蘋果營養系砧木選育進展

郝玉金，沙廣利

(1.山東農業大學園藝科學與工程學院，山東泰安 271000；2.青島市農業科學研究院)

矮化密植是當前蘋果栽培的發展方向，近年來在中國呈現快速發展的趨勢[1]。選擇適宜的砧木，做到“適地適砧”，是保障矮化密植栽培成功的關鍵。從蘋果產業發展的需求出發，筆者著重分析了蘋果營養系砧木選育存在的問題以及值得借鑒的國外經驗，以期為中國的蘋果營養系砧木選育、應用提供借鑒。

1 蘋果營養系矮化砧木選育階段的回顧與矮化基因來源

相對于蘋果品種育種而言，蘋果砧木育種的周期更長，進展也相對緩慢。蘋果營養系砧木選育可分四個階段。第一階段為資源整理與選育利用階段，20世紀初葉，代表性研究單位為東茂林試驗站(East Malling Station)，通過整理道生蘋果(Doucin)和樂園蘋果(Paradise)，鑒別嫁接苗的樹勢控制等性狀，明確了M1～M16等16個類型， M9、M7為其中的代表。通過壓條等無性繁殖方式，使不同砧木的生理遺傳性狀得以固定，改變了實生砧木變異大、群體不整齊的弱點，是蘋果砧木應用歷史上的一次革命性事件。第二階段為人工雜交選育利用階段，目標集中于矮化、抗蘋果綿蚜等性狀，例如，東茂林與Menton合作，利用M系砧木與君袖雜交，育成了抗綿蚜的MM101～115，其中MM106、MM111應用較多。第三階段育種目標更加多元化，包括了抗寒、抗蘋果疫病、抗火疫病、易扦插等育種目標，參與的國家更加廣泛，包括前蘇聯、波蘭、加拿大、日本、中國等。利用M系砧木，利用當地的特色資源作為雜交親本，豐富了蘋果砧木的基因來源，育成了O3(加拿大)， B系(前蘇聯)，P系(波蘭)，CG系(美國)，JM系(日本)及GM256(中國)等砧木。第四階段為生物技術輔助育種階段，如利用組織培養技術，篩選組培苗中的體細胞變異，選出了M9 T337(荷蘭)等；通過轉基因改善了M26的生根能力[2]。

綜合分析國內外的蘋果矮化砧木選育歷史，發現生產上常用的蘋果營養系砧木，其矮化性狀實際上來自幾個有限的基因源。一個矮化基因源是森林蘋果(Malussylvestris)和東方蘋果(Malusorientalis)中的道生蘋果和樂園蘋果。20世紀初，英國東茂林試驗站整理發表的M1～M16等砧木類型，奠定了蘋果矮砧系統育種的物質基礎。其后，各國陸續開展的砧木育種多是以這些砧木為矮化基因來源，與其它的基因供體雜交，獲得符合目標性狀的砧木類型，尤其是其中的M9、M8等，在世界各地的蘋果砧木育種實踐中應用較多(宣景宏，2001)，例如，前述第三階段各國的育種實踐。另一個矮化基因源是原產中國的河南海棠。山西省果樹研究所于敬等[3]通過實生選種，整理其中的不同類型選育出S19、S20、S63等，邵開基等[4]利用國光蘋果與河南海棠雜交，選育出SH系，其中的SH6、SH38、SH40在山西、河北、北京等地應用，表現抗抽條能力強，適應當地風土條件。

由此可知，目前蘋果砧木育種利用的矮化基因來源相對狹窄。充分挖掘利用中國原產的砧木資源，擴大基因來源，對于選育適應中國生態條件的蘋果矮化砧木意義重大。中國原產的蘋果屬矮化砧木資源有嶗山柰子[5]，扎矮山定子[6]，小金海棠[7]，晉西北山定子中的部分基因型[8]等。

