杜鵑屬植物育種研究進(jìn)展

杜鵑屬植物育種研究進(jìn)展

杜鵑花是杜鵑科的最大屬，分布在亞洲、歐洲、美國和澳大利亞（2）。我國產(chǎn)杜鵑屬植物571種,其中409種為我國的特有種,約占國產(chǎn)種總數(shù)的71.6%。其種類繁多,花色嬌艷,具有極高的觀賞價(jià)值。我國杜鵑屬植物從區(qū)系分布來看主要集中于中國—喜馬拉雅森林植物亞區(qū)(351種、324個(gè)特有種)、中國—日本森林植物亞區(qū)(164種、135個(gè)特有種),占國有種數(shù)近90%;從行政區(qū)劃來看主要分布于西南地區(qū)的云南、西藏、四川3省,共403種,特有種223種,除新疆和寧夏未發(fā)現(xiàn)有野生杜鵑花外,其他省區(qū)均有分布。由于我國近代植物學(xué)起步較晚,對杜鵑屬植物的研究大多停留在植物分類學(xué)方面,對育種研究未引起足夠的重視。為此,筆者概述了杜鵑屬植物育種研究進(jìn)展。1世紀(jì)植物品種的應(yīng)用1656年英國從歐洲的阿爾卑斯山引入當(dāng)時(shí)被稱作高山月季的杜鵑花為歐洲高山杜鵑(R.hirsutum),是第一個(gè)引進(jìn)栽培的杜鵑花。1800年,在英國只有12個(gè)野生種類為人所知,其中有極大杜鵑(R.maximus,1736)、銹色杜鵑(R.ferrugineum,1740)、耐寒種類酒紅杜鵑(R.catawbiense)、大樹杜鵑(R.arboreum)和高加索杜鵑(R.caucasicum),奠定了杜鵑花育種的基石。大樹杜鵑掀起了杜鵑屬植物的育種研究。第一個(gè)杜鵑花雜交種的記錄為Azaleodendron,是黃焰杜鵑花(R.calendulaceum)和秋花杜鵑(R.ponticum)的一個(gè)隨意雜交種。有意識(shí)的雜交開始于北美常綠種的極大杜鵑和酒紅杜鵑,歐洲的高加索杜鵑和秋花杜鵑,稍后的來自東方的大樹杜鵑。原產(chǎn)中國的大樹杜鵑對西方園藝產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,杜鵑花育種歷史上它是紅色花品種的祖先。1834~1835年,瓦特(AnthonyWaterer)在英國耐普山(Knaphill)苗圃,用大樹杜鵑和高加索杜鵑雜交產(chǎn)生了新品種‘Nobleanum’,耐寒并能在圣誕節(jié)開花,標(biāo)志著杜鵑花育種歷史轉(zhuǎn)折點(diǎn)的到來。隨后一大批的大樹杜鵑的后代產(chǎn)生了,但是許多品種遺傳了親本的弱點(diǎn),植株首次開花的時(shí)間晚,幼年期很長。后來在耐普山苗圃培育了第一個(gè)深紅色花、抗寒、株型小巧的雜交品種‘Doncaster’,是一個(gè)理想的適合小花園應(yīng)用的杜鵑花品種。耐寒品種的不斷出現(xiàn),苗圃栽培的杜鵑花轉(zhuǎn)為以雜交品種為主體,標(biāo)志著抗寒杜鵑花育種的時(shí)代已經(jīng)到來。許多品種現(xiàn)在雖然不被看好,但在當(dāng)時(shí)它們能忍受低溫、在溫帶地區(qū)又可在全光照下栽培,確實(shí)很難得。從19世紀(jì)中期開始,尤其是1860年以后,許多植物采集者涌入中國,大量的杜鵑花資源被發(fā)現(xiàn)和引入栽培,杜鵑花雜交育種因此而快速發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)杜鵑花育種的集中地也由英國逐漸擴(kuò)展到北美、德國、比利時(shí)等國家。云錦杜鵑(R.fortunei)是20世紀(jì)杜鵑花育種中最著名的親本之一。云錦杜鵑原產(chǎn)我國,由羅伯特·福瓊1856年在我國發(fā)現(xiàn)并命名。云錦杜鵑被認(rèn)為是我國最好的杜鵑,抗性強(qiáng)、花大且有香味,同時(shí)又結(jié)實(shí)率高,成為20世紀(jì)杜鵑花育種中最著名親本之一。