觀賞桃分子育種研究進展與展望

張文斗王燕徐曼顧振華步洪鳳萬宏偉

(1.常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 常德 415000；2.常德市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 常德 415000)

桃花(Prunus persica)是薔薇科李屬的植物，是觀花為主要目的桃及近緣種(山桃、甘肅桃、新疆桃、光核桃)的統(tǒng)稱，我國分布廣泛、適應(yīng)性強的一種春季觀花樹種。伴隨著人們生活水平的提高和對美好生活的追求，觀賞桃作為園藝觀賞植物的代表之一，憑借其美麗的花色，成為了廣大園藝愛好者們熱衷的方向之一。

近年來，植物分子育種技術(shù)在植物新品種研究得到了廣泛應(yīng)用，已成為研究熱點，因此本文將對觀賞桃分子育種研究進展進行綜述，從觀賞桃分子育種遺傳學(xué)基礎(chǔ)、分子標(biāo)記技術(shù)、遺傳轉(zhuǎn)化體系、性狀生物育種應(yīng)用、高通量測序技術(shù)、基因編輯技術(shù)等方面的發(fā)展趨勢進行展望，以期為觀賞桃的分子育種提供參考意見。

1 觀賞桃的新品種選育

觀賞桃作為一種重要的園藝觀賞植物，具有豐富的形態(tài)特征與遺傳多樣性。在遺傳學(xué)基礎(chǔ)方面，觀賞桃的染色體數(shù)目為2n=16，遺傳方式為有性遺傳，遺傳變異主要表現(xiàn)為單基因控制的簡單遺傳性狀和多基因控制的復(fù)雜遺傳性狀，如花色、花型、花期等。

我國于20世紀(jì)50年代開始進行觀賞桃的選育工作，采用的主要是傳統(tǒng)的育種方式，包括人工雜交、選擇育種等方法。經(jīng)過長期的研究和努力，成功地選育出了一系列優(yōu)良的觀賞桃新品種[1]。北京市農(nóng)林科學(xué)院利用“壽星桃”“白鳳”和“早紅2號”油桃為原始親本，經(jīng)過多代育種，篩選出了一批花朵和果實性狀較理想的優(yōu)系。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所利用“白鳳”與“紅壽星”的雜交后代2-7自交，育成新品種“滿天紅”[2]；利用“迎春”為母本、“白花山碧桃”為父本進行人工雜交，育成新品種“探春”[3]，隨后又培育出“迎春”[4]“元春”[5]，以及“紅色菊花桃”；利用“紅垂枝”和“菊花桃’為親本的雜交實生子相繼培育出“粉垂菊”[6]“紅線菊”[7]“粉線菊”[8]和“萬重粉”[9]等品種。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)選育出葉紫葉、花期早、果可食的觀賞桃花新品種“紫奇”[10]。北京植物園利用早花有香味的“白花山碧桃”為父本，分別以“合歡二色”“絳桃”為母本，培育出2個早花品種[11]。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院園藝研究所以“Rutgers Red leaf”“白壽”等為親本材料，選育出紅葉、粉花、重瓣的觀賞桃“紅粉佳人”[12]。常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院從“照手姬”實生后代群體中選育出“粉玲瓏”[13]，從“合歡二色”實生后代群體中選育出“朝霞”，從紫葉桃實生后代群體中選育出“煙云”，從桃花種質(zhì)資源圃自由授粉的種子后代群體中選育出“晨霧”等一系列優(yōu)良品種。

傳統(tǒng)育種方式的確存在時間長、投入大等缺點，而基于分子標(biāo)記技術(shù)的育種則能夠顯著提高育種效率和精度。通過分析物種基因組序列，尋找與特定性狀相關(guān)的標(biāo)記，鑒定具有優(yōu)良基因型的植株或雜交組合，進而進行二次雜交和篩選，可以快速篩選出有潛在的優(yōu)異后代。此外，基于高通量測序技術(shù)，可以對大量胚胎和幼苗進行遺傳鑒定，從而加速育種進程?；谶@種方法可以更加精準(zhǔn)地挑選出理想的品種，加快品種推廣進程，大大縮短培育周期。因此，基于分子標(biāo)記技術(shù)的育種具有效率高、周期短、精準(zhǔn)度高等優(yōu)點。

