杜鹃属植物育种研究进展

杜鹃属植物育种研究进展

杜鹃花是杜鹃科的最大属，分布在亚洲、欧洲、美国和澳大利亚（2）。我国产杜鹃属植物571种,其中409种为我国的特有种,约占国产种总数的71.6%。其种类繁多,花色娇艳,具有极高的观赏价值。我国杜鹃属植物从区系分布来看主要集中于中国—喜马拉雅森林植物亚区(351种、324个特有种)、中国—日本森林植物亚区(164种、135个特有种),占国有种数近90%;从行政区划来看主要分布于西南地区的云南、西藏、四川3省,共403种,特有种223种,除新疆和宁夏未发现有野生杜鹃花外,其他省区均有分布。由于我国近代植物学起步较晚,对杜鹃属植物的研究大多停留在植物分类学方面,对育种研究未引起足够的重视。为此,笔者概述了杜鹃属植物育种研究进展。1世纪植物品种的应用1656年英国从欧洲的阿尔卑斯山引入当时被称作高山月季的杜鹃花为欧洲高山杜鹃(R.hirsutum),是第一个引进栽培的杜鹃花。1800年,在英国只有12个野生种类为人所知,其中有极大杜鹃(R.maximus,1736)、锈色杜鹃(R.ferrugineum,1740)、耐寒种类酒红杜鹃(R.catawbiense)、大树杜鹃(R.arboreum)和高加索杜鹃(R.caucasicum),奠定了杜鹃花育种的基石。大树杜鹃掀起了杜鹃属植物的育种研究。第一个杜鹃花杂交种的记录为Azaleodendron,是黄焰杜鹃花(R.calendulaceum)和秋花杜鹃(R.ponticum)的一个随意杂交种。有意识的杂交开始于北美常绿种的极大杜鹃和酒红杜鹃,欧洲的高加索杜鹃和秋花杜鹃,稍后的来自东方的大树杜鹃。原产中国的大树杜鹃对西方园艺产生了深远的影响,杜鹃花育种历史上它是红色花品种的祖先。1834~1835年,瓦特(AnthonyWaterer)在英国耐普山(Knaphill)苗圃,用大树杜鹃和高加索杜鹃杂交产生了新品种‘Nobleanum’,耐寒并能在圣诞节开花,标志着杜鹃花育种历史转折点的到来。随后一大批的大树杜鹃的后代产生了,但是许多品种遗传了亲本的弱点,植株首次开花的时间晚,幼年期很长。后来在耐普山苗圃培育了第一个深红色花、抗寒、株型小巧的杂交品种‘Doncaster’,是一个理想的适合小花园应用的杜鹃花品种。耐寒品种的不断出现,苗圃栽培的杜鹃花转为以杂交品种为主体,标志着抗寒杜鹃花育种的时代已经到来。许多品种现在虽然不被看好,但在当时它们能忍受低温、在温带地区又可在全光照下栽培,确实很难得。从19世纪中期开始,尤其是1860年以后,许多植物采集者涌入中国,大量的杜鹃花资源被发现和引入栽培,杜鹃花杂交育种因此而快速发展。进入20世纪杜鹃花育种的集中地也由英国逐渐扩展到北美、德国、比利时等国家。云锦杜鹃(R.fortunei)是20世纪杜鹃花育种中最著名的亲本之一。云锦杜鹃原产我国,由罗伯特·福琼1856年在我国发现并命名。云锦杜鹃被认为是我国最好的杜鹃,抗性强、花大且有香味,同时又结实率高,成为20世纪杜鹃花育种中最著名亲本之一。1901年,云锦杜鹃作为劳德瑞(LODERI)组群的杂交亲本,而且劳德瑞杂交组群在英格兰被认为是最好的杜鹃花杂交品种群。它们生长旺盛、花序大、有香味、花朵喇叭形白色至乳黄色、粉色。著名的品种如“乔治帝”(R.‘LoderiKingGeorge’)、“粉宝石”(R.‘LoderiPinkDiamond’)和“维纳斯”(R.‘LoderiVenus’)等。后来,云锦杜鹃被带到美国,查里斯·戴克斯特(CharlesDexter)在马萨诸塞洲从1922年开始在他的育种项目中广泛使用云锦杜鹃作亲本,戴克斯特的杂交品种传播广泛,许多以实生苗传播,尤其在长岛,数以百计的戴克斯特杂交种以它们的抗性、美丽的花朵、易于栽培而闻名。