番木瓜性別決定和鑒定的新進展
關鍵詞:木瓜；性別鑒定；性別決定；研究進展
中國圖書館分類號:Q75
文件識別碼:a
貨號:1007-7847(2006)01-0001-06。
木瓜是著名的熱帶水果，兼有水果和蔬菜。其鮮果外形美觀，色香味俱佳，被譽為“嶺南佳果”，在我國南方廣泛種植。除了食用，木瓜還有極其重要的工業應用價值。未成熟的木瓜牛奶含有多種木瓜蛋白酶，廣泛應用於科學研究、食品加工、醫療保健、化妝品、美容等。現代科技證明，木瓜是集營養、防病、防癌、保健、美容於壹體的水果珍品。
木瓜通常采用實生繁殖，所以在育苗過程中存在大量的“木瓜雄株”。植物的性別只有在6-8個月後開花時才能鑒定，在此之前無法從形態上準確判斷。通常雄株約占3% ~ 5%，開花時必須拔除。這種情況不僅在生產上造成極大的浪費，而且在果園裏留下了“雄性木瓜植株”的種子，這將使它們在未來繁殖。本文綜述了這壹領域的新進展。
1，番木瓜的花多態性
番木瓜的基本花型可分為雄花、雌花、兩性花三種，所以番木瓜的株型可分為雄株(雄性或雄花)、雌株(雌性或雌花)、兩性花三種基本類型，栽培品種主要分為兩性株和雌株兩種。目前我國“穗紅”的主要品種屬於兩性花植物。雌雄同體的植物被廣泛種植，但是它們幼苗的性別經常是分開的。分離比例壹般為兩性株:雌株為2: 1，只有在植株生長6-8個月後開花時才能判斷性別。
木瓜除了常見的三種基本花型外，還有其他花型，表現出非常廣泛的種類，兩性株上也有“木瓜公”結果和雄花的報道(即雌花、雄花和兩性花同時生於壹株上的雜合現象)，可見木瓜的花型表達和遺傳非常復雜。
在自然界，雌雄異株的植物很常見。比如高等植物中的銀杏、獼猴桃、蘆筍、羅漢果、紅豆杉都是雌雄異株植物。大多數雌雄異株植物的性別決定不是像動物壹樣在胚胎期就決定的，而是在生長、分化、成熟後的某個階段才能決定。同時會不同程度地受到營養、溫度、濕度、光照強度、日照時間、植物激素等外界環境條件的影響，所以很多高等植物的性別分化是不穩定的。對於木瓜來說，它的花型和性別也會因為季節、高溫、修剪不當而發生變化。比如雄株會變成雌株或者兩性株，這是環境因素的結果。
不同性別的番木瓜植株在結果性能、果形和品質上存在很大差異。因為雄株不能結果，所以要盡量避免“木瓜男”的出現
2.番木瓜的性別決定與鑒定。
2.1形態學鑒定
苗期鑒定植株性別對番木瓜的育種和栽培具有壹定的意義。在幼苗形態上，各種類型的株型幾乎沒有區別，只是開花時根據花器官的形狀來判斷。不同品種的番木瓜在果實習性、果實形狀和品質上存在很大差異，因此形態鑒定在生產上的應用非常有限。有些人試圖通過物理、化學和組織培養的方法來預測植物的性別，但結果並不令人滿意。
2.2性別繼承法研究
隨著遺傳學研究水平的提高，植物性別研究已成為人們關註的焦點。同時，植物性別研究壹直是世界植物研究的薄弱環節，植物性別遺傳信息的解讀壹直是研究者的夢想。對於木瓜來說，雖然它是二倍體，但它只有9對染色體(2n=18)，基因組很小，大約372 Mbp，但是到目前為止，人們對它的遺傳進行了研究。
