蘋果分子育種研究進展

李紅光，劉俊靈，勾真真，韓立新，瞿振芳，郝貝貝

(三門峽市農(nóng)業(yè)科學研究院/河南省蘋果栽培工程技術研究中心，河南 三門峽 472000)

水果富含纖維、抗氧化劑和植物化學物質(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，其果實品質(zhì)和生長習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。

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

因此，該研究通過總結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，并為相關研究提供參考依據(jù)。

1 已上市的轉基因園藝作物

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

2 轉基因技術在砧木改良中的應用

在蘋果的早期轉基因研究中，利用從農(nóng)桿菌中分離出的ROL基因來提高M26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。為了提高其生根能力，利用根狀莖基因進行了轉基因技術的應用，該基因不僅促進了生根性，而且具有矮化特性。因此，它們也被用于誘導野生型矮化砧木[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 轉基因技術在提高果實品質(zhì)中的應用

目前，研究者主要通過轉基因技術改善蘋果果實的貯藏質(zhì)量和延長貯藏時間。在日本，研究報告表明，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。結果表明，成熟過程中的軟化可能取決于MDPG1的表達模式。事實上，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，對澳洲青蘋進行了基因修飾，大大降低了果肉的褐變程度。

4 轉基因技術在提高果樹抗病性中的應用

在國外，危害蘋果生產(chǎn)的最嚴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，表達這些基因的轉基因株系比未轉化的對照組具有更強的抗性。

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的裂解活性，該基因轉化的蘋果樹對火疫病具有抗性。再結合Lc基因的蘋果對黑星病病和火疫病都有抗性。

5 轉基因技術促進早花

實生蘋果樹的童期長達5～12年或更長時間，期間幼苗不能被誘導開花。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蘋果中的基因導致早熟開花。另一方面，研究者通過表達白樺的BPMADS4基因，成功地打破了童期，使轉基因蘋果在溫室種植后3～4個月開花[3]。

6 常用的轉基因技術

1)病毒載體是分子生物學家常用的將遺傳物質(zhì)傳遞到細胞中的工具。這是最有效的基因轉移手段，因為易于感染，并且通過病毒分子在細胞中的自發(fā)繁殖，基因表達程度高。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，因為它不產(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)利用輻照或化學物質(zhì)誘導的突變進行育種的策略在果實新品種的選育中發(fā)揮了重要作用。然而，它們的效率很低，突變的位點是隨機的，不可控的。最近的生物技術允許直接操縱目標基因序列，從而誘變所需的表現(xiàn)型?；蚪M編輯是一種基因工程技術，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)預計將比轉基因植物要求更嚴格。

7 展望

隨著分子生物學、基因組學和生物信息學的發(fā)展，新的育種技術正在迅速發(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)，可以應用新的轉基因技術來有針對性地改良基因。此外，將目的基因通過基因編輯導入育種受體正成為一種新的育種技術。這些新技術無疑將促進蘋果育種，并產(chǎn)生新的高品質(zhì)蘋果品種。