薏苡種質(zhì)資源及其遺傳特性研究進(jìn)展

, (.貴州省種子管理站， 貴陽 55000；.貴州黔西南喀斯特區(qū)域發(fā)展研究院， 貴州 興義 56400)

薏苡種質(zhì)資源及其遺傳特性研究進(jìn)展

林波1,李祥棟2
(1.貴州省種子管理站， 貴陽 550001；2.貴州黔西南喀斯特區(qū)域發(fā)展研究院， 貴州 興義 562400)

總結(jié)了薏苡在種質(zhì)資源收集、分類及分子標(biāo)記的應(yīng)用現(xiàn)狀，綜述了薏苡在細(xì)胞遺傳學(xué)、遠(yuǎn)緣雜交、遺傳改良和基因發(fā)掘鑒定等方面的研究進(jìn)展，并對薏苡在種質(zhì)資源和遺傳特性方面的研究方向進(jìn)行了展望。

種質(zhì)資源; 遺傳學(xué); 薏苡

薏苡屬于禾本科(Gramineae)薏苡屬(Coix.L.)一年生或多年生草本植物，別名有薏米、藥玉米、薏珠子、晚念珠、草珠珠、五谷子、六谷子、回回米、催生子等30余個，其根、莖和果仁均可入藥。薏苡仁味甘、淡、微寒, 入脾、胃、肺經(jīng)。具有健脾利濕、除痹止瀉、清熱排膿、健胃解痙等功效，中醫(yī)用于治療水腫、小便不利、脾虛泄瀉、肺癰、腸癰、扁平疣。研究表明，薏苡含脂肪酸(棕櫚酸、硬脂酸、亞油酸、油酸)、脂類、甾醇、三萜類、多糖類、氨基酸、維生素及多種礦物質(zhì)，具有抗腫瘤、降血糖、抑制腫瘤血管生成及提高免疫力等多種藥理作用[1-2]。作為藥食兼用植物，由于其極高的藥用和營養(yǎng)價值，具有“禾本植物之王”、“藥中明珠”之稱。近年來，隨著崇尚健康、回歸自然的健康生活理念的普及和提升，薏苡的保健功能及其開發(fā)利用也被逐步提上日程。本文從薏苡種質(zhì)資源收集、分類的研究出發(fā)，綜述了薏苡在遠(yuǎn)緣雜交、細(xì)胞遺傳學(xué)遺傳改良方面的研究進(jìn)展，以期為深入挖掘薏苡的優(yōu)異資源及其開發(fā)利用提供參考。

表1 薏苡屬分類

分類情況 種及變種名稱 參考文獻(xiàn)1種1變種川谷Coixagrestis《中華本草》[7]薏苡C．lacryma?jobivar．frumentacea《中國農(nóng)業(yè)百科全書》[8] 《種子植物屬種檢索表》[9]3種4變種薏苡C．lacryma?jobi薏苡C．lacryma?jobivar．lacryma?jobi菩提子C．lacryma?jobivar．monilifer薏米C．lacryma?jobivar．mayuen臺灣薏苡C．lacryma?jobiL．var．formosana小果薏苡C．puellarum長果薏苡C．stenocarpa莊體德等[10]4種8變種薏苡C．lacryma?jobi薏苡C．lacryma?jobivar．lacryma?jobi珍珠薏苡C．lacryma?jobivar．perlarium大果薏苡C．lacryma?jobivar．inflatum菩提子C．lacryma?jobivar．monilifer球果薏苡C．lacryma?jobivar．strobilaceum扁果薏苡C．lacryma?jobivar．compressum薏米C．lacryma?jobivar．mayuen臺灣薏苡C．lacryma?jobiL．var．formosana小果薏苡C．puellarum長果薏苡C．stenocarpa水生薏苡C．a(chǎn)quaticaRoxb陸平等[11?12]5種4變種水生薏苡C．a(chǎn)quaticaRoxb．小珠薏苡C．puellarumBalansa薏米C．chinensisTod．薏米C．chinensisvar．chinesisTod．臺灣薏苡C．chinensisvar．formosana(Ohwi)L．Liu薏苡C．lacryma?jobiL．薏苡C．lacryma?jobivar．Lacryma?jobi念珠薏苡C．lacryma?jobivar．maximaMakino窄果薏苡C．stenocarpaBalansa《中國植物志》[13]

