甘蓝类蔬菜分子育种研究进展_杨迎霞.pdf

农学学报2023,13(3):44-51Journal ofAgriculture0 引言甘蓝类蔬菜作物是十字花科芸薹属甘蓝种(Brassica oleracea L.)中的一年生或二年生蔬菜的统称。据 联 合 国 粮 农 组 织(Food and AgricultureOrganization of the United Nations,FAO)统计，2019年全球甘蓝类蔬菜作物总产量约为7010万t，是世界性基金项目：天津市“131”创新型人才团队建设项目“天津市农业科学院蔬菜研究所花椰菜育种创新团队”(201923)；天津市农业科学青年科研人员创新研究与实验项目“花椰菜花球松紧性调控基因的挖掘与克隆”(2022017)；天津市科技计划项目“低温花椰菜花球变紫性状特异分子标记开发及应用”(20YFZCSN00400)；天津市科技计划项目“花椰菜 育、繁、推 一体化商业育种体系建设”(19ZXZYSN0050)；天津市蔬菜现代农业产业技术体系项目“天津市蔬菜现代农业产业技术体系创新团队（2019年）”(ITTVRS2017004)。第一作者简介：杨迎霞，女，1986年出生，河南安阳人，助理研究员，硕士，研究方向：农业基因组学与作物分子育种。通信地址：300381 天津市西青区津静公路17公里处生物中心，Tel：022-27950828，E-mail：。通信作者：姚星伟，女，1977年出生，辽宁沈阳人，研究员，硕士，主要从事作物遗传育种研究。通信地址：300381 天津市西青区津静公路17公里处蔬菜研究所，Tel：022-23784699，E-mail：。收稿日期：2021-12-30，修回日期：2022-03-05。甘蓝类蔬菜分子育种研究进展杨迎霞1，陈 锐1，姚星伟2（1天津市农业科学院种质资源与生物技术研究所，天津 300381；2天津市农业科学院蔬菜研究所，天津 300381）摘 要：甘蓝类蔬菜是中国蔬菜的重要组成部分，常规育种技术是制约甘蓝类蔬菜在产量和品质等方面的遗传改良的重要瓶颈。分子育种是提高育种效率的有效策略。为促进甘蓝类蔬菜分子育种改良，结合国内外研究进展，从高质量基因组和数据库、目标性状基因定位与克隆、分子标记辅助育种、基因编辑等方面探讨了分子育种在甘蓝类蔬菜育种实践上的应用。指出了解析控制重要农艺性状基因的调控网络是大规模种质创新的核心和关键点。认为基因编辑技术可加速推动甘蓝类蔬菜分子育种进程。最后对加强甘蓝类蔬菜分子育种的策略进行了展望，为其分子育种的深入研究提供理论依据。关键词：分子育种；甘蓝；遗传改良育种；功能基因组中图分类号：S33文献标志码：A论文编号：cjas2021-0220Molecular Breeding of Brassica oleracea Vegetables:A ReviewYANG Yingxia1,CHEN Rui1,YAO Xingwei2(1Institute of Germplasm Resources and Biotechnology,Tianjin Academy of Agricultural Sciences,Tianjin 300381,China;2Vegetable Research Institute,Tianjin Academy of Agricultural Sciences,Tianjin 300381,China)Abstract:Cultivated Brassica oleracea is an important component of Chinese vegetables,and conventionalbreeding is the bottleneck for genetic improvement of Brassica oleracea in terms of yield and quality.Molecularbreeding strategy can improve plant breeding efficiently.To improve molecular breeding of Brassica oleracea,the domestic and foreign research on the application of molecular breeding of Brassica oleracea vegetables aresummarized from the aspects of high-quality genome and database,localization and cloning of genes related totarget traits,breeding assisted by molecular markers,and gene editing.The core and key of large-scalegermplasm innovation are identified as the genetic networks which can dissect and control important agronomictraits.The study points out that gene editing can accelerate the process of molecular breeding in Brassicaoleracea vegetables,and discusses the strategy to strengthen the molecular breeding of Brassica oleracea,aiming to provide theoretical reference for further research.Keywords:molecular breeding;Brassica oleracea;genetic improvement breeding;functional genome的重要蔬菜类群。