番茄品质育种研究进展

番茄品质育种研究进展

番茄是世界上广泛种植的蔬菜品种之一。随着人们生活水平和生活质量的提高,番茄品质受到越来越多的关注。如何提高番茄营养成分含量、提升番茄品质,如何应用常规技术、分子聚合育种或转基因技术获得高品质优良番茄品种已成为番茄品质育种的主要研究方向。本文综述了番茄品质相关评价、遗传分析和育种的研究进展。1对番茄品质的遗传研究1.1外观质量1.1.1配方结构对番茄类胡萝卜素合成的调控番茄果实颜色主要由果皮颜色和果肉颜色决定,果皮颜色分为黄色和透明,黄色果皮基因为Y、透明果皮基因为y,二者为等位基因,Y对y显性。果肉颜色分为红色、黄色和橙色,红色果肉基因为R、黄色果肉基因为r、橙色果肉基因为t、非橙色果肉基因为T,果肉颜色有2对等位基因Rr和Tt控制,橙黄色果肉基因Rr对红色果肉基因R基因起隐性上位作用。这3对等位基因的不同组合使成熟果实表现出不同的颜色:红色果肉与黄色果皮组合果实表现为红色;红色果肉与透明果皮组合果实表现为粉红色;黄皮黄色果肉组合形成深黄色果实;黄皮橙黄色果肉组合形成深橙黄色果实。番茄果实颜色除受、r、t基因控制外,还受其他B、og、hp、dg(hpdg)、Del、MOB等9个基因位点影响(Kallo,1991;Gil&Lea,2000;孟凡娟和王富,2001),它们分别参与调控类胡萝卜素的合成途径,影响果实内部类胡萝卜素含量,进而影响果实颜色。其中,B基因编码番茄红素β-环化酶,在Beta突变体中表达量转录水平剧烈增加,能够增加果实β-胡萝卜素含量;og(oldgold)基因能够中止β-胡萝卜素合成而增加番茄红素含量,og突变还存在一个隐性突变ogc;B基因为显性基因,与og和ogc基因是1对等位基因,定位于第6条染色体,果实为深红色。hp基因增加番茄果实类胡萝卜素含量,包括hp-1基因、hp-2基因和hp-3基因;hp-1基因与hp-1w基因等位,位于第2条染色体;hp-2基因与hp-2j基因等位,dg突变体中的hpdg基因也是hp-2基因的等位基因,位于第1条染色体;hp-3基因有2个等位基因hp3-1和hp3-2。Del基因表达导致α-胡萝卜素的积累,使果实由正常的红色变为橙黄色。[g1]1.1.2加工番茄的整株树木体的特征番茄果实质量(单果质量)因品种、栽培方式、技术等不同而有所不同。杨荣昌和徐鹤林(1992)认为,平均单果质量的遗传模型符合加性-显性-上位性。李景富等(1981)认为,平均单果质量以特殊配合力为主,占60.1%,而一般配合力占39.9%。王雷等(1998)认为,加工番茄的单果质量等性状的一般配合力方差分量大于特殊配合力方差分量,可以稳定遗传,广义遗传力为36.13%,狭义遗传力为32.67%。保护地番茄品种单果质量的广义遗传力为34.55%(郑建超等,2000),而樱桃番茄单果质量的狭义遗传力为25.47%(孙保娟,2002)。[g2]Bernacchi等(1998)在野生番茄中发现存在对番茄果实总质量增效的等位基因,这对其产量的遗传改良有重要意义。1.1.3数量遗传检测番茄果形是典型的数量性状,可用纵横径比和最大、最小横径比来表示,且品种间有很大差异。王雷等(1998)认为加工番茄果形的遗传无论纵径、横径还是果形指数,均有较高的遗传力,其中中长果形占有遗传优势(孙保娟,2002),且其果形指数与果实纵径呈极显著正相关,可溶性固形物含量与果肉厚密切相关(r=0.8598)(王雷等,1998)。[g3]李悦等(2007)以多心室番茄自交系和少心室番茄自交系为试材进行正交、反交及回交,应用数量遗传学方法分析得出,番茄心室数与果形指数的相关性最小。成颖等(2008)以樱桃番茄圆形自交系W403(P1)和梨形自交系W405(P2)为双亲,构建P1,F1,P2,B1,B2和F26个家系世代群体,应用植物数量性状主基因+多基因混合遗传模型和经典遗传学方法对6个世代群体果形指数进行多世代联合分析,结果显示:W403×W405果形遗传符合2对完全显性主基因+加性-显性多基因模型,其F2表现出较高的主基因遗传率。