煙草種質(zhì)資源分子標記與配合力遺傳效應研究進展

煙草種質(zhì)資源分子標記與配合力遺傳效應研究進展

卷煙是茄子科的一種重要植物。我國是世界上最大的煙草生產(chǎn)國和消費國,煙草的種植面積和總量占全世界的1/3以上。由于對煙草種質(zhì)資源遺傳多樣性與親緣關(guān)系缺乏明晰的了解,品種配合力也不清楚。因此,雜交育種的親本利用存在盲目性大、預見性差等問題。僅以親本表型差異選配雜交組合,其雜交后代所選育材料在產(chǎn)量、品質(zhì)及抗性等方面往往難以達到預期的育種目標。為提高我國煙草基礎(chǔ)科學核心競爭力,必須十分重視煙草分子生物學基礎(chǔ)科學和煙草種質(zhì)資源遺傳多樣性與親緣關(guān)系的研究;尤其要加強煙草配合力、遺傳效應及雜種優(yōu)勢的利用研究,這對提高我國煙草育種效率和水平有十分重要的科學意義。本文重點綜述和討論了煙草種質(zhì)資源分子標記與雜種優(yōu)勢利用進展,以期為煙草遺傳育種科學的發(fā)展提供一些有益的見解。1rapd標記在品種間的擴增和聚類分析種質(zhì)資源遺傳多樣性是生物多樣性研究的核心,它可反映出物種的遺傳基礎(chǔ)、育種潛力和利用價值,對有利基因的發(fā)掘、保護和利用具有重要意義。由于分子標記能直接從DNA水平上反映作物的遺傳變異和親緣關(guān)系,因此近十多年來DNA分子標記的研究和應用得到了廣泛重視,并取得了較大進展。Coussirat對32個煙草品種進行了RAPD分析,從160個引物中篩選出9個(5.63%)引物擴增的29條帶顯示了品種間的多態(tài)性,聚類分析可將32個煙草品種區(qū)別開來。許明輝等對來源于中國和美國的23個烤煙和曬晾煙品種進行了RAPD分析。結(jié)果表明:在235個隨機引物中篩選出多態(tài)性引物16個,擴增出128條帶,其中46條帶在品種間表現(xiàn)多態(tài)性。建議將RAPD技術(shù)應用于煙草品種鑒定。肖炳光等利用RAPD標記研究了29個烤煙品種的分子指紋和遺傳關(guān)系,將參試品種分為3個類群,并發(fā)現(xiàn)云南烤煙品種存在遺傳基礎(chǔ)狹窄的問題,建議選用一些遺傳關(guān)系較遠的品種進行親本選配。王志德等對24個不同類型煙草核心種質(zhì)進行了RAPD標記,得出種質(zhì)間遺傳差異并不完全取決于煙草栽培類型間的差異,而與種質(zhì)間的遺傳演化關(guān)系有關(guān);野生種與栽培種間存在較大的遺傳差異。楊本超等利用ISSR標記分析了24份有代表性烤煙品種的遺傳多樣性,分子聚類分析表明,24個烤煙品種可分為5類,類群內(nèi)品種間遺傳多樣性較低,需要拓寬烤煙種質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)。同時,利用2個多態(tài)性好的ISSR引物可以將這24份烤煙品種區(qū)分開,每個品種都有各自獨特的指紋圖譜,表明ISSR標記適于煙草品種鑒定和遺傳多樣性研究。祁建民等應用ISSR標記,對煙草屬(Nicotiana)4個種30份材料的遺傳多樣性進行分析,結(jié)果顯示,種間遺傳相似系數(shù)在0.20~0.92之間,表現(xiàn)出豐富的遺傳多態(tài)性。系統(tǒng)聚類結(jié)果顯示,N.glutinosa、N.suaveolens、N.Gossei3個野生種間存在較大的遺傳差異,遺傳相似系數(shù)在0.20~0.58之間;27份栽培品種種內(nèi)遺傳相似性相對較高,在0.52~0.92之間,顯示出栽培種內(nèi)的遺傳基礎(chǔ)相對比較狹窄,較好地揭示煙草屬種間或栽培種間的遺傳多樣性與親緣關(guān)系,并發(fā)現(xiàn)了臺煙7號、Samsun、白肋21等品種與其它栽培品種遺傳差異較大,較接近野生種與栽培種的遺傳差異,可為煙草遺傳育種和遺傳連鎖圖譜構(gòu)建的雜交親本選擇提供參考依據(jù)。