馬鈴薯抗寒種質(zhì)資源分類(lèi)及其利用

康 黎，彭曉君，陳 琳，涂 衛(wèi)，梅文祥，宋波濤

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院/華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝植物生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部馬鈴薯生物學(xué)與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

現(xiàn)在廣泛種植的馬鈴薯品種均為馬鈴薯普通栽培種（Solanum tuberosum），幾乎都不耐低溫霜凍，沒(méi)有低溫馴化能力，僅有‘鄭薯5號(hào)’等少數(shù)幾個(gè)品種具有極其微弱的抗寒能力[1]，說(shuō)明栽培種內(nèi)不存在抗寒遺傳變異，這使得從普通栽培種內(nèi)部挖掘抗性材料可能性極低。目前，雖然也有一些具有抗寒能力的栽培品種被報(bào)道，如‘Alaska Frostless’[2]等，但離廣泛推廣應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段距離，因此，加強(qiáng)對(duì)馬鈴薯抗寒種質(zhì)資源的研究，引入新的抗性種質(zhì)將有助于中國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。

1 馬鈴薯抗寒種質(zhì)資源

馬鈴薯的抗寒性不僅取決于其種的屬性，也與低溫馴化相關(guān)。低溫馴化（也稱冷馴化）是將植物置于低溫環(huán)境中（0～12℃），植物體內(nèi)發(fā)生一系列生理生化變化，使植物產(chǎn)生適應(yīng)性反應(yīng)，以提高對(duì)低溫抵抗能力的過(guò)程（Cold acclimation，CA）[3]。馬鈴薯栽培品種的遺傳背景十分的狹隘且?guī)缀鯖](méi)有抗寒能力和低溫馴化能力，但馬鈴薯野生種資源豐富，按Hawkes[4]的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，可分為21個(gè)系235個(gè)種，栽培種數(shù)量為7個(gè)，野生種數(shù)量為228個(gè)，其中很多野生種存在耐低溫霜凍的資源，而且還有一些資源具有較強(qiáng)的低溫馴化能力。

Li[5]對(duì)60個(gè)野生種進(jìn)行梯度降溫處理，處理時(shí)間為24 h，結(jié)果表明S.acaule大部分的致死溫度可達(dá)-6.5℃，抗寒能力最強(qiáng)，其次是S.boliviens、S.megistacrolobum和S.commersonii，致死溫度可低至-5.0℃，此外，S.demissum、S.torflapanum、S.sanctae-rose存在致死溫度為-4.0℃的無(wú)性系。Palta和Li[6]通過(guò)同樣的方法，也發(fā)現(xiàn)S.acaule、S.multidissectum、S.demissum、S.megistacrolobum、S.sanctae-rose、S.commersonii、S.vernei存在有無(wú)性系能夠忍耐-5℃以下低溫的植株。Chen和Li[7]將結(jié)薯馬鈴薯種的抗寒能力和冷馴化能力進(jìn)行了分類(lèi)（表1），基于有無(wú)低溫馴化能力和植株的抗寒能力將馬鈴薯的抗寒性分成5類(lèi)：抗寒型馬鈴薯種并能夠低溫馴化；抗寒型馬鈴薯種不能夠低溫馴化；霜凍敏感型馬鈴薯種能夠低溫馴化；霜凍敏感型馬鈴薯種不能夠低溫馴化；霜凍敏感型馬鈴薯種。Vega和Bamberg[8]通過(guò)田間自然霜凍法，對(duì)101個(gè)種2 635份材料的抗寒性鑒定，并將抗性分為7個(gè)等級(jí)（0～6，0代表沒(méi)有受到損傷，6代表植株死亡），結(jié)果顯示S.acaule、S.albicans抗寒能力最強(qiáng)，等級(jí)為0；其次是S.commersonii，等級(jí)為0.05；此外，S.demissum、S.megistacrolobum、S.paucissectum、S.multidissectum、S.sanctae-rose 5個(gè)野生種的等級(jí)介于0.5～1。Luthra等[9]于早春時(shí)候?qū)?1個(gè)種共86個(gè)材料的植株置于室外生長(zhǎng)7 d后，統(tǒng)計(jì)葉片的損傷率鑒定其抗寒能力，并劃分10個(gè)等級(jí)（1～10，1表示葉片損傷率低于10%，10表示葉片損傷率高于90%），其中有18個(gè)材料的等級(jí)為1，分布在S.goniocalyx、S.arnezii、S.demissum、S.spegazzinii中。趙喜娟[10]通過(guò)人工冷凍法對(duì)18個(gè)野生種的97份材料進(jìn)行抗寒性評(píng)價(jià)，處理溫度-3.5℃，處理時(shí)間24 h，評(píng)級(jí)方法與田間自然霜凍法相同，結(jié)果表明S.acaule、S.bukasovii、S.commersonii等野生種均具有較強(qiáng)抗寒能力，評(píng)級(jí)介于0～1；而S.chomatophilum、S.demissum、S.megistacrolobum和S.acaule等野生種中也有部分植株抗寒能力較強(qiáng)，其中S.acaulel中77%的植株評(píng)級(jí)小于2。在所有具有強(qiáng)抗寒能力野生種當(dāng)中，來(lái)自無(wú)莖系的野生種和S.commersonii被認(rèn)為是抗寒能力最強(qiáng)的2類(lèi)野生種，已有研究表明來(lái)自無(wú)莖系的野生種S.acaule在馴化前后分別能忍受-6和-9℃的低溫，而S.commersonii馴化前后分別能忍受-4.5和-11.5℃的低溫[7]，是被研究和利用最多的耐凍性資源，以下將就這2類(lèi)野生種的利用情況進(jìn)行綜述。

