繡球花的育種研究進展

曾 奕，楊偉權，郁書君

（華南農業(yè)大學林學與風景園林學院，廣東 廣州 510640）

據(jù)《中國植物志》記載，繡球花（Hydrangea macrophylla）又名八仙花、大花繡球、紫陽花等，為虎耳草科（Saxifragaceae）繡球屬植物，因其花序極似我國傳統(tǒng)文化中的繡球，故得名繡球花。而在國外，人們常用Hortensia指代繡球花，同時該詞也指代產于法國和西班牙的繡球花。隨著苗木產業(yè)和家庭園藝的快速發(fā)展，繡球花越來越受到世人的喜愛：在日本，繡球花位列花卉盆栽銷售額的第12位[1]；在美國，繡球花是最具有經濟價值的觀賞植物，2014年銷售額超過1.2億美元[2]，2015—2018年部分繡球花品種榮獲皇家園藝學會金獎、年度景觀植物（landscape plant of the year）等多個獎項；在歐洲荷蘭城鎮(zhèn)街區(qū)、居民住宅區(qū)開放綠地上，均能看到普遍種植的繡球花[3]；在我國江浙等地區(qū)，繡球花也廣泛地應用于園林綠地中。

目前，國外的繡球花原生種極少，但由于繡球花育種起步較早，育種進展一直處于領先地位。相比之下，我國作為繡球花種質資源中心，大部分栽培品種的親本原種（如大花繡球、圓錐繡球）均在我國有所分布，其育種起步較晚且進展緩慢，有關繡球花的育種專著幾乎沒有。除了部分野生資源外，我國種植的繡球花品種尤其是盆花和切花品種幾乎全部從國外引進[4]，這與我國豐富的繡球花種質資源不相匹配。造成這種局面的主要原因包括繡球花種質資源的開發(fā)不足、育種技術落后等問題，鑒于此，我們對繡球花的育種研究進展進行綜述，以期為國內繡球花育種提供借鑒。

1 繡球花種質資源

繡球花原產于日本和我國長江流域，在我國主要分布于華東、華中、云南、廣西等地區(qū)，該屬約有73個種，而我國擁有47個種和11個變種，種質資源十分豐富。同時，繡球花在我國的栽培歷史悠久，有文獻記載自唐代就已開始栽培。繡球花于18世紀由Sir Joseph Banks等人傳入法國、英國等歐洲國家，由于其美麗花序和強大耐寒性受到國際園藝界的重視，到目前為止繡球花已培育出600多個品種，在荷蘭和法國等歐洲國家普遍栽植[5]。國內則在長江流域各省普遍露地栽種，而北方各省多為溫室盆栽。

如今，園藝家們所培育的繡球花品種已經形成了5個門類，分別是大花繡球、喬木繡球（光滑繡球）H.arborescens、圓錐繡球H.paniculata、櫟葉繡球H.quercifolia和粗齒繡球（澤八繡球）H.serrata[6]。

2 繡球花育種現(xiàn)狀

2.1 國外繡球花育種現(xiàn)狀

2.1.1 早期繡球花雜交種的產生 最初，國外育種者們只是通過引進野生原種與篩選變種來培育繡球花，其中大部分原種來自中國、日本、朝鮮等亞熱帶地區(qū)。隨著育種技術的不斷提高和育種進程的不斷深入，20世紀早期，人們開始通過選擇有限的原種以及變種進行種內雜交，從而獲得了少量栽培品種[7]。而世界范圍內繡球花（繡球）的新品種選育工作開始于20世紀90年代初，美國的佐治亞（Georgia）大學是首個報道選育出繡球花新品種的科研機構，隨后歐洲的荷蘭（門·范文公司）、以色列（亞格苗圃）、比利時、西班牙和法國，亞洲的日本都有新品種選育成功的報道。其中，國內引進的著名繡球花品種——無盡夏Endless Summer便是由佐治亞大學園藝學教授Michael A.Dirr在貝利苗圃（Bailey Nurseries）發(fā)現(xiàn)并經過4年研究培育出來的。由于無盡夏是第一個繡球花復花品種，在2003—2004年正式推出后，通過成功的市場營銷策劃，從而引發(fā)園藝界的繡球花狂潮。此外，美國第一本繡球花專著——《Hydrangeas for American Gardens》也是由Dirr教授編寫。

2.1.2 繡球花的現(xiàn)代育種 目前，歐洲的繡球花新品種選育及相關研究處于世界領先地位，已選育出600多個栽培品種，主要集中于德國蘭普·瓊格弗拉，該機構為繡球花園藝新品種最主要的培育單位[3]。部分品種已申請專利，如Berlin Rabe、Vienna Rawi等[8-9]。新的繡球花育種公司則有荷蘭的Kolster和Horteve，以及日本的私人育種家們（Hobbist）及專業(yè)的育種公司。

