马铃薯生物技术育种现状及发展趋势

-62-马铃薯生物技术育种现状及发展趋势潘晓春，姚 兰，文殷花，王富胜（甘肃省定西市农业科学研究院，甘肃 定西 743000）摘 要：人们消费结构的改变对马铃薯育种工作提出更高的要求，育种目标已由高产型转向优质型、加工型等，育种方法也从常规的杂交选育转为以常规杂交技术为主，同时利用生物工程技术改良品种。分析国内外马铃薯育种现状，介绍生物技术在马铃薯育种中的应用，并针对我国马铃薯育种存在的问题提出具体的对策和建议。关键词：马铃薯；生物技术育种；发展现状；发展趋势；对策马铃薯普通栽培种一般是四倍体无性繁殖作物，育种中存在细胞高度的杂合性、基因分离复杂、花粉不育、现有基因库狭窄、缺乏抗病和抗逆性优良基因及野生种植资源利用率低等诸多困难[1]。生物工程技术能够在保留绝大多数优良农艺性状的基础上，针对个别不利目的性状进行改造，与有性杂交育种方法相比，具有目的性强、时间短、经济、不受环境影响等特点，能实现优异目的基因在育种后代群体定向快速转移，已成为提高优良育种后代选择效率的途径之一。1 国外马铃薯育种现状及发展趋势1.1 国外马铃薯育种进程大约14…000年前，在南美洲的马铃薯起源中心，印第安人栽培较原始的马铃薯时就开始进行无意识的选择，但这还算不上育种。1565年，西班牙殖民者把马铃薯作为一种“战利品”带回欧洲，采集天然实生种子进行种植、筛选，这是最早的育种。1807年，英国人Knight.T.A首开先河，开始马铃薯育种工作，这是有文字记载的马铃薯杂交育种。1851年，被引到美国与欧洲品种杂交，后代表现突出，引起广泛关注，杂交育种开始被广泛利用，野生种的价值也开始被育种专家所认识，Rough…PurpleChil的后代被广泛用于育种，选育出‘Russet…Burbank’、‘Early…Rose’等。美洲马铃薯协会出版的《北美洲的商品马铃薯生产》列出177个品种，其中156个具有Rough…Purple…Chili的血缘。1925年以后，苏联、德国、英国、美国、阿根廷、智利等国先后组织考察队，多次收集马铃薯资源，建成Vav-ilov、Utch-German、Sturgeon-Bay、CPC和CIP等多个马铃薯种质资源库。1909年，Salaman利用S.demissum杂交后代回交选育抗晚疫病品种。同时，德国科学家也用相同的办法选育出抗晚疫病的“W系列”品种。20世纪…60年代初，英国学者西蒙兹广泛搜集短日照条件下的安第斯亚种，在欧洲长日照条件下对结薯习性进行定向选择，约经过5代选择，选育出适应于在长日照条件下结薯的新型栽培种。据Hermsen统计，1989以前4/5的欧洲马铃薯品种和1/3的美洲马铃薯品种有野生种质资源的背景，第一作者简介：潘晓春（1970-），女，副研究员；从事马铃薯育种工作。通讯作者：王富胜，副研究员。E-mail:[e-mail]但实际利用的还很少[2]。目前马铃薯品种的基因库仍很狭窄，马铃薯野生种资源的利用率不高，潜力还很大。1.2 当前国外马铃薯育种现状及发展趋势目前，从育种水平和规模来看，亚洲落后于欧洲和美洲，亚洲国家中印度马铃薯育种相对发达。现如今，国际上的育种体制模式大致有下列几种：美国和加拿大马铃薯育种主要由国家进行，荷兰等西欧国家育种全部由私立育种站承担，东欧与我国相似，全为国有育种单位承担。野生种和原始栽培种的利用程度是决定马铃薯育种能否取得突破性进展的关键。能打破有性杂交障碍的细胞融合技术和倍性操作技术的提高，将使更多的野生种质资源被用于马铃薯的育种中。二倍体水平育种由于能大大提高选择效果，将得到广泛利用。花药培养和2n配子利用技术的进一步完善，将有可能解决一直困绕马铃薯实生种子利用的后代分离难题。今后，生物技术育种方法虽不能代替传统的马铃薯育种方法，但可以作为一种育种工具和手段来提高育种效率，广泛应用于马铃薯育种工作中。