蓖麻分子育种研究进展※

●包春光 朱国立 何智彪 崔 凯 霍玉淼 高 昶袁朴芳 任文静 黄凤兰 ，5※※

（1.通辽市农畜产品质量安全中心 内蒙古 通辽 028000；2.内蒙古民族大学生命科学与食品学院 内蒙古 通辽 028000；3.通辽市农牧科学研究所 内蒙古 通辽 028000；4.内蒙古赤峰市林业和草原局 内蒙古 赤峰 024000；5.蓖麻育种国家民委重点实验室/内蒙古自治区蓖麻育种重点实验室/蓖麻产业技术创新内蒙古自治区工程研究中心/内蒙古自治区高校蓖麻产业工程技术研究中心/内蒙古自治区蓖麻产业协同创新中心 内蒙古 通辽 028000）

蓖麻（Ricinus communisL.）是大戟科、蓖麻属一年或多年生双子叶草本植物，南方为小乔木。蓖麻种子含油量达50%左右，蓖麻油因其特殊的理化性质，已成为重要的工业用油之选。此外，蓖麻油经过裂解、氧化、硫化等处理后的下游产物，在军工、医药、航空、化妆品等领域广泛应用。蓖麻油是目前唯一可以代替石油的可再生性绿色油品资源[1]。

中国是世界蓖麻种植大国，但受多种因素影响，蓖麻的种植面积大幅度减少，对产量造成了影响。近年来，现代分子育种技术推动了作物新品种的选育，应用分子生物学技术获得高产、高油、抗逆的优质蓖麻品种成为研究热点。因此，本研究对蓖麻分子育种研究进行综述，以期为培育优质高产的蓖麻品种提供理论依据。

1 蓖麻高产分子育种研究

关于蓖麻高产分子育种研究，主要集中在与蓖麻高产相关的两个性状——株高和花序方面。

1.1 蓖麻矮化分子育种研究

蓖麻属无限生长分枝型作物，冠幅较宽，且植株较大，单株占地面积较大，单位面积的株数少。矮化后的蓖麻具有在同等条件下比高秆蓖麻更强的节水、抗旱、抗倒伏、利于实现机械化收割等优势，并通过合理密植方式取得良好的肥水反应及较高的收获指数，可大幅度提高蓖麻单位面积产量[2]。因此，蓖麻矮化分子育种已成为蓖麻育种的热点之一。

1.1.1 分子标记技术在蓖麻矮化分子育种中的应用姚远等[3]采用正交试验设计方法对矮化蓖麻RAPD-PCR反应体系及扩增程序进行了优化，为应用RAPD-PCR技术对蓖麻株高性状进行研究奠定了基础。栾世慧等[4]采用RNAi技术在蓖麻矮化研究中进行应用，对蓖麻新品种的选育具有重要意义。陈永胜等[5]采用cDNA-AFLP技术对蓖麻矮秆茎秆差异表达基因进行了分析，结果表明这些基因几乎涵盖了与矮化相关的各类基因，涉及细胞生长、分化、信号转导、转录调控、物质与能量代谢及运输等，为揭示蓖麻矮化的分子机制找到新的突破口，为培育蓖麻矮化良种奠定了基础。

1.1.2 基因克隆及表达技术在蓖麻矮化分子育种中的应用翟雨佳[6]对RcGA20-ox基因在典型的高秆和矮秆蓖麻品种不同时期嫩叶中的表达情况进行了分析，表明RcGA20-ox基因是影响植株高矮的主效基因之一。邢超[7]通过对RcGA2ox基因进行筛选并克隆，构建表达载体，获得转基因植株并检测，最终明确了RcGA2ox基因与蓖麻矮化相关。孙华军等[8]对蓖麻矮化相关基因RcDof进行了克隆，并对其进行生物信息学分析，为进一步研究该基因在蓖麻矮化过程中的作用机制和功能特征提供了理论依据。王双等[9]克隆表达矮秆蓖麻天冬氨酸蛋白酶基因（RcAP）并进行蛋白纯化，为解析RcAP蛋白晶体结构、探索矮化基因与表型相关性奠定了理论基础并提供了试验依据。