2 觀賞桃分子標(biāo)記技術(shù)的應(yīng)用

分子標(biāo)記技術(shù)是現(xiàn)代遺傳學(xué)中的一種重要工具，在植物生物育種中得到了廣泛的應(yīng)用，其主要應(yīng)用包括遺傳多樣性的分析、品種鑒定和物種識別、遺傳圖譜構(gòu)建以及分子輔助育種等方面，其應(yīng)用可以提高育種效率和精度，并探索目標(biāo)性狀的分子基礎(chǔ)和分布規(guī)律，為實現(xiàn)育種的科學(xué)化和精準(zhǔn)化提供強有力的技術(shù)支撐。

觀賞桃是一種非傳統(tǒng)林木樹種，其基因組的組成和結(jié)構(gòu)目前并未得到完全解析，這限制了分子標(biāo)記技術(shù)在觀賞桃的應(yīng)用。因此，觀賞桃在分子標(biāo)記和遺傳研究方面的研究成果相對較少。胡東燕博士率先采用AFLP和ISSR分子標(biāo)記技術(shù)對51個觀賞桃品種進行了桃花品種系統(tǒng)分類研究，并成功建立了品種分類系統(tǒng)及DNA指紋圖譜庫，該研究證實了分子標(biāo)記技術(shù)在鑒定和支持桃花品種的描述及登錄方面的應(yīng)用價值，并揭示了桃花品種的育種起源，為今后新品種的保護、鑒定和登錄工作奠定了堅實的基礎(chǔ)[14]。徐勇通過EST搜索、RACE、同源克隆等方法成功克隆了8個MADS box基因，并在擬南芥中表達進行了表型鑒定，其還探討了利用基因內(nèi)SSR標(biāo)記和公共EST數(shù)據(jù)庫的途徑來挖掘控制重要農(nóng)藝性狀候選基因的可能性，為觀賞桃的分子機制提供了一個新思路[15]。曹珂等使用SSR分子標(biāo)記對桃樹的花藥顏色和花粉育性進行了研究，并尋找了相關(guān)的分子標(biāo)記，證實了紅色和黃色花藥的花粉育性較強于白色和淺褐色花藥[16]。陳霽基于SSR標(biāo)記技術(shù)，對國家果樹種質(zhì)南京桃資源圃中收集保存的34份觀賞桃種質(zhì)及7份桃的近緣種和毛桃，24份桃砧木種質(zhì)分別進行了遺傳多樣性鑒定和親緣關(guān)系分析，為觀賞桃和桃砧木種質(zhì)的利用和系統(tǒng)演化提供分子依據(jù)[17]。樊曉梅使用SSR標(biāo)記技術(shù)對23個觀賞桃品種進行了親緣關(guān)系分析，研究結(jié)果支持了將枝型視為比花型更高級別的分類級別，同時還發(fā)現(xiàn)花型、花色和葉色等性狀之間存在交叉，其中交叉程度最輕的是花型[18]。吉爽秋等運用全基因組關(guān)聯(lián)分析、IGV可視化軟件以及競爭性等位基因特異性PCR技術(shù)，成功地定位了觀賞桃花的候選位點，并進一步完善了桃花型基因型分類[19]。通過分子標(biāo)記技術(shù)，其開發(fā)了一組可靠的桃花型相關(guān)分子標(biāo)記，為觀賞桃花的分子輔助育種提供了重要的理論支持。

3 觀賞桃遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立

遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)是轉(zhuǎn)基因生物育種的關(guān)鍵。通過遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)，外源基因可以被精準(zhǔn)地插入到目標(biāo)物種的基因組中，從而實現(xiàn)目標(biāo)基因的增加或改變，達到育種的目的。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)已經(jīng)成為了重要的育種手段之一。借助這項技術(shù)，育種者可以迅速獲得具有特定基因的新品種，有利于觀賞園藝業(yè)的發(fā)展。因此，將遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)應(yīng)用到觀賞桃生物育種中，是一項重要的研究方向。建立觀賞桃的遺傳轉(zhuǎn)化體系，可以為觀賞桃的育種提供更多的途徑和方法，有助于開發(fā)具有新品種特征的新品種，并推動觀賞園藝業(yè)的進一步發(fā)展。

