分子育種及其在海帶育種中的研究進(jìn)展

劉福利, 王飛久, 孫修濤, 汪文俊, 梁洲瑞

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 黃海水產(chǎn)研究所, 山東青島 266071)

分子育種及其在海帶育種中的研究進(jìn)展

Molecular breeding and its research advances and prospects inLaminaria japonicabreeding

劉福利, 王飛久, 孫修濤, 汪文俊, 梁洲瑞

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 黃海水產(chǎn)研究所, 山東青島 266071)

海帶是一種重要的大型經(jīng)濟(jì)海藻, 具有重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價值。我國海帶大規(guī)模人工養(yǎng)殖始于 20世紀(jì) 50年代, 經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展, 現(xiàn)已形成了較為成熟的養(yǎng)殖技術(shù)體系和較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈。目前, 我國海帶養(yǎng)殖面積約 37 625 ha, 養(yǎng)殖產(chǎn)量約827 965t, 占海藻總產(chǎn)量的60%左右, 產(chǎn)量、規(guī)模位居世界第一[1]。品種決定著養(yǎng)殖海帶的產(chǎn)量和質(zhì)量,是海帶養(yǎng)殖及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提, 良種培育是海帶科技工作者的核心任務(wù),貫穿養(yǎng)殖、加工和銷售整個海帶產(chǎn)業(yè)鏈。應(yīng)用傳統(tǒng)的育種方法如基于群體水平的選擇育種、雜交育種等, 培育出了一系列的優(yōu)良品系或品種, 推動了我國海帶養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。然而, 傳統(tǒng)海帶育種也存在一些不足。首先, 由于海帶經(jīng)濟(jì)性狀大多為微效多基因控制的數(shù)量性狀, 易受環(huán)境影響[2-5], 導(dǎo)致傳統(tǒng)的表型選擇效率較低; 其次, 由于海帶群體的雜合度較高[2], 為得到穩(wěn)定遺傳的純合系需要多代自交, 導(dǎo)致育種周期延長[6]。隨著海帶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展, 對良種的需要更為迫切和多元化, 不僅要求產(chǎn)量高、質(zhì)量優(yōu), 還要抗逆性高(耐高溫)、易于加工(葉片寬大、平直)、收獲期靈活可控(早熟和晚熟品種相搭配)等, 使得傳統(tǒng)育種方法已漸漸不能滿足海帶產(chǎn)業(yè)的良種需求。近20年來, 隨著分子生物學(xué)和基因組學(xué)等新興學(xué)科的飛速發(fā)展, 使育種理論和技術(shù)發(fā)生了重大變革, 分子育種應(yīng)運而生。分子育種即在經(jīng)典遺傳學(xué)和分子生物學(xué)等理論指導(dǎo)下, 將現(xiàn)代生物技術(shù)手段整合于傳統(tǒng)育種方法中, 將表現(xiàn)型和基因型選擇有機結(jié)合, 從而實現(xiàn)基因的選擇、轉(zhuǎn)移和聚合, 大幅度提高育種效率, 縮短育種周期, 在提高產(chǎn)量、改善品質(zhì)、增強抗性等方面已顯示出巨大潛力, 是一種嶄新的遺傳改良的理論和方法體系, 已成為現(xiàn)代育種的主流方向。

本文將簡單介紹分子育種的概念、內(nèi)涵及主要內(nèi)容, 綜述當(dāng)前海帶分子育種領(lǐng)域的研究進(jìn)展、存在的問題, 指出海帶下一步的研究重點和方向, 最后展望分子育種在海帶遺傳育種中的應(yīng)用前景。