1.1.3 组学技术在蓖麻矮化分子育种中的应用风兰[10]利用转录组测序技术比较了高、矮秆蓖麻中基因表达的变化，初步证明RcBKI1是蓖麻株高发育过程中的负调控基因，RcGASA9基因在蓖麻株高发育过程中具有重要的调控功能。代梦媛等[11]利用外源赤霉素（GA）和多效唑（PAC）对蓖麻处理后，将顶端嫩茎进行转录组测序分析，结果表明RcGRF可能通过赤霉素途径调节蓖麻的株型。

1.2 蓖麻花序发育研究

世界蓖麻花序发育的研究有30多年的历史，研究成果主要集中在中国。蓖麻的花序发育情况极为复杂，主要有两种情况：一种是世界上绝大多数蓖麻雌性系，其植株中出现单雌（也称雌株，植株的每个花序轴上全部着生雌花）和两性（也称雌雄同株，植株的每个花序轴上一般基部着生雄花，顶部着生雌花）两种类型的花序。另一种是蓖麻Lm型雌性系（标志雌性系），其植株中出现单雌、标雌（植株的每个花序轴上全部着生雌花，同时着生柳叶状功能叶）和两性三种类型的花序。研究蓖麻花序发育对提高蓖麻产量有重要意义。

1.2.1 分子标记技术在蓖麻花序发育研究中的应用张艳欣等[12]对蓖麻单雌、标雌、两性系花序不同时期进行了基因组DNA甲基化研究，应用MSAP分析寻找花序发育相关基因，结果表明参与蓖麻花序发育调控可能存在4个基因，与之同源的序列编码蓖麻过氧化物酶体生物合成相关蛋白基因通过外界因素参与过氧化物酶系统影响植物器官的生理变化和生长发育。

1.2.2 基因克隆及表达技术在蓖麻花序发育研究中的应用李丽丽等[13-14]研究表明PLC家族PLC2、PLC2M、PLC2N、PLC4、PLC4X2、PLC6基因与蓖麻Lm型雌性系三种花序类型的生长发育相关，蓖麻PLC基因的表达量对蓖麻花序生长发育有一定的影响。梁塔娜等[15-16]对蓖麻PIP5Ks基因家族进行了生物信息学分析及RT-qPCR分析，结果表明基因PIP5K1、PIP5K6、PIP5K8、PIP5K9、PIP5K11、PIP5K2与Lm型雌性系植株花序类型的发育直接相关。陶瑶[17]将蓖麻RcTAW1基因转入烟草中，结果表明该基因能够促进烟草花序的发育。

1.2.3 组学技术在蓖麻花序发育研究中的应用赵永[18]对不同发育时期Lm型雌性系的单雌、标雌、两性系的花序轴进行DNA甲基化含量测定与差异蛋白质组学研究，探究与蓖麻花序发育相关的基因和蛋白质，为从基因水平和蛋白质水平揭示蓖麻花序发育的相关分子机理奠定基础。

2 蓖麻高油分子育种研究

蓖麻种子中脂肪酸及蓖麻油酸含量是蓖麻品质的重要指标。

2.1 分子标记技术在蓖麻高油分子育种中的应用

陈晓凤等[19-20]采用MSAP和cDNA-AFLP技术，研究不同发育时期蓖麻种子中脂肪酸含量差异基因的表达，筛选差异条带，对其进行测序、功能注释，以期为蓖麻高油品质育种研究奠定基础。

2.2 基因克隆及表达技术在蓖麻高油分子育种研究中的应用

孙佳欣[21]以蓖麻油酸合成关键基因RcPZDAT1-2的启动子为研究对象，克隆RcPDAT1-2启动子的全长和缺失序列，通过拟南芥转化验证功能，分析该启动子活性。高艳平[22]以“油蓖5号”蓖麻为试验材料，利用抑制性消减杂交技术，比较蓖麻不同组织以及胚不同发育时期的基因表达差异，筛选出与胚发育相关且调控油脂代谢的关键基因，为高油蓖麻新品种的选育研究奠定基础。

2.3 组学技术在蓖麻高油分子育种研究中的应用

苟亚夫[23]利用生物信息学手段在全基因组水平鉴定了蓖麻RcWD40家族基因，并通过时空表达分析探究了该家族成员对于蓖麻种子发育的调控作用，预测了其重要成员RcTTG1基因对于蓖麻油酸积累的潜在负调节功能。