1.2优雅的质量和营养的质量影响番茄口感的风味品质主要包括可溶性固形物、可溶性糖、可滴定有机酸、挥发性物质等。1.2.1可溶性固形物在番茄的可溶性固形物遗传研究方面,用Ox-heart×P.I.407544研究推断,控制总可溶性固形物含量的基因对数为3对,广义遗传力为59.1%。用70个RFLP标记测定有4个基因与可溶性固形物含量有关。研究表明,番茄可溶性固形物含量、还原糖和VC与单果质量相关,可溶性固形物含量与色素有关,认为可溶性固形物含量对普通种番茄红素含量的影响要比对野生种的小(田春雨和刘野,2009)。刘静和冯辉(2005)认为可溶性固形物属核遗传,受胞质影响不大,番茄果实可溶性固形物含量以加性效应为主。而加工番茄可溶性固形物的特殊配合力方差大于一般配合力方差,遗传主要受非加性效应控制,不能稳定遗传(王雷等,1998)。樱桃番茄可溶性固形物含量遗传不符合加性-显性模型,在杂种优势上表现出一定的正向杂交优势,超中优势值为25%,超亲优势值为2.6%(孙保娟,2002)。Stevens(1995)在不同生长类型的番茄上研究发现通常无限生长类型番茄可溶性固形物含量较有限生长类型高,小果类型较大果类型高。此外,可溶性固形物含量与果形指数呈正相关(Kurian&Peter,1997),与果肉厚度呈负相关(胡全德,1985)。1.2.2最佳配方的确定番茄果实中的可溶性糖主要是单糖,即葡萄糖和果糖,而缺少蔗糖。汪炳良和陈竹君(1995)认为,基因型和采收期明显影响番茄果实内还原糖的含量。杨永政等(2007)以5个樱桃番茄自交系为材料,按Griffing完全双列杂交第一种设计方法,对其7个品质性状的配合力和遗传力进行了研究,结果表明可溶性总糖、可滴定酸度等性状主要受基因的加性效应控制。而樱桃番茄还原糖含量遗传不符合加性-显性模型,可能是不存在显性效应,也可能是上位性效应的干扰(孙保娟,2002)。番茄果实的酸度主要为数量遗传,但李景富等(1981)认为,番茄的含酸量主要受加性效应控制,但也有非加性效应,其广义遗传力为60%,狭义遗传力为36%。1.2.3蛋白质的提取在番茄中已报道了超过400种的挥发性物质(Butteryetal.,1989,1993),且挥发性物质对风味的影响不是简单的量的关系(Butteryetal.,1971)。番茄中的挥发性物质主要有:β-紫罗酮、3顺-己烯醛、己醛、β-大马酮等(Baldwinetal.,2000)。Buttery(1993)的研究表明,顺-3-己烯醛、顺-3-己烯醇、1-戊烯-3-酮、3-甲基丁醇、反-2-己烯醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮、2-异丁基硫咪唑、甲基水杨酸、紫罗兰酮这9种物质在适当的浓度下混合,就可以获得新鲜成熟番茄的芳香味道。Stevens(1995)对6个番茄品种的研究表明,不同基因型所含某些挥发性物质的浓度不同,而在质上没有差异。但在衡量某一挥发性组分的作用时,既要考虑其实际含量浓度,又要考虑该物质的阈值浓度,即该物质能够被嗅觉感知的最低浓度(刘春香等,2003)。1.2.4生物酶基因检测营养品质对于番茄生产同样至关重要,评价的指标主要有VC及番茄红素含量。Abani等(1985)指出,果实VC含量的遗传力较高。目前的研究表明,VC的一般配合力和特殊配合力方差均达到显著水平(余诞年等,1997)。而在樱桃番茄果实中,其遗传力却很低(孙保娟,2002),这与陈庆生和赵有为(1990)在普通番茄上的研究结果基本一致。此外,番茄红素含量至少受到17对基因的控制或影响,基因R能提高番茄红素含量,r则降低番茄红素的含量;基因T产生番茄红素及β-胡萝卜素;基因Beta(B)可以增加β-胡萝卜素含量,从而影响番茄红素/胡萝卜素的比率,B基因的作用受MOB基因所修饰,基因型为BBMOBMOB的果实β-胡萝卜素含量最高(余诞年等,1997)。