1901年,云錦杜鵑作為勞德瑞(LODERI)組群的雜交親本,而且勞德瑞雜交組群在英格蘭被認(rèn)為是最好的杜鵑花雜交品種群。它們生長旺盛、花序大、有香味、花朵喇叭形白色至乳黃色、粉色。著名的品種如“喬治帝”(R.‘LoderiKingGeorge’)、“粉寶石”(R.‘LoderiPinkDiamond’)和“維納斯”(R.‘LoderiVenus’)等。后來,云錦杜鵑被帶到美國,查里斯·戴克斯特(CharlesDexter)在馬薩諸塞洲從1922年開始在他的育種項(xiàng)目中廣泛使用云錦杜鵑作親本,戴克斯特的雜交品種傳播廣泛,許多以實(shí)生苗傳播,尤其在長島,數(shù)以百計(jì)的戴克斯特雜交種以它們的抗性、美麗的花朵、易于栽培而聞名。許多云錦杜鵑雜交種因“戴克斯特”而出名,它們的美使長島花園絢麗多彩,它們的香味讓長島春天變得生動(dòng)。圓葉杜鵑(R.williamsianum)是20世紀(jì)杜鵑花育種中另外一個(gè)著名的親本之一。1908年,威爾遜在我國中西部發(fā)現(xiàn)并引入英國的圓葉杜鵑,因具有完美的樹型,棕紅色的新葉和鈴型的花朵而令西方的杜鵑花育種者欣喜,帶來了又一次杜鵑育種高潮。圓葉杜鵑最早的品種于1916年產(chǎn)生于英國的丘園,后來海利森(EricHarrison)利用圓葉杜鵑作親本培育了許多很好的品種。最出名的圓葉杜鵑品種是“碗鈴”(‘BowBells’),在20世紀(jì)50年代引入太平洋西北部地區(qū)栽培,以此為親本又培育出許多適合小庭院應(yīng)用的品種系列。德國早期最著名的杜鵑花育種者郝彼(DietrichG.Hobbie),于1937年去英國旅行后,致力于杜鵑花雜交育種,其中圓葉杜鵑品種系列是他最成功的雜交品種群之一,抗寒性強(qiáng)、株型低矮,很適合于德國北部庭院栽培。國內(nèi)外的育種歷史從提高抗寒性、到抗寒性和花型、花色相結(jié)合,再到抗寒性、樹形、奇葉相結(jié)合,體現(xiàn)杜鵑屬植物育種研究主要集中在提高植物抗性、擴(kuò)大應(yīng)用范圍、追求植株的新、奇等方面。我國昆明植物園、廬山植物園、華西亞高山植物園、貴州省植物園、杭州植物園、江西井岡山園林科研所等研究單位,先后進(jìn)行了大量杜鵑花的播種繁殖和扦插試驗(yàn),并建立了自己的杜鵑園,為我國的杜鵑花栽培積累了豐富的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。華西亞高山植物園和廬山植物園播種苗保存量最多,前者10多年來繁殖杜鵑花原種300余種,保存杜鵑花活體數(shù)量達(dá)20萬株,建立了杜鵑花展示區(qū)、回歸園、森林景觀區(qū)、試驗(yàn)園區(qū)等,成為亞洲地區(qū)杜鵑花植物(原種)最大的保存基地和展示中心。另外,無錫市錫惠公園建立了面積4km2的杜鵑花專類園,收集保存有300余個(gè)國內(nèi)外杜鵑花園藝品種。2研究杜鵑植物育種方法2.1雜交時(shí)的策略及影響因素雜交育種是國內(nèi)外杜鵑育種中應(yīng)用最廣泛、成效最大的育種方法。雜交育種可以把不同親本的優(yōu)良基因集中于新品種,產(chǎn)生新的性狀。雜交親本的選育是雜交育種成功的關(guān)鍵之一。要根據(jù)育種目標(biāo)挑選最合適的種質(zhì)資源材料作親本,并合理搭配父母本。如進(jìn)行香化育種,那么親本中至少一方的花或葉應(yīng)具香氣;如進(jìn)行美化種增強(qiáng)抗性的育種,則親本一方中至少應(yīng)有較高的觀賞價(jià)值,另一方至少應(yīng)有抗性強(qiáng)的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)雜交組合時(shí)應(yīng)注意雙親配子的親和性,不同杜鵑品種之間的雜交親和性不同。