1 分子育種概述

分子育種(Molecular breeding)是分子生物學(xué)與傳統(tǒng)育種學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的嶄新育種理論和方法體系。它在經(jīng)典遺傳學(xué)和分子生物學(xué)等理論指導(dǎo)下, 將現(xiàn)代生物技術(shù)手段整合于傳統(tǒng)育種方法中, 在人為設(shè)計和操控下, 或通過標(biāo)記輔助選育, 或通過轉(zhuǎn)基因手段, 實現(xiàn)優(yōu)良基因轉(zhuǎn)移和聚合, 得到優(yōu)良基因型組合, 從而培育出優(yōu)良新品種[7]。一般認(rèn)為, 分子育種包括分子標(biāo)記輔助選擇育種、轉(zhuǎn)基因育種和分子設(shè)計育種三個方面, 其中分子標(biāo)記輔助選擇和轉(zhuǎn)基因育種是分子育種的兩大基本模塊, 分子設(shè)計育種將分子標(biāo)記輔助選擇和轉(zhuǎn)基因育種有機結(jié)合, 是分子育種的高級階段, 三者共同構(gòu)成了分子育種的完整體系。

1.1 分子標(biāo)記輔助選擇

借助分子標(biāo)記對目標(biāo)性狀基因型直接選擇的方法稱為分子標(biāo)記輔助選擇(Molecular Assisted Selection, MAS), 包括對目標(biāo)基因的選擇即前景選擇(Foreground selection)或稱正向選擇和對遺傳背景的選擇(Background selection)也稱負(fù)向選擇[8]。分子標(biāo)記輔助選擇是一種新的遺傳改良方法, 主要是利用分子標(biāo)記與需要改良的目的基因緊密連鎖或共分離的關(guān)系, 用標(biāo)記對育種材料進(jìn)行目標(biāo)基因組區(qū)域選擇, 同時對全基因組進(jìn)行篩選, 大大提高選擇的精度, 從而提高選擇育種效率。目前, 分子標(biāo)記輔助選擇育種主要應(yīng)用于質(zhì)量性狀, 涉及的基因多為單基因或少數(shù)幾個基因[9]。對于數(shù)量性狀來說, 由于QTL表達(dá)常與環(huán)境和遺傳背景密切相關(guān), 當(dāng)前檢測到的QTL穩(wěn)定性差、精度不高, 降低了分子標(biāo)記輔助選擇育種的效率[10-11]。針對這個問題一些新的對策被提出, 例如, 利用近等基因系進(jìn)行育種[10], 或利用高代回交系同時進(jìn)行QTL分析和遺傳改良[12], 或用全基因組選擇技術(shù)(Genomic selection)來解決多基因控制的低遺傳力性狀的改良問題[13]。

1.2 轉(zhuǎn)基因育種

轉(zhuǎn)基因育種是根據(jù)育種目標(biāo), 將從供體生物中分離出的目的基因?qū)胧荏w作物中, 經(jīng)過篩選獲得穩(wěn)定表達(dá)的重組子, 并經(jīng)過田間實驗與大田選擇育成轉(zhuǎn)基因新品種。轉(zhuǎn)基因育種的優(yōu)點是可打破生殖隔離, 實現(xiàn)不同種間的遺傳物質(zhì)交流, 可對目標(biāo)性狀進(jìn)行定向變異和選擇, 從而提高選擇效率、加快育種進(jìn)程。目前, 多種農(nóng)作物或經(jīng)濟(jì)作物中已建立起成熟的遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)體系, 如農(nóng)桿菌介導(dǎo)法、花粉管通道法、基因槍法、超聲波介導(dǎo)法等等, 為外源基因的導(dǎo)入奠定了堅實基礎(chǔ)。自1983年獲得第一例轉(zhuǎn)基因植物至今, 主要農(nóng)作物轉(zhuǎn)基因研究取得了較大進(jìn)展,將一些與重要性狀如抗蟲、抗病、抗除草劑、抗逆、品質(zhì)改良、發(fā)育調(diào)控、營養(yǎng)吸收等外源基因轉(zhuǎn)入了主要農(nóng)作物。全球已有35科120種植物轉(zhuǎn)基因成功,目前已有30個國家先后批準(zhǔn)了3 000多例轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)入田間試驗, 所涉及的植物有 40多種, 主要是玉米、油菜、馬鈴薯、番茄、大豆和棉花, 其中有50多個農(nóng)作物轉(zhuǎn)基因的品種投入商業(yè)化生產(chǎn)[14]。盡管轉(zhuǎn)基因技術(shù)在應(yīng)用上存在安全性問題, 但值得肯定的是, 它是一項非常有用的生物技術(shù), 在作物育種方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

