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草莓育种新动态及发展趋势

/2019-01-17 17:09

  草莓育种新动态及发展趋势

  1 我国草莓生产现状

  草莓是多年生草本植物,属于蔷薇科草莓属(Fragaria),约有 25 个种,包含不同的染色体倍性(2x、4x、6x、8x),除八倍体凤梨草莓(Fragaria×ananassa Duch.)被广泛栽培外,其余均处于野生状态。

  草莓是重要的浆果果树,素有“水果皇后”之美誉。因其种植周期短、见效快、经济效益高、适应性强,被广泛种植,其栽培面积和产量在世界小浆果生产中一直居于首位。目前中国是世界草莓第一生产国,种植面积和产量均据世界第一。

  FAO 统计,2016 年我国栽培面积和产量分别为14.15 万公顷和 380.19 万吨,占世界种植面积和产量的 35.21%和 41.70%。我国各地也均有草莓种植,其中山东、辽宁、安徽和江苏的种植面积最大,这四个省份草莓产量约占全国草莓总产量的 60%。我国区域广,气候类型丰富,除少部分露地栽培外,以设施栽培为主,形式多样,如塑料大棚、小型拱棚、日光温室、玻璃温室等。

  2 草莓育种概况

  2.1 我国草莓育种概况

  我国的草莓育种始于 20 世纪 50 年代 ,至目前共有 112 个品种育成 。起初以江苏省农业科学院(原中央农业实验所)和沈阳农业大学(原沈阳农学院)为首开展实生选种,选育出了一些品种,如:紫晶、沈农 101 等,这些草莓品种多为遗传背景不详的露地栽培品种,果实品质较差,果实小、风味淡,在生产中种植面积小,种植时间短,很快即被淘汰;二十世纪 80 年代初至世纪末,随着草莓栽培面积的扩大,生产中急需大果优质品种,国内相关科研院所加入草莓品种选育行列,育种单位扩展到 8 家,育种方式以杂交育种为主,育成的代表性品种有硕丰、硕露、明晶、石莓 1 号、星都 1 号等,因在果实大小、风味、硬度等方面有所改进,在草莓露地栽培中得到了应用;直到 2017 年,育种单位有 30 余家,以科研院所和大专院校为主、企业参与的形式,利用丰香、明宝、红颊、春香、章姬等日本品种和卡麦罗莎、甜查理、达赛莱克特等欧美品种培育出了一批适合设施栽培的草莓新品种,其中宁玉、宁丰、黔莓 2 号、京藏香、越心、艳丽等品种因综合性状优良在我国草莓设施生产中得到了不同程度的应用。

  我国草莓育种与美国、日本等发达国家相比,虽然起步晚,但近年来,品种选育成效显著,在2012-2017 年期间,共育成草莓品种有 54 个(占我国历年育成品种总数的 48.2%)。从草莓开花结果习性看,短日性品种占 94.4%,仅 3 个是日中性品种(占5.6%);从用途方面看,以鲜食品种为主,有 47 个(占 87.0%),红花兼鲜食的品种有 4 个(占 7.4%),加工兼鲜食的品种有 2 个(占 3.7%),加工专用品种有 1 个(占 1.9%)。分析我国品种培育方法,发现上述 54 个品种中,常规杂交方法选育出的品种数量为 49 个(占 90.7%),实生选种的数量为 3 个(占5.6%),诱变育种选育的数量为 2 个(占 3.7%)。

  由此可见,随着草莓产业的发展壮大,我国自主选育的草莓品种数量和种类也迅速增加,但新品种选育的方法仍以常规杂交选育为主,主要培育适合保护地促成栽培的短日型鲜食品种。

  2.2 国外草莓育种概况

  国外草莓育种,始于 19 世纪初的英国,通过人工杂交育成了 Keens Imperial、Keens Seedlings 和Downton 等,这几个草莓品种主宰了欧洲市场近半个世纪 。随后,美国、法国、德国、荷兰和日本等国相继开展草莓杂交选育工作,育成的品种如Victoria、Sharpless、Aroma、Marshall 等在抗寒性、果实风味和大小等方面有所突破,在生产上得到了推广 。

