油菜杂种优势利用的生物学基础

本书针对傅廷栋院士主编的《杂交油菜的育种与利用》一书涉及的一些生物学基础问题，总结了近20年来的研究进展，系统阐述了该领域的相关问题。在基础部分，介绍了芸薹属物种染色体组成和基因组信息、遗传标记和SNP芯片开发与利用，以及植物花器发育；在油菜杂种优势利用的授粉系统部分，介绍了油菜细胞核雄性不育、细胞质雄性不育的生物学基础，油菜自交不亲和性的遗传和分子机制，以及油菜化学杀雄的生物学机制；在杂种优势形成基础和利用方面，对杂种优势遗传基础、表观修饰和基因的差异表达进行了多个层次的论述，介绍了利用近缘种多样性拓展甘蓝型油菜遗传差异的具体方法及材料的利用。

目录
第一章 芸薹属基因组研究 1
第一节 芸薹属物种的分类及在科学研究和农业中的重要性 1
第二节 油菜分子细胞学研究进展 8
第三节 油菜遗传图谱 17
第四节 油菜基因组研究和信息资源 22
第五节 油菜SNP 芯片开发及应用 33
参考文献 40
第二章 植物花器发育的生物学基础 49
第一节 植物花器官的分化 49
第二节 植物花药发育细胞学基础 67
第三节 植物花药发育基因调控 74
参考文献 94
第三章 油菜细胞核雄性不育的生物学基础 108
第一节 油菜细胞核雄性不育的类型 108
第二节 油菜细胞核雄性不育的细胞学特征 110
第三节 油菜细胞核不育相关基因的克隆与功能分析 122
第四节 利用油菜细胞核雄性不育研究的新进展 147
参考文献 151
第四章 油菜细胞质雄性不育的生物学机制 155
第一节 油菜细胞质雄性不育的遗传与特征 155
第二节 油菜细胞质类型的鉴定和主要的胞质类型 157
第三节 油菜细胞质雄性不育基因及其作用机制 166
第四节 油菜细胞质雄性不育恢复基因的遗传及定位 173
第五节 油菜细胞质雄性不育恢复基因及作用机制 179
第六节 环境对细胞质雄性不育的影响及生态型不育 185
参考文献 187
第五章 油菜自交不亲和性生物学 196
第一节 植物自交不亲和性概述 196
第二节 芸薹属自交不亲和性 198
第三节 甘蓝型油菜自交不亲和性 207
参考文献 214
第六章 油菜化学杀雄杂种利用研究 219
第一节 油菜化学杂交剂的类型 220
第二节 油菜化学杂交剂的使用方法与效果 224
第三节 油菜化学杀雄的生物学机制 228
第四节 油菜化学杀雄杂交制种技术 235
参考文献 236
第七章 作物杂种优势的遗传与分子基础 241
第一节 杂种优势基本假说 241
第二节 杂种优势遗传基础解析的试验设计 242
第三节 杂种优势形成的超显性假说的分子证据 244
第四节 杂种优势形成的显性假说的分子证据 245
第五节 杂种优势形成的上位性假说的分子证据 246
第六节 三种遗传效应和谐调控杂种优势的证据 247
第七节 自交衰退的遗传学基础 247
第八节 基于全基因组关联分析的杂种优势遗传基础 248
第九节 源库平衡关系与作物杂种优势 249
第十节 杂种优势形成的分子生物学基础 251
第十一节 杂种优势预测 255
第十二节 杂种优势基础研究的展望 259
参考文献 261
第八章 油菜种质资源创新与杂种优势利用 267
第一节 油菜种质资源创新 267
第二节 油菜的杂种优势利用 277
第三节 杂交种亲本选配方法 280
参考文献 286
Contents
Chapter 1 Brassica genome research 1
Section 1 Classification of Brassica species and their importance in scientific research and agriculture 1
Section 2 Advances in molecular cytology of Brassica napus 8
Section 3 Genetic map of Brassica napus 17
Section 4 Genomic research and information resources of Brassica napus 22
Section 5 Development and application SNP chips of Brassica napus 33
References 40
Chapter 2 The biological bases of plant flower development 49
Section 1 Differentiation of plant flower organs 49
Section 2 Cytological bases of plant anther development 67