在園林植物中，用于對其進行遺傳改造的研究也越來越多，常用的轉(zhuǎn)基因技術(shù)包括花粉管通道法，基因槍法，農(nóng)桿菌介導(dǎo)法[20]。目前，以外源基因轉(zhuǎn)化為主的方法主要有外源基因轉(zhuǎn)化，該技術(shù)最大的優(yōu)勢在于它可以在T-DNA上插入幾乎任意的基因[21，22]。雖然許多玫瑰果樹都已經(jīng)成功地應(yīng)用了農(nóng)桿菌介導(dǎo)的轉(zhuǎn)基因技術(shù)，但是對于李屬的核果科水果來說，目前還沒有一套完整的轉(zhuǎn)基因體系，Petri等提出，目前制約李屬水果進行轉(zhuǎn)基因的主要原因有不定芽的產(chǎn)生困難，對抗菌藥物(尤其是卡那霉素)的選擇較為敏感[23]。

迄今，有關(guān)桃樹組織(幼胚、成熟子葉、幼子葉愈傷組織、葉片外植體)的研究已經(jīng)有了一定的進展，然而，關(guān)于轉(zhuǎn)基因技術(shù)在桃樹中的應(yīng)用卻鮮有報導(dǎo)，而已經(jīng)被證實的桃樹外植體材料都是從果實中提取的?？上?，那些被報告過的成功例子，在其它實驗室里，卻無法復(fù)制[24]。Sabbadini等報告了2個由扁桃和Prunus amygdalus雜交種GF677的體細胞組織中獲得的轉(zhuǎn)基因植株[25]。最近，Xu等發(fā)表了一種發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)的桃下胚軸、葉片和芽體外植體轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)基因毛狀根的方法，從而產(chǎn)生野生型芽和轉(zhuǎn)基因根的復(fù)合植株[26]。

通過桃的外植體，可以獲得較高的成活率，但是通過愈傷組織來獲得不定芽的方法還沒有文獻報導(dǎo)，雖然已經(jīng)進行了很長的研究，但成功的例子還很少。為獲得一個有效的桃樹遺傳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，許多研究人員對此進行了探討。Smigicki等首先對桃樹進行了基因工程改造，并采用了一種新方法，即采用了一種新的方法來進行桃樹的基因工程改造[27]；R Scorza等通過pGA472及根癌農(nóng)桿菌A281得到了將該基因?qū)氲教抑械幕蛐蛄兄?，并將其?dǎo)入到桃中[28]。但到目前為止，鮮有關(guān)于桃愈傷組織的轉(zhuǎn)化報道，說明桃的遺傳轉(zhuǎn)化體系還未進入生產(chǎn)應(yīng)用階段。

4 觀賞桃高通量測序技術(shù)的應(yīng)用

高通量測序技術(shù)是一種快速、準(zhǔn)確、高通量的DNA測序技術(shù)，可以大量快速地獲得海量的遺傳信息。高通量測序技術(shù)在園藝植物中應(yīng)用廣泛，可以用于基因組測序、基因型選擇、轉(zhuǎn)錄組分析、小RNA分析、DNA甲基化和染色質(zhì)修飾分析等方面，并且需要進行生物信息學(xué)分析，為園藝植物研究和育種提供支持。

目前關(guān)于高通量測序技術(shù)在觀賞桃的應(yīng)用主要集中在轉(zhuǎn)錄組、代謝組以及病原微生物群體方面的研究。周泳以同株間色碧桃“灑紅桃”為試驗材料，采用高通量測序技術(shù)，檢測了間色和紅花碧桃存在的差異表達基因，并對間色花和紅花差異蛋白表達進行了比較分析，同時采用全基因組甲基化測(WGBS)方法，從表觀遺傳學(xué)的角度分析基因甲基化在碧桃不同花色表現(xiàn)中的差異表達，研究結(jié)果闡明了相同基因型不同花色的表現(xiàn)機理[29]。馬秋月等利用454高通量測序技術(shù)，對其花瓣轉(zhuǎn)錄組序列進行SSR位點發(fā)掘，結(jié)果發(fā)現(xiàn)含SSR的序列4705條，共得到5668個SSR，平均每3.49kb出現(xiàn)1個SSR[30]。周暉等以紅葉品種“紅葉桃”為試材研究了葉片花青苷著色的分子機理，基因表達譜分析表明紅葉中花青苷代謝途徑所有結(jié)構(gòu)基因的表達量都明顯高于綠葉，同時還通過紅、綠葉轉(zhuǎn)錄組比較分析，并結(jié)合前人桃紅葉性狀Gr基因定位結(jié)果，發(fā)掘了控制觀賞紅葉桃葉片花青苷著色的關(guān)鍵基因PpMYB10.4，該調(diào)節(jié)基因在綠色桃葉和煙草葉片中瞬時表達能夠促進花青苷積累[31]。徐曼等對流膠病感染部位的真菌多樣性和轉(zhuǎn)錄組分析，揭示了不同抗性的觀賞桃品種的真菌豐度具有差異性，這一差異也引起了宿主感染組織的轉(zhuǎn)錄組差異表達[32]。

