蓖麻分子育種研究進(jìn)展※

●包春光 朱國(guó)立 何智彪 崔 凱 霍玉淼 高 昶袁樸芳 任文靜 黃鳳蘭 ，5※※

（1.通遼市農(nóng)畜產(chǎn)品質(zhì)量安全中心 內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué)生命科學(xué)與食品學(xué)院 內(nèi)蒙古 通遼 028000；3.通遼市農(nóng)牧科學(xué)研究所 內(nèi)蒙古 通遼 028000；4.內(nèi)蒙古赤峰市林業(yè)和草原局 內(nèi)蒙古 赤峰 024000；5.蓖麻育種國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/蓖麻產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新內(nèi)蒙古自治區(qū)工程研究中心/內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究中心/內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 內(nèi)蒙古 通遼 028000）

蓖麻（Ricinus communisL.）是大戟科、蓖麻屬一年或多年生雙子葉草本植物，南方為小喬木。蓖麻種子含油量達(dá)50%左右，蓖麻油因其特殊的理化性質(zhì)，已成為重要的工業(yè)用油之選。此外，蓖麻油經(jīng)過裂解、氧化、硫化等處理后的下游產(chǎn)物，在軍工、醫(yī)藥、航空、化妝品等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。蓖麻油是目前唯一可以代替石油的可再生性綠色油品資源[1]。

中國(guó)是世界蓖麻種植大國(guó)，但受多種因素影響，蓖麻的種植面積大幅度減少，對(duì)產(chǎn)量造成了影響。近年來(lái)，現(xiàn)代分子育種技術(shù)推動(dòng)了作物新品種的選育，應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)獲得高產(chǎn)、高油、抗逆的優(yōu)質(zhì)蓖麻品種成為研究熱點(diǎn)。因此，本研究對(duì)蓖麻分子育種研究進(jìn)行綜述，以期為培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的蓖麻品種提供理論依據(jù)。

1 蓖麻高產(chǎn)分子育種研究

關(guān)于蓖麻高產(chǎn)分子育種研究，主要集中在與蓖麻高產(chǎn)相關(guān)的兩個(gè)性狀——株高和花序方面。

1.1 蓖麻矮化分子育種研究

蓖麻屬無(wú)限生長(zhǎng)分枝型作物，冠幅較寬，且植株較大，單株占地面積較大，單位面積的株數(shù)少。矮化后的蓖麻具有在同等條件下比高稈蓖麻更強(qiáng)的節(jié)水、抗旱、抗倒伏、利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收割等優(yōu)勢(shì)，并通過合理密植方式取得良好的肥水反應(yīng)及較高的收獲指數(shù)，可大幅度提高蓖麻單位面積產(chǎn)量[2]。因此，蓖麻矮化分子育種已成為蓖麻育種的熱點(diǎn)之一。

1.1.1 分子標(biāo)記技術(shù)在蓖麻矮化分子育種中的應(yīng)用姚遠(yuǎn)等[3]采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)矮化蓖麻RAPD-PCR反應(yīng)體系及擴(kuò)增程序進(jìn)行了優(yōu)化，為應(yīng)用RAPD-PCR技術(shù)對(duì)蓖麻株高性狀進(jìn)行研究奠定了基礎(chǔ)。欒世慧等[4]采用RNAi技術(shù)在蓖麻矮化研究中進(jìn)行應(yīng)用，對(duì)蓖麻新品種的選育具有重要意義。陳永勝等[5]采用cDNA-AFLP技術(shù)對(duì)蓖麻矮稈莖稈差異表達(dá)基因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明這些基因幾乎涵蓋了與矮化相關(guān)的各類基因，涉及細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、物質(zhì)與能量代謝及運(yùn)輸?shù)龋瑸榻沂颈吐榘姆肿訖C(jī)制找到新的突破口，為培育蓖麻矮化良種奠定了基礎(chǔ)。

