蓖麻育種及相關(guān)基因工程研究進(jìn)展

王志妍， 羅 蕊， 文艷鵬， 尹明達(dá)， 李茹鑫， 崔 凱， 李瑞英， 黃鳳蘭,4

（1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)生命科學(xué)與食品學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028000； 2.赤峰市森林草原保護(hù)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 赤峰024000； 3.赤峰市敖漢旗林業(yè)和草原局，內(nèi)蒙古 赤峰 024300； 4.蓖麻育種國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究中心，內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，蓖麻產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

0 引言

蓖麻（Ricinus communisL.）為大戟科植物，是世界10 大油料作物之一，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高[1]。蓖麻主要活性成分包括蓖麻毒蛋白、蓖麻油和蓖麻堿等[2]。蓖麻毒蛋白具有抗癌及抑制巨噬細(xì)胞參與免疫的作用，在醫(yī)藥方面有一定的應(yīng)用[3]。蓖麻油具有誘導(dǎo)促進(jìn)宮縮及潤(rùn)滑腸道的作用，在引產(chǎn)及瀉下停滯方面有一定的應(yīng)用；蓖麻油在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域中作為重要原料，用途也更加廣泛[4-8]。蓖麻堿具有中樞神經(jīng)興奮作用，對(duì)提高記憶力有一定的作用，蓖麻堿可根據(jù)其中樞興奮、低劑量可提高記憶功能的特點(diǎn)，對(duì)有健忘癥的病人有一定的療效[9-11]。蓖麻在一定程度上能改善鹽漬土壤，減少因環(huán)境破壞、土地沙化帶來的耕地面積減少問題[12]。蓖麻提取物具有殺蟲的效果，可以用蓖麻開發(fā)生物殺蟲劑[13-14]。脫毒后的蓖麻餅粕能作為高質(zhì)量的蛋白飼料，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益[15]。我國(guó)東北、華北等地是種植蓖麻的主要地區(qū)，內(nèi)蒙古通遼是蓖麻主產(chǎn)區(qū)，擁有“蓖麻之鄉(xiāng)”的美稱[16-17]。但是由于蓖麻植株高、不抗倒伏、不適合高密度栽培等原因?qū)е卤吐楫a(chǎn)量一直不高，許多企業(yè)被迫從國(guó)外進(jìn)口蓖麻種子，嚴(yán)重制約了我國(guó)蓖麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[18]。我國(guó)雖然在蓖麻育種及產(chǎn)量方面已經(jīng)取得了極大的進(jìn)步，但是仍有提升空間，提高蓖麻產(chǎn)量、培育蓖麻優(yōu)良新品種依然重要。本文綜述近年來有關(guān)蓖麻育種和基因工程的研究進(jìn)展，為我國(guó)未來的蓖麻育種打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 蓖麻育種研究現(xiàn)狀

1.1 蓖麻育種

蓖麻被認(rèn)為是極具發(fā)展?jié)摿Φ闹参镉?，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，因此國(guó)內(nèi)外都在蓖麻種植方面展開了深入研究，并已取得了一些不錯(cuò)的成果。我國(guó)栽培蓖麻歷史已經(jīng)超過1 400 年，雖然有豐富的種質(zhì)資源，但是蓖麻的產(chǎn)量問題依然是蓖麻得以大面積推廣的阻力，而且與其他作物相比，我國(guó)蓖麻品種資源仍很匱乏，因此育種、育優(yōu)種顯得至關(guān)重要。蓖麻種植有一定的區(qū)域性，產(chǎn)量受種植密度、環(huán)境等因素影響，選擇合理種植密度、改善環(huán)境等可以提高蓖麻產(chǎn)量[19]。另外，蓖麻抗逆、抗病害等能力較弱，是影響產(chǎn)量的重要因素，培育抗逆、抗病害的新品種是促進(jìn)蓖麻增產(chǎn)的有效途徑。從世界各國(guó)的蓖麻生產(chǎn)情況來看，蓖麻具有高產(chǎn)特性，利用雜種優(yōu)勢(shì)的選育方法，可以有效地提高蓖麻產(chǎn)量，在此基礎(chǔ)上，通過適宜的栽培，蓖麻的產(chǎn)量可以得到有效提高。