  进入 20 世纪,草莓育种得到进一步发展,德国专家 Rudlof von Sengbush 博士领导的课题组,选用来自于美国的品种Markee为母本与当地品种Sieger杂交选育出品种 Senga Sengana,该品种迅速成为欧洲中部和东部等国家的主栽品种 。英国东茂林试验站,自 1988 年以来,共释放草莓新品种 36 个,其中新品种 Malling Centenary 已开始辐射英国及整个欧洲的草莓生产 。美国加利福尼亚大学戴维斯分校植物科学系草莓育种项目组成立于 20 世纪 20年代末,20 世纪中叶开始育成了具有划时代意义的专利品种 30 余个,其中包括对世界草莓产业的发展起到巨大推动作用的 Camarosa,以及一系列具有突破性的日中性品种,如 Albion、Monterey、SanAndreas 等 。美国的另一个知名的草莓育种单位佛罗里达大学,主要致力于冬季草莓生产品种的选育及草莓的有机生产,育出的主要品种有 SweetCharlie 、 Strawberry Festival 、 Florida Radiance 、Winterstar TM FL05-107 和 Sensation BrandFlorida127 等 。日本国家研究机构、县研究中心及农民育种家等自明治时期就已纷纷开展草莓育种工作,至今已有 30 余家草莓育种单位 。福羽逸人博士于 1900年从法国品种General Changy实生苗中选育出了日本的第一个草莓品种福羽,之后以该品种为亲本,陆续育成了如明石、崛田-Wonder、宝交早生、春香、丽红、丰香、女峰、章姬、枥木少女、幸香、红颜等划时代的著名品种,为推动日本乃至亚洲不同时期的草莓生产做出了巨大贡献,迄今已育成有 200 余个草莓品种,其中宝交早生、丰香、章姬和红颊等在亚洲许多国家仍广泛应用 。由于草莓易行匍匐茎无性繁殖,一方面有利于新品种推广,另一方面也助长了病虫害的交叉感染,为此,种子繁殖型品种的开发被得到重视,Karan 释放于1997 年为世界第一个商业化的种子繁殖品种 ,Chiba F-1 go 释放于 2008 年为日本第一个商业化的种子繁殖品种 ,日本还育成 Yotsuboshi 品种,种子繁殖型品种使得草莓生产中的病毒及其他病原菌的去除成为可能。当今世界草莓育种主要以常规杂交为主要手段,以抗病虫、耐涝、耐热和冷胁迫、花序连续抽生性强、果大丰产、高品质和适宜机械化采收为育种目标,培育高产、抗病和优质的草莓品种。

  3 育种基础研究进展

  3.1 草莓基因组测序研究进展

  3.1.1 森林草莓基因组测序 森林草莓(Fragariavesca)具有较小的个体、较短的生命周期、四季习性和高效的转基因体系等特性,使其成为蔷薇科植物进行遗传学研究的模式生物 。森林草莓基因组相对较小(240 Mb),被认为是八倍体栽培草莓(Fragaria × ananassa)的祖先种之一。2010 年,由来自全球 38 个研究机构组成的国际小组利用第二代测序技术解析二倍体森林草莓(Hawaii-4)的基因组序列(版本 V1.0) 。版本 V1.0 包含由 16487 个contigs 组成的 3263 个 scaffolds,以及利用从头预测方法预测的基因蛋白编码序列。随后,研究人员利用来自 25 个不同组织的 50 个转录组数据对版本V1.0 预测的基因蛋白编码序列进行注释校正更新出了版本 V1.1 。在此基础上,利用二倍体北美森林草莓(F. vesca ssp. bracteata)的密集连锁图组装出森林草莓参考基因组(V2.0) 。由于二代测序技术的缺陷,森林草莓基因组(V2.0)仍然不完整,基因组中大量的重复序列无法解决,存在 6.99%的缺失以及组装错误, 包括兆碱基大小的区域缺失。

  随着测序技术的更新,加利福利亚大学的Patrick P. Edger 等利用第三代测序技术(单分子即时测序)再对森林草莓 Hawaii-4 进行测序,得到了较为完整的森林草莓基因组图谱(V4.0) 。第三代测序技术具有读长长的特点,SMRT 测序平台在基因组测序中能获得显著增长的 Contigs,明显减少基因组拼接和注释的难度。版本 V4.0 获得的 contig N50长度达到了 7.9 Mb,较 V1.0版本长度提高了 300倍,而且超过 99.8% contigs 通过 Bionano Genomics 公司2 组光学图谱被锚定到森林草莓 7 条染色体上,其中包括之前版本缺失的超过 24.96 Mb 的序列。基因组图谱的精密度和准确度显著的影响着遗传作图、基因甲基化和基因表达等后续的生物学研究,新的草莓基因组图谱给研究人员提供了更准确、详细的序列和位置信息,方便研究人员对感兴趣的生物学问题进行更深入的研究。

