单位文秘网 2022-03-01 08:15:25 点击: 次
摘要:主要从杂种优势利用、球色性状的遗传研究、分子标记、类胡萝卜素在球色育种中的作用等方面综述了大白菜球色育种研究的现状,展望了大白菜球色研究的方向。
关键词:大白菜;球色;杂种优势;分子标记
大白菜(Brassica campestris L.ssp.pekinensis)属十字花科芸薹属芸薹种白菜亚种。是起源于我国的主要蔬菜作物之一,与大众的日常生活密切相关。冬季更是深受广大消费者青睐,成为餐桌上不可缺少的蔬菜。20世纪70年代以来,杂种优势利用在大白菜新品种选育中广泛应用。20世纪80年代后,随着现代生物技术的飞速发展,分子标记、基因工程、PCR技术等作为大白菜育种的辅助手段也逐步开展。近年来,随着生活水平的提高,大白菜产量等经济性状已逐渐被淡化,相反人们对大白菜品质的要求越来越高。因此,大白菜品质育种日益受到国内外学者的重视。大白菜品质包括商品品质、营养品质和风味品质。商品品质主要指外观形态、色泽、包球方式、个体大小、整齐和结球紧实度等;营养品质主要指含各种营养成分的多少,如蛋白质、糖、氨基酸、维生素、纤维素(膳食纤维)、胡萝卜素、矿物质元素等:风味品质主要指生食脆嫩、味甜,熟食味鲜、易煮烂。
目前大白菜球叶颜色(球色)有:白色、黄色、橙色、橘黄色、橘红色和紫色。由于大白菜球叶颜色不仅满足了人们的视觉享受,而且其含有丰富的营养成分,因此,球叶颜色育种已经成为大白菜品质育种的一个主要方向。
1、杂种优势利用在大白菜球色育种中的应用
在球色育种方面,日本和韩国居世界前列,它们已经在中国推出了一些黄心品种。但是由于国外品种不适应我国北方的环境条件,不抗病毒病,而无法在我国大面积推广。近年来,经过我国科学家不懈的努力,已经有多家育种单位培育出彩色大白菜品种。北京桔红心是北京市农林科学院蔬菜研究中心通过自交不亲和途径以91545为父本,902361为母本配制的球叶橘红色F1代杂交种,而且“一种桔红心白菜的选育方法”于2002年获得国家专利。继北京桔红心后,余阳俊等又选育了北京桔红2号,它是以2个自交不亲和系9456和912316杂交而成的早中熟大白菜新品种。西北农林科技大学园艺学院大白菜育种室经过多年努力先后培育出2个彩色大白菜新品种——金冠1号和金冠2号,并于2004年通过陕西省审定。黑龙江省农业科学院园艺分院以橘00-218为父本,N-1/红02-314为母本配制育成了球叶橘红色且高抗病毒病、霜霉病和软腐病的F1代彩色大白菜龙园红1号杂交种,并于2005年通过了黑龙江省审定。苏学军等通过抗性转育和人工接种鉴定筛选技术,选育出了高抗病毒病,兼抗软腐病和霜霉病的红抗1、2号橘红心大白菜新品种。青岛市农业科学院于1999年引进国内外橘红心大白菜品种,经过连续自交分离及杂交转育,获得一批优良橘红心自交系和自交不亲和系,2004年选出橘红心优良组合M168,经过4年的比较试验和示范推广。选育出桔红心大白菜M168。山东省青岛市胶州大白菜研究所和山东省青岛市农业科学院以黄心新种质材料97-1346为父本和自交不亲和系韩96-2377为母本进行杂交。选育出红圣白2号橘红色大白菜一代杂种,该杂种高抗病毒病,抗霜霉病。
紫色大白菜育种现处于起步阶段,国内尚未见有新品种推出,只是有关于紫色种质材料创制的报道。孙日飞等旧通过芥菜与大白菜种间杂交结合连续回交,获得了紫色大白菜新种质。张德双等以引自国外的紫色小白菜和2份普通白心大白菜(07-721和07-802)为试验材料,通过常规有性杂交的手段,并结合多代回交,将小白菜的紫色转育到大白菜中,获得了紫色大白菜育种的中间材料。张鲁刚等以大白菜白心自交系为母本,以紫菜薹自交系为父本杂交,通过单株连续自交3代后,用橙色大白菜自交系测交、继续单株自交育成了外叶绿色、球叶紫色的紫心大白菜新种质。其“一种紫心大白菜新种质的选育方法”获得发明专利(zL200910021165.6)。这些研究为紫色大白菜育种奠定了基础。
2、大白菜球色性状的遗传研究
