苹果分子育种研究进展

李红光 刘俊灵 勾真真 韩立新 瞿振芳 郝贝贝

摘 要：苹果是一种具有重要经济意义的水果，世界各地的育种家都在不断地培育新品种。但苹果漫长的童期很大程度限制了苹果育种的进程。近年来，各种分子生物技术的发展被应用在苹果育种上，有力地加快了苹果育种进程。该研究结合以往研究进展，阐述了转基因技术在苹果育种中的作用，以期为现代苹果育种提供理论参考。

关键词：苹果;转基因技术;DNA标记;育种

文章编号：2096-8108（2021）01-0070-03 中圖分类号：S661.1 文献标识码：A

Abstract：Apple is a fruit of great economic significance， breeders around the world are constantly cultivating new varieties. However， apples juvenile phase greatly limited the process of apple breeding. In recent years， the development of various molecular biology techniques has been applied to apple breeding， which has greatly accelerated the process of apple breeding. Based on the previous research progress， the role of transgenic technology in apple breeding was expounded， in order to provide theoretical reference for modern apple breeding.

Keywords：apple;transgenic technology;DNA Marker;breeding

水果富含纤维、抗氧化剂和植物化学物质，有利于人类健康。苹果是世界上最受欢迎的水果之一。由于世界各地育种者的不断努力，选育了许多新的苹果品种，其果实品质和生长习性都得到了明显改善。选育苹果新品种具有挑战性。传统苹果育种的主要方法是通过从数千株杂交幼苗中选择优良个体。而果树的童期很长，且占地面积较大，需要很长时间来评估，成本投入较大，这些因素都限制了苹果育种工作。

生物技术育种的迅速发展缩短了果树育种所需的时间，这种技术目前正在应用于苹果。苹果基因组的破译不仅对这一物种的进化提供了深入的了解，而且还为阐明果实质量、抗病性和生长习性的遗传基础提供了重要信息。标记辅助选择的发展也加快应用在育种中。分子标记的发展也促进了QTL分析构建详细的连锁图，揭示与各种苹果性状相关的染色体区域。

因此，该研究通过总结国外苹果分子育种的研究近况，为苹果育种提供更新的研究思路，并为相关研究提供参考依据。

1 已上市的转基因园艺作物

自1994年第1个基因改良作物（风味番茄）商业化以来，已经过去了20年）。过去几年，全球转基因作物的种植规模稳步增长，目前，大约有25个国家正在种植15种以上的转基因作物。现在，普遍的科学共识是转基因作物的粮食构成对人类健康的风险并不比使用常规技术培育作物更大。最近，世界上第1个转基因苹果（在被切割或擦伤时不会变成棕色）被美国农业部批准入市。然而，包括日本在内的几个国家尚未引进转基因作物，主要是因为公众对转基因作物的安全性持怀疑态度。

2 转基因技术在砧木改良中的应用

在苹果的早期转基因研究中，利用从农杆菌中分离出的ROL基因来提高M26和M9矮化砧木的生根能力。这些砧木是自然繁殖的，但生根能力不强。为了提高其生根能力，利用根状茎基因进行了转基因技术的应用，该基因不仅促进了生根性，而且具有矮化特性。因此，它们也被用于诱导野生型矮化砧木[1]。在日本，研究人员将ROLC基因整合到日本独有的砧木中，发现提高了生根能力，但没有矮化特性。

3 转基因技术在提高果实品质中的应用

目前，研究者主要通过转基因技术改善苹果果实的贮藏质量和延长贮藏时间。在日本，研究报告表明，在贮藏过程中始终保持硬肉的品种可以表现出非常微弱的内聚半乳糖醛酸酶的表达。结果表明，成熟过程中的软化可能取决于MDPG1的表达模式。事实上，在不同季节收获的MDPG1抑制的“皇家嘎拉”苹果比成熟后的对照苹果的硬度更大[2]。

