现代生物技术在油菜育种中的应用

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现代生物技术在油菜育种中的应用

赵锁劳

西北农林科技大学#陕西杨陵%?)!)""’

摘要(介绍了植物组织培养技术@重组AB-技术和分子标记在油菜育种中的应用C植物组织培养技术已

日趋成熟#应用在了油菜的单倍体育种@远缘杂交和染色体诱变等方面D重组A抗B-技术在油菜抗除草剂#

随着基因饱和度的增加#基因图谱与物理图谱的建立#分子标记将有望在虫和抗病等方面已发挥巨大作用D

提高选择效率#培育好的油菜品种方面发挥大的作用C

关键词(油菜D组织培养D基因工程D分子标记

中图分类号(=**,#,*&E*=文献标识码(-文章编号()""&9)*F$%!"""’"&9")"*9"&

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油菜是世界四大主要油料作物之一#属十字花科芸薹属#包括甘蓝型油菜@芥菜型油菜@白菜型油菜*个栽培种C多年来#油菜生产国政府和科学工作者均十分重视油菜的生产和科研工作C从?"年代开始发展起来的现代生物技术则给动植物品种改良带来了一场革命#把育种技术从宏观水平提高到微观水平#以植物组织%细胞’培养技术@重组AB-技

)+$w术@分子标记技术为主体的现代生物技术已成为作物品种改良的前导技术C本文就生物技术在油菜育种v中的应用加

以综述C

x植物组织培养

植物组织培养是指植物的离体细胞@组织或器官在人工培养基上的生长@维持或分化C组织培养的全部实践都是以细胞的全能性和体细胞有丝分裂的均等性为依据的C植物组织培养根据外植体来源和培养目标的不同分为愈伤组织培养#器官培养#分生组织培养#细胞培养和原生质体培养及融合等类型C组织培养作为一种新的手段#对植物改良有重要价值C

)E)单倍体育种技术控制和改变植物染色体倍数来达到选育优良品种的技术#其中最突出的是单倍体育种C以花药为外植体组织培养获得单倍体个体#无论花粉来源于纯合体还是杂合体#经加倍后即纯化#为加速育种进程提供了前所未有的机会C目前#花药培养已在!中外学者对影响花药培养的内外因素进行了广泛深入的""多个植物种中获得成功#

研究#运用花药培养已经获得新品种的重要作物有水稻@小麦和大麦等#通过花药培养也获得了一批纯合玉米自交系C甘

进而加倍#已成为常规育种的重要辅助技术C蓝型油菜通过花药均获得单倍体植株#

拓宽种质范围)E!通过胚培养克服远缘杂交不亲和性和杂种后代的自交不亲和性#远缘杂交是植物育种的一个重要

万方数据>收稿日期(!"""9"*9"?

作者简介(赵锁劳%男#陕西岐山人#副研#主要从事经济作物育种及科研管理工作C电话()$,*y’#%"!$’?"F*)),C

e$8:e西北农业学报5卷方面!通过远缘杂交"可以获得品种间杂交难以得到的变异类型!通过栽培种和野生种间的杂交"还可以从野生种那里获得如抗病性和对恶劣环境适应性等经济性状!但远缘杂交也存在许多困难!其中之一是杂种胚乳不能正常发育"杂种胚也会因饥锇死亡!在芸薹属#萝卜属等作物上"远缘杂交均有成功的报道"我国也有不少成功的例子"如甘蓝型油菜与兰

诸葛菜的种属间杂交等!花籽#

$%&原生质体培养及融合技术植物原生质体是指用特殊方法脱去细胞壁的#裸露的#有生活力的原生质团!这种裸露细胞在适当的外界条件下"还可以形成细胞壁"进行有丝分裂"形成愈伤组织和诱发再生植株"因而仍然具有细胞的全能性!原生质体培养就是指以这种裸露细胞作为外植体所进行的离体培养!原生质培养的主要目的是实现远缘物种的体细胞杂交和外源染色体#以这种生物学手段对植物进行改良!在植物育种上应用最多而且期望最高’()或细胞器的导入"

的是体细胞杂交!

