欧洲油菜 (Brassica napus L.)的观赏性育种和园艺应用 (综述)

柏梦炎，苏鸿雁，刘硕然

(大理学院农学与生物科学学院，云南 大理 671003)

1.前言

欧洲油菜 (Brassica napus L.)属十字花科芸薹属，又名油麻菜籽，麻油菜籽等。欧洲油菜目前主要被当作油料作物，有的时候也被当作动物饲料来使用。近些年，在油料作物种植中，欧洲油菜已跃居第二 (仅次于大豆)在世界各地广泛种植。野生的欧洲油菜品种含有大量的芥子酸，这种物质会对人们的身体健康造成危害。因此，加拿大首先培育出了一种低芥子酸、低芥子油苷的新栽培种Canola［1］。同时，由于能源危机和欧洲油菜油燃烧时低空气污染及其本身的可再生性，越来越多的人把欧洲油菜油当作生物燃料，使它成为了一种很好的绿色能源。总的来说，油脂和蛋白质的含量在欧洲油菜育种过程中是最重要的目标，此外，针对不同病虫害的抗逆性育种同样至关重要。自上世纪90年代，人们为实现这些目标付出了大量心血。例如，基于基因工程花粉控制系统的商业杂交种生产;改良种子中油脂和蛋白质的组分以及其他很多方面的努力［2，3］。

由于欧洲油菜有美丽鲜亮的黄色花朵，因此它也可以作为一种观赏植物。而改变欧洲油菜性状的方法，可以通过基因修饰技术培育出其变种，让这些变种长出更大的花朵，拥有更多更稳定的花瓣，降低植株的高度并长出更多的分枝。当然，实现这一切的主要困难是以基因工程手段选择需要的目的基因并对其DNA进行重组的过程。本文将对这些育种目标实现可能性和育种策略进行讨论。

2.欧洲油菜的生物学背景

关于欧洲油菜的栽培历史可以追溯到公元前1500年，它从北欧直到亚洲中国和韩国都有分布。图1展示了芸薹属植物种间的遗传关系［4］。从图1中可知欧洲油菜源于甘蓝 (B.oleracea)和芜菁 (B.rapa)。欧洲油菜的染色体结合了甘蓝和芜菁的染色体组，因此它是一个双二倍体。

欧洲油菜是异花授粉植物，并且不同变种之间可以进行杂交，所以根据不同的需求其生殖过程可以很容易的被控制。

图1 “Triangle of U”显示芸薹属植物种间基因组关系［4］

众所周知，同线性现象已经在十字花科植物中通过分子技术观察到了，利用拟南芥 (Arabidopsis thaliana)这一模式植物与欧洲油菜间的同线性关系，将拟南芥作为特定基因的来源，很多调控植物生理和形态特征的基因能够被识别和克隆。两个欧洲油菜与拟南芥phenylalanine ammonia-lyase 1基因同源的cDNA被Ni等人［5］成功的克隆、鉴定及表达。

简单来说，提高欧洲油菜观赏特性的育种目标主要以改变花瓣的数量、改变花朵的大小和植株的高度为主。如果育种目标性状是单基因调控的，首先要找到拟南芥中控制这些性状的基因，然后利用基因工程技术 (例如，基因枪法，Ti质粒等)［6，7］将这些基因转移到欧洲油菜基因组上，若转基因成功并且能表达出稳定的性状，那么就可以宣布一个新的栽培种诞生了;如果目标性状由数量性状基因座控制，则可以运用一些特殊的育种方法来获得这些性状。

3.育种策略

欧洲油菜观赏应用方面的育种几乎没有任何报道。针对这个育种方向，研究要以油菜的分子标记和数量性状基因座的分析为基础，需要知道这些性状的基本遗传背景。关于DNA序列结构、遗传图谱、基因标记和基因组数据等方面已有大量的研究成果［2，8］。正如上面所提到的，十字花科植物中已观察到同线性，因此，在欧洲油菜的育种策略中可以利用拟南芥研究中与其相关的成果。