1.1.2 基因克隆及表達(dá)技術(shù)在蓖麻矮化分子育種中的應(yīng)用翟雨佳[6]對(duì)RcGA20-ox基因在典型的高稈和矮稈蓖麻品種不同時(shí)期嫩葉中的表達(dá)情況進(jìn)行了分析，表明RcGA20-ox基因是影響植株高矮的主效基因之一。邢超[7]通過對(duì)RcGA2ox基因進(jìn)行篩選并克隆，構(gòu)建表達(dá)載體，獲得轉(zhuǎn)基因植株并檢測(cè)，最終明確了RcGA2ox基因與蓖麻矮化相關(guān)。孫華軍等[8]對(duì)蓖麻矮化相關(guān)基因RcDof進(jìn)行了克隆，并對(duì)其進(jìn)行生物信息學(xué)分析，為進(jìn)一步研究該基因在蓖麻矮化過程中的作用機(jī)制和功能特征提供了理論依據(jù)。王雙等[9]克隆表達(dá)矮稈蓖麻天冬氨酸蛋白酶基因（RcAP）并進(jìn)行蛋白純化，為解析RcAP蛋白晶體結(jié)構(gòu)、探索矮化基因與表型相關(guān)性奠定了理論基礎(chǔ)并提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1.1.3 組學(xué)技術(shù)在蓖麻矮化分子育種中的應(yīng)用風(fēng)蘭[10]利用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)比較了高、矮稈蓖麻中基因表達(dá)的變化，初步證明RcBKI1是蓖麻株高發(fā)育過程中的負(fù)調(diào)控基因，RcGASA9基因在蓖麻株高發(fā)育過程中具有重要的調(diào)控功能。代夢(mèng)媛等[11]利用外源赤霉素（GA）和多效唑（PAC）對(duì)蓖麻處理后，將頂端嫩莖進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析，結(jié)果表明RcGRF可能通過赤霉素途徑調(diào)節(jié)蓖麻的株型。

1.2 蓖麻花序發(fā)育研究

世界蓖麻花序發(fā)育的研究有30多年的歷史，研究成果主要集中在中國(guó)。蓖麻的花序發(fā)育情況極為復(fù)雜，主要有兩種情況：一種是世界上絕大多數(shù)蓖麻雌性系，其植株中出現(xiàn)單雌（也稱雌株，植株的每個(gè)花序軸上全部著生雌花）和兩性（也稱雌雄同株，植株的每個(gè)花序軸上一般基部著生雄花，頂部著生雌花）兩種類型的花序。另一種是蓖麻L(zhǎng)m型雌性系（標(biāo)志雌性系），其植株中出現(xiàn)單雌、標(biāo)雌（植株的每個(gè)花序軸上全部著生雌花，同時(shí)著生柳葉狀功能葉）和兩性三種類型的花序。研究蓖麻花序發(fā)育對(duì)提高蓖麻產(chǎn)量有重要意義。

1.2.1 分子標(biāo)記技術(shù)在蓖麻花序發(fā)育研究中的應(yīng)用張艷欣等[12]對(duì)蓖麻單雌、標(biāo)雌、兩性系花序不同時(shí)期進(jìn)行了基因組DNA甲基化研究，應(yīng)用MSAP分析尋找花序發(fā)育相關(guān)基因，結(jié)果表明參與蓖麻花序發(fā)育調(diào)控可能存在4個(gè)基因，與之同源的序列編碼蓖麻過氧化物酶體生物合成相關(guān)蛋白基因通過外界因素參與過氧化物酶系統(tǒng)影響植物器官的生理變化和生長(zhǎng)發(fā)育。

1.2.2 基因克隆及表達(dá)技術(shù)在蓖麻花序發(fā)育研究中的應(yīng)用李麗麗等[13-14]研究表明PLC家族PLC2、PLC2M、PLC2N、PLC4、PLC4X2、PLC6基因與蓖麻L(zhǎng)m型雌性系三種花序類型的生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)，蓖麻PLC基因的表達(dá)量對(duì)蓖麻花序生長(zhǎng)發(fā)育有一定的影響。梁塔娜等[15-16]對(duì)蓖麻PIP5Ks基因家族進(jìn)行了生物信息學(xué)分析及RT-qPCR分析，結(jié)果表明基因PIP5K1、PIP5K6、PIP5K8、PIP5K9、PIP5K11、PIP5K2與Lm型雌性系植株花序類型的發(fā)育直接相關(guān)。陶瑤[17]將蓖麻RcTAW1基因轉(zhuǎn)入煙草中，結(jié)果表明該基因能夠促進(jìn)煙草花序的發(fā)育。

1.2.3 組學(xué)技術(shù)在蓖麻花序發(fā)育研究中的應(yīng)用趙永[18]對(duì)不同發(fā)育時(shí)期Lm型雌性系的單雌、標(biāo)雌、兩性系的花序軸進(jìn)行DNA甲基化含量測(cè)定與差異蛋白質(zhì)組學(xué)研究，探究與蓖麻花序發(fā)育相關(guān)的基因和蛋白質(zhì)，為從基因水平和蛋白質(zhì)水平揭示蓖麻花序發(fā)育的相關(guān)分子機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