2 馬鈴薯無(wú)莖系野生種分類(lèi)及其利用

2.1 無(wú)莖系野生種分類(lèi)

S.acaule、S.×aemulans、S.albicans等無(wú)莖系野生種早在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，但直到1990年才由Hawkes最早提出了無(wú)莖系的概念，在其分類(lèi)體系中，無(wú)莖系作為馬鈴薯組的一個(gè)系，包括有5個(gè)野生種。但早在無(wú)莖系概念還沒(méi)有提出來(lái)，分類(lèi)學(xué)家對(duì)上述野生的分類(lèi)和命名產(chǎn)生了分歧，直到現(xiàn)在分歧仍然存在。總體來(lái)說(shuō)，大部分分類(lèi)學(xué)家對(duì)馬鈴薯無(wú)莖系內(nèi)野生種劃分的分歧主要是區(qū)別系內(nèi)種與亞種之間的劃分，特別是S.albicans和S.×aemulans的劃分上。早期的分類(lèi)中S.albicans則是作為S.acaule的亞種S.acaule var.albicans或 S.acaule ssp.albicans存在；而S.×aemulans一直以來(lái)都是作為S.acaule的亞種而被人所熟知，但Spooner等[11]卻認(rèn)為S.acaule ssp.aemulans和S.×indounii只是野生種S.×aemulans的2種不同倍性，相關(guān)的分類(lèi)差異見(jiàn)表2[7,11-14]。

表1 馬鈴薯種的抗寒性和冷馴化能力分類(lèi)Table 1 Classification of tuber-bearing Solanum species in terms of cold tolerance and cold acclimation

2.2 無(wú)莖系野生種起源與演化

馬鈴薯無(wú)莖系野生種主要分布在南美洲安第斯山脈，分布在海拔3 500～4 500 m[14]。無(wú)莖系的起源和演化是一個(gè)非常復(fù)雜的關(guān)系，是多個(gè)野生種相互滲透的過(guò)程。

