馬柱文,陳俊標(biāo),袁清華,黃振瑞
(廣東省煙草育種與綜合利用工程技術(shù)研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/廣東省農(nóng)作物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510640)
煙草種質(zhì)資源是煙草新品種選育、原始創(chuàng)新及其生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的物質(zhì)基礎(chǔ),是保障煙葉生產(chǎn)安全的戰(zhàn)略性資源,是極其寶貴的自然財(cái)富[1]。目前,我國煙草種質(zhì)資源保存數(shù)量位居世界前列[2]。煙草原始創(chuàng)新、新品種選育及其生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的成效,取決于所掌握種質(zhì)資源數(shù)量和對(duì)其差異性狀表現(xiàn)及遺傳規(guī)律研究的深度,而突破性進(jìn)展往往依賴于特殊種質(zhì)資源的發(fā)現(xiàn)與利用。掌握的煙草種質(zhì)資源范圍越大,性狀越豐富,實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新目標(biāo)的可能性越大。發(fā)達(dá)國家非常重視種質(zhì)資源的收集、保存和研究工作,將種質(zhì)資源作為重要的戰(zhàn)略物資加以保護(hù)和利用,目前種質(zhì)資源已成為全球競(jìng)爭的重要砝碼[3]。
廣東煙草種植有400余年歷史,各地生態(tài)環(huán)境千差萬別,經(jīng)過長期的自然選擇和人工篩選,形成一大批珍貴的地方煙草種質(zhì)資源。南雄、鶴山、五華、清遠(yuǎn)與廉江等名優(yōu)曬煙資源,經(jīng)輕工部煙草工業(yè)研究所評(píng)吸,根據(jù)香型和用途可分為近烤煙型、近香料煙型、調(diào)味型、近白肋煙型和亞雪茄型等五大類型;而煙葉工業(yè)配方試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),廣東曬煙香濃勁大,味道純凈,焦油煙堿比低,類型和風(fēng)格豐富,多適于作烤煙型、混合型卷煙原料使用。隨著廣東特異種質(zhì)資源不斷深入研究,發(fā)揮其特性,逐漸成為發(fā)展“中式卷煙”的優(yōu)質(zhì)特色原料。
煙草種質(zhì)資源遺傳多樣性豐富,調(diào)制類型多樣,且具有公益性、基礎(chǔ)性和不可再生性等特征。長期以來,種質(zhì)資源的工作重點(diǎn)一直停留在收集、保存與鑒定等方面,高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗、高效等關(guān)鍵功能基因的發(fā)掘與利用相對(duì)滯后,突破性新種質(zhì)匱乏以及特有基因資源流失嚴(yán)重等問題凸顯,煙草種質(zhì)資源相關(guān)的研究工作任重而道遠(yuǎn)。為了解廣東煙草種質(zhì)資源研究現(xiàn)狀,本文介紹了廣東煙草種質(zhì)資源國內(nèi)外收集、保存的基本情況,闡述了煙草種質(zhì)資源的分類、鑒定評(píng)價(jià)及種質(zhì)創(chuàng)制與利用等方面的研究進(jìn)展,概述廣東生態(tài)環(huán)境下煙草地方種質(zhì)資源的風(fēng)格形成與發(fā)展現(xiàn)狀,在此基礎(chǔ)上,對(duì)目前種質(zhì)資源繁種更新、精準(zhǔn)鑒定、遺傳群體研究和種質(zhì)創(chuàng)制等方面進(jìn)行展望。
