蓖麻分子育種研究進展※

●包春光 朱國立 何智彪 崔 凱 霍玉淼 高 昶袁樸芳 任文靜 黃鳳蘭 ，5※※

（1.通遼市農畜產品質量安全中心 內蒙古 通遼 028000；2.內蒙古民族大學生命科學與食品學院 內蒙古 通遼 028000；3.通遼市農牧科學研究所 內蒙古 通遼 028000；4.內蒙古赤峰市林業(yè)和草原局 內蒙古 赤峰 024000；5.蓖麻育種國家民委重點實驗室/內蒙古自治區(qū)蓖麻育種重點實驗室/蓖麻產業(yè)技術創(chuàng)新內蒙古自治區(qū)工程研究中心/內蒙古自治區(qū)高校蓖麻產業(yè)工程技術研究中心/內蒙古自治區(qū)蓖麻產業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 內蒙古 通遼 028000）

蓖麻（Ricinus communisL.）是大戟科、蓖麻屬一年或多年生雙子葉草本植物，南方為小喬木。蓖麻種子含油量達50%左右，蓖麻油因其特殊的理化性質，已成為重要的工業(yè)用油之選。此外，蓖麻油經(jīng)過裂解、氧化、硫化等處理后的下游產物，在軍工、醫(yī)藥、航空、化妝品等領域廣泛應用。蓖麻油是目前唯一可以代替石油的可再生性綠色油品資源[1]。

中國是世界蓖麻種植大國，但受多種因素影響，蓖麻的種植面積大幅度減少，對產量造成了影響。近年來，現(xiàn)代分子育種技術推動了作物新品種的選育，應用分子生物學技術獲得高產、高油、抗逆的優(yōu)質蓖麻品種成為研究熱點。因此，本研究對蓖麻分子育種研究進行綜述，以期為培育優(yōu)質高產的蓖麻品種提供理論依據(jù)。

1 蓖麻高產分子育種研究

關于蓖麻高產分子育種研究，主要集中在與蓖麻高產相關的兩個性狀——株高和花序方面。

1.1 蓖麻矮化分子育種研究

蓖麻屬無限生長分枝型作物，冠幅較寬，且植株較大，單株占地面積較大，單位面積的株數(shù)少。矮化后的蓖麻具有在同等條件下比高稈蓖麻更強的節(jié)水、抗旱、抗倒伏、利于實現(xiàn)機械化收割等優(yōu)勢，并通過合理密植方式取得良好的肥水反應及較高的收獲指數(shù)，可大幅度提高蓖麻單位面積產量[2]。因此，蓖麻矮化分子育種已成為蓖麻育種的熱點之一。

1.1.1 分子標記技術在蓖麻矮化分子育種中的應用姚遠等[3]采用正交試驗設計方法對矮化蓖麻RAPD-PCR反應體系及擴增程序進行了優(yōu)化，為應用RAPD-PCR技術對蓖麻株高性狀進行研究奠定了基礎。欒世慧等[4]采用RNAi技術在蓖麻矮化研究中進行應用，對蓖麻新品種的選育具有重要意義。陳永勝等[5]采用cDNA-AFLP技術對蓖麻矮稈莖稈差異表達基因進行了分析，結果表明這些基因幾乎涵蓋了與矮化相關的各類基因，涉及細胞生長、分化、信號轉導、轉錄調控、物質與能量代謝及運輸?shù)?，為揭示蓖麻矮化的分子機制找到新的突破口，為培育蓖麻矮化良種奠定了基礎。

1.1.2 基因克隆及表達技術在蓖麻矮化分子育種中的應用翟雨佳[6]對RcGA20-ox基因在典型的高稈和矮稈蓖麻品種不同時期嫩葉中的表達情況進行了分析，表明RcGA20-ox基因是影響植株高矮的主效基因之一。邢超[7]通過對RcGA2ox基因進行篩選并克隆，構建表達載體，獲得轉基因植株并檢測，最終明確了RcGA2ox基因與蓖麻矮化相關。孫華軍等[8]對蓖麻矮化相關基因RcDof進行了克隆，并對其進行生物信息學分析，為進一步研究該基因在蓖麻矮化過程中的作用機制和功能特征提供了理論依據(jù)。王雙等[9]克隆表達矮稈蓖麻天冬氨酸蛋白酶基因（RcAP）并進行蛋白純化，為解析RcAP蛋白晶體結構、探索矮化基因與表型相關性奠定了理論基礎并提供了試驗依據(jù)。