1 薏苡種質(zhì)資源研究概述

1.1 薏苡屬種質(zhì)資源搜集及分類學(xué)研究進(jìn)展

薏苡作為古老的禾谷類作物之一，主要分布于印度、中國、日本、韓國及東南亞地區(qū)。Hore和Rathi[3]分析了54份印度的薏苡種質(zhì)資源，通過總苞的性狀、大小、顏色及質(zhì)地可以區(qū)分4個類群，并認(rèn)為印度東北部是薏苡的一個主要多樣性中心。在我國，薏苡屬種質(zhì)資源也具有豐富的變異類型。梁云濤等[4-5]于2004—2006年考察和收集了南寧、玉林、白色等廣西部分地區(qū)薏苡種質(zhì)資源117份(包括栽培和野生資源)，并通過試驗(yàn)地保存和鑒定了其多樣性，并育成3個品種；此外，他也比較分析了來自日本、韓國和中國廣西的77份薏苡種質(zhì)資源的薏苡多樣性，結(jié)果顯示，3個國家的薏苡種質(zhì)在株高、葉面積、有效分蘗、主莖直徑等形態(tài)特征和生育期存在明顯差異。黃亨履等[6]鑒定了我國17個省、市、區(qū)的102份薏苡資源，將我國的薏苡種質(zhì)資源劃分為3個生態(tài)型，即南方晚熟生態(tài)型、長江中下游中熟生態(tài)型和北方早熟生態(tài)型。目前，學(xué)術(shù)界對于我國薏苡屬的分類尚未統(tǒng)一，有人將薏苡屬分為“1種1變種”[7-9]，即薏苡和川谷變種；莊體德等[10]通過廣泛收集我國薏苡屬種質(zhì)資源并進(jìn)行田間栽培、雜交試驗(yàn)和細(xì)胞學(xué)觀察，討論了薏苡屬植物的遺傳多樣性、地理分布及種類劃分，把我國的薏苡屬植物劃分為“3種4變種”，并根據(jù)這些種類的染色體核型演化散點(diǎn)圖結(jié)合總苞性狀，探討了該屬可能的系統(tǒng)演化關(guān)系。陸平等[11,12]收集了分布于廣西的139份薏苡種質(zhì)，首次發(fā)現(xiàn)了薏苡屬中最原始的水生薏苡種，并提出廣西薏苡的“4個種8個變種”之說；《中國植物志》采用了“5種4變種”[13]的分類系統(tǒng)，故而“5種4變種”的分類方法較之其他方法更為常用；具體分類情況見表1。

