菜心生物技术研究进展

黄秀++黄新敏++宋世威++苏蔚++陈日远

摘 要 菜心是一种菜薹类蔬菜，也是华南地区的特色和重要蔬菜。近年来，菜心的生物技术研究越来越受到重视，且取得较多的研究成果，但还未见系统的综述报道。综述了近年来菜心生物技术的研究进展，包括菜心离体再生培养体系，基因工程和分子标记等方面，并探讨了菜心生物技术研究中存在的问题和未来的研究动向。

关键词 菜心 ；离体培养 ；基因工程 ；分子标记

中图分类号 S634.5 文献标识码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2017.10.013

Advances on Biotechnique for Flowering Chinese Cabbage

HUANG Xiu HUANG Xinmin SONG Shiwei SU Wei CHEN Riyuan

（College of horticulture， South China Agricultural University， Guangzhou， Guangdong 510642）

Abstract Flowering Chinese cabbage （Choi Sum） is an important stalk vegetable in South China. In recent years， more priorities have been given to the biotech research of Choi Sum， which has come up with many achievements， but no review was reported about the achievements. The biotech research progress in Choi Sum in recent years was reviewed， including in vitro culture， genetic engineering， molecular markers， etc. The problems arising from biotechnology and the future research interests of Choi Sum were discussed to provide reference for promotion of the biotech research of Choi Sum.

Keywords flowering Chinese cabbage ； in vitro culture ； genetic engineering ； molecular marker

菜心（Brassica Campestris L. ssp. Chinesis var. utilis Tsenet Lee.）又名菜薹，是十字花科蕓薹属芸薹种中的一二年生草本植物，是不结球白菜的一个变种。菜心是华南地区的特产蔬菜，以花薹为食用器官，品质脆嫩、风味独特。菜心生长期短、复种指数高，可周年生产，是该区栽培面积和市场供应最大的蔬菜[1-2]。选育商品性好、高产多抗优质的菜心品种，对提高其产品品质和市场竞争力具有重要意义。常规育种方法存在培育新品种的时间较长、过程复杂、易受到亲本材料的限制等一系列问题[3]。植物组织培养、基因工程和分子标记等技术在植物遗传育种中的广泛应用，弥补了常规育种方法的不足[4]。菜心生物技术的研究起步较晚，虽然在离体再生培养、转基因及分子标记方面都取得较多成果，但仍存在较多问题。为此，本文对近年来菜心生物技术研究进展进行了综述，全面探讨菜心分子生物学研究动态及存在的问题，以期为进一步推动菜心生物技术研究提供理论参考，也为菜心优良品种选育提供新思路。

1 菜心离体再生培养体系研究进展

离体再生培养的原理是植物体细胞全能性。高频再生体系的建立与植物基因型、外植体类型、苗龄、激素、褐化等因素密切相关。近年菜心离体再生培养体系研究获得了重要进展。

1.1 基因型对菜心离体再生培养的影响

基因型对离体再生培养有重要影响[5]。已有研究表明，调控芽的基因可能位于C基因组上，菜心属AA基因组，因缺少C基因组而难以再生[6]。因此，选择合适的基因型能有效提高菜心再生效率。朱允华等[7]研究了4种基因型菜心花药胚状体再生效率，结果表明，不同基因型存在较大差异；孟成民等[8]选用5种不同基因型菜心品种为试材，以苗龄为4 d的带叶柄子叶为外植体，结果同样表明，不同基因型对菜心不定芽分化频率存在较大影响（表1）。而较多研究表明，早熟品种‘四九菜心的离体再生效率较高，生长周期短，目前多作为菜心转基因材料[9-10]。

1.2 外植体对菜心离体再生培养的影响

菜心不同外植体的再生能力差异显著。在菜心离体再生体系研究中，采用的外植体主要有叶片[11]、下胚轴[12]、花药和子叶柄-子叶[13]等类型（表2），其中，子叶柄-子叶的不定芽再生效率最高，且能获得再生植株，以叶片作为外植体也能获得再生植株，但是出芽分化率低，而花药作为外植体则不能获得完整植株[11， 14]。这可能与子叶柄-子叶这一部分外植体包含分化能力较强的原分生细胞和子叶块营养有关[14]。

1.3 苗龄对菜心离体再生培养的影响

苗龄也是影响植物离体再生的重要因素，幼嫩组织比老化组织具有更高的形态发生能力。不同苗龄的菜心外植体不定芽分化频率差异较大（表3）。不论是以子叶、还是带柄子叶为外植体，或对于不同的菜心品种，均以苗龄为3～5 d时不定芽的分化率较高，但随着苗龄增长，不定芽的分化呈下降趋势[8，16]。虽然苗龄越小，细胞分生能力也越强，但若苗龄过短，如3d苗龄菜心的子叶尚未展开完全，子叶柄-子叶很小，较难产生不定芽，不宜选作外植体；而苗龄在4、5 d时，子叶已完全展开且不定芽的分化率较高[16]。因此，在菜心的离体再生培养中，宜选用4～5 d苗龄的外植体。endprint

