紅掌雜交、誘變及倍性育種研究進展與評析

牛俊海 冷青云 林興娥 黃明忠 楊光穗 尹俊梅

摘 要 紅掌是廣為人們喜愛的盆栽和切花花卉。近年來，中國紅掌產業規模迅速擴大，成為世界主要生產基地和消費市場之一，我國對多樣化新品種的需求增加，吸引越來越多的研究者嘗試本土化的育種工作。本研究概述了國內外紅掌常規雜交、誘變和倍性育種方面的研究狀況，并對存在問題及未來發展予以評析，為紅掌相關研究提供信息參考。

關鍵詞 紅掌 ；雜交育種 ；誘變育種 ；倍性育種 ；花藥培養 ；種質創新

分類號 S682.14

紅掌（Anthurium andraeanum Lind）原產于中南美洲熱帶雨林，為天南星科（Araceae）花燭屬（Anthurium Schott）多年生草本植物，著生有平展的佛焰花苞和直立柱狀的肉穗花序，被用作盆栽觀賞植物和切花花卉。因其具有花形奇特、花色艷麗、花期持久、周年開花、株型優雅等諸多優點，深受全世界消費者喜愛。紅掌于20世紀70年代首次傳入我國，90年代開始規模化種植，近年來發展迅猛，已成為世界主要產地和消費市場之一。

目前市場上流行的品種多由種間或種內雜交選育而來。荷蘭專業公司、夏威夷大學以及佛羅里達大學園藝系等研究機構，經過幾十年的培育，推出了眾多花色、花形、株型、產量、抗性等特性各異的切花和盆花品種。產業發展早期，我國的紅掌生產中主要依賴進口或自繁國外品種的種苗。2008年，紅掌所在的花燭屬植物，被正式納入中國農業部發布的第七批《農業植物新品種保護名錄》，對新品種的非法擴繁將被視為侵權行為。近年來，荷蘭主要的紅掌專業公司安祖、AVO與瑞恩分別在昆明、北京和上海設立新品種測試基地和種苗生產中心，更多本地適應性新品種的投放，以及“荷蘭品質中國價格”的優質種苗的供應，將繼續鞏固其對我國產業的主導優勢。因此，在這種形勢下，加快選育自主產權的優良品種，是提高生產經營利潤、保證我國紅掌產業可持續發展的迫切需求。

紅苞花燭（A. andraeanum Lind）種內及花燭屬（Anthurium Schott）種間雜交是紅掌常規育種的主要方法，創造了豐富的遺傳變異，培育出了幾乎所有的盆花和切花品種。另外，誘變育種和倍性育種在種質創新方面近年來也有了很大的進展，并培育出少量商業化品種。本文對國內外的相關研究予以綜述，為紅掌研究和育種工作者提供參考，以期助力我國本土化新品種的研發工作。

1 紅掌雜交育種

有性雜交和后代選擇是紅掌新品種選育的主要手段。花燭屬植物估計有600～800種，甚至超過1 000種[1]，為雜交育種提供了豐富的天然資源，但這些野生種及其近緣種多分布于中南美地區，目前只有一小部分被成功應用于育種中，這和資源收集的難度較大及專業育種研究者較少有關。

1.1 國外紅掌雜交育種

荷蘭的Anthura、Rijnplant、AVO等專業公司，已經有近70年的紅掌研究歷史，不斷推出眾多切花品種如‘Acropolis、‘Tropical、‘Choco、‘Cheers、‘Marysia、‘Fantasia等，以及‘Dakota、‘Alabama、‘Pink Champion、‘Arebo、‘Madural、‘Turenza、‘Valerie、‘NewRed等盆花品種，加上提供的高品質種苗和現代化的栽培管理體系，幾乎主宰著全球的紅掌產業，但出于商業利益保護的需要，其育種材料、技術、學術性研究成果等一直被視同核心機密而較少公開。自1950s，夏威夷大學啟動紅掌育種計劃，Kamemoto等[2-3]開始從南美收集野生資源，并進行多年紅掌品種的雜交選育，發展了育種和評價技術體系，陸續選育出‘Nitta、‘Midori、‘Marian Seefurth、‘Paradise Pink、‘Kalapana、‘New Era、‘Tropic Flame等多個切花品種以及部分盆切兩用品種[4-5]（表1），但多數僅限于島內和臺灣等地區種植，其切花產品主要供應東亞和美國本土。進入1980s，美國佛羅里達大學園藝系Henny等，以及奧格爾斯比（Oglesby）植物實驗室，開始采用A. andraeanum和緊湊型野生種A. amnicola、A. crystallinum、A. androphyoides、A. armeniense、A. kamemotoanum、A. ravenii、A. ornatum等進行雜交，選育出‘Red Hot、‘Tropic Fire、‘Orange Hot、‘Salsa、‘Purple Plum、‘Favorita、‘SmallTalk、‘Lady系列等幾十個盆花品種[6-12]（表1），但多數限于美國本土栽培。

