山藥新種質(zhì)創(chuàng)制研究進展

韓曉勇 殷劍美 王 立 蔣 璐 張培通 郭文琦 金 林 劉德才

（江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所，南京210014）

山藥屬薯蕷科（Dioscoreaceae）薯蕷屬（DioscoreaLinn.），其富含多糖、黏液質(zhì)、蛋白質(zhì)、淀粉、氨基酸和微量元素，具有促進血液循環(huán)、增強人體免疫力的功能。山藥通常雌雄異株，花單性，雄花通常不能完全開放，雌花存在退化、不開花現(xiàn)象[1]。因此，山藥品種多數(shù)以無性繁殖（包括塊莖和珠芽繁殖）為主。而長期使用營養(yǎng)體繁殖，易造成病毒病積累和品種退化，主要表現(xiàn)在產(chǎn)量下降、品質(zhì)變差、植株長勢變?nèi)鹾蛪K莖變小。目前，山藥品種改良多以提純復(fù)壯為主[2-3]，提純復(fù)壯技術(shù)能恢復(fù)和長期保持原品種的種性，但復(fù)壯后的種質(zhì)同質(zhì)化嚴(yán)重，難以創(chuàng)制突破性的種質(zhì)，因此應(yīng)開展山藥種質(zhì)創(chuàng)制方法研究，創(chuàng)制山藥新種質(zhì)，為山藥品種改良和加快山藥育種進程奠定基礎(chǔ)。

1 山藥新種質(zhì)創(chuàng)制研究現(xiàn)狀

目前，山藥種質(zhì)創(chuàng)制主要依靠提純復(fù)壯技術(shù)，雖然個別單位開始研究雜交育種，但進展緩慢。僅有的資料顯示，山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院首次利用化學(xué)誘變劑甲基磺酸乙酯（EMS）處理山藥莖尖和零余子，利用變異株育成山藥新品種晉山藥一號[4]。河南師范大學(xué)通過鐵棍山藥零余子太空誘變育種，育成新品種鐵棍1 號，同時創(chuàng)制一批新種質(zhì)[5]；江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所通過輻射誘變，育成新品種蘇蕷3 號，填補了山藥太空和輻照育種的空白[6]。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院利用臺州紫山藥優(yōu)良品系024 進行組培，組培變異后代育成的新品種蘇蕷8 號，已獲得農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物新品種權(quán)，為我國第1 個授予品種權(quán)的山藥品種。

2 山藥新種質(zhì)創(chuàng)制目標(biāo)

我國是山藥起源中心之一，山藥資源豐富多樣，常用作食用的山藥包括薯蕷（Dioscorea oppositaThunb）及其近緣種山薯（Dioscorea fordiiPrain et Burkill.）、參薯（Dioscorea alataLinn.）和褐苞薯蕷（Dioscorea persimilisPrain et Burkill.），這幾種類型山藥在葉片與塊莖性狀上差異較大[7]。不同類型的山藥，通常具有不同的特征。比如，薯蕷類山藥通常生育期較短，塊莖長度長，多為圓柱形，淺生定向槽種植商品率低；參薯類山藥塊莖形狀有圓柱形和卵形等，塊莖肉色有紫色、白色、花紫色和黃色之分，但紫色的參薯通常易感炭疽??；山薯和褐苞薯蕷通?？诟斜容^差。因此山藥新種質(zhì)利用和再創(chuàng)制應(yīng)集中在以下幾點。（1）創(chuàng)制適宜淺生定向槽種植的山藥新種質(zhì)。淺生定向槽種植可人為引導(dǎo)山藥在靠近壟面一定斜度的土層生長，改變山藥垂直生長的習(xí)性，大幅減輕勞動強度，提高勞動效率，提高單產(chǎn)，因此創(chuàng)制適宜淺生定向槽種植的新種質(zhì)對山藥種植技術(shù)的革新有巨大的推動作用。（2）發(fā)揮野生資源的特性。野生山藥通常具有某些特殊的性狀或較強的抗逆性，利用這種特性，可以創(chuàng)造出抵御某種不良環(huán)境的新種質(zhì)和品種。（3）創(chuàng)制塊莖形狀變異的新種質(zhì)。塊莖長短直接影響山藥品種的區(qū)域分布和山藥種植的經(jīng)濟效益，山藥不同產(chǎn)區(qū)對外觀品質(zhì)性狀需求存在很大差異。（4）創(chuàng)制塊莖肉色變異的新種質(zhì)。塊莖肉色的變異，一方面可以豐富山藥品種的多樣性和觀賞性，另一方面可增強山藥品種的抗性和適應(yīng)性。