煙草產(chǎn)地主要以亞洲為中心,地域范圍較廣,分布在45°N~30°W之間,遍及亞洲、南美洲、北美洲、非洲及歐洲等[4-5]。隨著分子生物學(xué)在煙草分類研究中不斷深入及廣泛應(yīng)用,Knapp等[6]將煙屬劃分為76個(gè)種。而煙草在我國傳入與發(fā)展大致順序?yàn)榱罆駸?、黃花煙、烤煙、香料煙、白肋煙[7-8]。廣東是我國栽培煙草較早的省份之一,煙草傳入廣東的時(shí)間眾說不一,據(jù)史書記載,在明萬歷年間(1573—1620年)已開始有煙草種植,煙草傳入廣東的路線有3條:一是由菲律賓直接傳入福建、廣東;二是由菲律賓傳入澳門,經(jīng)臺(tái)灣傳入福建、廣東;三是由南洋或越南北部傳入廣東。在此數(shù)百年栽培過程中,在廣東形成了多種調(diào)制類型、香吃味風(fēng)格特征不同的大小名煙。2003年在國家煙草專賣局公布的《名晾曬煙名錄》中,南雄、始興、封開、連州的曬黃煙和廉江、高州、化州的曬紅煙仍榜上有名[9]。
國內(nèi)外煙草育種家對(duì)煙草種質(zhì)資源的收集與保存十分重視。美國曾先后多次派考察隊(duì)到煙草起源中心搜集古老類型的煙草種質(zhì)和野生種,利用收集的煙草種質(zhì)資源選育高抗青枯病的TI448A和高抗線蟲病的TI706。值得一提的是,日本現(xiàn)收集的煙草野生種-川上煙草就是1960—1970年到南美洲考察時(shí)發(fā)現(xiàn)的[10-11]。我國煙草育種家也一直非常重視作物種質(zhì)資源的收集工作。20世紀(jì)50年代初,進(jìn)行了第1次煙草種質(zhì)收集,共收集煙草資源3 000余份。其后,在云南、湖北、四川、海南、廣東等地進(jìn)行了煙草種質(zhì)資源的補(bǔ)充收集,并每年陸續(xù)從國外引進(jìn)一些使用價(jià)值較高的優(yōu)良種質(zhì)[12]。
廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所于20世紀(jì)50年代初期開展煙草種質(zhì)資源收集工作,經(jīng)過幾代人的不懈努力,廣泛搜集、整理、鑒定國內(nèi)外煙草品種資源,至今收集了煙草種質(zhì)資源1 000多份,特有資源300多份,是我國煙草資源的主要保存單位。目前是國家煙草專賣局重大專項(xiàng)“中國煙草種質(zhì)資源平臺(tái)建設(shè)”項(xiàng)目的成員單位之一[13-14]。
目前,我國保存煙草種質(zhì)資源數(shù)量達(dá)5 767份,居世界第1位,群體遺傳多樣性豐富[15]。普通煙草(Nicotiana tabacumL.)和黃花煙草(Nicotiana rusticaL.)可直接應(yīng)用于栽培種植。煙草種質(zhì)資源以調(diào)制方式及植物學(xué)特性可分為烤煙、曬晾煙、白肋煙、香料煙、雪茄煙、黃花煙和野生煙等類型[16]。
自2007年正式實(shí)施“中國煙草種質(zhì)資源平臺(tái)建設(shè)”重大專項(xiàng)以來,我國煙草種質(zhì)資源評(píng)價(jià)與鑒定研究得到較快發(fā)展,現(xiàn)階段已完成大部分煙草種質(zhì)農(nóng)藝性狀和植物學(xué)性狀的評(píng)價(jià)與鑒定;部分煙草種質(zhì)的外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)、化學(xué)成分分析以及原煙的香吃味評(píng)價(jià);而在抗性鑒定方面,篩選出NC82、巖煙97、G-168等400多份抗煙草黑脛病、青枯病、根結(jié)線蟲病等病害的重要抗源[17]。而在鑒定方法上,表型鑒定和分子鑒定相結(jié)合可以更加準(zhǔn)確地鑒別新收集到的種質(zhì),SSR標(biāo)記數(shù)量豐富、多態(tài)性高且價(jià)格較為低廉,與SNP 標(biāo)記相比在進(jìn)行種質(zhì)資源遺傳多樣性分析和資源鑒定時(shí)結(jié)果基本相符[18-20]。