番茄红素是植物体内重要的次生代谢物,通过植物类异戊二烯途径合成(Chappell,1995;刘涤和胡之壁,1998)。其生物合成前体是异戊烯焦磷酸(IPP),是由乙酰辅酶A衍生而来的,与其异构体二甲基丙烯基二磷酸(DMP)缩合产生牻牛儿焦磷酸(GPP),在GPP合成酶作用下,继续与IPP缩合,产生牻牛儿牻牛儿焦磷酸(GGPP),2个GGPP缩合为预八氢番茄红素焦磷酸(PPPP),再进一步转变为八氢番茄红素,在脱氢酶作用下,依次脱氢生成六氢番茄红素、链孢红素,最后脱氢生成番茄红素(王业勤和李勤生,1997)。Wann(1997)指出,深绿色(dg)突变体的成熟果实,其番茄红素含量比普通类型高100%,β-胡萝卜素平均含量比高色素系约高50%,比普通类型高250%。研究发现,阻断乙烯信号传导系统能够抑制果实番茄红素合成(杨虎清等,2003),而用乙烯处理番茄能够提高八氢番茄红素合成酶基因(PSY)的表达水平,从而促进番茄红素的合成(Hoeberichtsetal.,2002)。[g4]王华新等(2004)以番茄制酱专用品种为研究对象,对番茄果实可溶性固形物、pH值、相对粘度值、番茄红素等4个品质指标进行数值测定,只有pH值与番茄红素之间具有极显著的正相关性,其余指标之间相关性不显著。1.3果实硬度与果实耐贮性、耐贮稳定性的关系番茄的商品品质是指果实一级品质、二级品质等外观品质所占比率的高低,一般根据番茄果实外观,按不同用途及要求进行分级。且番茄果实的品质因品种、成熟度、栽培季节、栽培地区、栽培方式及栽培技术等不同而有一定的差异。果实变软不利于贮藏,正常成熟品种的果实硬度随着果实的成熟逐渐下降,到红熟时硬度迅速下降,果实很快变软;而成熟突变体材料在发育过程中,果实硬度较高,变化较小(陆春贵,1992)。同时,Hall(1987)研究了品种和成熟度与果实组织硬度间的关系。胡胜武(1992)认为果实耐贮性同解剖结构关系密切,因此对其进行了研究,发现果实角质层厚度及果皮表面3层细胞的厚度可以作为耐贮性的预测指标。而果实硬度与耐贮性密切相关,硬度影响番茄是否易受机械损伤,因而影响其贮运性。此外,Wang等(1995)对果实硬度的遗传特性、配合力、杂种优势以及性状之间的相关性进行了研究。果实硬度与不溶性果胶呈极显著正相关,与可溶性果胶呈极显著负相关。不溶性果胶含量越高,果实越硬,则货架寿命越长,因此不溶性果胶含量是影响果实硬度进而影响货架寿命的最直接内因(薛玉梅等,2006)。2通过番茄品质教育品种的发展2.1分子标记法筛选番茄目前,番茄品质性状的遗传已经从外部品质和生理生化品质指标的研究逐步向分子水平深入和发展(王华新,2002),邢永忠和徐才国(2001)用多次回交的方法将L.cheesmanii的高可溶性固形物含量基因导入普通番茄中,得到了2个可溶性固形物含量较高的材料89113-3和89111-2。Paterson和Lander(1988)、Azanza和Young(1994)利用RFLP标记筛选到一些与可溶性固形物含量相关的QTL位点,并发现其主效位点位于番茄第7条染色体上。Chetelat等(1995)同样利用分子标记辅助选择将一种酸性蔗糖酶缺失基因(sucr)导入普通番茄中,明显地提高了果实的可溶性固形物含量、可滴定酸度和番茄酱的产出率。Georgelis等(2004)以小果型番茄PI270248(糖含量高)为母本,大果型番茄7833-1-1-1(糖含量低)为父本进行杂交,发现了6个与糖含量高连锁的RAPD标记。除了对可溶性固形物含量的研究之外,在高色素基因方面主要是刘仲齐等(1989)以番茄高色素基因hp1和hp2的突变位点为目标进行分子标记,成功地筛选出了对hp1和hp2分别具有高度特异性的2对引物,并以这2对引物所产生的分子标记为依据,合成了含有hp1和hp2的双突变体。2.2基因培养和番茄品质2.2.1可溶性固形物变化番茄是最早作为基因转化研究的高等植物之一,其基因转化技术主要采用根癌农杆菌介导法。1994年FlawSaw延熟番茄成为全球首例批准上市的转基因作物。