3 山藥新種質(zhì)創(chuàng)制方法研究

目前，山藥種質(zhì)資源的創(chuàng)制主要通過提純復(fù)壯技術(shù)。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院藥食同源創(chuàng)新團隊從2015 年開始，致力于研究山藥種質(zhì)的創(chuàng)制方法，以常規(guī)技術(shù)為主，結(jié)合現(xiàn)代生物學(xué)，在山藥新種質(zhì)的創(chuàng)制方面取得一些進展。

3.1 利用野生資源的特殊優(yōu)異性狀創(chuàng)制新種質(zhì)野生資源在蔬菜和薯類種質(zhì)資源創(chuàng)制中取得重要進展。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所利用具有野生血緣的馬鈴薯優(yōu)良加工抗病品系S452 培育出抗病優(yōu)質(zhì)的馬鈴薯新種質(zhì)[8]。國內(nèi)外學(xué)者利用哈氏黃瓜、西雙版納黃瓜等黃瓜野生變種和酸黃瓜、西印度黃瓜、非洲角瓜等主要黃瓜屬近緣野生資源的優(yōu)勢，開展了一系列黃瓜屬特異基因資源發(fā)掘研究的工作，通過種間雜交或生物技術(shù)手段，利用這些特異基因創(chuàng)制抗病抗逆的育種材料[9]。2018 年江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院藥食同源創(chuàng)新團隊從云南大理引進野生山藥品種大理野山藥，進行品種適應(yīng)性篩選試驗，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該品種的顯著特點是淺生定向槽種植商品率近100%，且植株長勢強、產(chǎn)量突出、抗病性好。經(jīng)雌雄株分離后，發(fā)現(xiàn)1 個雄株株系21-63，塊莖粗度發(fā)生明顯增粗的現(xiàn)象，且單株塊莖重1kg 以上（圖1），經(jīng)田間性狀穩(wěn)定性觀察試驗后，株系21-63 粗度、單株塊莖重及淺生定向種植商品率均可穩(wěn)定遺傳。

圖1 大理野山藥變異株21-63 與大理野山藥雄株塊莖性狀比較

3.2 體細(xì)胞無性系變異在山藥種質(zhì)創(chuàng)新上的應(yīng)用體細(xì)胞無性系變異泛指來源于細(xì)胞和組織培養(yǎng)過程中的變異，包括細(xì)胞培養(yǎng)、再生植株及其后代中產(chǎn)生的變異。目前，大多研究者認(rèn)為在植物組織培養(yǎng)中所有的變異都是體細(xì)胞無性系變異[10]。體細(xì)胞變異具有變異頻率高的特點，一般為1%～3%，遠(yuǎn)高于頻率為 0.001%的自然突變[11]，為雜交育種比較困難的植物提供了一種快捷的變異途徑。目前，利用體細(xì)胞無性系變異在大蒜、馬鈴薯、香蕉等多種農(nóng)作物上培育出了新種質(zhì)和品種[12-14]。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院藥食同源創(chuàng)新團隊利用浙江臺州紫山藥品系024 的莖段，經(jīng)腋芽誘導(dǎo)、生根及連續(xù)3 代擴繁，形成1842 株組培苗。組培苗移入基質(zhì)苗床后，經(jīng)連續(xù)3 代選擇，在T4發(fā)現(xiàn)株行號為20-16 的單株，其塊莖長度從15cm 左右伸長至50cm 左右，編號為20-16-1（圖2）。經(jīng)鑒定后，變異性狀可穩(wěn)定遺傳。山藥體細(xì)胞無性系變異，為解析植物體細(xì)胞無性系變異的機理研究奠定基礎(chǔ)，成為山藥品種選育的一個新方向。

