條斑紫菜的種質(zhì)創(chuàng)新與應(yīng)用*

周 偉，胡傳明，陸勤勤，許廣平 ，楊立恩，田翠翠，鄧銀銀**

(1.江蘇省海洋水產(chǎn)研究所，江蘇南通 226007;2.江蘇省農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護(hù)與利用平臺(tái),江蘇南京 210014)

0 引言

紫菜(Pyropia)隸屬于紅藻門(Rhodophyta)紅藻綱(Rhodophyceae)紅毛菜亞綱(Bangiophycidae)紅毛菜目(Bangiales)紅毛菜科(Bangiaceae)，是一種廣溫性海藻，分布于南、北半球的寒帶至熱帶地區(qū)[1]。紫菜一般生長于沿海潮間帶的巖礁上，或附生在其他海藻上[2]。據(jù)報(bào)道，世界上約有134種紫菜。目前我國已記載有24個(gè)種或變種，其中主要栽培種類為北方的條斑紫菜(Pyropiayezoensis)和南方的壇紫菜(Pyropiahaitanensis)。紫菜的大規(guī)模人工栽培不僅具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且還可以保持近海養(yǎng)殖生態(tài)平衡及碳循環(huán)，創(chuàng)造重要的生態(tài)效益[3]。但是，近年來由于全球氣候變化以及栽培密度過大等問題，條斑紫菜栽培產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定性和可持續(xù)發(fā)展受到影響。而優(yōu)良種質(zhì)是條斑紫菜規(guī)?；a(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的基石，因此，本文對(duì)條斑紫菜良種培育及其應(yīng)用進(jìn)行回顧與分析，并探討了其種質(zhì)創(chuàng)新的新思路。

1 紫菜栽培現(xiàn)狀

紫菜是世界上最重要的人工栽培海藻之一，目前在全球范圍內(nèi)有20多億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模[1]。中國、日本和韓國是紫菜的主要栽培國家。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO)統(tǒng)計(jì)的2000-2017年紫菜生產(chǎn)數(shù)據(jù)，中國紫菜年產(chǎn)量逐年增加，至2017年年產(chǎn)量達(dá)到1.7×106t，年產(chǎn)值達(dá)到1.1×106美元，是目前最大的紫菜生產(chǎn)國。韓國近幾年的紫菜產(chǎn)量和產(chǎn)值也在逐步增加，至2017年年產(chǎn)值達(dá)到5.4×105美元。近二十年里，日本紫菜年產(chǎn)量十分穩(wěn)定(約3×105t)，年產(chǎn)值高達(dá)8.3×105美元，為單價(jià)最高的紫菜生產(chǎn)國(圖1)。

圖1 中國、日本和韓國在2000-2017年紫菜的產(chǎn)量和產(chǎn)值(數(shù)據(jù)來自FAO)

條斑紫菜(Pyropiayezoensis)作為中國、日本和韓國的主要紫菜栽培品種，其產(chǎn)品的加工具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。在我國，條斑紫菜栽培生產(chǎn)是我國長江以北人工栽培海藻中最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的產(chǎn)業(yè)[3]。條斑紫菜品質(zhì)優(yōu)良，年產(chǎn)量6 000 t左右，其產(chǎn)值占我國紫菜總產(chǎn)值的一半左右。江蘇省作為條斑紫菜主產(chǎn)區(qū)，歷經(jīng)三十多年的發(fā)展過程，無論是栽培面積、產(chǎn)量，還是配套產(chǎn)業(yè)規(guī)模都已占據(jù)全國的95%以上，其中栽培面積約2.1×104hm2(年平均遞增率1.6%)，育苗室面積約3.2×105m2，各類作業(yè)船500艘，拖拉機(jī)、收獲機(jī)等專業(yè)機(jī)械1 000臺(tái)以上，各類加工機(jī)組600多套(臺(tái))，干紫菜加工機(jī)組523臺(tái)，二次加工生產(chǎn)線100條以上，從業(yè)人員5萬多人，行業(yè)總產(chǎn)值30億元左右[4]。

隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，條斑紫菜產(chǎn)業(yè)目前面臨許多問題，急需研究解決，而條斑紫菜栽培產(chǎn)業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展有賴于良種的選育與應(yīng)用。因此，中國、日本和韓國為滿足條斑紫菜產(chǎn)業(yè)規(guī)?；耘嗪蛻?yīng)用，根據(jù)不同的育種目標(biāo)需求，通過一定的育種手段培育出一些具有優(yōu)良性狀的條斑紫菜新品種。

2 育種目標(biāo)

紫菜育種是篩選培育出具有優(yōu)良性狀的、且能穩(wěn)定遺傳的紫菜新品種。隨著栽培生產(chǎn)和市場發(fā)展對(duì)條斑紫菜產(chǎn)品的多樣化需求，其育種目標(biāo)也隨之發(fā)生改變，大致可分為4個(gè)目標(biāo)，下文詳細(xì)介紹。

2.1 以產(chǎn)量為目標(biāo)

紫菜的良種培育始于20世紀(jì)70年代，研究者發(fā)現(xiàn)栽培的紫菜種質(zhì)質(zhì)量性狀退化，所以產(chǎn)量是當(dāng)時(shí)的主要育種目標(biāo)[5]。在品種選育中，紫菜葉狀體的生長速度是鑒定品種產(chǎn)量的一個(gè)重要指標(biāo)。中國科學(xué)院黃海水產(chǎn)研究所專家培育出一種新的長葉形條斑紫菜品種，海區(qū)試驗(yàn)顯示其比原有養(yǎng)殖品種生長快，增產(chǎn)幅度約為15%[6]。Lee等[7]和Ma等[8]分別分離出生長速度快的新品系PyE2和E，在實(shí)驗(yàn)室條件下，兩者生長速度均顯著高于各自對(duì)應(yīng)的野生型，且該性狀穩(wěn)定遺傳。Park等[9]對(duì)一株快速生長的品系Py2K進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)紫菜生長速度加快很可能是由于藻體對(duì)氮源的吸收能力增加而引起的。

此外，無性生殖的單孢子是條斑紫菜栽培不可缺少的重要種苗來源。據(jù)觀察，人工采苗附著的殼孢子苗下海后會(huì)因種種影響因素不斷脫落，最終在栽培網(wǎng)上形成穩(wěn)定幼苗群體的主要是單孢子苗群[10]。所以條斑紫菜的產(chǎn)量不僅取決于藻體的生長速度，而且與是否形成合理的單孢子苗群息息相關(guān)。例如，我國的條斑紫菜新品種“蘇通1號(hào)”和“蘇通2號(hào)”單孢子放散條件較寬，易形成合理的幼苗種群結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)栽培品系增產(chǎn)15%以上，顯示出高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的特點(diǎn)[11，12]。

2.2 以品質(zhì)和營養(yǎng)為目標(biāo)

隨著中國、日本和韓國紫菜產(chǎn)業(yè)競爭激烈，市場對(duì)紫菜產(chǎn)品的品質(zhì)和營養(yǎng)提出了更高的要求[13]。因此，藻體的品質(zhì)和營養(yǎng)成分含量成為鑒定條斑紫菜優(yōu)異種質(zhì)的又一關(guān)鍵指標(biāo)。條斑紫菜品質(zhì)的好壞主要取決于3種光合色素和蛋白(葉綠素a、藻紅蛋白和藻藍(lán)蛋白)的含量[14]，是條斑紫菜優(yōu)良品系重要的篩選指標(biāo)[15-17]。紫菜的主要營養(yǎng)成分有可溶性蛋白、游離氨基酸和脂肪酸等[18]，因此在條斑紫菜新品種“蘇通1號(hào)”和“蘇通2號(hào)”的初期選育中，藻體的可溶性蛋白、游離氨基酸、總脂肪酸、不飽和脂肪酸成分和含量是營養(yǎng)成分的篩選指標(biāo)[11，12]；在不同海區(qū)的栽培試驗(yàn)中，通過品質(zhì)和營養(yǎng)成分分析可篩選出合適條斑紫菜“黃優(yōu)1號(hào)”生長的栽培海區(qū)[19]。

2.3 以抗逆性為目標(biāo)