  3.1.2 八倍体栽培草莓基因组测序 八倍体栽培

  草莓(Fragaria × ananassa)由两种八倍体野生草莓弗吉利亚草莓(F. virginiana)和智利草莓(F.chiloensis)自然杂交而来 。基于rDNA和叶绿体DNA多序列分析结果,发现森林草莓、西藏草莓和东方草莓可能是八倍体草莓的祖先种,到目前草莓属二倍体种到八倍体种基因组进化历程仍然存在着争议 。八倍体栽培草莓基因组中亚基因组间存在高度同源性,同时也存在大量的杂合位点。八倍体栽培草莓基因组的复杂性,大大增加基因组组装的难度。2014 年,日本 Kazusa DNA 研究所尝试通过整合栽培草莓四套染色体组中同源区域和杂合区域来构建虚拟参考基因组序列的方法来破译栽培草莓基因组。研究人员通过第二代测序技术对栽培种凤梨草莓和 4 种野生草莓(饭沼草莓、日本草莓、西藏草莓和东方草莓)进行全基因组测序和组装,栽培草莓获得了 698 Mb 的基因组组装数据,4 个野生草莓分别获得了超过 200 Mb 的基因组序列。随后,对栽培草莓基因组序列进行整合处理获得了长度为173.2 Mb、N50 长度为 5137 bp 的虚拟参考基因组序列(FANhybrid_r1.2)。研究人员将栽培草莓和 4 个野生草莓基因组锚定到参考基因上,结合已公布的森林草莓基因组来构建栽培草莓的基因组结构。该研究为多倍体植物基因组测序提供了方法参考,为获取更加完整、准确的栽培草莓基因组序列提供了基础,同时有助于深入研究栽培草莓基因功能和草莓品质遗传改良。由于采用的第二代测序技术产生较短的测序片段增加了组装难度以及异源八倍体本身基因组的复杂度,现今公布的八倍体栽培草莓基因组组装完整度和准确度明显低于二倍体森林草莓基因组。

  3.2 草莓分子育种

  由于高通量基因分型和基因组测序技术的发展,以及草莓育种家和分子生物学家共同的努力,基因组信息在异源八倍体栽培草莓中的应用在过去五年中迅速增长。全基因组和亚基因组特异性标记已可用于主要位点 DNA 检测,基因组选择方法用来预测草莓复杂数量性状。全基因组预测已经不需要表型信息,在亲本选择效率方面远大于传统方法。

  3.2.1 主要性状位点的挖掘 草莓中第一张连锁图是用 RAPD 标记构建的森林草莓连锁图,产生 7个连锁群、445 cM 总距离 。一张 SSR 连锁图是由森林草莓和西藏草莓用 68 个标记作出的,总距离448 cM ,之后两倍体的图又被加上了基因特异性和其他类型标记 。

  第一张栽培草莓八倍体图有 30 个连锁群(LGs)的母本图谱和 28 个连锁群(LGs)的父本图谱,平均长度 1550 cM 。2009 年, Sargent 等又用两个栽培品种‘Redgauntlet’和‘Hapil’的杂交后代开发了一个遗传图,这张图扫描了 3116 cM,共囊括了 315 个标记,其中 218 个 SSRs,11 个基因特异性标记,86 个AFLPs 和 RAPD 标记 ,后来又增加了部分 SSRs 标记 。2014 年,Van Dijk 等 基于二倍体森林草莓与八倍体栽培草莓的差异,对此图做了进一步改进。

  3 3. . 2.2 基因芯片的开发与应用 随着二倍体森林草莓基因组测序完成 ,高通量基因组扫描成为可能。Bassil 等 在 RosBREED 项目支持下与 Affymetrix芯片公司合作,开发 IStraw90 Axiom 单核苷酸多态性(SNP)芯片,亚基因组特异的 SNP 标记被放置于90k 的芯片上,但测试每个样本昂贵,限制了它的应用。为了降低价格,一个 Axiom IStraw 35 芯片得以开发 ,国际各成员(美国佛罗里达大学,荷兰瓦赫宁根大学,英国东茂林研究所,美国新罕布什尔大学,西班牙农渔研究和培训中心 IFAPA,法国农科院 INRA,西班牙农业基因组学研究)提供了多态性或/和作图 SNPs 生成最终设计的 38,506 个 SNP探针。