余阳俊等在黄色球叶性状的遗传试验中以球叶黄色自交系双1和球叶白色自交系269为试验材料,橙红色叶球性状的遗传试验以球叶白色自交系8928和从日本引进品种橘红心(球叶橙红色)为试验材料,对其球色遗传进行研究。结果表明,球色黄色对白色由1对显性等位基因控制,球色橙红色对白色由1对隐性等位基因控制。1998年,Matsumoto等㈣的研究结果表明,大白菜球色的橙色性状由1对隐性基因控制。王绮分别以大白菜白色和橙色株系及两者F1、F2代和回交后代为试材,研究得出橙色性状为1对隐性基因控制。张德双等以黄色、橘红色和白色大白菜纯系配制不同组合研究其花色和球色的相关规律。结果表明,其球色为橘红心对白色为1对隐性基因控制的简单遗传,而且其球色与花色完全连锁,球色为黄色对白色的遗传表现为数量遗传特点,花色与球色遗传不相关。孙日飞等报道紫红色基因表现为显性。张德双等研究认为控制大白菜紫色性状的基因为部分显性,与孙日飞等的研究结果基本一致。
3、分子标记在大白菜球色研究中的应用
分子标记是以个体间遗传物质内核苷酸序列变异为基础的遗传标记,是继形态学标记、细胞学标记和生化标记之后,以DNA形式表现,发展迅速的遗传标记技术,因其具有不易受环境影响、多态性高和易检测等优点,在分子辅助育种早期选择中具有广阔的应用前景。尤其是建立在PCR基础上的分子标记技术的开发和应用。使这些技术越来越易于为育种者所掌握,借助目标基因紧密连锁的遗传标记,鉴定分离群体中含有目标基因的个体,以提高选择的效率。目前应用在大白菜球色研究中的分子标记主要有限制性片段长度多态性(restriction fragmentlength polymorphism,RFLP)技术、随机扩增多态性DNA(random amplified polymorphism DNA,RAPD)技术、扩增片段长度多态性(amplified fragment lengthpolymorghism,AFLP)技术、序列特异性扩增区(se-quence-characterized amplified region,SCAR)技术、相关序列扩增多态性(sequence-related amplifiedoolymorDhlsm,SRAP)技术等。
1998年。Matsumoto等将橘红心和花色遗传的隐性单基因利用RFLP定位到大白菜DH系图谱上。并且找到了3个与橘红心基因连锁的RFLP标记,其中与橘红色基因遗传距离最近的是HCm标
记,距离12cM。刘秀村等以大白菜的DH系群体为材料运用RAPD标记与BSA法进行分子标记研究,结果找到了1个遗传距离为3.8cM、LOD值为19.05的与橘红心球色基因连锁的分子标记OPB01-845。王国臣等在刘秀村的研究基础上,利用BSA法和游离小孢子培养获得的DH系群体对与大白菜橘红心基因紧密连锁的分子标记进行了研究,结果筛选到2个与橘红心球色基因or连锁的RAPD标记S1338656和P67M54172遗传距离分别为8、13cM;并将它们成功地转化成SCAR标记SCOR204和SCOR127。2003年,张鲁刚等采用F2代分离群体对橙色大白菜球色遗传规律和分子标记进行研究。筛选获得与橙色性状紧密连锁的SCAR标记SC82-591。其遗传距离为3.7cM,获得了发明专利。徐东辉等应用以构建了AFLP遗传图谱的大白菜DH群体,采用多模型QTL作图方法,通过叶色素测定法、色差计法和人为目测法3种方法7项指标对叶色相关性状进行了OTL分析。结果表明,人为目测法仅检测到1个QTL,色差计法检测到9个QTLs,叶色素测定法检测到8个QTLs。在7个连锁群中共检测到18个QTLs;另外。估算了单个QTL的加性效应和贡献率,各位点的贡献率在5.5%-15.6%,且各QTL的加性效应各不相等。
张明科等以紫菜薹自交系95T2-5、大白菜自交系94S17-1及其F1、F2、BC1代植株为材料进行RAPD分析,从640个随机引物中筛选出2个引物S79和S123,分别能扩增出与紫色性状连锁的条带$79-934和S123-750。连锁分析发现,标记$79-934、S123-750与紫色基因间的遗传距离分别为13.73、18.65 cM,并且位于紫色基因两边。回收$79-934特异带,克隆转化并测序,比较分析表明其与大白菜1号染色体上已知克隆KBrH077A05的全序列(113253bp)有99%的相似性,初步推断控制紫色性状的主基因位于大白菜1号染色体上。郁有健等以紫色大白菜BC1代回交群体的120个单株为材料,采用混合集群分析法构建大白菜的紫色与非紫色池,应用SRAP分子标记技术筛选两池间的多态性,并对与紫色性状相关的QTL和对应的连锁关系进行了初步分析。结果表明,在144对SRAP引物组合中,仅有8对引物组合可以在两池间扩增出较稳定的多态性产物。应用获得的8对引物组合对120个单株的DNA进行SRAP分析,初步获得3个与紫色性状相关的QTLs,同时获得了6个与这3个OTLs连锁的标记。