2 我国马铃薯育种现状20世纪40年代以来，我国已育成近200个马铃薯品种，其中大多数品种都是通过品种间杂交选育而成，少部分品种由自交方法育成，如‘克新12号’、‘克新13号’及‘甘农薯’系列等。但是由于马铃薯遗传基础极为复杂，经过几代甚至十几代的自交获得的纯合自交系，往往会出现自交不亲合现象，且产量和生活力下降，甚至不能正常开花，致使自交无法进行，只获得一些优良杂交亲本。四川、河北、青海等地利用CIP提供的实生种子成功选育出新品种，如‘川芋4号’、‘川芋5号’、‘冀张薯7号’、‘青薯9号’等[3]。目前，我国利用基因工程技术已经通过下面两条途径达到提高淀粉含量的目的：(1)利用反义基因技术改变马铃薯直链淀粉与支链淀粉的比例已获得成功[4]。(2)提高合成淀粉的生理活化机能。在淀粉合成中ADP-葡萄糖焦磷酸化酶是一种关键性酶，提高它的活性可以提高淀粉含量。在诱导双单倍体和一单倍体、染色体加倍及2n配子利用等方面获得成功，得到一些“双单倍体-野生种”四倍体杂株，这些杂株已在育种中得到应用[5]。20世纪80年代初发现电场能促进原生质体融合以来，电融合技术已在植物体细胞融合中加以应用，目前已有许多获得真正杂种植株的报告。-63-中国园艺文摘 2015年第4期在野生种的利用方面由于技术上的原因，则出现徘徊不前的局面。研究表明，我国利用辐射诱变育种技术在马铃薯上取得一定成就，但远不如其他作物，而且仅局限于Co60的照射，其他诱变育种等则未见报道[6]。也有人希望利用秋水仙素人工处理马铃薯块茎来获得诱变材料，但收效甚微。也有人利用化学诱变剂进行染色体加倍方面的研究，但尚未见育成品种方面的报道。另外，1980年以来，晚疫病在世界各地频频发生，给种植者带来很大的经济损失。另外，生产中存在的青枯病和PSTV问题因两者都没有免疫的抗源，要从根本上解决这些难题应利用生物技术来完成。现在，科学工作者在生物技术育种方面已经取得一定的成绩：张鹤龄等将PLRV外壳蛋白(CP)基因导入‘Desiree’、‘Favorita’、‘虎头’、‘乌盟601’中[7]。赵福宽等在转基因马铃薯植株上接种病毒后，马铃薯株系延迟了发病时间，降低了发病率和发病指数[8]。李汝刚等已获得NPTII抗性植株[9]。2000年以来，我国研究人员已陆续获得一批转基因材料。宋艳茹等将PVY中分离株的外壳蛋白基因转入‘Favorita’、‘虎头’和‘克4’，人工接种PVY病毒后一些转基因株系对PVY病毒的侵染表现出较强的抗性[10]。我国马铃薯育种经历了从国外引种鉴定到常规杂交育种、生物技术育种的漫长过程，据统计在过去60年中育成近190个品种[11]。3 我国马铃薯育种存在的问题及对策3.1 存在的问题目前，我国马铃薯育种存在的问题主要体现在：(1)种质资源改良滞后；(2)野生资源利用研究进展缓慢；(3)专用型品种缺乏、品种搭配不合理；(4)品种抗病性差，缺乏多抗品种，尤其是晚疫病、病毒病和青枯病抗性弱；(5)育种规模偏小、经费不足，组合配制盲目。3.2 改变目前我国马铃薯育种现状的对策育种技术人员在以后的工作中，必须加强马铃薯遗传改良的理论与技术研究，提高我国马铃薯育种水平，必须从以下几个方面着手。(1)确立育种目标。根据消费市场的需求动向、当地生态条件及产业结构的调整，及时调整育种目标，选育适合当地生态条件的高产、抗病、优质马铃薯品种。(2)重视马铃薯种质资源的搜集和改良。应用多种育种技术，将各种种质的特异优良基因有效地应用于育种中，提高育种效率和水平。应大力开展二倍体育种，引入更多的优良野生资源，在二倍体水平上进行改良目的性状和更为有效的筛选，得到综合多种优良性状、稳定发生高频率2n配子的材料，提供育种利用。(3)加强常规育种与现代生物技术结合。重视育种基础理论和高效育种技术的研究，特别是高新技术在马铃薯育种中的应用，有针对性地对不同的育种目标性状采用倍性育种、基因工程、细胞工程和分子标记辅助育种等现代生物技术和常规育种技术有机结合的方法，研究主要性状的遗传规律和高效的育种后代评价、抗病虫鉴定技术和早世代选择技术，构建抗晚疫病、抗病毒病、高淀粉、高产和加工品质等改良群体，建立高效育种技术平台，提高育种效率，加速新品种选育进程。