肖炳光等利用DH群體構(gòu)建了烤煙分子標記遺傳連鎖圖,該研究以烤煙品種SpeightG28和NC2326雜交得到的137個DH系作為作圖群體材料,通過ISSR和RAPD標記的遺傳連鎖分析,構(gòu)建了包括27個連鎖群,由10個ISSR標記和147個RAPD標記組成的烤煙分子標記遺傳連鎖圖。該圖譜覆蓋長度1838.2cm,平均圖距14.1cm,這是國內(nèi)外構(gòu)建的第一張烤煙分子標記連鎖圖。2牧草聯(lián)合繁殖的研究2.1煙用材料共聚體煙品種配合力可分為一般配合力和特殊配合力2種,品種的配合力優(yōu)劣關(guān)系到煙草育種的成效,研究煙草有關(guān)性狀的配合力遺傳效應,可為煙草配合力育種和雜種優(yōu)勢利用親本選配提供科學依據(jù)。我國煙草育種自1990年以來取得了較大進展,1995~1997年3年間共審定(認定)廣遵4號(MSG-28×NC82)、豫煙2號(許金5號×G-70)、V2(外引)、吉煙5號(凈葉黃×G-28)、遵煙1號(G-28系選)、云煙85(云煙2號×K326)、云煙317(云煙4號×K326)、貴煙11號[(76D-1×77E-1)F6×NC89]、吉煙7號[(G-28×8258)×吉煙1號]、龍江915(MSNC89×中煙90)、鄂煙2號(Ky14×L8)等11個品種,平均每年審定(認定)3.7個,除去白肋煙、外引和系選之外,雜交育成的烤煙品種6個,平均每年審定(認定)2個。其中配合力研究在煙草雜交種選育中起到重要的作用,一些高配合力煙草親本如K326、NC82、G-28、NC89等在煙草雜交育種的應用起到重要作用,提高了我國煙草育種的效率。2.2雜交換引對農(nóng)藝性狀的影響煙草產(chǎn)量構(gòu)成性狀主要包括煙草的株高、節(jié)距、葉數(shù)、葉長、葉寬、葉面積和莖圍等。國內(nèi)多數(shù)研究表明煙草大部分產(chǎn)量相關(guān)性狀為加性遺傳效應,雜種優(yōu)勢較小,少數(shù)產(chǎn)量相關(guān)性狀以加性效應為主并或含有非加性效應;國外的研究結(jié)果表明這些性狀不但受加性效應的多基因控制,有的還受到顯性效應和非等位基因互作效應的控制。陳順輝等按Griffing(Ⅱ)方法對5個烤煙品種10個數(shù)量性狀進行了配合力研究。結(jié)果表明在株高、節(jié)距、葉數(shù)、腰葉長、腰葉寬5個農(nóng)藝性狀中多數(shù)農(nóng)藝性狀為加性遺傳所支配。楊躍等采用雙列雜交Griffing4設(shè)計對烤煙紅花大金元、K326等6個雜交親本的株高、葉數(shù)、葉長、葉寬、葉面積和莖圍6個農(nóng)藝性狀的研究表明葉片數(shù)、葉長和莖圍以加性效應為主,株高、葉寬和葉面積受加性效應與非加性效應共同控制。張晨東等、肖炳光等和李國民等研究認為煙草產(chǎn)量性狀以基因的加性效應占主導地位,改良這些性狀時應以選育定型品種為主;肖炳光在研究中還發(fā)現(xiàn)株高、腰葉長、腰葉寬等性狀以基因的非加性效應也占相當比重,因而除選育定型品種外、利用雜種優(yōu)勢來改良這些性狀也是一條有效的途徑。李國民等認為雜交育種中親本性狀優(yōu)劣對后代影響較大,對于豐產(chǎn)性而言,凡是與產(chǎn)量相關(guān)的各性狀的GCA效應值高的親本配制的組合,F1多數(shù)表現(xiàn)為豐產(chǎn),其優(yōu)良性狀的加性遺傳效應可以有效的遺傳。曾慕衡等對5個烤煙品種采用部分雙列雜交,得到10個雜交組合并對葉長、葉寬和單葉重配合力進行方差分析,結(jié)果表明,葉長的GCA方差和SCA方差較高,而葉寬和葉重的配合力方差值較低,說明前者受環(huán)境條件的影響較后者大。