中國兜蘭屬植物種質(zhì)資源保護和利用研究進展*

楊穎婕，黃家林，胡虹，張石寶

(1.中國科學院昆明植物研究所，云南 昆明 650201；2.玉溪師范學院，云南 玉溪 653100)

兜蘭屬(PaphiopedilumPfitz.)隸屬于蘭科(Orchidaceae)杓蘭亞科(Subfam.Cypripedioideae)，全世界約有80種[1-2]，分布于亞洲至太平洋島嶼的熱帶、亞熱帶地區(qū)。中國西南的云南、貴州和廣西是兜蘭屬植物的主要分布區(qū)。但是，大部分種類分布范圍均狹窄，具有一定的區(qū)域性[2-3]。中國位于兜蘭屬物種分布的北緣，特殊的地理分布成就了我國極具特色的兜蘭種質(zhì)資源。

兜蘭屬物種的唇瓣特化成拖鞋狀，因而被稱為拖鞋蘭或者仙履蘭(slipper orchid)。該屬物種因花形獨特、花朵碩大、花色艷麗、花期持久而聞名于世，在全世界擁有眾多的愛好者，是繼蝴蝶蘭(Phalaenopsisspp.)、大花蕙蘭(Cymbidiumspp.)、文心蘭(Oncidiumspp.)、石斛(Dendrobiumspp.)之后最具產(chǎn)業(yè)化前景的蘭花。雖然，兜蘭屬物種在全世界的人工栽培已經(jīng)有100多年的歷史，登記注冊的雜交種已超過27 000個，但是由于其繁殖和栽培困難、生產(chǎn)周期長等原因，兜蘭屬植物生產(chǎn)種植規(guī)模一直較小，其優(yōu)勢的種質(zhì)資源沒有得到充分利用。

因為獨特的觀賞價值、為數(shù)眾多的愛好者和人工栽培困難，兜蘭屬物種的非法采集和貿(mào)易嚴重。例如，杏黃兜蘭(P.armeniacum)和硬葉兜蘭(P.micranthum)曾多次獲得世界蘭花界的最高獎，導(dǎo)致其常被大規(guī)模采挖和非法貿(mào)易[4]。由于兜蘭屬植物在野外通常表現(xiàn)為聚集生長，人為采集時很容易將整個種群的全部個體挖絕，從而導(dǎo)致局域性的絕滅[5]。此外，蘭科植物通常生長緩慢、繁衍周期長、自我更新能力差、短期內(nèi)極難依賴其自身恢復(fù)和擴大種群。再加上兜蘭屬植物大多數(shù)種類的自然生境局限于生態(tài)環(huán)境脆弱的喀斯特地區(qū)，人類活動很容易造成當?shù)氐纳鷳B(tài)退化和生境破壞，嚴重威脅其野生種群的生存和繁衍。

近年來，科研工作者圍繞兜蘭屬物種的保護和可持續(xù)利用，在品種選育、種苗繁育、生態(tài)適應(yīng)、人工栽培、花期調(diào)控、野外回歸等方面開展了大量的研究[6-11]，在資源保護和產(chǎn)業(yè)化栽培利用方面都取得了重要進展。

1 資源保護

目前，所有的野生兜蘭種類均被列入《瀕危野生動植物種國際貿(mào)易公約》附錄I被禁止交易[12]，是所有植物物種中極少數(shù)幾個被整屬列入附錄I的類群之一?！吨袊叩戎参锛t色名錄》收錄了26種兜蘭，其中杏黃兜蘭、白花兜蘭(P.emersonii)、綠葉兜蘭(P.hangianum)等8種兜蘭被評估為極危(CR)，卷萼兜蘭(P.appletonianum)、根莖兜蘭(P.areeanum)、小葉兜蘭(P.barbigerum)等11種兜蘭被評估為瀕危(EN)，同色兜蘭(P.concolor)、長瓣兜蘭(P.dianthum)、帶葉兜蘭(P.hirsutissimum)等7種兜蘭被評估為易危(VU)[13]。因此,兜蘭也被稱為“植物大熊貓”。

