馬鈴薯分子育種研究進展

張永芳

（山西大同大學農學院，山西大同 037009）

馬鈴薯分子育種研究進展

張永芳

（山西大同大學農學院，山西大同 037009）

馬鈴薯分子育種主要包括分子標記育種、轉基因育種和分子設計育種三個方面.本文綜述了近年來馬鈴薯分子育種國內外研究進展；指出發展我國馬鈴薯分子育種研究迫切需要解決的幾個關鍵問題,并對利用分子育種技術改良馬鈴薯前景進行了展望.

馬鈴薯分子育種 分子標記輔助育種 轉基因育種 分子設計育種 基因組學

馬鈴薯(Solanum tuberosum L)是世界上重要的糧菜兼用型作物,在人們日常生活和國民經濟中起著舉足輕重的作用.然而,在目前馬鈴薯生產中,一方面,病蟲害等問題嚴重限制了馬鈴薯產業的發展,另一方面,隨著人們生活水平的提高,為了滿足人民營養水平提高的需要,如何實現優異目的基因在育種后代群體定向快速轉移,提高優良育種后代的選擇效率成為馬鈴薯育種學家們探索的重要課題.由于傳統育種須先進行品種或品系間的雜交,然后從后代中通過表現型觀察選擇理想的重組基因型,不僅需要的周期長,而且耗力.自從基因學說建立以后,育種家們就希望變表現型選擇為基因型選擇.近年來,擬南芥、水稻等基因組測序的完成、馬鈴薯基因組測序和EST測序項目的開展為馬鈴薯從分子水平上進行遺傳操作提供了重要的理論基礎.馬鈴薯分子育種包括分子標記育種、轉基因育種和分子育種3個方面.本文針對國內外馬鈴薯分子育種的研究進展狀況作一概述,并提出我國分子育種中可能存在的問題及解決措施,為馬鈴薯分子育種研究提供理論及實踐參考.

1 馬鈴薯分子育種研究進展

1.1 分子標記輔助育種

馬鈴薯分子標記輔助育種是育種的重要環節,在選擇后代群體優良基因型中起著重要的作用.

1.1.1 分子遺傳圖譜的構建

分子遺傳圖譜是通過遺傳重組交換結果進行連鎖分析后所得到的基因在染色體上相對位置的排列圖.它是分子標記輔助育種最基礎的工作之一.早在1988年美國康奈爾大學Tanksley實驗室及德國馬普Gebhart實驗室,首先利用RFLP標記分別構建了第一個馬鈴薯的遺傳連鎖圖譜[1].1992年構建了一個密度更大的馬鈴薯RFLP圖譜[2].之后,DNA標記的研究立即成了一個非?；钴S的領域.一些實驗室利用AFLP、RAPD、SSR、CAPS、SCAR、EST、STS和COS等標記來構建連鎖圖譜,進一步豐富了馬鈴薯遺傳連鎖圖譜的標記數量,增加了圖譜飽和度[3,4].到目前馬鈴薯有多達十幾個包含大量各種不同標記類型的高密度連鎖圖.Menendez[5]等 (2002)用RFLP和AFLP標記相結合構建了兩張遺傳圖譜[5].荷蘭瓦赫寧根大學計劃構建一個超過1 600個AFLP標記的超高密度馬鈴薯連鎖圖譜[6],目前已完成超過10 000個標記.我國金黎平[7](2006)采用AFLP和SSR分子標記技術構建了包含17個主要連鎖群、由152個AFLP標記和6個SSR標記組成的國內首個馬鈴薯遺傳連鎖圖譜.后利用該組合及其125份雜交一代無性系進行AFLP分析,構建與24條染色體對應的AFLP分子連鎖圖譜.目前正在利用SSR、CAPS和SCARS等共顯性遺傳標記對圖譜進行加密[8].

