馬鈴薯抗寒種質資源分類及其利用

康 黎，彭曉君，陳 琳，涂 衛(wèi)，梅文祥，宋波濤

（華中農業(yè)大學園藝林學學院/華中農業(yè)大學園藝植物生物學教育部重點實驗室/農業(yè)農村部馬鈴薯生物學與生物技術重點實驗室，湖北 武漢 430070）

現在廣泛種植的馬鈴薯品種均為馬鈴薯普通栽培種（Solanum tuberosum），幾乎都不耐低溫霜凍，沒有低溫馴化能力，僅有‘鄭薯5號’等少數幾個品種具有極其微弱的抗寒能力[1]，說明栽培種內不存在抗寒遺傳變異，這使得從普通栽培種內部挖掘抗性材料可能性極低。目前，雖然也有一些具有抗寒能力的栽培品種被報道，如‘Alaska Frostless’[2]等，但離廣泛推廣應用還有很長一段距離，因此，加強對馬鈴薯抗寒種質資源的研究，引入新的抗性種質將有助于中國馬鈴薯產業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。

1 馬鈴薯抗寒種質資源

馬鈴薯的抗寒性不僅取決于其種的屬性，也與低溫馴化相關。低溫馴化（也稱冷馴化）是將植物置于低溫環(huán)境中（0～12℃），植物體內發(fā)生一系列生理生化變化，使植物產生適應性反應，以提高對低溫抵抗能力的過程（Cold acclimation，CA）[3]。馬鈴薯栽培品種的遺傳背景十分的狹隘且?guī)缀鯖]有抗寒能力和低溫馴化能力，但馬鈴薯野生種資源豐富，按Hawkes[4]的分類標準，可分為21個系235個種，栽培種數量為7個，野生種數量為228個，其中很多野生種存在耐低溫霜凍的資源，而且還有一些資源具有較強的低溫馴化能力。

Li[5]對60個野生種進行梯度降溫處理，處理時間為24 h，結果表明S.acaule大部分的致死溫度可達-6.5℃，抗寒能力最強，其次是S.boliviens、S.megistacrolobum和S.commersonii，致死溫度可低至-5.0℃，此外，S.demissum、S.torflapanum、S.sanctae-rose存在致死溫度為-4.0℃的無性系。Palta和Li[6]通過同樣的方法，也發(fā)現S.acaule、S.multidissectum、S.demissum、S.megistacrolobum、S.sanctae-rose、S.commersonii、S.vernei存在有無性系能夠忍耐-5℃以下低溫的植株。Chen和Li[7]將結薯馬鈴薯種的抗寒能力和冷馴化能力進行了分類（表1），基于有無低溫馴化能力和植株的抗寒能力將馬鈴薯的抗寒性分成5類：抗寒型馬鈴薯種并能夠低溫馴化；抗寒型馬鈴薯種不能夠低溫馴化；霜凍敏感型馬鈴薯種能夠低溫馴化；霜凍敏感型馬鈴薯種不能夠低溫馴化；霜凍敏感型馬鈴薯種。Vega和Bamberg[8]通過田間自然霜凍法，對101個種2 635份材料的抗寒性鑒定，并將抗性分為7個等級（0～6，0代表沒有受到損傷，6代表植株死亡），結果顯示S.acaule、S.albicans抗寒能力最強，等級為0；其次是S.commersonii，等級為0.05；此外，S.demissum、S.megistacrolobum、S.paucissectum、S.multidissectum、S.sanctae-rose 5個野生種的等級介于0.5～1。Luthra等[9]于早春時候將21個種共86個材料的植株置于室外生長7 d后，統計葉片的損傷率鑒定其抗寒能力，并劃分10個等級（1～10，1表示葉片損傷率低于10%，10表示葉片損傷率高于90%），其中有18個材料的等級為1，分布在S.goniocalyx、S.arnezii、S.demissum、S.spegazzinii中。趙喜娟[10]通過人工冷凍法對18個野生種的97份材料進行抗寒性評價，處理溫度-3.5℃，處理時間24 h，評級方法與田間自然霜凍法相同，結果表明S.acaule、S.bukasovii、S.commersonii等野生種均具有較強抗寒能力，評級介于0～1；而S.chomatophilum、S.demissum、S.megistacrolobum和S.acaule等野生種中也有部分植株抗寒能力較強，其中S.acaulel中77%的植株評級小于2。在所有具有強抗寒能力野生種當中，來自無莖系的野生種和S.commersonii被認為是抗寒能力最強的2類野生種，已有研究表明來自無莖系的野生種S.acaule在馴化前后分別能忍受-6和-9℃的低溫，而S.commersonii馴化前后分別能忍受-4.5和-11.5℃的低溫[7]，是被研究和利用最多的耐凍性資源，以下將就這2類野生種的利用情況進行綜述。