2.3.1在品質(zhì)育種中的利用 Orinoco是一個(gè)香味和吃味較好的美國品種,美國育成的一系列優(yōu)質(zhì)烤煙品種如NC95、NC567、Golden131、SC72、Va116、K326、ClemsonPD9、PD88、McNair944、Reams158、K394、NC60、Va102、McNair373、Coker298、NC85、Coker176、G80等都或多或少與其有血緣關(guān)系[21]。
我國利用400、Yellow Mammoth、NC82、G28、K326等育成了永定一號(hào)、龍巖C4、廣黃10號(hào)、閩煙4號(hào)、紅花大金元、云煙2號(hào)、中煙9023、中煙101、吉煙1號(hào)、遼煙11、CV87、廣遵四號(hào)、中煙100、單育3號(hào)、中煙86、遼煙15、廣遵2號(hào)、云煙87、云煙317、貴煙4號(hào)等一大批品種[22]。1988年,廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所利用雄性不育系MsG28為母本、K326為父本育成了雄性不育雜交一代品種廣遵2號(hào),成為我國審定的第一批烤煙雄性不育雜交品種[9]。我國地方烤煙品種金星6007不僅在生產(chǎn)上發(fā)揮了巨大作用,以其為親本,還育成了中煙14、春雷三號(hào)、中煙90、中煙15、廣黃55號(hào)、龍煙一號(hào)等一批品種[23]。
戴冕等[24]從清遠(yuǎn)地方品種系選育成的曬紅煙品種“金英”,在廣東曬紅煙名產(chǎn)區(qū)鶴山推廣使用,產(chǎn)量增加15%以上,1、2級(jí)煙葉增加10%以上,每667 m2純收入增加101%,成為當(dāng)時(shí)粵中曬紅煙產(chǎn)區(qū)的當(dāng)家品種,長達(dá)30年之久。利用“塘蓬”和廣東南雄地方品種“大葉青?!保ń緹熛阈停?,育成的曬黃煙品種“81-26”,適應(yīng)性廣,抗白粉病、青枯病能力強(qiáng),曬制后葉色黃亮,光澤鮮明,油潤豐滿,青煙率低,具有獨(dú)特的香氣。在南雄、連縣、封開的區(qū)試中,平均每667 m2產(chǎn)量121.3 kg,比對(duì)照種“青?!痹霎a(chǎn)41%,均價(jià)提高8.6%。利用“塘蓬”和“400-7”育成的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗白粉病曬紅煙新品種“廣紅5624”(屬于亞雪茄香型),其單產(chǎn)比對(duì)照種金英增加10.6%,品質(zhì)提高11.1%[9]。
2.3.2在抗病育種中的利用 煙草黑脛?。耗壳鞍l(fā)現(xiàn)的煙草黑脛病抗源主要有4個(gè),分別是雪茄煙品種 Florida301和 Beinhart1000-1、野生種藍(lán)茉莉葉煙草(N.plumbaginifolia)和長花煙草(N.longif lora)。國外育成的Coker139、Coker319和G28,國內(nèi)育成的革新四號(hào)、春雷三號(hào)、中煙14、中煙15、云煙2號(hào)等抗黑脛病品種的抗性主要來自Florida301。NC2326及其衍生品種的黑莖病抗性來自藍(lán)茉莉葉煙草,L8的抗性來自長花煙草[21]。
