黃瓜耐冷性的遺傳機(jī)制及育種途徑

黃瓜耐冷性的遺傳機(jī)制及育種途徑

黃瓜是中國北方的一種重要的喜溫蔬菜。一般來說，黃瓜的生長極限溫度為1030，日溫2530，夜溫1315，10以下的生理活動不全。如果溫度降至510，就會發(fā)生寒冷，2.3植株會死亡。在北方保護(hù)地生產(chǎn)中最大的障礙是品種耐冷性差,生產(chǎn)成本高,因此培育適于保護(hù)地生產(chǎn)的耐低溫節(jié)能型品種是黃瓜育種工作的一個重要內(nèi)容。近年來,黃瓜耐冷性研究得到普遍關(guān)注,從生態(tài)學(xué)、形態(tài)學(xué)、生理學(xué)及遺傳學(xué)各個方面對黃瓜的耐冷性進(jìn)行了廣泛研究,朱其杰發(fā)現(xiàn):耐冷性不同的黃瓜品種不僅其花粉表面紋飾、氣孔開張度、葉表面毛刺密度均有明顯差異,而且在生長發(fā)育各階段的重要生理指標(biāo)(發(fā)芽指數(shù)、根系活力、電解質(zhì)泄漏率、膜質(zhì)過氧化作用、蛋白質(zhì)、葉綠素、光合與呼吸作用)也差異明顯。這說明黃瓜耐低溫育種是解決低溫冷害的有效途徑。針對國內(nèi)外有關(guān)黃瓜耐低溫遺傳機(jī)制及育種途徑的研究進(jìn)行綜述,以期明確今后的研究方向。1黃瓜抗寒性遺傳機(jī)制1.1黃瓜抗寒性的遺傳特性1.1.1黃瓜低溫發(fā)芽能力的研究黃瓜耐冷性的遺傳機(jī)理研究報道很少,只對種子低溫發(fā)芽能力及苗期耐冷性狀的遺傳力有少許研究。Nienduis發(fā)現(xiàn)13℃低溫下種子發(fā)芽率的遺傳力是0.17,Werher報道15℃低溫種子發(fā)芽率的遺傳力是0.15~0.20。紀(jì)穎彪等研究表明黃瓜低溫發(fā)芽能力的廣義遺傳力為87%,狹義遺傳力為31%,說明該性狀主要由非加性效應(yīng)決定。顧興芳等認(rèn)為低溫下黃瓜相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)和相對胚根長度的遺傳符合加性-顯性模型,以顯性效應(yīng)為主,各性狀的BSH分別為98.1%、96.9%和98.6%,NSH分別為24.0%、28.6%和37.9%,控制各性狀的顯性基因可能為寡基因或寡基因組;而低溫下相對發(fā)芽率的遺傳不符合加性-顯性模型,控制該性狀顯性基因的組數(shù)可能有兩個,并存在上位作用。1.1.2黃瓜耐冷性綜合基因檢測朱其杰等研究發(fā)現(xiàn)黃瓜苗期耐冷性狀(葉面積、全株干物重、冷害指數(shù))的狹義遺傳力高達(dá)60%,耐冷性綜合指數(shù)的狹義遺傳力為66%,加性基因效應(yīng)占較大比重。Cai等認(rèn)為黃瓜幼苗時期耐冷性的BSH為93.61%,NSH為70.33%,主要由加性基因控制。朱其杰等還由4個耐冷性狀(葉面積、全株干重、冷害指數(shù)、低溫發(fā)芽指數(shù))導(dǎo)出了綜合選擇指數(shù)配合力的遺傳參數(shù)估計,各指標(biāo)的廣義遺傳力達(dá)98%以上,因此綜合看黃瓜耐冷性以加性基因效應(yīng)為主,顯性基因效應(yīng)也不容忽視。說明黃瓜耐冷性受環(huán)境影響很小,主要由基因型決定。由此可見黃瓜低溫發(fā)芽能力和幼苗的耐冷性可能是由不同的基因控制的,要準(zhǔn)確鑒定黃瓜的耐冷性需要從兩個方面綜合考慮。1.2黃瓜抗寒性分析1.2.1性狀的加性效應(yīng)李建吾等在保護(hù)地低溫弱光的條件下,用6個黃瓜親本按Griffing方法配15個雜交組合,研究了黃瓜苗期子葉面積、真葉面積、株高、莖粗、下胚軸長、地下干重、地下鮮重、全株鮮重、下胚軸鮮重、葉干重、地上部鮮重共計11個苗期性狀,均達(dá)到極顯著差異;各性狀的一般配合力(GCA)和特殊配合力(SCA)的方差均達(dá)到極顯著水平,說明加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)對各性狀的遺傳起同等重要的作用。朱其杰研究表明,通過耐冷×耐冷的方法提高雜交一代的耐冷性,其效果是有限的,即使用耐冷性親本回交一次對耐冷性提高也不大。