普通菜豆遺傳育種研究進(jìn)展

羅安紅，李美樂(lè)，劉 芳，符 瓊，董佳文

（湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湖南 常德 415000）

普通菜豆（Phaseolus vulgarisL.，2n＝2 x＝2 2）又名四季豆、蕓豆、飯豆，為豆科（Leguminosae）、蝶形花亞科（Papilionoideae）、菜豆屬（Phaseolus）的1年生草本植物。普通菜豆是世界上種植面積最大的食用豆類，據(jù)報(bào)道，全世界種植菜豆的國(guó)家和地區(qū)共有90多個(gè)，總種植面積達(dá)2 878.04萬(wàn)hm2，占食用豆類的40%，總產(chǎn)量達(dá)2 314.03萬(wàn)t，占全部食用豆類總產(chǎn)量的30%。截至2018年底，我國(guó)普通菜豆種植面積達(dá)1 000萬(wàn)k m2，總產(chǎn)量達(dá)180萬(wàn)t[1]。

在19世紀(jì)末期之前，人們認(rèn)為普通菜豆起源于亞洲，如Linnaeus曾提出普通菜豆發(fā)源地為印度，而科研工作者多方面研究表明，普通菜豆起源于中、南美洲。經(jīng)種子貯藏蛋白標(biāo)記、分子標(biāo)記、形態(tài)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，野生菜豆集中分布于2個(gè)區(qū)域：即位于秘魯南部、玻利維亞和阿根廷的安第斯中心和包括墨西哥、危地馬拉、巴拿馬、洪都拉斯、尼加拉瓜、哥斯達(dá)黎加和哥倫比亞在內(nèi)的中美洲區(qū)域。2個(gè)中心交匯于哥倫比亞與委內(nèi)瑞拉地區(qū)，該區(qū)域許多馴化材料的蛋白類型為雜合體[2]。

普通菜豆在起源中心完成馴化后陸續(xù)傳入世界各地。根據(jù)種子貯藏蛋白標(biāo)記，可推斷普通菜豆的傳播路徑。菜豆于16世紀(jì)初傳播到歐洲，之后，再經(jīng)歐洲傳入中東、西亞及世界上其他國(guó)家和地區(qū)。普通菜豆是在15世紀(jì)由美洲直接傳入中國(guó)的，之后于1654年由隱元禪師傳入日本[3]。我國(guó)普通菜豆種質(zhì)資源豐富，但針對(duì)現(xiàn)有種質(zhì)資源的利用及創(chuàng)新仍較為缺乏，且育種工作與其他主要蔬菜相比相對(duì)滯后，本文將介紹我國(guó)普通菜豆種質(zhì)資源研究及創(chuàng)新情況，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向作出展望，以期為普通菜豆種質(zhì)資源研究提供參考。

1 我國(guó)普通菜豆種質(zhì)資源的收集鑒定

1.1 我國(guó)普通菜豆種質(zhì)資源的分布及收集保存

中國(guó)作為菜豆的次級(jí)起源中心，從15世紀(jì)直接由美洲引入菜豆。我國(guó)普通菜豆種質(zhì)資源分布比較廣泛，但分別以東北、西北和云貴高原為主要分布中心。目前中國(guó)栽培的普通菜豆大多為地方品種，主要分布于云南、貴州、山西、陜西、甘肅、內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林等省區(qū)[4]。編入種質(zhì)資源目錄的資源占有量比較多的省份依次為：貴州1 003份、山西594份、云南461份、黑龍江381份、陜西379份、四川336份、內(nèi)蒙古238份、河北151份、吉林106份和湖北101份[5]。

1.2 我國(guó)普通菜豆種質(zhì)資源的鑒定評(píng)價(jià)

