主要麻類作物基因組學與遺傳改良: 現狀與展望

徐 益 張力嵐 祁建民 張列梅 張立武,*

專題

主要麻類作物基因組學與遺傳改良: 現狀與展望

徐 益1,2,3張力嵐1,2,3祁建民1,2張列梅1張立武1,2,3,*

1福建農林大學農學院/ 作物遺傳育種與綜合利用教育部重點實驗室 / 福建省作物設計育種重點實驗室, 福建福州 350002;2福建農林大學農業農村部東南黃紅麻實驗觀測站 / 福建省麻類種質資源共享平臺 / 福建省南方經濟作物遺傳育種與多用途開發國際科技合作基地, 福建福州 350002;3福建農林大學海峽聯合研究院基因組與生物技術中心, 福建福州 350002

隨著測序技術的發展, 主要麻類作物(黃麻、紅麻、苧麻、亞麻和工業大麻)參考基因組從2011年至2020年陸續完成測序, 這標志著麻類作物科學已經進入基因組時代。文章首先詳細概述主要麻類作物基因組測序。其次, 評述了基于基因組學的麻類作物重要應用價值基因挖掘?；趨⒖蓟蚪M和轉錄組測序, 大量關于纖維發育、響應非生物脅迫的候選基因被挖掘, 以促進麻類作物纖維的物種特性和“不與糧食爭好地”的逆境農業。同時不同麻類作物特異性狀候選基因陸續被報道, 如紅麻雄性不育、亞麻種子含油量和大麻大麻素相關候選基因等。再次, 麻類作物基因組測序完成為基于組學的麻類作物遺傳改良提供可能: 有助于麻類作物種質資源形成和演化機制研究, 系統解析纖維產量、纖維品質、抗病耐逆等農藝性狀形成的分子基礎; 有助于建立高通量基因型-表型數據庫, 挖掘優異基因資源與創制新種質; 有助于創新并集成分子標記輔助選擇、基因組選擇、轉基因等技術, 建立高效的快速育種技術體系。宜選育高產高效、抗逆抗病、適宜輕簡化機械化、優質專用的多用途麻類作物新品種, 以滿足麻類作物相關產業的市場需求, 適應麻類作物生產方式。盡管已經獲得重要基因以及位點的信息, 但如何高效率利用已有基因資源對麻類作物進行遺傳改良仍需面臨一系列挑戰, 如成熟穩定的遺傳轉化體系、麻類作物基因編輯體系構建及基因組選擇育種等。

主要麻類作物; 基因組; 基因; 遺傳改良

黃麻(spp.)、紅麻()、苧麻(spp.)、亞麻()與工業大麻(L.)在種植歷史上曾經超過300萬公頃面積, 屬于大面積栽培的麻類作物(以下簡稱主要麻類作物), 與糧、棉、油、菜并列為第五大作物群, 其種植歷史可追溯到遠古新石器至堯舜時代[1-2]。主要麻類作物是重要的天然韌皮部纖維作物, 其韌皮部纖維(麻皮)主要用于麻線、麻繩、麻袋、麻布等包裝用紡織, 還用于家飾板材等多功能用途; 其天然活性成分在食品、日用、醫藥等領域價值逐步開發, 推動生命健康產業發展。主要麻類作物分布范圍廣, 在熱帶、亞熱帶、溫帶和寒帶均有分布。我國的華南、長江流域、黃淮流域、淮河流域到東北(遼寧、吉林、黑龍江)、西北(新疆、寧夏、內蒙古)等均可以種植。主要麻類作物生物學產量高, 且耐鹽堿、耐干旱、耐洪澇、適應性廣, 不與糧、棉、油、菜爭好地, 可用于鹽堿地或重金屬污染農田的植物修復[1], 發展主要麻類作物將帶動我國逆境農業和麻類作物多功能利用的發展。

自1986年提出基因組學的概念, 其相關研究不斷深入并被廣泛接受, 目前基因組學已成為生命科學領域活躍且有影響的科學[3]。模式植物擬南芥[4]率先完成全基因組測序, 這是第一個完成的植物基因組序列, 隨后水稻[5]也完成全基因組測序。隨著測序技術的發展, 越來越多的植物進行了全基因組測序, 其中包括主要麻類作物(黃麻[6-7]、紅麻[8]、苧麻[9-10]、亞麻[11-12]和工業大麻[13-14])。這些主要麻類作物的全基因組測序, 可以提供該作物全基因組的遺傳信息, 尤其是對控制重要農藝性狀的位點或基因的深入挖掘, 以及對調控復雜性狀的分子網絡的解析奠定了重要基礎。

本文旨在總結主要麻類作物基因組學和遺傳改良研究的最新進展, 對于引領加快麻類作物遺傳育種研究具有重要意義。

1 主要麻類作物全基因組測序研究概況

以聯合國糧食及農業組織的2007年至2018年數據來看, 在世界范圍內, 黃麻和紅麻在收獲面積、產量和農業生產價值均占據麻類作物之首, 其次是亞麻、苧麻和工業大麻。其中我國黃麻和紅麻的收獲面積、產量和農業生產價值居世界第三(圖1)。主要麻類作物基因組測序從2011年到2020年陸續公布, 分別涉及錦葵科、蕁麻科、亞麻科和大麻科, 基因組最小的是圓果種黃麻336 Mb, 最大的是紅麻1078 Mb (表1)。

1.1 黃麻基因組

黃麻基因組草圖于2017年發表[6], 經組裝發現, 長果種O-4和圓果種CVL-1基因組大小分別為445 Mb (13.04 Gb raw data, scaffold N50為3.3 Mb)和338 Mb (13.69 Gb raw data, scaffold N50為4.1 Mb), 分別有約8.4%和17.8%的數據無法覆蓋, 表明該研究只是得到了黃麻基因組草圖。為了獲得高質量的黃麻參考基因組, 福建農林大學于2015年開展黃麻轉錄組[17]、基因組調研圖和流式細胞儀分析。在此基礎上, 以黃麻國家區域試驗對照品種長果種寬葉長果和圓果種黃麻179為材料, 以三代測序技術 PacBio RS II為主體, Hi-C染色體構象捕獲技術等技術輔助, 獲得了長果種和圓果種黃麻染色體級別的參考基因組, 其基因組大小分別為361 Mb和336 Mb[7]。與已發表的黃麻長果種O-4和圓果種CVL-1基因組相比, 組裝指標有了極大的提升。

黃麻全基因組的系統發育樹顯示[6], 圓果種和長果種黃麻均與可可和雷蒙德氏棉聚為一類, 表明黃麻屬于錦葵科(Malvaceae)。需要指出的是, 關于黃麻屬于錦葵科還是椴樹科(Tiliaceae)一直以來存在爭議。為了驗證這一結論, 考慮到葉綠體表現為母系遺傳, 其基因組被廣泛應用于植物的系統發育關系分析, 整理圓果種黃麻和長果種黃麻[15]以及紅麻[16]的葉綠體基因組的系統發育關系結果發現, 黃麻圓果種和長果種在親緣關系上與棉屬更近(附圖1)。這進一步佐證黃麻屬于錦葵科, 而不是基于植物形態學分類的椴樹科。

收獲面積和產量取自2009年至2018年數據平均值, 價值取自2007年至2016年數據平均值, 數據均來自聯合國糧食及農業組織。

The harvesting area and production are taken from the average values from 2009 to 2018, the values are from the average data from 2007 to 2016, and the data are all from the Food and Agriculture Organization of the United Nations.

