蕓薹屬蔬菜遺傳改良與種質創新研究進展

支 肖 曹麗雯 于寧寧 齊振宇 陳利萍

（浙江大學農業與生物技術學院，浙江杭州 310058）

蕓薹屬（Brassica）植物包括白菜類、芥菜類以及甘藍類蔬菜，具有種類繁多、遺傳資源豐富、產量高、抗性強、栽培面積廣、生長周期短等特點（Struss et al.，1991；Mei et al.，2011；Geng et al.，2013）。由于長期的人工選擇和優良品種的大面積栽培，以及人們對蔬菜種類和品質要求的不斷提高，現有的和可利用的親本資源已具有一定的局限性。利用現代生物技術手段創制出優質、抗病、高產的新種質資源，是當前蔬菜產業亟待解決的重要問題之一。本文從遠緣雜交、種間嫁接、體細胞雜交、分子育種等方面綜述了蕓薹屬蔬菜在遺傳改良及種質創新研究上的新進展，以期為蕓薹屬蔬菜新品種的選育提供理論依據和新途徑。

1 遠緣雜交

遠緣雜交（distant hybridization）是指親緣關系較遠的種屬間或物種間的雜交，它可以使優良性狀的基因在種、屬之間通過有性雜交的方式進行轉移。自1917年Kajanus將甘藍型油菜與蕪菁通過有性雜交的方法獲得了種間雜種以來，遠緣雜交被廣泛應用到蕓薹屬蔬菜育種中（Kajanus，1917）（表1）。例如，Sharma等（2017）將花椰菜Pusa Sharad（B. oleracea，CC）與抗黑腐病的埃塞俄比亞芥NPC-9（B. carinata，BBCC）雜交加倍，獲得的F1（BCC）具有黑腐病抗性，繼而通過將F1與花椰菜回交使黑腐病抗性漸滲入回交第1代植株，實現了埃塞俄比亞芥的抗黑腐病優良基因向花椰菜的轉移。再如，十字花科植物中的多種類型的雄性不育源，Ogura細胞質雄性不育（CMS）、Polima CMS等通過甘藍型油菜被轉移到大白菜或蕪菁中（柯桂蘭 等，1992；姚祥坦 等，2004），其中甘藍型油菜中的Ogura CMS是通過蘿卜轉育而來。遠緣雜交后全套異源染色體組導致的遺傳學上的不穩定性是遠緣雜種生產應用的最大問題。為了解決遠緣雜種的不穩定性，育種家們在遠緣雜交的基礎上創建了異附加系（alien addition line）。異附加系是指通過雜交或其他方法在原有染色體組中附加1條或者1條以上異源種屬的染色體。異附加系不但實現了外源優異基因的轉移，還避免了其他異源染色體上不良基因的影響。例如，劉煒等（2008）通過遠緣雜交獲得大白菜—甘藍異源三倍體（AAC）后，與二倍體大白菜（B. rapa，AA）回交，從中分別篩選出大白菜—甘藍7號和9號單體附加系，為進一步獲得大白菜和結球甘藍易位系、代換系提供了基礎材料。

表1 遠緣雜交在蕓薹屬蔬菜種質創新中的應用

在遠緣雜交過程中，異源基因組的相互作用導致大量遺傳與表觀遺傳變異，使雜種后代在生物量、適應性等方面表現出超親性狀，形成雜種優勢。Ghani等（2014a，2014b）通過大白菜與黑芥的遠緣雜交及其染色體加倍，觀察到異源四倍體雜種后代AABB與雙親（AA和BB）相比，表現出明顯的生長優勢。通過small RNA高通量測序，發現與親本相比，AABB的miRNAs總體表達水平呈現上升趨勢，miRNA表達水平的改變引起了表型相關基因的改變，該研究結果證明了small RNA水平的改變與遠緣雜交中基因表達水平改變及超親性狀的產生具有相關性。這一研究結果為蔬菜遺傳改良與新品種選育提供新的理論依據。

