植物远缘杂交中生殖隔离研究进展

吕锐玲+周强+王欢+张盛+蔡星星+李兴华

摘要：在植物育种和种质创新过程中，远缘杂交发挥着重要的作用，创造了许多新种质和新类型。物种间远缘杂交的本质是突破物种间的生殖隔离，实现种间优良基因的重组交流。随着基因组学的发展，在生殖隔离遗传机制的解析等方面已取得了一些进展。通过对种间生殖隔离的遗传基础的阐述，总结了克服生殖隔离的途径，为基因组时代植物远缘杂交的育种提供了参考。

关键词：植物；远缘杂交；生殖隔离；遗传机制

中图分类号：Q32 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）24-6337-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.24.005

在植物育种和种质创新过程中，随着作物栽培种遗传基础越来越狭窄，向栽培种中导入远缘物种的优良基因以丰富其遗传基础，增强其抗性越来越受到重视[1-3]。Harlan等[4]根据亲缘关系及杂交难易程度将作物种质资源的基因库分为3类，分别为一级基因库、二级基因库和三级基因库。由于二级基因库和三级基因库间存在生殖隔离障碍，包括杂种花粉败育、染色体配对不完全，一般将一级基因库以上的有性杂交定义为远缘杂交，包括同属植物不同种的种间杂交、同科不同属植物的属间杂交以及更高分类单元之间的杂交等。由于作物野生种及其近缘种未经人类驯化和选择，在自然界具有丰富的遗传多样性，特别是携带有对病、虫、寒、旱、涝等逆境胁迫具有抗性的优良基因，通过远缘杂交实现优良基因向作物栽培种的转移，有利于创造新的物种、栽培类型和种质资源，提高作物的产品品质、抗逆性和產量等[5-8]。同时，远缘杂交中杂种子代再现物种演化过程中所出现的一系列中间过渡类型，为研究物种的进化历史和确定物种间的亲缘关系提供实验依据，有助于进一步阐明物种形成与演变的规律，对研究物种起源、进化、遗传、变异等生物学理论问题具有重要的指导意义，进而可以能动地利用这些规律创造新物种和新类型。

1 远缘杂交在植物育种中的应用

通过育种家的努力，远缘杂交在创造新种质和作物新类型方面取得了不少进展，创造了小黑麦、小燕麦、胡麻、白蓝、甘蓝型油菜、棉花等作物新类型[9-11]；利用异种的特殊有利性状，广泛地进行了马铃薯、番茄、菊花、月季、小麦、水稻等作物的远缘杂交，育成了一些新品种或中间育种材料；利用远缘杂交的手段导入胞质不育基因或破坏原来的质核协调关系，育成白菜、甘蓝、番茄、南瓜等多种作物的雄性不育系和保持系。

在水稻上，Zhang等[3]利用6个不同的水稻种培育了14个不同类型的异源多倍体水稻品系。在棉花上，Zhang等[12]综述了海陆种间杂交的遗传学和育种进展，认为海陆种间杂交在棉花质量性状基因定位，QTL定位、杂种优势利用和导入系的培育等方面取得了较大进展。在植物不育系的创造上，Wan等[13]用一个雄性不育的甘蓝型油菜做母本，通过4次回交将雄性不育基因成功导入了白菜型的紫菜苔中，细胞学分析显示BC4植株含有20条染色体，并且遗传稳定，AFLP分析表明仅约12%的甘蓝型油菜成分在BC4世代。陈钢等[14]综述了中间偃麦草和硬粒小麦在小麦远缘杂交育种中的研究进展情况，并对二者的利用潜力和前景进行了探讨。何强等[11]概述了水稻远缘杂交研究现状及其特点、作用、分类以及远缘杂种优势利用的主要途径，为水稻远缘杂交育种提供了参考。

2 生殖隔离的遗传机制

远缘杂交的实质是打破物种间的生殖隔离，实现不同物种间的优良基因重组，创造为人类所需的植物新类型和新种质。物种间的生殖隔离是由不同的繁殖隔离机制来保持的，繁殖隔离机制阻止种间的基因流动，是防止生物种间杂交的生物学特性。根据隔离发生的主要时期将繁殖隔离机制划分为两大类：受精前的生殖隔离和受精后的生殖隔离。若隔离发生在受精以前，就称为受精前的生殖隔离，其中包括地理隔离、生态隔离、季节隔离、生理隔离、形态隔离和行为隔离等；若隔离发生在受精以后，就称为受精后的生殖隔离，其中包括杂种不活、杂种不育和杂种衰败等。