1.4 激素对菜心离体再生培养体系的影响

培养基中激素种类和浓度对离体培养有重要作用，改变激素种类[如BA（苄基腺嘌呤）、NAA（萘乙酸）、KT（激动素）以及ZT（玉米素）等]和浓度可有效提高培养效率[17，19]。目前，在菜心再生体系中，以BA与NAA使用最多。一些研究得出（表4），培养基中适宜浓度的NAA和BA可提高外植体的出芽数和出芽率，且NAA和BA的结合使用效果优于单独使用，但ZT和KT的单一使用效果比混用好。

除了基因型、外植体类型、苗龄、激素等因素外，褐化也是影响菜心离体再生的重要因素[15]。造成外植体褐化的因素有很多，如再生过程中，乙烯的产生并大量积累、外植体大小和生理状态、培养基成分和培养条件等[21-23]。目前，关于菜心离体再生培养过程中的褐化问题研究较少，但在其他芸薹属作物上已有较多的研究，如在培养基中加入活性炭、调节pH可以降低白菜离体再生的褐化问题[24-25]，这些可为解决菜心离体再生培養过程中的褐化问题提供参考。

2 菜心基因工程研究进展

2.1 农杆菌介导遗传转化体系的建立

农杆菌介导法操作简单、成本低、转化效率较高、导入的外源基因遗传相对稳定。自Ooms[26]利用农杆菌介导法首次获得芸薹属转基因植株以来，芸薹属植物的遗传转化受到广泛关注。农杆菌介导的转化方法分为两大类：一是不依赖植物组织培养的遗传转化体系；二是以植物组织培养为基础的遗传转化。

2.1.1 不依赖植物组织培养的转化体系

不依赖组织培养的遗传转化方法包括真空渗入法、叶盘法、子房注射法、浸花法等。真空渗入法的原理是借助真空泵的吸力作用，使农杆菌更有效的侵染受体植物，借着T-DNA向植物基因组的转移、整合，实现外源基因向受体植物的转化。该方法操作简单、快速、实用性强，是目前基因工程中应用较理想的遗传转化方法。Zhang等[27]采用真空渗透法将pinII基因导入“49菜心”，经检测pinII基因已整合到菜心基因组中，抗虫性检测得知转基因植株对小菜蛾有较高的致死率。真空渗入法的转化效率一般不高，不同研究的差异较大，如曹传增等[28]研究得出植株的转化率约为3%，而张军杰等[29]试验中菜心植株转化率有接近30%，这可能与真空处理的强度、时间及转化植株的生长状况有关。

2.1.2 以植物组织培养为基础的遗传转化

依赖于组织培养的遗传转化是由植物细胞和农杆菌共培养一段时间，使外源基因整合到植物基因组中。在菜心遗传转化体系优化研究的基础上，已开展了较多的菜心转基因研究，如育性基因[9]、抗虫基因[30]等。

2.2 基因工程的遗传改良

基因工程是利用基因重组技术，在体外构建重组基因并将其整合到受体植物中，从而使受体植物获得新性状的一项生物技术。目前，利用基因工程进行菜心性状的改良主要应用在抗虫[16，29-30]、抗病[31]及雄性不育[9]等方面。

2.2.1 抗虫基因

菜心的虫害主要包括蚜虫、菜青虫和小菜蛾等，严重影响产量、品质和商品性。常规育种较难育成好的抗虫品种，而转基因技术为抗虫育种提供了很大空间。目前，利用基因工程技术已成功获得许多抗虫的菜心转基因植株，这些抗虫基因主要有：Bt（Bacillus Thuringiensis，苏云金芽孢杆菌）[32]基因、Pin（Proteinase inhibitor，蛋白酶抑制剂基因）[33]、Lee（Leetin，外源凝集素基因）[34]、EβF（（E）-β-farnesene，蚜虫警报信息素）基因[35]，经检测发现，这些转基因植株具有较强的抗虫性[16，29-30，36-37]。

2.2.2 抗病基因

除受虫害影响外，菜心生产中还会遭受病害的侵袭。病毒病是菜心最主要的病害之一，常给菜心生产造成严重损失。而受传统育种方法中抗性资源缺乏的限制，很难从根本上解决这一问题。在植物抗病毒基因工程中，通过将CP（病毒外壳蛋白编码基因）转入受体细胞，使其在植物细胞中表达、积累，从而抑制浸染病毒的复制，为病毒病的防治提供一条有效途径。目前已通过转基因技术获得含CP基因的菜心转化株，经病毒接种检测发现转化株具有TuMV（芜菁花叶病毒）抗性[38]。

