三七育種研究綜述

熊 高，王 勇，胡永媛，高麗芳，孫玉琴，陳中堅

（文山學院 文山三七研究院，云南 文山 663099）

三七 [Panax notoginseng（BurK.）F.H.Chen]為五加科人參屬多年生草本植物，其主要活性成分皂苷對代謝、血管、中樞神經系統類疾病具有很好的療效[1-3]，在400余年的栽培歷史中，已發展成為產業化程度高、市場規模大、研究較為深入的名貴中藥材品種[4]。同時，在2016年云南省政府提出的實現三七產業千億目標的大背景下[5]，將為三七及其產業在種質資源保護、開發利用、改良創新等方面提供良好機遇。

品種作為一個產業得以持續健康發展的基礎，而育種則是實現品種高產、優質、抗性優良最有效、最根本的途徑。三七從馴化到人工種植至今，其品種選育工作經歷了漫長的歲月，在此期間，通過許多三七育種工作者的辛勤付出，三七在品種選育研究上取得了重要的成就，為我國中藥現代化科技產業發展和農民脫貧致富提供了產業支撐。

近年來，隨著三七栽培面積的不斷擴大，三七病害嚴重，加之連作障礙的影響，三七道地產區逐漸向非道地產區轉移，這將導致三七藥材品質下降，藥效降低與道地性喪失。同時，由于三七抗病資源的研究利用進展緩慢，無很好的抗病品種，種植中人為的濫用農藥，導致三七農殘超標[6]。再者，隨著公眾日益增長的健康要求以及中藥材品質升級無公害行動計劃的提出[7]，三七品種目前還遠遠滿足不了產業的需求，特別是優質高產、抗病性強的新品種相對缺乏。因此，培育優良三七品種是三七科技產業發展的迫切需要，也可為三七生產優質藥材奠定基礎。本文綜述了三七育種的發展歷程，并對三七育種的未來研究進行了的展望，以供三七育種領域的研究者借鑒、參考和討論。

1 三七傳統育種技術的早期應用

傳統育種主要基于現有的自然變異資源，通過系統選擇、雜交、多世代篩選和純化，最終獲得具有目標性狀的品種，整個選育過程周期長，成本高。由于三七生態適應性差、生長周期長、地理分布窄等特性，三七育種進展相比于其他糧食作物顯得十分緩慢。自上個世紀90年代才開始對三七變異類型進行系統鑒定，獲得了莖色、莖粗、塊根、株高、葉寬等性狀的變異類型[8]。之后，陳中堅等[9-10]（2004年、2010年）進行相關和通徑研究，最終認為寬葉三七、復葉柄平展型三七、紫根三七和長形根三七等4種變異類型可作為高產、優質三七新品種的育種目標。

以系統選育的傳統育種技術是目前三七育種工作中最基本、最重要的育種途徑。苗鄉三七科技有限公司通過12年的系統選育，在2015年培育出“苗鄉三七一號”（綠莖）和“滇七一號”（紫莖）兩個三七品種并獲得認定，這是文山州人工種植三七數百年來首獲的品種，開創了三七育種新歷史；同樣，在多家單位的共同努力下，經過15年5個世代典型性狀選擇和純化的系統選育，2019年文山學院與苗鄉三七科技有限公司共同培育出以紫根性狀為主的“文院紫七1號”和以復葉柄夾角小為性狀的“苗鄉三七2號”兩個三七新品種。這些品種具有生活力強、優質、高產的特點。此外，雜交選育、倍性育種、輻射誘變等技術在三七傳統育種研究中都有報道，比如，孫玉琴[11-12]等對三七開花、散粉規律研究，確定了三七雜交育種的最佳授粉時間為10∶00～14∶00，花粉常溫下可保存8 h，低溫儲藏時也不宜超過20 d；王朝梁等[13]利用秋水仙素對三七種子進行染色體加倍，獲得株形高大、葉片增大、葉色濃綠等明顯特征的四倍體植株；三七60Co-γ輻射誘變研究顯示種子的半致死劑量為54 Gy，為后續三七輻射育種工作奠定基礎[14]。

2 三七現代育種技術的初步實踐

隨著分子遺傳學和分子生物學的不斷發展，現代育種技術在動植物育種領域得到大量應用，以隨機擴增多態性（RAPD）、擴增片段長度多態性（AFLP）、簡單重復序列（SSR）和單核苷酸多態性（SNP）等分子標記作為輔助進行的品種選育技術日趨成熟[15-16]，這將有助于縮短育種年限，提高育種效率。

