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香蕉选育种的途径与方法研究进展

2021-10-19 来源:好走旅游网
万方数据仲恺农业技术学院学报,21(1):60一64,2008Journal of Zhongkai University of Agricultrue and Technology文章编号:1006一0774(2008)01一0060一05香蕉选育种的途径与方法研究进展徐春香,陈厚彬,胡桂兵,尉义明  (华南农业大学园艺学院,广东广州510642)摘要:香蕉(Musa app.)的主栽品种均为三倍体,难以通过传统的杂交育种方式获得优质、高产、抗性强的优良新品种.利用诱变育种、基因工程等技术及多种技术相结合的方式来选育香蕉新品种成为必要.文章较系统地介绍了适用于香蕉选育种的多种途径和方法,其中着重介绍了香蕉生物技术育种在香蕉育种中的应用及其研究进展,并对现阶段香蕉育种中存在的问题进行了分析,对今后研究的重点进行了讨论.关键词:香蕉(Musa app.);育种途径与方法;生物技术育种中图分类号:5668. 1文献标识码:AReview on the methods and techniques of banana breedingXU         Chun-xiang, CHEN Hou-bin, HU Gui-bing, WEI Yi-ming(Col  lege of Hotriculture, South China Agircultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract:It is dififcult to create new banana(Musa spp.)cultivars with good agronomic characteristics,resistance and high yield simultaneously through conventional breeding, because most cultivars are tirp-loid. More efficient techniques, such as mutation breeding, genetic transformation, are necessayr tobreed novel banana variety. Advances in several kinds of banana breeding methods and techniques, espe-cially in biotechnological breeding, were reviewed in this paper. Based on the analysis of current prob-lems in banana breeding, some suggestion for further research were discussed.Key words: Banana (Musa spp.);breeding methods and techniques;biotechnological breeding香蕉(    Musa spp.)是一种重要的热带亚热带水果,在我国广东、广西、福建、海南、云南及台湾等省区栽培面积较大,2006年年产量超过600万t[tl.但是,近年来在我国华南蕉区香蕉枯萎病的发病率逐年增加,成为制约香蕉产业发展的重大障碍之一[[2].此外,台风及冷害的频繁发生也严重威胁香蕉的生产.如何解决当前生产上遇到的这些问题,最根本、最有效的措施就是选育优质、抗性强的优良新品种.然而,香蕉的主要栽培品种均为三倍体,难于进行传统的杂交育种,绝大多数香蕉栽培品种都是经过自然变异和选择获得的.