1.1.2 馬鈴薯重要性狀基因的標記和定位

到目前為止,國內外已標記和定位了一批重要性狀基因.Hamalaine[9]等(1997)利用RFLP標記技術結合BSA(bulked segregant analysis)分析方法對Solanum tuberosum subs.andigena抗性基因Y進行分子標記篩選和定位,共篩選到4個RFLP標記. Bradshaw[10]等(2006)利用RFLP標記結合BSA分析方法對抗晚疫病基因進行篩選和定位,篩選到2個與抗性緊密連鎖的標記.Bradshaw[11]等(2008)又利用AFLP和SSR標記對馬鈴薯的產量性狀、農藝性狀、質量性狀進行區間定位,并檢測到有39個QTL與以上性狀相關.到2006年,馬鈴薯已經有26個性狀被標記[12],被標記的性狀如抗性包括抗青枯病[13]、抗晚疫病[10]、抗病毒[14]等,形態、品質性狀包括炸片顏色[15]、塊莖性狀[11]、出芽性狀[11]以及耐旱性[16]等.我國馬鈴薯分子標記的性狀以抗性性狀最具有代表性.郜剛[17]等(2005)利用AFLP標記結合BSA分析方法對與馬鈴薯青枯病抗性連鎖的分子標記進行了分析,獲得了4個與馬鈴薯青枯病抗性相關的AFLP標記,將其分別定位于染色體1和12上.后郜剛[18](2000)等又綜合利用RAPD、SSR、AFLP三種標記技術對馬鈴薯二倍體及其分離世代群體ED和CE進行青枯病人工接種鑒定,并篩選和定位了抗性相關的分子標記.徐建飛[19](2009)等以含有晚疫病抗性基因R11的材料MaR11和不含已知抗性基因的品種Katahdin為親本進行有性雜交,對獲得的F1分離群體的83個基因型進行了晚疫病菌株接種鑒定和遺傳分析.結果表明,R11為主效單基因,由此開發了6個與R11連鎖的分子標記,將R11定位于11號染色體長臂末端.

1.2 馬鈴薯轉基因育種

馬鈴薯是最早獲得轉基因植株的作物之一,也是進入田間試驗品種最多的轉基因作物之一[20],80年代以來,馬鈴薯遺傳轉化系統日趨成熟,但投放市場的轉基因品系并不多[21].Liu[22](1994)等報道將煙草滲透素基因導入馬鈴薯,在轉化馬鈴薯中組成性表達滲透素,轉化植株葉片經致病疫酶孢子懸浮接種后顯示出病癥發育的延遲.Hemenway[23,24](1990)報道PVX、PVYc基因在馬鈴薯中的表達.美國孟山都公司(1990)首次獲得了表達PVX+PVYc的轉基因品系[25-26].Chakraborty[27](2000)等利用農桿菌介導法將菜白蛋白(AMA1)轉入馬鈴薯中,獲得營養價值含量高的馬鈴薯.Yang[28](1998)等將旨在改善氨基酸平衡的CAT-HEAAE融合基因導入馬鈴薯.隨著生物技術的發展,我國馬鈴薯育種工作者也已經開始系統地利用轉基因技術開展馬鈴薯育種新材料、新方法的研究,并取得了長足的進步.甘肅農業大學采用農桿菌介導的遺傳轉化技術將淀粉合成過程中的關鍵酶基因glgC導入馬鈴薯栽培品種,獲得轉基因植株;將誘導非寄主過敏性反應的hr基因導入馬鈴薯中,獲得轉基因植株并進行檢測[29].中國科學院微生物研究所、北京大學、內蒙古大學相繼進行了馬鈴薯病毒病外殼蛋白基因的研究,完成了PVX、VYHE、PLRV外殼蛋白基因的克隆和序列分析,獲得了轉基因馬鈴薯植株[30].張寧[31](2005)等用農桿菌介導法獲得了轉rd29A馬鈴薯植株.此外轉移的外源目的基因還有:Osmotin蛋白基因[32]、HarinEa蛋白基因[33]、HAL1基因[34]、PPase基因[35]、Bt(蘇云金芽孢桿菌毒蛋白)基因[36]、半夏凝集素ta抗蟲基因[37]、I(蛋白酶抑制劑)基因[38]、抗真菌基因[39]、玉米10 Ku醇溶蛋白基因[40]等.

