蔬菜種質資源搜集與保護的技術對策

汪炳良，葉紅霞，施星仁

(1.浙江大學蔬菜研究所,浙江杭州 310029;2.湖州吳興金農生態農業發展有限公司,浙江湖州 313000)

蔬菜種質資源搜集與保護的技術對策

汪炳良1，葉紅霞1，施星仁2

(1.浙江大學蔬菜研究所,浙江杭州 310029;2.湖州吳興金農生態農業發展有限公司,浙江湖州 313000)

在闡述種質資源搜集與保護工作重要性的基礎上,就蔬菜種質資源搜集與收集的區別和聯系、蔬菜種質資源搜集的內涵與搜集方法,以及蔬菜種質資源保護的內涵、種質保存、種質繁殖與更新、種質鑒定與評價方法提出了一些技術對策。

蔬菜;種質資源;搜集;保護

文獻著錄格式:汪炳良,葉紅霞,施星仁.蔬菜種質資源搜集與保護的技術對策[J].浙江農業科學,2015,56(5):734-737.

DOI 10.16178/j.issn.0528-9017.20150558

1 蔬菜種質資源搜集與保護的重要性

種質資源是指攜帶種質的載體,凡攜帶有不同種質(基因)的各種栽培植物及其近源種和野生種統稱為植物種質資源。種質是決定生物“種性”(遺傳性)并將其遺傳信息從親代傳遞給后代的遺傳物質的總稱,一個DNA片段、甚至一個基因均屬于種質的范疇。種質資源與遺傳資源或基因資源同義,但“基因庫”具有不同的含義,基因庫是某一物種所包含的形形色色基因的總和。

品種(種質資源)是農業生產和育種的物質基礎,是提高產量、改進品質、抵御各種病蟲害的“武器庫”。近年來有人甚至提出了“種子戰”“基因戰”的口號,說明人們已經認識到“誰控制了種子(種質),誰就控制了農業的未來”。進入21世紀以來,世界各蔬菜育種強國,如日本、以色列、荷蘭、美國、韓國等各大種子公司大舉進軍我國蔬菜種子市場就是一個例證。因此,對種質資源的擁有量和對其研究利用的程度成為一個國家育種水平和科研實力的標志,并直接關系到一個國家的農業戰略安全[1]。

由于生產中不斷選用新育成品種,使我們的祖先遺留下來的許多老品種,尤其是地方品種被逐漸淘汰,從而使一些遺傳資源面臨消失的風險。先祖們遺留下來的這些老品種資源僅僅是由于產量等性狀滿足不了時代的要求而被淘汰,但它們可能在某一個或某些方面具有獨特的作用。如杭州“十大名菜”之一的杭州雪韭具有濃郁的風味,但由于其產量較低,逐漸被闊葉韭代替,真正的杭州雪韭已近滅絕;浙江省著名的菠菜地方品種紹興尖葉菠(火冬菠)具有早熟、耐熱性強等特點,但因產量較低,逐漸被全能菠、超級菠等進口品種替代,現已難覓蹤跡。

大規模開墾荒地、興建工礦企業以及自然災害,特別是隨著全球生態環境的日益惡化,使許多地方品種資源日漸稀少,種質資源遺失的速度日益加快,如不采取有效的保護措施,許多珍貴的種質資源將一去不復返。而這些植物品種資源以及一些近緣野生種在近代育種工作中發揮了極大的作用,如20世紀70年代、80年代番茄煙草花葉病毒病(TMV)曾經對我國番茄產生重大危害,而抗TMV的Tm-2nv、Tm-2a等抗病基因就是從多毛番茄、醋栗番茄這些番茄近緣種中發現得,并育成了抗TMV的番茄品種,解決了番茄TMV的危害問題。

