豇豆屬作物遠緣雜交研究進展

戴希剛，郭瑞，陳禪友

（江漢大學生命科學學院/湖北省豆類（蔬菜）植物工程技術研究中心，武漢，430056）

豇豆屬（Vigna）作物屬于豆科（Leguminosae）蝶形花亞科（Papilionaceae），在我國栽培和食用歷史悠久，全世界許多國家也普遍種植。我國豇豆屬作物 主要有豇豆（V.unguiculata）、綠豆（Vigna radiate）、飯豆（V.umbellata）、小豆（V.angularis）和黑吉豆（V.mungo）等，其中栽培面積較大的主要是豇豆、綠豆和小豆[1]。目前，這些豇豆屬作物的育種還停留在傳統育種階段，育種進程均較緩慢。如在豇豆的育種上，國外目前的工作重點主要放在從豇豆種質中篩選抗病蟲資源，該方法由于備選種質遺傳多樣性低，基因庫小，因此限制了篩選范圍[2]。要在較短時間里培育出符合目標性狀的豇豆屬新品種，需要有豐富的可供選擇的基因資源材料。豇豆屬具備豐富的野生種質資源，其中有些資源具有抗病蟲的優良特性[3～5]，可以直接應用于豇豆屬抗病蟲育種工作。本文詳細介紹了國內外豇豆屬種質資源及豇豆屬遠緣種間雜交的研究進展，為豇豆屬作物的育種工作提供參考。

1 豇豆屬遺傳資源

豇豆屬包括Ceratotropis，Haydonia，Lasiospron，Macrorhyncha，Plectotropis，Sigmoidotropis和Vigna7個亞屬[6]，其中只有Vigna,Ceratotropis和Plectotropis3個亞屬有栽培種[7]。

Vigna亞屬有毛豇豆、長葉豇豆、狹葉豇豆、卷毛豇豆、濱豇豆、野豇豆、烏頭葉豇豆、細莖豇豆、琉球豇豆、黑種豇豆、三裂葉豇豆等。Ceratotropis亞屬由于主要分布在亞洲，也被稱為亞洲豇豆亞屬，主要栽培種有綠豆、飯豆、小豆、黑吉豆、烏頭葉菜豆等[4]。

2 遠緣雜交的意義

遠緣雜交可以打破種屬間的生殖隔離，將兩個或多個物種經過長期進化積累起來的有益特性重新組合，以形成具備抗病、抗蟲、抗逆性強、優質等性狀的新類型和新品種。因此，遠緣雜交育種在創造植物新性狀、新類型、新品種方面有重大意義。通過研究這些新品種，不僅可以了解物種的進化史，明晰物種間的親緣關系，建立分類系統，而且還能指導人工控制新品種形成，更有利于獲得具有良好綜合性狀的新種。同時，利用遠緣雜交創造的雜交后代群體，結合品種間的雜交后代群體，可以構建相應種群的遺傳圖譜[8，9]，并進行基因和基因組作圖。因此，遠緣雜交在物種的起源、進化、發育、引種、遺傳等生物學問題的研究上，也具有重要的理論意義。近幾十年來，遠緣雜交已被廣泛應用于作物育種中，并創造了一些優良品種[10～13]。

3 豇豆屬遠緣雜交

3.1 遠緣雜交的親和性

遠緣雜交親和性如何，雜種能否正常發育，雜種是否可育以及能否去除不利性狀的連鎖，這些都是育種者最關心的問題，也正是它們限制了遠緣雜交在作物育種中的應用[14]。豇豆屬種間雜交的研究表明，在不同亞屬間不能獲得可存活的雜交后代[15]，Barone等[16]的研究表明，豇豆種和其近緣種之間存在較大的生殖障礙，而豇豆種亞種間的生殖障礙卻較低[17，18]。Chen 等[19]對綠豆（V.radiata）、黑吉豆（V.mungo）、飯豆（V.umbelluta）和小豆（V.angularis）四種豇豆屬作物進行了遠緣雜交研究，在綠豆×黑吉豆、綠豆×飯豆和黑吉豆×小豆的種間雜交上獲得了可育種子。另外發現，利用種內雜種作親本要比利用栽培品種作親本進行種間遠緣雜交的效果好，在綠豆與飯豆的雜交上，利用種內雜種作親本進行遠緣雜交大大提高了結實率；正反交的結莢率差異達到了極顯著水平。雙親的基因型不僅影響種間雜種苗的生長，同時也影響其育性。綠豆×飯豆、綠豆×小豆和黑吉豆×小豆的種間雜種完全不育，而綠豆×黑吉豆、飯豆×小豆和小豆×飯豆的種間雜種育性明顯減弱。