体细胞杂交又称原生质体融合"是指*种原生质体间的杂交!它不是雌雄配子间的结合"而是具有完整遗传物质的体细胞之间的融合!因此"杂交的产物+异型核细胞或异核体中将包含有双亲体细胞中染色体数的总和及全部细胞质!当然"由于自然的原因"由杂种细胞再生成的杂种植株内"染色体数目和细胞器的组成以及其它细胞质成分还有不同程度的变化"因而大大增加了后代的变异!此外"由于人为的控制"也会使杂种细胞内的遗传物质发生某种变化"例如体细

或杀死-某一亲本的细胞核"得到的将是具有$个亲本细胞核和*个亲本细胞质的杂种细胞杂交过程中有意识地去除,

胞"通常把这种细胞称为胞质杂种!

关于原生质体融合技术"自.获得第$个烟草体细胞杂种以来"到7,$56*-8年代中期报道有$9个种内组合"/01234

大多数属于茄科植物"十字花科只有少数!据不完全统计"到5&7个种间组合"$&个属间组合的体细胞杂种植株!8年代"

通过体细胞杂交技术又增添了再生植株的种内杂种$种间;属间:并有*个科间组合的胞质杂种分化出:个"*个"6个"

植株!油菜的原生质体融合在6如拟南芥菜和白菜型油菜原生质体融合获得了自然界不存在的属8年代也开始了尝试"

$$@?$*@等?通过种间杂交将A在萝卜中发现的雄性不育性胞质转移到甘蓝和甘间体细胞杂种+拟南芥油菜!</44=0=>BC0/-

$&@蓝型油菜中!D等?通过体细胞融合的方法产生雄性不育的甘蓝型油菜胞质杂种"从而得到优良的没有缺点的雄=11=>E=0

$:@?$9@性不育系?萝卜M甘蓝型油菜杂交的双二倍体-种间杂交"将恢复基因!F=,G4通过油菜雄性不育和H/IJ/43K0/22EL/

$:@从萝卜导入到甘蓝型油菜中"等?选择得到了具有改良的最佳胞质杂种组胞质全恢复植株"这类种质具有一个D=11=>E=0

显性恢复等位的基因"近年来"通过不断改良"萝卜胞质三系已接近生产和利用阶段!

转移创造抗逆#抗药#抗病性突变$%:诱发与筛选遗传变异"因为组织培养改变了细胞分裂的正常周期"使异染色质

从而使带有异染色质区的染色体在细胞分裂过程中发生断裂#引起染色体畸变"诱发转座因子!因’()复制更加延迟"

在组织培养条件下"无论有无诱变剂存在"都有较高的突变率"再生植株中存在着丰富的遗传变异!由于组织培养的此"

环境条件可以严格地加以控制"我们就有可能模拟出各种自然灾害条件"如培养基中(/的浓度#添加对某些作.1IF值#物危害最大的流行病菌毒素或者最有效的除莠剂等"组成各种特异性选择培养基"从而筛选出具有对特殊自然灾害抗性#抗药性或抗病性细胞系或再生株"为作物改良提供宝贵的基因来源或种质资源!

N植物基因工程技术

基因工程即重组’或分子克隆"是一种外科手术式的遗传操作!它不是通过一般传统的有性杂交方法"而()技术"

是采取类似于工程建设的方法"按照预先设计的蓝图"借助于实验室的技术"将某种生物的基因或基因组转移到另一种生物中去"使后者定向地获得新的遗传性状"成为新的类型!用重组’大体上要经过以()技术实现对某一植物的改造"下9个步骤OP从某种特定的生物中获取外源’R从原核生物中获取目的基因的载体并进行改造QS()或目的基因Q

用限制性内切酶将载体切开"用连接酶把目的基因连接到载体上"获得’使重组T以欲改造的植株作受体"()重组体Q

即实现外源’外源’U被转化的受体细胞再生完整植株"’()进入受体细胞"()的转化Q()在受体内表达!

