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106年2月(第296期)

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利用分子標誌輔助花椰菜雜交育種


文圖/種苗改良繁殖場 張惠如、鍾文全

一、前言

  花椰菜(Cauliflower; Brassica oleracea var. botrytis L)起源於地中海至北海沿岸,為十字花科蕓薹屬甘藍類植物,起初由野生甘藍演化而來,別名花菜。根據FAO統計資料,2013年全球花椰菜及青花菜生產面積達125萬1,048公頃,產量約2,230萬公噸;而據農委會2015年的統計資料顯示:臺灣花椰菜種植面積為1,679.2公頃、青花菜種植面積為1,611.33公頃,年產量約8萬1,300公噸(其中青花菜產量約為3萬5,600公噸),產值約新臺幣21億7,935萬元。花椰菜的種子除國內市場需求外,每年亦可外銷東南亞地區達10公噸以上,故具有高經濟價值。Syngenta 種苗公司(Saini, 2009)對於蕓薹屬蔬菜所設定的育種目標中認為整齊度(Uniformity)為最重要,因花椰菜為異花授粉作物,其形質之整齊性很難一致。目前商業品種的育種工作上,常先育成親本自交不親和系,生產天然異交的一代雜交種子,不僅性狀整齊性一致,增加雜種優勢同時也降低採種成本;另外,也可利用細胞質雄不稔(cytoplasmic male sterility, CMS)系進行花椰菜的雜交育種,以免去人工去雄並提高雜交F1種子純度。

二、簡介蕓薹屬自交不親和性及其作用基因

  自交不親和是指雌雄配子均有正常授粉受精能力,在不同基因型的株間授粉能正常結籽,但自交不能結籽或結籽率極低。幾乎一半以上的顯花植物包括70多個科,250個屬具有此特性(de Nettancour, 1977),尤其以十字花科植物最為普遍。從形態上可將自交不親和劃分成異型( heteromorphic) 及同型(homomorphic) 兩類;同型自交不親和性又分成孢子體型自交不親和性(sporophyticselfincompatibility,SSI)及配子體型自交不親和性(gametophyticselfincompatibility, GSI)。Takahata(1980)研究十字花科蕓薹屬(Brassica)及其近緣野生種,在其59類植物中,有50類是自交不親和,而蕓薹屬植物為孢子體自交不親和型受S單基因控制,在這個S基因上有多個等位基因,複等位基因之間存在複雜的相互關係,使SSI 型有獨特的遺傳規律。目前已發現蕓薹屬中至少有60多個等位基因,僅在甘藍中就有50多個(Ockendon, 1974, 1982)。研究指出有3個基因與花椰菜自交不親和相關,分別為:SLG基因(S-locus glycoprotein)、SRK基因(Sreceptor kinase ) 及SP 11( Slocusprotein11/S locus cystein rich protein, 又稱SCR)基因。

三、簡介十字花科雄不稔性及相關基因

  細胞質雄不稔(cytoplasmic male sterility,CMS) 是廣泛存在於高等植物中的一種自然現象,性狀表現為母體遺傳、花粉敗育及雌蕊正常。迄今已在150多種植物中發現了CMS。先前研究指出,導致植物細胞質雄性不育的主要因素與細胞質內的遺傳系統-線粒體或葉綠體密切相關,線粒體基因組自身之間或與核基因組、葉綠體基因組之間的頻繁重組所形成的異常嵌合基因被認為是CMS 產生的分子基礎。而由發表的相關研究指出,在十字花科作物中與CMS 相關嵌合的一些基因也都在線粒體基因組上,如Polima型CMS油菜的orf224區、nap型油菜的orf222區、ogura型CMS 蘿蔔的orf138,及CMS葉用芥菜的orf220等。

四、花椰菜自交不親和性及雄不稔性分子標誌開發

  傳統育種花費時程長且易受環境因素影響,利用分子標誌輔助育種工作,可於苗期提供精確判斷依據進行篩選,同時提高育種效率及縮短育種年限,許多物種已經獲得實質成效。目前已有多種分子標誌系統成功建立,包括RFLP(restriction fragment length polymorphism)、SCAR(Sequence Characterized Amplified Region)、SSR(simple sequence repeat)及SNP(single nucleotide polymorphism)等。

  育種者應用自交不親和特性於雜交種生產上,為有效擬定育種策略,需要了解育種材料的自交不親和基因型類型,以便進行自花授粉及回交。開發可判別自交不親和基因之不同對偶基因之分子標誌,可減少育種者花費在田間自交、互交授粉試驗的時間與費用。近年來,一些研究單位利用SLG基因、SRK基因及SP11基因序列,建立識別花椰菜自交不親和性基因型的分子標誌。而在利用CMS品系進行花椰菜的雜交育種時,雖可免去人工去雄並提高雜交F1種子純度,但CMS品系往往帶有不良性狀,為了獲得性狀優良的CMS品系需要進行長時間的轉育工作。目前國內外研究單位也針對業者花椰菜之CMS育種品系開發專一性分子標誌,以協助其育種選育工作,並進一步協助新品種的專利或品種權的布局。

五、結語

  隨著國際市場的開放與競爭,為保有我國蔬菜種苗產業競爭力,加速花椰菜的新品種育成十分重要。因傳統育種技術的發展已有數十年研究基礎,較新的分子輔助育種技術也累積約十年的研究成果,使得育成具市場潛力的新品種挑戰越來越高,縮短新品種育成的人力與時間已成必要條件。由於分子生物技術的發展,開發建立分子識別標誌,已能有效協助育種者加速花椰菜雜交育種工作,以促進新品種的育成。後續的挑戰將在如何有效整合已開發之特殊性狀分子標誌,以及該如何利用基因組分析資料於新品種育種策略擬定上。

圖1. 農委會種苗改良繁殖場研發可鑑別花椰菜自交不親和基因型之專一性SNP分子識別標誌之電泳分析圖。

圖2. 農委會種苗改良繁殖場研發可鑑別花椰菜雄不稔品系專一性SCAR分子標誌之電泳分析圖。

圖2. 農委會種苗改良繁殖場研發可鑑別花椰菜雄不稔品系專一性SCAR分子標誌之電泳分析圖。

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