近年来,生物技术的迅猛发展为利用诱变育种、细胞工程、基因工程等技术及多种技术相结合的方式进行香蕉品种改良提供了可能.作者对适用于香蕉选育种的几种途径与方法及其所取得的成就和优缺点进行了评述,并对今后育种研究的重点进行了展望,希望能够供香蕉育种工作者参考.1引种引种因具有简单易行、立竿见影等特点,深受广大育种工作者青睐.如早在1    976年,中国农科院品种资源研究所就从墨西哥引人4个香蕉品种,于20世纪80年代在厦门郊区及漳州市各县推广[[3). 1985年,华南植物研究所从澳大利亚引进“威廉斯”品种(Musa AAA),并在1993年成为试管苗种植面积最收稿日期:2007一09一09基金项目:广东省自然科学基金(05006658),广东省科技计划农业攻关(2006A20201007)资助项目.作者简介:徐春香(1969),女,江西九江人,副教授,博士.E-mail: chorcu@ scau. edu. en万方数据第1期徐春香,等:香蕉选育种的途径与方法研究进展大的品种;1987年湛江市农业生物技术研究中心从澳大利亚昆士兰园艺所引人“威廉斯”及其他品种共13个,此后,该所不断从其他国家引人新的香蕉品种[]’.近年来,广东省农业科学院果树研究所等单位又引进行了抗枯萎病香蕉新品种“新北蕉”(Mesa AAA)等[[s).引进的优良品种,经适应性试种成功后,通过组织培养技术工厂化育苗,能够在短时间内大面积替换淘汰原有品种,对促进我国香蕉产业的发展及良种普及起着举足轻重的作用[]’.2芽变选种    芽变选种是对芽内自然发生的变异进行选择、育成新品种的育种方法,在香蕉育种工作中占有极其重要的地位.体细胞无性系变异是植物组织培养过程中存在的普遍现象,并且绝大多数变异可以遗传,这些可遗传的变异经人工选择和培育,能获得既具有亲本原来的优良性状,又带有一些新性状的新品种.如我国台湾香蕉研究所,从香蕉组培苗的变异植株中选育出具有抗香蕉枯萎病的“台蕉1号”(Musa AAA)和" Fromasana" (Musa AAA).等品种[6].目前香蕉试管苗生产已成为我国香蕉的主要育苗手段,90%的香蕉种苗是组培苗.为了保证种苗的质量,通常组织培养过程中的变异苗都被淘汰,这从育种的角度来说是一个很大的浪费.因此,在通过组织培养方式繁育香蕉种苗的同时,结合芽变选种是一条非常便利的途径.此外,在引种的基础上通过芽变选种方式获得优异的新品种也是一条切实可行的选育种途径.如华南    农业大学在引进抗性资源的基础上,经芽变选种的方式获得高抗香蕉枯萎病及具有较好农艺性状的“粤优抗1号”新品种川.3杂交育种绝大多数香蕉栽培品种为三倍体,不能通过传统的杂交育种方式获得品质好、抗性强的优良新品种,    但这种情况并不是绝对的.有些三倍体如“Gros Michel" (Musa AAA)、"Silk" (Musa AAB )、" Mad&"(Musa AAB )、“Mysore" (Musa AAB )、"Pome" (Mesa AAB)和“Bluggoe" (Musa ABB)等在减数分裂过程中也能产生不减数的三倍体配子,如果用野生二倍体香蕉的花粉进行授粉可获得少量四倍体种子[[8l如洪都拉斯农业研究所经过多年努力,采用杂交育种方式获得了包括“FHIA-01 " (Musa AAAB)在内的一系列具有优良农艺性状、抗病、抗寒等性能的优良新品种,并在生产中得到推广应用[9]二但由于绝大多数香蕉栽培品种为三倍体,而优质的二倍体、四倍体种质资源非常有限,致使香蕉的杂交育种研究难以广泛开展.    诱变因素能够诱发植物基因突变、扩大遗传变异,是创造新种质、选育新品种的有效途径.常用的诱变剂有物理诱变剂和化学诱变剂两大类。目前,用于香蕉育种的物理诱变因素主要是,射线.香蕉辐射诱变始于2    0世纪60年代〔’“].此后国内外学者对香蕉进行了大量的辐射诱变育种研究,获得了一批具有矮化、早花、抗病等优良特性的突变体甚至新品种[17-14].