利用基因工程技术可以改良作物蛋白质成分"提高作物中必需的氨基酸含量"脂肪酸组成"培养抗病毒#抗虫及抗逆境植株"在当前农业生产中已经显示出巨大的经济效益!因此"倍受重视"已经成为研究人员多"投资大"进展快并极富活力的生物技术产业"并展示出在未来农业生产中的诱人前景"是我国V计划的重点项目!7;&W

近年来"油菜基因工程研究已蓬勃开展"据不完全统计"十字花科基因工程研究共发表论文*$579X$55$年"&篇"其中油菜占$其中油菜$抗除草剂试&篇!在加拿大"$55*年全国转基因植物试验共*89个";:个!在这$;:个试验中"验$抗病试验$个"改变蛋白质试验$个"提高含油量的试验$个!95个"

*%$抗除草剂将除草剂耐性引入农作物是增加对除草剂选择性及完全性的一条新途径!在油菜基因工程中"对抗草甘磷的Y突变基因的导入取得成效!草甘磷,是一9[[&[--DZD合成酶,Y431IG0C\G12JE]E^/>=IJ32IJ/>=2G4>J/2=_1GIJ32/>=种非选择性的广谱除草剂"它是通过抑制Y最终导致受试植物死亡!DZD合成酶的活性而阻断芳香族氨基酸的合成"

目前已从分离出一个突变株"它含有抗草甘磷的Y将其引入到作物中"当使用草甘%‘abcdDZD合成酶的突变基因"万方数据

磷时"作物不受损害!由于草甘磷无毒"无残留"易分解"不污染环境"因此"人们对抗草甘磷的YDZD合成酶基因的遗传

’期赵锁劳=现代生物技术在油菜育种中的应用l$PBl操作十分重视!目前加拿大已有"个抗草甘磷的转基因油菜品系#参加$这些品%%"&$%%’年加拿大油菜品种联合试验#系在产量方面与当前品种相当#但品质和抗性加强!

"("抗虫培养抗虫植物是基因工程的一个重要应用领域#不仅对改良作物具有重要意义#同时对种子工业和农业化

主要是通过克隆编码#将苏云金芽孢杆菌)即*的毒素蛋学也有不可低估的影响!在抗虫方面#8((*+,-../01234-56-750-09

白基因)也称杀虫晶体蛋白基因8转移到植物细胞中#从而获得抗虫的转基因植株!目前已将其转入到烟草:番茄:棉花中!在芸薹属抗虫基因工程中#已将苏云金杆菌毒蛋白基因转入油菜:花椰菜:花茎甘蓝#结球甘蓝中!

利用一些蛋白酶抑制剂基因#也可获得抗虫植株!如英国已克服了豇豆的胰蛋白酶抑制剂基因#将该基因转入植株#就产生抑制剂#能破坏虫体胰蛋白酶的活性!害虫食转基因植株后#便因消化不良而死亡!

"(;抗病性病毒对植物的危害是农业生产上损失最大的病害之一#目前普遍采用的控制和避杀传毒昆虫:选育带有抗病基因的品种:生产脱毒苗以及接种病毒的弱毒株系以达到交叉保护的作用等常规方法#均或多或少存在限制因素#导致效果欠佳或产生相反的效果!利用植物工程防治病毒的方法有以下几种!