1.2 我國紅掌雜交育種

2000年以后，我國陸續有部分研究者開始從事紅掌品種資源的收集、保存、評價、鑒定和雜交育種工作[13-15]，制定了《熱帶觀賞植物種質資源描述規范-紅掌》（NY/T 2033-2011），建立了親本雜交、種子采收萌發、育苗管理等技術體系[16-18]。目前已有少數品種獲得新品種權并進入商業化推廣應用，如廣州花卉研究中心和華南農業大學農學院共同選育的盆花品種‘朝霞、‘彩霞、‘旭日、‘艷陽等，云南省熱帶作物科學研究所選育出的‘水晶之戀、‘春曉等（表1）。

但由于本土育種起步較晚，收集的種質資源基礎相對狹窄，多為國外釋放的商業推廣品種，而缺少近緣野生種，品種間雜交后代的同質性，一定程度上決定了難以獲得更特異的新品系。另外，在育種技術經驗的積累、嚴格規范的新品種測試評價等環節，和國外的專業公司和研究機構相比較，都有不小的差距。因此，繼續拓展種質遺傳基礎和完善育種技術體系，仍然是培育觀賞性好及適應性強的自主品種的重要任務。

1.3 紅掌雜交育種主要問題分析

盡管傳統雜交育種對紅掌產業的發展起了巨大的推動作用，但其局限性也十分顯著，主要體現在：（1）育種周期長。紅掌童期較長，一個雜交世代（種子-種子）需要2.5年以上，加上單株選擇、組培擴繁、品系測試等環節，即便只經過一輪雜交改良，選育出一個新品種也通常耗時6～8年，因此育種工作必須長期堅持下去。（2）花燭屬植物普遍存在自（雜）交不親和、近交衰退（后代發芽率低、生長緩慢、異常分蘗、白化、畸形等）等生殖障礙[18-20]，有時難以通過多次回交改變目標性狀或者遠緣雜交進行聚合育種，很難打破某些基因之間的連鎖來改變植物的某一性狀。因此，針對特定的親本組合，采用胚胎挽救、體細胞雜交等技術手段，有助于獲得有活力的雜種后代。（3）主要性狀的遺傳機制不明晰。盡管夏威夷大學Kamemoto等在育種早期對A. andraeanum的花色等少數幾個觀賞性狀進行過初步的遺傳分析[3，21-25]，但隨著多年育種過程中滲入了多種近緣種的血緣，品種資源的遺傳背景更為復雜；加上遺傳學研究力量薄弱、周期較長、管理成本高以及完全隨機分離群體不易獲得等因素的影響，紅掌重要性狀的遺傳規律研究比較滯后，使得雜交育種中的親本組配仍然帶有一定的盲目性，針對性不強。開展重要性狀的遺傳機制研究，有助于提高雜交育種的成效。（4）育種目標單一。目前紅掌常規育種主要關注觀賞性狀，在抗病蟲、冷害、高溫等綜合適應性方面相對薄弱，仍需更廣泛細致地開展種質資源評價，挖掘利用不同特性的育種材料。（5）物種本身缺少某些重要性狀相關的遺傳基因，如佛焰苞的純黃和藍色、高抗細菌性疫病、優香味等。這些特異種質的缺乏，限制了常規育種中對相關性狀的改良，需要借助基因工程等育種手段實現定向改良育種。

2 紅掌誘變育種

誘變育種是指利用各種理化因素，誘發植物產生遺傳變異，以期快速獲得有利用價值的突變體，進而選育出新品種。在紅掌的物理誘變方面，Puchooa[26]采用137Cs源γ射線對紅掌品種‘Nitta種子、愈傷和葉片外植體分別進行輻射處理，培養后發現15 Gy強度足以使材料致死，而5 Gy處理的材料中出現了一些形態變異體。朱佳文[27]對紅掌盆栽品種‘SweetHeart的愈傷組織進行60Co-γ射線輻射處理，表明最佳輻射劑量為1.5 Gy，致死劑量為2.5 Gy；通過細胞學檢測發現了微核、橋、斷片、染色體滯后等染色體變異類型，并借助RAPD分子標記篩選出了一批變異材料。彭文君等[28]以不同梯度輻射劑量的60Co γ射線處理紅掌‘阿拉巴馬品種的愈傷組織及組培苗，結果表明愈傷組織的半致死劑量為20～30 Gy，組培苗為30～40 Gy；輻射后的再生植株矮小且生長緩慢，生長受抑制程度隨著輻射劑量而增加。盡管輻射能導致遠高于自然條件下的變異頻率，但考慮到突變的多數有害性和隨機性，輻射育種的目的性不強，并不能夠針對特定性狀進行改良，目前尚無報道顯示有經該方法選育的紅掌品種進入生產領域。