在近現代植物育種中,具有劃時代意義的雄性不育材料的獲得也是在種質資源搜集、鑒定過程中發現的。除了雜交水稻之父袁隆平院士等發現水稻雄性不育材料進而育成雜交水稻品種外,許多蔬菜作物的雄性不育材料也是在對地方資源的搜集調查中挖掘的,如白菜顯性核不育基因Sp的發現,繼而育成了細胞核基因控制的100%雄性不育系,豐富了白菜雜種優勢利用方式;武玲萱等[2]在對山西蘿卜種質資源的搜集整理過程中,發現雄性不育株率達到0.8%～5.0%的水平,并利用發現的不育源,通過轉育獲得了系列蘿卜胞質雄性不育系,進而選育了多個在生產中大面積推廣的雜種1代蘿卜。

另一方面,雖然蔬菜種質資源的搜集與保護的重點在于本地品種資源,但一些外地品種資源也不容忽視,因為外地種質資源,特別是一些國外的種質資源對本地品種資源具有一定的互補性。如高蛋白、高脂肪大豆品種的選育和利用是大豆育種者和生產者共同關注的重點,李為喜等[3]通過對國內外大豆資源的鑒定發現,國內大豆品種高蛋白質種質資源的占有率高于國外引進的種質資源,而國內品種高脂肪種質資源的占有率均低于國外引進的種質資源,且從國外引進的種質資源中高蛋白兼高油優異種質資源占有率高于國內品種。前幾年在我國秋冬番茄生產中遭遇的番茄黃化曲葉病毒病幾乎導致番茄絕收,番茄育種者正是從國外引進的番茄品種資源中發現了抗番茄黃化曲葉病毒病的材料,從而成功選育出抗病的番茄品種,使得我國的秋冬番茄產業得以持續發展。

綜上所述,不難看出開展蔬菜種質資源搜集與保護具有十分重要的作用,也是一項刻不容緩的工作。

2 種質資源搜集的內容與方法

2.1 種質資源的搜集與收集

在涉及種質資源搜集的問題上,人們常常使用“收集”而不是“搜集”,公開報道的文獻中多數均采用了“種質資源收集”而不是“種質資源搜集”。但是,“搜集”與“收集”具有不同的含義。“收”是東西放在眼前,人們不需要費多大力氣就能得到;而“搜”中包含了一個比較辛苦的搜索過程。種質資源收集的“收”,是將分散在各地的種質資源集中、聚攏的意思,“收集”的過程不需要花費較大功夫、比較簡單。種質資源搜集的“搜”具有調查、尋找的意思,需要到處尋找(查找)并聚集在一起。從方法上分析,搜集除了調查、尋找外,也包括征集、收集。

我國在20世紀50年代中期及80年代初開展了2次大范圍、大規模的蔬菜地方品種征集工作,并在20世紀70年代末至90年代初組織專業科技人員對蔬菜種質資源分布豐富的西南、海南地區進行調查、考察,取得了豐碩的成果[4]。

2.2 種質資源搜集的內涵與搜集方法

中國是世界上植物資源最豐富的國家之一,能作蔬菜食用的野生和栽培植物涉及213科,815屬,1 822種,其中被馴化栽培的種類僅5%左右[4]。但是,目前已經保存的蔬菜種質資源仍有張冠李戴等問題,不少地方蔬菜品種資源還未能搜集入庫。

根據蔬菜(植物)種質資源的來源與性質,可以將其分為本地品種資源、外地品種資源、野生植物資源以及人工培育的種質資源共4類。需要指出的是前2種資源均稱為“品種資源”,而不是“植物資源”或“種質資源”,這是因為本地品種資源與外地品種資源均具有“品種”的含義。而從蔬菜(植物)育種角度看,“品種”是人類在一定的生態和經濟條件下,根據自己的需要而創造的某種栽培植物的群體;具有相對穩定的遺傳性在一定的栽培環境條件下,個體間在形態、生物學和經濟性狀方面保持相對一致性;在產量、品質和適應性等方面符合一定時期內生產和消費的需要。從品種的概念看,無論是本地品種資源或是外地品種資源,均是人們經過長期或短期的馴化(選擇或選育)、在歷史上曾經進行人工栽培、目前已經鮮有種植或仍在栽培的品種。