3 蓖麻抗逆分子育种研究

蓖麻因其经济与生态双重价值而具有广阔的应用前景，对蓖麻开展抗逆分子育种研究具有重要的现实意义。

3.1 蓖麻抗寒分子育种研究

3.1.1 基因克隆及表达技术在蓖麻抗寒分子育种研究中的应用王晓宇等[24-26]克隆了蓖麻的两个液泡膜内源水孔蛋白基因的ORFs，qRT-PCR分析表明该基因受冷胁迫均下调表达，可能有助于抵抗和延缓冷冻诱导的细胞脱水；在冷胁迫下，分析蓖麻RcCIPKs基因的组织特异性表达模式与脱落酸激素诱导下的CIPK表达水平，为进一步创制蓖麻抗冷新种质提供了重要的候选基因；通过qRT-PCR分析发现磷脂酰肌醇转运蛋白基因RcSEC14p受冷胁迫下调表达，该基因的下调表达可能会降低蓖麻的抗冷性，为进一步探讨该基因是否通过调节磷脂信号转导途径参与冷胁迫响应提供依据。刘栩铭等[27]克隆蓖麻3个水通道蛋白基因（PIP）的ORF，RT-qPCR分析表明3个基因在响应冷胁迫下可能存在拮抗调控模式，为探索RcPIPs介导的冷适应性调控过程提供重要依据。

3.1.2 组学技术在蓖麻抗寒分子育种研究中的应用刘栩铭[28]以蓖麻品系“通蓖5号”为材料，进行冷胁迫蛋白质组解析及RcGPX基因的功能研究；利用序列比对法实现蓖麻HSF基因家族成员的全基因组鉴定，分析发现RcHSF4与RcHSF10受冷胁迫诱导表达，为蓖麻抗冷新种质资源的建立奠定了基础[29]。

3.2 蓖麻抗旱分子育种研究

3.2.1基 因克隆及表达技术在蓖麻抗旱分子育种研究中的应用韩雯毓等[30-31]通过生物信息学方法鉴定出11个蓖麻WOX转录因子家族成员，并对其系统发育、基因结构、保守基序及理化性质等基本信息进行鉴定与分析，表明RcWOX转录因子在蓖麻逆境胁迫中起调控作用；利用RT-qPCR技术检测了根、茎、叶不同组织中的5个基因在干旱与盐胁迫下的表达情况，结果表明，RcGRASs在不同组织中的表达具有特异性，干旱与盐胁迫诱导RcGRAS14、RcGRAS21、RcGRAS35的表达，抑制RcGRAS1、RcGRAS10的表达，为进一步研究GRAS转录因子在非生物胁迫中的功能提供参考。

3.2.2 组学技术在蓖麻抗旱分子育种研究中的应用赵永[32]以PEG-6000对蓖麻进行干旱胁迫，对根系进行转录组学和蛋白质组学关联分析，共获得 95个差异基因，其中大部分DEGs与DAPs正相关，但表达丰度存在差异；转录组学和蛋白质组学关联分析表明，差异基因参与的代谢途径主要包括碳水化合物代谢、苯丙烷生物合成代谢、类黄酮生物合成代谢、氧化磷酸化代谢、氨基酸合成和分解代谢；基于组学数据筛选出4个类受体蛋白激酶基因（SPKATPK2、CDPK33、CDPK26和SPKBSK7），在PEG-6000胁迫下基因表达量均发生了改变。

3.3 蓖麻耐盐分子育种研究

3.3.1 基因克隆及表达技术在蓖麻耐盐分子育种研究中的应用张继星等[33]开展了蓖麻耐盐基因RcKUP 7的克隆及分子特征分析；丛娇娇等[34]开展了蓖麻耐盐基因HKT的克隆及表达载体构建。段琼等[35]探究了盐胁迫下蓖麻RcCNGC2基因在根、茎、叶组织中6个时间点的表达量变化，结果表明RcCNGC2在蓖麻受到盐胁迫时起重要信号传导作用。这些研究为后续的基因功能验证和抗逆基因工程改良研究具有重要意义。

3.3.2 组学技术在蓖麻耐盐分子育种研究中的应用雷培等[36]通过对比经过耐盐处理的两个品种（栽培蓖麻和野生蓖麻）转录组学的DEGs，发现栽培蓖麻的核心区及其家系比野生蓖麻积累更多，为研究蓖麻的盐分适应机制和遗传改良提供了新的思路。张丽雪[37]在盐胁迫下种子萌发期的蛋白质组学数据中，筛选出上调表达蛋白类谷胱甘肽转移酶RcDHAR，利用qRT-PCR分析其在盐胁迫下蓖麻苗期表达特性，发现其在蓖麻根、茎、叶均有表达，且具有组织表达差异性，为蓖麻耐盐分子育种提供理论参考。