1.3 分子設(shè)計育種

分子設(shè)計育種的概念最早是由荷蘭科學(xué)家Peleman和van der Voort提出的[15]。它通過多種技術(shù)的集成與整合, 在育種家的田間試驗之前, 對育種程序中的各種因素進(jìn)行模擬、篩選和優(yōu)化, 確立目標(biāo)基因型及獲得目標(biāo)基因的手段和途徑(如最佳的親本選配, 后代選擇策略, 或轉(zhuǎn)基因體系), 提高育種過程中的預(yù)見性, 從而實現(xiàn)高效率育種。分子設(shè)計育種的核心是基于對控制作物各種重要經(jīng)濟(jì)性狀的主效基因或 QTL功能及其等位變異的深刻認(rèn)識, 需要找到育種目標(biāo)性狀的基因/QTL或其緊密連鎖標(biāo)記, 充分了解QTL位置、遺傳效應(yīng)、QTL之間的互作、QTL與環(huán)境之間的互作等信息, 需要綜合利用遺傳學(xué)、育種學(xué)、統(tǒng)計學(xué)、生理學(xué)和生物信息學(xué)等多方面信息和手段[16]。據(jù)此, 要開展作物分子設(shè)計育種必需具有以下基本條件：高密度遺傳圖譜和高效的分子標(biāo)記檢測技術(shù); 定位重要經(jīng)濟(jì)性狀的調(diào)控基因或 QTL并對其進(jìn)行遺傳解析; 建立并完善遺傳信息數(shù)據(jù)庫;開發(fā)并完善進(jìn)行作物設(shè)計育種模擬研究的統(tǒng)計分析方法及相關(guān)軟件; 掌握可用于設(shè)計育種的種質(zhì)資源與育種中間材料[16]?？傊? 作物分子設(shè)計育種是以基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和生物信息學(xué)等為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的一個綜合性的新興研究領(lǐng)域, 可大幅度提高育種效率, 縮短育種年限。盡管分子設(shè)計育種的概念已提出多年, 但其實質(zhì)性的研究工作才剛剛起步[17],當(dāng)前應(yīng)該大力加強這方面的基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)平臺建設(shè), 為真正實現(xiàn)分子設(shè)計育種的目標(biāo)提供理論與技術(shù)支撐。

2 海帶分子育種的研究進(jìn)展

2.1 海帶分子標(biāo)記輔助選育

分子標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用于海帶遺傳育種研究領(lǐng)域的時間較晚, 目前主要用于海帶群體遺傳學(xué)研究(如群體遺傳多樣性和遺傳結(jié)構(gòu)分析、親緣關(guān)系分析等)、種質(zhì)鑒定等方面, 也有少量應(yīng)用分子標(biāo)記對海帶進(jìn)行雜種優(yōu)勢預(yù)測、遺傳圖譜繪制及基因或QTL定位分析的研究報道。

(1)海帶分子群體遺傳學(xué)研究進(jìn)展。應(yīng)用不同的分子標(biāo)記, 分析評價海帶及其近緣種的群體遺傳多樣性和遺傳結(jié)構(gòu)的研究報道較多。夏鵬等[18]以海帶優(yōu)良品種“901”為材料在海帶中建立起RAPD技術(shù);He等[19]應(yīng)用RAPD技術(shù)分析了海帶、奧霍海帶和長海帶共18個配子體的遺傳多樣性。周志剛等[20]應(yīng)用同功酶和 RAPD技術(shù)對中國海區(qū)海帶不同栽培品系及長海帶的配子體無性繁殖系進(jìn)行了遺傳多樣性分析。Wang等[21]應(yīng)用ISSR標(biāo)記方法, 對10對海帶配子體的遺傳多樣性進(jìn)行了研究。另外 Shi等[22]、尚書等[23]、Li等[24]、石媛媛等[25]、張全勝等[26]、Shan等[27]、Bi[28]和汪文俊等[29]應(yīng)用RAPD,ISSR,SSR,AFLP和 ITS標(biāo)記技術(shù)對海帶及長海帶進(jìn)行了遺傳多樣性分析和系統(tǒng)進(jìn)化分析。這些工作研究了海帶種質(zhì)材料的遺傳信息, 為海帶遺傳育種打下了基礎(chǔ)。然而, 當(dāng)前海帶群體遺傳學(xué)分析主要是以養(yǎng)殖品種的配子體為研究對象, 少有海帶的近緣種和野生種的孢子體信息, 下一步的工作應(yīng)該將海帶的近緣種和不同野生類群納入海帶的種質(zhì)資源研究范疇, 整合分子水平上的數(shù)據(jù)和性狀表型數(shù)據(jù), 對海帶種質(zhì)和育種材料進(jìn)行綜合分析評價, 為海帶種質(zhì)資源的有效保護(hù)和高效利用奠定基礎(chǔ)。

