珍貴樹種胡桃楸雜交育種研究概述

袁顯磊,祁永會,逄宏揚,劉忠玲,王福德*

(1.黑龍江省林業(yè)科學研究所，哈爾濱 150081；2.黑龍江省林業(yè)科學院牡丹江分院，黑龍江 牡丹江 157010)

珍貴樹種[1]是屬于我國特產稀有或瀕于滅絕的樹種以及目前雖有一定數量，但也逐漸減少的優(yōu)良樹種的統(tǒng)稱；是國家的寶貴自然資源，也是自然環(huán)境的重要組成部分。胡桃楸作為我國東北地區(qū)重要的珍貴闊葉樹種，早在1992年林業(yè)部下發(fā)林護(1992)56號文件《林業(yè)部關于保護珍貴樹種的通告》中就確定胡桃楸為國家二級保護樹種，直至最新版《中國主要栽培珍貴樹種參考名錄(2017年)》，胡桃楸依然被列為我國主要栽培的珍貴樹種，可見胡桃楸在國家林業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略以及生態(tài)經濟發(fā)展中的重要性地位[2]。

雜交育種是通過親本選擇、控制授粉以及對雜種苗的選擇、培育等技術創(chuàng)造新類型或新品種的育種方法。它是傳統(tǒng)的樹木育種主要的方法之一[3]。以用材為主要用途的胡桃楸是中生珍貴樹種，其生長速度較慢；而胡桃楸結實晚，且果殼堅硬、厚，不易取仁則是其堅果利用的弊端。因此，為充分利用胡桃楸資源，需要進行對胡桃楸進行深入的、有目的的雜交育種(最為安全的育種方式)或基因育種(具有安全的不確定性)研究，在確保未來生態(tài)和經濟安全的目標下，采用常規(guī)雜交育種來分別獲得材性好、生長速度快、果殼較薄、易取仁等優(yōu)點的新品種，為國家儲備林、林農提供生態(tài)、經濟價值兼顧的新品系，豐富胡桃楸基因多樣性。在藥用價值方面，胡桃楸全身為寶，皆可入藥。因此，胡桃楸的雜交育種選擇域廣，雜種利用率高，不僅可保證生態(tài)需要，又可兼顧經濟效益?？梢姾议钡碾s交育種工作是非常必要，且科學意義、現(xiàn)實意義重大。 總結了我國胡桃楸雜交育種取得的進展，并提出了我國胡桃楸雜交育種中存在的不足及對策，為我國胡桃楸雜交育種提供參考。

1 胡桃楸分布與用途

1.1 胡桃楸分布

胡桃楸(JuglansmandshuricaMaxim.)是胡桃科胡桃屬植物，又名核桃楸、山核桃、楸子等。主要分布于黑龍江、吉林、遼寧，內蒙古哲里木盟大青溝、山西、河北、河南、山東散生，俄羅斯遠東地區(qū)、朝鮮北部、日本也有分布[4-5]。

1.2 胡桃楸的經濟用途

胡桃楸用途廣泛，不僅木材優(yōu)良(木材反張力小，不撓不裂，可作槍托、車輪、建筑等重要材料)，果實具有較高的經濟價值(種仁可食，種子可榨油食用等)，同時，外果皮、樹皮、葉可提取栲膠，樹皮纖維可作造紙等原料，枝、葉、皮可作農藥[4]，果核可加工高級工藝品[6]。因此，胡桃楸應用領域廣，具有較高的經濟價值，可多用途發(fā)展。

2 胡桃楸生物學特性

2.1 開花生物學特性

胡桃楸是雌雄同株異花樹種，花期5月。雄花序細長，葇荑狀，從上年生的枝節(jié)上葉腋間抽出，下垂，花序長9～20 cm，花序軸被短絨毛，花被3～4，小苞1～2個，雄蕊8～40，多為12，花絲短，藥隔被灰黑色細柔毛；雌花序穗狀，花序軸被茸毛，有花4～10朵，直立，花被4，子房下位，柱頭2裂，柱頭面呈乳頭狀，暗紅色[7-8]。