Li等（2015）以莖瘤芥（B. juncea，AABB）和紫甘藍（B. oleracea，CC）為親本，通過遠緣雜交和人工加倍獲得蕓薹屬異源六倍體蔬菜（AABBCC）。該六倍體能作為橋梁作物，合成不同種類的異附加系、漸滲系等，滿足不同育種需求。饒琳莉（2015）將莖瘤芥和紫甘藍雜交得到的異源六倍體（AABBCC）分別與莖瘤芥和大白菜進行雜交，成功得到基因組為AABBC與AABC的蕓薹屬新種質，新種質表現出獨特的植物學性狀，有望通過AABBC再與親本莖瘤芥AABB回交選育出莖瘤芥異附加系。

2 種間嫁接

嫁接（grafting）是植物的一種無性繁殖方式，它是將植物體的器官、組織接到另一植物的適當部位，使兩者接口愈合，長成為一個新植株的技術（李繼華，1990）。由于嫁接具有快速更新品種、增強植物環境適應性、提高作物產量和品質等優點，已被廣泛運用于農業生產中，特別是在果樹、觀賞樹木、茄科蔬菜及瓜類作物的繁殖和育種上發揮了巨大作用。然而，由于蕓薹屬蔬菜的生產方式有別于茄科作物及瓜類作物，嫁接技術一般不被應用于蕓薹屬蔬菜生產。

近年來，蕓薹屬蔬菜嫁接試驗的開展主要是為春化機理等理論問題的解析提供試驗體系。例如，陶鵬等（2017）將需要綠體春化的結球甘藍嫁接于常年抽薹的薹菜（菜心）砧木上，即使在不經過綠體春化的情況下，結球甘藍也能抽薹開花，該現象表明春化相關的信號物質可能通過嫁接砧木、接穗之間的互作得到了交流，并且改變了接穗的開花習性。

物種之間的嫁接是否會改變嫁接當代及其后代的遺傳信息，一直是國際上的研究熱點。由于嫁接的本質是異源細胞的相互交流，因此Hirata等（1990）開創性地提出了通過莖尖嫁接人工創建種間細胞的交流體系，即種間嵌合體。迄今為止，已經獲得了蘿卜與紫甘藍嫁接嵌合體（Hirata et al.，2000）、莖瘤芥與紫甘藍嫁接嵌合體（Chen et al.，2006）等。近年來的研究表明，莖瘤芥與紫甘藍嵌合體自交后代表現出葉形、頂端分生組織等方面可遺傳的變異，成為新的莖瘤芥種質資源（Li et al.，2013；Cao et al.，2016）。因此，蕓薹屬蔬菜物種之間的莖尖嫁接為種質資源的創制提供了一條嶄新的途徑。

3 體細胞雜交

植物體細胞雜交（somatic hybridization）又稱原生質體融合（protoplast fusion），是指雙親的原生質體在特定的物理或化學因素作用下誘導融合成雜種細胞，通過細胞分裂并分化和再生出植株。由于蕓薹屬蔬菜較易進行原生質體操作，因而體細胞雜交被廣泛運用在蕓薹屬蔬菜的種質創新中（表2）。體細胞雜交能有效克服有性雜交不親和性，跨越生殖隔離，創造異源多倍體新種質，實現遺傳物質在種、屬間的無性轉移。例如，Lian等（2011a，2011b）分別以葉用芥菜和青花菜、青花菜和大白菜為供受體親本，采用40%聚乙二醇融合法進行原生質體融合，獲得具有雙親基因組的異源四倍體再生植株。

表2 體細胞雜交在蕓薹屬蔬菜種質創新中的應用

然而，細胞對稱融合在導入有用基因的同時，也帶入了供體親本的全部不利基因，且兩套基因組的融合常常導致雜種后代敗育。近年來，不對稱細胞融合技術的發現和利用為解決細胞對稱融合過程中不利基因的導入及后代的敗育等問題提供了一條有效途徑。例如：通過非對稱體細胞雜交技術，黑芥的抗黑腐病基因、Ogura CMS等細胞質雄性不育源先后被轉育到花椰菜等甘藍類蔬菜及蕓薹屬其他蔬菜中，實現了優良性狀在細胞之間的快速轉移（Sigareva & Earle，1997；張麗 等，2008；Wang et al.，2011，2016）。