(2)分子標(biāo)記在海帶種質(zhì)鑒定中的應(yīng)用。He等[19]應(yīng)用 RAPD技術(shù)評價了海帶種質(zhì); Wang等[30]運用RAPD分析技術(shù), 對33個海帶配子體進(jìn)行了種質(zhì)鑒定, 構(gòu)建了 33個配子體的指紋圖譜; 張全勝等[26]應(yīng)用 AFLP技術(shù)構(gòu)建了包括海帶、長海底、利尻海帶和掌狀海帶共 11個野生品系或品種的種質(zhì)指紋圖譜。海帶不同種質(zhì)材料的指紋圖譜構(gòu)建, 為它們在海帶種質(zhì)改良和品種培育高效利用奠定了基礎(chǔ)。

(3)應(yīng)用分子標(biāo)記預(yù)測海帶雜種優(yōu)勢。雜種優(yōu)勢(Heterosis)是指兩個遺傳組成不同的親本雜交產(chǎn)生的雜種在生活力、生長勢、適應(yīng)性、抗逆性和繁殖能力等方面優(yōu)于雙親的現(xiàn)象。雜種優(yōu)勢是生物界普遍存在的一種現(xiàn)象, 已經(jīng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上得到廣泛應(yīng)用。對雜種優(yōu)勢的預(yù)測一直是育種學(xué)的難題。傳統(tǒng)方法主要通過性狀的配合力分析和聚類分析進(jìn)行預(yù)測, 需要配合大量的雜交組合和大量繁瑣的田間性狀調(diào)查。用分子標(biāo)記的方法進(jìn)行雜種優(yōu)勢的預(yù)測, 并以此來選擇理想親本和輔助育種, 是解決上述問題的有效途徑[31-32]。在海帶中, Li等[32]利用微衛(wèi)星DNA標(biāo)記技術(shù)對27個配子體雜交親本進(jìn)行了遺傳相似性分析, 并對株長、株寬、株厚、株鮮質(zhì)量、株干質(zhì)量、產(chǎn)量雜種優(yōu)勢率與配子體親本之間的遺傳距離進(jìn)行了回歸分析。建立了配子體克隆親本遺傳相似度與雜種優(yōu)勢之間的量化關(guān)系, 用以預(yù)測雜交子代的雜種優(yōu)勢。利用該預(yù)測體系對可能產(chǎn)生優(yōu)勢的組合進(jìn)行了預(yù)測并在生產(chǎn)中驗證, 可減少親本配組的盲目性, 實現(xiàn)海上評價組合數(shù)的科學(xué)減量, 從而提高育種效率。

