张永芳

（山西大同大学农学院，山西大同 037009）

马铃薯分子育种研究进展

张永芳

（山西大同大学农学院，山西大同 037009）

马铃薯分子育种主要包括分子标记育种、转基因育种和分子设计育种三个方面.本文综述了近年来马铃薯分子育种国内外研究进展；指出发展我国马铃薯分子育种研究迫切需要解决的几个关键问题,并对利用分子育种技术改良马铃薯前景进行了展望.

马铃薯分子育种 分子标记辅助育种 转基因育种 分子设计育种 基因组学

马铃薯(Solanum tuberosum L)是世界上重要的粮菜兼用型作物,在人们日常生活和国民经济中起着举足轻重的作用.然而,在目前马铃薯生产中,一方面,病虫害等问题严重限制了马铃薯产业的发展,另一方面,随着人们生活水平的提高,为了满足人民营养水平提高的需要,如何实现优异目的基因在育种后代群体定向快速转移,提高优良育种后代的选择效率成为马铃薯育种学家们探索的重要课题.由于传统育种须先进行品种或品系间的杂交,然后从后代中通过表现型观察选择理想的重组基因型,不仅需要的周期长,而且耗力.自从基因学说建立以后,育种家们就希望变表现型选择为基因型选择.近年来,拟南芥、水稻等基因组测序的完成、马铃薯基因组测序和EST测序项目的开展为马铃薯从分子水平上进行遗传操作提供了重要的理论基础.马铃薯分子育种包括分子标记育种、转基因育种和分子育种3个方面.本文针对国内外马铃薯分子育种的研究进展状况作一概述,并提出我国分子育种中可能存在的问题及解决措施,为马铃薯分子育种研究提供理论及实践参考.

1 马铃薯分子育种研究进展

1.1 分子标记辅助育种

马铃薯分子标记辅助育种是育种的重要环节,在选择后代群体优良基因型中起着重要的作用.

1.1.1 分子遗传图谱的构建

分子遗传图谱是通过遗传重组交换结果进行连锁分析后所得到的基因在染色体上相对位置的排列图.它是分子标记辅助育种最基础的工作之一.早在1988年美国康奈尔大学Tanksley实验室及德国马普Gebhart实验室,首先利用RFLP标记分别构建了第一个马铃薯的遗传连锁图谱[1].1992年构建了一个密度更大的马铃薯RFLP图谱[2].之后,DNA标记的研究立即成了一个非常活跃的领域.一些实验室利用AFLP、RAPD、SSR、CAPS、SCAR、EST、STS和COS等标记来构建连锁图谱,进一步丰富了马铃薯遗传连锁图谱的标记数量,增加了图谱饱和度[3,4].到目前马铃薯有多达十几个包含大量各种不同标记类型的高密度连锁图.Menendez[5]等 (2002)用RFLP和AFLP标记相结合构建了两张遗传图谱[5].荷兰瓦赫宁根大学计划构建一个超过1 600个AFLP标记的超高密度马铃薯连锁图谱[6],目前已完成超过10 000个标记.我国金黎平[7](2006)采用AFLP和SSR分子标记技术构建了包含17个主要连锁群、由152个AFLP标记和6个SSR标记组成的国内首个马铃薯遗传连锁图谱.后利用该组合及其125份杂交一代无性系进行AFLP分析,构建与24条染色体对应的AFLP分子连锁图谱.目前正在利用SSR、CAPS和SCARS等共显性遗传标记对图谱进行加密[8].

1.1.2 马铃薯重要性状基因的标记和定位

到目前为止,国内外已标记和定位了一批重要性状基因.Hamalaine[9]等(1997)利用RFLP标记技术结合BSA(bulked segregant analysis)分析方法对Solanum tuberosum subs.andigena抗性基因Y进行分子标记筛选和定位,共筛选到4个RFLP标记. Bradshaw[10]等(2006)利用RFLP标记结合BSA分析方法对抗晚疫病基因进行筛选和定位,筛选到2个与抗性紧密连锁的标记.Bradshaw[11]等(2008)又利用AFLP和SSR标记对马铃薯的产量性状、农艺性状、质量性状进行区间定位,并检测到有39个QTL与以上性状相关.到2006年,马铃薯已经有26个性状被标记[12],被标记的性状如抗性包括抗青枯病[13]、抗晚疫病[10]、抗病毒[14]等,形态、品质性状包括炸片颜色[15]、块茎性状[11]、出芽性状[11]以及耐旱性[16]等.我国马铃薯分子标记的性状以抗性性状最具有代表性.郜刚[17]等(2005)利用AFLP标记结合BSA分析方法对与马铃薯青枯病抗性连锁的分子标记进行了分析,获得了4个与马铃薯青枯病抗性相关的AFLP标记,将其分别定位于染色体1和12上.后郜刚[18](2000)等又综合利用RAPD、SSR、AFLP三种标记技术对马铃薯二倍体及其分离世代群体ED和CE进行青枯病人工接种鉴定,并筛选和定位了抗性相关的分子标记.徐建飞[19](2009)等以含有晚疫病抗性基因R11的材料MaR11和不含已知抗性基因的品种Katahdin为亲本进行有性杂交,对获得的F1分离群体的83个基因型进行了晚疫病菌株接种鉴定和遗传分析.结果表明,R11为主效单基因,由此开发了6个与R11连锁的分子标记,将R11定位于11号染色体长臂末端.

