番茄單倍體育種研究進展

摘 要：我國在番茄育種領域的研究不斷取得重要突破，由單倍體培育的純合體有利于植物種植和推廣。探討了番茄單倍體育種的影響因素，包括內部因素和外部因素，其中，內部因素包括供體植株基因型的影響和供試體生長時期的影響；外部因素包括基本培養基的影響、外源激素和外源添加物的影響，以及預處理的影響，通過案例分析，具體探討了番茄單倍體育種。

關鍵詞：番茄；單倍體；育種

中圖分類號：S641.2 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）07–00-03

番茄是我國廣泛栽培的蔬菜之一，其果實營養豐富、風味獨特，并且含有豐富的維生素、碳水化合物、礦物質、有機酸等，在我國居民蔬菜消費比中占據重要地位。近年來，我國在番茄育種領域的研究不斷推陳出新，由單倍體培育的純合體，有利于植物種植和推廣。利用小孢子培養單倍體途徑，依據植物細胞全能性，在無菌條件下，將花粉小孢子人工剝離接種在適宜的離體培養基上，通過改變其正常發育途徑形成胚狀體，進而形成單倍體植株。

番茄作為一種模式植物，在生理生化、遺傳及分子生物學方面得到了比其他蔬菜更廣泛、更深入、更系統研究的結果，通過花粉小孢子培養獲得單倍體植株顯著縮短了育種周期，而且明顯加快了育種速度，因此可用于選育番茄優良品種[1]。

在自然界中產生單倍體的頻率很低，僅在0.002%

～0.020%之間，在育種實踐中得不到廣泛的應用[2]?；ǚ坌℃咦优囵B可以生產大量的單倍體，經加倍后的單倍體植株可直接得到純化的品系，且可以結合雜交親本雙方的優點，進而得到具有優良綜合性狀的新種質，并作為育種的中間材料或親本廣泛應用于育種工作[3]。因此，研究番茄花粉小孢子，在理論和實際應用中的價值極高。

1 番茄單倍體育種的影響因素

在農業生物技術領域，單倍體育種技術以其獨特的優勢成為作物遺傳改良和品種選育的重要工具。近年來，隨著基因編輯和分子生物學技術的快速發展，單倍體育種在多種作物上的研究取得了顯著進展，其中番茄作為茄果類作物的代表，其單倍體育種研究更是引起了廣泛關注。綜述當前番茄單倍體育種研究的最新進展，探討其技術原理、創新成果及未來應用前景。

作為世界范圍內廣泛種植的重要蔬菜作物，番茄經濟價值高，在植物遺傳、發育和生理研究中占據重要地位。然而，傳統育種方法周期長、效率低，難以滿足現代農業對高效、優質新品種的迫切需求。單倍體育種技術通過誘導產生單倍體，再經染色體加倍獲得純合的二倍體，從而大大縮短了育種周期，提高了育種效率。因此，番茄單倍體育種技術的突破對于加速新品種選育、提升番茄產業競爭力具有重要意義。

近年來，國內外研究團隊在番茄單倍體育種領域取得了多項重要成果。尤其是中國農業大學陳紹江教授領銜的國內外單倍體育種技術研究團隊，在期刊《植物生物技術雜志》上發表了關于番茄單倍體誘導系統的研究成果，首次建立了番茄單倍體誘導系統，為構建單雙子葉作物通用的跨物種單倍體快速育種技術體系奠定了堅實基礎。該研究團隊在克隆玉米單倍體關鍵誘導基因ZmDMP的基礎上，發現其在番茄中存在同源基因SlDMP，并通過實驗證明SlDMP基因突變同樣具備獨立的單倍體誘導能力。這一發現不僅揭示了番茄單倍體誘導的分子機制，還為番茄乃至其他作物的單倍體育種提供了新的技術路徑。

此外，研究團隊還針對番茄種子小、單倍體鑒別困難的技術瓶頸，建立了熒光快速鑒別方法。該方法通過浸種和萌發根尖熒光的兩步觀察，實現了番茄單倍體的精準鑒別，極大地提高了鑒別效率和準確性。借助這一方法，研究團隊以番茄單倍體誘導系為父本，與多種材料進行雜交，均成功誘導產生了母本單倍體，且誘導率表現出良好的通用性和穩定性。這一成果為番茄單倍體快速育種技術研發提供了重要技術支持，也為在更多作物上創建通用的跨物種單倍體育種技術體系及雜種優勢利用效能的提升開辟了新的路徑。