Section 3 Gene regulation during plant anther development 74
References 94
Chapter 3 Biological bases of nuclear male sterility in Brassica napus 108
Section 1 Types of nuclear male sterility in Brassica napus 108
Section 2 Cytological features of nuclear male sterility in Brassica napus 110
Section 3 Cloning and functional analysis of nuclear sterility related genes in Brassica napus 122
Section 4 Progresses in the study of nuclear male sterility in Brassica napus 147
References 151
Chapter 4 Biological mechanisms of cytoplasmic male sterility in Brassica napus 155
Section 1 Inheritance and characteristics of cytoplasmic male sterility in Brassica napus 155
Section 2 Identification of cytoplasmic types and main cytoplasmic types in Brassica napus 157
Section 3 Cytoplasmic male sterility genes and their mechanisms in Brassica napus 166
Section 4 Inheritance and mapping of the restorer genes of cytoplasmic male sterility in Brassica napus 173
Section 5 The restorer genes of cytoplasmic male sterility and its mechanisms in Brassica napus 179
Section 6 The effect of environment on cytoplasmic male sterility and ecotype sterility 185
References 187
Chapter 5 Self-incompatibility biology of Brassica napus 196
Section 1 An overview of plant self-incompatibility 196
Section 2 Self-incompatibility in Brassica 198
Section 2 Self-incompatibility of Brassica napus 207
References 214
Chapter 6 Utilization of chemical inducted male sterility hybrids in Brassica napus 219
Section 1 Types of chemical gametocide in Brassica napus 220
Section 2 Methods and effects of rapeseed chemical gametocide 224
Section 3 Biological mechanisms of chemical inducted male sterilities in Brassica napus 228
Section 4 Chemical hybridizing breeding technologies in Brassica napus 235
References 236
Chapter 7 Genetic and molecular bases of crop heterosis 241
Section 1 Basic hypotheses of heterosis 241
Section 2 Experimental design for genetic bases analysis of heterosis 242