许多云锦杜鹃杂交种因“戴克斯特”而出名,它们的美使长岛花园绚丽多彩,它们的香味让长岛春天变得生动。圆叶杜鹃(R.williamsianum)是20世纪杜鹃花育种中另外一个著名的亲本之一。1908年,威尔逊在我国中西部发现并引入英国的圆叶杜鹃,因具有完美的树型,棕红色的新叶和铃型的花朵而令西方的杜鹃花育种者欣喜,带来了又一次杜鹃育种高潮。圆叶杜鹃最早的品种于1916年产生于英国的丘园,后来海利森(EricHarrison)利用圆叶杜鹃作亲本培育了许多很好的品种。最出名的圆叶杜鹃品种是“碗铃”(‘BowBells’),在20世纪50年代引入太平洋西北部地区栽培,以此为亲本又培育出许多适合小庭院应用的品种系列。德国早期最著名的杜鹃花育种者郝彼(DietrichG.Hobbie),于1937年去英国旅行后,致力于杜鹃花杂交育种,其中圆叶杜鹃品种系列是他最成功的杂交品种群之一,抗寒性强、株型低矮,很适合于德国北部庭院栽培。国内外的育种历史从提高抗寒性、到抗寒性和花型、花色相结合,再到抗寒性、树形、奇叶相结合,体现杜鹃属植物育种研究主要集中在提高植物抗性、扩大应用范围、追求植株的新、奇等方面。我国昆明植物园、庐山植物园、华西亚高山植物园、贵州省植物园、杭州植物园、江西井冈山园林科研所等研究单位,先后进行了大量杜鹃花的播种繁殖和扦插试验,并建立了自己的杜鹃园,为我国的杜鹃花栽培积累了丰富的技术和经验。华西亚高山植物园和庐山植物园播种苗保存量最多,前者10多年来繁殖杜鹃花原种300余种,保存杜鹃花活体数量达20万株,建立了杜鹃花展示区、回归园、森林景观区、试验园区等,成为亚洲地区杜鹃花植物(原种)最大的保存基地和展示中心。另外,无锡市锡惠公园建立了面积4km2的杜鹃花专类园,收集保存有300余个国内外杜鹃花园艺品种。2研究杜鹃植物育种方法2.1杂交时的策略及影响因素杂交育种是国内外杜鹃育种中应用最广泛、成效最大的育种方法。杂交育种可以把不同亲本的优良基因集中于新品种,产生新的性状。杂交亲本的选育是杂交育种成功的关键之一。要根据育种目标挑选最合适的种质资源材料作亲本,并合理搭配父母本。如进行香化育种,那么亲本中至少一方的花或叶应具香气;如进行美化种增强抗性的育种,则亲本一方中至少应有较高的观赏价值,另一方至少应有抗性强的特点。在设计杂交组合时应注意双亲配子的亲和性,不同杜鹃品种之间的杂交亲和性不同。张长芹等通过对杜鹃花属10余年来所做的59对杂交组合的试验发现:二倍体与二倍体的杜鹃花种间杂交亲和力强;二倍体与多倍体的杜鹃花杂交无亲和力;同亚属不同亚组之间二倍体种的杜鹃花杂交亲和力强;不同亚属之间的杜鹃花种间杂交不育。所以,选择的双亲以同亚属的种或品种为好,并以一方为野生种,另一方为栽培品种的配合表现较为理想,其双亲配子亲和力强,F1具有明显的杂种优势,产生的变异多。杂交过程中,要注意调节开花期、控制授粉、授粉后的管理。杂交时要尽量选择花期相遇的品种。但如果父本花期早于母本,可将父本花粉采下置冰箱中冷藏保存;如父本花期稍晚,则应以保护地栽培或催花措施促进花期相遇。杂交时授粉成功是杂交成功的关键。授粉前,要对母本去雄和从父本上采集花粉。母本去雄时要特别注意时间。当花丝还未充分伸长,长度低于柱头,花粉被包裹在花药内,有黏性而不易散去,去雄安全。一般落叶杜鹃在开花前4~5d,常绿杜鹃在开花前7d左右去雄。父本采集花粉时,将开放前1d父本的花朵小心采下,除去花冠,取下花药,按不同品种分别存放于冷藏冰箱中待用。要选择合适的时间授粉。去雄后7d内当母本花柱迅速伸长,柱头膨大呈黄绿色,上有丰富黏液时,选上午授粉,需要时可进行第2次授粉。