2.2.3 育性基因

菜心的花器官较小，人工授粉费工费力，并容易伤到雌蕊，这在很大程度上限制了菜心杂交品种的选育。利用基因工程培育出雄性不育株可解决上述难题。目前研究最多的雄性不育基因是由Barnase基因与TA29（绒毡层特异表达基因）基因启动子构建的嵌合基因TA29-barnase[39]。Barnase是一种编码RNA酶的基因，通过阻遏花药形成绒毡层使孢子或花粉败育[40]。曹必好等[9]成功将不育基因TA29-Barnase转入菜心获得转化株，并且转基因植株均表现花粉败育。

3 菜心分子标记技术研究进展

分子标记是在分子水平上直接以DNA形式对植物遗传进行的研究，具有操作简便、检测快速、对生物伤害程度低等优点，且不易受植株生长时期、环境、基因表达与否等因素影响，具有遗传稳定性。近年来，分子标记在菜心上的研究较为广泛，主要应用在菜心遗传多样性、种质资源以及辅助育种等方面。目前，在菜心上应用较多的有以PCR（聚合酶链式反应）为基础的SSR（简单重复序列）、ISSR（简单序列重复区间）标记[41-42]和RAPD（随机扩增多态性DNA）标记[43-45]，结合PCR技术和限制性酶切的AFLP（扩增片段长度多态性）标记[46]、SRAP（相关序列扩增多态性）标记[47]和MFLP（微卫星锚定片段长度多态性）标记[48]等。

3.1 分子标记在菜心遗传多样性及种质资源中的应用

遗传多样性能反映物种的遗传背景，根据遗传差异将亲本材料分成不同类群是获得杂种优势的前提，也可为后代性状的预测提供依据。因此，遗传多样性在育种上具有很高的潜力和利用价值。从形态表型和农艺性状对菜心遗传多样性及种质资源进行分析，存在时间长、性状之间差异小、误差大、受环境因素影响严重等问题，因此难以得到可靠的结果[49]。而运用分子标记技术能够很好的解决上述问题。endprint

近幾年，利用SSR、RAPD和ISSR标记对菜心种质遗传多样性的研究报道较多。利用SSR标记在相近属、种间的通用性，得到一些适用于菜心的SSR标记[50-51]。SSR标记也应用在相关性状基因的筛选以及品种特性分析等方面[52]。孙雪梅等[53]运用ISSR标记分析了菜心品种的遗传多样性，结果表明，菜心的遗传多样性较低，经聚类分析将27个菜心品种分为六大类。徐重益等[54]利用RAPD标记对不同株数组成的菜心群体进行多态性分析，得出群体数不小于60株为一个地方菜心种质更新较适宜的群体。对经航天诱变处理后的菜心变异株系进行RAPD多态性分析，发现变异株在分子水平上均发生了不同程度的遗传变异[55]。而SRAP、AFLP和MFLP在菜心的多态性检测以及基因筛选等方面亦是比较有效和理想的分子标记技术[48，56-58]。

3.2 分子标记在菜心辅助育种中的作用

从群体中选出符合需求的基因型是育种工作的关键。常规育种基于表型选择的方法效率低、缺点较多，分子标记利用目的基因与某个分子标记的连锁能实现对基因型的直接选择。

前人研究获得4个与菜心抽薹基因连锁的SRAP和ISSR分子标记，并初步建立了用于菜心亲本及其杂交后代鉴定的指纹图谱，开拓了菜心种子纯度鉴定的新途径[59]。冒维维等[60]同样利用ISSR标记对菜心雄性不育基因进行鉴定和定位。利用SSR标记对菜心小菜蛾抗性基因进行遗传分析，为菜心抗虫育种提供了理论依据[61]。

4 菜心生物技术研究存在的问题与展望

随着菜心种植面积及消费量的不断增大，其生物技术研究十分迫切。由于人们对菜心生物技术研究的重视程度不够，加之研究的起步较晚，虽然近年取得了很多研究成果，但仍存在较多问题。（1） 菜心的遗传转化体系仍不健全，转化效率低仍是限制菜心遗传转化的最大问题。因此仍需在菜心基因型、外植体选择等问题上开展深入研究，以建立起一套稳定高效的遗传转化体系。（2） 加强菜心雄性不育机理的研究和雄性不育材料的创制。由于在该方面研究的不足，目前仍缺乏高效的菜心雄性不育材料，限制了菜心杂交优势的利用和杂交制种的商业化生产。（3） 对于菜心重要农艺性状调控机理不明晰，如菜心的春化途径及开花调控、菜薹形成机理等。这在一定程度上限制了生物技术在菜心优质高产中的应用。在参考白菜基因组数据库的基础上，结合高通量测序等新技术加快对菜心农艺性状调控机理的研究，同时借助转录组丰富的数据库资源开发高效的分子标记，提高种质资源的筛选效率。（4） 需要加强新的生物技术在菜心中的应用，如最新的基因编辑技术CRISPR/Cas9等，推动菜心生物技术研究的发展。

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