物理诱变具有较大的随机性,诱变方向难以控制、诱变机制尚不清楚,虽然突变频率较高,但其中有益变异几率很小.为了获得有利突变,必须使辐射处理的后代保持相当大的群体,耗费大量的人力、物力和财力.但由于它具有安全、方便、突变频率高等优点,当前仍是香蕉育种的重要途径之    化学诱变虽然突变频率较低,但获得有益变异的机率相对较高,因此在香蕉诱变育种中也得到广泛应用.如在培养基中添加甲基磺酸乙醋、叠氮化钠、高水平的细胞分裂素、香蕉枯萎病病原菌毒素等物质,可获得具有早花、高产、生活周期短、抗病等特性的突变体或新品系〔1s-76)然而,以茎尖为诱变材料通常只能获得嵌合体,这些嵌合体大多失去其优良性状而不能稳定地遗传给    后代。如果选择胚性细胞悬浮系(Embryogenic cels uspension, ECS)作为诱变的对象,获得嵌合体的机4诱变育种万方数据仲恺农业技术学院学报第21卷率将大大降低,因为通过体胚发生途径获得的再生植株为单细胞起源「171,并且正是由于香蕉以无性方式进行繁殖,一旦获得纯合的优质新种质,即可稳定地遗传给后代.同时诱变的效率也大大提高,因为目前从1 mL ECS中最多可获得约10,株再生植株[”].随着部分香蕉品种ECS的建立及体胚发生途径植株再生技术的成功,物理、化学的诱变因素已开始应用于香蕉ECS的诱变育种[17,191.但建立香蕉ECS的难度较大[[20]仍是应用这一有效体系的障碍・    由于香蕉主栽品种的高度不育、自然突变频率低、当前分子育种技术尚不成熟,诱变育种技术是当前香蕉育种最有效的手段之一,如果能以香蕉的ECS为诱变对象、加强组织培养条件下的筛选研究、与分子标记辅助育种相结合将会获得更好的效果.S生物技术育种5.1原生质体培养原生质体培养是以裸露的细胞原生质体作为外植体进行的离体培养.最早进行香蕉原生质体培养试验    的是Bak了211,至今已分别从叶、根、茎尖、愈伤组织等多种组织或器官中成功分离了原生质体〔21-231,但它们并不是分离原生质体的理想材料,香蕉的ECS是能够获得有再生能力原生质体的唯一材料〔221.遗憾的是,到目前为止已经成功建立的ECS香蕉品种屈指可数,加之获得体细胞杂合体的频率低、实验重复性差〔川,从而严重制约了体细胞杂交技术在香蕉育种中的应用.5.2基因工程育种植物组织培养技术和分子生物学技术的迅速发展,为在基因水平上改良香蕉种质提供了可能.国内外    学者在利用基因工程技术进行香蕉种质创新方面进行了大量的探索.5.2.1受体系统质地良好的转基因受体系统是成功地通过基因工程方式创新植物种质的基础.受体材料的质地不仅关系到转化的成功率高低,也影响到转化植株的纯合性等问题〔川.香蕉基因工程中常用的受体系统按材料特性大体上可将其划分为以下两大类型.5.2.1.1茎尖生长点以茎尖生长点为受体的转化通常有单个的吸芽茎尖、多芽体茎尖、球茎薄片等形式,但无论哪种形式,其实质都是香蕉的茎尖生长点.以茎尖为受体的遗传转化首先由Sagi等[25]发展起来.近年来我国有不少以茎尖为受体的遗传转化报道[[26-281.香蕉的吸芽茎尖,在适宜的培养基(增殖培养基)上诱导,不断发生腋芽,形成丛生芽,后者经生根培养基诱导后形成完整植株,这是香蕉通过组织培养方式进行快繁的基本途径.这种方法从芽到芽,具有遗传稳定性强、繁殖速度快、转化周期短等特点.该方法最大的缺点是不能避免嵌合体的产生.通常,嵌合的转化植株其未转化部分最终会取代转化部分,从而使前面的转化工作前功尽弃.5.2.1.2胚性细胞悬浮系(ECS)香蕉的ECS是公认的理想的受体系统,以之为受体系统遗传转化可以大幅度减少甚至避免嵌合体的产生[241.近年来,国外香蕉的遗传转化基本上都采用ECS为受体〔24,29-31],但国内至今尚未见有相关报道,其主要原因就在于建立香蕉ECS的难度较大〔201.目前全世界已报道成功建立香蕉ECS的品种大约有20多个,国内也已有一些零星报道〔19,32-331.