2 蓖麻高油分子育種研究

蓖麻種子中脂肪酸及蓖麻油酸含量是蓖麻品質(zhì)的重要指標(biāo)。

2.1 分子標(biāo)記技術(shù)在蓖麻高油分子育種中的應(yīng)用

陳曉鳳等[19-20]采用MSAP和cDNA-AFLP技術(shù)，研究不同發(fā)育時(shí)期蓖麻種子中脂肪酸含量差異基因的表達(dá)，篩選差異條帶，對(duì)其進(jìn)行測(cè)序、功能注釋，以期為蓖麻高油品質(zhì)育種研究奠定基礎(chǔ)。

2.2 基因克隆及表達(dá)技術(shù)在蓖麻高油分子育種研究中的應(yīng)用

孫佳欣[21]以蓖麻油酸合成關(guān)鍵基因RcPZDAT1-2的啟動(dòng)子為研究對(duì)象，克隆RcPDAT1-2啟動(dòng)子的全長(zhǎng)和缺失序列，通過擬南芥轉(zhuǎn)化驗(yàn)證功能，分析該啟動(dòng)子活性。高艷平[22]以“油蓖5號(hào)”蓖麻為試驗(yàn)材料，利用抑制性消減雜交技術(shù)，比較蓖麻不同組織以及胚不同發(fā)育時(shí)期的基因表達(dá)差異，篩選出與胚發(fā)育相關(guān)且調(diào)控油脂代謝的關(guān)鍵基因，為高油蓖麻新品種的選育研究奠定基礎(chǔ)。

2.3 組學(xué)技術(shù)在蓖麻高油分子育種研究中的應(yīng)用

茍亞夫[23]利用生物信息學(xué)手段在全基因組水平鑒定了蓖麻RcWD40家族基因，并通過時(shí)空表達(dá)分析探究了該家族成員對(duì)于蓖麻種子發(fā)育的調(diào)控作用，預(yù)測(cè)了其重要成員RcTTG1基因?qū)τ诒吐橛退岱e累的潛在負(fù)調(diào)節(jié)功能。

3 蓖麻抗逆分子育種研究

蓖麻因其經(jīng)濟(jì)與生態(tài)雙重價(jià)值而具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)蓖麻開展抗逆分子育種研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.1 蓖麻抗寒分子育種研究

3.1.1 基因克隆及表達(dá)技術(shù)在蓖麻抗寒分子育種研究中的應(yīng)用王曉宇等[24-26]克隆了蓖麻的兩個(gè)液泡膜內(nèi)源水孔蛋白基因的ORFs，qRT-PCR分析表明該基因受冷脅迫均下調(diào)表達(dá)，可能有助于抵抗和延緩冷凍誘導(dǎo)的細(xì)胞脫水；在冷脅迫下，分析蓖麻RcCIPKs基因的組織特異性表達(dá)模式與脫落酸激素誘導(dǎo)下的CIPK表達(dá)水平，為進(jìn)一步創(chuàng)制蓖麻抗冷新種質(zhì)提供了重要的候選基因；通過qRT-PCR分析發(fā)現(xiàn)磷脂酰肌醇轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因RcSEC14p受冷脅迫下調(diào)表達(dá)，該基因的下調(diào)表達(dá)可能會(huì)降低蓖麻的抗冷性，為進(jìn)一步探討該基因是否通過調(diào)節(jié)磷脂信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑參與冷脅迫響應(yīng)提供依據(jù)。劉栩銘等[27]克隆蓖麻3個(gè)水通道蛋白基因（PIP）的ORF，RT-qPCR分析表明3個(gè)基因在響應(yīng)冷脅迫下可能存在拮抗調(diào)控模式，為探索RcPIPs介導(dǎo)的冷適應(yīng)性調(diào)控過程提供重要依據(jù)。

3.1.2 組學(xué)技術(shù)在蓖麻抗寒分子育種研究中的應(yīng)用劉栩銘[28]以蓖麻品系“通蓖5號(hào)”為材料，進(jìn)行冷脅迫蛋白質(zhì)組解析及RcGPX基因的功能研究；利用序列比對(duì)法實(shí)現(xiàn)蓖麻HSF基因家族成員的全基因組鑒定，分析發(fā)現(xiàn)RcHSF4與RcHSF10受冷脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，為蓖麻抗冷新種質(zhì)資源的建立奠定了基礎(chǔ)[29]。

