番茄不成熟基因nor的AFLP分子标记研究进展

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  摘要:综述了番茄不成熟基因nor的发现过程及含不成熟基因番茄的特点,AFLP分子标记的技术以及在番茄育种上的应用:构建遗传图谱、基因定位、辅助选择育种和种质资源研究与品种纯度鉴定等;讨论了番茄不成熟基因和AFLP标记存在的问题,并展望了其应用前景。
  关键词:番茄;不成熟基因;nor;AFLP分子标记
  
  番茄果实成熟后很快变软,不耐贮藏和运输,销售旺季大量番茄腐烂变质,造成很大的损失。据报道,每年番茄采后损耗量占总产量的15%~20%。采收绿熟果实虽可以提高耐贮运性,但果实风味较差,着色不匀,品质下降。所以,长期以来人们一直盼望能培育出一种既能延长贮藏时间,又可保持其优良品质的番茄新品种。利用番茄成熟突变体中的不成熟基因培育耐贮品种,是提高番茄果实货架寿命,延长番茄贮藏期的一种途径。
  
  1 番茄不成熟基因的研究进展
  
  1.1 番茄不成熟基因的发现
  不成熟基因nor(non-ripening)为单个隐性基因,位于第10条染色体上,由加拿大安大略园艺研究所的Kerr在ItalianWinter品种中获得,与位于第10S~19的果实均匀着色突变体u(uniform ripening)紧密连锁(大约3.5个遗传单位)。
  
  1.2 含不成熟基因番茄的特点
  近年来,番茄育种专家先后发现了多种番茄成熟突变体,如永不成熟基因Nr(never ripe)、成熟抑制基因rin(ripen-inginhibitor)、不成熟基因nor(non-ripening)及晚成熟基因alc(alcobaca)等,它们的共同特性是果实成熟过程非常缓慢。产生很少的番茄红素,果实硬度大,不产生或产生微量果实软化酶——多聚半乳糖醛酸酶(PG),成熟过程无呼吸跃变,果实在常温下可贮藏2~3个月不腐烂。但对番茄的品质特性有副作用。
  1.2.1 nor突变体及其杂合体的呼吸特点 据报道,番茄成熟突变体rin、nor果实均属于无呼吸跃变型,主要表现在从绿熟期采收到贮藏1个多月,番茄乙烯含量和呼吸强度均很低,属于细胞质遗传。番茄正常成熟果实在采后3~4 d迅速达到呼吸高峰,而nor突变体果实无呼吸高峰。杂合体(nor/nor)果实呼吸行为与正常果实不同,从呼吸高峰前期呼吸率最低点到呼吸高峰时间延长。呼吸高峰前期最小值和高峰呼吸率分别只有正常成熟果实的65%和45%(图1)。
  1.2.2 果实果胶溶解酶、多聚半乳糖醛酸酶的活性变化 番茄果实硬度是果实品质构成要素之一,与采后贮运特性有密切关系,因此保持番茄硬度是提高番茄货架寿命的有效途径。魏宝东等认为,果肉硬度与不溶性果胶呈极显著正相关,与可溶性果胶呈极显著负相关。不溶性果胶含量越高,果实越硬,则货架寿命越长,因此不溶性果胶含量是影响果实硬度进而影响货架寿命的最直接内因。使果胶降解而影响果实硬度的酶主要有果胶甲酯酶(PE)和PG。PE可将酯化的果胶变成果胶酸。PG能催化富含多聚半乳糖醛酸酶的果胶质水解,使解离的水溶性细胞壁组成遭受不同程度的降解,导致果实软化,硬度下降。正常果实在成熟期间迅速变软,软化与着色速度相一致,采收后1周内硬度下降最快。杂合体(nor+/nor)果实软化比正常果实晚4~5周,着色比正常果实晚2~3周。
  nor/nor及nor+/nor果实内的果胶溶解酶、多聚半乳糖醛酸酶的活性被全部和部分抑制,果实中果胶的溶解受到影响,从而改变了果实的正常软化过程。研究报道突变体(nor/nor)果实中没有多聚半乳糖醛酸酶(PG),而杂合体果实转色后PG积累缓慢(表1)。同时经过对多种成熟突变体特性的分析、鉴定。发现nor突变体基因材料在室温下可贮藏2个多月,果实在转色期采收贮藏,最终果实颜色呈橙黄色。且品质与正常番茄相近,正常果实着色后4d PG活性提高。而在nor+/nor果实中则未出现PG。转色后第10天,正常果实已进入成熟阶段,nor+/nor果实仍很硬,表现出少量PG,仅为同时期正常果实的1/6。
  1.2.3 含不成熟基因番茄的细胞超微结构特点 据刘愚等报道,果皮细胞中作为核质之间物质和信息交换重要通道——核孔,其数量和大小在番茄成熟过程中发生显著变化,同时与乙烯的生成有着密切的联系。正常果实近表皮薄壁细胞大而扁长:而nor/nor果实近表皮薄壁细胞形状小且圆,细胞排列形状也较为紧密;nor+/nor果实的薄壁细胞大小、扁圆程度居中。这一结构特点说明nor/nor及nor+/nor果实的耐贮、抗压能力强于正常果实。
  1.2.4 含不成熟基因番茄的耐贮性特点 果实耐贮性是番茄果实主要性状之一。目前主要通过2种途径延长番茄的贮存期:一是通过提高PG的活性来抑制细胞壁果胶的降解,使果实抗软化;另一种是通过抑制乙烯的合成,提高果实耐受“成熟过度”的能力。经过对多种成熟突变体特性的分析、鉴定,发现nor突变体基因材料在室温下可贮藏2个多月,果实在转色期采收贮藏,最终果实颜色呈橙黄色,且品质与正常番茄相近。
  陆春贵等的研究为不成熟基因对番茄果实货架寿命的影响提供了有力的证据:在突变体材料alc,rin,nor中,rin番茄果实贮藏指数最高,其次是nor和alc。正常成熟的品种,一般仅能贮藏l周左右,而rin,nor和alc可贮藏2~3个月。含耐贮基因的品种与正常成熟品种杂交后其贮藏性显著下降,但比正常成熟品种的贮藏期长10~15 d。
  