1.2 紅麻基因組

紅麻(, 2=36)是錦葵科木槿屬的一年生常異花授粉作物, 屬于短日照喜溫類型。2020年福建農林大學率先繪制高質量紅麻參考基因組圖譜[8], 該研究以紅麻優良品種福紅952為材料, 采用二代加三代的測序策略, 同時結合Hi-C染色體構象捕獲技術和高密度遺傳圖譜, 完成紅麻全基因組測序和組裝工作, 其基因組大小約為1078 Mb, contig N50為2.73 Mb, 共鑒定到66,004個基因。紅麻與擬南芥、水稻、亞麻和棉花的蛋白編碼基因比較發現, 2195個基因是紅麻所特有的, 包括67個NAC和47個MYB轉錄因子。比較基因組學分析發現, 紅麻與雷蒙德氏棉在分化后存在一次獨立的全基因組復制事件(whole genome duplications, WGD), 導致紅麻絕大多數基因拷貝數加倍。利用核心種質重測序數據, 群體遺傳學分析顯示, 紅麻起源于非洲, 沿著非洲南部、非洲西部的路線傳播到亞洲, 并在傳播過程中發生了2次馴化事件。在參考基因組基礎上, 該研究確定了控制紅麻葉形的基因為LATE MERISTEM IDENTITY 1 (LMI1)轉錄因子, 并用病毒誘導的基因沉默(virus-induced gene silencing, VIGS)驗證了其基因功能。

1.3 苧麻基因組

苧麻(, 2=28)為蕁麻科苧麻屬多年生宿根性草本植物, 單性花, 雌雄同株, 花序復穗狀, 雄花花序生在莖的中下部, 雌花花序生于梢部。我國的苧麻產量占全世界苧麻產量的90%以上。

2018年2個苧麻基因組草圖陸續公布[9-10], 以Zhongzhu 1為測序品種, 得到一個341.9 Mb的基因組草圖, contig N50和scaffold N50分別為22.62 kb和1226.36 kb, 鑒定出30,237個蛋白編碼基因。苧麻作為蕁麻科中第一個被測序的物種, 可對該物種的多樣性和物種形成等研究提供參考。比較基因組學發現, 苧麻有1075個獨有的基因家族, 包含4082個基因, 其中分別有5個和10個被注釋為假定的CesA和WAT1相關蛋白。分析這15個基因所編碼的蛋白結構域發現, 5個假定CesA蛋白和3個假定WAT1蛋白有相應的保守結構域, 表明這些基因可能分別是真實的和相關基因, 且與苧麻纖維產量有關。與其他4個物種(川桑、大棗、西瓜和亞麻)的CesA和WAT1相關蛋白的系統發育分析進一步證實, 5個和3個相關基因是苧麻特有的。進化樹分析發現106個自然選擇的基因, 其中22個與氮代謝有關, 這些基因可能與苧麻的粗蛋白含量和營養生長性狀馴化相關。這些研究為苧麻遺傳育種和分子研究提供了理論基礎。

1.4 亞麻基因組

2012年以CDC Bethune為測序品種, 得到一個373 Mb的基因組草圖, contig N50為0.02 Mb, scaffold N50為0.69 Mb, 鑒定出43,484個基因[11]。最近, 甘肅省農業科學院分別對油用亞麻品種、纖維用亞麻品種和白胡麻測序得到染色體水平參考基因組[12], 組裝得到的基因組大小為別為306.0、303.7和293.5 Mb, 其中contig N50/scaffold N50分別為131 kb/ 1235 kb、156 kb/700 kb和59 kb/384 kb, 在每個基因組中大約預測到43,500個編碼基因和2600~2800個非編碼RNA; 系統發育分析表明, 栽培亞麻和白胡麻在大約232萬年前發生了分化, 自古被子植物的六倍化事件以來, 亞麻發生了2次WGD事件。在最近一次WGD事件中,基因拷貝數發生了擴張, 可能促成了亞麻獨特的次生細胞壁生物合成, 對基因的定向選擇可能形成了當前的油用和纖維用亞麻的形態類型。對83份亞麻種質資源重測序, 在油用亞麻中, 油脂相關基因(、、和)和種子大小相關基因(和)受到選擇; 在纖維用亞麻中, 次生細胞壁生物合成相關基因(、和)和植物株高相關基因(、和)受到選擇。

1.5 工業大麻基因組

2011年工業大麻基因組草圖發表[13], 該研究以一種廣泛應用于藥用的大麻品種Purple Kush為測序品種, 組裝得到一個534 Mb的基因組草圖。2020年5月公安部物證鑒定中心發表了一個高質量染色體水平的野生大麻參考基因組[14], 其基因組大小為808 Mb, contig N50為513.57 kb, scaffold N50為83 Mb, 相對于2011年發表的大麻基因組草圖(contig N50為2.8 kb; scaffold N50為16.2 kb)有很大的提升。統計其重復序列高達74.75%, 注釋到了38,828個蛋白編碼基因。然而目前為止籽用大麻基因組還未公布, 待籽用大麻基因組公布之后, 以期比較基因組學在3種不同用途的大麻之間挖掘更豐富的變異位點, 為不同用途的大麻育種提供更多信息。

2 主要麻類作物重要應用價值基因挖掘

纖維發育與非生物脅迫相關基因的挖掘一直是主要麻類作物遺傳改良的重要方向。隨著主要麻類作物全基因組測序陸續被報道, 很有必要系統總結回顧NGS (next generation sequencing)技術對主要麻類作物纖維發育相關基因挖掘(附表1)、響應各種非生物脅迫的遺傳機制(附表2)和麻類作物特異性狀候選基因的最新報道(附表3)。為了表述方便, 不同麻類作物分開闡述。每個麻類作物分別從纖維發育、非生物脅迫和麻類作物特異性狀3個方面展開。

2.1 黃麻重要應用價值基因挖掘

2.1.1 黃麻纖維發育相關基因 纖維發育的分子機制解析屬于麻類作物遺傳改良研究的重要方向。為鑒定纖維發育相關的基因, 在黃麻纖維發育關鍵時期進行轉錄組測序[17], 共組裝出48,914個unigenes, 其中有5個、3個、9個、18個、2個(Korrigan), 它們可能參與黃麻纖維素生物合成。長果種黃麻莖皮轉錄組[18]分析顯示, 次生代謝產物的生物合成在代謝途徑中顯著富集, 其中26個基因持續上調, 包括4個參與葡聚糖代謝的基因, 調控莖皮韌皮部的發育。對一個纖維缺陷突變體進行轉錄組測序[19]發現,在突變體的韌皮部組織中的任何生長階段都顯著下調, 且在生長早期的表達下調是伴隨著次生細胞壁特異性基因纖維素合成酶A7 ()和阿拉伯半乳聚糖糖蛋白6 ()的共同上調, 這可能與黃麻纖維中協調木聚糖S型的沉積有關。黃麻全基因組測序顯示[6], 在纖維素合成途徑中、、和的表達較高。抑制差減雜交[20]被成功應用于黃麻纖維發育過程中相關基因的鑒定, 以纖維素含量極低的突變體作為試驗組, 纖維素含量正常的品種作為對照組, 共鑒定出377個功能已知的基因。其中,、和在正常植株中的表達明顯高于突變體, 表明這些基因可能參與黃麻木質素合成, 且是起主要作用。