王述民等[5]對(duì)已入庫(kù)的3 328份普通菜豆種質(zhì)材料的39%進(jìn)行了抗病蟲鑒定，18%進(jìn)行了抗逆性評(píng)價(jià)，最終篩選出21個(gè)抗旱品種、16個(gè)抗寒品種及39個(gè)抗病蟲品種。雷蕾等[6]對(duì)332份入庫(kù)菜豆資源進(jìn)行炭疽病和枯萎病的苗期抗病性鑒定，對(duì)328份菜豆嫩秧作營(yíng)養(yǎng)成分分析，并對(duì)“七五”期間通過(guò)抗病性鑒定和營(yíng)養(yǎng)養(yǎng)分分析的218份材料進(jìn)行重復(fù)鑒定，最終篩選出12份優(yōu)良普通菜豆種質(zhì)資源。薛仁風(fēng)[7]、徐新新[8]分別采用下胚軸雙孔注射和接種體蘸根2種病原菌接種方法，對(duì)159份普通菜豆資源進(jìn)行了初步的細(xì)菌性疫病抗病性篩選，其中前者篩選出6個(gè)高抗品種、11個(gè)抗病品種、55個(gè)中抗品種，而后者篩選出3個(gè)高抗品種、5個(gè)抗病品種、10個(gè)中抗品種；另外，薛仁風(fēng)[7]研究表明，我國(guó)擁有十分豐富的抗鐮孢枯萎病普通菜豆資源，通過(guò)選育抗病新品種來(lái)控制菜豆枯萎病前景廣闊。徐新新[8]通過(guò)改良梅花針接種法，對(duì)602份菜豆種質(zhì)資源進(jìn)行抗普通細(xì)菌性疫病鑒定，按1.0～10.0級(jí)病級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，共篩選出10份1.1～3.0級(jí)資源，占總數(shù)的2%；192份3.1～5.0級(jí)資源，占總數(shù)的32%；306份5.1～7.0級(jí)資源，占總數(shù)的51%；94份7.1～10.0級(jí)資源，占總數(shù)的15%，其中未發(fā)現(xiàn)免疫或高抗品種。李龍[9]利用隸屬函數(shù)分析法，對(duì)121份種質(zhì)的芽期抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選出躍進(jìn)豆、白扁豆等芽期抗旱性種質(zhì)，為普通菜豆抗旱生理與機(jī)制研究、抗旱育種奠定了基礎(chǔ)。

2 普通菜豆性狀遺傳規(guī)律研究

2.1 普通菜豆主要質(zhì)量性狀遺傳規(guī)律研究

普通菜豆質(zhì)量性狀主要有花色、莢形、莢色等，均被1對(duì)等位基因控制，同一性狀、不同表現(xiàn)型的純合親本雜交，其F1代均表現(xiàn)顯性性狀（蔓生、紫色、白花等），且F2代顯性性狀與隱性性狀呈現(xiàn)3∶1的分離比例，符合基因分離規(guī)律。具體遺傳規(guī)律見(jiàn)表1[10]，質(zhì)量性狀遺傳規(guī)律研究對(duì)親本選擇、后代分離性狀預(yù)測(cè)及雜種鑒定具有十分重要的意義。

表1 菜豆主要質(zhì)量性狀遺傳規(guī)律

2.2 普通菜豆抗病遺傳規(guī)律研究

普通菜豆主要病害有細(xì)菌性疫?。╔anthomonas phaseoli）、炭疽病（Colletotrichum lindemuthianum）、根腐病（Fusarium solani）、銹病（Uromyces appendiculatus）、枯萎?。‵usariumf.sp.Phaseoli oxysporum）等。細(xì)菌性疫病是影響普通菜豆生產(chǎn)的最主要的病害之一。Silva等[11]研究表明，普通菜豆對(duì)細(xì)菌性疫病的抗性為受多基因控制的數(shù)量遺傳。Coyne等[12]研究表明，菜豆對(duì)普通細(xì)菌性疫病的抗性為數(shù)量遺傳，具有中低遺傳力，其抗性是由一些未知基因所控制，且與植株的生長(zhǎng)習(xí)性及晚熟程度等有關(guān)。Musaana等[13]研究發(fā)現(xiàn)，普通菜豆細(xì)菌性疫病抗性是由1～5個(gè)加性效應(yīng)基因控制，與其抗性相關(guān)的基因數(shù)量與寄主親本及寄主評(píng)價(jià)時(shí)期有關(guān)。截至目前，在普通菜豆的11個(gè)連鎖群上至少發(fā)現(xiàn)了25個(gè)與普通菜豆細(xì)菌性疫病抗性相關(guān)的QTL標(biāo)記[14]。在已發(fā)現(xiàn)的QTL中有3個(gè)最重要的SCAR標(biāo)記，即SAP6、SU91、BC420。利用這3種SCAR標(biāo)記對(duì)10份普通菜豆種質(zhì)資源進(jìn)行了遺傳分析，研究表明含有這3種SCAR標(biāo)記的種質(zhì)資源均表現(xiàn)出較高的抗性，而感病資源則不含這3種標(biāo)記；因而，可以根據(jù)這些SCAR標(biāo)記分析普通菜豆基因型，從而提高抗病鑒定的效率[15]。