2 蘋果營養系砧木的育種目標

營養系砧木的特點是通過無性繁殖保持群體的一致性，母體的特點可以在繁殖后代中完整“再現”。目前，營養系砧木是世界各國蘋果砧木應用的主流方式。

英國東茂林試驗站的育種目標致力于提高產量、改進果實大小和品質、減少使用農藥、抗重茬、抗雜草、抗干旱等。克服M9、M26等的缺點，在生產效率、果實大小、果實方面得到改善。為適應有機農業的發展，注重選育能夠抗土傳病蟲害，能夠與雜草競爭水分與養分的矮化砧木。

美國杰尼瓦試驗站的育種目標集中在矮化性、生產能力、早果性、逆境適應能力(主要是抗寒性)、抗病蟲能力(主要是火疫病和重茬病)等方面。近年來，選育了G16、 G30 、G202、G41、G935和G11等。

日本果樹試驗站盛岡支場(現在為日本國家果樹研究所蘋果研究中心)的育種目標是：①良好的樹勢控制能力。②抗病蟲，如紫紋羽病、冠腐病、腐爛病、綿蚜等。③耐澇。④容易硬枝扦插繁殖[9]。1972年用容易扦插繁殖的圓葉海棠做母本，與M9雜交，1984年選出了10個符合育種目標的單系，1996年JM1、JM7和JM8被命名并進行了商業釋放。

中國蘋果的主栽品種是富士，占70%以上，富士品種具有難成花的特點。根據中國蘋果產業的發展需求，中國的蘋果營養系砧木的育種目標包括以下5個方面：①適應能力。包括生物學逆境適應性和非生物學逆境適應性。前者包括對病蟲害等有害生物的適應能力，后者包括對溫度、水分、養分、重茬等逆境條件的適應能力，適應性強的砧木能夠在逆境條件下保持較高的生產能力。隨著生態條件的變化，蘋果生產對砧木的適應能力提出了更高的要求，選育“環境友好型”的砧木，實現砧木的適地適栽，既可以減少生產風險，又可以減少農藥化肥等的投入，降低果品的農藥、化肥殘留，實現可持續生產。隨著中國蘋果主產區的逐漸西移，適應陜西、甘肅等氣候特點，抗寒、耐旱，抗春季抽條，耐夏季高溫，適應雨熱同季氣候特點的砧木，應該成為育種的重要目標。煙臺農業科學院選育的“煙砧一號”[10]可以增強嫁接品種的輪紋病抗性，對于應對中國蘋果主產區輪紋病發生越來越重的嚴峻形勢具有重要意義。②生產能力。包括成花能力和豐產穩產兩個方面。一方面，砧木嫁接品種后，要容易成花、結果早，同時還要連年豐產，沒有大小年，累計產量高，保持一個較長的豐產期。③生長勢控制能力。根據中國蘋果主產區的生態條件，注意選擇控制接穗品種生長能力在M26與M7之間的砧木、同時要干性強、有較強固地性，以減少對架材等支撐材料的依賴。同時，注意選擇控制接穗品種生長能力在M9與M27之間的砧木，以滿足肥水條件較好的高密度栽培對砧木的需求。④親和性與繁殖能力。要求砧木與品種、基砧有較好的親和性，壓條容易生根，育苗性狀好，根蘗少，接口平滑。為提高育苗效率，應注意選擇扦插容易生根的砧木。⑤對果實的影響。能夠改善果實的著色、質地、風味、營養物質含量等品質性狀。

3 蘋果營養系砧木的育種途徑

蘋果營養系砧木育種的途徑包括實生選種、芽變選種、雜交育種和生物技術輔助育種等。目前，雜交育種依然是蘋果砧木育種的主要途徑。

實生選種。野生蘋果種質資源變異多，利用大的實生群體，進行實生選種，可以獲得有價值的砧木材料。中國野生蘋果種質資源豐富，通過資源考察、實生選種選育優良砧木，見效快，可以挖掘利用特色基因，是一條重要途徑，值得重視。楊廷楨等[8]利用晉西北山定子的實生群體嫁接成花能力不同的品種，從15萬株實生苗嫁接的不同品種苗木中，選出571株當年開花的株系，作為早花早果能力強的砧木，并從開花、結果、生長量、越冬表現幾個方面，進行了綜合評價。