1.1 內部因素

1.1.1 供體植株基因型的影響

與其他外植體培養相似，花粉小孢子培養也受基因型的調控。不同基因型之間的差異是引起脫分化啟動和頻率不同的關鍵原因。研究表明，在番茄外植體增殖潛力調查中，30個栽培品種中只有2個表現出顯著的增殖效果。研究證實，小孢子的胚性潛力是由基因型決定的，存在十分顯著的差異。這種差異表現在小孢子的胚逐步形成潛力與不同基因型誘導的胚逐步形成數量之間存在巨大差距。

神經科學家用油菜花粉小孢子培養物對番茄進行了試驗，測試了1個野生品種和4個栽培品種，最終發現5個不同品種都逐步形成了胚體。與預期相反，在完全相同的培養條件下，擬胚體可能出現的頻率和逐漸形成的時間并不完全相同。相關學者還發現，不同的番茄品種在培養和油菜花粉小孢子形成過程中能夠誘導胚體的形成，而其他不同品種在特定的機體情況下不能逐步形成胚體。因此，基因型在花藥或花粉小孢子培養中發揮著重要作用。

1.1.2 供試體生長時期的影響

當前，部分學者認為大多數主要糧食作物油菜及油菜花粉小孢子培養的最適溫度是在油菜及油菜花粉減數分裂中期后。參考早期研究內容可以發現，最適宜誘導番茄玉米小孢子生長的溫度是雙核CPU或雙核CPU的初級階段。也有學者認為小孢子發育最適宜的溫度是性母細胞階段。與預想不同的是，在這些研究中，愈傷組織是隨著時間的推移體細胞的生長而逐漸形成的。近年來的研究表明，番茄小孢子培養的最佳時期是在減數分裂期至四分體發育期之間。研究認為，番茄小孢子的生長發育時期與花芽的實際長度、雌蕊的顏色、花被片的連續發育程度和開花發育的時期有密切關聯。相關學者認為雌蕊是判斷小孢子生長發育階段的生命體的基本標志，并認為雌蕊的實際長度與小孢子生長發育階段呈負相關[4]。

考慮到雌蕊的實際長度可能受到基因型差異、春秋季節變化及病蟲害防治效果等因素的影響，從而導致其長度不完全相同。此外，在評估過程中，還選用了花被片的特征、每朵花的實際長度及每朵花的顏色作為參考。這些因素綜合起來被廣泛認為是判斷小孢子生長情況的重要且通用的標準。

1.2 外部因素

1.2.1 基本培養基的影響

在番茄和油菜花粉小孢子培養的研究中，幾乎所有的培養基都已被報道，其中包括NLN、B5、MS、PM等，并且都獲得了擬胚體。與預想不同的是，相關學者采用NLN和A2培養基誘導擬胚體，在培養后期擬胚體的生命形態并未發生明顯變化，再生植株并未逐漸形成[5]。從表1可以看出，在MS+2，4-D1.0 mg/L+KT 0.5 mg/L培養基中，2種所需材料的誘導率達到最低，是一種適合番茄花藥的植物生長調節劑。

一些研究表明，纖維素酶在誘導小孢子胚和胚再生逐漸消失逐步形成植物生長培養物中起著重要作用，而且B5培養基中高錳酸鹽的基本指標微量元素含量明顯大于NLN和MS培養基；也有研究認為，常量元素中的亞硝酸鹽含量能夠認為是胚胎體發育后期的纖維素酶[6]。與預想不同的是，在小孢子培養的先天環境中，一定要適當降低亞硝酸鹽含量及氫氧根離子和氫離子的濃度，以促進胚胎形成。

1.2.2 外源激素和外源添加物的影響

在小孢子培養的具體過程中，不同種類和比例的激素混合物是進一步提高胚體誘導頻率的因素之一。激素混合比例一般采取使用生長素和細胞分裂素的組合[7]。當前，在番茄小孢子培養研究中，常用的細胞分裂素有ZT、2-ip、KT、6-BA、TDZ等，常用的生長素有2，4-D、NAA、IAA、IBA等，而這些激素有許多不同的百分比，可以用于充當1種生長素和1種細胞分裂素的組合。而部分研究認為，相較于單一激素配比，一種生長素加兩種或多種細胞分裂素的激素配比具備更高的愈傷組織和胚狀體誘導頻率。考慮到激素的百分比受生長因子、供體木本植物基因型結構和功能特性的影響顯著，因此，即便是相同的培養基配方比例，也可能無法有效地適應于不同基因型的供體樹。這意味著在制定培養基配方時，需要充分考慮供體樹的基因型差異。但在培養小孢子誘導胚狀體和愈傷組織時，可以參考并優化木本植物再生所用的激素組合，選擇適合其基因型的激素混合比例。