目前對(duì)菜豆抗炭疽病的研究比較深入，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了17個(gè)菜豆抗炭疽病基因，其中16個(gè)抗病基因是由國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)[16]。有研究表明，在國(guó)內(nèi)菜豆高抗材料F2533中發(fā)現(xiàn)1個(gè)抗炭疽病基因，但沒(méi)有對(duì)該基因進(jìn)行嚴(yán)格的等位性鑒定[17-20]（表2）。

表2 普通菜豆抗炭疽病基因

根腐病也是普通菜豆的常見(jiàn)病害，研究其抗性遺傳規(guī)律對(duì)制定培育抗性品種的策略尤為重要。Mukankus等[21]研究表明，菜豆根腐病的抗性由加性效應(yīng)和非加性效應(yīng)基因共同控制，將抗性親本用作雜交母本時(shí)，后代明顯更具抗性。此外，MLB-49-89A、MLB-48-89、RWR719和Vuninkingi在雜交中表現(xiàn)出較高的抗性水平，可應(yīng)用于今后的普通菜豆根腐病抗性育種。

銹病是一種破壞性較大的病害，可導(dǎo)致普通菜豆種子產(chǎn)量和豆莢質(zhì)量顯著下降。普通菜豆的銹病抗性由單一顯性基因Ur決定。迄今為止，已有10個(gè)基因被命名和標(biāo)記，大多采用RAPD或SCAR分子標(biāo)記，其中5個(gè)基因（Ur-3、Ur-5、Ur-7、Ur-11和Ur-14）屬于中美洲基因庫(kù)，另外5個(gè)基因（Ur-4、Ur-6、Ur-9、Ur-12和Ur-13）屬于安第斯基因庫(kù)[22]。

普通菜豆對(duì)枯萎病不同生理小種的抗性類型既存在單基因控制的質(zhì)量性狀，也存在多基因控制的數(shù)量性狀。生理小種不同，其抗性基因也不同，目前有12個(gè)基因被命名標(biāo)記（Fop1、Fop2、Fop3、Fop4、Fop6、Fop7、Fop8、Fop11、Fop28、Fop30、Fop31及Fop32）[23]。

3 品種選育研究進(jìn)展

3.1 引種

引種簡(jiǎn)便易行且見(jiàn)效快，是常見(jiàn)的育種手段，而引種成功率的高低取決于引種地區(qū)與原產(chǎn)地區(qū)的生態(tài)條件的差異程度，表現(xiàn)為差異程度越高，則引種成功率越高。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所和北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜研究所于1979年從荷蘭引進(jìn)菜豆新品種碧豐，品種原名為Selka，經(jīng)2年的區(qū)域試驗(yàn)，其表現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)且抗逆性強(qiáng)，超過(guò)了種植面積較大的蕓豐、豐收1號(hào)和雙季豆等[24]。潘仁恩等[25]從日本引進(jìn)金時(shí)菜豆、明石菜豆等7個(gè)菜豆品種進(jìn)行比較試驗(yàn)，最終篩選出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)且生長(zhǎng)周期短的蛋白菜豆與四季1751菜豆新品種。李江等[26]從委內(nèi)瑞拉引進(jìn)了矮秧材料A2007-1，將其田間變異單株通過(guò)系統(tǒng)選育，育成了矮秧型菜豆新品種青菜豆3號(hào)。