在三七分子育種研究進程中，早期的分子標記技術應用主要著重開展對三七的遺傳多樣性研究。2003年時就報道了以10bp寡核苷酸引物長度的RAPD分析方法檢測三七栽培群體的變異情況，結果表明了不管是三七不同形態性狀間，還是同一形態的不同個體間的多態性都很高，說明三七遺傳背景復雜，還是一個雜合居群，具有豐富的遺傳多樣性，并指出需通過套袋自交、花粉培養等途徑來進一步純化三七遺傳背景，形成可供育種選擇具有穩定遺傳變異類型的材料[17]。在2005-2008年間，主要以AFLP或熒光AFLP標記對三七的遺傳多樣性進行研究，特別是在三七栽培群體中不同植物學性狀（株高、莖色、葉片、根重）的遺傳多樣性[18]、三七不同個體根部皂苷含量差異的遺傳多樣性[19]以及三七與屏邊三七的遺傳分化[20]等方面，這些結果顯示了三七仍保持較高的生物多樣性，不過經人工栽培后，其遺傳分化相較于野生近緣種降低。其后，Liu等人[21]和張金渝等人[22]分別開發出了用于三七生物多樣性研究的SSR和EST-SSR標記，這些標記在三七中均顯示出高多態性，為評估三七遺傳多樣性及純系提供了標記資源，其中發現通過集團選擇方式可逐漸純化選育群體，不過不同的選育材料之間仍存在較大的遺傳分化[22]。隨著二代測序技術的發展，可對三七在全基因組水平的遺傳差異進行全面評價，通過簡化基因組測序（RAD-Seq）技術對12個不同區域的36份三七進行分析，獲得近六千多個SNP位點，群體結構顯示三七的主要遺傳變異（96.5%）發生在居群內，而居群間遺傳分化水平低（3.5%）[23]。以上研究不僅開發出大量的分子標記，還提供了對三七遺傳背景和變異情況的認識，為三七分子育種奠定理論基礎。

通過前期的不斷研究和實踐，2016年，以DNA標記（SNP）輔助選育的首個三七抗病新品種“苗鄉抗七1號”通過審定，獲得品種認證，實現了在三七中應用分子標記輔助的現代育種技術育成三七抗病新品種的突破。該品種基于三七抗病資源和高通量測序技術，挖掘三七抗根腐病關聯性SNP位點，根據該位點對抗病群體進行快速檢測和選擇，最終選育而成[24]。與常規栽培種相比，接種根腐病致病菌Fusarum oxysporum后“苗鄉抗七1號”種子、種苗、塊根發病指數分別下降52%、72.1%、62.4%，表現顯著的抗性[25]。“苗鄉抗七1號”的獲得標志著三七及其人參屬植物育種研究進入了以分子生物技術為手段的分子育種時代，這將對加快藥用植物新品種選育和推廣具有積極推動作用。

3 組學大數據挖掘三七育種新潛力

組學大數據不僅可以快速揭示雜交育種潛在的深層次機理，也為品種選育提供大量分子靶標和重要的遺傳信息。2011至2016年間，三七組學分析主要基于轉錄組和蛋白組研究，這些結果在三七的三萜皂苷生物合成、生物堿合成、響應重金屬砷脅迫方面展現了許多關鍵基因[26-30]。2017年，三七完成全基因組測序，獲得3萬多個編碼基因，并首次系統性的解析了三七皂苷的合成途徑，獲得大量皂苷合成的候選基因[31-32]。目前，已有報道顯示基因組、轉錄組、代謝組等多組學大數據用于三七研究分析[33-36]，這些研究為今后三七高品質育種奠定基礎，以基因組為支撐的三七遺傳育種時代已經到來。

功能基因挖掘一直是生物學基礎研究的焦點，也是基因組育種時代生物學家追尋的目標。在三七基因組、轉錄組、代謝組等組學大數據推動下，三七功能基因研究也取得了一些突破。在三七皂苷合成方面，孫穎等[37]利用RNAi技術在細胞水平下調三七環阿屯醇合酶基因CAS表達，阻斷甾醇的合成，間接增加了三七皂苷含量；楊延等[38]在三七細胞中過量表達三七法呢基焦磷酸合酶基因FPS可提高皂苷含量；李建等[33]通過對一年生和三年生三七的轉錄組學分析，鑒定到皂苷生物合成關鍵基因達瑪烯二醇合成酶DS和P450單加氧酶CYP716A47-like在三年生三七中顯著高表達，并利用基因轉化技術在煙草中驗證了功能。在三七抗病研究方面，楊丹等[39]克隆表達了三七病程相關蛋白PR10-2，通過體外抑菌活性分析顯示PR10-2蛋白可抑制三七根腐病病菌腐皮鐮刀菌和壞損柱孢菌的活性；另外，在個體水平的研究也報道了三七幾丁質酶基因PnCHI1和多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白基因PGIP，對三七根腐病病菌茄腐鐮刀菌具有很好的抗性[40-41]。上述三七功能基因研究結果為三七遺傳育種工作提供了新的靶點。