就對木瓜性別遺傳規律的認識而言，其性別受三個等位基因控制的假說早在60年前就已提出。根據三個株型雜交後代的性別分離比，Storey等人認為三個等位基因分別為M1、M2和M，分別控制雄性、雌性和兩性性狀，其中M1和M2為顯性，M為隱性。雄株、兩性株、雌株基因型分別為M1m、M2m、mm，基因型為M1M1、M1M2、m2 m2 m2的合子均出現敗育，性別決定基因定位。顯性結合導致顯性敗育，使兩性株後代分離2: 1。後來，斯托裏繼續修正這壹假說，認為性別決定不是單個基因作用的結果，而是由聚集在性染色體上壹個非常狹窄範圍內的基因復合體控制的。Hofmeyr進壹步報道了M1和M2是染色體上長度略有差異的失活區域，而Horovitz和Jimenez根據種內雜交的結果指出番木瓜的性別決定是XX-XY型，雄性基因型是XY，雌性是XX，兩性是XY2，Y2是突變的Y染色體。最近劉等認為性染色體的進化包括性別決定因子附近染色體區域的重組抑制，壹個永久雜合的染色體區域可能積累有害的隱性突變並固定。在Y染色體上經過壹段時間的有利突變選擇後，這些變化可能導致Y染色體的衰退和與X染色體的分離。已經發現，人類只有5%的Y染色體仍然表現出X-Y染色體的再交換。因此認為番木瓜含有壹條原始的Y染色體，唯壹的雄性特異性區域(約占染色體長度的10%)也經過了嚴格的重組抑制和DNA序列改變，進壹步為性染色體起源於常染色體提供了直接證據。
另壹種假說認為，三個等位基因分別編碼不同的反式作用因子，從而指導不同花型的形成，將性別決定從基因水平發展到蛋白質翻譯水平。
2.3連鎖遺傳圖譜的構建
高密度連鎖遺傳圖譜不僅是分離目的基因的第壹步，也是遺傳研究的重要工具。連鎖遺傳圖譜的構建對於克隆相關基因和分子標記輔助選擇具有重要意義。目前，許多作物的連鎖遺傳圖譜已經被構建。
番木瓜連鎖遺傳圖譜的構建遠遠落後於其他工作。第壹張遺傳圖譜構建於60年前，僅包括性別類型、花色、莖色三個形態標記。1996年，Sondurt報道了第二張基於分子標記的遺傳圖譜。在這張遺傳連鎖圖譜中，* *有62個RAPD標記，性別決定基因位於第壹連鎖群，基因座兩側各有壹個標記，遺傳距離為7cM。最近，夏威夷大學的HaoL基於Kapoho和SunUp的54個F2群體構建了第三個高密度分子連鎖遺傳圖譜。圖譜* *有65，438+0，506，5438+0個標記，包括65，438+0，498個AFLP標記、番木瓜環斑病毒外殼蛋白標記、性別形態標記和鮮果顏色標記。這些標記分為12個連鎖群，覆蓋3 294.2cM基因組，標記間的平均距離為2.2 cM。對這些標記的進壹步研究表明，從性別決定位點附近的性別基因* * *中分離出225個標記。幾乎與此同時，Chadesworthf構建了壹個攜帶性別決定基因的非常詳細的染色體圖譜。從圖譜中可以看出，番木瓜的性別決定基因位於圖譜中壹個非常集中的重組區域，與其他雄性特異區域(如哺乳動物Y染色體)相比，該區域仍是番木瓜基因組的壹小部分，其研究結果與郝壹致，進壹步證明性別決定基因與其附近的標記緊密連鎖。
2.4與性別連鎖的DNA分子標記研究
分子標記技術作為遺傳分析的壹個基本環節，已經廣泛應用於動物、植物、人類遺傳圖譜和基因分析等領域。分子標記是基於生物大分子特別是核酸多態性的遺傳標記，是在基因組中識別基因位點(10cu)的有效手段。分子標記具有遺傳穩定、遺傳方式簡單、能反映個體和群體特征等優點，是目前發展最快的壹種遺傳標記。