在蔬菜種質資源搜集的內涵及搜集方法上,首先需要明確搜集種質資源的類別。從理論上看,種子管理部門蔬菜種質資源的搜集應該包括本地品種資源、外地品種資源以及野生植物資源,其中最重要的應該是地方品種資源,特別是瀕臨滅絕的珍稀資源,人工創造的種質資源不屬于種子管理部門搜集的重點。其次,種質資源搜集涉及的是種質資源的特征、特性以及區域分布和栽培歷史等,這需要在對分布于各地的蔬菜品種資源初步摸底的基礎上,深入品種資源的“原產地”進行調查、走訪、尋找,甚至需要查閱當地的地方志。第三,種質資源搜集涉及搜集種質的載體,對于有性繁殖的蔬菜品種資源,除了采集(收集)種子外,應該挖取具有典型性的植株或選擇典型性植株就地隔離留種,待種子成熟后采集種子;對于無性繁殖的蔬菜品種資源,需要采集種苗,并就地選擇典型性植株進行標記,待成熟后挖取植株。

此外,蔬菜種質資源的搜集還涉及搜集時間及每份資源的搜集數量問題。每一份種質資源需要調查了解的性狀較多,既有植物學形態性狀(特征),又有農業生物學性狀(特性),特征特性是在不同的生育階段表達的,在尋找到目標種質資源后,要在蔬菜作物的各個生育階段進行多次調查觀察并進行甄別選擇并不現實。因此,對于產品是營養器官的蔬菜,適宜的最佳搜集時間是產品成熟采收期,對于產品是生殖器官的蔬菜則是產品器官盛收期。

關于每份資源搜集的數量,目前沒有統一的標準。實際上,繁殖方式、授粉方式不同的蔬菜,在搜集中采集的數量存在較大的差異,可以遵循以下原則:無性繁殖作物取樣數量可以適當少一些,而有性繁殖作物取樣數量應多一些;異花授粉植物的取樣數量應大于常異花授粉植物,常異花授粉植物的取樣數量應大于自花授粉作物;繁殖系數低、種子壽命短的作物其取樣數量應大于繁殖系數高、種子壽命長的作物;地方品種的取樣數量應大于選育品種。例如,柯衛東等[5]認為水生蔬菜選育品種可隨機取樣,種子繁殖的作物采集100～400粒種子,用根莖等無性繁殖的作物采集3～10個繁殖器官。

3 蔬菜種質資源保護的技術對策

3.1 蔬菜種質資源保護的內涵

如前所述,蔬菜種質資源的搜集與保護是具有千秋功業的工作,不僅是為了保護自然界的生物多樣性,同時也是為了提升種業水平。所以,蔬菜種質資源保護的內涵涉及種質資源的保存、繁殖與更新以及鑒定與評價等。從廣義角度看,種質資源的利用本身就是一種保護,而種質資源的這種保護性利用的前提又恰恰是資源的鑒定與評價。由此可見,蔬菜種質資源的保護內涵涉及了保存、繁殖、鑒定、評價、利用。種質資源保護的前提是種質資源的搜集。

3.2 蔬菜種質資源的保存

蔬菜種質資源的保存是指保存攜帶種質的植物體,可以是一個群體、一個植株,也可以是根、莖、花粉、細胞等植物體的部分器官。種質資源保存的要求主要包括保持其生活力及其原有的遺傳性2個方面。