1.1.3 組學技術在蓖麻矮化分子育種中的應用風蘭[10]利用轉錄組測序技術比較了高、矮稈蓖麻中基因表達的變化，初步證明RcBKI1是蓖麻株高發(fā)育過程中的負調控基因，RcGASA9基因在蓖麻株高發(fā)育過程中具有重要的調控功能。代夢媛等[11]利用外源赤霉素（GA）和多效唑（PAC）對蓖麻處理后，將頂端嫩莖進行轉錄組測序分析，結果表明RcGRF可能通過赤霉素途徑調節(jié)蓖麻的株型。

1.2 蓖麻花序發(fā)育研究

世界蓖麻花序發(fā)育的研究有30多年的歷史，研究成果主要集中在中國。蓖麻的花序發(fā)育情況極為復雜，主要有兩種情況：一種是世界上絕大多數(shù)蓖麻雌性系，其植株中出現(xiàn)單雌（也稱雌株，植株的每個花序軸上全部著生雌花）和兩性（也稱雌雄同株，植株的每個花序軸上一般基部著生雄花，頂部著生雌花）兩種類型的花序。另一種是蓖麻Lm型雌性系（標志雌性系），其植株中出現(xiàn)單雌、標雌（植株的每個花序軸上全部著生雌花，同時著生柳葉狀功能葉）和兩性三種類型的花序。研究蓖麻花序發(fā)育對提高蓖麻產量有重要意義。

1.2.1 分子標記技術在蓖麻花序發(fā)育研究中的應用張艷欣等[12]對蓖麻單雌、標雌、兩性系花序不同時期進行了基因組DNA甲基化研究，應用MSAP分析尋找花序發(fā)育相關基因，結果表明參與蓖麻花序發(fā)育調控可能存在4個基因，與之同源的序列編碼蓖麻過氧化物酶體生物合成相關蛋白基因通過外界因素參與過氧化物酶系統(tǒng)影響植物器官的生理變化和生長發(fā)育。

1.2.2 基因克隆及表達技術在蓖麻花序發(fā)育研究中的應用李麗麗等[13-14]研究表明PLC家族PLC2、PLC2M、PLC2N、PLC4、PLC4X2、PLC6基因與蓖麻Lm型雌性系三種花序類型的生長發(fā)育相關，蓖麻PLC基因的表達量對蓖麻花序生長發(fā)育有一定的影響。梁塔娜等[15-16]對蓖麻PIP5Ks基因家族進行了生物信息學分析及RT-qPCR分析，結果表明基因PIP5K1、PIP5K6、PIP5K8、PIP5K9、PIP5K11、PIP5K2與Lm型雌性系植株花序類型的發(fā)育直接相關。陶瑤[17]將蓖麻RcTAW1基因轉入煙草中，結果表明該基因能夠促進煙草花序的發(fā)育。

1.2.3 組學技術在蓖麻花序發(fā)育研究中的應用趙永[18]對不同發(fā)育時期Lm型雌性系的單雌、標雌、兩性系的花序軸進行DNA甲基化含量測定與差異蛋白質組學研究，探究與蓖麻花序發(fā)育相關的基因和蛋白質，為從基因水平和蛋白質水平揭示蓖麻花序發(fā)育的相關分子機理奠定基礎。

2 蓖麻高油分子育種研究

蓖麻種子中脂肪酸及蓖麻油酸含量是蓖麻品質的重要指標。

2.1 分子標記技術在蓖麻高油分子育種中的應用

陳曉鳳等[19-20]采用MSAP和cDNA-AFLP技術，研究不同發(fā)育時期蓖麻種子中脂肪酸含量差異基因的表達，篩選差異條帶，對其進行測序、功能注釋，以期為蓖麻高油品質育種研究奠定基礎。

2.2 基因克隆及表達技術在蓖麻高油分子育種研究中的應用

孫佳欣[21]以蓖麻油酸合成關鍵基因RcPZDAT1-2的啟動子為研究對象，克隆RcPDAT1-2啟動子的全長和缺失序列，通過擬南芥轉化驗證功能，分析該啟動子活性。高艷平[22]以“油蓖5號”蓖麻為試驗材料，利用抑制性消減雜交技術，比較蓖麻不同組織以及胚不同發(fā)育時期的基因表達差異，篩選出與胚發(fā)育相關且調控油脂代謝的關鍵基因，為高油蓖麻新品種的選育研究奠定基礎。

2.3 組學技術在蓖麻高油分子育種研究中的應用

茍亞夫[23]利用生物信息學手段在全基因組水平鑒定了蓖麻RcWD40家族基因，并通過時空表達分析探究了該家族成員對于蓖麻種子發(fā)育的調控作用，預測了其重要成員RcTTG1基因對于蓖麻油酸積累的潛在負調節(jié)功能。