(4)海帶遺傳圖譜構(gòu)建的研究進(jìn)展。遺傳圖譜(genetic map)是指通過遺傳重組分析得到的基因或遺傳標(biāo)記在染色體上的線性排列順序圖。遺傳圖譜反映了遺傳標(biāo)記與少數(shù)功能基因之間的相對關(guān)系,它不僅是遺傳學(xué)研究的重要內(nèi)容,又是種質(zhì)資源、育種及基因克隆等許多應(yīng)用研究的理論依據(jù)和基礎(chǔ)。海帶的遺傳圖譜工作還剛剛起步。Li等[33]采用AFLP分子標(biāo)記對“長海帶×真海帶”雜交F1代群體60個個體進(jìn)行遺傳分析, 根據(jù)“雙向擬測交”策略分別構(gòu)建了長海帶和真海帶的遺傳連鎖圖譜。該圖譜是海帶的第一張遺傳連鎖圖譜, 定位了81個AFLP標(biāo)記,其平均標(biāo)記密度為 8 cM。Yang等[34]應(yīng)用 AFLP和SSR標(biāo)記, 以40個配子體克隆為作圖群體構(gòu)建了海帶雌、雄配子體的遺傳圖譜, 該遺傳圖譜的標(biāo)記密度為7.91 cM, 基因組覆蓋率為66%。Liu 等[35]利用海帶的兩個品系雜交后的 F2代為作圖群體(兩親本特征為：一個葉片寬而薄, 一個葉片長而窄), 構(gòu)建了一個包含 28個連鎖群的遺傳圖譜, 定位了 142個AFLP標(biāo)記, 標(biāo)記平均兼具為9.4 cM, 基因組覆蓋率為68.4%?？傮w來說, 雖然目前海帶遺傳作圖還存在作圖群體較小、飽和度和基因組覆蓋率較低等問題,但它們?yōu)楹Х肿訕?biāo)記連鎖圖譜的構(gòu)建做了有益的嘗試, 初步得到了海帶遺傳框架圖, 探討了海帶遺傳圖譜構(gòu)建中一些技術(shù)和理論問題, 為將來更高飽和度和基因組覆蓋率圖譜的構(gòu)建打下了基礎(chǔ)。

(5)海帶性狀相關(guān)基因或QTL定位和分析。所謂基因定位即確定基因在染色體上的位置和排列順序的過程。應(yīng)用分子標(biāo)記技術(shù)構(gòu)建遺傳連鎖圖譜, 并在圖譜基礎(chǔ)上通過連鎖分析確定基因的染色體座位,是基因定位的一種常用方法。在海帶中, Yang等[34]應(yīng)用 AFLP和 SSR標(biāo)記, 將海帶的性別看作一個標(biāo)記, 通過連鎖分析把可能控制海帶性別的基因定位到海帶遺傳圖譜的 LG2連鎖群上。Liu等[36]鑒定得到一個與海帶雌性配子體相連鎖的 SCAR標(biāo)記FRML-494, 并證明該標(biāo)記僅存于海帶雌配子體中,可用于海帶的雌、雄配子體鑒定。Liu等[37]應(yīng)用BSA法, 篩選出與海帶葉片長度連鎖的標(biāo)記 FL-569, 遺傳作圖和連鎖分析證明該標(biāo)記與控制海帶長度的主效 QTL相連鎖, 驗證結(jié)果表明該標(biāo)記對長葉片海帶的選擇成功率在 80%以上。Liu 等[38]在構(gòu)建遺傳圖譜的基礎(chǔ)上, 定位到3個與葉長相關(guān)的QTL、2個與葉寬相關(guān)的QTL。

總體來說, 海帶分子標(biāo)記輔助選擇育種還處于起步階段, 主要工作集中在育種群體材料的遺傳多樣性和遺傳結(jié)構(gòu)分析、親緣關(guān)系分析和種質(zhì)鑒定上,這些工作可對育種親本材料選擇提供參考信息。然而, 與目標(biāo)經(jīng)濟(jì)性狀緊密連鎖或共分離的分子標(biāo)記卻罕有報道, 而連鎖標(biāo)記是分子標(biāo)記輔助選擇的基礎(chǔ)和前提, 這就限制了分子標(biāo)記輔助選擇在海帶育種中的應(yīng)用。