近十幾年來，受全球氣候變暖的影響，紫菜栽培海區(qū)的水溫隨之升高，紫菜的萌發(fā)與生長受到影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模掉苗和爛苗現(xiàn)象，給紫菜生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[20]。因此，培育耐高溫紫菜品種對(duì)紫菜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。Shin等[21]、黃文等[22]分別培育出耐高溫品系HTR-1、T-17，在高溫條件下，藻體的生長、色素含量、光合效率以及單孢子釋放量都顯著優(yōu)于野生型。Ding等[23]分離出一株耐高溫條斑紫菜品系YZ-4，其F1代的藻體在高溫下的生長速度顯著高于野生型。Lee等[24]分離出一株耐高溫品系Py500G，通過蛋白組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在高溫條件下耐高溫品系的光合作用、能量代謝和氧化還原穩(wěn)態(tài)蛋白質(zhì)水平增加，從而使得紫菜抗逆性能力增強(qiáng)。

2.4 以抗病害為目標(biāo)

由于海洋酸化、污染以及栽培密度不合理等原因，條斑紫菜在栽培期易受到細(xì)菌、真菌的感染，導(dǎo)致赤腐病、壺狀菌病和綠斑病等3種主要病害頻發(fā)，嚴(yán)重影響條斑紫菜的產(chǎn)業(yè)發(fā)展[25]。2013年，在韓國Seocheon的紫菜養(yǎng)殖區(qū)大規(guī)模爆發(fā)了一種由壺狀菌(Olpidiopsisspp.)引起的壺狀菌病，造成大約160萬美元的損失，占該地區(qū)2013-2014年度紫菜總銷售額的10.7%[26]。由腐霉菌(Pythiumchondricola)引起的赤腐病和由PyroV1病毒(Pyropia-infecting virus 1)引起的綠斑病，也會(huì)給紫菜產(chǎn)業(yè)帶來巨大損失[27，28]，因此培育抗病害的優(yōu)異種質(zhì)迫在眉睫。近期，韓國藻類研究者Park等[29]從感染赤腐病的條斑紫菜中分離出存活的營養(yǎng)細(xì)胞，成功培育出兩株抗赤腐病的新品種AP1和AP2，這兩個(gè)新品種在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)腐霉菌產(chǎn)生部分穩(wěn)定的抗性，有望成為抗赤腐病病害的優(yōu)異種質(zhì)。

3 種質(zhì)創(chuàng)新方法

紫菜育種技術(shù)是通過人為的方式，固定或改變紫菜的遺傳性狀，培育出能穩(wěn)定遺傳且具有優(yōu)良性狀的新品種。條斑紫菜育種技術(shù)主要有3種，包括選擇性育種、誘變育種和雜交育種。

3.1 選擇性育種

選擇性育種技術(shù)，是通過從野生群體或栽培群體中選取具有優(yōu)良性狀的個(gè)體作為親本，通過連續(xù)幾代的栽培，重復(fù)選擇性狀優(yōu)良的個(gè)體，直至形成穩(wěn)定遺傳的良種[30]。20世紀(jì)70年代，日本最早開展條斑紫菜的選育研究，在紫菜栽培群體中篩選出長約40 cm、寬15-20 cm的個(gè)體，經(jīng)過數(shù)年反復(fù)篩選獲得具有穩(wěn)定遺傳性狀的栽培品種“奈良輪條斑紫菜” (P.yezoensisf.narawaensis)，對(duì)日本紫菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到重要推動(dòng)作用[31，32]。我國條斑紫菜的人工栽培始于20世紀(jì)70年代，早期栽培生產(chǎn)和良種選育的主要種源均來自于山東青島海域采集的條斑紫菜自然種群。20世紀(jì)80年代初，中國科學(xué)院黃海水產(chǎn)研究所專家根據(jù)前述日本學(xué)者的方法選育出1個(gè)長葉形條斑紫菜新品種[6]。近期，韓國藻類研究者Park等[29]通過選擇性育種方法培育出兩株抗赤腐病的新品種AP1和AP2。

在條斑紫菜選擇性育種中，藻體表型性狀易于觀察和挑選，且選育過程在海區(qū)進(jìn)行，能表現(xiàn)出較好的海區(qū)適應(yīng)性，在早期可以較為快速地選育出適宜生產(chǎn)栽培的新品種。