1.1 遷地保護

珍稀瀕危植物的保護主要有3種方法：就地保護、遷地保護和自然回歸[14]。目前，國內(nèi)主要是廣西雅長蘭科植物國家級自然保護區(qū)在開展兜蘭的就地保護。對于大部分珍稀植物而言，遷地保護是最實用的物種保護手段[14]。英國皇家植物園邱園在20世紀就已引種了60多個兜蘭屬原生種。我國對兜蘭屬植物的引種馴化和遷地保護的研究起步較晚，但近年來已取得突出成績。目前對國產(chǎn)兜蘭屬植物已有較為系統(tǒng)的資源調(diào)查，并在不破壞野生群落的基礎(chǔ)上開展了兜蘭屬植物的遷地保護；部分種類由于個體過少，也會采取直接在野外開花植株上進行人工授粉，獲得種子后再進行無菌播種獲得實生苗的方式對其進行遷地保護。中國科學院昆明植物研究所和中國科學院華南植物園等科研單位都建立有專門的兜蘭屬種質(zhì)資源圃，黔西南州綠緣動植物科技開發(fā)有限公司于2020年建成了國家級兜蘭屬種質(zhì)資源庫(貴州省興義市萬峰林街道辦納綠村綠緣園藝場)。

1.2 野外回歸

對于蘭科植物來說，由于它們在進化過程中與真菌和昆蟲建立了緊密、甚至是高度專一的協(xié)同關(guān)系，因此其生存繁衍高度依賴生存環(huán)境，遷地保護的環(huán)境難以滿足它們的繁衍(如授粉昆蟲)需求，野外回歸可能是其更有效的保護策略[15-16]。然而，蘭科植物的回歸面臨著比其他植物更多的困難，首先需要解決回歸材料的擴繁，同時還需要考慮回歸地的生境、共生真菌以及和其他動植物之間的相互關(guān)系等，因此目前蘭科植物的回歸工作仍處于起步階段[16]。隨著兜蘭屬植物繁殖生物學、環(huán)境適應(yīng)性、菌根真菌等研究的不斷深入，以及對其種苗繁育技術(shù)的攻克，近年來國內(nèi)以中國科學院昆明植物研究所、中國科學院華南植物園、深圳市蘭科植物保護研究中心等單位開始嘗試開展兜蘭的野外回歸及相關(guān)研究工作，在杏黃兜蘭、硬葉兜蘭、帶葉兜蘭、白花兜蘭等種類中取得了階段性的成果[17-18]。未來還需在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，堅持開展兜蘭野外重建種群的長期監(jiān)測，不斷優(yōu)化幼苗的回歸技術(shù)，擴大其回歸的種類和數(shù)量。

2 開發(fā)利用

2.1 雜交育種

花卉具有很強的新奇屬性，品種創(chuàng)新是花卉產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心競爭力。兜蘭的雜交育種在國外已有150多年的歷史，第一個兜蘭人工雜交種P.harrisianum于1854年育成[19]，如今在英國皇家園藝學會(The Royal Horticultural Society，RHS)正式注冊登錄的兜蘭雜交種已超過27 000個。就種類而言，中國是世界上兜蘭屬植物最豐富的國家，可為兜蘭的育種工作提供充足的基礎(chǔ)材料。但中國的兜蘭雜交育種工作起步較晚，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新品種極其缺乏，尤其是缺少觀賞性好、開花率高、幼年期短的優(yōu)質(zhì)新品種。目前我國大陸花卉市場上種植的兜蘭品種主要是從歐美、中國臺灣等地進口的標準型兜蘭(肉餅兜蘭Standard Type)和魔帝類雜交種(魔帝兜蘭Maudiae Type)以及少量原生種。近年來，國內(nèi)的兜蘭雜交育種開始迅速發(fā)展，通過對核心種質(zhì)資源的深入挖掘，現(xiàn)已對兜蘭雜交親本的親和性及性狀遺傳規(guī)律有了較清晰的認識，培育出了100余個優(yōu)質(zhì)新品種。值得一提的是，目前兜蘭消費市場的主力品系是由紫毛兜蘭(P.villosum)、波瓣兜蘭(P.insigne)等隸屬于兜蘭亞屬(Subgen.Paphiopedilum)的原生種經(jīng)過反復(fù)多代雜交而成的肉餅兜蘭，而利用具有中國特色的小萼亞屬(Subgen.Parvisepalum)和寬瓣亞屬(Subgen.Brachypetalum)作為親本進行反復(fù)雜交育種的工作并不多。近年來，中國科學院昆明植物研究所以德氏兜蘭(P.delenatii)等小萼亞屬原生種類雜交獲得的新品種均具有花瓣顏色秀麗、株型優(yōu)美等優(yōu)點，且更適應(yīng)北亞熱帶、溫帶地區(qū)的冷涼氣候，具有較廣闊的市場前景。