由于受大白菜球色试验材料的限制,目前关于大白菜球色研究方面的分子标记还比较少,主要集中在球色为橙色、橘红色和紫色材料上。随着大白菜球色种质资源的不断丰富。其他球色相关的分子标记将随之出现。
4、橙色大白菜叶球颜色产生的物质基础及相关机理
类胡萝卜素(carotenoid)是生物体内通过类异戊二烯途径合成而呈现红色、橙色或黄色的一大类色素物质的总称。在植物中,类胡萝卜素主要分布于植物叶绿体和有色体膜中,包括胡萝卜素和叶黄素两大类。前人研究表明,正是由于类胡萝卜素的积累而使大白菜球叶呈现不同的颜色。
4.1不同球色大白菜类胡萝卜素成分及含量变化
张鲁刚等研究认为橙色大白菜球叶类胡萝卜素含量为优质普通大白菜秦白2号的3.47倍,陈鹏飞运用HPLC技术对不同球色大白菜的类胡萝卜素组成及其含量进行研究发现,在外叶中其类胡萝卜素含量不同材料间基本一致,而在球叶中则类胡萝卜素含量差异明显,桔红心材料中类胡萝卜素总量最多,以番茄红素为主。张华敏等以橙色大白菜金冠1号和普通大白菜秦白2号培养的愈伤组织为材料,在培养基中添加0.1 mm01·L-1的八氢番茄红素脱氢酶抑制剂达草灭分别处理5、10、20和40d。用HPLC法测定处理后的愈伤组织中各种类胡萝卜素含量。结果表明,秦白2号愈伤组织中以β-胡萝卜素为主,金冠1号愈伤组织中的类胡萝卜以番茄红素和β-胡萝卜素为主,且类胡萝卜素总含量比秦白2号高出10.4倍。
目前国内关于不同球色大白菜类胡萝卜素含量的测定研究还较少,这可能与试验材料、试验方法等因素有关。随着HPLC、质谱等技术的发展,类胡萝卜素、类黄酮等含量的测定一定会日益得到广大育种者的广泛关注。
4.2胡萝卜素的储存器官
质体是色素合成的主要场所,主要包括叶绿体、有色体和白色体。类胡萝卜素主要贮存于植物的叶绿体和有色体膜上。在大白菜中,关于类胡萝卜素的存贮器官研究鲜见报道,张立志等研究发现橙色大白菜球叶细胞中的类胡萝卜素呈不规则结晶状,其有色体属于结晶状:在橙色大白菜顶芽中没有发现有类胡萝卜素的积累,而且前质体数目与普通大白菜没有明显区别,而or突变引起的花椰菜在顶芽中则有1-2个大的有色体,而且积累大量的类胡萝卜素;在橙色大白菜球叶细胞中发现,每个细胞中有6个左右的有色体且积累大量类胡萝卜素,这与or突变引起的橙色花椰菜研究结果也不一样,其积累机制可能不一样。
4.3类胡萝卜素合成途径相关酶基因克隆及表达分析
熊玉兰对橘红心大白菜和普通大白菜中类胡萝卜素代谢途径中的9个主要酶基因进行了表达分析,结果显示,9个主要酶基因在2种白菜中都存在,且均有表达。戚佳妮等采用实时荧光定量PCR技术研究了类胡萝卜素合成途径相关基因在橘红心和普通白心大白菜不同组织中的相对表达量。结果表明,13个类胡萝卜素合成相关基因在根、茎和侧芽中的表达量低于球叶:在球叶组织中,橘红心材料的IPI、GGPS、PSY、PDS、CRTISO、LCYB、CCD和NCED基因的相对表达量高于普通白心材料:而ZDS、LCYE、CHX、ZEP和VDE的相对表达量则相反。张华敏以橙色大白菜为材料,运用RT-PCR技术和RACE技术成功克隆了橙色大白菜类胡萝卜素合成途径的7个相关酶基因。张立志利用橙色大白菜中类胡萝卜素合成途径中相关酶基因设计引物,进行实时荧光定量PCR。结果表明,番茄红素的上游基因PSY、PDS、ZDS在橙色大白菜的各个部位表达量都明显高于普通大白菜,尤其是PSY基因在球叶中的表达量高于普通大白菜2倍,而其下游基因LYCB、LYCE、BCH、ZEP在球叶中的表达量没有明显变化,可能不是引起橙色大白菜类胡萝卜素积累的关键酶基因。
5、大白菜球色育种研究展望
笔者从杂种优势利用、球色性状的遗传研究、分子标记、类胡萝卜素在球色育种中的应用等方面阐述了大白菜球色育种研究进展,虽然球色育种已经取得了很大突破,但是分子标记、液相色谱、荧光定量、透射电镜等技术在大白菜球色育种上的应用尚处于探索阶段。总体而言,目前大白菜品种的球色仅仅限于白色、橙色等5种类型,还不能满足市场对彩色大白菜的多样化需求。我们期待育种家尽快培育出其他叶球颜色的大白菜新品种,供应市场;在大白菜叶球颜色形成机理方面的研究还很薄弱,今后应该加大大白菜球叶中类胡萝卜素的积累等叶球颜色形成机理的研究,为彩色大白菜育种奠定基础。
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