3.2 幼胚培養

豇豆屬作物的遠緣雜交失敗的原因通常有兩個[19，20]，一個是由于花粉管不能正常穿過花柱、柱頭，另一個是由于受精后胚敗育，后者是常見原因。Barone等[16]也得到了相似結論，他們在野豇豆（V.vexillata）與豇豆（V.unguiculata）的種間雜交研究中正反交均未能獲得雜交種子，研究表明存在兩個不同的雜交生殖障礙：受精前生殖隔離和受精后生殖隔離。如果我們從授粉后的幼莢中剝離出幼胚，然后進行組織培養，就有可能打破這種障礙從而獲得雜種植株[8，21]，因此，幼胚培養可以為遠緣雜交獲得雜種后代提供技術支撐。

Chen等[19]通過胚培養獲得了綠豆×小豆、飯豆×小豆和小豆×飯豆的雜種植株。Chen等[22]通過將幼胚培養獲得的胚性愈傷組織再生獲得了綠豆 （2n=22）與四倍體V.glabrescens（2n=44）的種間正反交雜種植株，該雜種經自交后幾乎不育，但是與二倍體親本回交后可以正常結實，能獲得大量的自交種子。Fatokun等[23]通過胚拯救技術獲得了豇豆與多毛野生近緣種V.pubescens的種間雜種，F1表現出植株生長健壯、部分不育、稍微有毛、及其他兩親本的中間特性。

3.3 胚培養方法

Gomathinayagam 等[24]對野豇豆（V.vexillata）與豇豆（V.unguiculata）進行了種間雜交研究。播種時每隔兩周重復播種3次，以使花期相遇。授粉采取正反交，授粉10～12 d后收集豆莢，消毒后利用體視顯微鏡剝離心形期幼胚，將野豇豆×豇豆的幼胚接種到MS+2 mg/L 2，4-D培養基上培養獲得了胚性愈傷組織。將愈傷組織接種到MS+2 mg/L BAP（6-芐氨基嘌呤）+40 mg/L腺嘌呤硫酸鹽+500 mg/L CH（水解酪蛋白）+10%豇豆嫩莢浸提液（100 g嫩莢加入250 mL水攪拌后3 000 r/min離心5 min）的培養基上獲得了13個再生植株。雜種植株表現出雙親的中間形態特征，并遺傳了野豇豆的莖葉莢多毛的特性，從而可以抵抗病原的侵害。Tyagi等[25]利用離體培養技術也成功獲得了綠豆和豇豆的雜交種，他們將豆莢用赤霉酸持續處理9～10 d，然后再進行胚培養，約10%的胚胎培養成苗。

3.4 胚培養時間

Gosal等[26]通過幼胚培養獲得了黑吉豆（V.mungo）與綠豆（V.radiata）的種間雜種，分離授粉后 11～17 d的幼胚，接種于MS+IAA+KT（呋喃腺嘌呤）+CH（或椰子汁）可形成正常植株，小于11 d的幼胚會形成愈傷組織或白化、細長、柔弱的植株。Siriwardhane等[20]的研究認為，豇豆屬作物之間的遺傳差異往往導致不同種間雜交時幼胚敗育，他們發現當幼莢長到10 d左右幼胚便出現敗育，因此，要想得到雜交后代植株，只有在種子敗育前進行幼胚培養。Barone等[16]的研究發現，豇豆與野豇豆種間雜交后，花粉管發育異常導致受精率減少，僅有18%～30%受精，雜交胚發育過程中胚和胚乳核總是在授粉后5～8 d敗育，胚在發育到球形階段就停止生長，而處于此早期階段的胚還不能剝離幼胚進行胚拯救。