Section 3 Molecular evidences of the super dominant theory of heterosis 244
Section 4 Molecular evidences of the dominant theory of heterosis 245
Section 5 Molecular evidences of the epistasis theory of heterosis 246
Section 6 Evidences of three genetic effects harmoniously regulating heterosis 247
Section 7 Genetic bases for self-fertility depression 247
Section 8 Genetic bases of heterosis based on whole genome association analysis 248
Section 9 Source and sink balance relationship and crop heterosis 249
Section 10 The molecular biological bases of heterosis formation 251
Section 11 Heterosis prediction 255
Section 12 Prospects of fundamental researches on heterosis 259
References 261
Chapter 8 Germplasm resources innovation and heterosis utilization of Brassica napus 267
Section 1 Innovation of Brassica napus germplasm resources 267
Section 2 Heterosis utilization of Brassica napus 277
Section 3 Parent selection methods for hybrids 280
References 286

    靠前章 芸薹属基因组研究
    张园园 童超波 刘胜毅 中国农业科学院油料作物研究所
    靠前节 芸薹属物种的分类及在科学研究和农业中的重要性
    一、芸薹属物种分类
    芸薹属（Brassica）植物是芸薹科（Brassicaceae）的骨干大属，也是芸薹科中很重要的属，芸薹科也因此而得名。芸薹科植物的典型形态特征是花瓣呈十字形排列，故过去称为十字花科（Cruciferae）。芸薹科由25 个族338 个属共3709 个物种组成，而芸薹属包括了其中的37 个种（Al-Shehbaz et al.，2014；Warwick et al.，2006），大多数为一年生的草本植物，也有多年生草本植物和小灌木。约22 种芸薹属野生种集中在地中海和中东地区，故该地区是认可的其近代分布和分化的中心。据《中国植物志》记载，现已知中国芸薹属植物有15 种11 变种。
    芸薹属植物的花结构很好保守和规整，呈两边对称，4 个萼片排列为两层；4 个花瓣呈分离状，有的基因型没有花瓣；6 个雄蕊，长的2 个在外面，短的4 个在里面，且彼此分离；子房由两个心皮组成。芸薹属植物的果实呈两节，子叶在种子内呈现独特的对折状（Warwick and Sauder，2005）。与芸薹科的其他植物一样，芸薹属植物含丰富的硫代葡萄糖苷（glucosinolate）。在遗传学和形态学上，芸薹属植物都表现出丰富的多样性，植物的根、茎、叶、花蕾和种子都可食用，一些类型被用作饲料、油料、染料和药材，甚至观赏植物。除南极洲以外，芸薹属植物全世界都有分布。日本学者盛永俊太郎在20 世纪二三十年代通过细胞学研究推测白菜（B.rapa，2n = 20）、黑芥（B.nigra，2n = 16）和甘蓝（B.oleracea，2n =18）这三个二倍体为芸薹属的基本种，基本种之间相互杂交和自然加倍形成了芥菜型油菜（B.juncea，AABB，2n = 34）、甘蓝型油菜（B.napus，AACC，2n = 38）和埃塞俄比亚芥（B.carinata，BBCC，2n = 36）这三个异源四倍体复合种，提出用A、B、C 来分别表示白菜、黑芥和甘蓝的基因组，用AB、AC 和BC 分别表示芥菜、甘蓝型油菜和埃塞俄比亚芥的基因组（Tomonori，1929，1934）。