3.1 改变花瓣数量

由于拟南芥和欧洲油菜之间存在同线性，这一点为这两个物种间通过基因修饰进行育种提供了可能性。如经典的拟南芥ABC成花模型所述［9—11］:C族基因 AG(AGAMOUS)单独作用控制心皮的形成，或者和B族基因一起控制雄蕊形成过程。如果AG基因发生突变，那么花朵的生长将出现变异，雄蕊和心皮将被花瓣和花萼取代并进行无限生长，产生“花中花”并无法进行有性生殖。育种中可以把AG基因mRNA通过miRNA和siRNA切断，进而抑制AG基因在欧洲油菜中的表达 (这种方法也可以称作RNA干扰法)。对于AG基因的抑制，也可以通过诱导DNA甲基化影响AG基因的表达。然而DNA甲基化，在自然遗传数代后其效应将消失，因此被抑制的AG基因将再次表达。更好的方法是用RNA干扰法抑制AG基因的表达，但是这种方法将诱导出完全的不育花，针对这个问题可以使用无性繁殖的方法去获得基因修饰的植株［12］。但这个方法在大规模生产中会增加成本。

获得抑制AG基因表达的植株更加可靠的方法是使用双组分系统［7］。第一步，创建携带两个重复的抑制AG基因表达片段 (siRNA和miRNA)的植株 (亲本A)。抑制AG基因表达片段的启动子是不活跃的，因此AG基因仍然可以在亲本A中表达并且可以遗传给下一代。第二步，培育出携带着两个重复的活化子的植株 (亲本B)，这个活化子是亲本A中抑制AG基因表达片段的启动子并且可以在亲本B中持续表达。因为缺失了抑制AG基因表达片段，AG基因仍然可以在亲本B中表达并且植株是可育的。亲本A和亲本B的纯合系一旦建立，就可使其杂交，F1代植株将携带一个重复的抑制AG基因表达片段和一个重复的活化子，抑制AG基因表达片段即可被活化，表现出AG基因缺失性状。

另外，物理或化学方法诱导欧洲油菜基因突变，使其拥有插入或缺失的特定序列，也可导致花瓣数量的变化。但诱导突变在染色体上发生的位置是随机的，这种方法需要大量的植株进行实验，期望得到的是花瓣数量改变的突变体，这将消耗大量的时间和金钱。此外突变的植株可能是不育的，因此还需要用无性繁殖去解决这个问题，这将增加额外的开支。

3.2 改变花瓣大小

花瓣的大小依赖于基因组特征并且具有高度的遗传性，花瓣大小的遗传性高达96.3%［13］。以往的研究表明，控制花瓣大小的基因属于加性基因，如图一所示，在AA背景上每增加一个C，花瓣的长度就增加4—5mm。欧洲油菜基因组便有此结构，因此它是自然界中花瓣最大的芸薹属植物。更详细的解释为B.oleracea var.alboglabra cv.Kairan(C11C11)与 B.rapa var.chinensis cv.Kosaitai(A15A15)杂交得到双二倍体的欧洲油菜 (C11C11A15A15)［4］。若使用多倍体育种技术将亲本的染色体加倍得到四倍体植物并将它们杂交，则可得到更大花瓣的植株。

3.3 改变植株高度

欧洲油菜植株高度是一定的。在自然界中，过高的欧洲油菜不能作为观赏品种，其过长的茎节使其看起来显得瘦长，因此会影响其观赏品质。若其高度被数量性状基因座控制，育种中就可用选择育种法挑选性状矮小的植株。与其他影响观赏品质的性状一样，植株高度的数量性状基因座在染色体中的位置已经绘制出来［14］。了解每一种性状对应数量性状基因座的位置，便可用基因标记法很容易的选择出目的基因［15］。此外，单倍体育种也可以降低植株的高度［16］，但这种方法会与增加花瓣大小这一目标相矛盾，因为单倍体植株所有的性状都会减弱并且其都是不育的。

4.讨论与展望

结合育种目标，改变欧洲油菜观赏性状的育种全过程为:第一步，调节植株高度的同时增加花瓣的大小;第二步，使用分子生物技术增加花瓣的数量;最后，选择出成功基因修饰过的植株作为杂交育种的亲本。在这些阶段的实施过程中，一些目的性状之间可能相互影响甚至相互冲突。例如，单倍体植株不能用作杂交育种的亲本，而单倍体或四倍体植株在降低植株高度和增加花瓣大小上表现出相反的效果。然而，可以通过创造具有单一性状的纯合植株，将其杂交获得目的性状。