芽變選種。又稱體細胞變異選種。在植物脫毒等組織培養過程中，可以產生體細胞突變，經過選擇可以成為新的砧木品系。法國果品蔬菜跨行業技術中心從M9脫毒材料中，選育得到Pajam系，生長勢較M9有所增強；其中Pajaml和Pajam2發芽和落葉期提早，克服了春季品種發芽早而砧木樹液流動遲造成的物候期不一致，增強了樹體的越冬性；同時育苗性狀變好，嫁接親和力強，壓條易生根，苗木產量比M9增加2～3倍。M9 T337由荷蘭木本植物苗圃檢測服務中心選育，比M9 EMLA矮化程度大20%，易壓條繁殖，意大利、法國等推廣應用的高紡錘樹形果園多采用這種矮化砧。與Pajam1和Pajam2相比，M9 T337具有更好的苗圃性狀。

雜交育種。除進行現有砧木品種之間的雜交外，注意引入野生抗性資源，以達到育種目標。重視中國野生抗性資源的調查、利用，例如小金海棠的抗缺鐵黃化、山楂海棠的抗腐爛病、煙砧一號的抗枝干輪紋病、野生山丁子的早花早果類型、珠美海棠的耐鹽性等。

生物技術輔助育種。包括分子標記輔助育種、胚搶救、轉基因育種等。Pilcher 等[11]利用M9×Robusta5雜交后代作砧木嫁接Braeburn，5年生嫁接樹表現明顯的樹體大小分離。采用群體分離分析法(BSA法)將矮化基因Dwarfing1定位于M9的LG5連鎖群頂端2.5cm的范圍內，該基因位于隨機擴增多態性標記(RAPD標記)NzraAM18～700和簡單重復序列標記(SSR標記)CHO03a09之間。Welander和Zhu[2]為改善M26的生根能力，用rolB基因轉化M26，得到兩個株系C和F，rolB基因在株系F中的表達高于株系C。兩個轉基因株系的生根率與根系數量好于對照，株系F的生根能力好于株系C。李建科等[12]研究了轉 FRO2基因八楞海棠抗黃化性，結果顯示, FRO2在轉基因八楞海棠植株中過量表達，在缺鐵脅迫下，根系鐵吸收能力和有效鐵還原能力明顯加強，葉片顏色比對照綠，黃化程度輕。

為了在果樹育種中充分利用分子生物學的最新技術，美國聯邦政府啟動了果樹育種項目“RoseBREED”，該項目以蘋果、桃、櫻桃和草莓等為主要育種對象，整合基因組、遺傳和常規育種研究的力量，以基因組方面的知識和工具來加速育種進程，提高育種效率。育種機構間交換知識和資源，利用分子生物學手段，建立數據庫，進行遺傳背景分析。利用家譜分析法整合遺傳型和表型的信息，將標記-位點-性狀相關性直接用于育種。可以瀏覽www.rosebreed.org了解該項目的情況。歐洲也啟動了類似的果樹育種項目。

4 蘋果營養系砧木雜交育種的雜種選擇

蘋果砧木雜交育種的雜種選擇一般分為初選、復選和決選3個階段。初選主要是針對適應性和抗逆性進行選擇，以減少實生苗數量，降低成本，提高效率。國外通常在得到實生苗的當年，即通過接種病菌等方式，淘汰將近90%的實生苗，大大降低成本。利用分子標記，針對某些性狀進行預選，可以提高育種效率。復選主要是針對繁殖能力，進行扦插與壓條生根能力鑒定，從中選擇表現好的株系，培育成苗，然后嫁接主栽品種，進行親和性、早果性、豐產性、對果實品質影響等鑒定，確定綜合表現優良的單系。決選主要是鑒定復選單系的區域適應性，在蘋果的主產區，根據生態類型、立地條件等的差異，選擇區試點，進行砧木品系區域適應性研究，確定在不同區域生產中推廣應用的砧木品系與砧穗組合。