4 分子育種

分子育種主要分為基因工程育種和分子標記輔助育種。基因工程育種是以植物組織、細胞或原生質體為受體系統，導入目的基因，改良農作物遺傳性狀的一種育種方法。近年來，隨著基因工程的發展，蕓薹屬蔬菜中越來越多的優異性狀基因被克隆。例如：莖瘤芥膨大相關基因BjuB.RBR.b、BjuA.RBR.b、BjAPY2、orf451（Shi et al.，2014；羅天寬 等，2015；Cao et al.，2015），普通白菜花粉發育相關基因BcMF23a、BcMF23b（Lin et al.，2016）等。但是，由于傳統轉基因存在安全隱患，轉基因蕓薹屬蔬菜的生產應用一直備受爭議。最近，基因定點編輯整合技術CRISPR/Cas9系統被逐步運用到蕓薹屬蔬菜的遺傳改良中。例如，Lawrenson等（2015）利用CRISPR/Cas9系統將甘藍DH1012中編碼赤霉素合成基因BolC.GA4的定點敲除，實現了植株的矮化。該項技術將逐步消除轉基因技術的安全隱患，有望運用在蕓薹屬蔬菜種質創新上的生產實踐中。

分子標記輔助育種是指利用分子標記與目標性狀基因緊密連鎖的特點，通過檢測分子標記，即可檢測到目的基因的存在，達到選擇目標性狀的目的。目前為止，分子標記在蕓薹屬蔬菜種質創新中得到了較為廣泛的應用，特別是抗病抗逆、品質、發育、育性等重要農藝性狀的分子育種方面。由于大多數農藝性狀均屬于數量性狀，借助QTL連鎖的分子標記能夠大大提高對數量性狀的遺傳操縱能力，從而提高育種工作中對數量性狀優良基因型的選擇準確性。張郎郎等（2014）利用AFLP標記構建了莖瘤芥莖膨大的連鎖圖譜，采用復合區間作圖法定位到控制瘤狀莖質量性狀和橫徑性狀各2個，共解釋分別為43.28%和53.27%的表型變異。Li等（2016）以莖瘤芥和葉用芥菜為親本構建了F2作圖群體，利用EST-SSR分子標記構建了包含17個連鎖群的芥菜遺傳圖譜，基于SSR圖譜檢測到4個控制莖質量的QTL位點，為控制莖瘤芥瘤狀莖膨大性狀相關基因的精確定位打下基礎。張曉偉等（2009）通過構建大白菜DH群體，對TuMV-C4株系的苗期抗性進行QTL定位，檢測到了3個QTL位點。由于分子育種能定向選育新品種，且克服了常規育種周期長、種屬間隔離等缺點，已經成為蕓薹屬蔬菜種質創新的重要輔助手段。

5 展望

迄今為止，國內外利用遠緣雜交、種間嫁接、體細胞雜交、分子育種等手段進行的蕓薹屬蔬菜遺傳改良與種質創新已經取得了一系列的重要進展，培育了大量具有抗蟲、抗病、抗逆、高產等優異性狀的蕓薹屬蔬菜新種質。但是目前這些育種手段及獲得的新種質的利用仍然存在一定的局限性。遠緣雜交的主要問題表現為雜種后代存在定向選擇目標性狀困難，優良性狀穩定耗時長，需要多代自交與回交等。因此，未來遠緣雜交要與分子育種相結合，通過小孢子培養，利用分子標記輔助選擇在早期確定目的基因或者染色體，這也是遠緣雜交技術將來的主要發展方向。通過種間嫁接嵌合體合成雖然可以獲得可遺傳的變異，但是嵌合體作為一種特殊形式的嫁接，其合成具有一定的難度；而且，到目前為止嫁接引起遺傳變異的分子機制尚未清楚，因此種間嫁接在蕓薹屬蔬菜遺傳改良中存在一定的局限性。體細胞雜交是建立在原生質體培養再生植株的基礎上進行的，高效再生體系的缺乏使這項技術在蕓薹屬蔬菜種質改良的應用中受到了一定的阻礙。分子育種是近年來發展最快的領域之一，但到目前為止在蕓薹屬豐富的遺傳資源中挖掘到的優良基因還有限，且分子標記輔助育種還處于初級定位階段，很少能做到精細定位。

相信隨著遺傳學、分子生物學等學科的迅速發展，育種技術與育種手段將會不斷得到完善；同時，也應該充分發揮各育種手段的優勢，實施多種育種技術相結合的策略，為蕓薹屬蔬菜種質創新提供更多的親本資源，實現蕓薹屬蔬菜育種的重大突破。

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