1.2 DNA分子標(biāo)記技術(shù)在薏苡遺傳多樣性研究中的應(yīng)用

DNA標(biāo)記具有位點(diǎn)多、特異性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、遺傳信息量大和實(shí)驗(yàn)重復(fù)性強(qiáng)等特性，并且不受生物年齡、發(fā)育階段等條件的影響，自問世以來備受遺傳學(xué)家和育種學(xué)家的青睞，在作物基因定位、品種鑒定、資源評價、分子輔助育種等方面應(yīng)用廣泛。有人[14]采用31個RAPD引物對21個薏苡種質(zhì)的遺傳多樣性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，所有種質(zhì)資源的遺傳相似指數(shù)在0.809～0.301之間，并被劃分為2個類群。Qin等[15]采用131個分離群體為實(shí)驗(yàn)材料，以80個AFLP標(biāo)記和10個RFLP標(biāo)記構(gòu)建了薏苡的連鎖圖譜，該圖譜包含了10個連鎖群，總覆蓋長度為1 339.5 cm，平均間距14.88 cm，這也為重要基因的定位和鑒定打下了基礎(chǔ)。SSR標(biāo)記(simple sequence repeats)也稱簡單重復(fù)序列或微衛(wèi)星，具有多態(tài)性高、呈孟德爾共顯性遺傳、分布廣泛等特點(diǎn)，被認(rèn)為是比較理想的分子標(biāo)記[16]。Kyung-Ho等[17]采用改進(jìn)的生物素-鏈霉素親和捕獲的方法開發(fā)了17對SSR引物，并以此分析了30個韓國薏苡種質(zhì)的多樣性，其多態(tài)等位基因數(shù)在1～5個之間，平均2.8個等位基因，期望雜合度和多態(tài)性信息量在0～0.676和0～0.666之間；而Ma等[18]也利用上述開發(fā)的17對引物分析了來自中國和韓國的79個薏苡種質(zhì)資源，聚類分析發(fā)現(xiàn)，大部分中國薏苡聚為一類，而所有的韓國薏苡有的聚為一類，這也說明中國薏苡和韓國薏苡有著比較遠(yuǎn)的親緣關(guān)系。郭銀萍等[19]從85對玉米SSR引物和72對水稻SSR引物中篩選出通用性較好的11對，并以此研究了22份薏苡種質(zhì)的遺傳多樣性，11對擴(kuò)增帶型穩(wěn)定的SSR 引物從供試材料中檢測出105個等位基因變異，每對引物檢測等位基因4～20個，平均9.55個，PIC介于0.304 8～0. 923 8之間，平均多態(tài)性信息量為0.825 5， 利用UPGMA聚類分系法將供試自交系劃分為4類且該劃分結(jié)果與根據(jù)地理來源、種質(zhì)系譜的分類結(jié)果基本一致。江忠東等[20]以薏苡(原變種)、念珠薏苡(變種)、薏米、水生薏苡、小珠薏苡等42 份薏苡屬植物為材料，篩選出了5對與落粒性基因相關(guān)的STS引物對薏苡屬植物DNA多樣性進(jìn)行分析，根據(jù)DNA多態(tài)性特征討論了薏苡屬植物的遺傳進(jìn)化關(guān)系，并構(gòu)建了42 份薏苡屬植物的STS 指紋圖譜和系統(tǒng)進(jìn)化樹。

2 薏苡遺傳學(xué)特性及其遺傳改良研究進(jìn)展

2.1 薏苡的細(xì)胞遺傳學(xué)研究

迄今為止，國內(nèi)外在薏苡遠(yuǎn)緣雜交和細(xì)胞遺傳方面的研究相對較多。薏苡的細(xì)胞遺傳學(xué)研究起始于擁有不同染色體數(shù)目類群的發(fā)現(xiàn)，Myers,Tugue Tateoka和Christopher等分別報(bào)道了薏苡的染色體數(shù)2 n=20；Mangelsdorf 和Reeves和Nairodi分別報(bào)道n=10的薏苡類型；Darington等報(bào)道了川谷的染色體數(shù)目為2 n=20[21]。Christopher等[22]則從C.aquatica(2 n=20)中發(fā)現(xiàn)2 n=40類型，Han等[23]采用熒光原位雜交和基因組原位雜交的手段，鑒定了一個來自廣西的新的六倍體細(xì)胞類型的水生薏苡(C.AquaticaHG)；Cai等[24]通過重復(fù)序列和核型分析了該六倍體水生薏苡和C.lacryma-jobi、C.AquaticaRoxb的基因組進(jìn)化關(guān)系，結(jié)果顯示，該六倍體水生薏苡具有C.lacryma-jobi和C.AquaticaRoxb的部分染色體組，可能是二倍體薏苡與四倍體薏苡異交形成的雜種。有學(xué)者[25-27]分別對中國的薏苡和川谷進(jìn)行了染色體核型及帶型分析，分析結(jié)果表明，二者的核型極為相似，C-帶帶型也十分相似，說明二者親緣關(guān)系較近，而薏苡比川谷的帶要豐富，異染色質(zhì)量明顯增大，且隨體大小也有差異，既表現(xiàn)了種的特異性，也反映了這兩個種在進(jìn)化過程中趨異程度較高。李桂蘭等[28]通過研究薏苡花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂過程、染色體行為，揭示了花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂與植株發(fā)育進(jìn)程的關(guān)系。

