菊花種質(zhì)創(chuàng)新研究進展

雒新艷 劉 英 王利紅 李 芳 張俊麗 孫曰波 盧 潔

(1.濰坊職業(yè)學院 濰坊 261000；2.山東省林木種苗和花卉站 濟南 250014)

種質(zhì)創(chuàng)新是指根據(jù)不同目的，在自然發(fā)生或人為技術(shù)創(chuàng)造的變異群體中，使用特定的篩選方法，從而創(chuàng)造的新品種、新材料或新物種。由于種內(nèi)雜交所產(chǎn)生的變異范圍有限，往往很難突破種內(nèi)現(xiàn)有基因的限制，因此，種質(zhì)創(chuàng)新一般是指對種質(zhì)做出變革性的改造，如遠緣雜交、基因工程育種等手段，能創(chuàng)制出與現(xiàn)存物種顯著不同的新種質(zhì)。因基因工程育種技術(shù)和實驗條件要求很高，雖然前景可期，但仍處在摸索階段；遠緣雜交仍是當前種質(zhì)創(chuàng)新的重要途徑。

菊花是我國傳統(tǒng)名花，又是世界四大切花之一，同時具備深厚的文化底蘊和重要的經(jīng)濟價值。國內(nèi)的菊花栽培品種超過3 000個，其中大菊品種較多，但是缺少藍色系品種，綠色系品種也不多，而小菊品種相對較少，花型單一，大多為平瓣類平盤型。此外，栽培品種大多存在抗逆性較差的問題。菊花近緣種和近緣屬的種質(zhì)資源極為豐富，且野生種質(zhì)中不乏藍色、抗性強的植物，因此充分利用遠緣雜交以期能夠創(chuàng)造觀賞性和抗性俱佳的新種質(zhì)。本研究總結(jié)菊花近緣種和近緣屬的野生種質(zhì)，然后分析野生種質(zhì)與菊花之間的親緣關(guān)系，就菊花的種質(zhì)創(chuàng)新提出建議與策略。

1 菊花種質(zhì)資源的范圍與分布

1.1 菊花在菊科植物分類中的位置

據(jù)《中國植物志》記載，菊花隸屬于菊科-管狀花亞科-春黃菊族-菊亞族-菊屬-菊組-野菊系。菊科Compositae是被子植物中進化程度最高、種類最豐富的類群，擁有超過900個屬，逾23 000個種[1]，其中既有觀賞植物、蔬菜、藥用植物，也有雜草。菊科包含舌狀花亞科和管狀花亞科兩個群體(圖1)，舌狀花亞科植物的特征是頭狀花序全部小花都是舌狀，有乳汁；管狀花亞科植物的特征是頭狀花序全部為同形兩性的管狀花，或邊緣有舌狀花，中央花則非舌狀，植物無乳汁。管狀花亞科包括12個族，其中的春黃菊族包含草本、半灌木和墊狀植物；春黃菊亞族與菊亞族的差異表現(xiàn)在前者的花托有托片，后者的花托無托片。菊亞族有29個屬，圖1僅列出有明確記載，且觀賞性較好的14個屬；菊屬包含2個組，苞葉組植物外層苞片葉質(zhì)，大，淺裂或半裂，而菊組植物的所有苞片都是草質(zhì)，邊緣膜質(zhì)。菊組包含四個系，除野菊系植物葉片為一回羽狀裂之外，其他4個系植物的葉片都是二回羽狀或掌狀裂，野菊系共有包括菊花在內(nèi)的6個種。

圖1 菊花在菊科植物進化中的位置

1.2 菊花種質(zhì)資源的分布

世界菊科植物主要分布在亞洲溫帶地區(qū)和部分亞熱帶地區(qū)，我國是世界菊科植物的種質(zhì)資源分布中心，大約有235個屬，超過兩千個種，屬于特大科[2]。春黃菊族的植物廣泛分布于亞洲大部分地區(qū)，多數(shù)屬則集中在中亞和地中海地區(qū)，美洲和大洋洲僅有少數(shù)屬，其中菊亞族的種類更豐富，大部分屬都集中在東亞地區(qū)，菊屬就是其中之一。菊屬以我國為分布中心，全球約41種，我國有17個種，分屬2個組，5個系，同時也是菊屬近緣屬的分布中心。