胡桃楸具雌雄異熟性，即同一植株雌雄異熟，其有性生殖過程受雌雄異熟性影響，當雌先型(雌花先開)雌蕊開放時，雄先型(雄花先開)雄花序處于散粉階段，反之，兩者交換角色[9-10]。王秀華等[11]通過對東北林業(yè)大學校園和林場胡桃楸花期觀察，同一植株上的雌花和雄花的開放日期一般相隔2～ 9d，但雌先型與雄先型相隔的天數不同，雌先型樹的花期相隔日數較多，通常為2～9 d；雄先型樹則相隔4～7 d。雌先型植株的單株雄花花期普遍比雄先型的單株雄花花期長，通常雌先型的為3～7 d；雄先型的為3～4 d[11]。張麗杰等[12]對遼寧東部地區(qū)胡桃楸雌雄先型物候期的觀察發(fā)現(xiàn)，雌先型比雄先型的雌花期早5～8 d，雄花期晚5～6 d，同一類型樹木的雌雄花期相遇性很差[12]。而雌先型和雄先型兩種類型植株的雌雄花開放時間交錯，但又有一定時間的重疊，可以進行正常的授粉，有效地避免了自交或近交[13-15]。因此，從胡桃楸自身的開花授粉特性看，天然胡桃楸具有相對豐度的種群。

2.2 胡桃楸遺傳特性

有關胡桃楸的遺傳變異研究較多，張含國等[16]、袁顯磊等[17]通過研究發(fā)現(xiàn)，胡桃楸種源間、家系間生長性狀均呈顯著性差異。曾棟等[18]研究發(fā)現(xiàn)，胡桃楸果實及種子性狀單株間差異均達到顯著水平。陳思羽等[19]研究結果發(fā)現(xiàn)，長白山地區(qū)胡桃楸結實性狀在種源間遺傳變異呈顯著差異。這應該與胡桃楸自身的開花結實特點有關，胡桃楸不僅是雌雄異熟，同時也是異步雌雄異熟樹種[20]，其雌花和雄花各自同步成熟而又互不干擾，是植物進行非選型雜交的重要特征[21-23]，從而導致胡桃楸種源間、家系間性狀差異顯著。

胡桃楸與核桃、山核桃等在葉、花、果等形態(tài)特征有較多相似性，且都是異步雌雄異熟樹種[20,24]。Hansche等[25]研究發(fā)現(xiàn)核桃的花期可高度遺傳，Gleeson[21]通過普通核桃控制雜交表明，雌雄異熟性可能由顯隱性基因所控制，雌先型為顯性。Thompson等[26]調查美國山核桃雌先型和雄先型雜交后代的花期表現(xiàn)后提出相近的結論，即雌雄異熟性這一性狀為質量性狀，其遺傳特點符合孟德爾遺傳規(guī)律，雌先型為顯性遺傳，雄先型為隱性遺傳。胡桃楸是否與核桃、山核桃同樣具有雌先型為顯性遺傳、雄先型為隱性遺傳的特性，有待進一步研究。

3 雜交育種方法與親本選擇

3.1 雜交育種方法

雜交育種原理是基因重組，是將父母本雜交，形成不同的遺傳多樣性，再通過對雜交后代的篩選，獲得具有父母本優(yōu)良性狀，且不帶有父母本中不良性狀的新品種的育種方法。其優(yōu)點是可以將同一物種里兩個或多個優(yōu)良性狀集中在一個新品種中，還可以產生雜種優(yōu)勢，獲得比親本品種更強或表現(xiàn)更好的新品種；缺點是不會產生新的基因，且雜交后代會出現(xiàn)性狀分離，育種過程緩慢，過程復雜。

雜交育種方法主要有單雜交、復合雜交、回交等。文獻表明，我國老一輩育種學家張培杲等[27]早在1956年就開展了胡桃楸與核桃的雜交育種工作，直至2013年張桂芹等[28]劉宏偉等[29]再次開展胡桃楸與核桃的雜交育種，而3個育種組均采用了胡桃楸為母本、薄殼核桃為父本的單雜交育種方法。