最近基于基因组水平的生殖隔离机制研究，科学家将生殖隔离区分为内在的生殖隔离（intrinsic reproductive isolation）和外在的生殖隔离（extrinsic reproductive isolation）[15]。外在的生殖隔离机制被认为是一种依赖于基因型与环境互作的隔离机制，通常是由于生态隔离和地理隔离等引起的，是进化趋异或者分裂选择引起的。在澳大利亚两个相邻的海岸千里光群体中，研究人员研究了两个群体之间阻碍基因流和维持形态和遗传特异性的生态和遗传机制，发现主要是外在的隔离机制阻止了基因交流，而F1杂种中的内在隔离机制表现较微弱，温室实验发现不同的土壤可能创造了不同的选择压[16]。一般认为生态隔离、地理隔离、行为隔离等受精前的隔离较可能与外在的生殖隔离有关。

内在的生殖隔离通常是由遗传不协调导致的基因组冲突（genomic conflict）引起的[15]，一般与外在的环境无关。有多种遗传机制可能与内在的生殖隔离有关，包括成种基因（speciation genes）、染色体结构变异、不同位点基因互作不亲和（Bateson-Dobzhansky-Muller incompatibilities）、核质互作不亲和、遗传偏分离等[17-19]。

成种基因被定义为阻碍物种间基因交流的基因，在植物中杂种不育是受精后生殖隔离最普通的形式，在多个作物中得到了广泛的研究[6，20-22]。在水稻中克隆并且验证了1个第6号染色体上的杂交不育基因S5，通过损害胚囊的可育性而造成籼稻-粳稻之间的杂交不育，是影响杂交不育的主要基因座位，S5位点编码3个紧密连锁的基因（ORF3-ORF5），这3个位点间的互作引起了籼粳杂种间的大孢子发育过程中的异常，被称为一个“Killer-Protector”System[22]。

染色体结构变异尤其是倒位和易位，一直以来都被认为与物种间生殖隔离有关。染色体结构变异可通过两种机制引起生殖隔离，一是倒位区内的减数分裂行为异常产生不健全的配子，二是抑制了倒位区的基因重组，对已经形成的生殖隔离障碍进一步巩固和加强[23，24]。在沟酸浆属植物QTL作图中发现了3个重组抑制区域分别含有一个相互易位和2个倒位，定位得到的与雄性不育有关的QTL都位于重组抑制区，染色体结构变异被认为在生成和巩固障碍基因流的生殖隔离中可能发挥了重要作用[25]。

不同位点基因互作不亲和（Bateson-Dobzhansky-Muller incompatibilities）常常被用来解释种间杂种的杂种不育、杂种不活及核质互作不亲和效应，被认为是内在的合子后隔离的主要原因[26]。BDM模型认为，来自于一个共同祖先的两个分支进化物种在不同的位点产生了突变，例如AAbb和aaBB分别来自于祖先种基因型aabb，Ab和aB等位基因组合与祖先ab等位基因组合的适合度没有差异。但是因为A和B是独立进化的，两个衍生的物种杂交产生的AaBb的适合度可能降低而引起杂种不育和杂种不活，这种负的上位互作效应被认为是BDM不亲和[27]。这种适合度的上位效应具有基因组的印记，基因型的偏分离被用来作为检测这个效应的方式。在果蝇的RILs群体，通过研究偏分离验证并且确认了具有上位效应的适合度降低的位点，发现了在任何两个单倍型基因组中至少有1.15对上位互作位点[28]。利用来自于4个自然群体的琴叶拟南芥构建了3个互交F2群体，研究人员发现TRD程度与遗传距离正相关，而且互交群体的TRD程度有所不同。在染色体AL6和AL1鉴定了较多的单位点和两位点偏分离，但是这些位点在不同的互交群体分布位置和来源均有所不同，研究发现大多数单位点和两位点TRD都是由于配子效应而不是合子效应引起的。虽然BDM不亲和主要是由合子不亲和引起的，但是这个结果说明在合子形成的配子效应是TRD的主要来源[29]。

核质互作效应被认为是物种间合子后隔离的一种潜在的原因。细胞质基因组和核基因组既是共进化，但又具有冲突的进化利益，核质互作可能是物种分歧的首要标志。此外，母性遗传的细胞质DNA可能是不对称的生殖隔离的一种可能的解释[26]。在猴面花的研究中发现了一个多态性的与细胞质有关的生殖隔离障碍，研究发现杂种中核质互作引起的不育与CMS和一个恢复性基因系统有关[30]。在两个玉米的互交F2群体中共鉴定了14个SDL，不同的细胞质背景中，SDL分布和严重程度有显著的差异，说明自私的细胞质因子可能与F2群体中偏分离形成有关[31]。