2 菊花種質(zhì)創(chuàng)新的研究成果

2.1 菊花遠緣雜交的研究成果

前人研究表明，春黃菊族是一個種間隔離并不嚴謹?shù)娜后w，屬間雜交的成功率較高，甚至部分亞族之間也能夠獲得雜種，北京林業(yè)大學和北京劉文超夏菊育種研究所合作，通過菊屬與亞菊屬、菊屬與太行菊屬、太行菊屬和紊蒿屬、女蒿屬和日本雛菊屬、小甘菊屬和菊屬的屬間雜交，培育出一系列適宜西部寒旱區(qū)域推廣應(yīng)用的保健牧草菊花新品種[3]?？梢?，菊花新種質(zhì)的創(chuàng)造可以通過種間雜交和屬間雜交來實現(xiàn)，很多菊屬近緣種已被應(yīng)用于栽培菊花的性狀改良，獲得了新種質(zhì)、新類型，甚至是優(yōu)良的商品種。

2.1.1 屬間雜交創(chuàng)造新種質(zhì)的成果

Tanaka等[4]指出春黃菊族很多屬間雜交的親和性較高。通過屬間雜交，前人不僅獲知了種質(zhì)之間的親緣關(guān)系，還成功地將一些特性轉(zhuǎn)移到栽培菊花中，從而創(chuàng)造了新的種質(zhì)。菊屬與亞菊屬的親緣關(guān)系很近，幾乎不存在雜交障礙。1988年，柴田道夫等[5]用引自荷蘭和美國的Spray型日中性菊花與亞菊屬的磯菊Ajaniapacificum雜交，從后代群體中選出了耐熱種質(zhì)‘Summer Queen’。Douzono等[6]將亞菊屬紀伊潮菊Ajaniashiwogiku與切花菊進行雜交，提高了菊花的抗病性，實現(xiàn)了遺傳改良。趙宏波[7]將亞菊屬的磯菊與栽培菊花進行屬間雜交，不僅獲得了后代，還將磯菊的銀葉特性轉(zhuǎn)移到了栽培菊花中。

菊屬與春黃菊屬、小濱菊屬、濱菊屬、太行菊屬、小甘菊屬植物的親和性較強。日本人Tanaka收集了我國很多菊屬野生種質(zhì)，開展了春黃菊族9個屬、33個種之間的雜交試驗，共成功獲得133個雜交組合的后代，其中春黃菊屬、小濱菊屬、濱菊屬與菊屬的親和性較高[8]。胡梟[9]發(fā)現(xiàn)太行菊屬與菊屬之間的雜交親和性較強，與野菊、甘菊、委陵菊和異色菊雜交結(jié)實率普遍較高。景珊[10]應(yīng)用太行菊與地被茶菊品種雜交，也成功地獲得了雜種后代。鄭燕、吳瀟波[11-12]使用楔葉菊與栽培小菊的雜種，與灌木小甘菊雜交，獲得了屬間雜種。

菊屬與芙蓉菊屬、蒿屬、匹菊屬、短舌菊屬、菊蒿屬植物有親和性，需要借助輔助手段才能獲得雜種后代。Ohishi[13]通過胚拯救獲得了芙蓉菊Crossostephiumchinense與栽培菊花的雜交后代。Furuta等[14]利用原生質(zhì)體融合獲得了栽培菊花與蒿屬大耔蒿Artemisiasieversiana的屬間雜種，且雜種能正常開花，成功地把大耔蒿對銹病的抗逆性同步轉(zhuǎn)移到了栽培菊花中。王四清[15]經(jīng)過胚拯救技術(shù)獲得了匹菊與菊花的屬間雜種。尹佳蕾[16]通過常規(guī)雜交試驗發(fā)現(xiàn)短舌菊屬與菊屬之間親和性較差，可能需要改進授粉技術(shù)來提高成功率。Kondo通過原位雜交發(fā)現(xiàn)菊蒿屬與菊屬的親緣關(guān)系較遠[8]。因為缺乏相關(guān)的雜交驗證資料，菊屬與蓍屬、果香菊屬、天山蓍屬、木茼蒿屬、三肋果屬、扁芒菊屬的親緣關(guān)系還不明確。