3 蓖麻抗逆分子育種研究

蓖麻因其經(jīng)濟與生態(tài)雙重價值而具有廣闊的應用前景，對蓖麻開展抗逆分子育種研究具有重要的現(xiàn)實意義。

3.1 蓖麻抗寒分子育種研究

3.1.1 基因克隆及表達技術在蓖麻抗寒分子育種研究中的應用王曉宇等[24-26]克隆了蓖麻的兩個液泡膜內源水孔蛋白基因的ORFs，qRT-PCR分析表明該基因受冷脅迫均下調表達，可能有助于抵抗和延緩冷凍誘導的細胞脫水；在冷脅迫下，分析蓖麻RcCIPKs基因的組織特異性表達模式與脫落酸激素誘導下的CIPK表達水平，為進一步創(chuàng)制蓖麻抗冷新種質提供了重要的候選基因；通過qRT-PCR分析發(fā)現(xiàn)磷脂酰肌醇轉運蛋白基因RcSEC14p受冷脅迫下調表達，該基因的下調表達可能會降低蓖麻的抗冷性，為進一步探討該基因是否通過調節(jié)磷脂信號轉導途徑參與冷脅迫響應提供依據(jù)。劉栩銘等[27]克隆蓖麻3個水通道蛋白基因（PIP）的ORF，RT-qPCR分析表明3個基因在響應冷脅迫下可能存在拮抗調控模式，為探索RcPIPs介導的冷適應性調控過程提供重要依據(jù)。

3.1.2 組學技術在蓖麻抗寒分子育種研究中的應用劉栩銘[28]以蓖麻品系“通蓖5號”為材料，進行冷脅迫蛋白質組解析及RcGPX基因的功能研究；利用序列比對法實現(xiàn)蓖麻HSF基因家族成員的全基因組鑒定，分析發(fā)現(xiàn)RcHSF4與RcHSF10受冷脅迫誘導表達，為蓖麻抗冷新種質資源的建立奠定了基礎[29]。

3.2 蓖麻抗旱分子育種研究

3.2.1基 因克隆及表達技術在蓖麻抗旱分子育種研究中的應用韓雯毓等[30-31]通過生物信息學方法鑒定出11個蓖麻WOX轉錄因子家族成員，并對其系統(tǒng)發(fā)育、基因結構、保守基序及理化性質等基本信息進行鑒定與分析，表明RcWOX轉錄因子在蓖麻逆境脅迫中起調控作用；利用RT-qPCR技術檢測了根、莖、葉不同組織中的5個基因在干旱與鹽脅迫下的表達情況，結果表明，RcGRASs在不同組織中的表達具有特異性，干旱與鹽脅迫誘導RcGRAS14、RcGRAS21、RcGRAS35的表達，抑制RcGRAS1、RcGRAS10的表達，為進一步研究GRAS轉錄因子在非生物脅迫中的功能提供參考。

3.2.2 組學技術在蓖麻抗旱分子育種研究中的應用趙永[32]以PEG-6000對蓖麻進行干旱脅迫，對根系進行轉錄組學和蛋白質組學關聯(lián)分析，共獲得 95個差異基因，其中大部分DEGs與DAPs正相關，但表達豐度存在差異；轉錄組學和蛋白質組學關聯(lián)分析表明，差異基因參與的代謝途徑主要包括碳水化合物代謝、苯丙烷生物合成代謝、類黃酮生物合成代謝、氧化磷酸化代謝、氨基酸合成和分解代謝；基于組學數(shù)據(jù)篩選出4個類受體蛋白激酶基因（SPKATPK2、CDPK33、CDPK26和SPKBSK7），在PEG-6000脅迫下基因表達量均發(fā)生了改變。

3.3 蓖麻耐鹽分子育種研究

3.3.1 基因克隆及表達技術在蓖麻耐鹽分子育種研究中的應用張繼星等[33]開展了蓖麻耐鹽基因RcKUP 7的克隆及分子特征分析；叢嬌嬌等[34]開展了蓖麻耐鹽基因HKT的克隆及表達載體構建。段瓊等[35]探究了鹽脅迫下蓖麻RcCNGC2基因在根、莖、葉組織中6個時間點的表達量變化，結果表明RcCNGC2在蓖麻受到鹽脅迫時起重要信號傳導作用。這些研究為后續(xù)的基因功能驗證和抗逆基因工程改良研究具有重要意義。

3.3.2 組學技術在蓖麻耐鹽分子育種研究中的應用雷培等[36]通過對比經(jīng)過耐鹽處理的兩個品種（栽培蓖麻和野生蓖麻）轉錄組學的DEGs，發(fā)現(xiàn)栽培蓖麻的核心區(qū)及其家系比野生蓖麻積累更多，為研究蓖麻的鹽分適應機制和遺傳改良提供了新的思路。張麗雪[37]在鹽脅迫下種子萌發(fā)期的蛋白質組學數(shù)據(jù)中，篩選出上調表達蛋白類谷胱甘肽轉移酶RcDHAR，利用qRT-PCR分析其在鹽脅迫下蓖麻苗期表達特性，發(fā)現(xiàn)其在蓖麻根、莖、葉均有表達，且具有組織表達差異性，為蓖麻耐鹽分子育種提供理論參考。