随后，韩国学者禹长春通过种间杂交证实了这种推测，并于1935 年提出用三角形两两杂交来表示这种基因组间的亲缘关系，即有名的禹氏三角（U’striangle，图1-1）（Nagaharu，1935）。后来通过染色体配对、双二倍体的人工合成、细胞核DNA 含量测量、基因组特异性分子标记及基因组序列分析等涉及形态学、遗传学、细胞学、解剖学、生理生化及分子生物学等不同方面的研究都证实了这种关系。芸薹属物种禹氏三角的建立，使人们更加明确了芸薹属众多物种及其变种间的亲缘关系，科学地指导了芸薹属作物的远缘杂交和种质创新，促进了基本种与复合种间的基因交流，极大地推动了芸薹属作物的遗传改良（刘后利，2000），也使得芸薹属植物成为多倍体基因组遗传研究的理想体系。白菜、黑芥和甘蓝这三个物种都有数量众多的亚种、植物学变种及栽培品种群，三个物种在历目前的分化路线相似，都平行演化出很多蔬菜类型（Cheng et al.，2016；Prakash and Hinata，1980）。
    图1-1 芸薹属6 个栽培种遗传关系的禹氏三角（Nagaharu，1935）
    对芸薹属异源四倍体作物的单倍体及异源四倍体与二倍体种间杂种的减数分裂过程的研究发现，3 个二倍体基本种染色体间均存在部分同源性，表明A、B 和C 三个基因组可能有共同的起源；但A/C 基因组染色体之间的配对情况好于B/C 和A/B 基因组之间，说明A、C 基因组染色体的亲缘关系更近（Attia and R？bbelen，1986）。在3 个二倍体种衍生的单倍体中，其花粉母细胞在减数分裂时除了形成单价体外，还有少量的二价体和三价体出现，由此推测芸薹属3 个二倍体基本种起源于同一个具有更低染色体数目的物种（Armstrong and Keller，1981）。
    （一）白菜类作物
    白菜类作物（B.rapa，AA，2n = 20）是多态性很好丰富的物种（图1-2），许多品种长期在欧洲和亚洲被驯化，也是禹氏三角6 个物种中很先被驯化的。关于白菜类植物的起源目前了解得比较少，推测是从Sylvestris 栽培植物逃逸而来，基因组已测序完成（Wang et al.，2011）。
    白菜类作物包括结球白菜（如大白菜）、不结球白菜（如小白菜）和油用白菜（白菜型油菜）。在我国云贵高原，以及西藏、青海和新疆地区有丰富的野生近缘种。严格来讲，油用白菜也属于不结球白菜，因其用途不同才被单独列出。形态学、地理分布、同工酶、细胞核RFLP 和AFLP 标记都显示白菜分为两大类群，可能是来自两个独立起源中心（Song et al.，1990；Warwick et al.，2008）。靠前个中心在亚洲，尤其是中国，还包括许多亚洲白菜类的蔬菜。第二个中心在欧洲，包括芜菁和白菜型油菜，亚洲的沙逊油菜和托利亚油菜是它们的衍生类型。具体来说，油用型白菜和芜菁发源于欧洲，主要包括蔬菜芜菁（spp.rapa）、饲料芜菁（spp.rapa）、白菜型油菜（spp.oleifera），其中白菜型油菜在中国、加拿大、印度及北欧广泛种植，是第三大芸薹属油料作物；在东亚和西亚，包括中国，不但有油用型，还选育出许多蔬菜型白菜，例如，中国大白菜（spp.pekinensis）、青菜（subsp.chinensis）、中国塌菜（spp.narinosa）、小花菜（spp.soleifera），以及常见的4 种亚洲不结球多分蘖叶用蔬菜［日本水菜（mizuma）、壬生菜（mibuna）、小松菜（komatsuna）、叶用芜菁］，在东亚特别是在中国、朝鲜、韩国、日本广泛分布，这就说明东亚是白菜遗传多样性的次生中心。其中，中国大白菜在亚洲属于十分重要的蔬菜，为人类健康提供维生素、矿物质及食用纤维素等，在韩国和朝鲜被称为国菜，作为泡菜食用。印度也是种植白菜类作物的重要地区，主要有褐籽沙逊及黄籽沙逊油菜（spp.trilocularis）、托利亚油菜（spp.dichotoma）等。这些作物很多都被描述为独立的物种，但它们很容易相互杂交，因此属于AA（n=10）基因组的白菜（B.rapa）同类群（Schmidtand Bancroft，2011）。
    图1-2 白菜和甘蓝的亲缘关系图
    白菜型油菜（B.rapa/campestris，AA，2n = 20）
    油菜并不是一个基于种属的定义，而是农业生产上将用于榨油的芸薹属作物统称为油菜，包括一年生或越年生的草本。目前油菜主要栽培种有：甘蓝型油菜（B.napus L.）、白菜型油菜（B.rapa/campestris L.）、芥菜型油菜（B.juncea L.）等。
