冯慧敏,陈 友, 武耀廷

(1.三亚市热带植物分子育种重点实验室 海南热带海洋学院, 海南 三亚 572022；2.海南大学,海口 570228)



基于基因组学的香蕉种质资源遗传多样性与进化研究进展

冯慧敏1,2,陈 友1, 武耀廷2

(1.三亚市热带植物分子育种重点实验室 海南热带海洋学院, 海南 三亚 572022；2.海南大学,海口 570228)

香蕉为芭蕉科芭蕉属大型单子叶草本果树,是发展中国家第四大重要作物.大多数栽培香蕉源自A和B两个基因组,除此以外S和T基因组也参与了现有香蕉栽培品种的基因组成.但是香蕉的野生基因型与栽培品种之间的关系一直让育种人员和科学家困惑不解,对香蕉种质资源遗传多样性与进化的研究是比较活跃和发展很快的领域.文章从细胞器基因组学和核基因组学综述了香蕉种质资源遗传多样性与进化的研究进展,大量科学研究表明,M.acuminata和M.balbisiana的细胞器基因组差别很大,但是对香蕉基因型的鉴定应结合它们的叶绿体、线粒体和核基因型来进行.展望了香蕉种质资源遗传多样性与进化研究的方向.

香蕉；细胞器基因组；核基因组；育种

0 引言

香蕉(Musaspp)为姜目(Zingiberales)芭蕉科(Musaceae)芭蕉属(MusaL.)大型单子叶草本果树[1],是发展中国家第四大重要的作物,为全球约4亿人口提供充足的食物来源.

1747年,Georgius Everhardus Rumphius首次对可食用香蕉进行描述.1820年,Luigi Aloysius Colla最早地对有种子的野生香蕉植株做出记载.1948年,Cheesman将MusaacuminataColla和MusabalbisianaColla与当时已知的其余香蕉物种区分开[2].1865年,Kurz提出,真蕉组(Sect.Eumusa)的大多数可食用香蕉源自M.acuminata和M.balbisiana这两个野生种的种内或种间杂交,这些栽培品种普遍倍性较高,多为三倍体,这一假设直到1948年由Cheesman证实.1955年,Simmonds和Shepherd创立了以M.acuminata和M.balbisiana的形态学性状为基础的香蕉种质资源分类评分系统.这一系统在描述不同倍性的混合基因型的香蕉特征上非常成功[3],它将栽培香蕉分为五种主要基因组(AA、AB、AAA、AAB、ABB)[1，4].随后,更多的新证据表明现今栽培香蕉还具有其它基因组,如S(M.schizocarpa)和T(M.textilis)基因组.A、B和S基因组代表单倍体染色体数为11的Eumusa组(新命名为Musa)物种,而T基因组则代表单倍体染色体数为10的Australimusa组物种.不过大多数栽培香蕉源自A和B两个基因组.

但是,数百年来,这些野生基因型和栽培品种之间的关系一直让育种人员和科学家困惑不解.香蕉栽培品种的进化历史一直是未解决的难题.科学家们先后运用了形态特征[4]、细胞学标记[5-6]、类黄酮等生化标记[7]、酶多态性标记[8]等对香蕉种质资源的遗传多样性和进化进行研究,随着PCR技术的改进,直接研究基因组学技术的出现,使得香蕉种质资源的遗传多样性和进化研究进入基因组学领域.

植物细胞内存在三种截然不同的基因组:叶绿体基因组、线粒体基因组和核基因组.M.acuminata的核基因组大小为613 Mbps,M.balbisiana的核基因组稍小,为564 Mbps[9].与核基因组相比,香蕉的细胞器基因组要小得多,叶绿体基因组大小在0.13-0.14 Mbp之间,而线粒体基因组的确切大小目前还不得而知,估计在0.4-0.5 Mbp之间.芭蕉属中,叶绿体基因组强烈偏向母系遗传,而线粒体基因组则是严格的父系遗传[10].单亲遗传排除了重组的可能性,其对应的基因组仅通过突变来演化.因此,分别对芭蕉属细胞器基因组的研究为构建芭蕉属基于叶绿体基因组和线粒体基因组的母系和父系系谱提供了绝佳的机会.