早期的研究人員通過(guò)一些形態(tài)學(xué)的觀察和雜交試驗(yàn)等研究發(fā)現(xiàn)S.acaule的植株形態(tài)與S.megistacrolobum非常相似，而葉片形態(tài)則與S.canasense非常類(lèi)似，而且S.acaule的繁殖習(xí)性也與上述2個(gè)野生種有共同之處，這表明S.acaule的形成過(guò)程中可能有S.megistacrolobum與S.canasense雜交這個(gè)環(huán)節(jié)的參與[15]。Nakagawa和Hosaka[16]通過(guò)對(duì)上百份野生種的核DNA和葉綠體DNA進(jìn)行RFLPs分析，發(fā)現(xiàn)S.acaule的葉綠體DNA在序列結(jié)構(gòu)與S.megistacrolobum、S.sanctae-rose的非常相似，都屬于C類(lèi)型；S.acaule的核DNA與S.megistacrolobum、S.sanctae-rose同樣具有極高的相似性，在進(jìn)化樹(shù)上距離非常近，都屬于Cluster 1類(lèi)型，由此推測(cè)S.acaule的起源可能和這2個(gè)野生種相關(guān)。此外，還有研究表明二倍體野生種S.boliviens可能在S.acaule形成過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。Goncarik[17]通過(guò)檢測(cè)數(shù)百份野生種和栽培種中葉綠體簡(jiǎn)單重復(fù)序列（cpSSR）類(lèi)型并對(duì)各個(gè)種血緣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)S.acaule和S.boliviens的cpSSR具有高度的相似性，由此推斷S.boliviens可能通過(guò)雜交的方式直接參與了S.acaule形成過(guò)程。上述研究表明，在S.acaule的形成過(guò)程中，二倍體野生種S.boliviens、S.megistacrolobum、S.canasense都可能參與其中，其中S.megistacrolobum和S.boliviens可能性最大；實(shí)際上，也有分類(lèi)學(xué)家認(rèn)為S.megistacrolobum，S.sanctae-rose和S.boliviens其實(shí)是同一個(gè)物種，即S.boliviens[11]，這也進(jìn)一步證明了馬鈴薯種的形成其實(shí)是野生種在進(jìn)化過(guò)程長(zhǎng)期相互滲透的過(guò)程。

表2 馬鈴薯無(wú)莖系野生種分類(lèi)Table 2 Classification of Solanum acaule Juz

野生種S.acaule也與無(wú)莖系其他種的形成有著密切的聯(lián)系。S.×aemulans可能是S.acaule ssp.acaule和二倍體野生種S.megistacrolobum的天然雜交后代[18]，且因?yàn)镾.megistacrolobum能產(chǎn)生2n配子，而導(dǎo)致了S.×aemulans存在三倍體和四倍體2種不同的倍性；S.albicans則有可能是S.acaule ssp.punae和一個(gè)與無(wú)莖系親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的二倍體雜交后經(jīng)過(guò)天然加倍而形成的[4]。

除了參與無(wú)莖系其他野生種的形成，S.acaule還可能參與了其他野生種和原始栽培種的形成。S.×brucheri可能是S.acaule ssp.acaule和二倍體野生種S.infundibuliforme的天然雜交后代[19]。原始栽培種S.×juzepczukii和S.×curtilobum可能也會(huì)有S.acaule的血緣[20-22]，具體演化的過(guò)程為：S.×juzepczukii為S.acaule與S.stenomum的天然雜交后代，S.×curtilobum則為S.×juzepczukii的2n配子與S.tuberosum ssp.andigenum的天然雜交后代（圖1）。

2.3 無(wú)莖系野生種在抗寒育種中的應(yīng)用

馬鈴薯無(wú)莖系野生種中擁有豐富的耐低溫霜凍材料，是馬鈴薯抗寒育種的重要種質(zhì)資源，S.acaule則是無(wú)莖系中利用最為普遍的野生種，是目前已知抗寒能力最強(qiáng)的野生種之一。英國(guó)早在20世紀(jì)40年代就試圖利用S.acaule來(lái)培育抗寒馬鈴薯品種，但收效甚微。從目前已有的報(bào)道來(lái)看，利用S.acaule選育出來(lái)的并且具有抗寒能力品種只有‘Alaska Frostless’[2]，該品種的選育過(guò)程中有一個(gè)加倍后的S.acaule無(wú)性系參與了其中，其經(jīng)過(guò)馴化后LT50可以達(dá)到-4.6℃。除了‘Alaska Frostless’，其余的均為一些可用于抗寒育種的中間材料。Estrada[23]用四倍體的S.acaule和二倍體的S.phureja以及四倍體的普通栽培種依次雜交后成功獲得了雜種后代，有27%的后代具有較強(qiáng)的抗寒能力；稍晚一些，Estrada[24]又直接從S.acaule和S.phureja的雜種后代中鑒定了一個(gè)四倍體acaphu，acaphu可直接和四倍體栽培種雜交產(chǎn)生四倍體的后代，且后代中某些植株能夠忍耐-5℃低溫2 h不死；Bamberg等[25]通過(guò)用加倍后S.commersonii作為橋梁種，成功獲得了ACL-CMM-TBR 3者的種間雜種，該種間雜種具有一定的抗寒能力和馴化能力，可用于后續(xù)的抗寒育種。