圖2 品系024 變異株20-16-1 與對照20-16 性狀對比

3.3 山藥離體莖段懸浮培養(yǎng)技術(shù)在山藥種質(zhì)創(chuàng)制的應(yīng)用山藥離體莖段懸浮培養(yǎng)技術(shù)是指山藥莖段在離體狀態(tài)下，經(jīng)不同類型的激素或水處理后，懸浮培養(yǎng)于營養(yǎng)液或自來水，培養(yǎng)形成山藥種苗的一種新型培養(yǎng)技術(shù)。山藥離體莖段懸浮培養(yǎng)，利用母體莖枝直接進行培養(yǎng)，具有培養(yǎng)效率高、變異率低、能保持品種優(yōu)良性狀及觀賞價值高等特點。技術(shù)操作簡便，克服了山藥組織培養(yǎng)技術(shù)中移栽成活率偏低、馴化難度較大等難題，移栽無緩苗，成苗快，成活率高，大大縮短了育種周期。山藥離體莖段懸浮培養(yǎng)時，莖枝經(jīng)切割、高溫等選擇壓力，新生芽常常發(fā)生變異。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院藥食同源創(chuàng)新團隊利用山藥莖枝離體水培技術(shù)培育蘇蕷5 號的水培種苗時，H3單株選擇群體中的1 個單株（編號：2201）塊莖皮色同時出現(xiàn)紫色和白色嵌合現(xiàn)象（圖3）。經(jīng)鑒定，該單株發(fā)生紫肉和紫白肉分離情況。

圖3 蘇蕷5 號變異株2201 與蘇蕷5 號塊莖性狀對比

3.4 山藥芽變選種芽變主要是芽分生組織細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)發(fā)生改變，起初是由于個別的細(xì)胞發(fā)生突變，導(dǎo)致隨后分化形成的組織和器官發(fā)生變化，是自然界一種較為常見的現(xiàn)象[15]。芽變育種是無性繁殖作物特有的育種方式，芽變一經(jīng)選出，即可進行無性繁殖，可縮短育種時間，節(jié)省人力、物力[16]。芽變育種在蘋果、梨、桃等果樹新品種選育中應(yīng)用廣泛，并育成了一些有代表性的品種。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院藥食同源創(chuàng)新團隊2018 年從福建南平引進地方品種福建糯米山藥，該品種產(chǎn)量高、炭疽病抗性好。經(jīng)單株選擇試驗后，發(fā)現(xiàn)1 個株系21-31 同時出現(xiàn)肉色為紫色和白色的兩種塊莖（圖4），將紫肉和白肉塊莖分開種植進行觀察，紫肉和白肉塊莖可分別進行穩(wěn)定遺傳，推測福建糯米山藥肉色變異為芽變。

圖4 福建糯米山藥與其變異株21-31 塊莖性狀比較

3.5 EMS 誘變EMS 誘變具有突變類型廣、產(chǎn)生點突變的頻率高和染色體畸形率低等優(yōu)勢，是植物誘變育種中應(yīng)用最廣泛、效果最好的一種化學(xué)誘變方法[17]，已經(jīng)在多種植物的突變體育種及種質(zhì)資源創(chuàng)制中取得了一定進展。EMS 誘變的部位因植物種類而異，通常根據(jù)作物的繁殖方式和染色體倍數(shù)來選擇誘變的部位，比如種子、花粉、塊莖和葉片等。陳芝華等[18]首次利用山藥愈傷組織進行誘變，確定了EMS 處理山藥愈傷組織的適宜條件和有效提高誘變體篩選的方法。南懷林等[19]首次確定EMS誘變山藥零余子的最佳處理濃度和時間。2022 年江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院藥食同源創(chuàng)新團隊利用山藥零余子、種子及離體莖段進行EMS 誘變，分別確定了其半致死劑量，并發(fā)現(xiàn)山藥EMS 誘變后代會發(fā)生葉片皺縮、葉片缺失、非對稱葉、缺刻及出現(xiàn)雙葉尖等現(xiàn)象，創(chuàng)制了一批葉形變異的新種質(zhì)（圖5）。

圖5 EMS 誘變后代葉片性狀變異

4 展望

山藥通常采用無性繁殖，多數(shù)品種不開花或開花后不結(jié)實，造成山藥品種遺傳背景狹窄、變異少、同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，在常規(guī)育種的同時，要重視與生物技術(shù)的結(jié)合，進一步開展雜交育種、分子標(biāo)記輔助選擇和EMS 定向誘變等技術(shù)創(chuàng)制符合目標(biāo)性狀的優(yōu)異種質(zhì)，為山藥新品種培育奠定基礎(chǔ)。