3.4 蓖麻抗重金屬分子育種研究

蓖麻作為一種對重金屬具有很強的耐受性和富集性的油料作物，近年來被研究學者們廣泛關注，研究主要集中在銅（Gu）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）等重金屬脅迫下蓖麻生理響應、營養(yǎng)物質積累和轉運、代謝調節(jié)規(guī)律、修復能力評價等方面，分子育種方面的研究相對較少。趙慧博[38]以水處理的蓖麻植株作為對照，以300，700，1000 mg/L三種劑量Cd脅迫處理下的根系為研究材料，開展差異蛋白質組學和比較代謝組學研究。差異蛋白質組學研究共鑒定出217個差異蛋白質，這些蛋白質在3種劑量Cd脅迫處理下顯示出不同的積累，主要參與防御解毒及能量代謝、光合作用、細胞程序性死亡及急性氧化應激。比較代謝組學研究共鑒定出143個差異代謝物，其中有機酸、脂質類、黃酮類化合物等代謝物數(shù)量積累顯著。

3.5 蓖麻抗病分子育種研究

3.5.1 分子標記技術在蓖麻抗病分子育種中的應用陳森等[39]用YC2×YF1抗感組合的F2群體在兩個環(huán)境中對蓖麻枯萎病抗性進行了QTL定位，遺傳分析表明，群體中枯萎病抗性呈連續(xù)性偏態(tài)分布，后代表型偏抗性親本。

3.5.2 基因克隆及表達技術在蓖麻抗病分子育種研究中的應用覃碧等[40]對蓖麻基因組的Mlo基因家族成員進行鑒定及其序列特征分析，結果顯示，蓖麻RcMlo3、RcMlo2、RcMlo6和RcMlo12與已知的抗病Mlo基因分別聚在第Ⅳ和第Ⅴ類，這為進一步培育蓖麻抗病品種奠定基礎。

3.6 蓖麻抗除草劑分子育種研究

3.6.1 基因克隆及表達技術在蓖麻抗除草劑分子育種研究中的應用楊俊芳[41]在蓖麻上首次采用農桿菌介導萌動種胚轉化法，同時結合花粉管通道法開展蓖麻抗草甘膦基因遺傳轉化的研究，通過這兩種方法分別摸索出了適合蓖麻的遺傳轉化條件，并獲得了抗草甘膦蓖麻植株。李思琪等[42]以“通蓖5號”大穗型蓖麻為試驗材料，利用根癌農桿菌介導法將bar基因遺傳轉化蓖麻子葉節(jié)，得到具有草銨膦抗性的轉基因蓖麻植株。羅蕊[43]以“蓖麻2129”為試驗材料，以重疊延伸PCR的方法，克隆出抗草甘膦基因EPSPS和抗草銨膦基因bar，通過構建表達載體pCAMBIA3301-bar-EPSPS，利用農桿菌介導法將EPSPS和bar基因同時轉到蓖麻內，最終獲得同時具有草甘膦和草銨膦抗性的蓖麻植株。

3.6.2 組學技術在蓖麻抗除草劑分子育種研究中的應用趙慧博等[44]對雙抗除草劑蓖麻（轉抗草甘膦的EPSPS基因、抗草甘膦的bar基因）與非轉基因對照進行差異蛋白質組學研究，結果表明，雙抗除草劑蓖麻植株中有20種蛋白質的含量存在差異；其中9種蛋白參與了光合作用，并與bar基因的作用機制間接相關；8種蛋白質參與防御、修復、應激反應、氧化磷酸化和代謝途徑，并與EPSPS基因的作用機制間接相關。這些結果為抗除草劑蓖麻品種的選育奠定了基礎。

4 展望

目前蓖麻分子育種研究存在如下問題：一是蓖麻高產、高油、抗逆分子育種研究中，大量的文獻集中于抗逆分子育種研究方面，而高產、高油分子育種方面的研究相對較少；二是蓖麻高產、高油、抗逆分子育種研究的每一個方面，對機理機制的闡述都需要進一步深入；三是通過分子育種研究得到的蓖麻新材料或新品種還很少，需要進一步加強。

隨著分子育種技術或手段的進步和多樣化，蓖麻分子育種研究將愈發(fā)深入，將會獲得更多生產中急需的蓖麻新材料或新品種，從而加速蓖麻產業(yè)的發(fā)展。