2.1.2 黃麻非生物脅迫響應基因 解析麻類作物非生物脅迫響應的分子機制是其遺傳改良的又一重要方向, 包括鹽脅迫和干旱脅迫等。黃麻鹽脅迫下轉錄組測序[21]顯示, 在葉和根中分別檢測到32個和196個差異表達轉錄因子, 其中有11個在2個組織中均被檢測到; 在葉片中的差異表達轉錄因子家族包括HB和HSF, 而在根中的差異表達轉錄因子家族包括MYB、WRKY和CCAAT。脫落酸ABA信號通路是植物鹽脅迫反應的核心, 在此途徑上發現了20個差異表達基因, 包括編碼PP2C、SnRK2、ABF (上調)和PYL (下調)的基因。在細胞分裂素途徑上發現, 在高濃度鹽脅迫下, 葉和根中的、和均下調, 而大多數基因上調, 表明它們負調控細胞分裂素信號以提高植物的耐鹽性。黃麻耐旱品種和敏感品種的比較轉錄組分析[22], 在干旱敏感型品種中, 鑒定出34個轉錄因子差異表達基因和23個蛋白激酶差異表達基因, 其中包括19個類受體激酶(receptor like kinases, RLKs)。這些RLKs在干旱脅迫下大部分下調, 說明它們是黃麻抗旱機制的負調控因子。此外, 3-ketoacyl-CoA合酶(3-ketoacyl-CoA synthase, KCS)的表達能顯著提高黃麻抗旱性, 構建KCS基因的過表達和基因編輯載體, 并用于黃麻植株的轉化, 發現KCS基因的過表達不僅增加了葉綠體的數量, 還增強了植株的抗旱性, 提高了木質素含量、生長速率、莖皮厚度和莖粗[23]。

2.1.3 黃麻特異性狀相關基因 黃麻2個栽培種(或亞種)在表型上存在較大差異, 如長果種的果莢為長條形狀, 種子顏色為墨綠色; 圓果種的果莢為球形, 種子顏色為棕色等。不僅如此, 長果種為常異花授粉作物, 圓果種為自花授粉作物, 然而造成2個栽培種間形態或重要性狀差異的遺傳機制目前還有待深入研究。

2.2 紅麻重要應用價值基因挖掘

2.2.1 紅麻纖維發育相關基因 與黃麻纖維不同的是紅麻韌皮纖維中纖維素含量相對較低, 木質素含量較高。紅麻基因組[8]不僅揭示了一些參與韌皮纖維次生壁合成和纖維素沉積的基因, 如:、和等, 還結合QTL定位鑒定出和這2個可能參與細胞壁形成的基因, 而也是紅麻在馴化過程中的受選擇基因。因此可能在紅麻纖維發育過程中發揮重要作用。轉錄組分析揭示出317個淀粉和糖代謝途徑的基因, 可能參與纖維素生物合成[24]。在此之前、、、、和被報道在木質素生物合成中起關鍵作用[25]。紅麻在開花后纖維累積速度顯著降低, 因此延后紅麻開花期也是提高纖維產量的一個途徑, 在紅麻光周期調控途徑中可能存在類似擬南芥GI-CO-FT的保守途徑: 短日照條件下,表達量上調促進表達, 從而促進植物開花,和這2個基因在光敏感和光鈍感種質中表達存在差異[26], 說明這2個基因可能參與紅麻光周期調控。

2.2.2 紅麻非生物脅迫響應基因 紅麻本身作為一種耐旱、耐鹽堿、耐貧瘠、易栽培的作物[1], 研究紅麻耐鹽堿機制, 培育紅麻耐鹽堿種質可將紅麻種植轉向鹽堿地, 減少用地壓力。比較鹽脅迫下紅麻的轉錄譜[27]發現, 鹽脅迫下轉錄因子NAC、BZIP、AP2/EREBP、ARF、AP2/ERF、bHLH、TCP均上調, 有8個NAC轉錄因子和2個WRKY轉錄因子表達下調, 這些轉錄因子可能通過多種不同途徑參與了紅麻的耐鹽性?；谵D錄組, 不少學者對紅麻非生物脅迫產生響應的基因進入了深入挖掘, 認為基因是紅麻ABA和MeJA信號轉導途徑、鹽和干旱脅迫應答途徑的關鍵樞紐基因[28]; 外源鎘和鹽處理能夠顯著誘導表達[29], 該基因可能參與調控紅麻逆境脅迫反應, 但仍需要更多試驗驗證在紅麻逆境脅迫中的生物學功能。Wei等[30]分離鑒定紅麻6個HDACs基因(、、、), 亞細胞定位顯示,和位于細胞核中,和位于細胞核和胞質中, 而位于細胞核和質膜中, 這6個基因均為紅麻鹽脅迫和干旱脅迫的響應基因。

2.2.3 紅麻特異性狀相關基因 作物細胞質雄性不育(cytoplasmic male sterile, CMS)是作物雜種優勢利用的主要途徑, 2004年選育出紅麻CMS系K03A[31], 實現了三系配套, 自此紅麻育性相關研究越來越多, 與紅麻育性相關的基因也被陸續報道。趙艷紅等[32]在紅麻線粒體基因中發現一個與雄性不育細胞質相關的47 bp缺失, 這47 bp缺失片段分別與線粒體轉運信號和GFP的ATP9融合, 形成2個嵌合基因和,將含嵌合基因的載體轉入煙草發現, 部分轉基因植株為雄性不育后半不育[33], 并基于基因開發的分子標簽MM556可用于紅麻不育細胞質的鑒定[34]。對不育系和在保持系花藥進行比較轉錄組分析[35]發現,在三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle)中起直接作用, 在不育系中表達量下降了5.6倍。隨后基因也被報道因為其CDS中存在33-bp的缺失和3-bp的插入, 導致紅麻細胞質雄性不育[36]。ATP6與MYC2b蛋白之間存在互作, 導致紅麻細胞質雄性不育, 而ATP6與MYC2a、MYC2b蛋白之間均存在互作時, 紅麻表現為可育[37]。基因編碼一個富含亮氨酸重復的F-box蛋白, 而F-box蛋白被報道出在花器官發育中有重要功能[38], 且在花藥期不育系中基因表達顯著高于保持系, 這可能導致花藥敗育[39]。目前認為雄性不育主要包括由線粒體基因和核基因共同控制, 然而又有報道通過RNA編輯技術發現葉綠體基因也可能與紅麻細胞質雄性不育有關[40]。紅麻細胞質雄性不育基因及其調控機制還有待深入研究。

2.3 苧麻重要應用價值基因挖掘

2.3.1 苧麻纖維發育相關基因 苧麻纖維中纖維素含量高于黃麻且木質素含量遠低于黃麻, 纖維品質比黃麻好。轉錄組測序[41]鑒定出36個纖維素合酶基因, 其中有33個在莖皮中的表達遠高于其他組織。隨后[42]、、[43]和[44]也都被陸續報道在韌皮部或木質部表達參與次生細胞壁合成。對苧麻野生種和栽培種的轉錄組進行比較[45]發現, 高纖維素含量品種的馴化可能與基因的正向選擇有關。相關的基因在苧麻基因組[10]中也被注釋為與纖維產量的相關基因。對木質素含量的遺傳基礎進行分析發現[46], 3個位于木質素含量QTL區域的基因, 在纖維發育的2個不同階段都有不同的表達, 且它們分別編碼MYB蛋白、莽草酸羥基肉桂酰轉移酶和漆酶。Tang等[47]發現,、、、、和的表達量均與木質素含量成正比, 但苧麻4CL3重組蛋白在催化過程中以肉桂酸為底物, 因此對木質素合成有負調控作用, 推測苧麻主要參與苧麻黃酮類化合物的合成,主要參與木質素的合成。探索與對調控苧麻纖維次生細胞壁發育的作用發現[48],和過表達能夠上調苧麻次生壁發育關鍵基因的表達量, 從而導致次生壁纖維的生物合成增加;有可能直接參與細胞程序性死亡調控次生細胞壁發育, 而可能在苧麻纖維成熟中發揮重要作用。對不同區段的莖皮進行轉錄組測序[49]發現, 乙烯和赤霉素可能參與的苧麻韌皮纖維組織發育, 這說明研究調控苧麻纖維發育的相關基因可以間接從乙烯和赤霉素合成酶入手。

