蘋果分子育種研究進(jìn)展

李紅光 劉俊靈 勾真真 韓立新 瞿振芳 郝貝貝

摘?要：蘋果是一種具有重要經(jīng)濟(jì)意義的水果，世界各地的育種家都在不斷地培育新品種。但蘋果漫長的童期很大程度限制了蘋果育種的進(jìn)程。近年來，各種分子生物技術(shù)的發(fā)展被應(yīng)用在蘋果育種上，有力地加快了蘋果育種進(jìn)程。該研究結(jié)合以往研究進(jìn)展，闡述了轉(zhuǎn)基因技術(shù)在蘋果育種中的作用，以期為現(xiàn)代蘋果育種提供理論參考。

關(guān)鍵詞：蘋果;轉(zhuǎn)基因技術(shù);DNA標(biāo)記;育種

文章編號：2096-8108（2021）01-0070-03?中圖分類號：S661.1?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：Apple is a fruit of great economic significance， breeders around the world are constantly cultivating new varieties. However， apples juvenile phase greatly limited the process of apple breeding. In recent years， the development of various molecular biology techniques has been applied to apple breeding， which has greatly accelerated the process of apple breeding. Based on the previous research progress，?the role of transgenic technology in apple breeding was expounded， in order to provide theoretical reference for modern apple breeding.

Keywords：apple;transgenic technology;DNA Marker;breeding

水果富含纖維、抗氧化劑和植物化學(xué)物質(zhì)，有利于人類健康。蘋果是世界上最受歡迎的水果之一。由于世界各地育種者的不斷努力，選育了許多新的蘋果品種，其果實(shí)品質(zhì)和生長習(xí)性都得到了明顯改善。選育蘋果新品種具有挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)蘋果育種的主要方法是通過從數(shù)千株雜交幼苗中選擇優(yōu)良個體。而果樹的童期很長，且占地面積較大，需要很長時間來評估，成本投入較大，這些因素都限制了蘋果育種工作。

生物技術(shù)育種的迅速發(fā)展縮短了果樹育種所需的時間，這種技術(shù)目前正在應(yīng)用于蘋果。蘋果基因組的破譯不僅對這一物種的進(jìn)化提供了深入的了解，而且還為闡明果實(shí)質(zhì)量、抗病性和生長習(xí)性的遺傳基礎(chǔ)提供了重要信息。標(biāo)記輔助選擇的發(fā)展也加快應(yīng)用在育種中。分子標(biāo)記的發(fā)展也促進(jìn)了QTL分析構(gòu)建詳細(xì)的連鎖圖，揭示與各種蘋果性狀相關(guān)的染色體區(qū)域。

因此，該研究通過總結(jié)國外蘋果分子育種的研究近況，為蘋果育種提供更新的研究思路，并為相關(guān)研究提供參考依據(jù)。

1?已上市的轉(zhuǎn)基因園藝作物

自1994年第1個基因改良作物（風(fēng)味番茄）商業(yè)化以來，已經(jīng)過去了20年）。過去幾年，全球轉(zhuǎn)基因作物的種植規(guī)模穩(wěn)步增長，目前，大約有25個國家正在種植15種以上的轉(zhuǎn)基因作物?，F(xiàn)在，普遍的科學(xué)共識是轉(zhuǎn)基因作物的糧食構(gòu)成對人類健康的風(fēng)險并不比使用常規(guī)技術(shù)培育作物更大。最近，世界上第1個轉(zhuǎn)基因蘋果（在被切割或擦傷時不會變成棕色）被美國農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)入市。然而，包括日本在內(nèi)的幾個國家尚未引進(jìn)轉(zhuǎn)基因作物，主要是因?yàn)楣妼D(zhuǎn)基因作物的安全性持懷疑態(tài)度。

2?轉(zhuǎn)基因技術(shù)在砧木改良中的應(yīng)用

在蘋果的早期轉(zhuǎn)基因研究中，利用從農(nóng)桿菌中分離出的ROL基因來提高M(jìn)26和M9矮化砧木的生根能力。這些砧木是自然繁殖的，但生根能力不強(qiáng)。為了提高其生根能力，利用根狀莖基因進(jìn)行了轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用，該基因不僅促進(jìn)了生根性，而且具有矮化特性。因此，它們也被用于誘導(dǎo)野生型矮化砧木[1]。在日本，研究人員將ROLC基因整合到日本獨(dú)有的砧木中，發(fā)現(xiàn)提高了生根能力，但沒有矮化特性。

3?轉(zhuǎn)基因技術(shù)在提高果實(shí)品質(zhì)中的應(yīng)用

目前，研究者主要通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)改善蘋果果實(shí)的貯藏質(zhì)量和延長貯藏時間。在日本，研究報(bào)告表明，在貯藏過程中始終保持硬肉的品種可以表現(xiàn)出非常微弱的內(nèi)聚半乳糖醛酸酶的表達(dá)。結(jié)果表明，成熟過程中的軟化可能取決于MDPG1的表達(dá)模式。事實(shí)上，在不同季節(jié)收獲的MDPG1抑制的“皇家嘎拉”蘋果比成熟后的對照蘋果的硬度更大[2]。