煙草青枯?。好绹鴮W(xué)者從外引品種中篩選出高抗青枯病品種TI448A,中抗品種TI79A、Xanthi、79-X和Sumatra R,由于TI448A具有最高抗性,且品質(zhì)較好,故成為選育抗青枯病煙草品種的主要抗源,1945年育成第一個(gè)抗青枯病烤煙品種Oxford26,進(jìn)而育成Coker139、NC95、G28、Coker319、Coker258、Coker347、NC60、NC50、Oxford940、K326等多個(gè)抗青枯病品種[21]。日本從地方品種中篩選出抗青枯病品種Sumatra C、Awa、Hatano、Kokubu、Odaruma、Kirigasaku和Suifu。Awa、Hatano、Kokubu與Odaruma等品種的抗性受主效基因Rps控制;高抗品種Enshu和Hatanodaruma的抗性不僅受Rps基因控制,還受多基因影響;中抗品種Kirigasaku、Suifu的抗性由微效多基因控制。日本以Hatano為親本選育出HatanoW、BHA21-3、W6等抗青枯病品種[9]。大葉密合是在廣東封開縣主栽曬煙品種,為名優(yōu)晾曬煙品種之一,對(duì)青枯病具有較強(qiáng)且穩(wěn)定的抗性[25]。SSR遺傳圖譜分析顯示大葉密合的6個(gè)QTL不同于已發(fā)現(xiàn)的抗源[26]。
煙草普通花葉病毒?。═MV):煙草普通花葉病毒病(TMV)抗源研究主要集中在普通煙草品種Ambalema和野生種N.glutinosa兩個(gè)資源上,前者的抗性由2對(duì)隱性基因(rm1、rm2)控制,后者的抗性由顯性單基因控制。N.glutinosa的抗性成功轉(zhuǎn)移到普通煙草后育成Vamorr 48、Vamorr 50、Kentucky 56、Burley1、Burley 21、Ky 151、NC567、Reams158等煙草普通花葉病毒病(TMV)抗性品種[21]。
煙草黃瓜花葉病毒?。–MV):美國學(xué)者把來源不同的7個(gè)抗花葉病基因結(jié)合在一起,即N.glutinosa的N基因,Ambalema的rm1、rm2基因,TI245的t1、t2基因以及印度煙草品種Henika的G1、G2基因,選育出抗花葉病品系GAT。臺(tái)灣學(xué)者以GAT為抗源選育出TT6、TT7等抗CMV烤煙品種[27-28]。廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所先后用KY56、金英、塘蓬、6208、廣黃21、TI245、75-81等煙草種質(zhì)資源進(jìn)行多交,經(jīng)過多代加壓選擇,育成3個(gè)高耐CMV品種C151、C152和C212,溫室接種鑒定和田間接毒試驗(yàn)證明,其耐性均優(yōu)于TT6、TT7,且發(fā)現(xiàn)C151接種TMV病毒后呈過敏枯斑反應(yīng)而無系統(tǒng)感染,是一個(gè)兼抗TMV和CMV的品系[9]。
煙草白粉?。篕okbu是中抗白粉病的日本曬煙種質(zhì)資源,其抗性基因?qū)儆谥貜?fù)隱性基因,利用其抗性育成Kutsaga51E、KutsagaE1、Kutsaga110、TL33等烤煙品種和Banker102等白肋煙品種[29-30]。廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所從廣東廉江地方農(nóng)家品種中系統(tǒng)選育出曬紅煙品種塘蓬,該品種對(duì)煙草白粉病免疫,其抗性由隱性單基因控制。隨后以塘蓬為親本育成廣紅5624、81-26、廣黃54等高抗、優(yōu)質(zhì)品種[9]。