2 馬鈴薯無莖系野生種分類及其利用

2.1 無莖系野生種分類

S.acaule、S.×aemulans、S.albicans等無莖系野生種早在20世紀50年代就已經被發(fā)現，但直到1990年才由Hawkes最早提出了無莖系的概念，在其分類體系中，無莖系作為馬鈴薯組的一個系，包括有5個野生種。但早在無莖系概念還沒有提出來，分類學家對上述野生的分類和命名產生了分歧，直到現在分歧仍然存在?？傮w來說，大部分分類學家對馬鈴薯無莖系內野生種劃分的分歧主要是區(qū)別系內種與亞種之間的劃分，特別是S.albicans和S.×aemulans的劃分上。早期的分類中S.albicans則是作為S.acaule的亞種S.acaule var.albicans或 S.acaule ssp.albicans存在；而S.×aemulans一直以來都是作為S.acaule的亞種而被人所熟知，但Spooner等[11]卻認為S.acaule ssp.aemulans和S.×indounii只是野生種S.×aemulans的2種不同倍性，相關的分類差異見表2[7,11-14]。

表1 馬鈴薯種的抗寒性和冷馴化能力分類Table 1 Classification of tuber-bearing Solanum species in terms of cold tolerance and cold acclimation

2.2 無莖系野生種起源與演化

馬鈴薯無莖系野生種主要分布在南美洲安第斯山脈，分布在海拔3 500～4 500 m[14]。無莖系的起源和演化是一個非常復雜的關系，是多個野生種相互滲透的過程。

早期的研究人員通過一些形態(tài)學的觀察和雜交試驗等研究發(fā)現S.acaule的植株形態(tài)與S.megistacrolobum非常相似，而葉片形態(tài)則與S.canasense非常類似，而且S.acaule的繁殖習性也與上述2個野生種有共同之處，這表明S.acaule的形成過程中可能有S.megistacrolobum與S.canasense雜交這個環(huán)節(jié)的參與[15]。Nakagawa和Hosaka[16]通過對上百份野生種的核DNA和葉綠體DNA進行RFLPs分析，發(fā)現S.acaule的葉綠體DNA在序列結構與S.megistacrolobum、S.sanctae-rose的非常相似，都屬于C類型；S.acaule的核DNA與S.megistacrolobum、S.sanctae-rose同樣具有極高的相似性，在進化樹上距離非常近，都屬于Cluster 1類型，由此推測S.acaule的起源可能和這2個野生種相關。此外，還有研究表明二倍體野生種S.boliviens可能在S.acaule形成過程中發(fā)揮了重要的作用。Goncarik[17]通過檢測數百份野生種和栽培種中葉綠體簡單重復序列（cpSSR）類型并對各個種血緣進行分析，發(fā)現S.acaule和S.boliviens的cpSSR具有高度的相似性，由此推斷S.boliviens可能通過雜交的方式直接參與了S.acaule形成過程。上述研究表明，在S.acaule的形成過程中，二倍體野生種S.boliviens、S.megistacrolobum、S.canasense都可能參與其中，其中S.megistacrolobum和S.boliviens可能性最大；實際上，也有分類學家認為S.megistacrolobum，S.sanctae-rose和S.boliviens其實是同一個物種，即S.boliviens[11]，這也進一步證明了馬鈴薯種的形成其實是野生種在進化過程長期相互滲透的過程。

表2 馬鈴薯無莖系野生種分類Table 2 Classification of Solanum acaule Juz

野生種S.acaule也與無莖系其他種的形成有著密切的聯系。S.×aemulans可能是S.acaule ssp.acaule和二倍體野生種S.megistacrolobum的天然雜交后代[18]，且因為S.megistacrolobum能產生2n配子，而導致了S.×aemulans存在三倍體和四倍體2種不同的倍性；S.albicans則有可能是S.acaule ssp.punae和一個與無莖系親緣關系較遠的二倍體雜交后經過天然加倍而形成的[4]。