  2 不成熟基因在番茄育种中的应用
  
  通过转基因技术获得的耐贮番茄是最早实现商品化生产的转基因蔬菜作物。1994年4月美国加利福尼亚基因公司培育的FlavrSavr耐贮番茄已通过美国食品和药物管理局的使用安全性检验,并开始在美国加利福尼亚和伊利诺斯州的超级市场上出售,这是首例通过基因工程获得的食品。叶志彪等将氨基环丙烷羧酸(ACC)合成酶EFE反义基因转入番茄,获得的耐贮番茄华番1号在13~30℃下可贮藏45 d,于1996年被批准为我国第1个商品化生产的农业基因工程产品,
  经过对多种成熟突变体特性的分析、鉴定。发现nor突变体基因材料Long Keeper果实在转色期采收,室温下可贮藏2个多月,最终果实呈橙黄色,且品质与正常番茄相近。耐贮番茄长龄就是含有隐性纯合耐贮基因(nor/nor)的一代杂种,其母本双黄5号是矮黄品种与含纯合nor基因的材料杂交,经后代分离选择而成。它既含有Tm-2nv抗病基因,又含有耐贮nor基因;其父本139F由园艺性状优良、不耐贮材料84-142与含有nor基因的材料LongKeeper杂交,经7代系统选择而成。
  
  3 AFLP分子标记
  
  3.1 AFLP分子标记技术
  AFLP分析是PCR与酶切相结合的一种技术,是由荷兰 科学家Zabeau等㈤在1993年发明的,荷兰Kewene公司拥有该项技术的专利。其基本原理是通过选择性扩增基因组DNA的酶切片段而产生多态性,选择性扩增是通过引物的末端加上选择性核苷酸而实现的。
  AFLP结合了RFLP和RAPD各自的优点。方便快速。只需要极少量DNA材料,不需要Southern杂交,不需要预先知道DNA的顺序信息,实验结果又稳定可靠,可以快速获得大量的信息,AFLP产物呈典型的孟德尔方式遗传等特点,被称为最有力的分子标记或下一代分子标记。因而可以应用于一般分子标记的所有应用范围,如种质资源分类、系统发育、品种鉴别、遗传图谱构建及目的基因定位等各项研究。
  目前许多学者正致力于应用AFLP技术进行抗性基因标记及定位,Zhang等利用野生种多毛番茄与栽培种杂交,鉴定了控制早疫病抗性的17个QIL位于番茄的7个染色体上,而且除染色体3上的一个OWL位点外,其他的均来自于抗性野生种,检测到的QTLs可以用于番茄分子辅助选择育种。英国Thomas等利用番茄与野生种Lveopersicon pennellii种间杂交F2代群体发现42000条AFLP带纹与番茄抗叶霉菌基因cf-9紧密连锁,其中3个标记与cf-9基因表现共分离。Wong等利用AFLP技术研究了香蕉的遗传多样性,筛选到马来半岛的尖叶蕉(m.acuminata)是野生蕉的1个核心种质资源,是1个能代表3个亚种基因组的野生种。
  