1.2 马铃薯转基因育种

马铃薯是最早获得转基因植株的作物之一,也是进入田间试验品种最多的转基因作物之一[20],80年代以来,马铃薯遗传转化系统日趋成熟,但投放市场的转基因品系并不多[21].Liu[22](1994)等报道将烟草渗透素基因导入马铃薯,在转化马铃薯中组成性表达渗透素,转化植株叶片经致病疫酶孢子悬浮接种后显示出病症发育的延迟.Hemenway[23,24](1990)报道PVX、PVYc基因在马铃薯中的表达.美国孟山都公司(1990)首次获得了表达PVX+PVYc的转基因品系[25-26].Chakraborty[27](2000)等利用农杆菌介导法将菜白蛋白(AMA1)转入马铃薯中,获得营养价值含量高的马铃薯.Yang[28](1998)等将旨在改善氨基酸平衡的CAT-HEAAE融合基因导入马铃薯.随着生物技术的发展,我国马铃薯育种工作者也已经开始系统地利用转基因技术开展马铃薯育种新材料、新方法的研究,并取得了长足的进步.甘肃农业大学采用农杆菌介导的遗传转化技术将淀粉合成过程中的关键酶基因glgC导入马铃薯栽培品种,获得转基因植株;将诱导非寄主过敏性反应的hr基因导入马铃薯中,获得转基因植株并进行检测[29].中国科学院微生物研究所、北京大学、内蒙古大学相继进行了马铃薯病毒病外壳蛋白基因的研究,完成了PVX、VYHE、PLRV外壳蛋白基因的克隆和序列分析,获得了转基因马铃薯植株[30].张宁[31](2005)等用农杆菌介导法获得了转rd29A马铃薯植株.此外转移的外源目的基因还有:Osmotin蛋白基因[32]、HarinEa蛋白基因[33]、HAL1基因[34]、PPase基因[35]、Bt(苏云金芽孢杆菌毒蛋白)基因[36]、半夏凝集素ta抗虫基因[37]、I(蛋白酶抑制剂)基因[38]、抗真菌基因[39]、玉米10 Ku醇溶蛋白基因[40]等.

1.3 马铃薯品种分子设计育种

作物品种分子设计是指根据作物的育种目标和生长环境,在计算机上设计最佳方案,然后再实施育种方案.万建民[41](2006)认为,作物品种分子设计育种将在庞大的生物信息和育种家的需求之间搭起一座桥梁,将大幅度提高传统育种效率,使得经验育种变为精确育种.

1.3.1 马铃薯结构基因组研究

到2006年底,NCBI已公开公布马铃薯序列信息23万条[12].马铃薯基因组大小约840 Mb[42].目前, GSC集合多个国家用BAC-by-BAC技术共同绘制马铃薯全基因组核酸序列图,其中项目发起国荷兰测序最多也最快,中国承担Ⅲ号和Ⅺ号两条染色体测序工作进展也比较快.测序进展见 (htt://www.otatogenome.net/!@StatusPane.html).由于马铃薯计划测定全基因组多,距离总目标的完成还有大量的工作要做[43].

1.3.2 马铃薯功能基因组研究

采用比较基因组学方法,田振东[44](2003)等利用抑制差减杂交技术分离马铃薯晚疫病抗性相关基因.冯洁[45](1999)等成功克隆了32 kD抗菌蛋白的cDNA分子.刘海英[46](2008)等克隆了马铃薯无机焦磷酸酶基因cDNA.

2 存在的问题及解决措施

目前我国马铃薯分子育种不足及解决措施主要有:①标记时所选的性状不够明确.应选用常规育种比较难以选择的且经济价值重大的重要性状.②标记数目较少,饱和度不够.需要进一步加密遗传图谱.③ 新型的技术如SNP、基因芯片(Gene chip)技术在国外遗传图谱构建及基因分析中已经被大规模应用,然而在我国相对研究较少,严重限制了遗传育种的研究速度.应加大对马铃薯分子育种的投入,加快引进并开发优势分子标记研究工具,提高我国马铃薯育种的水平.④分子育种的发展离不开常规育种,分子育种应该辅助常规育种来选择优异基因,把常规育种放在主导地位.

3 展望

随着分子生物学理论与生物信息学的迅猛发展,分子育种技术已成为马铃薯育种研究领域的热点.目前,国内外研究人员应用分子标记技术在马铃薯中图谱的构建、性状相关基因的定位、基因的克隆以及序列的测定等方面已取得实质性进展,为马铃薯分子标记辅助育种奠定了一定的基础,展示了分子育种广泛的应用前景,然而我们应该认识到常规育种方法仍然是今后育种的主要研究方向,分子技术育种现在还处于探索阶段,要想取得成功还需要不断地积累新的经验和知识.

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Advances o f Research o n The Potato M olecular Breeding

ZHANG Yong－fang
（Schoole of Agronomy，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009）

Potatomolecular breeding entailsmarker－assisted selection breeding，transgenic breeding and crop breeding by design.This review summarizes the research progress about potato molecular breeding in china and other countries in recent years.Some important problems about potatomolecular breeding are also discussed and the prosect of potatomolecular breeding on technical improvement is discussed and previewed.

potato；m olecular breeding；m arker－assisted breeding；t ransgenic breeding；breeding by design；g enomics

S33

A

〔编辑 杨德兵〕

1674-0874(2010)03-0056-04

2010－02－28

张永芳（1982－），女，山西应县人，硕士，助教，研究方向：植物生理及分子生物学.