1.2 國(guó)外蓖麻育種

國(guó)外積極開展了蓖麻的育種工作，包括輻射誘變、雜種優(yōu)勢(shì)利用等，并且已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。研究人員在誘變育種、雜優(yōu)育種等多個(gè)層面對(duì)蓖麻不同品種進(jìn)行了處理，其中誘變育種研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過不同的化學(xué)誘變劑或γ-射線等處理后，突變體有的表現(xiàn)出了矮桿性狀、有的品種后代出現(xiàn)了100%雌花穗子的性狀、甚至有的突變體后代發(fā)生了80%的高產(chǎn)等性狀的突變，具有重要的研究意義。

國(guó)外的雜交育種與遺傳研究起步較早[20]。CLAASSEN C E 等[21]于1950 年發(fā)現(xiàn)N 型雌性單株，并發(fā)現(xiàn)該植物的雌性受一對(duì)隱性基因（f）的支配，其子代為雌性和雌性。1956 年，SHIFRISS O[22]發(fā)現(xiàn)了一種S 型的雌性植物，早期為單雌性，后期變?yōu)閮尚?，認(rèn)為這是一種能控制植物性行為的基因，并于1960 年研究發(fā)現(xiàn)NES 型雌性系植株雄花有無受環(huán)境因子影響。1966 年，ZIMMERMAN L H 等[23]利用NES 的雌性單株，成功地培育出一種溫度敏感的雌性植株，經(jīng)過一系列試驗(yàn)，得到了蓖麻雜交育種的“兩性法”。

1.3 國(guó)內(nèi)蓖麻育種

傳統(tǒng)的育種方法是通過大量的雜交來培育[24]。我國(guó)的蓖麻育種起步晚，但從20 世紀(jì)60 年代起，我國(guó)已初步探索了蓖麻雜交優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用，并取得了一些成果[25]。淄博市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院對(duì)蓖麻雜種優(yōu)勢(shì)的綜合利用進(jìn)行了探索，培育出淄系列雜交種，并于2002 年培育出“非溫敏型”蓖麻雌性系，克服了“溫敏型”蓖麻雌性植物受溫度影響的技術(shù)難題，并且培育出的品種雜交率在90%以上，具有穩(wěn)定、高產(chǎn)的特點(diǎn)，尤其是淄蓖麻7 號(hào)、淄蓖麻5 號(hào)平均產(chǎn)量較高，具有重要的研究意義[26]。單雌性是蓖麻雜交優(yōu)勢(shì)利用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，將其表現(xiàn)型劃分為不帶標(biāo)記的單雌性和帶標(biāo)記的單雌性，前者在花序上沒有雄花，但與兩性花序基本相同，后者在花序上沒有雄花，但具有功能葉。內(nèi)蒙古原哲里木盟農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所在1986 年經(jīng)研究獲得了誘變體蓖麻L(zhǎng)m 型雌性系，并且該類型的蓖麻是由隱性核基因所支配的遺傳類型，兩對(duì)顯性基因控制有雄花發(fā)育的無標(biāo)志性狀，而兩對(duì)隱性核基因控制單雌性狀和標(biāo)志性狀[27-28]。通遼市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院基于蓖麻標(biāo)記雌性的遺傳和性狀特性研究，對(duì)蓖麻雜種優(yōu)化的應(yīng)用進(jìn)行了探討，提出了“一系兩用”“兩系法”的雜優(yōu)利用途徑，攻克了雜種生產(chǎn)技術(shù)的難點(diǎn)，利用這一技術(shù)成功地培育出了一株蓖麻雜交種-通篦6 號(hào)，顯著增加了蓖麻的產(chǎn)量[29]。此后在20 世紀(jì)90 年代，通遼市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院以東北蓖麻類群農(nóng)家品種進(jìn)行雜交育種培養(yǎng)，成功地選育出了具有優(yōu)良高產(chǎn)、適應(yīng)性強(qiáng)的新品種哲蓖4 號(hào)[30]。山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所利用“擬三系”配套技術(shù)體系成功培育出了單雌核型三系雜交種“晉蓖麻2 號(hào)”進(jìn)一步提高了蓖麻的產(chǎn)量，并得到推廣[31-32]。