2.2 薏苡的遠(yuǎn)緣雜交及遺傳改良研究

薏苡作為一種小雜糧作物，在很長時間內(nèi)的退居為半野生狀態(tài)，基本上沒有做遺傳改良工作。近年來，隨著其應(yīng)用價值的凸顯，其遺傳改良工作亦開始起步。目前，薏苡育種方面的的研究主要還是常規(guī)選育，在遠(yuǎn)緣雜交、誘變育種、基因發(fā)掘等方面的研究也有所涉及。

在薏苡遠(yuǎn)緣雜交的研究方面，李桂蘭等[28]、Du等[29]、喬亞科等[30,31]和宋秀英等[32]分別在川谷×薏苡和薏苡×川谷花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂過程中，觀察到多種異?，F(xiàn)象(即聯(lián)會配對極不正常，出現(xiàn)單價體、多價體、后期橋、落后染色體，F(xiàn)1代結(jié)實(shí)率很低，雜交后代出現(xiàn)大幅度的分離)，并認(rèn)為二者在進(jìn)化過程中產(chǎn)生了較大的差異，是兩個獨(dú)立的種；此外，薏苡屬種間(薏苡×川谷)雜種F1在植株高度、葉面積、生長勢、光合特性等方面表現(xiàn)出了雜種優(yōu)勢。李貴全等[33]通過薏苡×川谷的遠(yuǎn)緣雜交，經(jīng)8年選擇，獲得了兩個較穩(wěn)定且能在生產(chǎn)上應(yīng)用的雜種新品系(85-15和85-18)，其百粒重分別為14.4，15.9 g，單產(chǎn)分別為503.5，573.8 kg/667 m2，具有較強(qiáng)的抗黑穗病,葉枯病和耐寒能力。段桃利等[34]采用熒光顯微技術(shù)對摩擦禾、薏苡花粉在玉米柱頭上的萌發(fā)和生長過程進(jìn)行觀察，研究了薏苡與摩擦禾、玉米雜交的不親和性，結(jié)果表明，摩擦禾與玉米的雜交障礙不是雜交不親和，而是胚囊不親和或雜種衰亡，而玉米與薏苡雜交生殖隔離較摩擦禾嚴(yán)格，雜交極其困難，雜交障礙為胚囊不親和或花柱不親和，而且玉米與薏苡雜交的花粉管異常率高于玉米與摩擦禾雜交花粉管異常率，反映了玉米與摩擦禾的親緣關(guān)系較與薏苡近。

薏苡在誘變育種方面也有所報(bào)道。沈曉霞等[35]利用薏苡干種子作為誘變材料進(jìn)行γ射線誘變，結(jié)果表明，γ射線對M1幼苗生長產(chǎn)生較重的生理損傷，而且還能在M2誘發(fā)較高的葉綠素與株高突變，尤其是矮稈突變。也有人利用γ射線輻射處理薏苡×川谷雜種分離后代，以此獲得了矮稈、早熟等突變體，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥用植物研究所則神州一號航天搭載[(99)京證經(jīng)字66390號]薏苡進(jìn)行太空輻射誘變，系統(tǒng)選育出協(xié)和薏苡Ⅰ號和協(xié)和薏苡Ⅱ號2個品系[36-37]。此外，也有人[38-39]曾用EMS處理薏苡種子進(jìn)行誘變研究。

