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小桐子(Jatropha curcas)又名麻瘋樹，是大戟科多年生木本油料植物，因其種子含油量高(30-40%)，是生產(chǎn)生物柴油的理想原料。適合在熱帶干旱地區(qū)種植，且不與糧食作物競爭。然而，受遺傳多樣性限制，小桐子表現(xiàn)出晚熟、產(chǎn)量不穩(wěn)定及抗逆性不足等問題，限制了其商業(yè)化發(fā)展。近年來，小桐子根腐病在多個種植區(qū)域廣泛發(fā)生，導(dǎo)致葉片脫落、莖腐爛和產(chǎn)量下降，影響了小桐子的規(guī)模化種植。

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園(以下簡稱“版納植物園”)唐明勇研究團(tuán)隊提出了一種創(chuàng)新的育種策略，疊加了傳統(tǒng)育種和分子育種等方法將轉(zhuǎn)基因技術(shù)與種間雜交相結(jié)合，將早熟的轉(zhuǎn)基因小桐子與其同屬麻瘋樹屬的近源種日日櫻(Jatropha integerrima)進(jìn)行種間雜交和回交，以期縮短育種周期并加速定向育種進(jìn)程，同時提高抗病性。

研究團(tuán)隊前期通過超量表達(dá)JcFT基因，培育出早花轉(zhuǎn)基因小桐子(JcFT-OE)，其開花時間提前至2周左右，這一特性顯著縮短了育種周期。科研人員將JcFT-OE與日日櫻進(jìn)行種間雜交，獲得的雜交F1代表現(xiàn)出與母本一致的早花性狀，抗病性強(qiáng)，但結(jié)實(shí)率極低。為了解決結(jié)實(shí)問題，進(jìn)一步以JcFT-OE為母本，雜交F1為父本開展回交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示回交第一代(BC1代)出現(xiàn)高度分離，部分株系幾乎不結(jié)實(shí)，部分株系顯著提高了種子產(chǎn)量，其中BC1-3株系的產(chǎn)量顯著高于其他株系和雙親。此外，F(xiàn)1和BC1代植物表現(xiàn)出比野生型更強(qiáng)的根腐病抗性。進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)雜交和回交子代的木質(zhì)部比例和莖木質(zhì)素含量顯著高于野生型和JcFT轉(zhuǎn)基因小桐子。基因表達(dá)分析結(jié)果顯示，與病原體防御相關(guān)的基因(如PR1-1、PR1-2)、茉莉酸生物合成基因(如AOS1、LOX2-1)以及木質(zhì)素生物合成基因(如PAL1/2、4CL1/2)在抗病株系中顯著上調(diào)。BC1代植物的種子油含量和脂肪酸組成介于雙親之間，主要包含亞油酸(C18:2)、油酸(C18:1)和棕櫚酸(C16:0)。因此，BC1-3株系的根腐病抗性、種子產(chǎn)量和油含量均表現(xiàn)出優(yōu)異的農(nóng)藝性狀。

該研究成功將轉(zhuǎn)基因技術(shù)和種間雜交應(yīng)用于大戟科麻風(fēng)樹屬的遺傳改良，為多年生木本植物的育種提供了新的思路。超量表達(dá)JcFT基因能夠加速優(yōu)良品種的選育進(jìn)程。種間雜交和回交策略成功整合了早花、高產(chǎn)和抗病等優(yōu)良性狀。為小桐子的高產(chǎn)和抗病育種提供了重要的理論支持，也為其他木本植物的遺傳改良提供了借鑒。

相關(guān)研究結(jié)果以Fusion of transgene and interspecies hybridization enhances seed yield and root rot disease resistance in Jatropha curcas為題發(fā)表在植物學(xué)期刊Physiologia Plantarum。版納植物園博士后白雪為該文的第一作者，熱帶資源植物分子育種研究組唐明勇副研究員為通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金項目和云南省基礎(chǔ)研究項目的資助。

圖1轉(zhuǎn)基因小桐子與日日櫻種間雜交后代

圖2與JcFT-OE回交的BC1代植株遺傳了轉(zhuǎn)基因小桐子的早花特性

圖3雜交和回交后代遺傳了日日櫻的抗根腐病特性