甘蓝类蔬菜起源于地中海沿岸，由野生甘蓝演化而来，经过长期变异和人工选择，野生甘蓝不同部位的器官大型化，从而演化成了甘蓝类蔬菜的不同变种，包括结球甘蓝(Brassica oleracea var.capitata)、抱子甘蓝(Brassica oleracea var.gemmifera)、羽衣 甘 蓝(Brassica oleracea var.acephala)、球 茎 甘 蓝(Brassica oleracea var.caulorapa)、花 椰 菜(Brassicaoleracea var.botrytis)、青花菜（又称西蓝花）(Brassicaoleracea var.italica)和 大 头 菜(Brassica oleracea var.gongylodes)等1。过去，常规育种技术为甘蓝类蔬菜优良品种培育提供了重要的技术支撑。但是，近年来却成了制约甘蓝类蔬菜作物在产量和品质等方面遗传改良的重要瓶颈。随着甘蓝类蔬菜作物全基因组测序、功能基因组学、群体遗传学、基因芯片技术等领域快速的发展，甘蓝类作物重要农艺性状的遗传基础得到了深入解析，这促进了分子育种在甘蓝类蔬菜作物育种中的实践，提高了育种效率，为培育拥有自主产权的高产、优质、营养的蔬菜良种提供了有效策略。在此，研究总结了甘蓝类蔬菜基因组测序、重要农艺性状基因定位、基因克隆、分子标记辅助育种以及全基因组关联分析等方面的研究进展，并描述了这些技术在分子育种上的成功应用。1 甘蓝类蔬菜作物高质量基因组和数据库基因组测序技术的快速发展极大的促进了基因组分析，并通过促进现代育种中的快速选择为作物改良提供了基础工具。甘蓝类蔬菜作物种质资源的基因组信息丰富，包括高质量的参考基因组（表1）2-8、细胞器基因组9-11、泛基因组12、转录组和已通过SNP芯片13-15和测序方法鉴定的数千个栽培品种和自交系的高通量基因型。这些数据存储在公共平台中以供共享和保留，包括芸苔数据库(BRAD，http:/39.100.233.196)、CropSNPdb(http:/.au/)、BrassicaEDB(https:/brassica.biodb.org/genes)等。通过全基因组测序、目标片段测序和SNP芯片矩阵对甘蓝类蔬菜种质资源进行高通量基因分型，有利于鉴定和引入有利等位基因到甘蓝类蔬菜基因库中。2 甘蓝类蔬菜作物中重要农艺性状的基因定位与克隆重要农艺性状基因的定位与克隆，是实现分子育种的前提和基础，只有在基因层面上解析了作物性状形成的分子机制，才能在育种过程中进行准确的利用和实施，聚合优异等位基因，打破优异基因与不利基因之间的连锁累赘，大幅提高育种效率。研究者们基于高密度遗传图谱、QTL-seq 和全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS)等技术鉴定了数百个甘蓝类蔬菜作物的QTL和候选基因，克隆了一些重要农艺性状相关基因，并对其功能进行了验证，包括刘东明等16综述的分子标记辅助育种的相关基因、Shaw等17综述的抗霜霉病相关基因、LV等18综述的抗性基因以及研究（表2）19-62中总结的与雄性不育、开花基因、花球形成机制、花青素合成、蜡质合成、硫代葡萄糖苷合成、非生物胁迫等性状相关的重要候选基因。此外，2014年公开的甘蓝参考基因组TO1000极大的促进了甘蓝类蔬菜QTL的研究进程，甘蓝许多重要农艺性状相关的QTL相继被定位，涉及产量63-65、叶球开裂66-67、抗性68-69、硫代葡萄糖苷合成70-71、适应性72-73、营养器官形成74、品质67,75、以及其他农艺性状的综合QTL分析76-77等诸多方面。以抗性QTL位点为例，在不同甘蓝种群的研究中已鉴定了50余个QTL，其中西蓝花3个QTL区间，羽衣甘蓝中15个QTL区间，结球甘蓝中34个QTL区间。这些QTL区间为更好的解析相关性状的遗传控制机理和应用于分子标记辅助育种(marker-assisted selection，MAS)奠定了良好的遗传基础。品种02-2TO1000HDEMC-8D134JZSKorso_1401OX-heart_923测序策略Illumina+Roche 454+Sanger+genetic mapIllumina+Roche 454+Sanger+genetic mapIllumina+Nanopore+Bionano physical map+genetic mapIllumina+NanoporeIllumina+Nanopore+Hi-CIllumina+PacBio+Hi-CPacBio+Illumina+Bionano+Hi-CPacBio+Illumina+Bionano+Hi-C组装基因组(Mb)539.91488.6554.97584.6529.9561.16566.9587.7锚定基因组(Mb)389460528.9-549.7565.4Scaffold 50(Mb)1.4570.8529.5162.1161.742.374.973.10基因数45,75859,22561,27047,77244,70159,06460,64062,232参考文献23456788表1 公开发表的甘蓝类基因组信息45性状雄性不育开花及花球形成抗虫/抗病性花青素合成硫代葡萄糖苷合成自交不亲和杂交致死蜡质合成非生物胁迫叶型叶绿素含量有毛/无毛甘蓝种B.oleraceavar.capitataB.oleraceavar.botrytisB.oleraceavar.botrytisB.oleraceavar.italicaB.oleraceavar.acephalaB.oleraceavar.capitataB.oleraceavar.botrytisB.oleraceavar.botrytisB.oleraceaB.oleracea