2.3.2 苧麻非生物脅迫響應基因 非生物脅迫嚴重影響苧麻的產量與品質?；谄r麻轉錄組, 篩選出8個WRKY轉錄因子, 與其他作物已報道的10個具有抗旱功能的WRKY轉錄因子對比, 推斷這個8個WRKY轉錄因子也可能參與苧麻干旱脅迫響應[50]。[51]、[52]和[53]也被證實響應苧麻ABA、干旱和高鹽逆境脅迫, 將苧麻基因轉入煙草發現, 其顯著提高轉基因植株的生物量和氮利用效率[54], 從而減輕外界非生物脅迫。[55]、[56]、[57]和[58]也都被陸續報道出能響應重金屬鎘脅迫。此外, Chen等[59]發現73個miRNA, 它們介導苧麻對重金屬鎘脅迫的響應。

2.3.3 苧麻特異性狀相關基因 苧麻是一個雜種優勢利用率較高的作物, 對苧麻育性相關基因的挖掘能為其雄性不育機理研究奠定基礎。目前已經報道出的與苧麻育性相關的基因有[60]、和[61]。

2.4 亞麻重要應用價值基因挖掘

2.4.1 亞麻纖維發育相關基因 亞麻纖維中纖維素含量高于黃麻, 木質素含量遠低于黃麻, 纖維品質優于黃麻。基于亞麻基因組信息, 鑒定出32個與亞麻纖維發育相關的候選基因, 其中16個編碼纖維素合成酶(CesA), 16個編碼纖維素合成酶類蛋白(Csl)[62], 利用VIGS沉默這些基因后, 韌皮纖維的數量和結構受到了嚴重的影響[63]。亞麻纖維素生物合成的調節涉及的表達調控、胞質中纖維素合酶復合體的裝配、纖維素的沉積等多個方面, 但對Csl蛋白的功能尚不清楚[64], 而基因的轉錄水平主要依賴于產生的蛋白質的功能亞類和植物發育階段[65]。對亞麻不同莖段的轉錄組分析顯示[66], 在次生細胞壁形成的晚期韌皮纖維中(莖底部區域), 編碼金屬硫蛋白、脂質轉移蛋白以及參與蛋白質合成/翻譯和泛素介導降解的候選基因表達量增加; 與頂桿區相比, 分化后期的韌皮纖維中有156個基因上調, 其中有與細胞壁相關的基因; 與其他莖段相比, 參與次生細胞壁沉積的轉錄因子在韌皮纖維中的表達減少。除以上基因家族外,基因主要參與S-木質素的生物合成, 轉基因植物在活性被抑制時, 木質素含量減少[67];基因表達量與亞麻纖維拉力強度成正比[68]; Ca2+信號通路通過對基因的轉錄調控, 在木質素生物合成的ABA調控中起著至關重要的作用, 而是該調控的關鍵調節因子[68];通過與啟動子中的W-box結合, 在響應ABA和尖孢鐮刀菌誘導的木質素生物合成中發揮調節作用[69]。

2.4.2 亞麻非生物脅迫響應基因 亞麻基因組測序完成為全基因組水平分析非生物脅迫響應基因提供了前提條件。在亞麻全基因組中共找到137個類抗病基因[70], 34個基因響應高溫脅迫[71]。轉錄組測序發現[72],和基因家族在亞麻對土壤營養脅迫的響應中起著重要的作用,基因產物可能通過Ca2+介導的胞內調節參與了亞麻對高酸性、高Al3+濃度的響應[73], MADS-box和NAC轉錄因子參與調節植物生長發育和參與亞麻耐鋁性細胞壁修飾的酶[74]。干旱脅迫對亞麻產量和油質量的影響主要表現在生育期, 選擇性掃描發現了與脫落酸途徑、生長素信號、Ca2+信號、光合作用調節和干旱應答轉錄因子有關的各種基因[75]。亞麻銹病感染轉錄組[76]揭示6個基因(、、、、()和)參與了亞麻抵御銹病感染, 在感染早期表達量達到一個峰值, 隨著孢子形成逐漸下降。

2.4.3 亞麻特異性狀相關基因 籽用亞麻種子含油量一般為30%~45%, 早在史前時代就被作為油料作物種植。對亞麻未成熟胚中磷脂酶基因家族的轉錄組學分析[77]發現, PLA2在亞麻中主要參與甘油磷脂代謝途徑和醚酯代謝途徑; PLC除參與甘油磷脂代謝和醚酯代謝之外, 還在肌醇磷酸代謝途徑中發揮重要作用。在TAG合成途徑中發現7個關鍵基因, 其中、和基因的動態表達模式與含油量的動態積累模式顯著正相關,的動態表達模式與亞麻酸的動態積累模式顯著正相關, 且在高油高亞麻酸材料的種子動態發育階段中基因的累積表達量也顯著高于低油低亞麻酸材料, 因此可能是影響籽用亞麻(胡麻)不同品種(系)中含油量和亞麻酸含量的關鍵基因[78]。全基因組關聯分析和結合轉錄組測序[79], 篩選出10個候選基因, 其中6個基因參與了重要的脂肪酸代謝途徑, 其中一些基因還具有上下游調節關系。對不同亞麻酸含量的亞麻品種進行不同時期的品質測定發現,、和這3個基因參與不飽和脂肪酸積累過程。

2.5 工業大麻重要應用價值基因挖掘

2.5.1 工業大麻纖維發育相關基因 工業大麻是一種多用途作物, 韌皮纖維主要用于紡織和生物復合工業。其下胚軸有一個主動伸長, 然后變厚形成初生和次生韌皮纖維的階段, 因此工業大麻是研究二次生長過程的合適模型[80]。工業大麻下胚軸的二次生長與轉錄因子NST1、MYB46和WLIM1的上調有關[80-83]。韌皮纖維的伸長依賴于XTH的活性, 如和, 這些基因在伸長的大麻下胚軸中表達較多[80]。家族中參與纖維素生物合成的2個基因和, 以及次生細胞壁纖維素合成酶基因(、和)在二次生長的下胚軸中均有較高表達量[80]。和在工業大麻二次生長的下胚軸中表達量高, 此時初生和次生韌皮纖維都存在[80]。已知基因家族會影響植物細胞壁中纖維素、阿拉伯糖和半乳糖的含量, 因此也可能有助于確定韌皮纖維細胞壁的組成[84]。RNA-Seq分析發現[80], 在下胚軸二次生長過程中涉及到葡萄糖醛酸苷生物合成的幾個基因的上調, 特別是涉及到主干延伸(、、和)、主干乙?；?、)和取代基甲基化()有關的基因。

2.5.2 工業大麻特異性狀相關基因 工業大麻雖然是一種纖維作物, 但大麻素作為工業大麻所特有的一類次生代謝產物, 在抗腫瘤、神經系統保護、免疫調節和抗炎抗氧化等方面具有重要的藥用價值[85], 因此工業大麻作為藥用植物也有很大的前景。工業大麻全基因組測序[13]鑒定出2個參與調控大麻素合成途徑的基因和, 此外還鑒定出23個編碼大麻素原酸(CBCA)形成的候選基因, 其中4個基因命名為~。在MEP和GPP途徑后端的酶基因、、、和(lsu)表達量和大麻素含量呈現顯著正相關, 在大麻素合成途徑中、和3個大麻中特有的酶基因主要在始果期苞片腺毛中對大麻素合成積累起著關鍵作用[86]。不同工業大麻品種的腺毛轉錄組分析, 鑒定出之前從未報道過的編碼活性酶的基因,和編碼橙花醇/芳樟醇合成酶,編碼大根香葉烯B合酶和編碼四甲基環癸二烯甲醇合酶[87]。大麻聚酮合酶()是催化大麻素生物合成的第一步, 有研究發現, 啤酒花衍生的轉錄因子和番茄濃密矮化病毒(TBSV)p19共同參與了基因啟動子的激活[88]。Laverty等[89]利用藥用大麻和毒品大麻雜交群體構建遺傳圖譜發現, 大麻素的生物合成基因是不連鎖的, 但產生THCA和CBDA合成酶底物的芳香族丙烯酰胺轉移酶(AP)與已知的大麻素含量標記緊密連鎖, 這為在大麻中如何產生大麻素提供了不同見解。