康奈爾大學的砧木育種程序(Fazio，2010，個人交流)：①實生苗的抗病性篩選，接種火疫病等病菌孢子。②分子標記篩選：可用的標記有矮化、抗白粉病、綿蚜、黑星病。壓條繁殖鑒定苗圃繁育特性，為下一步試驗準備試材。③田間試驗，每品系3～10株，嫁接同一個品種，評價8～12年。④評價早果性，擴大苗木數量。⑤評價壓條繁殖能力，苗木質量。⑥多點試驗，評價早果性、產量、果實大小、矮化、成活率、抗病性、樹形、氣生根、萌蘗等。⑦商業苗圃，評價商業化生產條件下苗木特性。⑧區域試驗，NC-140計劃，評價在美國、加拿大、墨西哥、日本等國的多點試驗表現。⑨規模化生產。⑩商業化釋放。

5 砧木的致矮機理

明確砧木致矮機理，對于選擇育種資源、確定育種途徑、進行實生苗篩選，都有重要意義。目前關于砧木的致矮機理仍不明確。砧木致矮涉及到砧木與接穗之間的相互作用，一直是此領域科學家關注的熱點，歸納起來涉及幾個方面。①解剖學特點，如高根皮率和嫁接不親和均可導致矮化。利用親緣關系遠的植物為砧木，可以導致接穗矮化。利用異屬植物栒子等為砧木，嫁接蘋果會致矮。②物質運輸，砧木影響水分及糖分、氨基酸、礦物質等營養物質在接穗與砧木之間的分配，從而影響矮化。③生化物質的影響，如酶與酚類物質。④激素的影響，生長類激素、脫落酸通過改變砧木的生長節奏，影響接穗的生長。激素的影響與砧木的激素濃度、信號傳導、合成與運輸等有關。孔瑾研究組發現[13]，轉錄因子MdWRKY9通過抑制油菜素內酯(BR)的限速合成酶基因MdDWF4的轉錄，從而減少BR的合成，介導矮化。 MdWRKY9基因在矮化砧木中表達水平高，超表達MdWRKY9，使蘋果砧木M26的BR水平顯著降低，并進一步矮化。外源施用BR可以部分逆轉矮化的表型。韓振海團隊馮軼發現[14]，蘋果矮化砧木根系玉米素含量顯著低于喬化砧木，對蘋果砧木根系細胞分裂素代謝通路的基因家族成員進行篩選，發現IPT5b基因在不同喬化、矮化砧木間存在表達差異。⑤砧木影響接穗的基因表達，Foster等認為[15]，成花類基因MdFT 具有促進成花和枝條停長的作用，該類基因在導管系統中的表達上調，可能是M9和M27等砧木致矮的機制之一。⑥砧木影響信號物質的遠距離運輸，Ruiz-Medrano等[16]通過嫁接試驗，在接穗組織中檢測到了砧木特異的RNA，這表明RNA分子作為信號物質可以通過韌皮部從砧木運輸到接穗組織，表達翻譯成相應的蛋白質。Chen等[17]和Parnis等[18]基于Mouse ears (同源異型融合轉錄本，homeobox fusion transcript)的研究，發現接穗的表型變化與這種基因轉錄本的長距離運輸有關。

以上幾種不同的機制，導致接穗的不同反應，有的使接穗與砧木的嫁接復合體高度變矮；有的砧木促進接穗分枝，改變短枝、長枝比率；有的砧木促使接穗成花，提早結果，通過“以果壓樹”，達到矮化目的。矮化砧木作為中間砧應用時也有矮化效果，而且中間砧的長度越長，矮化效果越明顯。當矮化砧木作為自根砧時，嫁接的部位越高，也就是樹干部位矮化砧的長度越大，矮化效果越明顯。這些結果說明砧木的矮化效果不能全部歸因于根系，至少在蘋果和梨中，矮化與砧木的樹干也有一定關系。這可能與樹干的木質部、韌皮部結構與功能，或者樹干產生的某些抑制物質有關。