2.2 海帶轉(zhuǎn)基因育種研究進(jìn)展

大型經(jīng)濟(jì)海藻轉(zhuǎn)基因育種研究始于 20世紀(jì) 90年代初, 研究內(nèi)容主要集中在載體組件(含啟動子、報告基因)篩選和載體構(gòu)建、有效轉(zhuǎn)化方法優(yōu)化和建立、轉(zhuǎn)化子的篩選(選擇標(biāo)記)、基因整合及表達(dá)的檢測、受體與植株再生途徑探索等方面。載體組件(含啟動子、報告基因)篩選和載體構(gòu)建方面, 一系列啟動子如CaMV 35S啟動子、SV40啟動子、FCP啟動子、AMT啟動子被證明可用作海帶基因工程載體的啟動子元件, 并且發(fā)現(xiàn)FCP啟動子與CaMV 35S啟動子的效率較高, 通過轉(zhuǎn)化海帶雌配子體, FCP啟動子-GUS基因能在孤雌生殖海帶中實現(xiàn)穩(wěn)定表達(dá)[39];一些報告基因如lacZ基因、gus基因、cat基因、bar基因等在海帶中被瞬間或穩(wěn)定表達(dá)[40]。在遺傳轉(zhuǎn)化方面, 海帶的轉(zhuǎn)化方法主要是采用基因槍法, 其基本原理是利用高壓氣體或火藥作驅(qū)動力, 將吸附或包裹有DNA的金粉微粒高速發(fā)射, 擊中并穿透受體的細(xì)胞壁及膜系統(tǒng), 達(dá)到導(dǎo)入外源DNA的目的。多年研究結(jié)果表明, 基因槍法對海帶組織切塊、雌配子體、雄配子體以及孢子體幼苗均有效, 而且未發(fā)現(xiàn)粒子轟擊對雌配子體孤雌生殖有抑制作用[41-43]; 另外,病毒可作為褐藻基因工程的載體, 為褐藻基因工程提供了新途徑[44]。在轉(zhuǎn)化子篩選方面, 建立起了采用氯霉素-cat基因的選擇系統(tǒng)。受體與植株再生途徑探索方面, 目前大型海藻原生質(zhì)體和愈傷組織再生方法尚不穩(wěn)定, 可借助海帶自身異型世代交替生活史的特點, 將單倍的配子體作為轉(zhuǎn)化對象, 轉(zhuǎn)化后通過孤雌或受精發(fā)育而生成孢子體, 從而完成整個轉(zhuǎn)基因操作[45]。

總之, 20世紀(jì)90年代初起, 初步建立了海帶模式轉(zhuǎn)化系統(tǒng), 即以SV40為啟動子,cat基因為選擇標(biāo)記, 用基因槍轉(zhuǎn)化, 以雌配子體為轉(zhuǎn)化受體, 孤雌生殖作為植株再生方式, 經(jīng)氯霉素篩選, 獲得轉(zhuǎn)基因海帶。目前已獲得轉(zhuǎn)外源報告基因植株并獲得國家發(fā)明專利(秦松等, ZL96120235.1)。展現(xiàn)出構(gòu)建高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和抗逆的海帶良種的廣泛前景, 也證明了海帶作為廉價的生物反應(yīng)器, 通過構(gòu)建表達(dá)系統(tǒng)生產(chǎn)大量的蛋白、藥物或天然活性物質(zhì)的可行性和巨大潛力。然而, 目前海帶基因工程還處于探索階段, 其遺傳轉(zhuǎn)化模型的有效性和安全性還有待于進(jìn)一步的改進(jìn)或驗證, 尚未真正應(yīng)用到轉(zhuǎn)基因育種中來。

2.3 海帶分子設(shè)計育種

隨著基因組測序等多種技術(shù)實現(xiàn)突破, 基因組學(xué)、蛋白組學(xué)等多門“組學(xué)”及生物信息學(xué)得到迅猛發(fā)展, 極大地促進(jìn)了水稻、玉米、小麥等農(nóng)作物遺傳育種在分子水平上的發(fā)展, 基于此荷蘭科學(xué)家Peleman和van der Voort最早提出分子設(shè)計育種的概念[15]。由于海帶的總體研究基礎(chǔ)較為薄弱, 目前分子設(shè)計育種在海帶遺傳育種領(lǐng)域還僅僅停留在引入概念的階段, 實質(zhì)性的工作還沒有開展。但是, 經(jīng)濟(jì)海藻遺傳育種領(lǐng)域的一些科研工作者, 已意識到分子設(shè)計育種將是海帶遺傳育種的重要發(fā)展方向, 一些基礎(chǔ)性工作已有報道, 如 Liu等[38]利用 F2代為作圖群體構(gòu)建了中高密度的海帶遺傳圖譜(標(biāo)記密度為6.7cM), 定位到3個與葉長相關(guān)的QTL, 能解釋海帶葉片長度變異的 42.36%, 表現(xiàn)為部分顯性效應(yīng)或加性效應(yīng); 定位了2個與葉寬相關(guān)的QTL, 可以解釋葉寬變異的36.39%, 表現(xiàn)出部分顯性效應(yīng)。另外, 海帶基因組和轉(zhuǎn)錄組測序工作也將展開。