一些家族企業(yè)與個人育種家也為繡球花育種作出了巨大貢獻。目前，Dirr教授開發(fā)的無盡夏系列已成為美國貝利苗圃的重要品牌商品，該苗圃已經育成23個繡球花品種，擁有落葉、常綠、多季開花等不同特性。此外，還有美國田納西州的Leo和Gloria McGee夫婦、荷蘭的Sidaco BV公司等。

原產于中國的圓錐繡球在歐洲已有將近一個世紀的栽培歷史，目前歐美市場上圓錐繡球的品種極為豐富，育種公司和科研機構仍然不斷進行新品種培育，同時已有幾十個新優(yōu)品種登錄英國皇家園藝學會[10]。而喬木繡球在美國就有原種分布，加上伊利諾伊大學、北卡羅萊納州立大學等當?shù)乜蒲袡C構的大力研發(fā)，如今也成為繡球花中的重要門類。相比于這些栽培品種，一些原產于中國的地方種，如馬桑繡球H.aspera、微絨繡球H.heteromalla、全緣繡球H.integrifolia、冠蓋繡球H.anomala等也可在花卉超市和零售花店輕松買到[11]。

然而，由于國外的花卉產業(yè)發(fā)達，繡球花在市場上的銷量巨大[12]，因此導致植物命名混亂，銷售標簽糾紛、新品種專利權保護不足等問題十分常見[11]，主要原因包括：（1）繡球花多以引種為主，而雜交后代繁多，經過多代繁殖其親本已難以考證；（2）部分繡球花品種（如大花繡球和粗齒繡球）的分類一直存在爭議[13]，導致繡球花的分類系統(tǒng)存在缺陷；（3）錯誤的苗木盆栽標簽通常難以檢測，商品描述差異細微，并且可能涉及到苗木出售后的特征[14]。因此，如何對現(xiàn)有栽培品種進行品種驗證、重新命名與分類也成為國外繡球花育種的重要方向。

2.2 國內繡球花育種現(xiàn)狀

2.2.1 繡球花的引種成果與自主育種成就 我國通過開發(fā)國內繡球花資源和引進國外品種等途徑，目前已育成部分新品種，但與國外相比育種工作仍存在嚴重不足。國內繡球花育種工作是由云南省昆明楊月季園藝公司率先開始的，到目前為止該公司除了已引進幾十個繡球花品種外，還自主培育了14個繡球花新品種，其中3個還在歐盟獲得新品種授權，包括人面桃花、青山綠水等，填補了國內繡球花新品種選育的空白，加強了中國繡球花在國際市場的競爭力[15-16]。1999年，河北省林業(yè)科學研究院從國外引進7個繡球花栽培品種，6年間從中篩選出4個繡球花品種[17]。江浙地區(qū)則是從2008年由浙江虹越花卉股份有限公司開始引種，迄今為止已有60多個新品種，并已建成8 hm2的苗圃，同時該公司仍不斷與國外育種機構合作，陸續(xù)引進更多繡球花新品種[18]。

2.2.2 我國繡球花育種存在問題 國內大部分園藝公司對繡球花主要以生產栽培為主，自主育種極少，主要原因可能是：（1）繡球花雜交技術復雜、成本高，一般園藝公司難以進行；（2）國外繡球花品種大部分通過我國原種培育而成，相比之下我國對本土繡球花種質資源的開發(fā)與保護存在嚴重不足；（3）新品種權審定與保護制度尚未健全，育種者的權益難以得到切實保護。

除了上述原因以外，目前大部分品種在國外已持續(xù)更新?lián)Q代，國外每年研發(fā)的新品種只有極少數(shù)能引入我國，且國外的繡球花品種多針對當?shù)氐暮疁貛夂蜻M行研發(fā)，大部分品種引入我國亞熱帶、熱帶地區(qū)均需要較長的適應期，國外的新品種在推廣前就需要在本土經過幾年時間進行各項測試[19-21]。此外，從國外引進的新品種價格昂貴、引種渠道復雜，目前這些品種也多以庭院、家庭盆栽為主，無法廣泛應用于園林綠地當中。這些原因導致了我國的繡球花育種落后于國外。近年來，繡球花在國內市場上愈來愈受歡迎，已成為繼玫瑰、康乃馨、百合、洋桔梗、非洲菊等五大鮮切花之后的第六大鮮切花，發(fā)展前景喜人[22]，因此，加快我國繡球花育種進程勢在必行。