1 单亲遗传细胞器基因组的遗传分析

对香蕉细胞器基因组多态性的研究主要采用三种方法.首先,采用Southern杂交法,利用不同的DNA探针识别香蕉细胞器的多态性.然后,基于植物中叶绿体基因组[11]和线粒体基因组[12]的高水平序列相似性,开发出通用的细胞器特异性PCR引物.根据这些引物,采用PCR-RFLP分析或直接测序的方法鉴定生成片段的多态性区域或序列.

Gawel和Jarret[13]首次利用不同的叶绿体探针(Lactucasativa及Oncidiumexcavatum)和Southern分析发表了香蕉中第一个基于叶绿体DNA的标记和系统进化分析.该分析首次基于细胞质分组明确区分了M.acuminata和balbisiana两个野生种.几个假定的M.acuminata×M.balbisiana三倍体杂交种的区分不明显.此外,Cavendish品系的一个品种Grande naine的叶绿体基因组也被证实与M.acuminataspp.malaccensis的叶绿体基因组类似.这些结果表明,细胞质标记的应用可能对重建当今品种原始祖先杂交或突变的机制有所帮助.之后Gawel and Jarret[14]利用同样的方法研究芭蕉属植物种间的关系,结果表明M.textilis(Australimusa)的叶绿体基因组与M.balbisiana(Eumusa)具有较近的亲缘关系,可能具有共同的祖先.随后,Carreel 等[15]进行了一个综合研究,基于大量香蕉种质的叶绿体和线粒体基因组的Southern分析,明确了acuminata、balbisiana和schizocarpa基因组的9种叶绿体和9种线粒体.Umali[16]利用PCR扩增,通过对叶绿体的rpl16和rpl14基因间隔区测序识别SNPs,区分多种Cavendish品系内的品种.随后,Umali和Nakamura[17]报道了一个SNP标记,该标记可以区分出acuminata和balbisiana的叶绿体基因组上的trnL-F基因间隔序列,并描述了M.acuminataspp.banksii的特异性缺失. Nwakanma等[18]根据叶绿体和线粒体PCR-RFLP标记,构建了多种芭蕉属植物的组间关系,结果表明与M.acuminata的亚种相比,M.balbisiana的细胞器基因组在进化上更加原始.他还认为芭蕉属植物存在两条进化路线,一条包含Australimusa和Callimusa,另一条包含Eumusa和Rhodoclamys,结果表明M.balbisiana属于Australimusa/Callimusa世系,推断它们的细胞器基因组具有共同的起源.根据部分叶绿体PCR-RFLP标记, Ge等[19]对M.balbisiana的种群进行了分析,揭示了分布在中国南方两块区域的M.balbisiana种群具有截然不同的叶绿体基因组. Swangpol等[20]通过分析叶绿体基因组中的SNP变异,对栽培品种进行谱系分析,发现杂交品种的形成至少涉及2种M.balbisiana的参与,也确认了之前Gawel and Jarret[13]的发现,该发现认为,Cavendish品系Grande naine品种可能拥有一个源自M.acuminatassp.malaccensis的叶绿体基因组.

上述研究表明,M.acuminata和M.balbisiana的细胞器基因组差别很大,而M.acuminata的多样性对于区分部分形态学亚种十分有用.M.balbisiana至今还未发现有亚种,但是Ge等[19]的研究表明中国M.balbisiana的种群内存在截然不同的分支.