2 蓖麻基因工程相關(guān)研究

2.1 蓖麻基因工程

雖然人們不能人工創(chuàng)造基因，但是可以利用自然已有的基因資源來培育具有特定功能的新品種，這些資源為蓖麻的選育開辟了廣闊的天地[33]。目前，世界各國(guó)對(duì)蓖麻的需求很大，將其作為一種可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)作物，但在蓖麻選育過程中，優(yōu)質(zhì)品種很少，而傳統(tǒng)品種占多數(shù)，產(chǎn)量較低，大大延緩了蓖麻工業(yè)發(fā)展[34]。有研究者分別在2005-2006 年獲得了轉(zhuǎn)基因蓖麻植物，表明建立蓖麻育種和基因工程技術(shù)相適應(yīng)的研究種質(zhì)新資源的研究方法對(duì)蓖麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、提高蓖麻產(chǎn)量具有潛在的價(jià)值。目前，部分研究通過基因工程轉(zhuǎn)基因的技術(shù)方法成功向蓖麻中轉(zhuǎn)入特定基因，為培育蓖麻優(yōu)良新品種，提高蓖麻產(chǎn)量具有重要的研究意義與參考價(jià)值。

2.2 相關(guān)研究

2.2.1 矮化基因

株高類型直接影響種群的整體產(chǎn)量，而蓖麻的株型一般較高，造成蓖麻節(jié)水抗旱、抗倒伏差的表現(xiàn)，矮化后的蓖麻植株不僅具有節(jié)水、抗倒伏、抗旱性能，提高蓖麻群體的產(chǎn)量，而且還有利于實(shí)現(xiàn)蓖麻產(chǎn)業(yè)機(jī)械化，具有重要的研究?jī)r(jià)值。因此，矮化育種已成為我國(guó)蓖麻育種研究的一個(gè)重要課題。

植物激素赤霉素（GA）對(duì)植物的生長(zhǎng)具有調(diào)控作用，DELLA 蛋白參與了GA 信號(hào)傳導(dǎo)的負(fù)調(diào)控，研究表明，DELLA基因過表達(dá)的植物都出現(xiàn)了矮小的表型，但是該基因在蓖麻中是否具有矮化功能尚不清楚[35]。韓雯毓等[36]通過克隆RcDELLA基因，構(gòu)建過表達(dá)載體并將其轉(zhuǎn)到蓖麻植株中，結(jié)果表明轉(zhuǎn)基因植株的株高低于野生型，進(jìn)一步驗(yàn)證了RcDELLA基因在蓖麻中具有矮化功能，并使蓖麻株型培育成矮化株型。植物激素相關(guān)的基因BKI1對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有重要影響，風(fēng)蘭[37]克隆RcBKI1基因及構(gòu)建表達(dá)載體，將基因轉(zhuǎn)入蓖麻中，結(jié)果顯示，過表達(dá)RcBKI1基因的蓖麻植株出現(xiàn)了矮化表型，是蓖麻株高發(fā)育過程中的負(fù)調(diào)控基因，成功培育出了矮化蓖麻株型新品種。

2.2.2 RNAi 技術(shù)

蓖麻毒素對(duì)大多數(shù)的真核細(xì)胞具有一定的毒性，制約了蓖麻資源的開發(fā)。利用RNAi 干擾法對(duì)蓖麻毒素基因進(jìn)行沉默研究，從而調(diào)節(jié)蓖麻毒蛋白的含量，獲得低毒蓖麻新品系，使蓖麻產(chǎn)量得到提高，還能使蓖麻餅粕得到綜合利用。研究表明，RNAi 干擾技術(shù)能抑制基因的表達(dá)，使相應(yīng)的功能表型缺失，而且產(chǎn)生的抑制作用能在后代中穩(wěn)定地傳遞[38-39]。陳永勝等[40]通過克隆蓖麻毒蛋白A 鏈RTA基因，構(gòu)建植物RNAi 表達(dá)載體pBI-RTA-S-AS，將其轉(zhuǎn)入到蓖麻中，結(jié)果表明，pBI-RTA-S-AS 已經(jīng)成功整合到蓖麻基因組中，但是蓖麻毒蛋白基因的沉默效果如何，還需大量的遺傳轉(zhuǎn)化工作來驗(yàn)證。金璐[41]分析了蓖麻毒蛋白家族基因，并構(gòu)建了RNA 干擾表達(dá)載體，進(jìn)而沉默蓖麻毒蛋白家族基因，通過鑒定，獲得了轉(zhuǎn)基因苗。以上研究為后續(xù)培育低毒蓖麻新品系，為提高蓖麻蛋白的利用效率提供了重要依據(jù)。