大麻作為雌雄異株植物, 性染色體進化是其又一特異性狀。Prentout等[90]在大麻中發現了超過500個性連鎖基因, 將這些性連鎖基因定位到大麻基因組組合中, 其中有363個在1號染色體, 并且發現有1對染色體具有較大的非重組區, 進一步分析發現, 大麻具有一個強烈退化的Y染色體, 是迄今為止最古老的植物性染色體系統, 這有助于工業大麻性染色體鑒定和性別基因定位。

長期不活動將導致骨骼肌的丟失、體弱、酸血癥、胰島素抵抗及血栓形成等并發癥，并將導致工作能力的下降。早期活動可以減少胸部并發癥及減少不活動引起的胰島素抵抗；聯合早期下床活動及營養支持，將改善肌肉強度。研究發現，術后早期活動與ERAS的成功與否顯著相關[2]。相反，術后第1天不能早期下床活動，可能是由于鎮痛不足、持續的靜脈輸液、留置盆腔引流管、患者的動力及合并疾病等因素所導致。有研究發現，不能下床活動是影響ERAS依從性及延長住院時間重要因素之一。

3 基于基因組學的麻類作物遺傳改良

3.1 我國麻類作物品種改良歷程

主要麻類作物在我國均擁有悠久的種植歷史, 其品種改良大致經歷了以下4個階段: 第1階段是地方種的搜集鑒定及引種利用。在此階段不僅大量豐富了種質資源類型, 而且鑒定出一批具有優良性狀的材料, 如黃麻品種D154和翠綠等。第2階段是雜交育種或回交選育等常規育種方法選育優良種質。此階段是利用第1階段所得到的優異種質為基礎材料進行育種工作, 在此階段利用雜交與誘變育種相結合, 選育出一大批高纖維產量和高含油量的亞麻品種, 如黑亞2號和亞寧1號等。第3階段為高產、優質、多抗育種階段。在此之前由于長期使用少數幾個性狀優異的骨干材料作為親本, 使麻類作物品種遺傳基礎狹窄, 導致作物平均單產和品質的降低以及病蟲害的發生, 如: 亞麻枯萎病和紅麻炭疽病, 因此育種家們在此階段選育出一批高產、優質、多抗育種的新品種。第4階段為優質高產專用新品種選育和現代生物技術輔助育種階段。由于常規育種在進一步提高產量、品質和抗性等方面的局限性逐步顯現, 且很難滿足市場需求的優質專用種質培育, 與此同時現代生物技術快速發展, 利用生物技術輔助育種越來越受到重視, 因此麻類作物已經由單一的纖維用新品種選育向多用途、專用型新品種選育發展, 如亞麻輪選1號和天亞7號等, 紅麻福紅2號和福紅992等?？梢? 我國主要麻類作物的育種方法正在從常規育種轉變為常規育種結合現代生物技術輔助育種方法, 而育種目標也在從高產轉變為優質抗病高產并重, 逐步過渡到為了適用多用途而進行專用型品種的選育。其遺傳改良已經從一個完全基于表型的過程, 在某種程度上轉變為越來越依賴基于基因型的選擇。這得益于基因組學革命極大地提高了我們對作物基因組的理解, 使得現代育種家可以更加關注一個新的時代, 即基于基因組測序的作物遺傳改良。

3.2 麻類作物育種技術的變遷

我國麻類作物育種工作開始于農家品種選育及外來優異種質引進結合常規育種手段, 如雜交育種、誘變育種等, 選育出性狀優良種質。隨著生物技術的高速發展, 常規育種手段結合現代生物技術的育種方法成了麻類作物的主流育種技術。較常見的3種基于生物技術的育種方法有, 一是分子標記輔助育種 (molecular marker assisted breeding, MAS)[91], 目前常用的分子標記有簡單重復序列(simple sequence repeat, SSR)和單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphism, SNP)等。這些分子標記在麻類作物中主要應用于物種演化及親緣關系研究[92]、群體多樣性研究[93]、標記輔助選擇[94]和遺傳圖譜構建[95]等。

另一種是利用全基因組選擇(genomic selection, GS)[96-97], 即利用所有可用的標記進行育種值的預測。在GS中, 所有的位點、單倍型和標記效應都是在整個基因組水平上進行估計的, 根據已知的表型和基因型數據, 以計算代表性群體中每個個體的基因組估計育種值(genome estimation breeding values, GEBVs)。連鎖不平衡(linkage disequilibrium, LD)在GS方法使用中是一個非常重要的參數[97], 對于LD衰減速率快的物種, 利用沒有親緣關系的自然群體, 可以使用數量較多的標記可以在不降低檢測能力的前提下篩選出用于雜交育種的親本選擇。目前全基因選擇育種已經廣泛應用于模式作物育種, 玉米[98]和水稻[99]等糧食作物育種中有了較深入的研究, 但在麻類作物上還鮮有報道。全基因組選擇育種研究在麻類作物遺傳改良中正處于起步階段, 隨著基因型分析成本的降低和統計方法的發展, 基因組選擇將會逐步完善, 加快我國麻類作物育種發展的步伐[100]。

還有一種是利用基因編輯育種。隨著科學技術的進步, 被稱為上帝之手的基因編輯應用于遺傳改良, 已成為當今的作物遺傳改良研究熱點。序列特異性核酸酶, 包括鋅指核酸酶(zinc-finger nuclease, ZFN)和轉錄激活物樣效應核酸酶(transcription activator-like effector nuclease, TALEN)已被初步應用于真核生物中進行靶向基因組編輯[101]。另一種基于雙鏈斷裂的基因組編輯技術CRISPR/Cas9系統, 是在細菌和古菌群中利用規則間隔短回文重復序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR)自適應免疫系統的基礎上發展起來的[101], 它與ZFN和TALEN相比, 操作更簡單、精確度和效率也都更高。這種新技術目前已在麻類作物上有所應用, 如構建針對基因的敲除載體[102], 為進一步實現在亞麻植株體內對基因高效率的定點編輯, 以及CRISPR/Cas9 系統在亞麻基因組編輯中的應用提供參考。

3.3 下一代測序(NGS)技術對麻類作物遺傳改良帶來新的策略提供可能

在下一代測序(next generation sequencing, NGS)技術之前, 一個標準的遺傳連鎖圖譜是基于幾百個分子標記來構建[103]。NGS技術的發展與許多其他新技術相結合, 使得DNA測序具有高通量和成本低的特點[104], 麻類作物基因組測序完成為基于自然變異的正向遺傳學策略提供可能。目前SNP標記在主要麻類作物遺傳育種研究中的應用鮮有報道, 首個黃麻SNP連鎖圖譜用于對RIL群體是否抗莖腐病進行基因分型, 準確率高達91%[94]。這表明, NGS技術對麻類作物高密度遺傳圖譜構建和重要性狀定位以及標記輔助育種帶來新的策略。

