分子標記技術(shù),包括隨機引物PCR和特異引物PCR,主要有隨機擴增多態(tài)性DNA(RAPD)、序列標簽位點(STS)、簡單序列重復(SSR)、序列特征化擴增區(qū)域(SCAR)、單引物擴增反應(yīng)(SPAR)、DNA單鏈構(gòu)象多態(tài)性(SSCP)、抗病基因同源序列法(RGAP);3) 限制性內(nèi)切酶和PCR相結(jié)合的技術(shù),主要有擴增片段長度多態(tài)性(AFLP)和酶切擴增多態(tài)性序列(CAPS);4) 以單個核苷酸變異為核心的標記,主要有單核苷酸多態(tài)性(SNP)標記.不同的DNA分子標記技術(shù)各有其特點和適用領(lǐng)域,明確常見DNA分子標記的特點,有利于選用合適的分子標記方法進行實驗研究[5].
DNA分子標記具有許多優(yōu)點:一是可以利用植物各個發(fā)育時期的個體組織以及器官做材料進行檢測,不受環(huán)境條件的限制;二是檢測數(shù)量多,可以覆蓋整個基因組;三是標記比較穩(wěn)定、多態(tài)性高,這些優(yōu)點使得DNA分子標記技術(shù)能夠得到廣泛的應(yīng)用[6].目前在菠菜遺傳育種研究中應(yīng)用較廣泛的有RAPD,AFLP,RFLP,SSR和SNP等.
2? 分子標記在菠菜遺傳育種中的應(yīng)用
2.1 近緣種屬間遺傳進化關(guān)系和品種間遺傳多樣性
分子標記技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于物種系統(tǒng)演化及種間親緣關(guān)系分析,這類研究有助于弄清一些物種種屬的分類地位和起源,同時也有利于指導育種工作[7].
吳婭妮等[8]利用AFLP標記技術(shù)對110份來源不同的菠菜種質(zhì)進行遺傳多樣性分析,種質(zhì)間的遺傳相似系數(shù)為0.64~0.87,與地理來源有很高的一致性,全部供試種質(zhì)可分為2類:歐美、西亞、東亞及中國北方種質(zhì)聚為一類,部分日本種質(zhì)和中國的南方種質(zhì)聚為另一類.梅燚等[9]利用形態(tài)學分類法和AFLP分子標記技術(shù)對45份菠菜育種材料的遺傳多樣性和親緣關(guān)系進行了研究,聚類分析結(jié)果表明:第一類群主要以歐美資源和有歐美血統(tǒng)的雜交種為主,第二類群主要以日本資源和含有日本血統(tǒng)的雜交種為主,第三類群以中國本土品種為主.聚類結(jié)果與形態(tài)學的分類結(jié)果基本一致,而且聚類結(jié)果與地域來源和形態(tài)特征有一定的對應(yīng)關(guān)系.AFLP標記能很好地從分子水平揭示菠菜資源的親緣關(guān)系.由親緣關(guān)系推測中國的南、北方菠菜種質(zhì)可能有著不同的起源.除此之外,SNP分子標記也廣泛應(yīng)用于菠菜分類中.SHI等[10]利用SNP標記將343份來源于世界各地的菠菜種質(zhì)資源分為2類,即亞洲種質(zhì)類群和歐美種質(zhì)類群.XU等[11]利用SNP標記將120份菠菜種質(zhì)資源分為2類,即東亞、中國種質(zhì)類群和西亞、歐美及非洲種質(zhì)類群.
近年來,SSR標記越來越多地被用于菠菜遺傳多樣性研究和品種鑒定中.趙瑞麗等[12]利用聚丙烯凝膠(PAGE)電泳法對33份菠菜種質(zhì)資源進行了指紋圖譜構(gòu)建和遺傳多樣性分析,篩選出的27對多態(tài)性明顯、帶型穩(wěn)定的引物,共擴增出109個多態(tài)性位點,平均每對引物約4個.經(jīng)多態(tài)性位點分析,用7對高多態(tài)性引物構(gòu)建了能夠區(qū)分33份菠菜種質(zhì)的指紋圖譜,為供試材料的鑒別提供參考.G?L等[13]將85個篩選出來的標記應(yīng)用于來自世界各地的48個菠菜種質(zhì),產(chǎn)生389個等位基因,其中89%具有多態(tài)性,結(jié)果表明:新開發(fā)的SSR標記適合評估菠菜種質(zhì)的遺傳多樣性和種群結(jié)構(gòu).這些標記還揭示了基于地理起源的種質(zhì)聚類,遠東種質(zhì)分離明顯,與來自波斯、土耳其、歐洲和美國的種質(zhì)相比,總體上遺傳多樣性最豐富.LI等[14]用41對SSR引物對收集自中國的43個菠菜品種進行了遺傳多樣性研究,結(jié)果表明:41個標記的平均多態(tài)性信息含量值為0.43,代表中等水平,菠菜品種遺傳多樣性較低.