4 我国马铃薯育种发展趋势针对我国马铃薯育种工作中存在的问题，我们提出以下设想。(1)统筹规划，合理布局。按照马铃薯生产区划和各区域的农业气候特点，重新布局。为了从根本上解决育种资源缺乏、基因库狭窄的难题，应在与马铃薯发源地生态条件非常相似的云南省建立全国马铃薯种质资源创新基地，招揽优秀人才，参与马铃薯资源创新研究，克服大部分野生种在北方长日照条件下不能很好结薯，影响野生种资源利用的局面。(2)常规育种方法与生物工程技术相结合，提高育种效率。各地市县级育种单位应与大专院校联合攻关，育种方法仍以常规育种技术为主，以生物技术育种为辅，二者紧密结合。大专院校充分利用现有设备和基因图谱及分子定位等生物技术，创造出新的材料，再在地方育种单位的试验地中进行常规选育，使马铃薯育种从依靠表现型选择向依靠基因型选择飞跃，缩短育种年限，提高育种效率。因多数重要经济性状是多基因控制的，这就要求生物技术发展的重点放在为常规育种服务上。当然，对少数基因控制的性状改良，如抗病性等应大力使用转基因技术等生物技术。所以，育种工作者在开展常规育种的同时，要密切关注生物技术的发展，将一切成熟的可提高育种效率的生物技术方法和手段都用于常规育种。参考文献：[1]贾笑英.用于提高马铃薯淀粉含量的glgc基因克隆,突变及表达载体构建[D].兰州:甘肃农业大学,2003.[2]谢开云,DavidTay,王凤义等.国际马拉松中心CIP马铃薯种质资源及其在中国的利用[A].马铃薯产业与粮食安全[C],2009.[3]张丽莉,宿飞飞,陈伊里等我国马铃薯种质资源研究现状与育种方法[J].中国马铃薯,2007,21(4):223-226.[4]杜宏辉.可溶性淀粉合成酶SSIII基因对马铃薯的遗传转化[D].兰州:甘肃农业大学,2011.[5]戴朝曦.用花药培养法诱导马铃薯产生双单倍体植株的研究[J].科学通报,1982,(24):1529-1532.[6]刘子瑜,黄先群,唐章林等.马铃薯诱变育种研究进展[J].西南农业学报,2010,23(6):24-28.[7]张鹤龄,宋艳茹,彭学贤等.表达马铃薯X病毒和Y病毒的双价外壳蛋白基因的马铃薯植株的抗病性[J].病毒学报,1996,12(4):360-366.[8]赵福宽,张鹤龄,李天然等.病毒外壳蛋白基因在马铃薯基因组中的整合与转录表达[J].北京农学院学报,1999,14(3):7-10.[9]李汝刚,伍宁丰,范云六等.表达Osmotin蛋白的转基因马铃薯对晚疫病的抗性分析[J].生物工程学报,1999,15(2):135-140.[10]宋艳茹,马庆虎,侯林林等.转PVY外壳蛋白基因马铃薯及其田间实验[J].植物学报,1996,38(9):711-718.[11]黑龙江省农业科学院马铃薯研究所.全国马铃薯品种资源编目[M].哈尔滨:黑龙江省科学技术出版社,1983.（下转202页）-202-情况进行评定。第2部分是综合性实验的成绩(占50%)，根据学生对实验结果进行总结分析写出的报告或论文进行评定。这样能充分调动学生对实验课的兴趣和积极性，有效提高学生的动手能力和分析解决问题的能力。学生经历了查阅资料、制定方案、完成实验、处理数据、分析结果完整的实验过程，为日后的科学研究打下良好的基础。3 综合性实验开设的效果在培育实验材料的过程中(播种、萌发、营养生长、生殖生长、衰老和死亡)，使学生了解植物的生命活动规律。在对实验材料进行观察和各种指标测定的过程中，熟练掌握各种仪器的使用，把现象和本质结合起来进行分析，理论和实践相结合，使学生深入了解植物的水分生理、矿质营养、光合作用、生长发育和分化、成熟和衰老等知识点，把《植物生理学》这门课程的所有内容串联起来，使学生深入了解该门课程的意义，提高学生的综合分析能力。通过综合性实验的开设，提高涉农学生的动手能力、思考能力和综合分析能力，