由于多酚氧化酶产生的酚类聚合物使苹果果肉在切片后变成棕色。虽然褐变是一种自然现象，但它通常是消费者不喜欢的特征。加拿大的一家公司通过使用RNAi方法抑制4个MdPPO基因，对澳洲青苹进行了基因修饰，大大降低了果肉的褐变程度。

4 转基因技术在提高果树抗病性中的应用

在国外，危害苹果生产的最严重病害是黑星病和火疫病。在过去的几十年里，培育的苹果新品种以提高对这两种病害的抗性。半个多世纪来，起源于野生种的黑星病抗性基因通过杂交育种被整合到多种苹果新品种中。然而，创造出既具有抗性基因又具有良好商品性的品种，并不容易。为了提高苹果的抗黑星病能力，在苹果中引入了一种几丁质分解酶基因，表达这些基因的转基因株系比未转化的对照组具有更强的抗性。

作为抗火疫病的候选基因，来自北美蚕蛾的AttacinE基因一直是已使用。AttacinE对许多重要的植物病原菌具有较强的裂解活性，该基因转化的苹果树对火疫病具有抗性。再结合Lc基因的苹果对黑星病病和火疫病都有抗性。

5 转基因技术促进早花

实生苹果树的童期长达5～12年或更长时间，期间幼苗不能被诱导开花。这限制了遗传分析和延长了杂交育种时间。而通过与野生苹果杂交获得的幼苗则需要更长的时间。在过去的15年中，对模式植物拟南芥的研究已经确定了几个与开花相关的基因。日本已鉴定出拟南芥TFL1和FT基因的苹果同系物，并上调了MDFT苹果中的基因导致早熟开花。另一方面，研究者通过表达白桦的BPMADS4基因，成功地打破了童期，使转基因苹果在温室种植后3～4个月开花[3]。

6 常用的转基因技术

1）病毒载体是分子生物学家常用的将遗传物质传递到细胞中的工具。这是最有效的基因转移手段，因为易于感染，并且通过病毒分子在细胞中的自发繁殖，基因表达程度高。此外，其不需要组织培养。苹果潜伏球形病毒（ALSV）是一种理想的病毒，因为它不产生疾病症状，通过种子发生的垂直传播几率极低此外，由于ALSV仅仅通过花粉的传播而不发生在果园的苹果树中。2）利用辐照或化学物质诱导的突变进行育种的策略在果实新品种的选育中发挥了重要作用。然而，它们的效率很低，突变的位点是随机的，不可控的。最近的生物技术允许直接操纵目标基因序列，从而诱变所需的表现型。基因组编辑是一种基因工程技术，其中DNA被插入、替换或从基因组中移除，使用人工工程核酸酶，法律法规预计将比转基因植物要求更严格。

7 展望

随着分子生物学、基因组学和生物信息学的发展，新的育种技术正在迅速发展。传统的苹果育种包括杂交育种仍然可以选育出优良品种。但是，育种效率较低。为了改良现有品种品质，可以应用新的转基因技术来有针对性地改良基因。此外，将目的基因通过基因编辑导入育种受体正成为一种新的育种技術。这些新技术无疑将促进苹果育种，并产生新的高品质苹果品种。

参考文献

[1]Zhu H A，Holefors A， Ahlman Z T， et al. Transformation of the apple rootstock M.9/29 with the rolB gene and its influence on rooting and growth[J].Plant Sci，2001，160：433-439.

[2]Hallett D， Mitra D A， Brummell et al. Down-regulation of POLYGALACTURONASE1 alters firmness， tensile strength and water loss in apple （Malus ×domestica） fruit[M]. BMC Plant Biol， 2012，

[3]Flachowsky H， Peil A， Sopanen T， et al. Overexpression of BpMADS4 from silver birch （Betula pendula Roth.） induces early-flowering in apple （Malus × domestica Borkh.）[J]. Plant Breeding， 2007，126（2）：137-145.