3.5 橋梁親本的利用

對于那些遠緣雜交親和性較差的豇豆屬作物，可以利用親緣關系與兩親本較近的第三個種作為橋梁，起到性媒介的作用。研究表明，橋梁作物可以克服遠緣雜交的不親和性。Siriwardhane等[20]證實小豆近緣野生種V.riukiuensis均可和飯豆、小豆雜交獲得可育雜種，因此，V.riukiuensis可作為橋梁作物將飯豆中的某些抗蟲基因轉到小豆中去。Tomooka等[4]的研究也證實小豆近緣野生種V.minima、V.nakashimae也可作為飯豆和小豆間的橋梁作物，從而擴大了橋梁作物的選擇范圍。日本育種學者Peerasak等[27]已經利用橋梁親本，將抗豆象基因從飯豆轉移到了小豆中，創新了小豆種質資源。Gupta等[28]以綠豆與黑吉豆遠緣雜交種作為橋梁與小豆進行了雜交試驗，獲得了1粒可育的雜交種，這說明應用橋梁親本可以將小豆高產、抗病等優良性狀轉移到黑吉豆、綠豆中去，也可以將綠豆、黑吉豆、小豆3種作物的優良性狀集中到一種基因型中，拓寬種質遺傳基礎。

4 豇豆屬遠緣雜交的應用

Fujii等[3]在進行豇豆屬食用豆類抗豆象研究時發現了一份抗豆象的野生綠豆 （V.radiatavar.sublobata）資源——TC1966，這對于豇豆屬抗豆象育種研究具有非常重要的作用，之后研究者們針對這份抗豆象種質展開了一系列的相關研究[29～32]。20世紀90年代，泰國科學家通過遠緣雜交成功地將野生綠豆資源的抗豆象基因轉育到了栽培綠豆資源中，創造了具備突出抗豆象特性的優異綠豆資源[33]；中國科學家利用上述材料進而創新出農藝性狀和抗豆象性均突出的優異資源。1994年，楊人俊等[34]將野生小豆與栽培小豆進行正反雜交試驗，結果都獲得了雜交后代。Peerasak等[27]利用遠緣雜交技術成功地將抗豆象基因從飯豆轉移到了小豆中，育成了性狀優良的抗豆象小豆資源，抗性程度達100%。Kaga等[8]通過小豆與飯豆遠緣雜交，通過幼胚培養獲得了雜種后代，利用F2群體構建了一張包括14個連鎖群的小豆-飯豆遺傳連鎖圖譜，為小豆的基因挖掘，QTL定位等奠定了基礎。趙鳳梧等[35]曾嘗試將棉花與豇豆進行遠緣雜交，試圖將豇豆的優異基因（如豇豆胰蛋白酶抑制劑基因）導入棉花中，開啟了利用科間遠緣雜交技術轉移豇豆屬作物優異基因的試探。

5 小結

中國是綠豆和小豆的起源地之一，全國多地都有綠豆、小豆的野生種及近緣野生種的分布，其中很多野生資源具有抗蟲、抗病等優良性狀[1]。飯豆在我國也廣為分布，能在炎熱和潮濕的貧瘠土壤中生存，具有產量高[36]、抗豆象[37，38]、抗黃花葉病毒病[39]和細菌性葉斑病[40]等優良性狀。近年來，豇豆病蟲害問題日益嚴重，豇豆栽培農藥殘留事件屢見不鮮，因此，尋找抗病蟲豇豆資源，培育抗病蟲豇豆品種成為豇豆育種的新興課題。利用豇豆與綠豆、小豆、飯豆種間雜交將綠豆、小豆、飯豆的抗病蟲害基因導入豇豆中，從而創新豇豆種質顯得前景廣闊。

對于豇豆屬作物研究者來說，應大量收集豇豆屬栽培及野生種質資源，并對其各項農藝性狀進行鑒定、評價，篩選出優異資源，用以開展豇豆屬遠緣雜交育種研究，或利用作圖群體構建遺傳連鎖圖譜，開展豇豆屬近緣種的比較基因組學研究，同時對重要農藝性狀進行基因定位，挖掘優異變種，為開展分子標記輔助選擇育種奠定基礎。

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