隨著NGS技術的發展, 我們可以對麻類作物的不同品種進行深度重測序和全基因組從頭測序并進行等位基因變異分析, 通過序列比對找到了大量與重要性狀相關的SNP位點, 為品質改良和新品種選育帶來了新的科研方法, 加快了新品種的育種進程。在沒有參考基因組之前, 基于酶切的簡化基因組測序(restriction-site associated DNA sequencing, RAD-seq)[105]和基因分型測序(genotyping by sequencing, GBS)[106]被應用于植物中, 簡化基因組測序技術具有不依賴于基因組序列, 而進行高通量的SNP標記開發的優點。為了解亞麻銹病致病機制, 基于RAD-seq技術檢測到的SNP構建高密度遺傳圖譜, 檢測到2個新的致病基因, 提高了對該病原體致病機制的認識[107]; 亞麻[108]和苧麻[109]也都利用GBS技術構建了高密度遺傳圖譜, 分別定位了株高和纖維相關QTL。

3.4 麻類作物品種改良的發展趨勢

目前的麻類作物育種計劃仍是依賴于將分子標記選擇整合到常規育種方案中的表型選擇, 即常規育種與生物技術相結合。過去, 麻類作物的育種目標大多是高產優質的纖維品種培育。但隨著社會發展, 市場需求與產品多樣化對麻類育種工作者提出新的挑戰, 需要選育出高產高效、抗逆抗病、適宜輕簡化機械化、優質專用的多用途麻類作物新品種。

一是麻類纖維用途不能只是局限于紡織業。由于麻類纖維可自然降解, 因此以麻纖維為主要原料可制作環保型的包裝帶或可降解地膜等。麻類纖維具有纖維強力好的特點, 其地膜的抗拉強力大于普通地膜, 適宜機械鋪膜, 不僅能減少塑料薄膜導致的白色污染, 而且能減輕勞動強度和生產成本。麻纖維還能用于建筑或家飾板材等用途。近年來關于麻纖維復合材料的研究越來越多, 這是由于與玻璃纖維復合材料相比麻纖維復合材料具有密度低、隔音效果好、價格低和人體親和性好等優點。因此培育出更適合用于制作復合材料的新品種也是當下麻類作物育種的一大趨勢。

二是為了適應現代機械化, 麻類作物育種需要滿足輕簡栽培需要。直播和機械化等輕簡栽培技術能大大降低勞動成本, 目前已經成為水稻、玉米等作物的主流生產技術, 然而麻類作物想要適應輕簡栽培還需要克服易倒伏和麻稈易斷等問題。為滿足麻類作物適應現代機械化, 育種家們需要培育出莖稈粗壯、耐密植、抗倒伏能力強和高產優質抗病的麻類作物新品種。對于短日照喜溫類型麻類作物, 宜采取“南種北植”來延長其營養生長期, 提高纖維產量。

三是為了“不與糧爭好地”, 培育適合逆境農業的品種。麻類作物在貧瘠土壤的種植, 能具有更強的生產潛能, 這是棉花所不能比擬的, 培育適合逆境農業的新品種不僅僅是要求麻類作物能在不良環境下保持正常生長, 更要穩定的達到高產和優產的特點。因此, 麻類作物育種工作要更注重耐鹽堿、抗旱、重金屬吸附和抗病蟲等性能。

四是根據不同麻類作物特異性狀, 培育不同用途的專用品種。如菜用黃麻、高大麻二酚(CBD)大麻品種、籽用大麻和籽用亞麻等。福建農林大學針對福建春夏蔬菜淡季的缺口, 以中晚熟、高產、食用品質優、抗炭疽病為選育目標, 著力開展菜用黃麻新品種的選育, 最終選育出福農系列菜用黃麻, 主食嫩莖和幼葉, 口感極佳。大麻素作為大麻獨有的一類次生代謝物, 具有重要的醫用價值, 培育高CBD大麻品種將一直是大麻遺傳改良的重點方向, 這也是近年來大麻產業蓬勃發展的重要原因之一。亞麻籽油營養豐富, 不僅含α-亞麻酸這一人體所必須的脂肪酸, 而且亞油酸等不飽和脂肪酸含量高, 對皮膚具有優良的親和力和滲透力, 能用于護膚產品原料, 為滿足市場需求, 培育專用的籽用亞麻是亞麻育種工作必不可少的。

4 展望

從優良品種到地方品種和野生近緣種的種質資源, 將仍然是任何育種計劃的基礎。隨著麻類作物參考基因組測序完成, 如何高效挖掘這些麻類種質資源的遺傳變異和重要應用價值基因位點信息并應用到遺傳改良, 值得探索。NGS革命的第一個效果是降低每個測試數據的標記成本[104], 在瓊脂糖凝膠或毛細管測序儀上運行的SSRs或CAPS標記要比在高通量平臺上運行的SNPs昂貴得多。然后, 開發一種全基因組選擇的育種方法, 如GS[96], 正在成為可能; 并將有助于設計新的植物品種, 不僅應用于少數特定的農藝性狀, 而且應用于基因組中幾乎所有的基因位點; 以一種成本合理和相對快速的方式, 有望給下一代育種做出顯著的貢獻。目前基因組選擇育種只是在水稻和玉米等主要農作物中有所報道,若能將此育種方法應用于麻類作物, 必將加快麻類作物育種步伐。預計在不久的將來, NGS技術、生物信息學和表型自動化等方法在種質資源的遺傳多樣性中進一步應用。建立基于優異基因資源挖掘與種質創新的高通量基因型-表型數據庫, 創制種質資源管理和共享平臺。創新并集成分子標記輔助選擇、GS、轉基因等技術, 建立高效的快速育種技術體系, 將徹底改變麻類作物育種策略, 以實現更有效的遺傳改良。

麻類作物作為第五大作物群, 其遺傳改良越來越受益于基因組學的發展, 通過基因組學能發現一批已知位點與功能的基因資源, 從而解決育種親本貧乏和選擇效率低的問題, 同時還能供轉基因育種使用, 能大幅度推動主要麻類作物遺傳改良。但應該指出的是, 這些重要基因以及位點的信息絕大數是基于或依賴于模式植物的同源基因信息。麻類作物纖維相對于模式植物而言, 有其獨特之處。同樣地, 麻類作物響應各種非生物脅迫和氮肥等高效利用等方面也有其特異之處。以紅麻耐鹽堿為例, 耐鹽紅麻品種在400 mmol L-1的NaCl濃度下可正常生長。完成麻類作物參考基因組圖譜繪制, 采用正向和反向遺傳學策略挖掘麻類作物的纖維和重要性狀的作用機制值得關注, 可開展麻類作物種質資源形成和演化機制研究, 系統解析纖維產量、纖維品質、抗病耐逆等農藝性狀形成的分子基礎。主要麻類作物特異性狀的相關基因有所報道, 但功能基因鑒定仍較困難, 如工業大麻性別相關的基因, 這也與功能標記的缺乏有關。同時, 在利用這些基因進行麻類作物遺傳改良的過程中還面臨著遺傳轉化體系及其基因編輯體系構建等挑戰, 如在CRISPR-Cas9基因編輯系統中, 挖掘適用于特定麻類作物的內源U6啟動子并建立相應的基因編輯體系, 仍需要摸索與優化?？朔@些挑戰將能顯著提高主要麻類作物遺傳改良效率。

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附圖1 基于葉綠體基因組序列的圓果種黃麻和長果種黃麻與錦葵科植物的系統發育關系

Fig. S1 Phylogenetic relationship ofandwith species of the Malvaceae family based on the chloroplast genome sequences

附表1 主要麻類作物纖維發育候選基因信息

Table S1 Information of candidate genes for fiber development in main bast fiber crops

(續附表1)