单亲遗传基因组在进化中易发生突变,而大多数香蕉品种因单性结实而不育.因此,一个可能的假设是,最初的栽培品种形成时,古细胞器基因组困在现存品种中,未发生巨大改变.鉴于现今的野生种是古代物种的后代,将这些野生种与现今栽培品种比较可以识别共同源头的基因库.关于某些杂交种的分析显示,它们中无一有类似野生种的叶绿体/线粒体组合.杂交品种中最常见的细胞型结合了西部最丰富的叶绿体类型和东部最丰富的线粒体类型,表明“西部”(malaccensis,siamea,zebrina,burmannica,burmannicoides)和“东部”(banksii,errans)野生种的杂交.

2 基于核基因组DNA序列多样性的遗传分析

大量基于DNA序列多样性的分析方法已被用于揭示香蕉个体/栽培品种或野生种/亚种之间核DNA序列的差异.产生PCR多态性条带的最简单方法是RAPD或AFLP,它们是显性标记,不需要事先知道基因组序列,但是它们不能排除细胞器DNA的影响.因为大多数情况下,都是提取香蕉细胞总DNA进行分析.不过,总是假设大多数的条带代表的都是核基因组的区域.另外,根据核基因组的高度重复序列[21]和转座子序列元件[22]的特殊序列还开发出了另一种显性能绘制出核基因组特异性带谱,提供一种显性标记,它们在应用时需要基因组待分析区域的前后序列信息.同样需要分析区域前后序列信息的标记还有SSR、RFLP和SNP,不过它们都是共显性标记.最近一些高通量技术,如DArT[23]和TILLING[24],用于大规模鉴定有序列多样性的基因组区域,这些区域最终可被用作遗传标记.

很多显性标记如RAPD和AFLP被用来试图阐明基于核基因组的遗传变异性.这些简单易行的技术被频繁地用来评估本土香蕉种群的变异性[25-29]及种间差异[30].Ude等[26]利用AFLP对M.acuminata的野生型和栽培种进行分析,可明显地分为三个亚组/基因型,分别为ssp.microcarpa、ssp.malaccensis和ssp.burmannica.Carreel等[31]采用Southern-RFLP技术,利用30对核标记对M.acuminata全部11对染色体进行分析,提出四组形态亚种(Pole1banksii,errans, Pole2zebrina,microcarpa, Pole3burmannica,burmannicoides,siamea; Pole4malaccensis). SSRs的标记也常常用于芭蕉属的遗传多样性研究,只是物种特异性等位基因还未被发现.Grapin等[32]将M.acuminata的形态亚种划分为4个基因库,分别为ssp.malaccensis、ssp.zebrina、ssp.banksii和ssp.burmannica,而Perrier等[33]利用核SSR标记将M.acuminata的形态亚种划分为5个基因库,分别为ssp.banksii、ssp.siamea/burmannica、ssp.malaccensis、ssp.zebrina和ssp.microcarpa.核糖体45S区域的特殊序列变异也被用于M.acuminata和M.balbisiana的遗传变异分析[18].Boonruangrod等[34]还开发了研究种间及M.acuminata亚种间特异性的特异标记SNP-PCR.其之后的研究证实并结合Carreel[31]、Grapin等[32]、Ude等[26]和Perrier 等[33]的发现,将形态亚种分成4个基因库,而这些基因库呈现明显的地域分布.然而,尽管Ge 等[19]基于SSR标记认为M.balbisiana种群内存在分支,种内分析表明M.balbisiana的种内变异不大.综上所述,采用几种不同方法对M.acuminata核基因组进行分析,将地理分布接近的形态亚种分为4个基因库,分别为1/banksii,errans,microcarpa, 2/burmannica,burmannicoides,siamea, 3/zebrina和4/malaccensis.

3 基于细胞器基因组与核基因组的遗传多样性分析

早前的研究主要是将形态数据与核DNA标记或细胞器DNA标记结合起来进行比较分析.近来, Boonruangrod等[35]建议对基因型的鉴定应结合它们的叶绿体、线粒体和核基因型来进行.利用这一方法,所有基于形态特征的M.acuminata的主要亚种都可以利用分子标记来明显区分,而M.balbisiana的部分多样性基本上也可通过细胞器基因组识别出.根据这一研究并且考虑到它们的地域分布,9种形态亚种可能减少至5种基因型,保留ssp.malaccensis和ssp.zebrina,而ssp.banksii和ssp.errans, ssp.microcarpa和ssp.truncata, ssp.burmannica, ssp.burmannicoides和ssp.siamea建议合并为3组.