  3.2 AFLP分子标记在番茄育种中的应用
  3.2.1 标记辅助选择 AFLP分子标记作为DNA分子标记的一种在植物育种中的应用首先是要分析不同品种间的多态性,或者构建遗传图谱,对与经济性状紧密相连的基因或0TLs进行标记,然后利用其判断目标基因存在与否,以便追踪这些基因并且在育种中谨慎地做出选择。实现分子标记辅助选择(molecular marker-assisted selection,MAS)。它是现代分子生物学与传统遗传育种的结合点,借助分子标记可以对育种材料从DNA水平上进行选择,加快选择进度,增强选择的准确性。从而显著提高育种效率。
  寿森炎等以番茄高抗青枯病品种TSlA与高感青枯病品种T9230为材料,用64个EcoRI/MseI引物组合对2个亲本及其F2代抗病和感病基因池进行了AFLP标记分析,扩增出的约4200条带中有2条为稳定差异。经过F2代分离群体对2个特异条带与目的基因的遗传连锁性进行分析,结果表明特异条带AAG/CAT与抗青枯病基因RRS-342(暂定名)紧密连锁,二者之间的遗传距离为6.7 cM。将AAG/CAT片段回收、克隆及测序,将其成功地转化为SCAR标记,可以进一步应用于标记辅助育种。
  3.2.2 番茄遗传图谱的构建 番茄遗传图谱的构建在番茄基因组研究中起了非常重要的作用,它可以为基因定位、基因克隆、基因组结构和功能的研究,和番茄的分子标记辅助育种打下良好的基础。AFLP能够揭示大量的多态性位点,可以弥补传统的RFLP标记多态性低的缺点,因而AFLP可以构建高密度的遗传图,使基因组能完全被分子标记覆盖,无很大的标记空隙,可以检测数量性状基因(QTL)。目前,已在许多植物上开始了AFLP建图工作,有的利用AFLP标记填充原有遗传图的间隙(Cap)。使得遗传图的精度大大提高。Donini等在马铃薯RFLP的分子遗传连锁图谱基础上,用AFLP分析获得了3200个AFLP片段,找到了29个AFLP标记与马铃薯第5染色体上R1基因紧密连锁。
  Tankslev等于1992年以栽培番茄Lvcopemicon eSCll-lentumcv VF36-Tm2a与潘那利番茄Lvcopsersicon pennellii LA716的F2代群体构建了高密度遗传图谱。这张图谱的遗传标记以RFLP为主并包括同工酶和形态学等遗传标记,共有遗传标记1030个,总长度为1276 cM,平均每1.2 cM就有1个标记,并与经典图、细胞图作了对比。使番茄的遗传图谱达到一个新的水平。
  3.2.3 基因定位 蔬菜作物的许多重要的农艺性状一部分表现为质量性状遗传的特点。如某些抗性和育性等:另一部分表现为数量性状遗传特点,大多数经济性状是数量性状,如产量、品质、抗逆性、成熟期和某些抗病性等。质量性状是分离群体中表现为不连续变异而显示质的差异的性状。近等基因系分析法(NILS)和分离群体分组分析法(BSA)是寻找与目标基因紧密连锁的分子标记的有效方法。这2种方法主要运用于质量性状基因定位的研究。数量性状是一类受多基因控制的复杂性状。多基因在染色体上的位置称为数量性状基因座(OTL)。
  研究数量性状的遗传,进行基因定位和效应估计,对蔬菜作物数量性状的遗传改良至关重要。Thomas等用BSA方法在普通番茄(Lycopersicon esculentum)(cf-9)xL,pennel-lii的F2世代中筛选了近42000个AFLP座位,获得3个与Cf-9共分离的AFLP标记(M1、M2、M3),集中在cf-9两侧共约0.4 cM范围内:对含有Cf-9基因的克隆质粒,再用AFLP标记进行分析。得知M1、M2分别位于Cf-9基因的两侧。相距间隔为15.5 kb。卫丽等采用AFLP标记与BSA技术相结合的方法,对由显性核基因(RL-4)控制的番茄野生种L.peru-vianum的白粉病抗性进行了研究。在F2代抗病池和感病池问随机筛选了256对引物,利用Joinmap软件对筛选结果进行连锁分析,找到了与番茄抗白粉病基因RL-4连锁的6个AFLP标记,其遗传距离分别为4,3、5,5、5,5、5,6、6,6和11.9 cM。
  3.2.4 种质资源研究与品种纯度鉴定 番茄野生种中具有优良的抗病虫种质,是普通番茄育种可利用的重要资源。采用DNA分子标记法对番茄属的种质资源的研究,可用于品种资源的鉴定与保存及杂交亲本的选择等育种工作。多种分子标记方法已应用于番茄种质分析、番茄品种鉴定、品种纯度分析及番茄体细胞无性系变异的鉴定等研究工作。
  DNA标记技术在番茄的品种纯度分析中得到应用。番茄是自花授粉植物,在杂交育种过程中容易发生母本自交而产生假杂种,这是种子纯度分析中遇到的一个主要问题。DNA分子标记技术可通过建立亲本、杂种的PCR扩增产物图谱进行品种的真实性和纯度鉴定,具有快速、准确、省时省力、所需样品量少、标记数量无限、任何组织在任何发育期均可用于分析等优点,而优于传统番茄种子纯度鉴定所采用的形态学法和同工酶电泳法。
  宋顺华等采用AFLP技术研究了90份来自7个不同栽培地区的大白菜品种材料,其中E-ACA/M-CTG是大白菜 品种十分高效的引物组合,能将90个品种全部区分开来。田雷等利用AFLP标记技术对在农业生产上大面积推广使用的4个玉米杂交组合及其8个亲本共12份材料进行分析研究,从10对EcoRI+3/MseI+3引物中筛选出了1条能够区分4个供试玉米杂交品种真实性及品种纯度的引物。
  
