枣育种技术述评

摘要:针对枣育种中存在的问题,阐述了相对于传统杂交育种的胚抢救技术、植物基因工程技术、多倍体诱导育种技术和原生质体融合这些新型育种技术在枣育种中的应用可能性及研究进展。

关键词:枣;育种新技术;研究进程

中图分类号:S665.1 文献标识码:A 文章编号:16749944(2010)10004004

1 引言

枣(Ziziphus jujuba Mill)属鼠李科(Rhamnaceae),枣属(Ziziphus Mill)植物。枣树耐寒耐旱,特别适合干旱山地生长,是我国特有果树。具有显著的经济和生态效益,在我国栽培面积超过100万hm2,产量达到20亿kg,已经成为我国果树和生态经济林中一个新的发展热点,在我国农业产业结构调整和生态建设中发挥着重要作用[1]。枣优良品种是优质高效栽培的关键和基础。然而,现有枣树优良品种大多数存在缺陷:对枣疯病的敏感性,枣果成熟期的裂果现象,枣果储存中出现的褐化、腐烂等问题。生产上的这些瓶颈问题迫切需要培育出综合性状优良的新品种[2]。但是,枣树育种进程十分缓慢,主要问题是传统的杂交育种在枣育种中无法得到充分的应用,根本原因在于枣树花小,一般直径在6mm左右,花药和雄蕊难以剥离,去雄和人工授粉操作困难,容易伤花;枣坐果率只有0.5%~1%,有的甚至更低;通过对《中国果树志.枣卷》中种仁发育情况有记载的471个品种进行统计,败育率高于50%的品种占58%[3],大部分主栽品种都为高度败育,如苹果枣、赞皇大枣、辣椒枣出现100%的败育[4]。所有这些限制因素都给枣树杂交育种带来极大的困难,在现存枣树700多个品种中,没有一个品种是经过杂交选育而来的,而是经长期的自然变异,从地方品种中优中选优而选出的。本文主要针对枣育种中的瓶颈问题,提出可以在枣育种中实际运用的育种技术进行了总结,为枣育种的进一步研究提供基础资料。

2 枣的育种技术分析

2.1 胚抢救技术

胚抢救技术是对由于营养和/或生理原因,造成难以播种成苗或在发育早期阶段就败育或退化的胚,进行早期离体培养[5]。胚抢救的主要目的是利用胚抢救技术使退化的胚变成有生命力的植株,是获得植物新品种的有力手段。近年来,把通过组织培养产生的体细胞胚也归于胚抢救范畴[6]。

在植物中,胚是一个具有全能性的多细胞结构,具有形成新植株的潜能。胚可以从一个特殊细胞――合子胚或体细胞发生。在正常情况下和适宜的条件下,胚能发育成熟,可以直接播种生长成为完整植株。但是,经过远缘杂交所获得的胚或胚发育早期就败育的胚,则需要进行胚抢救[7]。胚抢救时,抢救的胚首先要从即将退化的子房和胚珠中剥离下来,在难以直接将胚从子房或胚珠中剥离下来时,也可以将包含退化胚的胚珠或子房整个培养,培养一段时间后将胚剥离下来。进行胚抢救时,就最终对胚抢救成活及成苗率影响大小而言,所利用的组织优劣顺序是:活体内胚、带胎座的胚珠、胚珠、退化或败育胚[8],果树胚抢救主要通过胚胎发生途径,也有经过器官发生途径再生植株的。

枣树的胚在发育早期阶段就败育甚至退化,特别适合运用胚抢救技术进行育种。程佑法等[9]以临泽小枣子叶切块为外植体,在附加IBA0.2 mg/L+6-BA1.0 mg/L的MS培养基上培养一周后,切块边缘长出白色胚性愈伤组织,继续培养一个月后愈伤组织中产生体细胞胚。经过细胞学观察发现,其发育途径与合子胚相似,也经历球形胚,心形胚和子叶胚等阶段,胚状体转移至无植物生长调节物质的培养基后,可发育成完整植株。祁业凤等[10] 对枣胚抢救作了初步试验,对枣品种“冬枣”和“金丝丰”的幼胚进行培养。结果表明:坐果后7～10d的幼胚,一直没有得到成活材料。坐果后20d的幼胚,成苗率抵于10%,坐果后40～55d的幼胚,是枣胚抢救的最佳时期。李登科等[11]对6月鲜枣子叶和幼胚进行了培养,获得大量胚状体,且胚状体最终可发育成苗。枣体细胞胚胎的发生主要由枣幼胚或子叶为外植体进行诱导。通过此项技术可以获得生长发育正常的杂交后代,最终选育出综合性状优良的枣树新品种,真正使杂交育种工作高效、快速、定向,具有重要意义。