在自然界中，植物的进化过程可能会出现一些育种需要的性状。如果能够模仿自然界中的条件并且研究清楚植物进化的机制，那么就可以直接诱导植物朝着育种的目标性状变化。

除了上述目标性状外，花期的长短，开花的长日照和短日照条件和花色等性状在未来的育种目标中也应该考虑到［17］。

在改变欧洲油菜观赏特性的育种过程中存在很多的困难，最主要的困难是无法预测通过基因修饰来增加花瓣数量这一方法是否能成功。另外，正常情况下基因修饰过的性状稳定性也是很低的，这就要求选择育种的系统必须是十分科学严谨的。虽然面对很多的困难，但欧洲油菜与拟南芥十分接近的亲缘关系及大量拟南芥的研究基础提供了欧洲油菜育种过程中的理论依据，并且随着生物技术和育种技术的不断发展，使改变欧洲油菜观赏特性的育种目标变为可能。

［1］Raymer，P.L.Canola：An emerging oilseed crop.Trends in new crops and new uses 122 –126 （2002）.

［2］Friedt，W.＆ Lühs，W.Recent developments and perspectives of industrial rapeseed breeding.Lipid/Fett 100，219–226 （1998）.

［3］Hasan，M.et al.Analysis of Genetic Diversity in the Brassica napus L.Gene Pool Using SSR Markers.Genet Resour Crop Evol 53，793–802 （2006）.

［4］Nagaharu，U.Genome analysis in Brassica with special reference to the experimental formation of B.napus and peculiar mode of fertilization.Jap J Bot 7，389–452（1935）.

［5］Ni，Y.，Jiang，H.-L.，Lei，B.，Li，J.-N.＆ Chai，Y.-R.Molecular cloning，characterization and expression of two rapeseed （Brassica napus L.）cDNAs orthologous to Arabidopsis thaliana phenylalanine ammonia-lyase 1.Euphytica 159，1–16 （2008）.

［6］Acquaah，G.Principles of Plant Genetics and Breeding.（John Wiley ＆ Sons，2009）.

［7］Carlsson，J.，Leino，M.，Sohlberg，J.，Sundström，J.F.＆ Glimelius，K.Mitochondrial regulation of flower development.Mitochondrion 8，74–86 （2008）.

［8］Wenzel，G.Molecular plant breeding：achievements in green biotechnology and future perspectives.Appl Microbiol Biotechnol 70，642—650 （2006）.

［9］Theiβen，G. ＆ Saedler，H. Plant biology：Floral quartets. Nature 409，469—471（2001）.

［10］Leyser，O.＆ Day，S.Mechanisms in Plant Development.（John Wiley ＆ Sons，2009）.

［11］Krizek，B.A.＆ Fletcher，J.C.Molecular mechanisms of flower development：an armchair guide.Nat Rev Genet 6，688—698 （2005）.

［12］Luo，P.，Lan，Z.，Deng，J.＆ Wang，Z.Application of in vitro organ culture in widecross breeding of rapeseed.Euphytica 114，217—221 （2000）.

［13］Lu，C.M.，Zhang，B.，Liu，L.＆ Kato，M.Genetic analysis of petal size through genomic manipulation in Brassica.Plant Breeding 123，495—496 （2004）.

［14］Chen，W.et al.Detection of QTL for six yield-related traits in oilseed rape（Brassica napus）using DH and immortalized F2 populations.Theor Appl Genet 115，849—858 （2007）.

［15］Fargue，A.，Colbach，N.＆ Meynard，J.-M.Introduction of genotypic effects into Gene-Sys-Rape：the example of height and male sterility.Agriculture，Ecosystems ＆ Environment 108，318—328 （2005）.

［16］Tuvesson，S.et al.Molecular markers and doubled haploids in European plant breeding programmes.Euphytica 158，305—312 （2007）.

［17］Cai，C.C.，Tu，J.X.，Fu，T.D.＆ Chen，B.Y.The genetic basis of flowering time and photoperiod sensitivity in rapeseed Brassica napus L.Russ J Genet 44，326—333 （2008）.