基因Gene作物Crop功能或表型Function or phenotype文獻Reference bZIP亞麻 Flax參與莖底部區域次生細胞壁沉積Involved in the deposition of secondary cell wall at the bottom of stem[66] C3H紅麻 Kenaf參與木質素生物合成Involved in lignin biosynthesis[24] C4H紅麻, 苧麻 Kenaf, ramie參與木質素生物合成Involved in lignin biosynthesis[8, 47] CAD黃麻, 紅麻, 苧麻 Jute, kenaf, ramie參與纖維素生物合成Involved in cellulose biosynthesis[19, 24, 47] CCR黃麻, 紅麻 Jute, kenaf參與木質素生物合成Involved in lignin biosynthesis[6, 8, 20] CCoAOMT黃麻,紅麻,苧麻 Jute, kenaf, ramie參與木質素生物合成Involved in lignin biosynthesis[6, 24, 47] CesA亞麻 Flax沉默后, 韌皮纖維的數量和結構受到了嚴重的影響 The quantity and structure of phloem fibers were seriously affected after silencing[62–63] CesA1紅麻, 苧麻 Kenaf, ramie參與初生細胞壁的纖維素沉積 Involved in cellulose deposition of primary cell wall[8, 42] CesA2苧麻 Ramie參與木質素生物合成Involved in lignin biosynthesis[43] CesA3紅麻, 苧麻 Kenaf, ramie參與初生細胞壁的纖維素沉積 Involved in cellulose deposition of primary cell wall[8, 43] CesA4黃麻, 紅麻, 苧麻, 工業大麻 Jute, kenaf, ramie, hemp參與次生細胞壁中纖維素沉積 Involved in cellulose deposition in secondary cell wall[6, 8, 44, 80] CesA6紅麻 Kenaf參與初生細胞壁的纖維素沉積 Involved in cellulose deposition of primary cell wall[8] CesA7黃麻, 紅麻, 工業大麻 Jute, kenaf, hemp協調木聚糖型S層的沉積 Coordinating the S-layers deposition in the xylan-type[8, 19, 80] CesA8紅麻, 工業大麻 Kenaf, hemp參與次生細胞壁中纖維素沉積 Involved in cellulose deposition in secondary cell wall[8, 80] CML15b亞麻 FlaxPLR1基因轉錄調控的關鍵因子 Key factors for transcription regulation of PLR1 gene[68] COB工業大麻 Hemp在次級生長的下胚軸中有較高表達量 Highly expressed in hypocotyls undergoing secondary growth[80] COBL4工業大麻 Hemp在次級生長的下胚軸中有較高表達量 Highly expressed in hypocotyls undergoing secondary growth[80] COMT黃麻, 紅麻, 亞麻 Jute, kenaf, flax參與木質素生物合成Involved in lignin biosynthesis[6, 8, 20, 24, 67] CSL黃麻, 紅麻, 亞麻 Jute, kenaf, flax參與纖維素生物合成Involved in cellulose biosynthesis[8, 17, 62] F5H紅麻, 苧麻 Kenaf, ramie參與木質素生物合成Involved in lignin biosynthesis[8, 24, 47] FLA6黃麻 Jute協調木聚糖型S層的沉積 Coordinating the S-layers deposition in the xylan-type[19] FLA11工業大麻 Hemp影響植物細胞壁中纖維素、阿拉伯糖和半乳糖的含量 Impact cellulose, arabinose and galactose content in plant cell walls[80, 82] FLA12工業大麻 Hemp影響植物細胞壁中纖維素、阿拉伯糖和半乳糖的含量 Impact cellulose, arabinose and galactose content in plant cell walls[80, 82] G2-like亞麻 Flax參與莖底部區域次生細胞壁沉積 Involved in the deposition of secondary cell wall at the bottom of stem[66] GRAS亞麻 Flax分支數候選基因Candidate gene for the number of branches[112]

(續附表1)

(續附表1)

基因Gene作物Crop功能或表型Function or phenotype文獻Reference TDIF紅麻 Kenaf參與纖維形成 Involved in fiber formation[8] TOUCH4工業大麻 Hemp將木葡聚糖靶向于次生細胞壁S1層的初生-次生細胞壁交界Participate in the targeting of xyloglucan to the primary- secondary cell wall junction in the secondary cell wall S1 layer[80] UGPase黃麻 Jute參與纖維素生物合成 Involved in cellulose biosynthesis[17] UGT亞麻 Flax株高候選基因 Candidate gene for plant height[112] WAT1苧麻 Ramie高纖維品種馴化中的受選擇基因Selection of highly domesticated fiber varieties[45] WLIM1工業大麻 Hemp捆綁肌動蛋白絲來促進纖維的延伸, 與PAL-box結合來促進木質素生物合成基因的木質化 Fibre extension by bundling the actin filament but also fibre lignification by promoting the lignin/lignin-like biosynthetic genes via binding to the PAL-box[80, 83] WOX4黃麻, 紅麻 Jute, kenaf參與纖維素生物合成Involved in cellulose biosynthesis[6, 8] WRKY黃麻 Jute纖維改良 Fiber improvement[20] WRKY36亞麻 Flax通過與PLR1啟動子中的W-box結合, 參與木質素生物合成Involved in lignin biosynthesis by binding with W-box in PLR1 promoter[69] XTH亞麻 Flax分支數候選基因Candidate gene for the number of branches[112] XTH5工業大麻 Hemp韌皮纖維的伸長依賴于XTH的活性Bast fibre extension depends on the activities of XTH[80] XTH8工業大麻 Hemp韌皮纖維的伸長依賴于XTH的活性 Bast fibre extension depends on the activities of XTH[80] XTH15工業大麻 Hemp在二次生長的較老大麻下胚軸中表達較多 More expressed in the elongating hemp hypocotyl[80] XTH22工業大麻 Hemp在二次生長的較老大麻下胚軸中表達較多 More expressed in the elongating hemp hypocotyl[80]

附表2 主要麻類作物響應非生物脅迫候選基因信息

Table S2 Information of candidate genes for abiotic stress response in main bast fiber crops

(續附表2)

基因Gene作物Crop功能或表型Function or phenotype文獻Reference AvrL2亞麻 Flax抵御銹病感染 Resist rust infection[76, 107] AvrL567亞麻 Flax抵御銹病感染 Resist rust infection[76] AvrM14亞麻 Flax抵御銹病感染 Resist rust infection[76, 107] AvrP123亞麻 Flax抵御銹病感染 Resist rust infection[76] AvrP4亞麻 Flax抵御銹病感染 Resist rust infection[76] AvrM亞麻Flax抵御銹病感染 Resist rust infection[76] B-ARR黃麻 Jute通過細胞分裂素途徑響應鹽脅迫Response to salt stress through cytokinin pathway[21] bHLH紅麻 Kenaf在鹽脅迫轉錄組中檢測到的差異表達因子Differential expression factors detected in transcriptome under salt stress[27] bZIP紅麻, 苧麻 Kenaf, ramie響應干旱和高鹽逆境脅迫Response to drought and high salt stress[27, 52] CAX3亞麻 Flax基因產物可能通過Ca2+介導的胞內調節參與了亞麻對高酸性、高Al3+濃度的響應Gene product may be involved in the response of flax to high acidity and high Al3+ concentration through Ca2+ mediated intracellular regulation[73] CCAAT黃麻 Jute在鹽脅迫轉錄組中檢測到的差異表達因子Differential expression factors detected in transcriptome under salt stress[21] CRE1黃麻 Jute通過細胞分裂素途徑響應鹽脅迫Response to salt stress through cytokinin pathway[21] G6PDH1苧麻 Ramie響應重金屬鎘脅迫 Response to cadmium stress[57] GS2苧麻 Ramie轉基因煙草能提高生物產量和氮利用效率 Transgenic tobacco can improve biomass and nitrogen utilization[54] HB黃麻 Jute在鹽脅迫轉錄組中檢測到的差異表達因子Differential expression factors detected in transcriptome under salt stress[21] HDA2紅麻 Kenaf鹽脅迫和干旱脅迫的響應基因Response genes of salt and drought stress[30] HDA8紅麻 Kenaf鹽脅迫和干旱脅迫的響應基因Response genes of salt and drought stress[30] HDA9紅麻 Kenaf鹽脅迫和干旱脅迫的響應基因Response genes of salt and drought stress[30] HDA19紅麻 Kenaf鹽脅迫和干旱脅迫的響應基因Response genes of salt and drought stress[30] HHDA6紅麻 Kenaf鹽脅迫和干旱脅迫的響應基因Response genes of salt and drought stress[30] HSF黃麻 Jute在鹽脅迫轉錄組中檢測到的差異表達因子Differential expression factors detected in transcriptome under salt stress[21] HSF亞麻 Flax響應高溫脅迫 Response to high temperature stress[70] JAS亞麻 Flax響應土壤營養脅迫的響應 Response to soil nutrient stress[71] KCS黃麻 Jute轉基因增強了植株的抗旱性Transgene enhances plant drought resistance[23] MADS-box亞麻 Flax參與調節植物生長發育和參與耐鋁性細胞壁修飾的酶Enzymes involved in the regulation of plant growth and development and in the modification of aluminum resistant cell wall[74] MYB黃麻 Jute在鹽脅迫轉錄組中檢測到的差異表達因子Differential expression factors detected in transcriptome under salt stress[21] MYB83苧麻 Ramie響應重金屬鎘脅迫 Response to cadmium stress[56] NAC紅麻 Kenaf在鹽脅迫轉錄組中檢測到的差異表達因子Differential expression factors detected in transcriptome under salt stress[27]