2.2 植物基因工程技术

植物基因工程是在分子水平上定向重组遗传物质,改良植物性状,培育优质高产作物新品种的分子育种技术[12]。自1983年[13]首次获得转基因植株以来,随着分子生物技术的迅速发展,已获得转基因植物百余种,有近千例转基因植物被批准进行田间试验[14]。长期以来,果树品种改良主要通过杂交育种,现代细胞工程和基因工程手段的出现,为果树育种提供了新的途径。随着重要农艺性状相关基因的分离和鉴定,重组DNA技术的发展和离体培养再生技术的进步,使通过基因工程方法培育具有优良性状的果树新品种成为现实。

枣生产过程中出现的枣裂果和采后不耐贮运的问题,可以通过基因工程的应用加以解决。分子生物学的研究表明,果实成熟是分化基因表达的结果,果实的成熟受基因调控[15],随着果实成熟、衰老相关基因的不断分离,定性以及反义RNA基因技术在调控果实成熟上的成功应用,不仅对揭示果实成熟衰老的分子机理起到重要作用,还可以应用基因工程的方法和手段来控制果实成熟的过程。目前国际上运用基因工程方法控制果实成熟采用的技术路线主要有两条:一是反义RNA技术抑制乙烯合成途径中关键酶的表达[16],二是降低乙烯的直接前体-ACC或ACC 的前体-SAM,从而降低乙烯合成,延缓果实成熟[17]。迄今为止,应用基因工程调控果实成熟最成功的实践是ACC氧化酶 c DNA 的反义转基因番茄,并于1994年实现商业化生产[18],标志着利用基因工程方法控制果实成熟已进入产业化阶段。同时,也意味着应用基因工程方法控制枣的成熟过程成为可能。现阶段,ACC合酶和ACC氧化酶反义基因转化树莓、猕猴桃和桃等多年生木本植物的工作正在进行之中,有些已经获得转基因植株,并将在温室和大田对其园艺性状做进一步的评价[19]。

枣基因工程方面,只有极少数的文献。孟辉[20]以沾化冬枣组培苗茎尖为受体,通过农杆菌介导将来自大肠杆菌的胆碱脱氢酶基因betA和来自拟南芥的乙酸乳酸脱氢酶突变基因als导入冬枣,得到转化植株。何业华等[21]以鸡蛋枣为材料,通过根癌农杆菌介导法获得5株ACC 合成酶反义基因表达的阳性植株。随着有关调控果实成熟、衰老基因被不断分离、定性和枣完善的再生体系的建立,从根本上解决枣育种和生产中遇到的难题将成为可能。

2.3 多倍体诱导育种

多倍体育种是以人工诱发作物,使其染色体数目发生加倍后产生遗传效益为根本的育种技术[22]。多倍体育种在果树上的应用主要是提高单果重,同时改良果实的品质和加强品种的抗逆性,以提高产量,增加效益,并且可利用诱导成的四倍体与二倍体进行杂交,而使三倍体品种的籽粒减少或达到无籽。将加倍技术运用于园艺作物,特别靠无性繁殖的种类,更具有价值和意义。因为对于园艺作物而言,多倍体一般具有比二倍体开花多,结果多,茎杆粗壮,叶片质地较厚,花朵大而鲜艳,花瓣较厚实,耐贮运,果实增大,抗逆性强等优点,从而增加了园艺作物的经济和观赏价值。

到目前为止,秋水仙素仍是诱导植物体细胞染色体加倍的最有效的化学诱变剂。它一般为淡黄色粉末,纯品为针状结晶,性剧毒,首先由Blakestee 等[23]在1937年提出秋水仙碱作为染色体加倍的试剂,它是微管特异性药物,适宜浓度的秋水仙素在细胞分裂中期能破坏纺锤丝的形成,使已经一分为二的染色体停留在赤道板上,不向细胞两极移动,细胞中间也不形成核膜,使原来应为两个细胞的染色体停留在一个细胞核中,最后形成了染色体加倍的细胞,并由这些细胞产生了多倍体植株[24]。随着植物组织培养技术日趋成熟,将组织培养与诱变技术有机的结合起来,进行诱导离体多倍体,成为多倍体诱导发展的方向。这是因为用组织培养进行多倍体诱导与常规植株或种子诱变相比,具有明显的优越性[25]。首先,不受季节等自然条件的限制。其次,可大大缩短诱导育种的周期可反复大批量的在培养瓶中处理植物愈伤组织、众生芽等,从而大大提高了诱导成功率。最后,筛选出的多倍体可以运用组织培养技术迅速大量繁殖,且种苗纯度高,质量好。运用植物组织培养进行多倍体诱导是目前运用较为广泛,效果较好的方法。从已有的报道看,组织培养进行多倍体诱导的途径有两条:一是先用秋水仙素溶液处理培养材料,然后转入分化培养基[26];二是在含秋水仙素的固体培养基培养一段时间,诱导加倍,再转入分化培养基[27],尤其第二条途径日益受到重视[28]。