目前,转基因番茄主要研究方向,一方面集中在研发抗病毒、抗真菌及细菌、抗虫、抗除草剂、抗盐碱、抗冷、延熟等改良番茄新品系;另一方面,已在番茄中成功表达了手足口病病毒EV71的病毒衣壳蛋白VPI等(顾晓敏等,2009)。Weaver等(1996)利用体细胞克隆变异和反抑制技术获得了300多个总可溶性固形物含量在7%~15%的新突变体。Bernacchi等(1998)用高世代回交群体QTL分析法(AdvancedbackcrossQTLanalysis)同时对番茄的7个数量性状进行了分析与改良,并且成功地将多毛番茄和醋栗番茄的有益基因导入普通番茄中,得到了一批可溶性固形物含量较对照高6%~22%的材料。Wann(1997)将结合的hpogc和dgogc两基因通过杂交和回交分别转育到4个不同番茄品系中,用于杂交育种提高果实中番茄红素含量。Roemer等(2000)将细菌的八氢番茄红素脱饱和酶基因转入番茄,使番茄红素和β-胡萝卜素的含量提高了3倍。说明其不仅能够促进番茄红素的合成,还能促进β-胡萝卜素的合成。LeGall等(2003)将玉米的转录因子LC和C1联合转入番茄,使番茄的类黄酮含量提高了10倍。将拟南芥的Lycb和辣椒的Bch基因转入番茄中,转基因番茄果实中番茄红素含量减少50%;由于同时转入Bch基因,玉米黄质和β-隐黄质含量增加100多倍。2.2.2线性转化剂对fla民变性番茄的影响我国第一个商品化生产的农业转基因工程产品是1996年被批准的耐贮番茄——华番1号,用乙烯形成酶(EFE)反义基因转化番茄,其果实成熟后可在13~30℃贮藏45d(叶志彪等,1999)。Smith等(1988)首先将控制多聚半乳糖醛酸酶(PG)活性的反义基因导入到番茄中,获得PG被强烈抑制的转基因植株。1994年,美国Calgene公司开发的延熟番茄FLAVR-SAVRTM被首次批准进行商业化生产(Theologisetal.,1993)。Klann等(1996)将酸性转化酶的反义cDNA转入番茄,获得了蔗糖含量高的转基因番茄。这种酸性转化酶主要是催化蔗糖分解成葡萄糖和果糖,从而在蔗糖代谢中起重要作用。吴峰华等(2009)采用反义基因技术对PHYA(反义光敏色素)实施“基因封闭”,获得了仅有一个基因差异的反义转基因番茄材料。研究发现PHYA被封闭以后果实成熟表现为PHYA的表达水平降低;番茄红素的合成受到显著抑制,果皮没有表现出正常的红色;果实成熟过程中乙烯正常合成。Carrari和Fernie(2006)用反义技术抑制TBG3的表达,使细胞壁中的半乳糖含量和可溶性固形物含量的比例提高,番茄酱的粘性略有增加。Liu等(2004)利用RNAi技术,对光信号传导基因LeHY5和LeCOPILIKE进行调控,以大幅度改变番茄果实的色素积累和营养品质。3关于研究3.1品质性状的遗传特性品质性状是一种由多因素构成的复合性状,它因作物种类不同、利用方式不同而有差异;同时也受到社会生产水平、消费水平和消费习惯等的影响。品质性状包括两方面:一是客观部分,即产品本身的属性;二是主观部分,即消费者对产品品质的主观要求。即使对于同一个作物,用途不同,各品质性状在品质构成中的重要性也不同。番茄各种品质性状的形成与气候、土壤肥料、栽培方式等多种因素有关,但起主要作用的是遗传因素。多数品质性状属于微效多基因控制的数量性状,遗传机制复杂,易受环境因素影响。近年来的研究表明:控制数量性状的基因在效应上存在较大差异,有的甚至出现主基因特性(吴峰华等,2009),这使得品质性状的遗传更趋复杂,而且对品质性状的改良比对农艺性状和抗病性等的改良更为困难(金益等,2003)。因此,研究品质性状的遗传规律,是优质育种的前提,同时也为育种过程中确定合理的选择方案提供理论依据。基因工程在番茄品质育种上的应用,总体上看,转化成功的种类尚少,而且由于存在基因沉默现象,转基因表达水平不高,尤其在F1和F2植株上表达量不高甚至差异很大。另一个问题是一些转化基因的组成型表达导致植物生长发育受到一定程度的影响(宋宁宁等,2009)。3.2未来的番茄