2.2.3 我國繡球花的主要栽培品種與應用現(xiàn)狀 目前，國內引種栽培的繡球花主要以大花繡球、圓錐繡球為主。國內大花繡球的無盡夏系列是最受歡迎的繡球花品種，其最初由北京胖龍園藝技術有限公司引進到國內，但由于該品種當時主要用于工程造景，且家庭園藝市場尚未形成，因此人們對這一品種認知度并不高。2012年，浙江虹越花卉股份有限公司將這一品種引入國內，并譯名為無盡夏，2013年將其作為拳頭產品進行推廣，通過建設苗圃和開展一系列宣傳銷售活動，使得無盡夏系列迅速占領國內市場[23]。目前，無盡夏已成為繡球之王，是當下最流行的大花繡球類品種，無盡夏系列共有4個品種，但迄今只有無盡夏和無盡夏新娘BlushingBride引入國內。此外，國內引進的大花繡球流行品種還包括魔幻革命Magical Revolution等30多個[24-25]，其中大部分品種均從荷蘭引進。由于大花繡球在國內適應性廣，因此在大部分地區(qū)均可種植。

而圓錐繡球的代表品種有香草草莓Vanille Fraise等10多個品種，大部分從美國引進[10]。在不同品種中，不育花與可育花的數(shù)量存在較大變異，因此可按兩者數(shù)量比例進行分類：石灰燈Limelight等屬于不育花數(shù)量較多、花序飽滿的品種，而粉色精靈Pinky Winky等則屬于不育花和可育花比例均勻、花序較松散的品種[24]。圓錐繡球因其強大的耐寒性而在歐美地區(qū)普遍露地種植，在國內應用主要以華北、華東地區(qū)為主，華南地區(qū)極少，這是因為部分品種的生長需要低溫干燥環(huán)境，且末花期需要適度低溫才能使花青素積累從而改變花色，而華南地區(qū)還無法滿足其栽培條件。

此外，其他繡球花門類如喬木繡球的代表品種包括安娜貝拉Anmabelle、無敵安娜貝拉brivincible Anmabelle等[25-26]，國內引入品種較少，且作為耐寒繡球花系列，喬木繡球也多應用于江浙一帶，在華南地區(qū)的喬木繡球容易出現(xiàn)長勢衰退、不開花或花序過小等問題。對于另外兩個門類——櫟葉繡球與粗齒繡球，櫟葉繡球的代表品種有重瓣雪花，粗齒繡球的代表品種為珍貴、是粗齒繡球和大花繡球的雜交種[6]，然而目前國內引種收集還極少，國外對其育種研究也較少。

3 繡球花育種方法研究

3.1 繡球花育種技術的發(fā)展

繡球花的育種方法主要以篩選野生變種、傳統(tǒng)雜交與胚培養(yǎng)輔助手段為主，還有部分誘變育種、倍性育種。在北美，繡球花的原生種有4種，目前大部分栽培品種均來自這4種繡球花的變種篩選與雜交，包括耐寒類、復花類、重瓣類等。但是，由于繡球花的種質資源差異較大，種間與種內不親和現(xiàn)象很常見，成為傳統(tǒng)雜交育種的重大阻礙。種間雜交還存在著雜交不親和、結種率低及種子不萌發(fā)等困難[27-29]。繡球花的種子極其微小，因而其種子的收獲和播種也存在不少困難[30]。此外，繡球花部分品種及其雜交后代的花序高度重瓣化，難以通過雜交產生后代。種間不同栽培門類繡球花的花型存在較大差異，也增加了雜交育種的難度。目前，國內外繡球花的種內雜交育種已經成功，但所獲得的雜交性狀有限，且人工雜交技術復雜繁瑣、周期長，不能滿足大面積育種的需求[31-32]，可見，國內在繡球花的育種上還存在大片空白。

3.2 繡球花的良種繁育

生產上繡球花主要采用無性繁殖，最常用的方法是扦插和組織培養(yǎng)[33-34]。扦插繁殖的成活率高、生根快、成本低，更適合在國內推廣，但扦插難以產生新性狀。在組織培養(yǎng)方面，國內外研究在培養(yǎng)基配比、激素配比、滅菌技術、外植體選擇等方面已經取得較深入的研究成果[34-35]，同時，近10年來國外還研究出利用胚培養(yǎng)對雜交種胚進行胚搶救的方法[29，36-37]，能有效克服雜交后幼苗難成活等問題。我國近年也通過胚培養(yǎng)手段獲得繡球花雜交后代，而且幼苗能夠成活移栽[38]。但總的來說，胚培養(yǎng)只是傳統(tǒng)雜交的輔助手段，并且還存在一定的缺陷，就胚培養(yǎng)在品種篩選、試驗材料等方面還需做進一步深入探索。