不同時期的兜蘭品種選育重點都在發(fā)生變化。19世紀至20世紀初大多選育花色艷麗、花瓣和萼片大而圓整的肉餅兜蘭，隨后具有斑點的褐紅色魔帝型兜蘭成為育種的熱點[20]。隨著社會經(jīng)濟的進步，未來兜蘭的育種方向還會發(fā)生改變，整體而言是希望將盡可能多的優(yōu)良性狀集中到一個品種中，使其符合人們的審美情趣和市場需求，其中縮短生長期、拓展栽培適應(yīng)范圍、培育多花品種可能是以后品種改良的重點。

2.2 種苗繁殖

兜蘭屬植物種子數(shù)量眾多，但缺少胚乳，需要共生真菌提供必要的養(yǎng)分才能萌發(fā)，因此自然條件下其種子萌發(fā)十分困難[21]。人工繁殖可以通過無性(分株繁殖、無性克隆)和有性(種子無菌萌發(fā)、有菌萌發(fā))繁殖方式。分株繁殖是較為傳統(tǒng)的繁殖手段，但繁殖系數(shù)低、速度慢，難以滿足物種保護和商品生產(chǎn)的需求[22]。利用共生真菌促進兜蘭屬植物種子萌發(fā)和幼苗生長的研究已有報道[23-24]，但針對共生真菌的分離操作較為繁瑣，很難找到合適的共生菌，因此種子共生萌發(fā)技術(shù)尚不能投入實際生產(chǎn)。目前兜蘭的商業(yè)化繁殖主要是通過無菌萌發(fā)來實現(xiàn)[25]。影響兜蘭屬植物種子非共生萌發(fā)的因素主要包括種子成熟度、預(yù)處理方法、培養(yǎng)基成分、培養(yǎng)方式和培養(yǎng)條件等[26]。除了外界因素外，也與自身基因型有關(guān)[27]，因此不同種類的無菌萌發(fā)所需的條件有異。隨著人工制種、培養(yǎng)條件及措施的不斷優(yōu)化，目前大部分兜蘭屬種類的無菌萌發(fā)技術(shù)已經(jīng)得以攻克[28-36]，具備了規(guī)?；姆N苗生產(chǎn)能力。有些兜蘭的種子無菌萌發(fā)非常困難(如虎斑兜蘭P.markianum)。姚林伶[37]研究發(fā)現(xiàn)，虎斑兜蘭啟動萌發(fā)和完成萌發(fā)的時間都較早，但在分化階段生根較差，幼苗的長勢不佳，且在萌發(fā)階段原球莖褐變嚴重，這可能是虎斑兜蘭萌發(fā)及成苗困難的主要原因?，F(xiàn)通過對培養(yǎng)基成分的優(yōu)化，已建立高萌發(fā)率和植株再生率的虎斑兜蘭種子無菌萌發(fā)體系[37]。

無菌萌發(fā)技術(shù)的成熟應(yīng)用可以基本滿足市場對兜蘭種苗的需求，解決了對野生資源的依賴，但無法解決優(yōu)良性狀維持、縮短營養(yǎng)期等問題。無性克隆可以快速獲得整齊且能保留親本優(yōu)良性狀的種苗，是花卉大規(guī)模繁殖的理想方式，蝴蝶蘭和大花蕙蘭等蘭科植物都是以組織培養(yǎng)方式進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[38]。但兜蘭屬植物的無性克隆難度極大，雜交種的無性克隆比原生種相對容易，原因主要是外植體易受細菌和真菌污染、自身生長緩慢、培養(yǎng)中容易褐化等[39-40]。國外雖已有幾例利用試管苗組織培養(yǎng)成功的報道[41-43]，尚未有利用無性克隆大規(guī)模生產(chǎn)的報道。近期，中國科學院華南植物園和中國科學院昆明植物研究所在魔帝類、肉餅類等雜交種的組織培養(yǎng)方面獲得了初步成功[22,33,37]，但還需要進一步對技術(shù)進行熟化研究。