種質資源保存的方法主要有種植保存、種子貯藏保存及離體保存3種。種植保存包括就地種植保存和異地種植保存2種方式,從種質資源保護角度分析,最好采用就地保存。因為異地保存過程中,可能由于保存地外界環境條件與其原產地的差異,導致種質資源變異速度加快,并因可能發生的生育期改變、性狀表達的不充分導致選擇困難。但是,就地保存不利對種質資源的管理。因此,采用種植保存時,有條件的可以采用就地保存。對于有性繁殖的蔬菜作物而言,可以通過種子貯藏保存種質資源。常用的種子保存方法是溫度0～4℃、空氣相對濕度在60%以下的中期庫[4]。近年來,有些省份采用了“超干貯藏”技術,如廣東對苦瓜、黃瓜、節瓜、辣椒、芥藍、萵苣、菜豆等蔬菜種質資源采用超干貯藏技術保存其種質資源[6]。離體保存是利用植物器官或組織的離體培養技術在人工創造的環境條件下進行活體保存。如德國、美國、印度、英國、俄羅斯等對無性繁殖的蔥蒜類蔬菜種質資源主要是通過資源圃輔助以離體方式保存。但在通過愈傷組織培養保存種質資源時有體細胞變異及染色體倍性改變的風險。如A1-Zahim等[7]利用RAPD技術對經過長期愈傷組織培養的5個大蒜栽培品種的體細胞變異進行檢測發現,3個大蒜品種的變異率為0.35%,另2個大蒜品種的變異率達到1%,細胞學鑒定表明在繼代苗中存在9.3%的四倍體、4%的非整倍體。

3.3 蔬菜種質資源的繁殖與更新

從種質資源工作的系統性角度考慮,蔬菜種質資源的繁殖與更新同樣屬于種質資源的保存,只是這種繁殖與更新是狹義的種植保存。這種種植保存從技術層面需要解決種植地點、種植季節、種植規模與更新頻率、選擇與隔離等問題,而且需要考慮保護每份種質資源的遺傳多樣性問題。

前已述及,地方品種資源的繁殖與更新最適宜的地方是在其原產地,異地種植、繁殖更新有增加變異、性狀表達不充分、選擇和種性保持困難的風險。為了既方便種質資源管理,又能夠避免發生上述風險,種質資源宜在與原產地生態環境相似的地區進行相對集中地繁殖更新。

確定種質資源繁殖更新的規模與頻率必須考慮的問題包括繁殖系數、種子壽命(有性繁殖蔬菜)、授粉方式、種質資源(品種資源)本身的遺傳變異程度等。原則上在確保蔬菜種質資源有效保存的前提下,應減少單位時間內的繁殖更新次數或降低繁殖更新頻率,這對有性繁殖的蔬菜品種資源(特別是容易自交衰退的部分異花授粉蔬菜)更為重要。

在種質保存過程中,種子的活力隨保存時間的延長而逐漸降低,種子活力降低的速度因作物種類、品種以及繁殖地區、貯藏環境(特別是溫度、濕度)而異;同時,雖然在種子貯藏過程中也可能發生可遺傳的點突變[8],但在種植保存過程中發生變異的概率更高,特別是異花授粉蔬菜。

國內外種質基因庫繁殖更新的發芽率標準通常在65%～85%[9],如IPGRI推薦標準為發芽率85%,或活力下降15%,最低臨界值為發芽率65%[10]。當然,上述“標準”是否符合種質資源繁殖更新的實際需求還有值得繼續探討的空間。

在種質資源繁殖更新過程中,一個值得高度重視的問題是保持種質的遺傳性。對于無性繁殖的蔬菜種質資源,原品種(資源)遺傳性的保存相對比較容易且可操作,其關鍵在于確實了解保護的種質資源的特征與特性,只要根據品種資源的特征特性進行正確的選擇即可。對于有性繁殖的蔬菜作物問題就顯得復雜。據了解,許多從事蔬菜種質資源保護(繁殖更新)工作者通常采用單株選擇的方法進行繁殖更新,這實際上就是自交系的選育過程,這種方式不容易保存原有種質資源的遺傳多樣性,也就失去了種質資源保存的意義。所以,在有性繁殖蔬菜品種資源的繁殖更新過程中,選擇(隔離留種)既要考慮到留種植株的典型性,又要兼顧資源的遺傳多樣性,自花授粉蔬菜作物及常異花授粉蔬菜作物宜采用選擇混合選擇法,異花授粉蔬菜作物宜采用改良混合選擇法,如母系選擇法(產品是營養器官、容易發生自交衰退的種類)、親系選擇法(莖瘤芥、黃瓜等)等。