  目标区域杂交捕获测序、简化基因组测序(GBS)及基因芯片使人们更易理解栽培草莓异源八倍体基因组。Tennessen 等利用连锁图锚定多倍体亚基因组的系统发生方法(POLiMAPS)及目标区域杂交捕获测序检测栽培八倍体草莓、智利草莓和弗州草莓,结果表明四个亚基因组组成分别是:森林草莓(提供细胞质供体)、饭沼草莓、两个未知的祖先(与饭沼草莓相近);同时改进了森林草莓(Fvb)的基因组。利用 IStraw 90 SNP 芯片,Sargent 等 提出了亚基因组组成为 AA, bb, X–X, X–X,其中 X–X 代表同源性与双价配对没有调用亚基因组完整性。利用IStraw 90 芯片和简化基因组测序,Mahoney 等开发了一个二倍体饭沼草莓的高密度连锁图。

  芯片的使用使基于 SNP 的连锁作图变得容易,可直接应用到育种。在佛罗里达草莓育种项目中,用三个不同的作图群体构建了三个遗传图,其中一个是‘Holiday’בKorona’(H×K) 的 75 个群体构建的 。

  H×K SNP 图,产生 3814 个高密度 SNPs,用于分析抗病性和其他性状的 QTLs ,另外两个作图群体为

  (1) FL_08-10 × FL_12.115-10(N=165) 和

  (2)‘Treasure’בWinter Dawn’(N=91),14322SNPs 和13,502 SNPs 分别被包含在这两个群体里,其中

  FL_08-10 × FL_12.115-10 遗传群体已被用于抗病性的 QTLs 分析 。Lerceteau-Khler 等首次在八倍体凤梨草莓中构建遗传图谱,发现几个参与草莓质量的性状,大部分 QTLs 能解释 10% 和 17% 的表型变异和性状之间的关系。 Castro 和 Lewers也分析了草莓品质 QTL 确认了 Lerceteau-Khler [38] 的结论。可溶性固形物(SSC)含量 QTLs 位于 LG IIIa, Va, 和VIa;位于 LG VIa 上的 SSC QTL 与 EMFv006 SSR 标记很近 。Castro 和 Lewers 检测三个 SSC QTLs 位于 LGVI-S-3 同源组 I(HG-VI), LGII-D-5 和 LG-V-D-1。与van Dijk 开发的遗传图比较,位于 LG VIA 的 SSCQTL 可能是共同的。除此之外,控制可滴定酸(TA)和 SSC/TA 比例的 QTL 在 LG VI-D-4 (HG-VI),靠近BFACT010 SSR 标记处 。图 1 综述了现有发现的QTLs 。

  图 1 草莓中已定位的 QTL 位点

  Chambers 和 Sánchez-Sevilla应用基于候选基因和基于遗传图谱两种方法确定产生γ-癸内酯生产相关的区域。Sánchez-Sevilla 发现在作图群体‘232’ב1392’连锁图上,一个控制γ-癸内酯生产的位点在 LG III-2 的底 部,另 一方 面 Chambers用‘Elyana’בMara de Bois’ F1 后代,确定了候选基因FaFAD1 在不产生γ-癸内酯的材料中没有转录,也确定了在产生和不产生γ-癸内酯的材料中的分离。

  3.2.3 分子标记辅助育种 近20年DNA标记发展很快,序列特性的标记系统如 SSR 和 SNP 近五年来在草莓育种中应用较多。第一个草莓 SSR 标记在二倍体森林草莓和绿色草莓中被开发 。二倍体的标记能够较容易地应用到八倍体中 。近 4500 个SSR 标记包括 EST-SSR 被开发,用于构建作图群体。同时在草莓中也开发了 SNP 标记,但这些标记在不同草莓种或不同种质中转化率很低。SSRs 和SNPs 被广泛应用于草莓育种项目的标记辅助选择(表 1)中。一个快速的草莓 DNA 提取方法和高通量基因分型平台被开发 来支持标记辅助选择。同时,高分辨熔解(HRM)分析也被成功地应用于草莓育种 中(表 1)。