Amarnath等用雙列雜交設(shè)計對煙草的產(chǎn)量性狀如株高、葉長、葉寬以及莖粗等進行了研究,結(jié)果分析表明這些性狀不但受加性效應的多基因控制,有的還受到顯性效應和非等位基因互作效應的控制。2.3性狀結(jié)構(gòu)方面的研究優(yōu)質(zhì)低害是煙草遺傳改良的關(guān)鍵。一個優(yōu)質(zhì)品種應具備煙葉外觀質(zhì)量好、內(nèi)在化學成分協(xié)調(diào)、煙葉可用性高等特點,這些品質(zhì)性狀包括煙葉中所含的氮、還原糖、煙堿、蛋白質(zhì)、硝酸鹽等,還有一些其他的化學物質(zhì)如石油醚提物成分和香氣成分。陳順輝等和楊躍等研究表明,總糖、總氮、煙堿、蛋白質(zhì)等品質(zhì)相關(guān)性狀受加性效應和非加性效應基因的共同控制。李虎林等對煙草總氮含量、生物堿含量的雜種優(yōu)勢和配合力的研究表明,總氮含量、生物堿含量表現(xiàn)負向雜種優(yōu)勢,對品質(zhì)改良有利;GCA差異極顯著,且GCA的方差均大于SCA的方差。GCA效應白肋煙表現(xiàn)為減少,而曬紅煙表現(xiàn)為增加。肖炳光等研究認為,煙堿、蛋白質(zhì)等性狀以基因的加性效應占主導地位,改良這些性狀時應以選育定型品種為主。李國民等研究認為,凡是與品質(zhì)相關(guān)的各性狀如總糖量、煙堿量等GCA效應值稍高,而總氮量稍低的親本配制的組合F1,多數(shù)表現(xiàn)為品質(zhì)較優(yōu)。許自成等以遺傳基礎(chǔ)差異較大的6個烤煙品種為親本材料,配制了15個雙列雜交組合,研究表明各親本石油醚提物質(zhì)量分數(shù)的表現(xiàn)是基因型和環(huán)境共同作用的結(jié)果;許健等利用6個烤煙品種(系),配制成l5個雙列雜交組合,研究認為,總氮性狀以基因的加性效應占主導地位;而總糖、上中等煙比例、煙堿的GCA/SCA小于l,這說明在特定的組合中,可利用F1代組合間的雜種優(yōu)勢。2.4研究品種的篩選煙草經(jīng)濟價值性狀主要包括:產(chǎn)值、上等煙、均價、級指等。許美玲等選用7個烤煙品種作親本,采用Griffing方法I,利用7×7完全雙列雜交,研究表明主要經(jīng)濟價值性狀均受基因加性效應、非加性效應以及反交效應的共同作用,或者說遺傳特性同時受細胞核和細胞質(zhì)共同作用。產(chǎn)值的特殊配合力高低與一般配合力有一定關(guān)系,一般配合力較高的親本,其正交和反交的產(chǎn)值效應都較高;一般配合力較低的親本,其特殊配合力有高有低。從相關(guān)分析的結(jié)果來看,與產(chǎn)值密切相關(guān)的性狀是產(chǎn)量、上等煙比例、均價和級指,也就是說,產(chǎn)量越高,上等煙比例越高,均價和級指越高,所獲得的收益就越好。而均價與級指、上等煙比例與級指、產(chǎn)量與上等煙比例、產(chǎn)量與葉寬之間又密切相關(guān)。所以,在選擇親本時必須全面考慮。肖炳光等研究表明,產(chǎn)值、上等煙比例等性狀以基因的加性效應占主導地位,改良這些性狀時應以選育定型品種為主;而均價性狀基因的非加性效應也占相當比重,因而除選育定型品種外、雜種優(yōu)勢利用對改良這些性狀也是一條有效的途徑。2.5毛細效應對含毛細胞微膠囊膜經(jīng)濟性狀的影響除了煙草產(chǎn)量、品質(zhì)及經(jīng)濟性狀價值等方面的配合力研究外,有學者還對烤煙腺毛密度進行了配合力分析。史宏志等認為煙草的葉片、莖和花等器官上分布有許多腺毛,其中有些可分泌型腺毛對煙葉香氣質(zhì)量的形成具有重要的影響;關(guān)于腺毛密度的遺傳研究則報道較少,王寶華等認為腰葉腺毛密度變化較小,可作為取樣觀察的適宜部位,腺毛密度與煙葉經(jīng)濟性狀、化學成分和安全性存在相關(guān)關(guān)系。