分子標記輔助選擇技術是分子標記技術在育種實踐中的具體應用，已在多種作物的早期選擇中成功報道，這也促使研究人員發展分子標記選擇技術，用於早期淘汰雄性番木瓜植株。由於性別的多態性和偶發性轉變以及性染色體的缺失，番木瓜性別的分子水平研究壹直是熱點和難點，在性別決定和鑒定方面也取得了壹些進展。夏威夷大學的脫代理率首次成功，他們獲得了與番木瓜性別緊密連鎖的三個RAPD標記，測序、合成並轉化為SCAR標記，認為SCARTl2和SCARWll介於兩性株和雄株之間。SCARTI在所有植物類型中產生這種PCR產物，因此使用這三對引物可以很好地區分三種番木瓜植物類型。基於此，他們成功開發了檢測番木瓜株型的技術，即以T1作為陽性對照，用Wll或T12鑒定兩性株和雄株，在苗期進行早期性別鑒定，預測番木瓜的性別，準確率達99.2%，達到了早期選擇的目的。後來，帕拉尼斯、萊默斯和烏拉斯基還成功發展了雄性特異、雌雄同體特異、分子標記技術和標記輔助選擇技術，分別區分雌性和雄性、性別，並應用於早期性別選擇。Eliana等人利用RAPD技術區分了商業栽培品種Solo的三個有性後代，發現引物BC210產生的標記BC210438可以檢測供試材料的兩性株型。隨後，SomsriI等人還利用DNA擴增指紋技術研究了番木瓜的性別基因標記。
真核生物基因組中的微衛星和微衛星DNA具有豐富的多態性。由於它們在整個基因組中分布廣泛且均勻，具有保守性強、* *顯性遺傳、能夠提供大量穩定的遺傳信息、分析方便快捷等壹系列優點，因此被廣泛應用於生物遺傳作圖、群體遺傳學研究等方面。印度的Parasnist3等人最近利用微衛星和微衛星探針鑒定了番木瓜的性別。他們認為微衛星探針(GATA)4在所研究的番木瓜品種中表現出性別特異性，從而開發了用於番木瓜苗期性別鑒定的微衛星標記。同時，他們還發現番木瓜的X和Y染色體的遺傳物質因性別分化過程不同而完全不同，從染色單體水平揭示了性別差異的遺傳物質基礎。
利用分子標記研究番木瓜的性別，國內也有學者進行了探索。陳中海利用同工酶技術和蛋白SDS-PAGE方法研究了番木瓜雌株、雄株和兩性株的差異。結果表明，雌株、雄株和兩性株的過氧化物酶(POD)、酯酶(EST)和多酚氧化酶(PPO)同工酶存在差異，酶活性總的趨勢是雌株更活躍。0.29的過氧化物酶同工酶譜帶在成熟葉片中多了壹條Rf=0.75的酯酶同工酶譜帶，少了壹條Rf= 0.35的多酚氧化酶譜帶，提示這三條特異譜帶可作為鑒別番木瓜植株的參考。周國輝”應該按混合隔離人群來分析。在205個10堿基的隨機引物中，找到了番木瓜兩性基因(M2)的RAPD標記OPQ071800和OPE061050。用這兩個引物檢測了210株番木瓜植株的DNA。結果表明，OPQ071800和OPE061050與M2基因緊密連鎖。這項研究為M2基因的克隆和定向育種開辟了新的途徑，也使傳統的育種工作邁上了壹個新的臺階。
2.5性別鑒定的其他方法
除了用於性別鑒定的分子標記輔助選擇技術外，也有壹些生理生化方法用於早期性別鑒定的報道。Awadt3]以飛兆品種3月齡葉片和葉柄為材料，通過分析其化學成分的差異，探討番木瓜葉片化學成分與性別表現的關系。結果表明，雄株和雌株的葉綠素可溶性固形物、總酸和總酚含量無顯著差異，但雌株葉片和葉柄中較高的幹物質、矽、吲哚、氨基酸和遊離脯氨酸含量可作為雌株的早期鑒定指標，而雄株葉片和葉柄中較高的灰分含量和葉柄中較高的過氧化物酶和遊離脯氨酸含量可作為雄株的預測指標。許多不同的研究者從不同的方面發展了壹些其他的方法。
此外，栽培管理中的壹些措施也會影響番木瓜的性表現。蘇拉南特用NAA和GA-3處理番木瓜幼苗，發現適當濃度的NAA處理可以降低群體中雄株的百分比。雖然GA-3處理沒有改變雌雄株的比例，但雄性特征比其他兩種性別類型出現得早。因此，及時噴施NAA和GA-3可以達到早期識別雄株，降低雄株率的目的。Mitra還報道了用100μ g/gnaa處理幼苗可以增加雌株的百分比(從46%增加到62，5%)，這支持了上述觀點。