由于多酚氧化酶產(chǎn)生的酚類聚合物使蘋果果肉在切片后變成棕色。雖然褐變是一種自然現(xiàn)象，但它通常是消費(fèi)者不喜歡的特征。加拿大的一家公司通過使用RNAi方法抑制4個MdPPO基因，對澳洲青蘋進(jìn)行了基因修飾，大大降低了果肉的褐變程度。

4?轉(zhuǎn)基因技術(shù)在提高果樹抗病性中的應(yīng)用

在國外，危害蘋果生產(chǎn)的最嚴(yán)重病害是黑星病和火疫病。在過去的幾十年里，培育的蘋果新品種以提高對這兩種病害的抗性。半個多世紀(jì)來，起源于野生種的黑星病抗性基因通過雜交育種被整合到多種蘋果新品種中。然而，創(chuàng)造出既具有抗性基因又具有良好商品性的品種，并不容易。為了提高蘋果的抗黑星病能力，在蘋果中引入了一種幾丁質(zhì)分解酶基因，表達(dá)這些基因的轉(zhuǎn)基因株系比未轉(zhuǎn)化的對照組具有更強(qiáng)的抗性。

作為抗火疫病的候選基因，來自北美蠶蛾的AttacinE基因一直是已使用。AttacinE對許多重要的植物病原菌具有較強(qiáng)的裂解活性，該基因轉(zhuǎn)化的蘋果樹對火疫病具有抗性。再結(jié)合Lc基因的蘋果對黑星病病和火疫病都有抗性。

5?轉(zhuǎn)基因技術(shù)促進(jìn)早花

實(shí)生蘋果樹的童期長達(dá)5～12年或更長時間，期間幼苗不能被誘導(dǎo)開花。這限制了遺傳分析和延長了雜交育種時間。而通過與野生蘋果雜交獲得的幼苗則需要更長的時間。在過去的15年中，對模式植物擬南芥的研究已經(jīng)確定了幾個與開花相關(guān)的基因。日本已鑒定出擬南芥TFL1和FT基因的蘋果同系物，并上調(diào)了MDFT蘋果中的基因?qū)е略缡扉_花。另一方面，研究者通過表達(dá)白樺的BPMADS4基因，成功地打破了童期，使轉(zhuǎn)基因蘋果在溫室種植后3～4個月開花[3]。

6?常用的轉(zhuǎn)基因技術(shù)

1）病毒載體是分子生物學(xué)家常用的將遺傳物質(zhì)傳遞到細(xì)胞中的工具。這是最有效的基因轉(zhuǎn)移手段，因?yàn)橐子诟腥?，并且通過病毒分子在細(xì)胞中的自發(fā)繁殖，基因表達(dá)程度高。此外，其不需要組織培養(yǎng)。蘋果潛伏球形病毒（ALSV）是一種理想的病毒，因?yàn)樗划a(chǎn)生疾病癥狀，通過種子發(fā)生的垂直傳播幾率極低此外，由于ALSV僅僅通過花粉的傳播而不發(fā)生在果園的蘋果樹中。2）利用輻照或化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)的突變進(jìn)行育種的策略在果實(shí)新品種的選育中發(fā)揮了重要作用。然而，它們的效率很低，突變的位點(diǎn)是隨機(jī)的，不可控的。最近的生物技術(shù)允許直接操縱目標(biāo)基因序列，從而誘變所需的表現(xiàn)型?；蚪M編輯是一種基因工程技術(shù)，其中DNA被插入、替換或從基因組中移除，使用人工工程核酸酶，法律法規(guī)預(yù)計(jì)將比轉(zhuǎn)基因植物要求更嚴(yán)格。

7?展望

隨著分子生物學(xué)、基因組學(xué)和生物信息學(xué)的發(fā)展，新的育種技術(shù)正在迅速發(fā)展。傳統(tǒng)的蘋果育種包括雜交育種仍然可以選育出優(yōu)良品種。但是，育種效率較低。為了改良現(xiàn)有品種品質(zhì)，可以應(yīng)用新的轉(zhuǎn)基因技術(shù)來有針對性地改良基因。此外，將目的基因通過基因編輯導(dǎo)入育種受體正成為一種新的育種技術(shù)。這些新技術(shù)無疑將促進(jìn)蘋果育種，并產(chǎn)生新的高品質(zhì)蘋果品種。

參考文獻(xiàn)

[1]Zhu H A，Holefors A， Ahlman Z T， et al. Transformation of the apple rootstock M.9/29 with the rolB gene and its influence on rooting and growth[J].Plant Sci，2001，160：433-439.

[2]Hallett D， Mitra D A， Brummell et al. Down-regulation of POLYGALACTURONASE1 alters firmness， tensile strength and water loss in apple （Malus ×domestica） fruit[M]. BMC Plant Biol， 2012，

[3]Flachowsky H， Peil A， Sopanen T， et al. Overexpression of BpMADS4 from silver birch （Betula pendula Roth.） induces early-flowering in apple （Malus × domestica Borkh.）[J]. Plant Breeding， 2007，126（2）：137-145.