3.2 誘變育種

誘變育種技術(shù)是指利用物理或化學(xué)等誘變方法，誘發(fā)植物組織細(xì)胞產(chǎn)生基因突變，再從突變體中篩選出在藻體生長和生理生化等方面具有優(yōu)勢(shì)的個(gè)體過程[33]。關(guān)于紫菜人工誘變育種所使用的誘變劑主要有化學(xué)誘變劑N-甲基-N′-硝基-N-亞硝基胍(MNNG)、甲基磺酸乙酯(EMS)，以及物理誘變劑γ-射線、重離子束等。

在化學(xué)誘變方面，許璞[34]和王金峰等[35]利用MNNG處理?xiàng)l斑紫菜的葉狀體、營養(yǎng)藻絲和殼孢子，均可產(chǎn)生色素突變體，而這些色素突變體可用于后續(xù)的育種工作。Lee等[7]和Ma等[8]均采用EMS對(duì)條斑紫菜的葉狀體進(jìn)行誘變處理，分別分離出一種生長速度快的品系。在物理誘變方面，γ-射線因穿透力強(qiáng)、誘發(fā)突變率高、周期短等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。Wang等[36]證實(shí)60Co-γ射線對(duì)條斑紫菜葉狀體的誘變效果較好。隨后利用該技術(shù)，江蘇省海洋水產(chǎn)研究所聯(lián)合常熟理工學(xué)院研究培育出中國第一、第二個(gè)條斑紫菜新品種“蘇通1號(hào)”和“蘇通2號(hào)”。另外，Niwa等利用重離子束誘變條斑紫菜并成功獲得色素突變體[37]，隨后利用重離子束進(jìn)一步誘導(dǎo)該突變體，獲得可以萌發(fā)形成嵌合體的單孢子[38]。

誘變育種隨機(jī)性大，誘變方向和性質(zhì)不能控制，較難實(shí)現(xiàn)有目的的調(diào)控，但能在短時(shí)間內(nèi)獲得大量突變體，將其與人工誘變、逆境脅迫相結(jié)合，也可較容易地選育出紫菜抗逆品系。

3.3 雜交育種

雜交育種技術(shù)是將不同基因型的紫菜品系雜配，從雜交種中選取在生長、生化方面具有優(yōu)勢(shì)的新品種的方法。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是能有目的地將親本的優(yōu)良性狀集中到雜交后代中，發(fā)揮雜交重組優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生在性狀上超過親本的類型。日本藻類學(xué)家Miura等[31]利用色素突變體雜交培育新品種，成功培育出色澤優(yōu)、產(chǎn)量高的第一個(gè)人工紫菜新種質(zhì)(日本國品種登錄名“曉光”)，成為20世紀(jì)90年代中后期日本最為盛行的栽培品種。劉美君等[15]將野生型條斑紫菜和紅色突變體雜交選育，分離出1個(gè)耐高溫的重組優(yōu)良品系(HW-4)。唐隆晨等[16]和江灝等[17]將條斑紫菜紅色突變體和綠色突變體雜交，在實(shí)驗(yàn)室分別選育出一種生長速度快、品質(zhì)優(yōu)的新品系(LC-14和A-18)，有望在生產(chǎn)中應(yīng)用。

4 種質(zhì)應(yīng)用

中國、日本和韓國作為條斑紫菜栽培的主產(chǎn)國，各自培育了許多條斑紫菜新品種，用以滿足不同海區(qū)、栽培方式、市場等各方面的發(fā)展。20世紀(jì)90年代以來，我國藻類學(xué)工作者在紫菜育種學(xué)研究方面取得多項(xiàng)科技成果。特別是1999年農(nóng)業(yè)部批準(zhǔn)的“國家級(jí)紫菜種質(zhì)庫”的建設(shè)運(yùn)行，在總結(jié)我國紫菜育種的技術(shù)與成果的基礎(chǔ)上，建立了紫菜種質(zhì)制備、保存與應(yīng)用的技術(shù)方法和規(guī)范，并獲得了一批穩(wěn)定的育種材料。2014年與2015年，由江蘇省海洋水產(chǎn)研究所和常熟理工學(xué)院聯(lián)合研發(fā)的條斑紫菜“蘇通1號(hào)”與“蘇通2號(hào)”分別成為我國第一、第二個(gè)經(jīng)國家審定批準(zhǔn)的條斑紫菜新品種。在相同栽培條件下，與普通條斑紫菜品種相比，新品種不僅產(chǎn)量提高15.0%以上，而且藻體制品品質(zhì)優(yōu)良，銷售價(jià)格比市場平均價(jià)高出10.0%[11，12]。