圖1 無(wú)莖系的起源與演化Figure 1 Origin and evolution of acaule Juz

2.4 馬鈴薯野生種在抗病育種中的應(yīng)用

除了抗寒能力之外，馬鈴薯無(wú)莖系野生種中還擁有豐富的抗馬鈴薯病毒材料，是馬鈴薯抗病毒育種的重要種質(zhì)資源，特別是野生種S.acaule。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，野生種S.acaule中存在有抗癌腫病，抗馬鈴薯X病毒（Potato virus X，PVX）、馬鈴薯卷葉病毒（Potato leafroll virus，PLRV）、馬鈴薯紡錘塊莖類(lèi)病毒（Potato spindle tuber viroid，PSTVd）的材料[26,27]。

野生種S.acaule在馬鈴薯病毒抗性育種中的利用已經(jīng)非常的廣泛，已經(jīng)獲得了非常多育種中間材料和一些品種。有研究用7XY.1、Bolona等四倍體的普通栽培種和S.acaule雜交，授粉第2 d再用S.phureja（IVP35）進(jìn)行二次授粉，待第一次授粉后14～27 d采用胚搶救（Embryo rescue），成功地獲得了3個(gè)可育的四倍體雜種，這3個(gè)雜種均檢測(cè)出了PSTVd抗性，而且在隨后的研究中表明，這3個(gè)四倍體均具有優(yōu)良結(jié)薯表型[28,29]；Watanabe等[30]通過(guò)染色體加倍和多次回交的方式，獲得了含有S.acaule血緣的四倍體雜種，這些雜種中有部分植株檢測(cè)到了PLRV和PSTVd抗性；還有研究人員通過(guò)將S.acaule和普通栽培種進(jìn)行體細(xì)胞融合，獲得一批倍性不一的體細(xì)胞雜種，這些體細(xì)胞雜種中均存在有PVX極端抗性植株，且有些植株結(jié)薯性狀非常優(yōu)良，可作為育種中間材料[31-33]。此外，波蘭科學(xué)家利用染色加倍將S.acaule的一個(gè)基因型變成同源八倍體后與普通栽培種雜交后進(jìn)行多次回交，成功的獲得回交雜種MPI44.106/10，該雜種被用于抗PVX的育種親本，并用其選育出了多個(gè)抗PVX的品種，典型的如‘Barbara’[34]；中國(guó)黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院馬鈴薯研究所同樣通過(guò)加倍的方法將野生種S.acaule的PVX抗性導(dǎo)入到了普通栽培種當(dāng)中，并通過(guò)3～4代輪回選擇后成功獲得了多份抗PVX的育種親本[35]。

3 S.commersonii及其在抗寒育種中利用

3.1 野生種S.commersonii概述

S.commersonii隸屬馬鈴薯組孔目松系，為二倍體野生種，EBN（Endosperm balance number）=1，主要分布在阿根廷，烏拉圭，巴西等國(guó)家，生長(zhǎng)于安第斯山脈海拔400 m左右的區(qū)域。在Hawkes[4]的分類(lèi)體系中，S.commersonii分為2個(gè)亞種，分別是S.commersonii ssp.commersonii和S.commersonii ssp.malmeanum；但在Spooner等[11]的分類(lèi)體系中，S.commersonii ssp.malmeanum不再是S.commersonii的一個(gè)亞種，而是作為一個(gè)獨(dú)立的野生種，命名為S.malmeanum。

S.commersonii種內(nèi)具有豐富的抗性資源，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，S.commersonii種內(nèi)不僅存在有馬鈴薯瘡痂病、PVX、科羅拉多甲蟲(chóng)等病蟲(chóng)害的抗性，對(duì)某些不良環(huán)境也具有極強(qiáng)的耐性，其中最為典型的就是耐低溫霜凍[11]。研究表明S.commersonii具有極強(qiáng)的低溫馴化能力，馴化后其LT50達(dá)-10℃以下，低溫馴化能力高于7℃以上[7]，是已知低溫馴化能力最強(qiáng)的馬鈴薯野生種。