冷敏×冷敏組合中,各指標(biāo)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的雜種優(yōu)勢,但其實際值未達(dá)到耐冷性水平而對耐冷性育種無實際意義。耐冷×冷敏組合中多數(shù)F1的耐冷性表現(xiàn)離中優(yōu)勢,個別有超親優(yōu)勢。用耐冷性親本回交一次,BC11耐冷性提高不大;而冷敏型親本回交一次,BC12的耐冷性卻顯著降低。這說明通過不同生態(tài)型的親本配組可顯著提高子一代的耐冷性,但應(yīng)該避免用冷敏型親本回交。由此提出:育種中,在綜合考慮抗病性、豐產(chǎn)性等性狀的同時,只要保證親本之一(一般為父本)的耐冷性較強(qiáng),就有可能保證F1耐冷力強(qiáng)且具有優(yōu)良的綜合性狀。1.2.2應(yīng)用穩(wěn)定性研究李健吾等對低溫弱光逆境條件下,黃瓜苗期葉片中丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、葉綠素(Chl)含量、可溶性糖含量、電導(dǎo)率諸性狀的配合力變化進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明,組合(包括自交組合)間5個性狀差異均達(dá)到顯著水平,MDA含量的GCA方差極顯著,占總方差的87.18%,其遺傳以加性效應(yīng)為主;可溶性糖含量和電導(dǎo)率的GCA方差達(dá)到顯著水平,分別占總方差的62.15%和66.12%,其遺傳以加性效應(yīng)為主;SOD活性和Chl含量的SCA方差和GCA方差均達(dá)到極顯著水平,加性和非加性效應(yīng)同等重要。沈文云在研究了低溫對雜交一代黃瓜幼苗某些生理特性的影響后指出,耐冷性組合的雙親及F1葉片的電導(dǎo)值都較低,且F1低于雙親,耐冷性表現(xiàn)出超親優(yōu)勢。不耐低溫的組合中,親本及F1都偏高,而且F1高于雙親,耐冷性無超親優(yōu)勢。在對MDA的檢測中,同樣發(fā)現(xiàn)耐冷性組合具有超親優(yōu)勢,而冷敏型組合沒有。因此認(rèn)為,雖然黃瓜F1在一些生理特性上與母本有一定關(guān)系,但是要獲得具有超親耐冷性的雜交種,雙親都必須耐低溫。這與朱其杰的結(jié)果有一定的出入,需要我們進(jìn)一步鑒定。2對黃瓜抗寒性的研究2.1耐低溫品種選育采用傳統(tǒng)的育種方法選育耐冷品種,曾經(jīng)是有效提高黃瓜耐冷性的方法,而且在生產(chǎn)上已經(jīng)發(fā)揮了一定的作用。我國“八五”期間提出的耐低溫育種目標(biāo),并且育成了津綠3號、津優(yōu)20和山農(nóng)5號等一批耐低溫的品種。但由于瓜類作物遺傳變異小(3%~8%),黃瓜上很難獲得與耐冷有關(guān)的突變體,而耐冷性又是數(shù)量性狀,以加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)為主,因此以種內(nèi)變異為基礎(chǔ)的黃瓜育種難以取得根本性突破,迄今還沒有獲得十分理想的品種。2.2采用染色體工程選育和新品種Chen等首次成功地實現(xiàn)了野生黃瓜(C.hystrix)(2n=24)與栽培黃瓜(2n=14)之間的遠(yuǎn)緣雜交,隨后從野生種為母本的雜種體細(xì)胞變異中獲得了有育性的雙二倍體植株,定名為CucumishytivusChenetKirkbride(2n=4x=38),這是黃瓜育種史上首次獲得成功的雜交,拓寬了黃瓜的遺傳基礎(chǔ),為利用野生種的優(yōu)良耐低溫性狀提供了可能。由于親本染色體組間功能的不協(xié)調(diào),雜種一代的耐冷指數(shù)較高,而回交后代的耐冷指數(shù)則較低。這表明通過染色體工程將野生黃瓜中的耐冷基因?qū)朐耘帱S瓜,并對其后代進(jìn)行選擇,是培育耐冷性強(qiáng)的黃瓜品種的有效途徑。其后通過雜種優(yōu)勢利用研究,陸續(xù)育成一些保護(hù)地專用品種,其中也有部分較耐低溫的雜交品種在生產(chǎn)中應(yīng)用,李家旺等利用輻射誘變和雜種優(yōu)勢相結(jié)合育成一代雜種津優(yōu)2號,前期10~13℃夜溫及弱光條件下可正常生長,劉桂軍等育成越冬溫室專用品種202。