花器官的發育
為了弄清番木瓜獨特的花器官發育過程，壹些研究者觀察了番木瓜兩性株花器官形成過程中的形態學變化。中國臺灣省的謝明賢等人用解剖顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察了臺農2號兩性花植株各個時期的花芽發育過程。根據形態學將兩性花的花器官形成過程分為四個階段:萼片和花瓣原基相繼出現的花被原基形成階段(1 ~ 3節)，雄蕊和心皮相繼開始形成的初始形成階段(4-6節)，花瓣和花絲明顯可見的雄蕊形成階段(7-9節)，心皮完全愈合形成分枝柱頭的雌蕊形成階段。進壹步的研究發現，番木瓜花器官的形成過程與其種植的節數之間存在穩定壹致的關系，提示在生產中可以通過節位標定來估計芽的發育程度。研究還發現，番木瓜花器官形成的頂端分化模式和花器官形成所需的時間在4-10周之間因季節不同而不同。但花器官成熟所需的時間相對恒定，約為3 ~ 5周。如果在雄蕊形成的不同階段發育受阻，就會形成具有不同心皮和柱頭的雌蕊。同時，陸炳國以三種不同類型的番木瓜為材料，研究了不同類型番木瓜的花粉育性，觀察了大孢子、雌配子體和胚的發生和發育，研究了育性對植株結實性能的影響。這些研究都在壹定程度上探索了番木瓜不同類型的花器官和胚胎發育過程，使人們對這壹復雜過程有了壹定的了解。
4展望
長期以來，木瓜主要利用種子進行種苗繁殖，但種苗的雄株率壹直維持在5%左右。由於缺乏有效的性別鑒定方法，只能在開花時進行判斷，極大地影響了木瓜的產量。如何快速準確地判斷和剔除苗期雄株，是近年來壹直在研究和解決的問題。形態學鑒定方法簡單，但費時費力；利用生理生化指標進行識別，容易受到環境條件、植物發育階段和操作人員技術水平的影響，導致可靠性降低；快速準確的分子標記輔助選擇技術雖然有壹些應用，但操作復雜，價格昂貴，技術的可靠性還有待進壹步提高。因此，直到項目結束，仍然缺乏快速、便捷、高效的識別方法來預測番木瓜的株型。隨著研究和診斷水平的不斷提高，穩定、快速、簡便的鑒定技術必將為木瓜的早期高效鑒定提供有力的依據。
相對而言，目前使用壹些廉價的化學物質如NAA或GA-3處理木瓜幼苗，應該是早期鑒定株型的捷徑。這種性別控制方法十分簡單有效，可以在生產中推廣應用。另壹種很有前途的控制性別的方法是傳統的組織培養，即將已經鑒定為雌株或兩性株的優良品種進行大規模組織培養，然後獲得大量遺傳同質的雌株或兩性株進行生產；也可以將雌株或兩性株的花藥進行離體培養，然後用適當濃度的化學物質，如秋水仙堿或伏木隆，使染色體加倍，從而獲得遺傳同質的二倍體雌株或兩性株。這種組織培養技術遠沒有分子鑒定復雜，設施簡單，耗材便宜易得，基本程序化操作。很多種苗公司都有自己的組織培養車間，所以組織培養的方法產生的是基因同質的植株。
今後研究番木瓜性別遺傳和性別決定的規律，對提高番木瓜的性別具有重要意義。通過對性別遺傳的深入研究，找出其遺傳規律，進壹步發現控制性別的基因(如控制女性性別的基因)，最終達到人工控制性別的目的。在此基礎上，構建高效植物表達載體，將外源基因轉入番木瓜並在乳腺導管中特異性表達，從而在收獲番木瓜的同時獲得大量外源基因產物，使番木瓜成為表達藥物蛋白的理想植物生物反應器，實現用轉基因番木瓜植株生產人類所需藥物的廉價工廠，這正是許多研究者探索番木瓜性別遺傳規律的目的。本文為原文全文。沒有PDF瀏覽器的用戶應該先下載並安裝原文全文。