2.3.3綜合利用研究 (1)煙葉廢棄物提取綜合利用:我國在煙葉廢棄物的研究應(yīng)用上處于領(lǐng)先地位,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)煙葉中含有多種化合物,包括生物堿、茄尼醇、蛋白質(zhì)、有機(jī)酸等物質(zhì)。其中,煙堿、茄尼醇、植物蛋白是煙葉廢棄物提取綜合利用的主要物質(zhì)。國內(nèi)近幾年對(duì)煙堿提取也相當(dāng)重視,特別是煙堿的經(jīng)濟(jì)價(jià)值得到市場(chǎng)肯定后,在提純分離方面開展了不少工作,也取得了一定進(jìn)展[31-33]。茄尼醇是一種重要的醫(yī)藥中間體,是泛醌類藥物中間體不可替代的成分,是合成維生素K的側(cè)鏈和輔酶Q10以及合成抗?jié)兯幬?、抗癌藥物不可替代的天然原料,在醫(yī)學(xué)上用途廣泛。所以從廢次煙草中提取茄尼醇,不僅能獲得一種重要的醫(yī)藥原料,還可以提高煙草工業(yè)附加值[34-36]。早在20世紀(jì)70年代,美國科學(xué)家就開始利用新鮮煙葉提取植物蛋白的研究,發(fā)現(xiàn)煙草的蛋白質(zhì)含量達(dá)10.68%,與玉米、甘蔗等作物的蛋白質(zhì)含量相當(dāng),按當(dāng)時(shí)美國大豆種植產(chǎn)量水平測(cè)算,每667 m2密植煙草獲取的植物蛋白約為大豆的4倍[37-39]。
(2)廢棄煙桿制備多孔碳材料:近年來,生物質(zhì)碳在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、能源等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。生物質(zhì)材料在無氧環(huán)境下經(jīng)過高溫焙燒工藝即可得到生物質(zhì)碳。煙桿作為煙草生產(chǎn)過程中的一種廢棄物,成本低廉,如能作為生物質(zhì)多孔碳材料制備鋰離子電池負(fù)極材料,不僅能解決其廢料處置的難題,還能為新能源材料提供新思路,變廢為寶,實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用,減緩我國資源缺乏問題。袁清華等[40]利用廣東曬煙品種81-26煙株莖桿制備多孔碳材料,比表面積及電化學(xué)性能表現(xiàn)極佳。
廣東地方種質(zhì)資源的形成是廣東煙草生產(chǎn)栽培不斷發(fā)展、變遷的結(jié)果[41],在明萬歷年間(1573—1620年)即開始有煙草種植,是我國栽培煙草最早的省份之一。在此數(shù)百年間,經(jīng)過長期的自然選擇和人工篩選,在廣東生態(tài)環(huán)境下形成了多種調(diào)制類型、香吃味風(fēng)格特征不同的大小名煙。廣東歷史上的名優(yōu)晾曬煙有:南雄的“黃坑”、“烏逕”、“楊梅坑”、“谷樹塘”、“黃泥塘”、“珠黃塘”、“清水塘”曬黃煙及始興的“馬市煙”,以煙葉色澤金黃,香醇馥郁,余味舒適,燃燒性強(qiáng),煙灰潔白,尼古丁含量適中等優(yōu)點(diǎn)而享譽(yù)國內(nèi)外。封開的“漁撈煙”,煙葉具有吃味勁頭大,香氣特殊、量足、質(zhì)好,燃燒性強(qiáng),煙灰潔白、凝聚力強(qiáng),葉片厚,彈性強(qiáng),中上部煙葉呈深黃色和紅褐色相間虎皮斑等特點(diǎn)。連縣的“星子煙”、“孔塘煙”和連山的“大旭煙”、“福堂煙”,因煙葉顏色深黃,光澤鮮明,具有“濃、香、醇”的特點(diǎn)和勁頭較大、香味濃郁獨(dú)特、吃味醇和飽滿的風(fēng)格而享譽(yù)中外。廉江的“長山煙”、“塘蓬煙”,屬亞雪茄型曬煙,煙葉具有顏色紅褐、光澤鮮明、組織細(xì)致、香氣足、勁頭較大、燃燒性強(qiáng)、煙灰白的特點(diǎn)。鶴山的“云蓼”、“雅窯”曬紅煙以煙葉色澤鮮明紅亮,油分充足,醇香濃烈,久儲(chǔ)不變而著稱于世。著名的晾曬煙還有高州“根子煙”,清遠(yuǎn)“源潭煙”,新會(huì)“杜阮煙”,從化“龍?zhí)稛煛保姲住把蚪菬煛?,增城“派潭煙”、普寧“流沙煙”、仁化“長江煙”、“丹霞煙”,云浮“白石煙”,羅定“連碑煙”,五華“安流生切煙”、“周江煙”,豐順“潘田煙”,平遠(yuǎn)“仁居煙”,懷集“谷嘴煙”,新興“天堂煙”,陽春“春灣煙”,陽江“儒洞煙”,乳源“桂頭煙”等。2003年在國家煙草專賣局公布的《名晾曬煙名錄》中,南雄、始興、封開、連州的曬黃煙和廉江、高州、化州的曬紅煙仍然榜上有名(表1)。