3 紅掌倍性育種

3.1 染色體加倍

多倍體植物由于染色體加倍，通常表現出強壯、長勢快、觀賞性好、抗性強等特點，一直是園藝植物育種的重要途徑之一。利用秋水仙素等誘導劑，處理幼嫩外植體、愈傷組織、原球莖、叢生芽、體胚細胞等中間繁殖體，是誘導產生多倍體的常用方法。目前，栽培紅掌和近緣花燭屬植物基本上都是二倍體（2n=30）[29-31]，通過染色體加倍創造育種新種質是很多國內外研究者的興趣所在。早在上世紀五、六十年代，夏威夷的紅掌研究者就已經開始紅掌的倍性育種嘗試，利用秋水仙素處理材料，培育了染色體加倍的品系[2]。朱佳文[27]用秋水仙堿處理盆栽紅掌品種‘SweetHeart試管苗，結合培養誘導多倍體植株，誘變頻率可達到40%，染色體壓片觀察發現誘變材料的染色體數目為60條。張志勝等[32]對紅掌品種‘Pink Champion和‘Tropical葉片誘導的愈傷組織為試驗材料，采用秋水仙素處理進行四倍體誘導，表明0.2 g/L秋水仙素的液體培養基中振蕩培養14 d，四倍體誘導率最高，為45.5%。田立民等[33]以秋水仙素浸泡紅掌品種‘Arizona氣生根誘導的再生團塊，顯示0.3%濃度浸泡7 h處理，誘導率可達63.3%；與對照組相比，經秋水仙素處理得到的變異植株葉片肥厚、莖較粗壯、植株較矮、生長遲緩、葉色較深。Chen等[34]用秋水仙堿處理盆花品種‘Arizona氣生根誘導的愈傷組織，結果表明0.3%濃度處理5 h 情況下誘導率最高，不僅獲得夜色加厚深綠及莖桿粗壯的典型四倍體植株，還發現了雙佛焰苞和無花梗的變異株。目前，多個由二倍體和雜交選育的三倍體紅掌品種，已經進入生產應用。如廣州花卉研究中心和華南農業大學農學院共同選育的三倍體盆栽品種‘貴妃和‘妃子笑，是由四倍體品種‘Pink Champion與二倍體切花品種‘Tropical雜交而來，具有株型較緊湊，高大健壯、葉片肥厚、花冠突出等特點。

多倍體紅掌除了表現出長勢壯、著色深、單花觀賞期長、脅迫抗性強等優勢外，也常常會伴隨童期延長、產花量低、苞片變小多皺、花序短縮、葉片外張等不良性狀，尤其是農藝性狀和觀賞性狀的降低，一定程度上影響了多倍體方法在紅掌育種中的廣泛應用。

3.2 紅掌花藥培養

花藥離體培養技術是單倍體育種中的主要技術手段。Rachmawati[35]對紅掌切花品種‘Tropical進行花藥培養，得到單倍體、二倍體和四倍體三種染色體組型植株。杜寶貴等[36]的研究表明，小孢子中晚期是紅掌花藥培養的適宜時期，基因型、培養基和低溫預處理對花藥膨大率有顯著性的影響；從栽培品種‘Sweet Dream花藥誘導出致密型和疏松型兩種愈傷組織，二者在芽分化率和生根率存在明顯差異，致密型小苗生根率為95%，而疏松型僅為30%；盡管‘Sweet Dream的花藥再生植株經染色體鑒定均是二倍體，但與其葉片再生植株相比，在形態特征上存在差異。Winarto等[37-39]依次優化出紅掌花藥培養的適合培養基WT-1和NWT-3，并經過對切花品種‘Tropical進行花藥培養，獲得數量不等的單倍體、二倍體、三倍體和非整倍體再生植株，通過比較不同的倍性鑒定方法，認為氣孔保衛細胞的葉綠體數量可以作為快速準確的倍性鑒定指標（相關系數r=0.945，P<0.01）。除染色體倍性水平外，再生單倍體植株在分蘗性、株型、花形、苞片和花序顏色等性狀上表現出極大的變異，加倍后的單倍體植株有利于通過有性方式穩定繁殖，并為重要性狀的遺傳和育種研究提供了極大便利。但和其他誘變育種一樣，花藥培養后代的也具有隨機性，難以針對特定性狀的改良創造變異。

4 小結

總體而言，紅掌雜交育種的開展，培育出了大量的商業化品種，極大地推動了產業的發展。更多近緣新種質的利用，以及誘變和倍性育種方法的開展，有助于創造更豐富的遺傳變異，選育出更多觀賞性、適應性、生產性等綜合性狀優良的新品種。另外，隨著紅掌基礎生物學和遺傳學研究的深入，一些重要性狀的遺傳規律的解析及功能基因的挖掘，將推動分子標記輔助選擇和基因工程為主的分子育種手段的應用，從而提高育種工作的效率和針對性，加快我國自主產權紅掌新品種的研發。

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