3 海帶分子育種研究方向和前景展望

分子育種將是海帶現(xiàn)代遺傳育種的主流方向,鑒于海帶當(dāng)前的總體研究現(xiàn)狀, 為推動海帶分子育種的發(fā)展, 必須做好以下五點工作：

3.1 研發(fā)海帶分子育種的各項技術(shù)

在作物分子育種中, 從種質(zhì)資源到新基因發(fā)掘,再到品種培育及其產(chǎn)業(yè)化, 是一個完整的鏈條。通過提高育種效率來高效培育突破性新品種并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)貫穿始終, 各環(huán)節(jié)間實現(xiàn)無縫鏈接, 形成了“基礎(chǔ)研究、標(biāo)記開發(fā)、基因克隆、遺傳轉(zhuǎn)化、品種培育、產(chǎn)品推廣”的完整產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)體系[6]。為推動海帶分子育種的發(fā)展, 應(yīng)該加快研發(fā)適用于海帶研究的相關(guān)技術(shù)體系, 如規(guī)?；_發(fā)成本低廉、可實現(xiàn)自動化操作的分子標(biāo)記, 推動海帶分子標(biāo)記由隨機性、顯性標(biāo)記(如RAPD、ISSR和AFLP標(biāo)記)向特異性、共顯性和功能性標(biāo)記(SSR、SNP標(biāo)記)轉(zhuǎn)變; 提高海帶具有重要價值的功能基因(高產(chǎn)基因、抗逆基因等)的發(fā)掘能力; 構(gòu)建起穩(wěn)定的載體系統(tǒng)和高效的轉(zhuǎn)化體系, 建立起有效的海帶表達(dá)系統(tǒng); 開發(fā)用于設(shè)計育種模擬研究的統(tǒng)計模型和相關(guān)軟件;探索和建立高效的良種推廣和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。

3.2 保存和豐富海帶種質(zhì)資源和育種中間材料

種質(zhì)資源(Germplasm resources)積累了由自然和人工引起的遺傳變異, 蘊藏著具有重要價值的基因,是進(jìn)行新品種選育和發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。海帶種質(zhì)資源的重要性已引起重視, 并已建立起合適的種質(zhì)保存技術(shù)且種質(zhì)庫初具規(guī)模, 但是僅停留在種質(zhì)收集、保存和評價的初級階段, 缺少高效構(gòu)建核心種質(zhì)及其有效評價的技術(shù)方法, 下一步應(yīng)構(gòu)建海帶核心種質(zhì), 提高整個種質(zhì)資源庫的管理和利用水平, 促進(jìn)對種質(zhì)資源中蘊藏的具有重要價值基因的發(fā)掘。另外, 目前海帶中雖有一些重組自交系, 但是總體上還缺乏多種作圖群體或育種中間材料, 如近等位基因系、回交群體、高代回交系、導(dǎo)入系、染色體片段代換系等。這些群體是繪制遺傳圖譜和性狀 QTL定位和分析的前提, 也是品種培育重要中間材料, 下一步工作應(yīng)該重視這些群體和育種中間材料的構(gòu)建和保存工作。