3.2 蓖麻抗旱分子育種研究

3.2.1基 因克隆及表達(dá)技術(shù)在蓖麻抗旱分子育種研究中的應(yīng)用韓雯毓等[30-31]通過生物信息學(xué)方法鑒定出11個(gè)蓖麻WOX轉(zhuǎn)錄因子家族成員，并對(duì)其系統(tǒng)發(fā)育、基因結(jié)構(gòu)、保守基序及理化性質(zhì)等基本信息進(jìn)行鑒定與分析，表明RcWOX轉(zhuǎn)錄因子在蓖麻逆境脅迫中起調(diào)控作用；利用RT-qPCR技術(shù)檢測(cè)了根、莖、葉不同組織中的5個(gè)基因在干旱與鹽脅迫下的表達(dá)情況，結(jié)果表明，RcGRASs在不同組織中的表達(dá)具有特異性，干旱與鹽脅迫誘導(dǎo)RcGRAS14、RcGRAS21、RcGRAS35的表達(dá)，抑制RcGRAS1、RcGRAS10的表達(dá)，為進(jìn)一步研究GRAS轉(zhuǎn)錄因子在非生物脅迫中的功能提供參考。

3.2.2 組學(xué)技術(shù)在蓖麻抗旱分子育種研究中的應(yīng)用趙永[32]以PEG-6000對(duì)蓖麻進(jìn)行干旱脅迫，對(duì)根系進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)關(guān)聯(lián)分析，共獲得 95個(gè)差異基因，其中大部分DEGs與DAPs正相關(guān)，但表達(dá)豐度存在差異；轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)關(guān)聯(lián)分析表明，差異基因參與的代謝途徑主要包括碳水化合物代謝、苯丙烷生物合成代謝、類黃酮生物合成代謝、氧化磷酸化代謝、氨基酸合成和分解代謝；基于組學(xué)數(shù)據(jù)篩選出4個(gè)類受體蛋白激酶基因（SPKATPK2、CDPK33、CDPK26和SPKBSK7），在PEG-6000脅迫下基因表達(dá)量均發(fā)生了改變。

3.3 蓖麻耐鹽分子育種研究

3.3.1 基因克隆及表達(dá)技術(shù)在蓖麻耐鹽分子育種研究中的應(yīng)用張繼星等[33]開展了蓖麻耐鹽基因RcKUP 7的克隆及分子特征分析；叢嬌嬌等[34]開展了蓖麻耐鹽基因HKT的克隆及表達(dá)載體構(gòu)建。段瓊等[35]探究了鹽脅迫下蓖麻RcCNGC2基因在根、莖、葉組織中6個(gè)時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)量變化，結(jié)果表明RcCNGC2在蓖麻受到鹽脅迫時(shí)起重要信號(hào)傳導(dǎo)作用。這些研究為后續(xù)的基因功能驗(yàn)證和抗逆基因工程改良研究具有重要意義。

3.3.2 組學(xué)技術(shù)在蓖麻耐鹽分子育種研究中的應(yīng)用雷培等[36]通過對(duì)比經(jīng)過耐鹽處理的兩個(gè)品種（栽培蓖麻和野生蓖麻）轉(zhuǎn)錄組學(xué)的DEGs，發(fā)現(xiàn)栽培蓖麻的核心區(qū)及其家系比野生蓖麻積累更多，為研究蓖麻的鹽分適應(yīng)機(jī)制和遺傳改良提供了新的思路。張麗雪[37]在鹽脅迫下種子萌發(fā)期的蛋白質(zhì)組學(xué)數(shù)據(jù)中，篩選出上調(diào)表達(dá)蛋白類谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶RcDHAR，利用qRT-PCR分析其在鹽脅迫下蓖麻苗期表達(dá)特性，發(fā)現(xiàn)其在蓖麻根、莖、葉均有表達(dá)，且具有組織表達(dá)差異性，為蓖麻耐鹽分子育種提供理論參考。

3.4 蓖麻抗重金屬分子育種研究

蓖麻作為一種對(duì)重金屬具有很強(qiáng)的耐受性和富集性的油料作物，近年來(lái)被研究學(xué)者們廣泛關(guān)注，研究主要集中在銅（Gu）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）等重金屬脅迫下蓖麻生理響應(yīng)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝調(diào)節(jié)規(guī)律、修復(fù)能力評(píng)價(jià)等方面，分子育種方面的研究相對(duì)較少。趙慧博[38]以水處理的蓖麻植株作為對(duì)照，以300，700，1000 mg/L三種劑量Cd脅迫處理下的根系為研究材料，開展差異蛋白質(zhì)組學(xué)和比較代謝組學(xué)研究。差異蛋白質(zhì)組學(xué)研究共鑒定出217個(gè)差異蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)在3種劑量Cd脅迫處理下顯示出不同的積累，主要參與防御解毒及能量代謝、光合作用、細(xì)胞程序性死亡及急性氧化應(yīng)激。比較代謝組學(xué)研究共鑒定出143個(gè)差異代謝物，其中有機(jī)酸、脂質(zhì)類、黃酮類化合物等代謝物數(shù)量積累顯著。