4 現有三七新品種

在三七育種工作者的持續努力下，三七新品種實現了從無到有的突破，三七的新品種，最早是經過云南省非主要農作物品種登記的“文七1號”，但“文七1號”是在當時特定的歷史背景下產生，并沒有經過育種程序的選育，是將當時文山種植的三七統稱“文七1號”，為今后選育的品種作對照。因此，目前經過育種程序選育產生的品種共有5個（表1），都是經系統選育的方法選育而成，其中“苗鄉抗七1號”在系統選育的基礎上，采用了分子標記輔助技術。

表1 三七品種（2015-2019年）

5 展望

三七育種研究經過長期努力取得了一定成績，不過目前三七基礎研究較為薄弱，系統選育方法仍是三七新品種選育的主要途徑，這些因素很大程度上制約了三七育種研究的步伐。為實現三七育種的快速發展，作者就今后三七新品種選育研究工作提出以下4個方面的展望。

（1）完善三七種質資源保護與評價是三七育種繼續長期堅持的重點工作。種質資源蘊藏著各種潛在的可利用基因，是育種過程的重要物質資源和原始材料。育種工作者很早就重視三七種質資源的收集和保存，目前文山三七研究院已建立了初具規模的三七種質資源圃，不過對三七種質資源的評價還很薄弱，在植物學性狀、農藝性狀、生物學特性等方面未進行系統性研究，這也是三七遺傳育種工作進展緩慢的重要原因之一。因此，在今后的育種工作中，應相當長的時間著重對三七種質資源進行系統評價，培育純系，只要對種質資源隱藏的信息有了全面了解，將有助于增加育種和選種的預見性，通過各種育種方法和技術，才能不斷培育出高產、優質、多抗、適應性強的新品種。

（2）推進三七的倍性育種研究是快速實現三七新品種創制的有效途徑。倍性育種是植物育種的重要方式，其可以通過減少或增加染色體的數量獲得具有優良性狀的變異個體。一般地，單倍體植物通過染色體加倍，即在一個世代就可獲得純合株系，大大縮短育種年限；而多倍體植物往往具有植株巨大、抗逆性強、適應性好、營養成分高的特點。基于三七生長周期長的生物學特性和增產塊根為目標的生產特性，開展三七的倍性育種來創制新種質、新品種將是一種有效途徑，具有重要的應用前景。目前，三七的倍性育種相關工作還比較基礎，染色體倍性誘導率低，仍需進一步探索誘導方式。所以，應積極推進三七倍性育種技術的研究，建立成熟的倍性誘導體系，使這一有效的育種手段早日應用于三七育種領域中。

（3）構建成熟的三七雜交體系是實現三七品種資源利用率高的基本保證。雜交育種是將兩個或多個品種的優良性狀通過交配集合在一起，快速獲得擁有多個優良性狀的單一品種，從而提高品種利用。三七的雜交育種研究已經在三七的花器結構、開花習性、散粉習性和花粉活力等領域取得了一定的進展，今后還將繼續探索三七雜交技術、交配組合等一系列基礎研究工作，建立成熟的三七雜交體系，實現多元雜交和多基因聚合育種，為三七雜交育種應用及實現品種有效利用提供保障。

（4）強化三七基礎科學研究或可為助力三七分子設計育種應用奠定基礎。三七的基因組研究得到了破譯，轉錄組、蛋白組、代謝組等多組學也在三七中進行了大量應用，三七正在快步走向“發現基因、研究基因、利用基因”的研究模式。盡管目前三七的基礎理論研究與創新方面獲得了不錯的進展，但是與其他農作物，比如水稻、玉米、小麥的科學研究相比還有一定距離，尚不能對三七育種研究提供有效支撐。那么，在如今生命科學高速發展的時代，為能實現三七在遺傳育種研究中“一個基因一個品種”的模式，就亟需進一步強化三七基礎科學研究，特別是針對三七在主要經濟性狀、抗性、適應性等方面的機理展開系統性研究，以獲得更多效果顯著、作用機制清晰的靶標分子，為三七分子設計育種應用奠定堅實基礎。