3.3 發(fā)掘海帶的性狀連鎖標(biāo)記、QTL和功能基因

我國已初步建立起了海帶的種質(zhì)資源庫, 但缺乏對種質(zhì)資源的遺傳多樣性分析、表型和基因型鑒定, 每份種質(zhì)資源中所含的基因和等位基因變異尚不清楚, 不同等位基因的頻率、分布和效應(yīng)更無從得知, 這已成為開發(fā)標(biāo)記、克隆基因和設(shè)計品種的瓶頸。盡管種質(zhì)資源不能申請專利保護(hù), 但從中獲得的基因、調(diào)控元件和標(biāo)記可以具有知識產(chǎn)權(quán)。因此, 世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家的跨國公司利用其技術(shù)優(yōu)勢搶先注冊知識產(chǎn)權(quán), 給自身的分子育種保駕護(hù)航。因此, 海帶分子育種也要加強海帶的性狀連鎖標(biāo)記、QTL和功能基因的挖掘, 應(yīng)用大規(guī)模、高通量的基因鑒定技術(shù), 獲得一批重要性狀基因標(biāo)記, 快速克隆一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的功能基因, 通過目的基因的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化和聚合從而獲得優(yōu)良基因型組合的新品種。

3.4 深度解析海帶重要經(jīng)濟(jì)性狀的形成機制

海帶很多經(jīng)濟(jì)性狀都是數(shù)量性狀, 由微效多基因控制且易受環(huán)境影響, 有著復(fù)雜的形成機制和遺傳基礎(chǔ)。為闡明海帶復(fù)雜經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳基礎(chǔ)和生理、生化機制, 用綜合基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)和表型組學(xué)等的研究理論和方法, 闡明性狀基因/QTL的座位、數(shù)量和效應(yīng), 性狀基因/QTL之間的和基因/QTL與環(huán)境之間的互作關(guān)系, 建立重要經(jīng)濟(jì)性狀的GP(Genotype to phenotype)模型, 解析性狀形成的發(fā)育過程、信號調(diào)控途徑和代謝網(wǎng)絡(luò), 從系統(tǒng)生物學(xué)的角度、在不同層次上(分子、細(xì)胞、組織器官、個體甚至群體水平)上深度解析海帶重要經(jīng)濟(jì)性狀的形成機制, 為分子設(shè)計和人工操作奠定基礎(chǔ)。

3.5 推動分子育種與傳統(tǒng)育種相結(jié)合

由于分子生物學(xué)的研究主要是在實驗室進(jìn)行,而育種研究主要的工作需要在室外完成, 兩方面研究人員由于受研究條件、原有知識的慣性導(dǎo)向和現(xiàn)有評價體系上存在的差別, 容易導(dǎo)致兩方面工作脫節(jié)。因此, 下一步應(yīng)創(chuàng)新分子育種的組織體系和實施機制, 一方面倡導(dǎo)分子育種工作走出實驗室, 吸收和借用傳統(tǒng)育種理論和技術(shù), 另一方面引導(dǎo)傳統(tǒng)育種工作者借力分子育種的高效性和先進(jìn)性, 通過整合資源、優(yōu)勢互補, 實現(xiàn)育種鏈上中下游的緊密結(jié)合,實現(xiàn)分子手段與常規(guī)育種的緊密結(jié)合。

總之, 分子育種是在分子生物學(xué)和各種組學(xué)跨越式發(fā)展的時代背景下產(chǎn)生的, 是一種嶄新的遺傳育種的理論和技術(shù)體系, 將是海帶遺傳育種的發(fā)展方向。伴隨著海帶分子育種研究和實踐的深入, 并結(jié)合傳統(tǒng)育種理論和方法, 海帶遺傳育種必將出現(xiàn)跨越式發(fā)展, 從而推動海帶養(yǎng)殖及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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S917 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-3096(2012)09-0128-07

2011-11-10;

2011-12-10

國家 863 計劃項目(2012AA10A406); 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))專項(200903030); 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所 2012 年度基本科研業(yè)務(wù)費項目(20603022012014)

劉福利(1983-), 男, 山東濟(jì)寧人, 博士, 主要從事經(jīng)濟(jì)海藻遺傳育種和生態(tài)養(yǎng)殖研究, 電話：0532-85838673, E-mail：liufl@ysfri.ac.cn; 王飛久, 通信作者, 研究員, E-mail：wangfj@ysfri.ac.cn

張培新)