2.1.2 種間雜交創(chuàng)造新種質(zhì)的成果

菊花是菊屬中觀賞價值最高、栽培歷史悠久、品種和類型極其豐富的一個種，其它種則以野生資源為主，主要有小紅菊、野菊、甘菊和紫花野菊等(表1)。

表1 菊屬各種自然分布及特性

表1 菊屬各種自然分布及特性 續(xù)表

前人研究表明，菊屬各種之間的親和度很高，在自然條件下就會出現(xiàn)種間雜交現(xiàn)象，王龍真[17]通過對自然種質(zhì)的形態(tài)學和SSR分子標記研究，發(fā)現(xiàn)野菊(4X)和毛華菊(6X)之間的生殖隔離較弱，存在頻繁的自然雜交。人工種間雜交更是創(chuàng)造了很多新種質(zhì)，李沛瞳等[18]通過異色菊與菊花腦種間雜交獲得一批優(yōu)異耐旱種質(zhì)，劉筱瑋等[19]將野菊與神農(nóng)香菊雜交，通過鑒定，獲得了耐鹽能力顯著提升的芳香菊花新品種。

19世紀40年代，英國植物學家Fortune從浙江舟山群島引種菊花，并利用其與野生種雜交培育成Pompons型和Charms型的商品種。40年代，薩頓種子公司用野生種質(zhì)和菊花雜交，育成了長勢強，且適合巖石園或盆景的懸崖小菊[20]。國內(nèi)菊屬種間雜交最成功的代表是地被菊，是陳俊愉等[21]利用進口小菊‘美矮粉’與毛華菊、小紅菊和甘菊等多種野生種質(zhì)反復雜交所得，地被菊植株低矮緊湊、抗逆性強，目前已經(jīng)被引種到很多地區(qū)，為我國綠化事業(yè)做出了巨大貢獻。

野菊(包括菊花腦、神農(nóng)香菊等變種)、紫花野菊、毛華菊、甘菊(包括變種甘野菊)與菊花之間的親緣關(guān)系較近。Fukai等[22]將栽培菊花與日本本地的野菊和龍腦菊等近緣種進行雜交，得到了花色豐富，花期早的一批優(yōu)良新種質(zhì)，并應(yīng)用到生產(chǎn)中。Kelsey[23]將紫花野菊與菊花雜交，成功培育出‘朝鮮’菊系列新種質(zhì)。王靚[24]將切花小菊‘南農(nóng)銀山’與紫花野菊雜交，獲得了耐澇性顯著提升的雜種后代。張艷梅等[25]發(fā)現(xiàn)綠色小菊栽培品種‘綠叮當’與毛華菊的平均結(jié)實率為4.16，雜種發(fā)芽率高達86.67%。付瀚森等[26]在綠色小菊栽培品種‘綠叮當’與毛華菊的F1群體中，發(fā)現(xiàn)花色、花瓣數(shù)和花徑等花部性狀存在極顯著的中親雜種優(yōu)勢，且受一對或兩對主基因控制。程曦[27]、陳秀蘭等[28]使用南京野菊、菊花腦與栽培菊花品種雜交成功培育出抗性和適應(yīng)性增強的新種質(zhì)，豐富了小菊的形態(tài)。高佳慧[29]應(yīng)用野菊與菊花栽培品種雜交，通過形態(tài)和細胞學鑒定，獲得6個種間雜種。陳俊通[30]使用耐鹽種質(zhì)野菊(煙臺)，與地被菊栽培品種雜交，從后代中篩選出了耐鹽性較強的單株。小紅菊與菊花的種間親和度較差。經(jīng)雜交實驗證實，小紅菊與菊花常規(guī)雜交不易獲得后代，可能需要采取一定的育種輔助手段。目前，研究者尚未對菊花與苞葉組、擬亞菊系、山菊系、楔葉菊、菱葉菊、阿里山菊、委陵菊、細葉菊展開雜交試驗，菊花與這11個種的親緣關(guān)系還不確定。

2.2 菊花基因工程育種研究成果

與遠緣雜交相比，基因工程育種具有定向優(yōu)勢，通過外源基因的人工導入，定向修飾菊花的某個或某些目標性狀并保留原有的優(yōu)異性狀，從而獲得改良目標性狀的新種質(zhì)材料。菊花植株再生對培育條件要求不高，且對多種根癌農(nóng)桿菌敏感，遺傳轉(zhuǎn)化受體廣泛，已構(gòu)建了多種基因型適宜的遺傳轉(zhuǎn)化體系[31]。第一株轉(zhuǎn)基因菊花是Lemieux于1989年利用農(nóng)桿菌介導法獲得的[32]。此后，利用基因工程育種進行菊花種質(zhì)創(chuàng)新逐漸成為熱點，隨著技術(shù)的進步和研究的深入，最近十多年，基因工程育種在改良菊花觀賞性狀和抗性方面取得了重要的進展[33]。