2.3 人工栽培

大部分蘭科植物生長較為緩慢，從幼苗到開花需要通常3～4 a[44]，甚至更長。營養(yǎng)期過長也一直是制約兜蘭產(chǎn)業(yè)化開發(fā)的重要難題之一。中國科學院昆明植物研究所通過對兜蘭屬植物環(huán)境適應(yīng)性的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)兜蘭屬植物大多生長在喀斯特地區(qū)，經(jīng)常會面臨水分的虧缺。為了適應(yīng)這種特殊生境，該屬植物衍生出較厚的葉片和角質(zhì)層、下陷的氣孔和缺失葉綠體的保衛(wèi)細胞等葉片結(jié)構(gòu)特征[45-47]，這種特殊的葉片構(gòu)造有助于植株最大化地保存自身水分，但也明顯增加了葉片內(nèi)CO2的擴散阻力，導(dǎo)致兜蘭的光合能力普遍較低[47-48]。此外，兜蘭屬植物對光強和氮營養(yǎng)需求較低，對零上低溫敏感[47-50]。通過這些研究，優(yōu)化了兜蘭的栽培技術(shù)，縮短了兜蘭從幼苗到開花的時間，目前部分種類從幼苗出瓶到開花的時間可縮短為26～30個月。目前，有近20種(或者品種)已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)模化的人工栽培，但是對兜蘭規(guī)?；耘嗉夹g(shù)的掌握遠不如蝴蝶蘭和大花蕙蘭成熟，仍需要進一步深化研究。

2.4 花期調(diào)控

花卉消費的時令性強，兜蘭屬植物的單朵花期較長，通?？梢蚤_放30～60 d，觀賞期持久是其作為商品盆花的一項重要指標及優(yōu)勢。除此之外，開花盛期與消費旺季匹配也是生產(chǎn)者關(guān)注的重要問題。該屬植物的單個物種通常1 a只開1次花，且自然開花期變化較大，全年都可能有不同種類的兜蘭開花，大致可分為春季開花和秋季開花兩類。以往對兜蘭屬植物花芽的發(fā)育過程及成花誘導(dǎo)的機制都缺乏認識，難以人為干預(yù)開花時間，導(dǎo)致其常常錯過消費旺季。皮秋霞等[10,51]、夏倩等[52]研究發(fā)現(xiàn)，兜蘭的花芽分化過程大致可以分為6個階段：未分化期、花序原基分化期、花原基分化期、花萼原基分化期、花瓣原基分化期和合蕊柱分化期。不同兜蘭種類的發(fā)芽分化啟動時間基本一致，而花芽分化時間的差異是導(dǎo)致不同種類兜蘭花期分化的主要原因。此外，研究還發(fā)現(xiàn)適度增溫可以促進兜蘭的花芽啟動和發(fā)育。中國科學院昆明植物研究所基于對兜蘭屬植物花芽發(fā)育過程的掌握，形成了春季開花種類的花期調(diào)控技術(shù)。目前主要通過調(diào)節(jié)夜間溫度、輔以施加赤霉素(GA3)和6-芐基嘌呤(6-BA)，能使部分兜蘭比自然花期提前或推遲30～60 d整齊開花，催花率可達90.5%?；ㄆ谡{(diào)控技術(shù)的突破實現(xiàn)了兜蘭在“春節(jié)”“元旦”及“五一”等重要節(jié)日的批量供花，這對于其產(chǎn)業(yè)化開發(fā)具有重要意義，有助于最大化獲得市場收益。后續(xù)還需進一步熟化現(xiàn)有技術(shù)，擴大調(diào)控范圍，尤其需要針對秋季開花種類進行花期調(diào)控的技術(shù)攻關(guān)。

3 研究展望

無論從觀賞性還是資源狀況來看，兜蘭屬植物都是特色鮮明、產(chǎn)業(yè)前景廣闊的野生花卉種質(zhì)資源。隨著種苗擴繁、生產(chǎn)栽培、花期調(diào)控等技術(shù)的突破，人工批量生產(chǎn)的兜蘭種苗能夠基本滿足市場需求，也可用于遷地保護和野外回歸，這對于兜蘭種質(zhì)資源的有效保護和合理開發(fā)具有突出貢獻。雖然兜蘭的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)已經(jīng)邁出了實質(zhì)性的步伐，但目前的栽培規(guī)模及市場份額還遠遠小于大花蕙蘭、蝴蝶蘭和石斛等蘭花，重要原因是兜蘭的商業(yè)化生產(chǎn)依然存在一些技術(shù)瓶頸，營養(yǎng)期長、種苗繁殖效率低、自主研發(fā)的良種缺乏等問題導(dǎo)致其生產(chǎn)效率欠佳，生產(chǎn)成本較高，難以實現(xiàn)訂單式生產(chǎn)。此外，目前兜蘭的品種選育仍然主要依靠傳統(tǒng)的雜交育種手段，無法克服遠緣雜交不親和的問題，育種效率也相對較低，將分子育種等現(xiàn)代化生物技術(shù)應(yīng)用到兜蘭的種質(zhì)創(chuàng)新中是后續(xù)值得開拓的研究方向。未來，組織培養(yǎng)技術(shù)的突破、生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)化以及種質(zhì)創(chuàng)新仍是兜蘭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點攻關(guān)方向。