3.5 蓖麻抗病分子育種研究

3.5.1 分子標(biāo)記技術(shù)在蓖麻抗病分子育種中的應(yīng)用陳森等[39]用YC2×YF1抗感組合的F2群體在兩個(gè)環(huán)境中對(duì)蓖麻枯萎病抗性進(jìn)行了QTL定位，遺傳分析表明，群體中枯萎病抗性呈連續(xù)性偏態(tài)分布，后代表型偏抗性親本。

3.5.2 基因克隆及表達(dá)技術(shù)在蓖麻抗病分子育種研究中的應(yīng)用覃碧等[40]對(duì)蓖麻基因組的Mlo基因家族成員進(jìn)行鑒定及其序列特征分析，結(jié)果顯示，蓖麻RcMlo3、RcMlo2、RcMlo6和RcMlo12與已知的抗病Mlo基因分別聚在第Ⅳ和第Ⅴ類，這為進(jìn)一步培育蓖麻抗病品種奠定基礎(chǔ)。

3.6 蓖麻抗除草劑分子育種研究

3.6.1 基因克隆及表達(dá)技術(shù)在蓖麻抗除草劑分子育種研究中的應(yīng)用楊俊芳[41]在蓖麻上首次采用農(nóng)桿菌介導(dǎo)萌動(dòng)種胚轉(zhuǎn)化法，同時(shí)結(jié)合花粉管通道法開展蓖麻抗草甘膦基因遺傳轉(zhuǎn)化的研究，通過這兩種方法分別摸索出了適合蓖麻的遺傳轉(zhuǎn)化條件，并獲得了抗草甘膦蓖麻植株。李思琪等[42]以“通蓖5號(hào)”大穗型蓖麻為試驗(yàn)材料，利用根癌農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將bar基因遺傳轉(zhuǎn)化蓖麻子葉節(jié)，得到具有草銨膦抗性的轉(zhuǎn)基因蓖麻植株。羅蕊[43]以“蓖麻2129”為試驗(yàn)材料，以重疊延伸PCR的方法，克隆出抗草甘膦基因EPSPS和抗草銨膦基因bar，通過構(gòu)建表達(dá)載體pCAMBIA3301-bar-EPSPS，利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將EPSPS和bar基因同時(shí)轉(zhuǎn)到蓖麻內(nèi)，最終獲得同時(shí)具有草甘膦和草銨膦抗性的蓖麻植株。

3.6.2 組學(xué)技術(shù)在蓖麻抗除草劑分子育種研究中的應(yīng)用趙慧博等[44]對(duì)雙抗除草劑蓖麻（轉(zhuǎn)抗草甘膦的EPSPS基因、抗草甘膦的bar基因）與非轉(zhuǎn)基因?qū)φ者M(jìn)行差異蛋白質(zhì)組學(xué)研究，結(jié)果表明，雙抗除草劑蓖麻植株中有20種蛋白質(zhì)的含量存在差異；其中9種蛋白參與了光合作用，并與bar基因的作用機(jī)制間接相關(guān)；8種蛋白質(zhì)參與防御、修復(fù)、應(yīng)激反應(yīng)、氧化磷酸化和代謝途徑，并與EPSPS基因的作用機(jī)制間接相關(guān)。這些結(jié)果為抗除草劑蓖麻品種的選育奠定了基礎(chǔ)。

4 展望

目前蓖麻分子育種研究存在如下問題：一是蓖麻高產(chǎn)、高油、抗逆分子育種研究中，大量的文獻(xiàn)集中于抗逆分子育種研究方面，而高產(chǎn)、高油分子育種方面的研究相對(duì)較少；二是蓖麻高產(chǎn)、高油、抗逆分子育種研究的每一個(gè)方面，對(duì)機(jī)理機(jī)制的闡述都需要進(jìn)一步深入；三是通過分子育種研究得到的蓖麻新材料或新品種還很少，需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

隨著分子育種技術(shù)或手段的進(jìn)步和多樣化，蓖麻分子育種研究將愈發(fā)深入，將會(huì)獲得更多生產(chǎn)中急需的蓖麻新材料或新品種，從而加速蓖麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。