觀賞性狀的基因工程育種。在花色方面，藍色菊花育種一直是研究熱點，近年也取得了重大突破。2017年，Noda等[34]將風鈴草的F3'5'H基因?qū)刖栈?，抑制?nèi)源F3'H的表達，并進一步導入蝶豆的A3'5'GT基因，首次獲得了藍色菊花品種。2021年，Han等[35]將藍目菊的F3'5'H基因和蝶豆的A3'5'GT基因?qū)敕凵栈ā限r(nóng)粉翠’中，促進飛燕草色素的合成，獲得了藍紫色的菊花品種。付瀚森[36]對小菊‘綠叮當’和毛華菊雜種群體中白色和綠色個體進行測序、比對分析、鑒定和嚴驗證篩選，發(fā)現(xiàn)CmCOL16b和CmbHLH兩個與葉綠素調(diào)控相關(guān)的候選基因，為綠色菊花的呈色機理研究和轉(zhuǎn)基因育種奠定了基礎(chǔ)。在花期方面，F(xiàn)T蛋白具有誘導花芽分化的作用，姜丹等[37]將擬南芥FT基因轉(zhuǎn)入切花菊‘神馬’，獲得日中性新種質(zhì)。在株型方面，Petty等[38]將從擬南芥突變體中克隆的對赤霉素不敏感的gai基因轉(zhuǎn)入菊花，獲得了明顯矮化的植株，且轉(zhuǎn)化株對外源GA表現(xiàn)不敏感。Kubo等[39]將rol基因?qū)刖栈?，也獲得了植株低矮緊湊的材料。

抗逆性基因工程育種。在抗病毒方面，菊花抗病毒基因工程育種主要是將病毒本身基因的部分片段導入受體植物，然后篩選出抗性植株。例如Kumar等[40]將黃瓜花葉病毒(CMV)外殼蛋白CP基因轉(zhuǎn)入菊花‘Kundan’中，轉(zhuǎn)基因植株對該病毒的敏感性降低，同時延遲了植株的發(fā)病時間。在抗真菌病害方面，抗真菌基因工程育種主要是將病菌抑制物的基因?qū)刖栈ㄖ衃31]，應(yīng)用最廣泛的是幾丁質(zhì)酶基因。Kim等[41]將調(diào)控咖啡因產(chǎn)量的N-甲基轉(zhuǎn)移酶基因?qū)刖栈ㄖ?，咖啡因提升到煙草水平，并具備了灰霉病抗性和抗鱗翅類昆蟲和蚜蟲的能力。在抗蟲方面，將從蘇云金桿菌中分離的殺蟲蛋白Cry1B基因?qū)刖栈ㄖ校玫搅丝瓜x性轉(zhuǎn)化植株[42]。何俊平[43]通過農(nóng)桿菌介導的葉盤法將長筒石蒜凝集素LLA基因轉(zhuǎn)入切花菊‘神馬’，得到7個抗蚜性顯著提高的轉(zhuǎn)基因株系。在非生物逆境抗性方面，植物非生物逆境抗性是由多基因控制的，導入單個功能基因?qū)τ谔嵘剐缘男Ч苡邢?，但是轉(zhuǎn)錄因子能夠啟動并調(diào)節(jié)下游多個逆境應(yīng)答基因的表達，從而有效增強抗逆性。洪波等[44]將逆境誘導轉(zhuǎn)錄因子DREBIA導入地被菊‘Fall Color’，成功獲得了轉(zhuǎn)基因植株，經(jīng)半定量RT-PCR分析，在脅迫條件下，檢測到抗性基因表達。

3 種質(zhì)創(chuàng)新的策略及展望

3.1 種質(zhì)創(chuàng)新要克服較大的障礙，技術(shù)和模式都需要改進

因為生殖隔離的存在，遠緣雜交常常面對很多困難，比如花期不遇、染色體倍性差異過大、花粉不萌發(fā)或萌發(fā)異常、胚敗育等，這些障礙可以通過花粉貯藏，染色體加倍、授粉技術(shù)改進、胚培養(yǎng)技術(shù)和原生質(zhì)體融合等手段去克服。如劉思余[45]利用秋水仙素浸泡二倍體菊花腦種子，成功誘導實現(xiàn)染色體加倍，之后與菊花雜交，成功獲得了雜種。高文杰[46]也是首先將神農(nóng)香菊進行人工誘導其染色體加倍，再與露地菊進行雜交獲得成功。