此外，在薏苡基因發(fā)掘方面的研究也有零星報(bào)道。吳功慶[40]利用玉米、水稻、小麥的ADH1和PDC1基因保守序列設(shè)計(jì)特異引物，采用RT-PCR方法，擴(kuò)增出薏苡中這兩個基因cDNA的部分編碼區(qū)，并用半定量RT-PCR方法探索了淹水脅迫下這兩個基因的表達(dá)特征及其與之對應(yīng)的酶活性變化規(guī)律。朱云芬等[41]以上述研究為基礎(chǔ)，采用3’-RACE技術(shù)克隆出556 bp的薏苡ADH1基因的3’末端的cDNA序列，并通過軟件拼接得到1個1 234 bp的cDNA序列。Takehiro等[42]則利用PCR方法分離出了糯性薏苡和非糯性薏苡的Waxy基因，序列比對分析發(fā)現(xiàn)，在在糯性薏苡的Waxy基因10～11外顯子之間有1個275 bp的片段缺失，從而導(dǎo)致GBSSⅠ缺失，進(jìn)而導(dǎo)致糯性。因此，上述基因的發(fā)掘也為后期的功能基因分析和分子輔助選育奠定了基礎(chǔ)。

3 展 望

到目前為止，薏苡相對于玉米、小麥、水稻等大作物而言，其基礎(chǔ)研究相對薄弱。薏苡具有豐富的種質(zhì)資源，但是優(yōu)異資源或基因的發(fā)掘和利用的研究工作極為匱乏。再者，由于薏苡的基因組序列信息仍處于未知狀態(tài)，這就很大程度上限制了現(xiàn)代生物技術(shù)的應(yīng)用。DNA分子標(biāo)記技術(shù)作為在遺傳多樣性、分子輔助育種等方面均具有廣泛的應(yīng)用。雖然RAPD、AFLP、RFLP、SSR分子標(biāo)記技術(shù)在薏苡遺傳多樣性研究中有所應(yīng)用，然而SSR、SNP等特異性標(biāo)記的開發(fā)力度不夠，連鎖作圖的分子標(biāo)記也遠(yuǎn)未達(dá)到飽。因此，在薏苡種質(zhì)資源和遺傳方面的研究工作依然很多。

種質(zhì)資源的多樣性是遺傳育種的基礎(chǔ)，突破性品種的育成及育種上大的突破性成就多決定于關(guān)鍵性優(yōu)異種質(zhì)資源的發(fā)現(xiàn)和利用，因此在豐富種質(zhì)資源的同時，加強(qiáng)薏苡種質(zhì)資源的評價，也注重優(yōu)異資源基因的發(fā)掘。值得一提的是，目前我國薏苡屬的植物學(xué)分類尚有分析，因此盡快統(tǒng)一將有利于種質(zhì)資源評價與交流。再者，薏苡的基因組學(xué)研究、分子標(biāo)記開發(fā)、高密度連鎖作圖及QTL定位等方面的研究也勢在必行。在薏苡遺傳改良方面，除了常規(guī)選育外，進(jìn)行薏苡遠(yuǎn)緣雜交、誘變育種和分子輔助育種也是將來育種研究工作的重要方向。

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(本欄目責(zé)任編輯：周介雄)

Advances for Germplasm and Genetics Researches in Job’s Tears(CoixL.)

LINBo1,LIXiangdong2

2016-01-13

貴州省科技計(jì)劃課題“貴州省薏苡工程技術(shù)研究中心”(編號：黔科合農(nóng)GY[2012]4001號)；貴州省科技創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目“貴州省特色雜糧薏苡科技創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)建設(shè)”(編號：黔科合人才團(tuán)隊(duì)[2012]4015)資助。

林 波(1976—)，男，貴州人；農(nóng)藝師，主要從事種子管理工作。

李祥棟，男，農(nóng)藝師；E-mail：lixiangdongsiji@163.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.07.049

S 519

A

1001-4705(2016)07-0049-05