偏分离是指在分离群体中等位基因的分离比不符合孟德尔遗传规律的现象，从群体遗传的角度看，可能是由于不同的配子基因型或者不同的合子基因型具有不同的适合度引起的，适合度降低的位点被认为与物种生殖隔离的形成有重要的关系。在很多物种的种间和种内遗传作图及QTL定位中均发现偏分离现象[32-36]。在水稻SD研究中，Koide等[37]鉴定了一个影响花粉和胚囊育性的SDL，研究发现这个位点与亚洲稻和非洲稻种间F1的半不育性有关。在构建棉花海陆种间遗传图谱时总共鉴定了21个SDR，这些SDR区域被认为与种间生殖隔离有关，为鉴定SDL奠定了基础[38]。虽然有些SDL在多个物种中被鉴定出来，但是隔离机制的进化与起源还不太清楚。在十字花科植物DRABA NIVALIS中，研究发现育性QTLs与SDL并不相关，表明可能有多种遗传机制导致内在的生殖隔离，包括微效QTLs、核质互作等[39]。

3 生殖隔离的克服途径

植物远缘杂交中生殖隔离的克服途径可以从生殖隔离的遗传机制中找到依据。对于外在的生殖隔离，只要克服了受精前的交配障碍形成杂种，来自于不同物种的基因就能够实现自由的交流重组。对于内在的生殖隔离，隔离的障碍主要是由于基因组不亲和引起的，在解析其遗传基础之前，常用的克服途径有幼胚拯救技术和染色体组技术。随着生殖隔离遗传研究的深入，构建染色体片段代换系和利用成种基因多态性克服生殖隔离障碍将会越来越成熟和富有目的性。

染色体组技术包括染色体加倍和染色体组合成技术。染色体加倍技术模拟异源多倍体的形成，将含有两个不同物种基因组的配子体进行基因组加倍以克服减数分裂异常，实现两个基因组的相容；染色体组合成技术是在深入研究物种染色体组演化的基础上，模拟祖先中的形成过程，合成新的异源多倍体。通过染色体加倍，Wang等[40]利用Oryza punctata和Oryza sativa合成了一个新的双倍体水稻新类型，含有基因组AABB。聂以春等[41]利用亚洲棉与司笃克氏棉杂交合成了一种新的异源四倍体棉花类型，为利用二倍体棉种的优质基因提供了新的方式。利用地方白菜型品种资源雅安黄油菜与常规甘蓝型油菜进行种间杂交，获得混倍体植株，并且获得了育性正常的F2代植株，说明对油菜种间杂交后代进行加倍处理，可以在一定程度上克服由于染色体数目不配对、自交不亲和等现象带来的影响[42]。

染色体片段代换系（CSSL）是通过回交和分子辅助选择构建的一套近等基因系，其基因组中只含有供体的一个染色体片段，其余部分与轮回亲本相同，这种遗传结构消除了遗传背景的影响，在QTL精细定位等方面有重要的应用。目前而言，用来构建CSSL的多是遗传差异较大的亲本，常常是种间杂交构建CSSL，例如籼稻和野生稻[43]，野生大豆和栽培大豆[44]。以粳稻日本晴回為亲本，以广西普通野生稻核心种质DP15为供体，通过连续回交和SSR标记辅助选择的方法，构建普通野生稻单片段代换系群体（Single segment substitution lines，SSSLs）。在BC3F1代获得79个代换片段，这些片段基本上能相互重叠并覆盖水稻12条染色体。随机选取其中的6个代换株系，用96个多态性引物检测其遗传背景，发现供体DNA残留率为7.3%～15.6%[45]。

構建CSSL的过程是一种将远缘物种中的基因向另外一个物种中渐渗的过程，并且在此过程中，克服了远缘物种间复杂的基因组内互作不亲和，将渐渗聚焦于一个片段，有助于片段的成功导入。在水稻中已有多个抗性QTL在CSSL的构建过程中导入栽培种，这不仅有助于解析其遗传基础，也有利于在育种中利用这些优良性状的基因位点[46]。

成种基因是指近缘种间的生殖隔离基因，在物种中一个位点的基因常常具有多种不同的等位基因，也就是基因的多态性，在这些多态性的基因中，通过杂交检测往往能鉴定出生殖隔离程度小的基因位点，例如水稻中的广亲和基因S5位点，利用S5位点的多态性能够克服籼粳稻之间的杂种不育等生殖隔离，实现籼粳稻亚种间优良基因的重组交流，有利于培育新的水稻品种。

总之，远缘杂交在植物遗传改良中已经发挥了重要作用，向植物栽培种中导入许多的优良基因，并且创造了一大批的新类型和新物种。随着基因组学的发展，必将有越来越多的物种间生殖隔离的遗传机制得到阐明。在深入理解生殖隔离的基础上，远缘杂交将会在植物远缘种质的利用上得到更加广泛的应用。

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