(續附表2)

附表3 主要麻類作物特異性狀候選基因信息

Table S3 Information of candidate genes for specific traits in main bast fiber crops

(續附表3)

基因Gene作物Crop功能或表型Function or phenotype文獻Reference FAD3b亞麻 Flax參與不飽和脂肪酸積累Involved in the accumulation of unsaturated fatty acids[79] PHO1亞麻 Flax千粒重候選基因Candidate gene for the 1000-seed weight[112] AEE1工業大麻 Hemp參與調控大麻素合成途徑Involved in the regulation of cannabinoid synthesis pathway[13] OLS工業大麻 Hemp參與調控大麻素合成途徑Involved in the regulation of cannabinoid synthesis pathway[13, 86] THCAS-like1工業大麻 Hemp編碼大麻素原酸形成 Encodes cannabinoid acid formation[13] THCAS-like2工業大麻 Hemp編碼大麻素原酸形成 Encodes cannabinoid acid formation[13] THCAS-like3工業大麻 Hemp編碼大麻素原酸形成 Encodes cannabinoid acid formation[13] THCAS-like4工業大麻 Hemp編碼大麻素原酸形成 Encodes cannabinoid acid formation[13] CMK工業大麻 Hemp表達量和大麻素含量呈現顯著正相關 The expression level was positively correlated with cannabinoid content[86] MDS工業大麻 Hemp表達量和大麻素含量呈現顯著正相關 The expression level was positively correlated with cannabinoid content[86] HDS工業大麻 Hemp表達量和大麻素含量呈現顯著正相關 The expression level was positively correlated with cannabinoid content[86] HDR工業大麻 Hemp表達量和大麻素含量呈現顯著正相關 The expression level was positively correlated with cannabinoid content[86] GPP(lsu)工業大麻 Hemp表達量和大麻素含量呈現顯著正相關 The expression level was positively correlated with cannabinoid content[86] PT工業大麻 Hemp在始果期苞片腺毛中對大麻素合成積累起著關鍵作用 Played key roles in the biosynthesis and accumulation of cannabinoids in the glandular hairs of bract at initial-fruiting stage[86] THCAS工業大麻 Hemp在始果期苞片腺毛中對大麻素合成積累起著關鍵作用 Played key roles in the biosynthesis and accumulation of cannabinoids in the glandular hairs of bract at initial-fruiting stage[86] TPS18VF工業大麻 Hemp編碼橙花醇/芳樟醇合成酶 Nerolidol/linalool synthases[87] TPS19BL工業大麻 Hemp編碼橙花醇/芳樟醇合成酶Nerolidol/linalool synthases[87] TPS16CC工業大麻 Hemp編碼大根香葉烯B合酶Germacrene B synthase[87] TPS20CT工業大麻 Hemp編碼四甲基環癸二烯甲醇合酶 Hedycaryol synthase[87]

Genomics and genetic improvement in main bast fiber crops: advances and perspectives

XU Yi1,2,3, ZHANG Li-Lan1,2,3, QI Jian-Min1,2, ZHANG Lie-Mei1, and ZHANG Li-Wu1,2,3,*

1Key Laboratory of Ministry of Education for Genetics, Breeding and Multiple Utilization of Crops / Fujian Key Laboratory for Crop Breeding by Design / College of Agriculture, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, Fujian, China;2Experiment Station of Jute and Kenaf in Southeast China, Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Public Platform of Fujian for Germplasm Resources of Bast Fiber Crops / Fujian International Science and Technology Cooperation Base for Genetics, Breeding and Multiple Utilization Development of Southern Economic Crops, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, Fujian, China;3Center for Genomics and Biotechnology, Haixia Institute of Science and Technology, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, Fujian, China

With the development of sequencing technology, main bast fiber crops (jute, kenaf, ramie, flax, and hemp) have completed genome sequencing from 2011 to 2020, which marks that the science of bast fiber crops has entered the era of genome. Firstly, this paper reviews the genome sequencing of bast fiber crops. Secondly, the important gene identification of bast fiber crops is also reported. Based on reference genome and transcriptome sequencing, a large number of candidate genes related to fiber development and response to abiotic stress have been detected, corresponding to the species characteristics of bast fiber and the adversity agriculture of “not competing with food”. Meanwhile, candidate genes for specific bast fiber crops have also been identified, such as male fertility in kenaf, seed oil content in flax, cannabinoid related candidate genes. Thirdly, the completion of bast fiber crop genome sequencing provides the possibility of omics-based genetic improvement, which will facilitate to study the formation of bast fiber and evolution mechanisms of bast fiber crop germplasms and systematically analyze the molecular basis for the formation of agronomic traits such as fiber yield, fiber quality, disease resistance, and stress tolerance. Also, it will facilitate to establish a high-throughput genotype-phenotype database, mine excellent gene resources, and create new germplasm. Moreover, it will facilitate to establish efficient rapid breeding technology systems by the innovation and combination of molecular marker-assisted selection, genome selection, transgenic technology and so on. To meet the market demand particularly bast fiber crop-related industries and adapt to the production model of bast fiber crops, we should breed new bast fiber crop varieties with high yield, high efficiency, stress resistance, disease resistance, suitable for light simplification and mechanization cultivation, high quality, and special purpose. Although the important information of gene resources and loci has been obtained from the reference genomes, there are still a series of challenges that how to utilize the existing resources efficiently for genetic improvement of bast fiber crops, such as stable and efficient genetic transformation system, construction of gene editing system, and genome selection breeding.

major bast fiber crops; genome; gene; genetic improvement

10.3724/SP.J.1006.2021.04121

本研究由國家自然科學基金項目(31771369, 31972968)和國家現代農業產業技術體系建設專項(CARS-19-E06)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31771369, 31972968) and the China Agriculture Research System (CARS-19-E06).

張立武, E-mail: lwzhang@fafu.edu.cn; zhang_liwu@hotmail.com

E-mail: 1275924118@qq.com

2020-05-01;

2021-01-11;

2021-01-25.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20210125.1444.002.html