除了參與無莖系其他野生種的形成，S.acaule還可能參與了其他野生種和原始栽培種的形成。S.×brucheri可能是S.acaule ssp.acaule和二倍體野生種S.infundibuliforme的天然雜交后代[19]。原始栽培種S.×juzepczukii和S.×curtilobum可能也會有S.acaule的血緣[20-22]，具體演化的過程為：S.×juzepczukii為S.acaule與S.stenomum的天然雜交后代，S.×curtilobum則為S.×juzepczukii的2n配子與S.tuberosum ssp.andigenum的天然雜交后代（圖1）。

2.3 無莖系野生種在抗寒育種中的應用

馬鈴薯無莖系野生種中擁有豐富的耐低溫霜凍材料，是馬鈴薯抗寒育種的重要種質資源，S.acaule則是無莖系中利用最為普遍的野生種，是目前已知抗寒能力最強的野生種之一。英國早在20世紀40年代就試圖利用S.acaule來培育抗寒馬鈴薯品種，但收效甚微。從目前已有的報道來看，利用S.acaule選育出來的并且具有抗寒能力品種只有‘Alaska Frostless’[2]，該品種的選育過程中有一個加倍后的S.acaule無性系參與了其中，其經過馴化后LT50可以達到-4.6℃。除了‘Alaska Frostless’，其余的均為一些可用于抗寒育種的中間材料。Estrada[23]用四倍體的S.acaule和二倍體的S.phureja以及四倍體的普通栽培種依次雜交后成功獲得了雜種后代，有27%的后代具有較強的抗寒能力；稍晚一些，Estrada[24]又直接從S.acaule和S.phureja的雜種后代中鑒定了一個四倍體acaphu，acaphu可直接和四倍體栽培種雜交產生四倍體的后代，且后代中某些植株能夠忍耐-5℃低溫2 h不死；Bamberg等[25]通過用加倍后S.commersonii作為橋梁種，成功獲得了ACL-CMM-TBR 3者的種間雜種，該種間雜種具有一定的抗寒能力和馴化能力，可用于后續(xù)的抗寒育種。

圖1 無莖系的起源與演化Figure 1 Origin and evolution of acaule Juz

2.4 馬鈴薯野生種在抗病育種中的應用

除了抗寒能力之外，馬鈴薯無莖系野生種中還擁有豐富的抗馬鈴薯病毒材料，是馬鈴薯抗病毒育種的重要種質資源，特別是野生種S.acaule。據不完全統計，野生種S.acaule中存在有抗癌腫病，抗馬鈴薯X病毒（Potato virus X，PVX）、馬鈴薯卷葉病毒（Potato leafroll virus，PLRV）、馬鈴薯紡錘塊莖類病毒（Potato spindle tuber viroid，PSTVd）的材料[26,27]。

野生種S.acaule在馬鈴薯病毒抗性育種中的利用已經非常的廣泛，已經獲得了非常多育種中間材料和一些品種。有研究用7XY.1、Bolona等四倍體的普通栽培種和S.acaule雜交，授粉第2 d再用S.phureja（IVP35）進行二次授粉，待第一次授粉后14～27 d采用胚搶救（Embryo rescue），成功地獲得了3個可育的四倍體雜種，這3個雜種均檢測出了PSTVd抗性，而且在隨后的研究中表明，這3個四倍體均具有優(yōu)良結薯表型[28,29]；Watanabe等[30]通過染色體加倍和多次回交的方式，獲得了含有S.acaule血緣的四倍體雜種，這些雜種中有部分植株檢測到了PLRV和PSTVd抗性；還有研究人員通過將S.acaule和普通栽培種進行體細胞融合，獲得一批倍性不一的體細胞雜種，這些體細胞雜種中均存在有PVX極端抗性植株，且有些植株結薯性狀非常優(yōu)良，可作為育種中間材料[31-33]。此外，波蘭科學家利用染色加倍將S.acaule的一個基因型變成同源八倍體后與普通栽培種雜交后進行多次回交，成功的獲得回交雜種MPI44.106/10，該雜種被用于抗PVX的育種親本，并用其選育出了多個抗PVX的品種，典型的如‘Barbara’[34]；中國黑龍江省農業(yè)科學院馬鈴薯研究所同樣通過加倍的方法將野生種S.acaule的PVX抗性導入到了普通栽培種當中，并通過3～4代輪回選擇后成功獲得了多份抗PVX的育種親本[35]。