即利用导入的外壳蛋白基因形成交叉保护#防止或减轻病毒危害#已经获得的抗病毒<病毒外壳蛋白基因的导入=

转基因蔬菜作物有番茄:马铃薯:辣椒等!美国于$在大田试验条件%>?年获得了转化9@A外壳蛋白基因的番茄植株#

有9产量不减#而对照植株发病率达%减产"下#C的植株发病#%C#?C&@A外壳蛋白的番茄接种9@A后只有B

马铃薯F病毒)黄瓜花叶病毒)和大;BC!已经成功转化的病毒外壳蛋白基因还有马铃薯D病毒)::EAD8EAF8G@A8

豆花叶病毒)等!H@A8

再将它转进植物中去#第$I病毒卫星J$%>?年英国科学家把GKL的,JKL导入=@A的卫星JKL转成,MKL#

次获得了抗G@A的工程植株!我国学者赵淑珍也获得了类似的转基因植株!

日本科学家$N病毒的反义J%%;年已将GKL=@A反义JKL基因导入到辣椒中并探索反义技术在抗病毒育种上

转入植株#使转基因植株编码出反义基因的J的应用价值!其抗病机理就是将病毒的基因组反向结合在启动子上#KL#

当外源J反义J构成双链结构#从而阻止病毒复制#减轻病毒危害!KL病毒侵入时#KL便与之形成互补#

除上述;种方法外#还可以利用植物自己编码的抗病基因以及利用病毒上的其它基因等方法进行抗病品种的育种!"(’品质改良据M报道#在脂肪酸代谢过程中催化不饱和反应的酶为质体中$>碳酰基载体蛋白脱氢酶!)$%%"8/O-70

将其反义J结果使转基因植物中饱和的$增加"但油脂>碳烷酸含量由"C提高到’PC#P倍#KL基因导入油菜和芜菁#

含量仅为正常种子的一半!另据Q3由加州月桂树分离得到的月桂酸酰基载体蛋白硫酯酶基因导入油菜51R+5等报道#

中#使转基因油菜种子油中月桂酸)含量高达B据Q4等)$;碳饱和脂肪酸8PC!此外#$%%$8:$%%$8:7SS7+40H1/T1+5等)

报道#通过根瘤农杆苗导入拟南芥和豌豆"使$%%"8H白蛋白基因和巴西坚果富含甲硫氨酸种子蛋白基因#L.175S/,2等)

转基因油菜蛋白质总量成倍增加#甲硫氨酸和赖氨酸含量显著提高!这些事实都说明#提高基因工程改良种子中油脂和蛋白质组成是可能的!

"(B自交不亲和性的转变自交不亲和性)有孢子体和配子体"个主要系统#孢子体不亲和系统是不亲和花粉管在8HU

柱头表面生长停滞#配子体不亲和系统是不亲和花粉长出花粉管#花粉管生长停滞一般发生在进入柱头之后!甘蓝

属孢子体系统#其H一座位)含有"个多态基因)即H)8_88#b座位糖蛋白)VWXYYZ[X\]^WX[^XH.+,30E+.T‘+4a2-,67570Hcd8

和H基因#两者是分离的#相隔约"一个假定的穿膜结b受体激酶)PPe!HEQ8SHJQ基因中一个类似于Hcd的结构区域#

构区域和一个激酶结构区域!

甘蓝型油菜)属于自交亲和性的植物#将其H后#88VWXYYZ[XfXghYcd基因转入自交不亲和性的甘蓝)VWXYYZ[X\]^WX[^X甘蓝即变成自交亲和株!这可能是甘蓝的H引起柱头发生变化造成!cd基因在受到有益抑制#

"(?育性决定植物育性的9%基因及转基因杂种油菜已取得突破性进展!%核酸酶基因最先是由d(L"9L"+.iS746J在烟草花器中发现的!这一基因转至油菜等作物中可以表达!据@/等研究#外源的9((%核酸酶基因在绒毡*4./5-GL"

层中专一表达时#致使绒毡层细胞败育#而绒毡层细胞主要是为花粉粒发育提高营养的#败育后导致花粉发育不正常而表现为雄性不育!为了达到育性的恢复#又设计了用绒毡层专一启动子与9(%核酸抑制物基因构成融合基@/4./5-GL"