張長芹等通過對杜鵑花屬10余年來所做的59對雜交組合的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):二倍體與二倍體的杜鵑花種間雜交親和力強(qiáng);二倍體與多倍體的杜鵑花雜交無親和力;同亞屬不同亞組之間二倍體種的杜鵑花雜交親和力強(qiáng);不同亞屬之間的杜鵑花種間雜交不育。所以,選擇的雙親以同亞屬的種或品種為好,并以一方為野生種,另一方為栽培品種的配合表現(xiàn)較為理想,其雙親配子親和力強(qiáng),F1具有明顯的雜種優(yōu)勢,產(chǎn)生的變異多。雜交過程中,要注意調(diào)節(jié)開花期、控制授粉、授粉后的管理。雜交時(shí)要盡量選擇花期相遇的品種。但如果父本花期早于母本,可將父本花粉采下置冰箱中冷藏保存;如父本花期稍晚,則應(yīng)以保護(hù)地栽培或催花措施促進(jìn)花期相遇。雜交時(shí)授粉成功是雜交成功的關(guān)鍵。授粉前,要對母本去雄和從父本上采集花粉。母本去雄時(shí)要特別注意時(shí)間。當(dāng)花絲還未充分伸長,長度低于柱頭,花粉被包裹在花藥內(nèi),有黏性而不易散去,去雄安全。一般落葉杜鵑在開花前4~5d,常綠杜鵑在開花前7d左右去雄。父本采集花粉時(shí),將開放前1d父本的花朵小心采下,除去花冠,取下花藥,按不同品種分別存放于冷藏冰箱中待用。要選擇合適的時(shí)間授粉。去雄后7d內(nèi)當(dāng)母本花柱迅速伸長,柱頭膨大呈黃綠色,上有豐富黏液時(shí),選上午授粉,需要時(shí)可進(jìn)行第2次授粉。張敬麗等在探討種間傳粉在杜鵑屬自然雜交物種形成中的作用時(shí)得出,在花冠未展開前1~2d柱頭已具有極少量黏液;在開花2~4d,柱頭黏液最多,花粉則成絲狀散出,具粘性;在開花5d后,柱頭黏液減少,花粉已基本完全散出;開花7d左右,柱頭開始枯萎,花冠脫落,雄蕊也開始脫落,已基本完成單花開花周期。授粉后,標(biāo)明父母本及雜交時(shí)間,同時(shí)加強(qiáng)田間管理。一般于當(dāng)年10~11月,蒴果頂出微裂時(shí)采收。在雜交過程中,雜交成功的影響因素較多。Williams等研究了花粉大小、雌蕊長度、花粉管生長速度對雜交的影響,得出花粉大小和花粉管到達(dá)胚珠的時(shí)間與雌蕊長度有關(guān),雌蕊越長,花粉越大,通?；ǚ酃苌L較快(Perez,Moore);在13~21℃,隨著溫度的升高,花粉管的生長速度越快。花粉管的密度與花粉管的生長速度無關(guān)。種間雜交時(shí),花粉在異種花柱中的生長速度比同種植物花柱中的生長速度不同。對越橘杜鵑亞組的26個(gè)種進(jìn)行觀察,表明花粉和雌蕊大小的極度不協(xié)調(diào)是導(dǎo)致種間雜交失敗的原因。在他的研究中,雜交成功的父本和母本的花柱長度比例在0.2~6.0。且得出,花粉管的生長不需要DNA的從頭合成,有可能僅限于轉(zhuǎn)錄水平或翻譯水平。劉曉青等對杜鵑花雜交、自交及開放授粉結(jié)實(shí)性研究表明,杜鵑花品種(種)間雜交的結(jié)實(shí)率高低與花色無關(guān),與株型和瓣型也無明顯的關(guān)系,而與品種(種)的親緣關(guān)系密切相關(guān);杜鵑花品種(種)天然授粉的結(jié)實(shí)率與瓣型關(guān)系密切,而與花色無明顯關(guān)系。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,所選杜鵑花品種(種)的天然結(jié)實(shí)率隨著重瓣性的增加而降低,所選單瓣品種的天然結(jié)實(shí)率顯著高于重瓣品種,這是由于杜鵑花重瓣品種雄蕊瓣化或者花藥量少,且花粉為絮狀,難以隨風(fēng)飄散,同時(shí)溫室中昆蟲稀少,難以完成傳粉過程所致;所選杜鵑花品種(種)的自交結(jié)實(shí)率明顯高于開放授粉結(jié)實(shí)率,說明杜鵑花授粉有利于提高結(jié)實(shí)率。