张敬丽等在探讨种间传粉在杜鹃属自然杂交物种形成中的作用时得出,在花冠未展开前1~2d柱头已具有极少量黏液;在开花2~4d,柱头黏液最多,花粉则成丝状散出,具粘性;在开花5d后,柱头黏液减少,花粉已基本完全散出;开花7d左右,柱头开始枯萎,花冠脱落,雄蕊也开始脱落,已基本完成单花开花周期。授粉后,标明父母本及杂交时间,同时加强田间管理。一般于当年10~11月,蒴果顶出微裂时采收。在杂交过程中,杂交成功的影响因素较多。Williams等研究了花粉大小、雌蕊长度、花粉管生长速度对杂交的影响,得出花粉大小和花粉管到达胚珠的时间与雌蕊长度有关,雌蕊越长,花粉越大,通常花粉管生长较快(Perez,Moore);在13~21℃,随着温度的升高,花粉管的生长速度越快。花粉管的密度与花粉管的生长速度无关。种间杂交时,花粉在异种花柱中的生长速度比同种植物花柱中的生长速度不同。对越橘杜鹃亚组的26个种进行观察,表明花粉和雌蕊大小的极度不协调是导致种间杂交失败的原因。在他的研究中,杂交成功的父本和母本的花柱长度比例在0.2~6.0。且得出,花粉管的生长不需要DNA的从头合成,有可能仅限于转录水平或翻译水平。刘晓青等对杜鹃花杂交、自交及开放授粉结实性研究表明,杜鹃花品种(种)间杂交的结实率高低与花色无关,与株型和瓣型也无明显的关系,而与品种(种)的亲缘关系密切相关;杜鹃花品种(种)天然授粉的结实率与瓣型关系密切,而与花色无明显关系。从试验结果可以看出,所选杜鹃花品种(种)的天然结实率随着重瓣性的增加而降低,所选单瓣品种的天然结实率显著高于重瓣品种,这是由于杜鹃花重瓣品种雄蕊瓣化或者花药量少,且花粉为絮状,难以随风飘散,同时温室中昆虫稀少,难以完成传粉过程所致;所选杜鹃花品种(种)的自交结实率明显高于开放授粉结实率,说明杜鹃花授粉有利于提高结实率。所以,对于重瓣性高的品种选育应主要通过杂交来实现,而瓣性较低的品种选育也可以结合天然授粉后的实生选择来进行;在进行遗传研究时,为了获得真正杂种,对单瓣品种进行去雄是必要的。Ureshino等为了获得黄花常绿杜鹃,对3个杜鹃品种品种复交(三交)(R.kiusianum×R.eriocarpum)×R.japonicumf.flavum,获得成功。这说明,在杜鹃育种中,复交也是一种有效的育种方法。2.2秋水仙素和胺磺灵对多倍体诱导效果的比较通过染色体加倍诱导多倍体的产生,是育种者对观赏花卉经常使用的一种育种方法。多倍性可以影响植物的杂交可能性、杂交种的可育性、植株的长势以及基因的表达。人工多倍体诱导主要是诱导异源多倍体,可以恢复不育后代的可育性、增加后代的杂交性和可育性、得到无籽多倍体植株、产生新的基因重组、增加次生代谢物的表达和多样性。同时,多倍体还可以增加观赏特性,如叶片变厚、花朵变大、花色更鲜艳、花期更长等。最常用、最有效的多倍体育种方法是用秋水仙素或低温诱导来处理萌发的种子和幼苗。Pryor等将秋水仙素喷施在生长活跃的芽中得到了四倍体杜鹃。Kehr对长出子叶真叶不明显的幼苗喷施秋水仙素,但是没有得到理想的结果。胺磺灵也可以作为染色体加倍试剂,且其毒性比秋水仙素小。胺磺灵诱导多倍体时可以避免用秋水仙素诱导多倍体时产生的不良效果,如不育性、畸形生长。Contreras等将杜鹃‘FragrantAffinity’活跃生长的芽尖浸泡在150μmol/L胺磺灵24h,得到异源四倍体植株。Vainola研究了秋水仙素和胺磺灵对试管中栽培的3种杜鹃多倍体诱导的效果。2种处理药剂用2种浓度(秋水仙素:0.025%和0.05%,胺磺灵:0.001%和0.005%)、2个处理时间(24和48h)来比较诱导效果,得出:用秋水仙素处理时植株的成活率较高,2种药剂浓度高时会杀死更多的幼苗;胺磺灵处理时间的长短不影响植株的成活率,但秋水仙素处理48h后的危害比24h的危害严重。