因导入植物#与上述导入9在j由于9抑%核酸酶基因后得到的雄性不育株杂交#%核酸抑制物基因表达#$代中#L"L"

制了9从而恢复可育!%核酸酶的活性#L"

为了使基因工程雄性不育可保护下去#又设计了将9基因)编码抗除草剂膦化黄(%核酸酶基因与S@/4-/5-GL"/4

酮的E串联在一起的转化植物!这一转基因雄性不育植物当与正常油菜杂交时产生的后代即可用除草E9乙酰转移酶8

剂处理#选择性杀死可育株而保留不育株!现在比利时E已利用这一套材料生产杂种!$%%;8dH公司)

k分子标记

分子标记是指与特定基因或标记连锁的一段经过扩增并可检测出的M)8@+.7,3./4‘/4e74KL序列!经典的分子标万方数据

记J限制性片段长度多态性8至今仅$但人们利用它已构建了数以百计的植物分子标记遗传连锁)P多年的历史#jcE

m&6’m西北农业学报;卷

%&’(图!后来发展了基于"如*已有许+++#$技术的各种分子标记)*$$,"-*#,$,./"等等!这些分子标记各有千秋)

多专文予以介绍!这里仅就分子标记在辅助作物育种中的功用概述之!

从本质上看)分子标记与构建经典细胞遗传连锁图的形态学标记和生化标记是一致的!所不同的是与后两者相比较)前者直接反映了-并在数量上具有无限性)因此在辅助作物育种上有更广泛的用途!0,序列上的变异)

归类和利用)还将在品种的纯度12&作物品种资源的-0,指纹分析这种分析不仅将导致对遗传资源本质的评价+

测定和品种知识产权保护上发挥作用!

123标记重要基因有些重要基因)如抗病基因检测不仅很费时)还受植物发育阶段的限制!利用与这些基因紧密连锁的分子标记)无疑有助于在育种过程中对特定基因型的选择!如果利用分子标记与目的基因之间的连锁关系)构建出类似于细胞遗传图的分子标记遗传连锁图)那么分子标记还将有下述用途4

5辅助回交育种

7全基因组选择回交育种中需要解决的问题之一是连锁累赘!利用分子标记可能检测到在目的基因两侧各发生借助于饱和的分子标记连锁图)可以对各预选单株的整个基因组组成进行分析)在此基础上选

杂种优势来源于-分子标记第一次提供了准确判断杂交组合-0,的杂合性)0,杂合性了一次交换的个体)因而可以仅经过二+三次回交)便可达到常规回交育种中回交上&6次也达不到的目的!择出不仅具有多个目标性状)且遗传基础最为理想的个体!8杂种优势分析和预测

的手段)从而也第一次有可能从-还可人工培育出在-0,水平预测杂种优势!利用分子标记)0,序列的重要片段可能高度杂合的亲本)从而配制出超优势的.&组合!

9结语

处于世纪之交的现代植物育种学是以组织培养+分子克隆和分子标记1大生物技术同育种实践紧密渗透为特征的!组织培养技术已日趋成熟)成为油菜常规育种的重要辅助手段)随着基因图谱的饱和度日益提高)以及$./"标记图谱)基于"物理图谱间对应关系的建立)育种家在不久的将来有望利用分子标记来提高选择效率)更快地培育#$标记图谱+

出更好的品种!基因工程除在抗除草剂+抗病+抗虫等方面发挥巨大的作用外)在创造新的雄性不育材料+充分利用杂种优势方面亦展现出诱人的前景!

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万方数据

现代生物技术在油菜育种中的应用

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：

被引用次数：赵锁劳， ZHAO Suo-lao西北农林科技大学,陕西杨陵,712100西北农业学报ACTA AGRICULTURAE BOREALI-OCCIDENTALIS SINICA2000,9(4)7次

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本文链接：/Periodical_xbnyxb200004028.aspx