目前，雖然高通量技術(shù)并未在在觀賞桃分子育種得到了廣泛的應(yīng)用。但早在2013年科學(xué)家已經(jīng)完成了桃樹(Prunus persica)高質(zhì)量基因組測序，使得果桃的分子研究取得很多重大突破，高通量測序技術(shù)有望在觀賞桃遺傳變異分析、基因定位、抗逆性研究等方面得到廣泛的應(yīng)用。

5 基因編輯技術(shù)在觀賞桃生物育種中的應(yīng)用

基因編輯技術(shù)是一種新興的遺傳改良方法，可以幫助人們更好地改良和培育園藝植物，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于番茄、水稻、蘋果、草莓、花卉等園藝植物的育種研究中，并且取得了重要的研究進展。在番茄的育種研究中，運用基因編輯技術(shù)標(biāo)記了水果顏色和形態(tài)相關(guān)的基因，使其變得更加美觀和營養(yǎng)豐富。在草莓的育種研究中，成功地實現(xiàn)了紅色草莓果實中多酚生物合成途徑的基因修飾，從而使其產(chǎn)生更高的抗氧化活性。

基因編輯技術(shù)是一種基于CRISPR/Cas系統(tǒng)的精準(zhǔn)基因編輯技術(shù)，可以在基因水平上改變或完善品種性狀，為觀賞桃分子育種帶來了全新的契機?；蚓庉嫾夹g(shù)有望在用于觀賞桃的花色和花型等復(fù)雜遺傳性狀的改良，達到利用基因編輯技術(shù)改造觀賞桃具有開發(fā)新潛力和更高的觀賞價值，將極大地促進觀賞桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但也需要克服一定的技術(shù)和倫理挑戰(zhàn)，加強相關(guān)研究的規(guī)范和管理。

6 結(jié)論

本文總結(jié)了觀賞桃分子育種的研究進展和展望，并且就分子標(biāo)記技術(shù)、遺傳轉(zhuǎn)化體系建立、性狀生物育種應(yīng)用、高通量測序技術(shù)、基因編輯技術(shù)進行了闡述。觀賞桃的新品種選育是觀賞桃分子育種的重要方面之一，選育具有良好性狀的新品種，可以提高觀賞桃的經(jīng)濟和生態(tài)效益。分子標(biāo)記技術(shù)為觀賞桃分子育種提供了一種高效的方法，對于觀賞桃親本篩選及雜交后代的遺傳分析有著重要的作用。觀賞桃遺傳轉(zhuǎn)化體系的建立是將分子育種技術(shù)轉(zhuǎn)化為實際品種選育的關(guān)鍵，可以將各種重要基因?qū)肽繕?biāo)品種。此外，高通量測序技術(shù)的廣泛應(yīng)用正為觀賞桃生物育種提供了新的機遇。通過高通量測序技術(shù)，可以更加全面地了解觀賞桃品種中的基因組構(gòu)成，同時也可以精確地檢測觀賞桃種群中不同基因型之間的遺傳差異，并拓展分子育種的研究層面?；蚓庉嫾夹g(shù)進一步推動了觀賞桃分子育種的應(yīng)用前景?；蚓庉嫾夹g(shù)可以高度精準(zhǔn)地編輯觀賞桃基因組中的目標(biāo)序列，實現(xiàn)對性狀的優(yōu)化和改良，為品種選育提供了新的途徑。觀賞桃分子育種技術(shù)的不斷發(fā)展以及多種技術(shù)的不斷創(chuàng)新，為觀賞桃的育種提供了廣泛的選擇和改良方法，為觀賞桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出了重要的貢獻。