3 S.commersonii及其在抗寒育種中利用

3.1 野生種S.commersonii概述

S.commersonii隸屬馬鈴薯組孔目松系，為二倍體野生種，EBN（Endosperm balance number）=1，主要分布在阿根廷，烏拉圭，巴西等國家，生長于安第斯山脈海拔400 m左右的區(qū)域。在Hawkes[4]的分類體系中，S.commersonii分為2個亞種，分別是S.commersonii ssp.commersonii和S.commersonii ssp.malmeanum；但在Spooner等[11]的分類體系中，S.commersonii ssp.malmeanum不再是S.commersonii的一個亞種，而是作為一個獨立的野生種，命名為S.malmeanum。

S.commersonii種內具有豐富的抗性資源，據不完全統計，S.commersonii種內不僅存在有馬鈴薯瘡痂病、PVX、科羅拉多甲蟲等病蟲害的抗性，對某些不良環(huán)境也具有極強的耐性，其中最為典型的就是耐低溫霜凍[11]。研究表明S.commersonii具有極強的低溫馴化能力，馴化后其LT50達-10℃以下，低溫馴化能力高于7℃以上[7]，是已知低溫馴化能力最強的馬鈴薯野生種。

3.2 S.commersonii在抗寒育種中的應用

目前在利用S.commersonii進行抗寒育種方面，已經取得了一些初步的成果。Caidi等[36]利用二倍體的S.commersonii和四倍體的栽培種進行體細胞融合后得到了雄性不育雜種后代，70%是四倍體，其中編號為cmm1的種間雜種的馴化能力達到了6℃；Nyman和Waara[37]利用二倍體栽培種和S.commersonii體細胞融合得到雜種，經檢測，某些種間雜種馴化后能夠忍受-9℃左右的低溫。Chen等[38]同樣利用S.commersonii和二倍體栽培種體細胞融合后獲得了一個四倍體的雜種后代，該四倍體和栽培種‘Wis AG 231’回交后代中，有21%的后代低溫馴化能力得到了顯著提升（即馴化能力大于或等于2.5℃），其中某些植株的結薯產量甚至超過了回交親本。Bastia等[39]同樣利用體細胞融合的方法獲得了不同倍性的雜種，在四倍體雜種中，一些雜種馴化后LT50低于-5℃，而在八倍體中，有些雜種馴化后LT50甚至可達-9℃。Sepp?nen等[40]也是通過原生質體融合的手段獲得了S.commersonii和栽培種可育的體細胞雜種，其中一個編號為SH9A的雜種經過低溫馴化其LT50為-5.2℃，且其自交后代中同樣能檢測抗低溫植株存在，值得一提的，SH9A還具有對PVX的極端抗性。上述這些都是通過體細胞融合的方式得到雜種后代，而Carputo等[41,42]則是通過雜交的手段，成功獲得了S.commersonii和四倍體栽培種‘UP88-P5’的F1代（三倍體），這些后代經過馴化后能夠忍耐-6.2℃的低溫2 h，其中編號為B10的植株可以忍耐-7.5℃的低溫，在該三倍體與四倍體栽培種‘Tollocan’的BC1和BC2中，均有抗寒能力較強的植株存在（BC1中有植株的馴化抗寒性為-5.5℃，BC2中植株的馴化抗寒性也可達-4.8℃）。

4 馬鈴薯抗寒育種展望

馬鈴薯野生種擁有豐富的抗寒種質資源，但目前對抗性資源的利用尚未獲得理想的效果，至今還沒有能夠被推廣種植的抗寒品種。目前馬鈴薯育種技術主要有傳統雜種育種、倍性育種、體細胞融合、橋梁育種、分子標記輔助選擇育種以及轉基因技術等方法。傳統雜交育種是目前最主要的育種手段之一，但在抗寒育種上收效甚微，一方面，由于EBN不同的原因，大部分馬鈴薯抗寒資源難以直接和栽培種進行雜交；另一方面，大部分野生種抗寒能力是一個由多基因控制的數量性狀，在多次回交的過程中容易導致抗性衰減。倍性育種、體細胞融合、橋梁育種雖然能夠克服遠緣雜交不親和性，創(chuàng)制新的抗寒種質資源，但在后續(xù)的過程仍需要進行常規(guī)的雜交。在轉基因技術上，由于目前對于抗寒能力的遺傳規(guī)律和分子機制的解析尚不夠完全，所取得的成果也比較少，民眾對轉基因技術也還存在較大的爭議。此外，在分子標記開發(fā)上，目前極少有能應用于抗寒育種的分子標記被報道。因此，加強對馬鈴薯抗寒遺傳規(guī)律和分子機制的研究，開發(fā)更多能應用于抗寒育種的分子標記，將極大的推動馬鈴薯抗寒育種的進程。