3.2 選擇育種

選擇育種為改良現(xiàn)有品種和創(chuàng)造新品種提供了一種簡(jiǎn)便、有效的育種途徑，是獨(dú)立培育優(yōu)良品種的手段，也是其他多種育種方法中必不可少的一環(huán)。揚(yáng)州市蔬菜研究所從當(dāng)?shù)夭硕棺儺愔曛薪?jīng)6個(gè)世代系統(tǒng)選育，于1984年培育出高產(chǎn)、抗逆性強(qiáng)的早熟蔓生型菜豆新品種揚(yáng)白313，1990年4月通過(guò)江蘇省品種審定委員會(huì)審定[27]。紀(jì)效云等[28]從雙豐2號(hào)變異后代中經(jīng)系統(tǒng)選育，育出耐熱菜豆新品種翠蕓2號(hào)。韓玉珠等[29]通過(guò)系統(tǒng)選育，育成菜豆新品種吉農(nóng)油豆1號(hào)，該品種高產(chǎn)、抗病且品質(zhì)良好，適于吉林省露地栽培，2011年2月通過(guò)吉林省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定。張合龍等[30]由從河北引進(jìn)的唐山菜豆經(jīng)單株系統(tǒng)選育，培育出早熟、豐產(chǎn)且纖維少、品質(zhì)好的菜豆新品種豐旺。宿遷農(nóng)業(yè)科學(xué)院由農(nóng)家品種變異單株經(jīng)系統(tǒng)選育，培育出高產(chǎn)、抗病的優(yōu)良菜豆新品種遷菜豆1號(hào)，并于2015年通過(guò)江蘇省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)鑒定[31]。

3.3 雜交育種

雜交育種可以有預(yù)見(jiàn)性地將親本的優(yōu)良性狀集中于雜種后代上，因而成為菜豆育種的主要途徑之一。經(jīng)過(guò)多年的努力，我國(guó)育種工作者培育出了一系列性狀優(yōu)良的菜豆新品種，為我國(guó)菜豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。吉林市農(nóng)業(yè)科學(xué)院以優(yōu)質(zhì)、寬莢的081自交系為母本，以豐產(chǎn)、抗病的早熟57號(hào)為父本進(jìn)行組合雜交，經(jīng)過(guò)7個(gè)世代的系統(tǒng)選擇，最終選育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)且抗病性強(qiáng)的園豐905，又在此基礎(chǔ)上陸續(xù)選育出園豐906、園豐908等性狀優(yōu)良的菜豆新品種。哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院以商品性好、抗逆性強(qiáng)的將軍油豆為母本，以當(dāng)?shù)刂髟云贩N紫花油豆為父本，經(jīng)連續(xù)6代系譜選育，培育出商品性好、纖維少且高抗炭疽病的哈菜豆9號(hào)及哈菜豆10號(hào)，并以此為基礎(chǔ)陸續(xù)選育出哈菜豆15號(hào)、哈菜豆17號(hào)等一系列高產(chǎn)、抗病的優(yōu)良品種[32]。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所以中蔓生、晚熟、抗銹病品種82-3與蔓生、早熟品種85-1為親本進(jìn)行雜交，將所得抗銹病單株與國(guó)際抗炭疽病鑒定品種Cornell49-242雜交，并導(dǎo)入其抗炭疽病基因，最后將所得抗病株系與品質(zhì)優(yōu)良的87-B雜交，經(jīng)室內(nèi)接種篩選及定向選擇，培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗銹病及炭疽病的品種連農(nóng)架豆36號(hào)[33]。表3展現(xiàn)了菜豆雜交育種部分品種情況。