  3.3 不成熟基因nor的AFLP分子标记
  田波涛,许向阳以含有成熟突变体nor基因的品种07970为父本,正常成熟品种07971为母本,以及其有性杂交产生的F2代为分离群体。用EcoRI/MseI引物组合对两亲本及其F:代进行了AFLP标记分析,最终获得了与不成熟基因nor紧密连锁的4个AFLP标记E47M46、E47M49、E65M63和E33M60,与不成熟基因nor的连锁遗传距离分别为10.3、10.8、12.5和14.2 cM;这一结果为分子标记辅助育种及进一步的基因克隆奠定了基础,为进行其他重要农艺性状的基因定位和标记辅助育种研究提供了参考。
  
  4 问题与展望
  
  基因nor是良好的耐贮育种材料,但这类基因型材料园艺性状普遍较差:植株徒长,节间长,坐果率低,果个小,抗性弱,易感病,果实转色慢,成熟时番茄红素显著不足,果实品质和商品性欠佳。因此,在耐贮番茄育种中,首先要改善nor果实成熟突变体本身的园艺性状,选用大果型、抗病性强、产量高、坐果率高、品质佳的正常成熟番茄品种与成熟突变体稳定品系杂交,从后代中选育出稳定的耐贮性强、品质佳,其他园艺性状也优良的番茄新品种。
  AFLP结合了RFLP和RAPD的优点,既具有RAPD高效性特点。又兼有RFLP的稳定、可重复性强的特点,同时具有很高的分辨率。AFLP以其高效可靠的优点,被誉为“第3代分子标记技术”,Peiie等认为AFLP具有与RFLP同样可靠的结果,并可实现自动化操作。所以能够完全取代RFLP用于种质资源的研究。但是,AFLP标记的不足之处在于其较高的费用,同时它是显性标记,不利于群体遗传结构的分析等。基因组的不完全酶切会影响实验结果,所以实验对DNA的纯度和内切酶的质量要求较高。然而,随着AFLP技术的不断完善和发展,相信AFLP将在番茄甚至所有园艺植物研究中发挥越来越大的作用,应用前景广阔。
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