与茎尖受体系统相比,该方法还有一个缺点就是转化周期长,获得再生的转化植株通常需要半年左右的时间.5.2.2遗传转化方法与技术在遗传转化方法方面,早期采用基因枪法为主,电击法、根癌农杆菌介导法等其他方法为辅,后证明根癌农杆菌介导法较为有效[川,加之根癌农杆菌介导法具有多为单拷贝等优点,因此目前绝大多数香蕉遗传转化研究都采用根癌农杆菌介导法.在转化技术方面,对影响遗传转化效率的一些重要参数,如农杆菌菌株、共培养时间及温度、不同启动子、侵染时间、微弹速度等进行了优化〔24,26-29,351.此外在检测技术上也在不断改进〔3115.2.3目的基因香蕉遗传转化的目的基因正逐步从检测报告基因向功能性基因转变.早期的遗传转化研究主要是检测报告基因〔川,近年来逐步转向功能基因,如抗香蕉束顶病毒病基因、肝炎表面抗原基因等[[24.29一此外,香蕉还是一种非常理想的生产食用疫苗的作物,如目前已获得了转乙型肝炎表面抗原基因的转基因植株[301.香蕉转基因研究开展至今已有10多年的历史[251,但尚未获得真正有应用价值的转基因品种.目前,制约香蕉遗传转化研究的瓶颈在于难以建立理想的受体系统.因此,建立更多具有优良万方数据第1期徐春香,等:香蕉选育种的途径与方法研究进展农艺性状的优良品种的ECS是今后努力的主要方向.此外,还应尽量从香蕉内部挖掘抗性资源,以提高转基因效果;研发特异部位表达的启动子如韧皮部特异表达启动子,以降低基因工程技术育种中的基因安全性风险.再者,对香蕉抗病基因的相关基因组学的研究,也有助于香蕉转基因的研究与应用.6小结    油于香蕉的主栽品种均为三倍体,生产上长期采用无性繁殖的方式进行种苗繁育,由此导致种性退化及抗逆性降低,过去十多年来很少有优良新品种问世.目前,我国的香蕉生产现正面临香蕉枯萎等病害、台风和冷害等的严重威胁,市场呼唤抗病、耐寒、抗风、优质的香蕉新品种.鉴于香蕉育种研究的现状,我们认为今后应从以下几个方面着手:(1)引种固然是一条最快捷的育种途径,但从全球范围来说,要想获得优良性状,还必须加强种质    资源的重新评价、发掘与创新工作.从种质资源的收集整理和研究人手,对现有资源进行系统的鉴定评价和开发利用;继续挖掘新的香蕉种质资源,同时利用诱变技术、细胞工程、基因工程等手段积极开展种质资源创新工作;(    2)香蕉自然突变频率低,体细胞变异结合诱变能使变异率大大增加,但有益突变很少,需要大量的诱变后代群体以供筛选,因此芽变选种及诱变选种应发动广大蕉农参予,仅仅依靠少数科研人员及有限的科研经费是远远不够的.我国台湾香蕉研究所在育种上的成功就是一个很好的范例;(3)加强对香蕉主要农艺性状、抗病等优良性状的分子标记研究,建立和完善香蕉分子标记辅助育    种技术,尤其是在诱变育种过程中利用分子标记技术对有益突变进行早期筛选,‘可以大大缩短育种周期、提高育种效率;(    4)香蕉ECS的建立是利用包括诱变技术在内的生物技术创新香蕉种质水平的瓶颈所在.为打破这个瓶颈,今后应加强体胚发生机理方面的研究.相信随着香蕉基因组测序结果的问世、生物技术的不断完善与发展,将会为香蕉育种研究开创新的局面.参考文献:[1]中国农业年鉴编辑委员会.中国农业年鉴〔M].北京:中国农业出版社,2006; 192一194.[2]刘景梅,王璧生,陈霞,等,广东香蕉枯萎病菌生理小种RAPD技术的建立【J].广东农业科学,2004(4):43一46.[3]蔡树木,黄锡栋.墨西哥香蕉引种栽培及区域示范推广【J].福建果树,1998(2):25一26.[4〕李宝荣,张向平.目前国内主栽香蕉品种的引种过程及存在的问题[J].中国南方果树,2002, 31(4): 30 -31.[5]黄秉智,杨护,许林兵,等.抗枯萎病香蕉品种新北蕉引种试验初报〔J].广东农业科学,2005(5):33一34.[6]  HWANG S C, KO W H. 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