在枣的多倍体诱导方面,王娜等[29]以冬枣和酸枣组培苗丛芽和茎段为材料,茎段和丛生芽诱变率分别达到26.67%和36.67%。严仁玲等[30]通过用秋水仙素处理金丝小枣单芽茎段,获得了一批稳定的同源四倍体株系。运用组织培养进行多倍体诱导的方法对于花蕾小,去雄困难及败育严重的枣新品种选育具有重要意义。

2.4 原生质体融合技术

原生质体融合技术是指在外力(诱导剂或促融剂)作用下,两个或两个以上的异源(种、属、品种)原生质体相互接触,从而发生膜融合、胞质融合和核融合并形成杂种细胞的现象[31]。原生质体培养重大突破是英国诺丁汉大学Cocking教授领导的小组在1960年率先利用真菌纤维素酶,成功地制备出了大量具有高度活性可再生的番茄幼根细胞原生质体,开辟了原生质体培养研究的新阶段[32]。通过培养再生出细胞壁。以后,人们对原生质体的游离和培养条件进行了广泛的探索,虽未能获得再生植株,但为以后植物原生质体培养的成功奠定了基础。Takebe 等首次利用烟草叶片游离原生质体[33],经培养获得再生植株,使原生质体的研究和应用进入了一个新的阶段。之后,多种植物的原生质体再生植株都相继取得了成功。目前,原生质体再生植株的报道已超过230例[34],迄今,原生质体培养和融合技术已被许多实验室所掌握,并成功地应用于进一步的突变体筛选和遗传转化的研究中,该技术扩大了植物的变异和创造新种质的范围,增加了新品种的选择效果,从而促进了新品种的育种进程。并且细胞融合的研究范围扩展到植物间、动物间、动植物间、甚至人体细胞与动植物细胞之间。特别值得一提的是,通过原生质体融合可以转移作物杂交育种上有重要价值的细胞质雄性不育基因,迅速选育出期望的雄性不育系[35]。原生质体融合技术的应用打破了仅仅依赖有性杂交重组基因创造新种的界限,扩大了遗传物质的重组范围。在操作方面与基因工程相比,细胞融合技术避免了分离、提纯、剪切、拼接等基因操作,在技术和仪器设备上的要求也不像基因工程那样复杂,投资少,并且不存在转基因作物在人们心理感到不安全的阴影,有利于广泛开展研究和推广,有着重大的实践意义,正得到科学界的日益重视。

植物原生质体培养和原生质体融合不仅是植物遗传改良的重要手段之一,而且原生质体也是研究植物细胞壁再生、细胞分裂和分化等一系列细胞遗传和生理过程的良好试验材料。同时,原生质体再生植株中存在广泛的遗传变异,可以为植物育种提供了大量可供选择和利用的材料。应用原生质体融合技术获得体细胞杂种,可以克服其种间杂交不育的缺点,也可以将野生植物中的核控制和胞质控制的优良品质、农艺性状及抗性基因转入栽培种中。在枣育种方面,应用枣原生质体融合方法可以克服枣胚败育而进行体细胞杂交,获得杂交种。从而加快枣育种进程。由于原生质体可直接摄取外源的DNA[36]、细胞器、病毒、质粒等,因此也有利于枣基因工程的研究进展。 原生质体融合技术经过40多年国内外学者的研究创新,在林木[37]、蔬菜[38,39]、果树[40,41]和作物[42,43]中都已经成功获得了再生植株。技术已经相对成熟。在枣原生质体培养方面已有成功的研究报道。何业华等(1999)以无核小枣和鸡蛋枣胚性悬浮细胞为材料,成功获得完整的原生质体再生植株[44]。赵维峰等(2006)获得了冬枣和毛叶枣有活力的原生质体[45]。但在枣的细胞融合方面还没有文献资料。

3 结语

枣树由于自身生理因素,使其育种远远落后其它树种,但是随着育种技术的快速发展,枣树育种迎来了新的曙光。我们有理由相信,通过枣树育种工作者不断的将新的育种技术进行应用,并且把各种技术相辅相成,并与常规育种结合起来,将为枣树基因之间的结合和相互作用以及培育新品种提供无限的可能性。

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Progress and Application of Jujube Breeding Method

Wang Guoping,Li Xiaomei,Xiao Rong,Li Chunyan,Zhang Yongbing,Nie Aiying

(Pomology Institute,Shanxi Academy of Agricultural Science,Taigu County,

030815,China)

Abstract:This paper firstly describes the problems in jujube breeding, and then discusses thepossibility of some new breeding methods applied to jujube breeding, and also describes their research progress, by comparing with the traditonal cross breeding methods. The new methods includes embryo rescue technique, plant genetic engeering, multiploid inducement technique and protoplast cell fusion technique, etc.

Key words:Jujube;new breeding methods;research progress