6 營養系砧木評價的組織形式

砧木的評價包含嫁接不同品種的親和性、生產能力及在不同區域的適應性等問題，是一個長期的系統工程。砧木是果樹的基礎，砧木選擇的正確與否，將影響果樹的整個生長、生產周期。砧木評價需要嫁接不同品種，在不同區域長期進行，研究結果是公益性的，可以供不同生產區域的生產者參考利用，從根本上減少或避免由于砧木選擇不當給生產帶來的損失。因此，砧木評價需要有組織地統籌進行，并得到政府的穩定資助。中國曾經在20世紀70年代，由中國農業科學院鄭州果樹研究所牽頭，組織全國19省市38個有關單位成立矮化蘋果協作網，在渤海灣、黃河故道、秦嶺北麓、黃土高原中、南部及鄂西北等蘋果產區，重點對國外廣泛采用的M系、MM系蘋果矮化砧進行繁殖和利用研究，促進了中國蘋果矮化栽培的發展。后來，這種科研協作中斷了。2009年，為了整合全國蘋果矮砧研究的科技資源，聯合開展蘋果矮砧集約高效栽培技術研究，國家蘋果產業技術體系成立了“全國蘋果矮砧集約高效栽培技術協作組”，全力推動蘋果矮砧集約高效栽培技術在中國的發展。

為了更好地促進蘋果矮化砧木的評價利用，我們可以借鑒美國等發達國家的運作方式和管理經驗。 NC-140區域性砧木研究計劃(NC-140 Regional Rootstock Research Project)是由美國農業部(USDA)、 美國國家食品與農業研究所(NIFA)和參加項目的州立農業試驗站資助，該計劃旨在通過果樹砧木研究，為美國中部及其他北美地區的果樹優勢產區，探索在經濟層面、環境層面上可持續發展的落葉果樹生產。NC-140砧木計劃的工作目標(2007～2012)是：①在不同管理體系和環境條件下，評價砧木對接穗品種生長習性的影響。②通過雜交育種和基因工程，選育和改善溫帶果樹砧木的繁殖技術，在世界范圍內獲得砧木資源。③研究溫帶落葉果樹砧木與接穗相互影響的遺傳學、發育生理學。④更好地理解接穗和砧木嫁接復合體對生物學逆境和非生物逆境的響應與影響。為了實現工作目標，組織全美以及加拿大、墨西哥、日本等的相關研究人員，針對砧木應用存在的問題，列為專項，進行長期系統的研究。每年召開一次年度會議，部署需要開始的研究項目，總結正在進行、或即將結束的研究項目。某一個專項結束后，以全體參與人員的名義，公布發表研究結果，供生產者、苗木育種商參考使用。由于研究結果的系統性、權威性，對當地的砧木應用、果樹生產指導作用強，也吸引了部分苗木生產商、果樹農場主資助這一項目。

7 蘋果營養系砧木新品種的知識產權保護

通過決選選出的砧木新品系，應申請品種審定或登記備案。營養系砧木通過無性繁殖繁育苗木，容易通過接穗等無性繁殖材料造成新品種的流失，給育種者利益造成損害，不利于育種事業的長遠、健康發展。蘋果屬植物已列入“農業部果樹新品種保護名錄”，育種者可以通過申請“植物新品種保護”，借助法律，保護自己的知識產權。新品種“俱樂部”是國外蘋果新品種運營的一個新發展趨勢。通過申請植物新品種保護，轉讓新品種專營權，注冊經營商標等法律程序，由 俱樂部進行蘋果品種(包括砧木)的商業化運作。俱樂部在苗木銷售、種植區域、栽培面積、目標產量、市場開發等方面進行目標管理，與育種者、育苗者、栽培者、果品經銷商形成利益共同體。俱樂部經營既保護育種者權益，也保護生產者利益。育種者可以在俱樂部的苗木銷售、或果品生產中得到利益分成，不需要面對眾多的生產者去維護知識產權；生產者也不用擔心高價買來的新品種，由于過多轉讓，發展過多過濫，造成“谷賤傷農”。

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