1.3 馬鈴薯品種分子設計育種

作物品種分子設計是指根據作物的育種目標和生長環境,在計算機上設計最佳方案,然后再實施育種方案.萬建民[41](2006)認為,作物品種分子設計育種將在龐大的生物信息和育種家的需求之間搭起一座橋梁,將大幅度提高傳統育種效率,使得經驗育種變為精確育種.

1.3.1 馬鈴薯結構基因組研究

到2006年底,NCBI已公開公布馬鈴薯序列信息23萬條[12].馬鈴薯基因組大小約840 Mb[42].目前, GSC集合多個國家用BAC-by-BAC技術共同繪制馬鈴薯全基因組核酸序列圖,其中項目發起國荷蘭測序最多也最快,中國承擔Ⅲ號和Ⅺ號兩條染色體測序工作進展也比較快.測序進展見 (htt://www.otatogenome.net/!@StatusPane.html).由于馬鈴薯計劃測定全基因組多,距離總目標的完成還有大量的工作要做[43].

1.3.2 馬鈴薯功能基因組研究

采用比較基因組學方法,田振東[44](2003)等利用抑制差減雜交技術分離馬鈴薯晚疫病抗性相關基因.馮潔[45](1999)等成功克隆了32 kD抗菌蛋白的cDNA分子.劉海英[46](2008)等克隆了馬鈴薯無機焦磷酸酶基因cDNA.

2 存在的問題及解決措施

目前我國馬鈴薯分子育種不足及解決措施主要有:①標記時所選的性狀不夠明確.應選用常規育種比較難以選擇的且經濟價值重大的重要性狀.②標記數目較少,飽和度不夠.需要進一步加密遺傳圖譜.③ 新型的技術如SNP、基因芯片(Gene chip)技術在國外遺傳圖譜構建及基因分析中已經被大規模應用,然而在我國相對研究較少,嚴重限制了遺傳育種的研究速度.應加大對馬鈴薯分子育種的投入,加快引進并開發優勢分子標記研究工具,提高我國馬鈴薯育種的水平.④分子育種的發展離不開常規育種,分子育種應該輔助常規育種來選擇優異基因,把常規育種放在主導地位.

3 展望

隨著分子生物學理論與生物信息學的迅猛發展,分子育種技術已成為馬鈴薯育種研究領域的熱點.目前,國內外研究人員應用分子標記技術在馬鈴薯中圖譜的構建、性狀相關基因的定位、基因的克隆以及序列的測定等方面已取得實質性進展,為馬鈴薯分子標記輔助育種奠定了一定的基礎,展示了分子育種廣泛的應用前景,然而我們應該認識到常規育種方法仍然是今后育種的主要研究方向,分子技術育種現在還處于探索階段,要想取得成功還需要不斷地積累新的經驗和知識.

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Advances o f Research o n The Potato M olecular Breeding

ZHANG Yong－fang
（Schoole of Agronomy，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009）

Potatomolecular breeding entailsmarker－assisted selection breeding，transgenic breeding and crop breeding by design.This review summarizes the research progress about potato molecular breeding in china and other countries in recent years.Some important problems about potatomolecular breeding are also discussed and the prosect of potatomolecular breeding on technical improvement is discussed and previewed.

potato；m olecular breeding；m arker－assisted breeding；t ransgenic breeding；breeding by design；g enomics

S33

A

〔編輯 楊德兵〕

1674-0874(2010)03-0056-04

2010－02－28

張永芳（1982－），女，山西應縣人，碩士，助教，研究方向：植物生理及分子生物學.