形态学和分子工具显示,大多数可食用栽培品种来自M.acuminata和M.balbisiana的种内或种间杂交种.由于M.acuminata及其亚种都显示出高多样性,而这些亚种显示出特别的地理分布,因此监测这些亚种对现今品种所起作用将为香蕉育种提供有价值的信息.最近,Boonruangrod等[34]开发了基于45s rDNA位点的亚种特异性PCR工具以分析杂交种,这使得研究人员可以确定M.acuminata亚种在品种形成中所起作用.结合细胞器与核遗传数据可以确定在现今品种进化过程中发生的推定杂交[35].常用形态标记表明在acuminataxbalbisiana杂交种的表型性状出现意外、不平衡的外观.对此的解释可能是在栽培品种发展的早期阶段,基因组之间的信息发生改变.根据细胞器和核多样性数据, De Langhe等[36]认为在香蕉杂交种早期进化中,可能出现的回交有重要意义,因为这是基因组失衡发展的推定源泉.

4 结论与展望

芭蕉属和M.acuminata亚种的形态学区别得到了分子分析的确定,特别是基于DNA标记系统的证实,该标记系统还证实了形态学家所做的出色工作.根据基于DNA的分子研究结果,将重新思考小果野蕉的亚种分类.

分子标记,特别是基于DNA的标记,证实小果野蕉在亚种或品种水平上对杂交基因型所作的贡献,这也为香蕉育种提供有价值信息.

在今后的研究中需进一步开发适当进化速率的核基因组和细胞器基因组标记,采用更大的样本进行分析.现有研究中对我国分布的野生蕉和栽培蕉材料基本空白,应弥补这方面的欠缺.另外,M.acuminata的全基因序列已发布,M.balbisiana的全基因测序也在进行,下一步,有必要从转录组学、蛋白质组学等方面更加深入地研究香蕉的遗传多样性及进化,最终有针对地指导香蕉育种工作的进行.

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(编校：何军民)

Research Progress of Genetic Diversity and Evolution of Bananas Based on Genomics

FENG Hui-min1,2, CHEN You1, WU Yao-ting2

(1.Key Laboratory of Tropical Crop Molecular Breeding of Sanya,Hainan Tropical Ocean University, Sanya Hainan 572022, China; 2. Hainan University, Haikou 570228, China)

Banana, the fourth most important crop in the developing countries, is a large monocotyledonous herbaceous fruit which belongs toMusa, Musacae. The majority of the cultivated bananas are derived from the A and B genomes, whereas the additional genomes such as S and T also contribute to the genomes of currently cultivated bananas. However, the relationship between wild genotype and banana cultivars has puzzled breeders and scientists. Consequently the research field of genetic diversity and evolution of banana germplasm resources is very active and growing fast. Reviewed are the genetic diversity and evolution progress of banana germplasm resources, based on organelles genomics and nuclear genomics researches. A large number of scientific researches show thatM.acuminataandM.balbisianavary greatly from the organelle genomes, but the identification of banana genotypes should be combined with their chloroplast, mitochondrial and nuclear genes. The future research direction of genetic diversity and evolution of banana germplasm resources is looked to.

banana; organelle genome; nuclear genome; breeding

2016-09-22

国家自然科学基金(31440075)；海南省自然科学基金(314083)

冯慧敏(1983-),女,四川自贡人,海南热带海洋学院生命科学与生态学院讲师,硕士,研究方向为作物遗传育种学.

武耀廷(1962-),男,河南驻马店人,海南大学研究员,博士,博士生导师，研究方向为作物遗传育种学.

S668.1

A

1008-6722(2016) 05-0087-05

10.13307/j.issn.1008-6722.2016.05.17