3.2 S.commersonii在抗寒育種中的應(yīng)用

目前在利用S.commersonii進(jìn)行抗寒育種方面，已經(jīng)取得了一些初步的成果。Caidi等[36]利用二倍體的S.commersonii和四倍體的栽培種進(jìn)行體細(xì)胞融合后得到了雄性不育雜種后代，70%是四倍體，其中編號(hào)為cmm1的種間雜種的馴化能力達(dá)到了6℃；Nyman和Waara[37]利用二倍體栽培種和S.commersonii體細(xì)胞融合得到雜種，經(jīng)檢測(cè)，某些種間雜種馴化后能夠忍受-9℃左右的低溫。Chen等[38]同樣利用S.commersonii和二倍體栽培種體細(xì)胞融合后獲得了一個(gè)四倍體的雜種后代，該四倍體和栽培種‘Wis AG 231’回交后代中，有21%的后代低溫馴化能力得到了顯著提升（即馴化能力大于或等于2.5℃），其中某些植株的結(jié)薯產(chǎn)量甚至超過(guò)了回交親本。Bastia等[39]同樣利用體細(xì)胞融合的方法獲得了不同倍性的雜種，在四倍體雜種中，一些雜種馴化后LT50低于-5℃，而在八倍體中，有些雜種馴化后LT50甚至可達(dá)-9℃。Sepp?nen等[40]也是通過(guò)原生質(zhì)體融合的手段獲得了S.commersonii和栽培種可育的體細(xì)胞雜種，其中一個(gè)編號(hào)為SH9A的雜種經(jīng)過(guò)低溫馴化其LT50為-5.2℃，且其自交后代中同樣能檢測(cè)抗低溫植株存在，值得一提的，SH9A還具有對(duì)PVX的極端抗性。上述這些都是通過(guò)體細(xì)胞融合的方式得到雜種后代，而Carputo等[41,42]則是通過(guò)雜交的手段，成功獲得了S.commersonii和四倍體栽培種‘UP88-P5’的F1代（三倍體），這些后代經(jīng)過(guò)馴化后能夠忍耐-6.2℃的低溫2 h，其中編號(hào)為B10的植株可以忍耐-7.5℃的低溫，在該三倍體與四倍體栽培種‘Tollocan’的BC1和BC2中，均有抗寒能力較強(qiáng)的植株存在（BC1中有植株的馴化抗寒性為-5.5℃，BC2中植株的馴化抗寒性也可達(dá)-4.8℃）。

4 馬鈴薯抗寒育種展望

馬鈴薯野生種擁有豐富的抗寒種質(zhì)資源，但目前對(duì)抗性資源的利用尚未獲得理想的效果，至今還沒(méi)有能夠被推廣種植的抗寒品種。目前馬鈴薯育種技術(shù)主要有傳統(tǒng)雜種育種、倍性育種、體細(xì)胞融合、橋梁育種、分子標(biāo)記輔助選擇育種以及轉(zhuǎn)基因技術(shù)等方法。傳統(tǒng)雜交育種是目前最主要的育種手段之一，但在抗寒育種上收效甚微，一方面，由于EBN不同的原因，大部分馬鈴薯抗寒資源難以直接和栽培種進(jìn)行雜交；另一方面，大部分野生種抗寒能力是一個(gè)由多基因控制的數(shù)量性狀，在多次回交的過(guò)程中容易導(dǎo)致抗性衰減。倍性育種、體細(xì)胞融合、橋梁育種雖然能夠克服遠(yuǎn)緣雜交不親和性，創(chuàng)制新的抗寒種質(zhì)資源，但在后續(xù)的過(guò)程仍需要進(jìn)行常規(guī)的雜交。在轉(zhuǎn)基因技術(shù)上，由于目前對(duì)于抗寒能力的遺傳規(guī)律和分子機(jī)制的解析尚不夠完全，所取得的成果也比較少，民眾對(duì)轉(zhuǎn)基因技術(shù)也還存在較大的爭(zhēng)議。此外，在分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)上，目前極少有能應(yīng)用于抗寒育種的分子標(biāo)記被報(bào)道。因此，加強(qiáng)對(duì)馬鈴薯抗寒遺傳規(guī)律和分子機(jī)制的研究，開(kāi)發(fā)更多能應(yīng)用于抗寒育種的分子標(biāo)記，將極大的推動(dòng)馬鈴薯抗寒育種的進(jìn)程。