表1 廣東近60年各類型煙區(qū)及主栽品種Table 1 Various types of tobacco areas and main varieties in Guangdong Province in recent 60 years
廣東煙葉生產(chǎn)隨著烤煙主導(dǎo)地位的確立,烤煙面積不斷擴(kuò)大,曬煙面積和產(chǎn)量隨之逐漸減少,但在廣東部分地區(qū)至今仍有曬煙種植,如南雄、連州、封開等地的曬黃煙和廉江的曬紅煙。其中,廉江的曬紅煙主要出口海外。廣東近60年先后育成煙草新品種(系)有25個(gè)(表2)。
煙草種質(zhì)資源是煙草新品種選育和煙葉生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ),我國在煙草種質(zhì)資源收集與保存、鑒定評(píng)價(jià)、種質(zhì)創(chuàng)新等方面都取得了較快發(fā)展[41-42]。展望未來,煙草種質(zhì)資源研究將圍繞探索種質(zhì)資源遺傳多樣性和提高資源利用效率兩個(gè)方面進(jìn)行。
煙草種質(zhì)資源具有公益性、基礎(chǔ)性和不可再生性等特征,現(xiàn)階段種質(zhì)資源保存方式主要以種子形態(tài)在特定環(huán)境中進(jìn)行保存。種子發(fā)芽率隨著保存時(shí)間增加而逐漸下降,需要及時(shí)進(jìn)行繁種更新,保證種子活力。為了有效地保護(hù)所收集種質(zhì)資源,應(yīng)設(shè)立專項(xiàng)內(nèi)容按照計(jì)劃分年度進(jìn)行繁種更新,特別是珍稀、瀕危、特有資源與特色地方品種,以保證煙草種質(zhì)的長期保存。
煙草種質(zhì)資源研究工作主要集中在調(diào)查與收集、保存與評(píng)價(jià)、整合與共享三方面。對(duì)具有優(yōu)異性狀的種質(zhì)資源進(jìn)行重要性狀表型和基因型精準(zhǔn)鑒定及綜合評(píng)價(jià),構(gòu)建表型與基因型數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵平臺(tái),破除數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)共享,挖掘高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、廣適、多抗、養(yǎng)分高效利用、適宜機(jī)械化等重要性狀突出的育種材料,可有效解決我國煙草種質(zhì)資源豐富但育種親本相對(duì)貧乏、育種遺傳基礎(chǔ)狹窄、種質(zhì)資源利用效率低等問題。
目前,煙草種質(zhì)資源遺傳基礎(chǔ)研究較薄弱。煙草育種工作主要靠多親本多組合大海撈針的方式進(jìn)行,攤子鋪得大,成效取得少[24]。基于CRISPR-Cas9的煙草基因編輯技術(shù)日趨成熟,基因組定點(diǎn)編輯(site-specific genome editing)技術(shù)可以在基因組水平上對(duì)DNA序列進(jìn)行定點(diǎn)改造的遺傳操作技術(shù)[44]。利用基因編輯技術(shù)定向創(chuàng)制優(yōu)異種質(zhì)資源,將是煙草種質(zhì)資源研究的重要研究方向。
表2 廣東近60年先后育成的煙草新品種(系)Table 2 New tobacco varieties (lines) in Guangdong Province in recent 60 years