利用形态与分子标记快速创制印度热带花椰菜纯合Pr基因渗入系及花青素生物强化研究

本综述系统阐述了通过形态与分子标记辅助选择（MAS）技术，将花青素合成关键基因Pr从雪球花椰菜快速导入印度热带花椰菜背景的创新研究。成功创制出高花青素含量（>90 mg/100 g FW）、农艺性状优良的纯合系（PrPr），为热带地区功能性蔬菜育种提供了高效技术范式与种质资源。

　　

引言

花椰菜（Brassica oleracea var. botrytis L.）作为全球重要的芸薹属蔬菜，在97个国家种植面积达137万公顷。中国和印度作为两大主产国，分别占全球产量的37.06%和36.71%。热带花椰菜因其耐湿热特性（Swarup and Chatterjee, 1972）及在16-30°C形成花球的独特适应性（Singh and Kalia, 2021），显著拓展了栽培时空范围。

传统白花椰菜仅含具抗癌潜力的 glucosinolates，而紫色花椰菜因积累花青素（anthocyanin）呈现醒目色泽，其健康价值日益受到关注（Mattioli et al., 2020）。花青素作为强效抗氧化剂，对动脉粥样硬化、心血管疾病、癌症增殖和神经退行性疾病具有防治潜力（Youdim et al., 2000, 2002）。临床研究证实补充花青素可显著改善低密度脂蛋白和胆固醇水平（Wallace et al., 2016），并优化2型糖尿病患者的血糖参数与脂质谱（Mao et al., 2023）。尽管花青素在体内仅存留6小时（Wallace et al., 2016），需定期摄入，但中国已将其膳食参考摄入量定为50 mg/天（Suresh and Vellapandian, 2024）。因此，对花椰菜等大宗蔬菜进行花青素生物强化（biofortification）成为保障持续供给、应对健康挑战的重要策略（Lila, 2004）。

紫色花椰菜的主要花青素成分——cyanidin 3(-coumaryl-caffeyl)glucoside-5-(malonyl)glucoside被证实是强效抗糖尿病剂（Wedick et al., 2012）。然而彩色花椰菜因低温（10-16°C）成球需求，种植局限于亚热带冬季。此前研究虽成功将橙色基因Or导入印度花椰菜（Kalia et al., 2018），但Pr基因在热带背景的渗入及其对发育转换的影响尚未明确。本研究利用Chiu等（2010）开发的共显性标记（BoMYB2m、BoMYB4m）和显性标记（BoMYB3m），结合表型选择，旨在快速将Pr基因导入热带花椰菜，并评估渗入系的花青素含量与形态特征。

材料与方法

育种材料构建以两个热带白花椰菜品种Pusa Ashwini（PA）和Pusa Kartiki（PK）为母本，与雪球型紫色花椰菜供体KTPCF-1（PPCF-1）杂交。F₁通过自交和回交获得F₂、BC₁F₁和F_2:3群体。在F₂和BC₁F₂中先依据紫色花球和热带特异性形态特征（半直立叶型、10-11月成熟、热带开花习性）初选70株，再通过分子标记筛选纯合个体。

标记辅助选择采用CTAB法提取DNA，使用Pr基因连锁标记进行PCR扩增。共显性标记BoMYB2m（850 bp/400 bp）和BoMYB4m（450 bp/600 bp）用于区分纯合（PrPr）与杂合（Prpr）基因型，显性标记BoMYB3m（650 bp）用于紫色表型验证。

田间评价在印度农业研究所（IARI）试验场进行，采用随机区组设计。对13个MAS衍生纯合F_2:3株系测定叶片形态、产量性状及发育转换时间，并以pH差分法测定花青素含量。

结果

表型分离分析显示F₁植株呈现浅紫色顶端和花球。F₂群体中紫色与白色分离比符合3:1，BC₁F₁符合1:1，表明Pr基因呈单显性遗传。所有紫色顶端植株均发育为紫色花球，证实Pr基因在全生育期调控色素沉积。双色花球现象（紫色+白色/浅紫）在F₂中出现，PK组合发生率更高。

分子标记筛选从40个F₂和30个BC₁F₂植株中分别鉴定出19株和21株PrPr纯合体，其中13株F₂和全部BC₁F₂植株可产足量种子用于进阶繁殖。标记验证与后代表型一致性达100%。

形态与发育特征显示13个F_2:3株系花球均为紫色，确认纯合状态。株高、株幅、花球重量等性状变异显著，其中PC2304-21表现最优（株高55.7 cm，花球重817.7 g，产量25.7 t/ha）。渗入系成熟期（10-11月）较供体PPCF-1（1-2月）显著提早，接近受体PA/PK的热带适应性。

花青素分析表明F₂群体含量范围达2.34-97.5 mg/100 g fw，显著高于白色亲本（0.2-0.83 mg/100 g fw）。F_2:3中PC2304-93（93.78 mg/100 g fw）和PC2304-65（92.34 mg/100 g fw）等株系含量超越供体PPCF-1（53.65 mg/100 g fw），较白色受体提高37.9-115.8倍。

讨论

本研究通过MAS技术将Pr基因高效导入热带花椰菜，3-4年内获得纯合渗入系，克服了传统育种耗时长（10年）、环境敏感性高等瓶颈。Pr基因未引起形态与发育障碍，与Or基因导致的迟熟缺陷（Crisp et al., 1975）形成鲜明对比。

花青素生物强化对非传染性疾病（NCDs）高发的热带地区具有重要意义。全球因果蔬摄入不足导致的死亡中，14%归因于胃肠道癌，11%于缺血性心脏病（WHO数据）。花椰菜原有的glucosinolates（sinigrin、glucoerucin）与花青素组合可协同增强功能价值（Vanlalneihi et al., 2020）。

遗传分析证实Pr基因的半显性特性，且环境因子（温度、光照）影响色素强度。顶端紫色可作为早期选择标记，但无法区分纯合/杂合基因型，凸显分子标记必要性。双色花球现象可能源于R2R3MYB激活基因（Ding et al., 2020）或图灵反应-扩散机制（Turing, 1952），需进一步研究。

渗入系花青素含量虽低于Graffiti（375 mg/100 g fw），但显著高于意大利地方种（3.38-7.72 mg/100 g fw）。环境差异（热带vs温带）与遗传背景是主要影响因素。烹饪加工导致花青素损失（蒸煮减损6.5-42.5%），但残留量仍达662-1076 mg/100 g dw，足以发挥生物活性。

结论

本研究首次在热带花椰菜中实现Pr基因高效渗入，创制出花青素含量高、农艺性状优良的纯合系。该成果为热带地区功能性蔬菜育种提供了技术范式和种质资源，对通过膳食干预应对NCDs挑战具有重要实践价值。双色花球等新表型有望拓展消费市场，后续需加强基因组学分析与烹饪保留率研究。