許自成等側(cè)重研究了烤煙腺毛密度的遺傳變異特點,對不同烤煙親本間的配合力效應進行了分析,結(jié)果表明,21個供試材料的腺毛密度在基因型間存在本質(zhì)差異,不同親本腺毛密度的一般配合力方差和特殊配合力方差均達到極顯著水平,親本間的一般配合力效應差異顯著。此外,Dobhal等使用完全雙列雜交設(shè)計對黃花煙草田間抗赤星病的遺傳特性進行了研究,結(jié)果表明這些性狀不但受加性效應的多基因控制,有的還受到顯性效應和非等位基因互作效應的控制。3討論3.1煙種質(zhì)資源分子標記的應用DNA分子標記作為新發(fā)展起來的一種遺傳標記形式,在農(nóng)業(yè)科學研究中的應用已越來越廣泛。煙草核心種質(zhì)分子標記可以分析煙草親本遺傳差異與親緣關(guān)系,對于煙草種質(zhì)資源利用、煙草雜交親本選擇及雜種優(yōu)勢利用都有重要的應用價值。但目前一些學者僅利用部分煙草種質(zhì)資源為材料進行分子標記分析,得出了遺傳基礎(chǔ)狹窄的結(jié)論。筆者認為,這一結(jié)論的形成,與其所選用的材料較少(多數(shù)在30份材料以內(nèi))、類型單一有關(guān),其結(jié)論只能涵蓋所研究的品種范圍,不能概全整個煙草種質(zhì)資源,否則會造成誤導。筆者近年對煙草種質(zhì)資源的分子標記的研究表明,即使在栽培種內(nèi)不同類型品種間基因組DNA的遺傳多態(tài)性仍存在中等程度的遺傳差異。只有對煙草種質(zhì)資源不同類型群體(基因庫)進行隨機抽樣并保證有足夠大容量,利用多種標記進行分析,才能得出無偏的科學結(jié)論。最近我們利用ISSR和SRAP標記對96份種質(zhì)材料進行研究,發(fā)現(xiàn)煙草野生種基因組多態(tài)性較豐富,與栽培種遺傳差異很大,即使是栽培種內(nèi)品種間不少品種仍存在中等程度的遺傳差異性與遺傳多樣性。利用種間雜交創(chuàng)造新種質(zhì),將野生種質(zhì)中抗性與特殊品質(zhì)等有利基因轉(zhuǎn)移到栽培品種中去,這將對深化煙草種質(zhì)資源基礎(chǔ)科學研究,促進煙草分子標記輔助育種和煙草遺傳連鎖圖譜構(gòu)建有重要的科學意義。3.2關(guān)于煙草聯(lián)合活力的遺傳效應和各種優(yōu)勢的利用3.2.1煙草雜種優(yōu)勢利用的展望多數(shù)學者在煙草產(chǎn)量與品質(zhì)性狀配合力研究中表明:其產(chǎn)量與品質(zhì)性狀的遺傳主要由加性效應的多基因決定,少數(shù)研究表明是以加性效應為主、或含有非加性效應。因而,許多學者認為,煙草配合力育種的方向以選育優(yōu)良定型品種為主,以選配可在生產(chǎn)上直接利用的雜交種為輔。但是不同性狀的遺傳特點是不同的,同一性狀由于雜交親本不同、被測子代群體性質(zhì)的差異及環(huán)境影響等也可能得出不同的試驗結(jié)果。因此,有的研究者認為煙草多數(shù)性狀的一般配合力較顯著,以加性效應為主,從而肯定了定型品種選育是主導方向,而顯性效應、非加性效應較小,因而煙草雜種優(yōu)勢利用前景不容樂觀。雜種優(yōu)勢是生物界的普遍規(guī)律,許多作物上的成功應用都已充分說明。筆者認為只有在明確基因組遺傳差異的基礎(chǔ)上,選用遺傳差異大的親本雜交,并在大量的測交,或完成更多親本的配合力研究的基礎(chǔ)上,才可有效利用一般配合力顯著的親本進行常規(guī)育種,而利用特殊配合力好的親本進行強優(yōu)勢雜交組合的篩選,才能得出科學無偏的結(jié)論,有利促進雜種優(yōu)勢的利用的研究,推動煙草雜種優(yōu)勢利用的發(fā)展。