之后天津黃瓜所相繼育成津優(yōu)3號、5號、21、31等系列耐低溫黃瓜品種,遼寧、吉林、黑龍江三省也育成本地保護(hù)地專用耐低溫品種,但耐冷性好的品種,綜合性狀較差,而且其耐冷性及綜合性狀均有待于進(jìn)一步提高。2.3分子數(shù)據(jù)集的構(gòu)建,實現(xiàn)從根生物技術(shù)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)改良作物品種的關(guān)鍵技術(shù)之一,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用前景?！笆濉逼陂g,黃瓜育種研究首次被列入國家“863”項目,育種方法和技術(shù)得到了快速發(fā)展。廣大科研工作者利用生物技術(shù)結(jié)合常規(guī)育種方法,創(chuàng)新了一大批含有優(yōu)異基因的育種材料。生物技術(shù)在黃瓜遺傳育種上的應(yīng)用更加廣泛,分子標(biāo)記輔助育種、單倍體育種以及黃瓜基因工程改良取得了重要進(jìn)展?？祰蟮瓤寺×艘粋€低溫鍛煉中特異表達(dá)的基因CCR18,與擬南芥染色體IIIBAC庫中的F14P3基因組序列具有88%的同源性,但是其具體的生物學(xué)功能還不清楚。逮明輝經(jīng)15℃低溫誘導(dǎo),采用cDNA-AFLP技術(shù)從耐冷黃瓜品種長春密刺中分離了一條特異片段,命名為cctr132,與賴氨酸脫羧酶密切相關(guān)。鄧小燕等將擬南芥冷誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子CBF3基因,與CaMV35S啟動子和Nos終止子融合后構(gòu)建成植物表達(dá)載體Pbinp-35S-CBF3。通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化黃瓜子葉,獲得了具有卡那霉素抗性的黃瓜再生植株。邵長文將冷誘導(dǎo)啟動子RD29A分別控制下的擬南芥菜CBF3冷調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子基因和corl5a抗寒基因構(gòu)建植物表達(dá)載體,分別構(gòu)建成攜有RD29A-cor15a-Tnos表達(dá)盒的植物表達(dá)載體pVCT2016和攜有RD29A-cor15a-Tnos、RD29A-CBF3-Tnos串聯(lián)雙表達(dá)盒的植物表達(dá)載體pRD29A-CBF3。通過農(nóng)桿菌介導(dǎo),導(dǎo)入黃瓜基因組,獲得2株雙基因表達(dá)的耐寒新材料,開辟了黃瓜耐寒轉(zhuǎn)基因育種新途徑,但對轉(zhuǎn)基因植株及后代的耐寒性未作深入研究。3黃瓜的生物技術(shù)育種通過上述文獻(xiàn)研究,我們發(fā)現(xiàn)黃瓜耐冷性育種機(jī)理研究,在低溫發(fā)芽能力、苗期植物性狀及生理指標(biāo)等方面研究較多,但是對于黃瓜定植后遭遇低溫冷害,植株遭受的生理損害及生長受抑,瓜條不膨大或膨大速度慢等具體指標(biāo)的遺傳卻尚未見研究,而此類傷害是近年氣候異常情況下的多發(fā)災(zāi)害。黃瓜苗期均在溫室中生長,滿足幼苗正常生長基本能保障,近年在生產(chǎn)中低溫冷害多發(fā)于定植后,且損失巨大,無法彌補(bǔ)。因此黃瓜耐寒性育種應(yīng)側(cè)重于定植后植株傷害。近10a,黃瓜的生物技術(shù)育種發(fā)展較快,對白粉病、霜霉病基因進(jìn)行了分子標(biāo)記;張海英等構(gòu)建了包含9個連鎖組群,共有234個分子標(biāo)記的連鎖圖譜;開展了黃瓜雜種純度及品種指紋圖譜分析研究;利用分子技術(shù)鑒定黃瓜病毒種類;“十五”期間,研究建立了黃瓜高效遺傳轉(zhuǎn)化體系,并通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)將CMV-CP、CBF3、Cor15A