在探討胚胎誘導的過程中，多種因素共同作用，而非單一因素能完全阻礙其發生。尤其是培養基的額外成分對胚胎誘導的頻率和胚體質量具有顯著影響[8]。

研究表明，在誘導番茄小孢子愈傷組織時，適量添加維生素C（VC）、肌醇等物質能有效促進愈傷組織或胚狀體的形成。此外，一些研究者還嘗試添加了水解酪蛋白（CH）、酵母抽提物（YE）或鮮果汁（ADE）等，但這些成分對番茄雌蕊的培育效果較為有限。為了達到理想的誘導效果，解決番茄雌蕊或油菜花粉小孢子在培養過程中出現的嚴重褐變和死亡問題顯得尤為關鍵。實踐表明，通過添加一定量的活性炭或AgNO3，可以顯著降低誘導過程中的蛋白質變性率，進而促進擬胚體的形成[9]。還有研究指出，利用未成熟子房或海藻酸鈉等添加劑，能夠加速某些維生素等營養物質向培養基中的釋放，或參與內源生長素的合成過程，這對愈傷組織或胚狀小孢子的形成具有積極促進作用。此外，雖然在辣椒和花椰菜等作物的培養中報道了谷氨酰胺、絲氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、丙氨酸等信號氨基酸的添加劑應用，但這些添加劑在番茄油菜花粉小孢子的培養和誘導中尚未得到廣泛應用。這表明針對不同植物種類及其小孢子的培養，需要進一步調整添加劑的種類和濃度，以達到最佳的培養效果。

1.2.3 預處理的影響

環境熱脅迫是誘導小孢子胚胎發生的充要條件之一，若沒有脅迫的必要條件，小孢子則會順著配子體發育的正常方式逐漸形成花粉粒。脅迫處理一般適用于供體植株的生長，可提供雌蕊、花枝、油菜花粉小孢子及培養所需的培養基或條件。與預想不同的是，雌蕊長期暴露在外。在流動的空氣或海水中，雌蕊容易變黑。在大多數研究工作中，幾乎總是對培養所需的培養基或條件進行應激預處理，有關學者將應激預處理分為以下3類：

（1）常見作用類，包括高溫應激、缺糖、營養以及如何處理秋水仙堿等；

（2）選擇類別相對較少，包括如何處理伽馬輻射、滲透壓、離心等；

（3）特殊處理類，包括氫化植物油低聚糖、重金屬元素脅迫、2，4-D預處理等。在番茄和油菜花粉小孢子的培養和培養中，具體預處理方法有采取使用脅迫處理，包括高溫（更高溫度）脅迫，如處理含糖量高的食物等；甘露醇的治療方法，秋水仙堿如何處理等。

2 案例分析

2.1 研究目標

研究牛脖子番茄的單倍體育種過程，以提高其育種效率和品質。

2.2 研究方法

選擇合適的親本：選擇具有理想特征的牛脖子番茄作為母本和父本。母本應該具有較高的產量和耐病性，而父本應該具有優良的口感和外觀特征。

花粉處理：通過人工授粉的方式，將父本的花粉傳遞至母本的柱頭上。在花粉傳遞過程中避免與其他品種雜交。

單倍體誘導：在花粉傳遞后，使用適當的方法誘導花粉發育成為單倍體植株。常用的方法包括化學物質處理、溫度處理或細胞培養等。

單倍體植株培養：將獲得的單倍體植株進行培養，提供適當的營養和生長條件，以促進其生長和發育。

單倍體篩選：通過對單倍體植株進行基因型和表

型分析，篩選出具有理想特征的植株。這可以通過分子標記技術、形態學觀察、生物化學分析等方法實現。

單倍體回交：將篩選出的單倍體植株與原始親本進行回交，以恢復其倍性。這可以通過授粉或組織培養等方法實現。

后代選擇：通過連續的自交或選擇性雜交，選擇具有理想特征的后代植株。這些后代植株應該具有高產量、耐病性強、口感好和外觀好。

2.3 研究結果

通過上述的單倍體育種研究方法，可以獲得具有理想特征的牛脖子番茄品種。這些品種具有產量更高、耐病性更強、口感和外觀更好的特征，可滿足消費者的需求。

3 結論

番茄花粉小孢子胚狀體培養的誘導率，分化率低，因此需要進一步加強細胞學、分子生物等相關理論的研究，改善供體植株基因等條件，最大限度提高花粉小孢子胚狀體的誘導率和分化率。就番茄小孢子培養未來的發展方向而言，相關人員應充分利用小孢子胚胎發生所需的材料，借助區分小孢子生長正常狀態和規律的能力，建立更有效的再生系統，進一步提高擬胚體可能出現的頻率，還需構建目標性狀分子的表達體系。

參考文獻

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