2.2 高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菠菜育種
產(chǎn)量和品質(zhì)是菠菜品種選育的重要指標.菠菜的產(chǎn)量構(gòu)成因素主要有株型、單株葉數(shù)、葉片大小、單株質(zhì)量等;菠菜的品質(zhì)包括外觀品質(zhì),例如葉色、葉面光澤度等,以及內(nèi)在品質(zhì),例如草酸、硝酸鹽及維生素C含量等[15].菠菜育種過程中應(yīng)選擇外觀品質(zhì)好、內(nèi)在品質(zhì)優(yōu)的品系或品種.除此之外,耐抽薹也是菠菜的重要育種目標.菠菜是典型的長日照蔬菜,在長日照(日照時間大于13 h)條件下,即使不經(jīng)受低溫,也可分化花芽并抽薹開花.在春茬、夏茬和早秋菠菜栽培過程中,如果栽培的品種不耐抽薹,經(jīng)常會出現(xiàn)早期抽薹現(xiàn)象,造成巨大的生產(chǎn)損失.通過分子標記輔助選擇有利于高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)菠菜育種.
MA等[16]對323種來自美國農(nóng)業(yè)部(USDA)的菠菜種質(zhì)資源的3個葉片性狀(平滑度、葉柄色和葉緣形狀)進行了關(guān)聯(lián)性分析,通過基因分型技術(shù)(GBS)進行SNP鑒定,發(fā)現(xiàn)5個SNPs與葉片平滑度有關(guān),7個SNPs與葉緣形狀有關(guān),14個SNPs與葉柄顏色有關(guān),這些SNP標記有助于葉片性狀的篩選.CHITWOOD等[17]運用GBS篩選的SNPs對288種來自USDA的種質(zhì)資源進行了基因分型,確定了3個SNP標記(AYZV02001321_398,AYZV02041012_1060,AYZV02118171_95)與抽薹性相關(guān);8個SNP標記(AYZV02014270_540,AYZV02250508_2162,AYZV02091523_19842,AYZV02141794_376,AYZV02077023_64,AYZV02210662_2532,AYZV02153224_2197,AYZV02003975_248)與株高相關(guān);4個SNP標記(AYZV02188832_229,AYZV02219088_79,AYZV02030116_256,AYZV02129827_197)與菠菜直立性相關(guān).
礦物質(zhì)元素濃度的單核苷酸多態(tài)性標記對于支持菠菜分子育種是非常重要的.QIN等[18]對菠菜進行全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS),并在USDA-GRIN菠菜種質(zhì)資源中鑒定了與礦物質(zhì)元素相關(guān)的SNP標記.鑒定出45個SNP標記為與13種礦物質(zhì)元素(B,Ca,Co,Cu,F(xiàn)e,Mg,Mn,Mo,Na,Ni,P,S,Zn)的濃度密切相關(guān);兩個SNP標記與K濃度弱相關(guān).SHI等[19]對310種菠菜基因型進行了草酸濃度相關(guān)性分析,并鑒定與之相關(guān)的SNP標記,結(jié)果表明:草酸含量是由多個因素控制的數(shù)量性狀基因,每個基因在被測菠菜中均具有較小的作用.關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)6個SNP標記(AYZV02031464_116,AYZV02031464_117,AYZV02031464_95,AYZV02283363_2707,AYZV02287123_2830,AYZV02296293_852)與草酸濃度相關(guān).這些SNP分子標記的確定有助于標記輔助選擇培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的菠菜品種[17].
2.3 抗病育種
菠菜在中國可以實現(xiàn)周年栽培[20],但在長期、固定栽培生產(chǎn)環(huán)境中,菠菜病害也愈加嚴重,將分子標記運用于菠菜抗病研究中,有利于培育抗病菠菜.
中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所[21]利用其構(gòu)建的遺傳連鎖圖譜,結(jié)合關(guān)聯(lián)分析技術(shù),將菠菜霜霉病抗性位點RPF1定位到菠菜3號染色體的1.72 Mb區(qū)域內(nèi),進一步通過SLAF-Seq開發(fā)的分子標記將RPF1定位到0.89 Mb區(qū)域內(nèi).該區(qū)域包含14個R基因,并鑒定出3個抗菠菜1~7,9,11,13和15號霜霉病生理小種的候選基因(Spo12729,Spo12784和Spo12903),根據(jù)這3個基因在感病和抗病菠菜材料之間的差異位點,開發(fā)了3個分子標記,為后期進行菠菜霜霉病分子標記抗性鑒定提供保障.SHI等[22]通過對273種菠菜基因型進行葉斑病抗性分析,結(jié)合關(guān)聯(lián)分析,發(fā)現(xiàn)8個SNP標記(AYZV02052595_115,AYZV02052595_122,AYZV02057770_10404,AYZV02129827_205,AYZV0-2152692_182,AYZV02180153_337,AYZV02225889_197,AYZV02258563_213)與葉斑病抗性有很強的相關(guān)性.SHI等[23]還利用相同的方法,鑒定出5個SNP標記(AYZV02052595_108,AYZV02112284_14543,AYZV02123399_146,AYZV02164612_331,AYZV02170942_274)與黃萎病抗性相關(guān),這些SNP標記將成為菠菜分子育種中,通過標記輔助選擇抗葉斑病和黃萎病的工具.