3.4 蓖麻抗重金属分子育种研究

蓖麻作为一种对重金属具有很强的耐受性和富集性的油料作物，近年来被研究学者们广泛关注，研究主要集中在铜（Gu）、镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）等重金属胁迫下蓖麻生理响应、营养物质积累和转运、代谢调节规律、修复能力评价等方面，分子育种方面的研究相对较少。赵慧博[38]以水处理的蓖麻植株作为对照，以300，700，1000 mg/L三种剂量Cd胁迫处理下的根系为研究材料，开展差异蛋白质组学和比较代谢组学研究。差异蛋白质组学研究共鉴定出217个差异蛋白质，这些蛋白质在3种剂量Cd胁迫处理下显示出不同的积累，主要参与防御解毒及能量代谢、光合作用、细胞程序性死亡及急性氧化应激。比较代谢组学研究共鉴定出143个差异代谢物，其中有机酸、脂质类、黄酮类化合物等代谢物数量积累显著。

3.5 蓖麻抗病分子育种研究

3.5.1 分子标记技术在蓖麻抗病分子育种中的应用陈森等[39]用YC2×YF1抗感组合的F2群体在两个环境中对蓖麻枯萎病抗性进行了QTL定位，遗传分析表明，群体中枯萎病抗性呈连续性偏态分布，后代表型偏抗性亲本。

3.5.2 基因克隆及表达技术在蓖麻抗病分子育种研究中的应用覃碧等[40]对蓖麻基因组的Mlo基因家族成员进行鉴定及其序列特征分析，结果显示，蓖麻RcMlo3、RcMlo2、RcMlo6和RcMlo12与已知的抗病Mlo基因分别聚在第Ⅳ和第Ⅴ类，这为进一步培育蓖麻抗病品种奠定基础。

3.6 蓖麻抗除草剂分子育种研究

3.6.1 基因克隆及表达技术在蓖麻抗除草剂分子育种研究中的应用杨俊芳[41]在蓖麻上首次采用农杆菌介导萌动种胚转化法，同时结合花粉管通道法开展蓖麻抗草甘膦基因遗传转化的研究，通过这两种方法分别摸索出了适合蓖麻的遗传转化条件，并获得了抗草甘膦蓖麻植株。李思琪等[42]以“通蓖5号”大穗型蓖麻为试验材料，利用根癌农杆菌介导法将bar基因遗传转化蓖麻子叶节，得到具有草铵膦抗性的转基因蓖麻植株。罗蕊[43]以“蓖麻2129”为试验材料，以重叠延伸PCR的方法，克隆出抗草甘膦基因EPSPS和抗草铵膦基因bar，通过构建表达载体pCAMBIA3301-bar-EPSPS，利用农杆菌介导法将EPSPS和bar基因同时转到蓖麻内，最终获得同时具有草甘膦和草铵膦抗性的蓖麻植株。

3.6.2 组学技术在蓖麻抗除草剂分子育种研究中的应用赵慧博等[44]对双抗除草剂蓖麻（转抗草甘膦的EPSPS基因、抗草甘膦的bar基因）与非转基因对照进行差异蛋白质组学研究，结果表明，双抗除草剂蓖麻植株中有20种蛋白质的含量存在差异；其中9种蛋白参与了光合作用，并与bar基因的作用机制间接相关；8种蛋白质参与防御、修复、应激反应、氧化磷酸化和代谢途径，并与EPSPS基因的作用机制间接相关。这些结果为抗除草剂蓖麻品种的选育奠定了基础。

4 展望

目前蓖麻分子育种研究存在如下问题：一是蓖麻高产、高油、抗逆分子育种研究中，大量的文献集中于抗逆分子育种研究方面，而高产、高油分子育种方面的研究相对较少；二是蓖麻高产、高油、抗逆分子育种研究的每一个方面，对机理机制的阐述都需要进一步深入；三是通过分子育种研究得到的蓖麻新材料或新品种还很少，需要进一步加强。

随着分子育种技术或手段的进步和多样化，蓖麻分子育种研究将愈发深入，将会获得更多生产中急需的蓖麻新材料或新品种，从而加速蓖麻产业的发展。