胺磺灵的诱导效果好于秋水仙素,处理时间和浓度没有明显的差别,0.005%的胺磺灵处理24h得到的多倍体的比例最大为18%。Jones等发明了一种新的诱导多倍体的方法,配制40℃、半固体凝胶胺磺灵悬浊液,用滴管吸取2~4μl,滴在幼苗子叶的顶端,且诱导四倍体成功。2.3现代生物学技术在广深领域的应用目前,在育种技术上,开始结合使用组织培养技术、分子标记技术、转基因方法等,育种进程更加快捷。石家庄燕赵种业园艺花卉研究所近年来致力于引进国外杜鹃花组培技术,为我国野生杜鹃花的开发利用开辟了一条新途径。转基因、分子标记、连锁图谱的构建等现代生物学技术在杜鹃花育种研究中也得到应用。Pavingerova等应用农杆菌介导方法对几个杜鹃花品种进行基因导入,部分个体转移成功,但后来在营养繁殖中转移片段又丢失了。德国Dunemann博士等利用种间杂交后代建立了杜鹃花的分子遗传图谱,并对有些标记与抗碱性、叶面失绿、花色等性状的相关性进行了分析;后来,为进一步提高杜鹃花的耐碱性,他利用QTLs分子标记辅助选择和转基因技术培育耐碱单株,但至今没有筛选出耐土壤pH7.0以上的品种。3da对杜仲抗寒性的影响对杜鹃属植物研究中主要集中在对抗寒性的研究。在1998年Lim等对杜鹃属阔叶、常绿品种植株的抗寒性进行研究。常绿树种在越冬期间叶片不发生休眠,而落叶木本植物的组织(比如芽)发生休眠。这为研究常绿树种的抗寒适应性提供了基础。Marian等对21种杜鹃花的抗寒性进行研究,表明在寒冷适应性较好的杜鹃中,一种细胞脱水诱导的蛋白家族——脱水素25~73kDa含量较不抗寒的杜鹃品种丰富。Lim等对超抗寒和抗寒杜鹃品种进行杂交,对其F2隔离后代研究25kDa脱水素和抗寒性之间的关系。结果表明,在抗寒性F2群体中,25kDa的脱水素的含量水平与抗寒性强弱有关,随着脱水素的积累,抗寒性逐渐增强,所以25kDa的脱水素可以作为区别杜鹃抗寒性强和抗寒性弱的遗传标志。Malciute等对立陶宛SIAULIAIUNIVERSITY的植物园杜鹃进行低温抗性研究。Wei等对抗寒和不抗寒的杜鹃品种的EST比较分析,表明抗寒和不抗寒的杜鹃品种叶片的基因表达显著不同,得出渗透调节、抗干旱、光抑制能力、光合作用调节在抗寒性中起着重要的作用。耐寒杜鹃的培育一直是欧美杜鹃花育种的目标之一,很多的品种都能耐-25℃左右的低温。2002年芬兰的PeterM.A.Tigerstedt博士又把杜鹃花的抗寒性提高到一个新水平,筛选出抗-30℃以下低温的品种,使杜鹃的抗寒性得到进一步提高,扩大了杜鹃花的种植适生范围。Vainola等对几种杜鹃花的二倍体与四倍体品种进行抗寒性比较,发现二倍体品种更加耐寒。Swideriski等比较分析了杜鹃花叶片中的类黄酮含量,认为类黄酮的含量与抗冻性相关,可以作为品种筛选的一个标准。杜鹃花的育种除抗寒性外,还对株型、花型、花色、花香等进行研究,目前,更加致力于解决栽培中的难点,如杜鹃花的耐碱性、耐热性和抗病性等。喜酸怕碱的栽培要求是限制杜鹃花在中性或碱性土质中应用重要因子之一,因此耐碱品种的选育是现代杜鹃花育种的目标之一。德国普莱教授使用常规杂交育种与组织培养技术相结合,经过十几年的努力,于1992年筛选出耐碱能力明显优于其他种类的品种系列,使大叶常绿杜鹃能够适应的土壤pH由6.2~6.5达到6.9~7.0。在耐碱性研究方面,Chaanin等研究了碳酸氢根对杜鹃花失绿症的影响。4我国野生植物生长现状我国杜鹃属植物育种与世界先进国家相比存在较大差距,表现为原产杜鹃花资源开发利用水平低,杜鹃园艺品种的创造和开发利用水平更低。我国规模生产的品种基本都是从国外引进,这与我国拥有