  3.2.4 基 因 组 选 择 基 因 组 选 择 ( GS ) 是Meuwissen 等人 提出,增加全基因组标记量用于预测基因组育种值(GBV)的方法。

  佛罗里达大学(UF)建立草莓的 GS 方法并确定其在草莓育种中的潜在价值,通过多基因性状的基因组选择/预测(GS),育种周期可缩短至三年。

  草莓的 GS 选择,需要建立两个群体,一个是参考群体、一个是候选群体。参考群体为前一年选择出来的优良单株,对其进行基因型分析和重要性状(如早期的市场产量,总市场产量,平均单果重,可溶性固形物含量等)表型的测定,研究构建 GS 模型。第一年杂交的单株,在幼苗期通过标记辅助选择育种先淘汰一批,将剩下的单株第二年定植生长,每周对感兴趣的性状进行目视评估,筛选出优良单株(为候选群体),同时检测其基因型,运行 Gs 模型对候选群体进行筛选,选出最佳单株,作为第三年的亲本或品系。

  表 1 应用于栽培八倍体草莓辅助选择育种的标记

  4 我国草莓育种存在问题与发展趋势

  4.1 问题

  4.1.1 亲本遗传背景狭窄,育种目标难以突破截至目前,我国各地草莓主栽品种仍以国外品种为主,如欧美品种甜查理、达赛莱克特、全明星,日本品种红颊、章姬等。欧美品种果实硬度高、耐储运、抗病性强,但是酸味重、甜度不够,口感较差。日本品种风味浓、有香气,但是抗病性差,不耐储运。我国选育的优良品种,在抗病性方面优于日本品种,但风味品质稍差于日本品种。由于种植习惯与销售途径等因素的制约,仅在当地或某些区域有较大规模的种植。此外,所选用的育种亲本遗传背景狭窄,育种目标难以突破,至今尚未育成大面积推广的主栽品种。

  4.1.2 育种方法较为单一,育种基础研究薄弱常规杂交育种是我国草莓品种选育的主要途径,迄今为止我国育成的绝大部分品种来自于常规杂交育种,少数品种来源于芽变或诱变等。从近几年国外草莓育种基础研究情况来看,我国在此方面落后很多,为加快育种进程,国外已经开始将基因芯片技术应用到草莓新品种实践中。

  4.2 趋势

  4.2.1 以优质、抗病、耐贮运为主,同时兼顾品种多样性发展 我国草莓以鲜食为主,大果、色艳、高糖酸含量以及富含香味等品质相关性状今后仍然是育种者关注的首要目标。此外,草莓耐贮运性、抗病性也是草莓育种者需要关注的目标。

  为满足市场周年供应以及多样化的需求,需加强选育能在高温和长日照下开花结实良好的日中性品种,以及白果和红花等特异品种的选育。

  栽培草莓属于杂合的八倍体,种子繁殖后代变异极大,目前草莓生产上多通过匍匐茎进行无性繁殖。通常草莓种苗在三、四月份进行定植,通过抽生匍匐茎实现草莓苗繁育,而草莓鲜果生产结束于五、六月份,种苗繁育与鲜果生产出现重叠,易交叉感染病原菌,施药控制病菌爆发,费时、费工且不环保。草莓种子具有易获得且萌发率高的优点,开发出种子繁育型品种可以克服匍匐茎繁殖的诸多缺陷,将是今后草莓育种的另一个方向。

  4.2.2 充分利用野生草莓资源,拓宽育种资源的遗传背景 草莓属于蔷薇科草莓属,目前全球已知约有 25 个种,我国自然分布 13 个种,除凤梨草莓(Fragaria×ananassa Duch.)作为经济栽培外,其余均处于野生状态。英国人 Ellis 通过开红花的委陵菜和开白花的草莓进行属间杂交培育出了第一个红花草莓品种(Asker S.,1970)。日本人通过白果的二倍体黄毛草莓和红果栽培草莓进行种间杂交、染色体加倍培育出了淡粉色果实的‘桃熏’草莓。野生草莓资源具有丰富的遗传多样性,充分开发利用这些野生资源,可为育种提供丰富的遗传资源。

  4.2.3 加强分子育种技术的研究,提高育种效率目前草莓育种主要以常规杂交方法为主,根据遗传规律配置杂交组合,杂交后代通过表型鉴定筛选,具有一定的盲目性。分子标记辅助育种可以利用分子标记与决定目标性状基因紧密连锁的特点,通过检测分子标记,实现目标性状检测的目的,具有快速、准确、不受环境条件干扰的优点。我国草莓分子育种技术的研究比较滞后,今后要加强而深入的研究,并建立经济有效地育种体制,为草莓育种效率的提高提供支撑。

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