所以,對于重瓣性高的品種選育應(yīng)主要通過雜交來實(shí)現(xiàn),而瓣性較低的品種選育也可以結(jié)合天然授粉后的實(shí)生選擇來進(jìn)行;在進(jìn)行遺傳研究時(shí),為了獲得真正雜種,對單瓣品種進(jìn)行去雄是必要的。Ureshino等為了獲得黃花常綠杜鵑,對3個(gè)杜鵑品種品種復(fù)交(三交)(R.kiusianum×R.eriocarpum)×R.japonicumf.flavum,獲得成功。這說明,在杜鵑育種中,復(fù)交也是一種有效的育種方法。2.2秋水仙素和胺磺靈對多倍體誘導(dǎo)效果的比較通過染色體加倍誘導(dǎo)多倍體的產(chǎn)生,是育種者對觀賞花卉經(jīng)常使用的一種育種方法。多倍性可以影響植物的雜交可能性、雜交種的可育性、植株的長勢以及基因的表達(dá)。人工多倍體誘導(dǎo)主要是誘導(dǎo)異源多倍體,可以恢復(fù)不育后代的可育性、增加后代的雜交性和可育性、得到無籽多倍體植株、產(chǎn)生新的基因重組、增加次生代謝物的表達(dá)和多樣性。同時(shí),多倍體還可以增加觀賞特性,如葉片變厚、花朵變大、花色更鮮艷、花期更長等。最常用、最有效的多倍體育種方法是用秋水仙素或低溫誘導(dǎo)來處理萌發(fā)的種子和幼苗。Pryor等將秋水仙素噴施在生長活躍的芽中得到了四倍體杜鵑。Kehr對長出子葉真葉不明顯的幼苗噴施秋水仙素,但是沒有得到理想的結(jié)果。胺磺靈也可以作為染色體加倍試劑,且其毒性比秋水仙素小。胺磺靈誘導(dǎo)多倍體時(shí)可以避免用秋水仙素誘導(dǎo)多倍體時(shí)產(chǎn)生的不良效果,如不育性、畸形生長。Contreras等將杜鵑‘FragrantAffinity’活躍生長的芽尖浸泡在150μmol/L胺磺靈24h,得到異源四倍體植株。Vainola研究了秋水仙素和胺磺靈對試管中栽培的3種杜鵑多倍體誘導(dǎo)的效果。2種處理藥劑用2種濃度(秋水仙素:0.025%和0.05%,胺磺靈:0.001%和0.005%)、2個(gè)處理時(shí)間(24和48h)來比較誘導(dǎo)效果,得出:用秋水仙素處理時(shí)植株的成活率較高,2種藥劑濃度高時(shí)會(huì)殺死更多的幼苗;胺磺靈處理時(shí)間的長短不影響植株的成活率,但秋水仙素處理48h后的危害比24h的危害嚴(yán)重。胺磺靈的誘導(dǎo)效果好于秋水仙素,處理時(shí)間和濃度沒有明顯的差別,0.005%的胺磺靈處理24h得到的多倍體的比例最大為18%。Jones等發(fā)明了一種新的誘導(dǎo)多倍體的方法,配制40℃、半固體凝膠胺磺靈懸濁液,用滴管吸取2~4μl,滴在幼苗子葉的頂端,且誘導(dǎo)四倍體成功。2.3現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)在廣深領(lǐng)域的應(yīng)用目前,在育種技術(shù)上,開始結(jié)合使用組織培養(yǎng)技術(shù)、分子標(biāo)記技術(shù)、轉(zhuǎn)基因方法等,育種進(jìn)程更加快捷。石家莊燕趙種業(yè)園藝花卉研究所近年來致力于引進(jìn)國外杜鵑花組培技術(shù),為我國野生杜鵑花的開發(fā)利用開辟了一條新途徑。轉(zhuǎn)基因、分子標(biāo)記、連鎖圖譜的構(gòu)建等現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)在杜鵑花育種研究中也得到應(yīng)用。Pavingerova等應(yīng)用農(nóng)桿菌介導(dǎo)方法對幾個(gè)杜鵑花品種進(jìn)行基因?qū)?