    白菜型油菜又称小油菜或白油菜。其植株一般相对矮小，幼苗生长较快，主根较发达或不发达，侧根中等发达或较发达；基叶呈椭圆形、卵圆形或长卵形，叶上举，有多刺毛或少刺毛，苞茎而生；分枝比较少或中等数量，花呈淡黄色至深黄色，花瓣呈圆形、较大，开花时花瓣侧叠或呈覆瓦状；花药外向开裂。白菜型油菜有比较强的自交不亲和性，自然异交率在75%～95%，甚至以上，属典型异花授粉作物。其花的嫩茎及叶也可以当作蔬菜食用。种子有褐色、黄色或五花子色等，大小不一，千粒重3g 左右，无辛辣味；含油量中等，一般在35%～40%，高的能达到50%以上。白菜型油菜地方种质资源具有各种优良特性，如耐瘠薄、耐干旱、抗寒性强，有的生育期比较短，在一些地区具有甘蓝型油菜不可替代的作用，同时为甘蓝型油菜品种改良提供了丰富的遗传改良资源。其缺点是抗病毒病、霜霉病能力较弱，产量不稳定（刘后利，2000）。白菜型油菜按照种性的不同可以划分为春性、半冬性和冬性三种类型，代表品种有青油（杂）系列、白杂系列、皖油系列、雅油系列等。
    （二）黑芥
    黑芥（B.nigra，BB，2n = 16）曾经被广泛种植，是生产调味品的作物，现已基本上被芥菜取代，在亚洲它仍然为主要调味品作物。有关黑芥的种植历史记载信息比较少，在欧洲地中海和埃塞俄比亚高原发现有黑芥种植地，推测黑芥可能起源于欧洲中部和南部（Schmidt and Bancroft，2011）。黑芥近期才进入印度。黑芥与芸薹属的其他两个二倍体物种白菜和甘蓝是独立进化的，细胞学、同工酶、细胞核和叶绿体DNA 的酶切位点及基因组序列数据表明，在亲缘关系上，黑芥与白芥属（Sinapis）物种，尤其杂草野芥（S.arvensis，n = 9）关系更近，相比之下，与芸薹属白菜（B.rapa）和甘蓝（B.oleracea）关系更远些。截至目前，黑芥的基因组序列信息尚未发表。
    （三）甘蓝类作物
    甘蓝类作物（B.oleracea，CC，2n =18）是世界上很重要的一类蔬菜。甘蓝类CC基因组种群在形态外观上变异很好大（图1-2）。结球甘蓝基因组已测序完成（Liu et al.，2014）。CC 基因组种群有丰富的野生近缘种，包括可相互杂交的地中海物种，如克里特甘蓝（B.cretica）、希拉里甘蓝（B.hilarionis）、英卡纳甘蓝（B.incana）、撒丁岛甘蓝（B.insularis）、大果甘蓝（B.macrocarpa）、山甘蓝（B.montana）、岩甘蓝（B.rupestris）、草毛甘蓝（B.villosa），西欧沿海地区的野生甘蓝（wild B.oleracea），以及加那利群岛的波尔基甘蓝（B.bourgeaui）。
    重要的甘蓝类作物有：主茎粗壮、茎叶可食的羽衣甘蓝（变种有var.viridis，var.costata，var.medullosa，var.sabellica）；以前种植较多、主要食用莲叶的分枝性灌木甘蓝（var.ramosa）；叶片紧包成球状的结球甘蓝（var.capitata，var.sabauda）；腋芽能形成可食用小叶球的抱子甘蓝（var.gemmifera）；主要食用地上部肉质球茎的苤蓝（var.gongyloides）；作为重要的富含抗癌物质的蔬菜、可食用膨大花序的菜花（var.botrytis）和西兰花（var.italica）；在中国栽培的一种开白花的甘蓝类作物芥蓝（var.alboglabra），这种芥蓝一般认为是古代从地中海地区引进的，但通常被归类成一个单独的物种Brassica alboglabra。上述甘蓝类作物中，卷心菜（结球甘蓝）、花椰菜（菜花）和西兰花是种植很广的三种蔬菜。
    针对甘蓝不同栽培类型的起源，学者们提出了各种假说：单一起源说，认为所有类型都起源于西欧的野生甘蓝；三重甚至多重起源说，认为不同类型的甘蓝起源于CC基因组种群的多个相关野生物种。公元前2000 年，希腊和罗马当地的土著居民就已经驯化了野生甘蓝，这些野生甘蓝可能是羽衣甘蓝和结球甘蓝的原始种，且目前被认为是甘蓝很早的栽培种（Sauer，1993）。后来，凯尔特人开始长期种植这些甘蓝并将其命名为“Bresic”，这可能就是芸薹属植物命名的由来。结球甘蓝和其他多叶型甘蓝可能都起源于原始羽衣甘蓝和不结球甘蓝（Herve，2003）。
    （四）甘蓝型油菜
    1.甘蓝型油菜的起源
    甘蓝型油菜（B.napus，AACC，2n = 38）的出现比较晚，至今还没有发现野生种群。甘蓝型油菜的A 和C 亚基因组分别来自二倍体白菜（AA）和甘蓝（CC）。白菜和甘蓝在地中海盆地及中东地区都有认可的起源中心（Song et al.，1988），从公元前5000年到公元500 年期间，它们从土耳其东部迁移到欧洲和远东地区，这些迁移不仅使白菜和甘蓝成为当地的食物、药材、饲料和观赏植物，而且白菜