栽培品種與野生種質(zhì)雜交后形成的F1代群體中，形態(tài)性狀退化現(xiàn)象比較常見，為了能夠獲得觀賞性更強的商品種，往往還需要連續(xù)進行多代雜交、回交等育種工作，許莉莉[47]應(yīng)用菊屬野生種質(zhì)和多花亞菊、芙蓉菊的屬間雜種，與菊花栽培品種雜交之后，再回交，從后代群體中篩選出超親個體，并將野生種質(zhì)的耐鹽性導入了栽培品種。

菊科野生種質(zhì)具有花期長、抗逆性強等優(yōu)良基因，為菊花基因工程育種提供了便利，此外，還可以將非同屬同科植物的優(yōu)良基因異源轉(zhuǎn)入菊花中進行性狀改良[48]，拓展菊花種質(zhì)創(chuàng)新的空間。但是由于菊花遺傳背景復雜，已有遺傳轉(zhuǎn)化體系的轉(zhuǎn)化率低，還不能實現(xiàn)定向育種的目標；且導入基因在染色體上整合的位置和次數(shù)都是隨機的，受植株本身表達機制和外界環(huán)境因子的影響，導入基因有可能會沉默、表達水平低或者不穩(wěn)定。因此需要進一步加強基礎(chǔ)研究，改進實驗技術(shù)。

育種工作量大、時間長，世界上最大的盆菊育種公司——比利時格迪花卉公司，培養(yǎng)一個能夠投入市場的新品種，需要7年時間，且要經(jīng)過大量的測試工作[49]。一般企業(yè)很難持續(xù)支持育種工作，而高校和科研院所受限于人員流動和課題年限，常常存在銜接不暢的問題。因此，植物種質(zhì)創(chuàng)新工作可能還需要探索更適宜的實施模式。

3.2 廣泛開展雜交試驗和基因發(fā)掘，搭建高效育種平臺

前人從形態(tài)性狀、細胞學和分子標記等多個角度進行了有關(guān)菊屬植物親緣關(guān)系的探討，但是研究結(jié)果都不如雜交實驗結(jié)果更直觀可靠，如菊蒿屬與菊屬在形態(tài)學上很相近，然而原位雜交的結(jié)果卻表明兩者親緣關(guān)系較遠[8]，紅歌、謝菲[50、51]應(yīng)用女蒿與菊屬、亞菊屬和太行菊屬種質(zhì)雜交，均獲得雜種后代，通過雜種鑒定和系統(tǒng)進化分支樹推斷，女蒿屬與亞菊屬親緣關(guān)系最近，應(yīng)歸屬亞菊屬。因此，本文只參考遠緣雜交的結(jié)果對親緣關(guān)系進行探討。由前文分析可見，很多近緣種和近緣屬的種質(zhì)尚未與菊花進行雜交，尤其是11個近緣種，理論上，它們之間的親和率相對較高，我們應(yīng)進一步收集這些野生種質(zhì)，廣泛地開展雜交試驗，有望能夠創(chuàng)造新優(yōu)種質(zhì)。

盡管菊花基因工程育種取得了較大突破，但仍有很多基因資源未被發(fā)現(xiàn)和利用，例如在菊花生產(chǎn)中常見的白粉病、蚜蟲等抗性基因，還有深藍花色、花期等相關(guān)基因都是性狀改良的需求，目前導入菊花的基因多為異源轉(zhuǎn)化，由于物種間遺傳背景差異大，異源基因的作用往往不能有效發(fā)揮，甚至出現(xiàn)基因共抑制現(xiàn)象，因此，在嘗試更多異源基因?qū)敫牧季栈ㄐ誀畹耐瑫r，我們也需要深入挖掘并利用菊科野生種質(zhì)所特有的抗性基因。

早期的遠緣雜交往往需要連續(xù)多年持續(xù)進行，如地被菊的育種工作至少花費了課題團隊二十多年的心血，為了提高效率，我們建議將傳統(tǒng)育種與基因工程育種結(jié)合起來，集成新的育種技術(shù)，形成體系，構(gòu)筑國家級或省級的綜合育種平臺，集中科研力量，共同制定具體植物的高效育種方案，切實加強育種進程。