4 繡球花育種趨勢

4.1 花型育種

繡球花的傘房花序頂主要由葉片進化而來的萼片組成[39]，在商品生產上可將花型分為平頂型（Lacecap）、圓球型（Mophead）、圓錐型（Cone-Shaped）3類。其中，平頂型中央為可育花，周圍為不育花，由二者共同構成花序[40]；圓球型花序呈圓球形，主要由不孕花組成；圓錐型則由大不育花與小可育花形成長條狀花序[10]。不育花（Sterile Flower）也稱為裝飾小花（decorative floret），而可育花（Fertile Flower）也稱為非裝飾小花（non-decorative floret）[40]，由于繡球花中的不育花更加具有觀賞價值，因此不少育種者希望通過多種方法來增加其數(shù)量，主要研究的品種為大花繡球及其亞種。因為大花繡球花色鮮麗、栽培歷史悠久，且兼具這兩種花型以及重瓣性狀，是良好的繡球花型育種材料[41]。Uemachi等[42-43]發(fā)現(xiàn)大花繡球等品種的平頂型花序中，不育花的數(shù)量與花序結構有關、受花序軸節(jié)間長短和節(jié)點的影響，并通過植原體移植侵染使得不育花的數(shù)量增加。Kardos等[44]通過大花繡球與傘形繡球H.angustipetala雜交，其后代都具有平頂型花序，通過SSR檢驗雜交后代表明二者具有親和性。隨著分子技術的發(fā)展，繡球花在花型育種上有了更加深入的進展，Reed等[45]通過對大花繡球遺傳關系的分子標記發(fā)現(xiàn)，圓球型和平頂型兩種花型分別聚類于不同類群，表明歐洲最早引進的是具有平頂型花序的品種，但沒有用于圓球型花序的品種培育。Waki等[46]研究也表明，繡球花的重瓣性狀和圓球型性狀均由單個隱性基因控制。盡管目前國外根據(jù)現(xiàn)有研究成果已經育成部分重瓣品種（如你我系列You and Me），但數(shù)量較少，還需要進一步探索。

4.2 花色與抗性育種

由于大花繡球具有美麗的花色和花型，而喬木繡球與圓錐繡球則具有強大的耐寒性，因此育種者常常將繡球花的花色與抗性結合研究，希望通過雜交將這幾個優(yōu)良性狀組合在一起。然而，由于繡球花種間差異較大，因此采用種間雜交難以成功獲得新品種，同時，由于大花繡球品種中兩種花型分別聚類于不同類群，而喬木繡球與圓錐繡球的花序多為圓錐型，加上部分品種早花型和晚花型的基因型相互分離[45]，這又加大了育種難度，因此，種間雜交獲得的種子發(fā)芽率與成活率極低。此外，即使雜交成功，雜交后代還會出現(xiàn)生長勢衰弱、不育或非整倍體的現(xiàn)象，而且以大花繡球作為母本時會出現(xiàn)其后代多為不育或幼苗在真葉期死亡等現(xiàn)象[28，37]，使育種工作難以繼續(xù)進行，但也有研究表明大花繡球與圓錐繡球雜交后代兼具二者特性，且比親本更具抗性[27]。同時，研究還表明，想要獲得大花繡球與二者的雜交后代，胚培養(yǎng)是必須的[29]，然而國內大部分園藝公司還無法滿足該技術條件。因此，目前對繡球花抗性的研究多集中于生理特性方面。由于露地種植的需要，在繡球花抗性研究方面，國外主要研究耐寒性和抗病蟲害能力[47-48]，而國內主要研究耐熱性[49]、耐旱性[50]以及對重金屬脅迫的耐性[51-52]等方面，如鋁毒耐性，這與繡球花的花色息息相關。繡球花極易根據(jù)環(huán)境的不同而改變花色，其花色對土壤酸堿度較為敏感[31，53]。在繡球花的栽培過程中，花色調控是最為復雜的技術，涉及到金屬離子調控、光照、土壤pH等因素，而很多研究表明Al3+是改變繡球花色的主導因素之一。