部分個(gè)體轉(zhuǎn)移成功,但后來在營養(yǎng)繁殖中轉(zhuǎn)移片段又丟失了。德國Dunemann博士等利用種間雜交后代建立了杜鵑花的分子遺傳圖譜,并對有些標(biāo)記與抗堿性、葉面失綠、花色等性狀的相關(guān)性進(jìn)行了分析;后來,為進(jìn)一步提高杜鵑花的耐堿性,他利用QTLs分子標(biāo)記輔助選擇和轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育耐堿單株,但至今沒有篩選出耐土壤pH7.0以上的品種。3da對杜仲抗寒性的影響對杜鵑屬植物研究中主要集中在對抗寒性的研究。在1998年Lim等對杜鵑屬闊葉、常綠品種植株的抗寒性進(jìn)行研究。常綠樹種在越冬期間葉片不發(fā)生休眠,而落葉木本植物的組織(比如芽)發(fā)生休眠。這為研究常綠樹種的抗寒適應(yīng)性提供了基礎(chǔ)。Marian等對21種杜鵑花的抗寒性進(jìn)行研究,表明在寒冷適應(yīng)性較好的杜鵑中,一種細(xì)胞脫水誘導(dǎo)的蛋白家族——脫水素25~73kDa含量較不抗寒的杜鵑品種豐富。Lim等對超抗寒和抗寒杜鵑品種進(jìn)行雜交,對其F2隔離后代研究25kDa脫水素和抗寒性之間的關(guān)系。結(jié)果表明,在抗寒性F2群體中,25kDa的脫水素的含量水平與抗寒性強(qiáng)弱有關(guān),隨著脫水素的積累,抗寒性逐漸增強(qiáng),所以25kDa的脫水素可以作為區(qū)別杜鵑抗寒性強(qiáng)和抗寒性弱的遺傳標(biāo)志。Malciute等對立陶宛SIAULIAIUNIVERSITY的植物園杜鵑進(jìn)行低溫抗性研究。Wei等對抗寒和不抗寒的杜鵑品種的EST比較分析,表明抗寒和不抗寒的杜鵑品種葉片的基因表達(dá)顯著不同,得出滲透調(diào)節(jié)、抗干旱、光抑制能力、光合作用調(diào)節(jié)在抗寒性中起著重要的作用。耐寒杜鵑的培育一直是歐美杜鵑花育種的目標(biāo)之一,很多的品種都能耐-25℃左右的低溫。2002年芬蘭的PeterM.A.Tigerstedt博士又把杜鵑花的抗寒性提高到一個(gè)新水平,篩選出抗-30℃以下低溫的品種,使杜鵑的抗寒性得到進(jìn)一步提高,擴(kuò)大了杜鵑花的種植適生范圍。Vainola等對幾種杜鵑花的二倍體與四倍體品種進(jìn)行抗寒性比較,發(fā)現(xiàn)二倍體品種更加耐寒。Swideriski等比較分析了杜鵑花葉片中的類黃酮含量,認(rèn)為類黃酮的含量與抗凍性相關(guān),可以作為品種篩選的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。杜鵑花的育種除抗寒性外,還對株型、花型、花色、花香等進(jìn)行研究,目前,更加致力于解決栽培中的難點(diǎn),如杜鵑花的耐堿性、耐熱性和抗病性等。喜酸怕堿的栽培要求是限制杜鵑花在中性或堿性土質(zhì)中應(yīng)用重要因子之一,因此耐堿品種的選育是現(xiàn)代杜鵑花育種的目標(biāo)之一。德國普萊教授使用常規(guī)雜交育種與組織培養(yǎng)技術(shù)相結(jié)合,經(jīng)過十幾年的努力,于1992年篩選出耐堿能力明顯優(yōu)于其他種類的品種系列,使大葉常綠杜鵑能夠適應(yīng)的土壤pH由6.2~6.5達(dá)到6.9~7.0。在耐堿性研究方面,Chaanin等研究了碳酸氫根對杜鵑花失綠癥的影響。4我國野生植物生長現(xiàn)狀我國杜鵑屬植物育種與世界先進(jìn)國家相比存在較大差距,表現(xiàn)為原產(chǎn)杜鵑花資源開發(fā)利用水平低,杜鵑園藝品種的創(chuàng)造和開發(fā)利用水平更低。我國規(guī)模生產(chǎn)的品種基本都是從國外引進(jìn),這與我國擁有