近年來，韓國利用選擇性育種方法培育出6個(gè)具有優(yōu)良性狀且已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)的條斑紫菜新品種[39]。日本目前也有13個(gè)條斑紫菜新品種在其國家農(nóng)業(yè)部注冊(cè)認(rèn)證，雖然新品種的來源、育種方式等未知，但大多數(shù)已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中[39]。條斑紫菜新品種的推廣應(yīng)用使得紫菜產(chǎn)業(yè)擺脫對(duì)野生種質(zhì)的過度依賴，從根本上促進(jìn)條斑紫菜產(chǎn)業(yè)穩(wěn)定、健康發(fā)展(表1)。

表1 中國、日本和韓國已認(rèn)證的條斑紫菜新品種

續(xù)表1

5 展望

5.1 育種技術(shù)有待創(chuàng)新

在條斑紫菜種質(zhì)創(chuàng)新和應(yīng)用的實(shí)踐中，一般需要將多個(gè)選育手段結(jié)合起來。如對(duì)野生條斑紫菜絲狀體進(jìn)行γ-射線和強(qiáng)光脅迫處理，經(jīng)過連續(xù)4代的群體選育，篩選出生長速度快、色澤好及抗高光脅迫的“蘇通2號(hào)”[12]；將條斑紫菜經(jīng)過γ-射線和高溫脅迫處理，最終篩選出抗高溫的條斑紫菜新品種“Sugwawon No.104”(韓國)[21]?，F(xiàn)有研究基本上是先誘變育種和抗逆性脅迫處理，再經(jīng)過海區(qū)篩選，最終獲得性狀優(yōu)良且產(chǎn)量穩(wěn)定的新品種，這是目前能較快獲得條斑紫菜新品種的選育方法。與其他作物相比，紫菜的育種技術(shù)還處于較初級(jí)階段，下一步可以考慮從基因水平出發(fā)，利用先進(jìn)的測(cè)序技術(shù)及分子生物學(xué)手段，進(jìn)行紫菜基因型與表型的篩選，縮短育種周期，提高育種的精準(zhǔn)性。

5.2 種質(zhì)混雜問題

隨著條斑紫菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展與主產(chǎn)區(qū)北移，即由江蘇南通沿岸海域北移至江蘇北部(連云港)、山東威海以及渤海灣等沿岸海域[40]，產(chǎn)業(yè)上應(yīng)用的種質(zhì)混雜情況日趨嚴(yán)重。種質(zhì)來源模糊、種質(zhì)特性不清楚，對(duì)生產(chǎn)上的育苗效率和栽培效果影響較大[41]。建立不同品系單獨(dú)的栽培系統(tǒng)，對(duì)不同品系進(jìn)行性狀評(píng)價(jià)并掌握其種質(zhì)特性是育種工作的重要部分。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同海區(qū)的特點(diǎn)合理應(yīng)用種質(zhì)才能達(dá)到較好的應(yīng)用效果。

5.3 種質(zhì)適應(yīng)性

適應(yīng)性是紫菜栽培良種選育的重要指標(biāo)之一。無論采取何種育種方法，所獲得的良種往往存在難育的瓶頸問題，只有通過海區(qū)生產(chǎn)中試，研究出不同種質(zhì)所配套的育苗和栽培技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)良種大規(guī)模推廣應(yīng)用。

條斑紫菜新品種的推廣，促進(jìn)了中國、日本和韓國紫菜產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但與整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模相比，條斑紫菜的新品種良種性狀單一，特別是高值化優(yōu)良性狀的栽培品種尚未形成，難以滿足產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?、多樣性的栽培和生產(chǎn)要求。下一步需加大育種創(chuàng)新和應(yīng)用的研究力度，在育種技術(shù)研究、特色性狀種質(zhì)開發(fā)、良種性狀評(píng)估技術(shù)等方面進(jìn)一步突破，以提高我國條斑紫菜優(yōu)異種質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量。