除此之外,筆者認為應重視廣泛搜集種質(zhì)資源,拓寬煙草遺傳改良親本來源,深化遺傳資源鑒定與利用,發(fā)掘現(xiàn)有各類煙草特異種質(zhì)資源的有利基因,采用現(xiàn)代生物學技術(shù),將有特異有利基因轉(zhuǎn)移到推廣的品種中,才能選育出綜合性狀優(yōu)良的煙草新品種。由于煙草的主要性狀一般為數(shù)量性狀,受微效多基因控制,所以在常規(guī)雜交育種基礎(chǔ)上,還應加強煙草雄性不育系的研究和利用,綜合利用生物技術(shù)的有效方法,創(chuàng)造不同類型的細胞質(zhì)雄性不育系,并利用類型間的雜交提高煙草品質(zhì)和產(chǎn)量,實現(xiàn)煙草雜種優(yōu)勢利用。此外,煙草遠緣雜交育種是拓寬煙草育種遺傳基礎(chǔ)的有效手段之一,煙草和不同屬以上植物進行遠緣雜交雖然難度大、成功幾率小,但也有成功的報道[28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38],至于種間的雜交報道則是更多。除了煙草育種上應該走低害、優(yōu)質(zhì)、多抗的育種道路之外,筆者認為煙廠企業(yè)應重視煙草育種成果的利用,發(fā)展多品牌、注重多品位,走低害、特用卷煙的煙草科學研究的方向,通過多方面的努力才能促進煙草遺傳育種和成果轉(zhuǎn)化利用工作的發(fā)展。3.2.2煙草種質(zhì)資源分子標記的應用現(xiàn)代雜種優(yōu)勢理論認為,雜種優(yōu)勢的大小主要取決于3個方面,一是親本間遺傳距離的大小,二是親本基因的純合性,三是性狀之間的連鎖關(guān)系。煙草雜種優(yōu)勢研究進展較慢的原因主要有以下3點:其一是親本使用相對集中,遺傳基礎(chǔ)相對狹窄,我國煙草種質(zhì)資源擁有量雖然已有4000多份,但育種工作中常反復利用少數(shù)核心親本,由于遺傳基礎(chǔ)狹窄,親緣關(guān)系過近或遺傳差異小,因而影響育種的效率和雜種優(yōu)勢的利用;其二是種質(zhì)創(chuàng)新意識薄弱,在我國生態(tài)條件迥異、煙草常年種植的自然群體中,不乏大量的優(yōu)異變異個體,但是很少有重視收集;其三是由于卷煙廠在選定品種或煙葉配比定型后,較難再選用其它品種,這也制約了煙草遺傳育種學科的發(fā)展。充分了解親本之間的遺傳差異,才能選配出強優(yōu)勢雜種組合。本文作者祁建民等利用RAPD、ISSR和SRAP3種分子標記方法分別用30和94份煙草種質(zhì)資源的遺傳多性進行了研究,結(jié)果表明:分子標記是檢測品種間遺傳差異的有效方法。Lee等和Smith等研究認為,親本間RFLP遺傳距離和雜種優(yōu)勢有著顯著的正相關(guān)性,可用于雜種優(yōu)勢的預測。因此,我們可以利用分子標記方法,對煙草核心種質(zhì)基因組DNA進行分子標記分析,明確其遺傳多樣性與親緣關(guān)系,根據(jù)親本之間分子標記分析的遺傳差異結(jié)果,預測它們之間雜種優(yōu)勢的可能,這樣可以提高育種的預見性和效率,促進煙草雜種優(yōu)勢研究的發(fā)展。3.3ssr標記遺傳距離對小麥雜種優(yōu)勢的預測雜種優(yōu)勢的預測是一個古老而又新穎的課題,如何迅速而準確地篩選優(yōu)良親本、預測所配組合的優(yōu)勢歷來為育種工作者所關(guān)心。以往的表型性狀田間鑒定和同工酶標記等方法存在很大的局限性,難以有效地應用于遺傳距離與雜種優(yōu)勢關(guān)系的研究上;以DNA結(jié)構(gòu)多態(tài)性為基礎(chǔ)的分子標記的發(fā)展,為這一研究提供了新的手段。利用分子標記預測作物雜種優(yōu)勢總共有4種方法:遺傳距離法、雜種優(yōu)勢類群法、遺傳距離法和雜種優(yōu)勢類群相結(jié)合的方法以及QTL(Quan