一般認為鋁毒是限制酸性土壤中植物生長、作物生產以及森林退化的重要因子，然而有研究表明繡球花具有特殊的耐鋁機制：在繡球花植株中，游離態(tài)的Al3+因為與根部分泌的檸檬酸以1∶1的比例結合而形成一種對植物無害的Al-citrates復合物，從根部進入植株再轉運到作用位點，從而解除了Al3+對植物的毒害作用[54]。例如，陳海霞等[55]以耐鋁的繡球花品種為材料，擴增獲得HmVALT基因片段，且在鋁脅迫處理下發(fā)現(xiàn)HmVALT基因在繡球花根部和葉部均有表達，且根部的表達量高于葉部。

Schreiber等[56]提出繡球花呈現(xiàn)不同顏色是因為不同濃度的Al3+與飛燕草素-3-葡萄糖苷（飛燕草素delphinidin-3-Glu）形成的復合物呈色反應不同造成的。龔仲幸等[57]對繡球花品種Mama Blue進行外源Al2(SO4)3處理誘導了Al3+運輸相關基因（PALT和VALT）的表達，增加了花瓣中Al3+積累，提高了飛燕草素苷含量，進而改變了花的顏色。因此，目前國內外學者對繡球花的藍色花色形成達成共識：即Al3+在酸性土壤條件下才能進入植物，并與細胞液泡中藍色的花青素——飛燕草素delphinidin-3-Glu結合形成Al3+復合物[58]。盡管之前有研究者希望通過傳統(tǒng)雜交獲得藍色繡球花，但現(xiàn)在看來，選育出藍色系列繡球花的關鍵因素是Al3+，且當土壤酸性越強時藍色花萼數(shù)量越多[59]。但有關Al3+復合物的結構及合成機理還未被證實，需要進一步探究。同時，除花色外，色葉與花邊繡球也逐漸成為新的育種方向。

4.3 分子育種

隨著現(xiàn)代分子技術的發(fā)展，分子標記為繡球花育種找到了新的出路。由于繡球花多以營養(yǎng)繁殖為主，基因型不易改變，因此，通過分子標記的手段能夠幫助育種者充分掌握繡球花種質資源的遺傳背景，從而篩選出合適的雜交品種，進行花型、花色、抗性等育種。目前，大部分研究集中于分析繡球花種質資源的遺傳多樣性，通過分子標記技術（如簡單重復序列標記技術Simple Sequence Repeat，SSR）與建立相關PCR反應體系反應體系、指紋圖譜等[11，14，60-64]，為繡球花育種明確了屬內具有潛力的種質資源以及現(xiàn)有栽培種之間的遺傳關系，為當前和未來的繡球花育種提供借鑒與最佳親本選擇，克服長期存在的雜交困難。此外，通過分子標記對雜交品種進行檢測，有利于育種者們更好地對不同雜交種的性狀進行表征，并確認被錯誤命名的品種并重新命名，解決植物命名混亂、銷售標簽糾紛、新品種專利權保護不足等問題，同時還有利于激勵具有潛在經濟價值的育種行為。

5 展望

我國是繡球花的種質資源中心，同時栽培歷史悠久，但目前繡球花的育種工作還處于起步階段，基礎薄弱。盡管在育種、生產、栽培技術等方面已取得了一些進展，但與國外的百年育種研究相比還存在較大差距，主要表現(xiàn)在種質資源開發(fā)利用與知識產權保護不足，育種技術落后以及新品種登錄數(shù)量較少等問題。因此，對于繡球花育種，在傳統(tǒng)雜交需要針對性地開發(fā)本土種質資源，建立種質資源收集與遺傳資源保護中心等，篩選合適的可育原種并對其進行繁殖與保護，尤其是保護瀕危的野生種。同時，還要進一步完善組織培養(yǎng)技術、分子標記技術等輔助技術，在花色、抗性等育種方向上尋找突破。隨著蛋白組學與后基因時代的到來，結合開展繡球花在蛋白質代謝組學方面的研究，或許能夠為繡球花育種研究提供新的途徑。

近年來，繡球花在國內銷售額逐年增長，市場上繡球花始終處于供不應求的狀態(tài)。繡球花也越來越多應用于園林，并走進家庭園藝當中，同時還存在商品名混亂、花卉質量參差不齊、以次充好等問題。雖然目前部分企業(yè)與地區(qū)已制定繡球花的相關生產標準以及新品種DUS測試站點，但數(shù)量較少，且標準適用范圍較窄，難以起到規(guī)范生產與市場的作用。因此，還要加快專業(yè)繡球花育種協(xié)會的成立，建立完善的繡球花育種、生長、栽培以及不同商品種類，如切花、盆栽、苗木等行業(yè)乃至國家標準體系。

最后，加快繡球花的育種工作更有利于我國花卉產業(yè)擴展國際市場，增強我國花卉產業(yè)的國際競爭力，打破國外繡球花在國際市場上的壟斷地位。