2.4 性別鑒定
菠菜系雌雄異株植物,開花前無法判定性別.由于菠菜性別不同,經(jīng)濟價值不同(雄株葉片肥大、長勢好、上市早,比雌株高產(chǎn)),對其性別的早期鑒定尤顯重要[24].利用分子標記技術(shù)探討菠菜不同性別植株基因組之間的差異,篩選與性別相關(guān)的分子標記,不僅為菠菜性別的早期鑒定提供技術(shù)手段,且為研究雌雄異株植物的性別決定和分化機制、克隆與性別相關(guān)的基因提供了參考.
楊金華等[25]利用ISSR擴增體系在雌、雄DNA混池中篩選出一個能擴增出約1 200 bp的雌性連鎖標記I62,并將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性和特異性更好的SCAR標記,該標記在雌株中可以擴增出1 176 bp的特異條帶,而在雄株中沒有其條帶.鄧傳良等[26]設(shè)計了7對EST-SSR引物,在適合的PCR反應(yīng)體系下,分別以雌、雄菠菜DNA基因組為模板,對設(shè)計的EST-SSR引物進行篩選,結(jié)果顯示:以EST序列HS097148設(shè)計的一對引物從菠菜雌雄基因組中擴增出一條雄性特異的條帶,表明通過菠菜EST-SSR引物獲得菠菜性別相關(guān)特異序列是可行的.劉丹丹等[27]采用SRAP-BSA法篩選到3個與性別基因X/Y緊密連鎖的SRAP標記:SRAP4.3,SRAP5.7和SRAP9.5,并將SRAP5.7和SRAP9.5轉(zhuǎn)化為SCAR標記(S5.7,S9.5),將SRAP4.3轉(zhuǎn)化為dCAPs標記(D4.3).其中SCARP標記S5.7,S9.5與Y基因共分離,dCAPs標記D4.3與X/Y基因緊密連鎖,遺傳距離為0.3 cm.分子標記S5.7和S9.5在菠菜雄株里可以分別擴出126 bp和119 bp的特異性條帶,在雌株里沒有條帶.dCAPs標記D4.3在雌、雄株中都可以擴出179 bp的條帶.用AluI內(nèi)切酶酶切,雌株只有1條帶,而雄株有2條帶,分子標記鑒定結(jié)果與表型鑒定結(jié)果一致,說明這3個分子標記可以用于分子標記輔助選擇育種.
3? 展望
分子標記技術(shù)雖然僅發(fā)展了20余年,但已滲透于整個生物研究界.在農(nóng)業(yè)研究中,它作為一種重要的育種手段已充分顯示出獨特的優(yōu)越性,目前分子標記輔助育種技術(shù)已在蔬菜遺傳育種中廣泛應(yīng)用.由于菠菜的重要性不及糧食作物,分子標記技術(shù)在菠菜上的應(yīng)用較少,分子標記技術(shù)在菠菜研究中的應(yīng)用具有廣闊的前景.另一方面,分子標記技術(shù)仍然為一種新的技術(shù),應(yīng)與傳統(tǒng)的育種技術(shù)有機結(jié)合.分子標記技術(shù)的檢測結(jié)果和效應(yīng)最終要到大田試驗中驗證.隨著分子生物學的發(fā)展,將分子標記育種技術(shù)與傳統(tǒng)育種很好地結(jié)合起來,必將對菠菜的遺傳育種起著巨大的推動作用.
隨著菠菜基因組的測序完成,利用全基因組關(guān)聯(lián)分析,結(jié)合傳統(tǒng)遺傳定位將篩選獲得更多與耐熱、性別調(diào)控、抗霜霉病等性狀有關(guān)的分子標記,為分子標記輔助選擇育種奠定堅實的基礎(chǔ),也為挖掘菠菜分子遺傳信息和機制提供重要契機,將大大促進菠菜基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的進展.因此,進一步加快菠菜分子標記的開發(fā),篩選與菠菜性型、抗病及其他性狀緊密連鎖的分子標記,進行分子標記輔助選擇育種、多位點聚合育種及分子設(shè)計育種,也是未來菠菜育種的發(fā)展方向[28].
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(責任編輯:顧浩然,包震宇)