表3 菜豆雜交育種部分品種情況

3.4 其他育種方法

人工誘變育種，即人為利用物理（X射線、γ射線、α射線、β射線、中子、離子束、激光、空間誘變等）或化學(xué)（烷化劑、核酸堿類似物、無(wú)機(jī)化合物、秋水仙素誘變等）等手段誘發(fā)遺傳變異，在短時(shí)間內(nèi)獲得優(yōu)良突變體以育成新品種的育種方法，人工誘變育種具有雜交育種難以替代的優(yōu)勢(shì)。張健等[48]將菜豆種子經(jīng)衛(wèi)星搭載飛行15 d，回收種植后，利用RAPD分子標(biāo)記分析5個(gè)葉片形態(tài)有變異的突變體的群體及親本材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該突變品系與原始對(duì)照在DNA水平上確實(shí)已發(fā)生了明顯變異。

基因工程育種，即以植物組織、細(xì)胞或原生質(zhì)體為受體系統(tǒng)，導(dǎo)入目的基因，改良作物農(nóng)藝性狀的一種育種方法，使育種目標(biāo)更明確、操作更直接、程序更精簡(jiǎn)。目前，基因工程育種在菜豆上的應(yīng)用較少。蔣向輝等[49]對(duì)菜豆屬和豇豆屬18個(gè)栽培種的IST序列進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與豇豆相比，菜豆IST序列較長(zhǎng)。王全偉等[50]通過(guò)RT-PCR得到1個(gè)菜豆幾丁質(zhì)酶基因家族基因Bchi，并通過(guò)發(fā)根農(nóng)桿菌R1000介導(dǎo)轉(zhuǎn)化煙草，經(jīng)PCR和Southern blot鑒定獲得了4株轉(zhuǎn)基因煙草株系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Bchi基因在煙草中高水平的表達(dá)顯著提高了煙草對(duì)真菌性病害的抗性。

隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，分子標(biāo)記輔助育種也被逐步應(yīng)用于菜豆育種工作中，其可以在分子水平上快速準(zhǔn)確地分析個(gè)體的遺傳組成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)基因型的直接選擇。欒非時(shí)[51]研究表明，菜豆種內(nèi)的遺傳多樣性主要分布于蔓生種群內(nèi)，在所研究的蔓生、矮生、半野生種群中，蔓生種群的遺傳多樣性水平最高，矮生種群其次，半野生種群第3。張赤紅[52]基于SSR標(biāo)記結(jié)果，將377份總樣品聚為6組，其中29份野生菜豆聚在第1組群，與其他樣品無(wú)任何交叉；國(guó)外16份材料中的11份與我國(guó)25份材料聚在第6組。

4 存在問(wèn)題及展望

我國(guó)菜豆種質(zhì)資源豐富，但育種工作與其他主要蔬菜相比還相對(duì)滯后，近幾年在科研人員的不懈努力下，已經(jīng)選育和引進(jìn)了一批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)且抗性強(qiáng)的特色品種，但從另一個(gè)角度看，隨著人民群眾對(duì)菜豆品種需求的日益多樣化，新品種選育也存在亟待解決的問(wèn)題。我國(guó)近幾年雖相繼選育出一部分菜豆新品種，但仍很單一，品種更新速度慢，特別是在針對(duì)現(xiàn)有種質(zhì)資源的利用及創(chuàng)新方面仍與國(guó)外有顯著差距。

在未來(lái)的育種工作中，還應(yīng)不斷引進(jìn)新的菜豆種質(zhì)資源，豐富育種材料，并對(duì)搜集來(lái)的材料進(jìn)行深入研究，為菜豆育種提供明確的優(yōu)良種質(zhì)；以菜豆的全基因組測(cè)序完成為契機(jī)，結(jié)合基因組學(xué)、代謝組學(xué)及蛋白質(zhì)組學(xué)等技術(shù)，對(duì)菜豆種質(zhì)資源進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)制，培育出能滿足新時(shí)期消費(fèi)者需求的菜豆新品種，無(wú)論對(duì)于滿足國(guó)內(nèi)對(duì)菜豆花色品種的需求，還是出口創(chuàng)匯都將具有深遠(yuǎn)意義。