3.4 蔬菜種質資源的鑒定與評價

蔬菜種質資源的鑒定與評價涉及范圍廣,這里僅討論2類性狀,即特征性狀與生物學特性性狀。

特征性狀實際上是植物學形態性狀,這類性狀既有質量性狀也有數量性狀,有時同一性狀既需要定性描述又需要定量描述。但在蔬菜種質資源的鑒定與評價中,無論是質量性狀或是數量性狀,更應該重視的是定性評價。有時對數量性狀的定量描述并沒有太大的實際意義,例如果實的大小、肉質根大小等,因為這種數量性狀非常容易受環境條件(包括栽培管理水平)的影響。

與特征性狀不同,在蔬菜種質資源鑒定與評價中,生物學特性性狀需要進行定量評價,雖然這種性狀有時反而難以進行定量描述。例如物候期、成熟期、抗病性、口感或風味等性狀恰恰是種質資源應用于育種實踐最重要的性狀,如果對這些性狀僅僅進行定性描述,育種者在親本的選擇過程中難以取舍。在上述生物學特性性狀中,有些性狀,如物候期、成熟期等容易進行量化鑒定,但抗病性、耐低溫性、品質等進行量化比較困難。對于抗病性,可以委托專門機構進行鑒定;耐低溫等抗逆性的鑒定必須由具備良好儀器設備的教學科研機構進行室內鑒定并結合田間鑒定;對于籠統的品質性狀,需要制訂評判標準,并組織培訓專門人員進行評判(打分),當然,部分品質性狀可以利用儀器進行客觀評價,如可溶性固形物含量可以利用折光儀測定、果實脆度在建立評價體系的基礎上利用質構儀進行測定。

[1] 馬雙武,王吉明,邱江濤.我國西瓜甜瓜種質資源收集保存現狀及建議[J].中國西瓜甜瓜,2003(5):17-19.

[2] 武玲萱,李玉瓊,侯志鋼,等.山西省蘿卜種質資源收集整理及利用研究[J].山西農業科學,2001,29(3): 48-50.

[3] 李為喜,劉三才,邱麗娟,等.新收集大豆種質資源主要品質鑒定與評價[J].植物遺傳資源學報,2005,6(1): 75-79.

[4] 李錫香.中國蔬菜種質資源的保護和研究利用現狀與展望[C]//北京:全國蔬菜遺傳育種學術討論會論文集,2002.

[5] 柯衛東,劉義滿,李峰,等.水生蔬菜種質資源野外考察收集方法[J].中國蔬菜,2007(B08):90-94.

[6] 譚雪,劉自珠,林春華,等.廣東蔬菜種質資源收集,保存與利用[J].江西農業學報,2012,24(7):6-9.

[7] Al-Zahim M A,Ford-Lloyd B V,Newbury H J.Detection of somaclonal variation in garlic(Allium sativum L)using RAPD and cytological analysis[J].Plant Cell Reports,1999,18 (6):473-477.

[8] 王吉明,馬雙武.西瓜甜瓜種質資源的收集,保存及更新[J].中國瓜菜,2007(3):27-29.

[9] Frankel O H,Brown A H D,Burdon J J.The conservation of plant biodiversity[M].Cambridge:Cambridge University Press,1995.

[10] Engels J M M,Tao K L.Genebank standards.Food and Agriculture Organization of the United Nations[M].Rome: International Plant Genetic Resorces Institute,1994.

(責任編輯：侯春曉)

S 324

A

0528-9017(2015)05-0734-04

2015-03-30

汪炳良(1962-),男,浙江海寧人,教授,博士,主要從事蔬菜種質資源與品種遺傳改良研究工作。E-mail:blwang @zju.edu.cn。