自2004年開展胡桃楸雜交工作，以優(yōu)選胡桃楸單株為母本，遼核1號薄皮核桃為父本，開展遠緣種間雜交育種研究，總結出：為規(guī)避近緣植株干擾，采取雌花套袋授粉，授粉最佳時期選擇雌花紅色柱頭呈倒“八”字形，柱頭正面突起且分泌物增多時期的每天10:00～12:00；授粉方式選取授粉筆蘸取花粉在柱頭上輕點或輕彈，重復授粉2～3次，連續(xù)2～3d。此方法提高了授粉成功率，解決了親本間親和性差難題。F1代于2012年開始開花結實，目前已獲得200余株回交子代苗。

3.2 雜交親本選擇

親本選擇適當與否決定了雜交育種成敗。主要原則是親本的優(yōu)良性狀要多而突出，雙親的優(yōu)缺點應相互彌補，雙親可以有共同優(yōu)點，但不可以有共同缺點[3]。胡桃楸作為用材、果用、藥用等多元型用途樹種，不同用途的優(yōu)樹選擇標準不同，用材型則考慮干材為主，果用型則以楸果品質為主，藥用型則考慮生物量大小，因此，以育種目的選擇對應優(yōu)樹作為親本進行雜交是獲得優(yōu)選型種質的關鍵。由于胡桃楸的多用途性，因而所獲雜種選擇域廣，胡桃楸雜交育種可以起到事半功倍效果。

4 雜交育種現(xiàn)存問題及對策

4.1 現(xiàn)存問題

胡桃楸是中生珍貴闊葉樹種，樹體高大，壽命長，可達250年[30]，而親本優(yōu)樹的樹齡不低于中齡林，其樹高已不低于15 m，果用型優(yōu)樹雖第一活枝高較低，但由于通風和光照因素，其下部枝條結實少，且楸果品質差，因此，開展控制授粉進行雜交育種操作困難且具有危險性；胡桃楸優(yōu)良種源和家系優(yōu)樹選擇，為雜交育種的親本選擇提供了良好基礎，但開展胡桃楸雜交育種研究人員少，其他經濟樹種已進行較為深入研究，而胡桃楸的育種周期長，傳統(tǒng)的雜交育種工作難以持續(xù)開展；同時缺乏必要的經費投入，使得分子標記等基因工程育種工作難以達到預期目標，嚴重影響到傳統(tǒng)育種技術與現(xiàn)代生物工程育種技術的有效融合[31]；根據本項目組獲得F1代表型看，胡桃楸也具有母性遺傳表現(xiàn)，因而，胡桃楸與核桃雜交是需要多代雜交才可以選擇出目的型雜種，由于胡桃楸自身生理學特性，培育周期長，因此需要多代育種人努力工作才可以實現(xiàn)目標。上述存在問題，均影響了胡桃楸雜交育種工作發(fā)展。

4.2 對策

顯然，常規(guī)的雜交育種已阻礙了育種工作進展，而分子育種在加速育種進程、獲得變異和克服種間隔離等方面具有雜交育種不具備的優(yōu)勢[32]，積極開展分子生物學輔助育種的基礎研究工作，將常規(guī)雜交育種與分子輔助育種相結合[33]，可以更好的促進育種工作，從而加快育種進程，大大縮短育種年限。目前，世界上玉米作物育種已由依賴表型觀察選育優(yōu)秀自交系的傳統(tǒng)經驗育種“1.0階段”、通過育種工作者預先設計雜交育種試驗選育現(xiàn)代栽培品種的人工雜交育種“2.0階段”、綜合單倍體育種與分子標記育種和轉基因育種的現(xiàn)代生物工程育種“3.0階段”、開始步入以基因組測序與人工智能圖像識別等互聯(lián)網技術，遺傳變異、各類組學、雜交育種等大數據整合，全基因組層面建立機器學習預測模型，高效、智能、定向選育新品種的人工智能育種“4.0階段”[34]。而胡桃楸育種顯然仍處于人工雜交育種的“2.0階段”，處在較為落后的育種階段，通過胡桃楸育種工作者的持續(xù)育種，以及加大經費投入，進一步開展胡桃楸全基因組檢測和大數據分析，也使胡桃楸育種早日步入“3.0階段”、“4.0階段”。因此，輔以分子技術、大數據運用、人工智能等先進手段是今后育種工作的發(fā)展之路，這也必將大大縮短獲取胡桃楸等林木新品種和良種時間，為國土綠化和生態(tài)經濟型中國發(fā)展提供更多優(yōu)良選種。