蓖麻油作為理想的潤(rùn)滑油被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，但是如果作為生物柴油原料就需要有很高的油酸含量，可以通過RNAi 干擾技術(shù)使油酸得到積累。邢超[42]通過克隆蓖麻油酸合成代謝途徑中的3 個(gè)關(guān)鍵酶基因，并構(gòu)建RNA 干擾載體，用于沉默這3 個(gè)基因，經(jīng)鑒定，成功獲得轉(zhuǎn)基因苗。該研究為后續(xù)高油酸蓖麻新品種的研究奠定理論基礎(chǔ)。

2.2.3 耐鹽基因

土地鹽堿化是導(dǎo)致作物減產(chǎn)的重要原因，是一直待解決的重要農(nóng)業(yè)難題，利用基因工程培育耐鹽植物新品種是鹽堿地資源開發(fā)與改良的一種行之有效的途徑。隨著蓖麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，挖掘蓖麻耐鹽基因的研究也越來越多。馮紫洲[43]通過克隆蓖麻液泡膜Na+/H+人逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因RcNHX1，構(gòu)建表達(dá)載體進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與野生型相比，轉(zhuǎn)基因植物的葉片、根系中Na+、H+含量顯著增加。張麗雪[44]通過克隆上調(diào)表達(dá)蛋白Tau 與DHAR 類谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶RcGST與RcDHAR基因，分別轉(zhuǎn)化到擬南芥與蓖麻毛狀根中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因后的擬南芥與蓖麻毛狀根的AsA（抗壞血酸）含量有明顯的提高，在鹽脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株的導(dǎo)電能力等均比野生型低，而SOD（超氧化物歧化酶）活性等比野生型有明顯提高。以上結(jié)果對(duì)蓖麻耐鹽性的選育具有一定的理論指導(dǎo)意義。

2.2.4 抗除草劑基因

雜草的存在會(huì)大大降低蓖麻的產(chǎn)量和品質(zhì)，要依賴除草劑來提高產(chǎn)量，但是除草劑對(duì)蓖麻的傷害是不可逆的，研制新型的抗除草劑蓖麻非常關(guān)鍵。近幾年，隨著生物技術(shù)和蓖麻育種研究的迅速發(fā)展，培育具有抗性的蓖麻新品種是可能的。抗除草劑基因編碼的酶以除草劑為底物，能夠?qū)⑥D(zhuǎn)基因植物中的除草劑分解，從而保護(hù)作物不受除草劑的侵害。抗除草劑的常用基因是Bar、EPSPS、Gox等，其中Bar、EPSPS基因已經(jīng)在高粱、亞麻等作物中得到了應(yīng)用[45-46]。羅蕊[15]通過克隆Bar、EPSPS基因并構(gòu)建表達(dá)載體，將抗除草劑基因轉(zhuǎn)到“2129”蓖麻品系中，利用PCR 技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)基因蓖麻進(jìn)行了鑒定，得到了一株轉(zhuǎn)基因植物。分析表明，高效低毒、殘留量小的草銨膦2019 年為使用速度最快的除草劑。有學(xué)者利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)技術(shù)，將抗草銨膦基因Bar導(dǎo)入“通蓖5 號(hào)”子葉節(jié)中，后鑒定確定基因已經(jīng)轉(zhuǎn)入到蓖麻中，并具有抗草銨膦的抗性[47-49]。上述結(jié)果對(duì)培育新型抗除草劑蓖麻有一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)束語

蓖麻因其重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值被廣泛開發(fā)與應(yīng)用，需求量也不斷增加，提高蓖麻的品種種質(zhì)與產(chǎn)量是必要的，目前蓖麻育種的目標(biāo)是高產(chǎn)、高油、抗逆和抗倒伏等。雖然我國(guó)在蓖麻育種上已有突出成就，但仍需改進(jìn)。相信隨著生物技術(shù)的不斷更新與發(fā)展、遺傳轉(zhuǎn)化與育種優(yōu)良體系的建立與完善，我國(guó)在蓖麻育種上會(huì)攻克越來越多的難關(guān)，在產(chǎn)量與培育蓖麻新品種方面上會(huì)取得更好的成效。