我國煙草種質資源收集、鑒定及在育種上的應用

焦芳嬋，吳興富，陳學軍，許美玲，李永平

云南省煙草農業科學研究院，昆明市圓通街33 號 650021

種質資源是重要的自然資源，由自然演化和人工創造而成，是新品種選育的物質基礎［1］。目前，我國煙草種質資源保存數量位居世界前列［2］。只有深入挖掘煙草種質資源，才能更好地選育出優質品種，滿足煙草工業的需求。

1 煙草種質資源概述

1.1 煙草的發展及現狀

煙草是茄科植物的第5 大家族，早期分成60個種。隨著煙草新種質的發現、創新、分類研究的不斷深入，以及分子生物學在分類中的廣泛應用，Knapp 等［3］將煙屬劃分為76 個種。其中只有普通煙草（Nicotiana tabacum L.）和黃花煙草（Nicotiana rustica L.）可直接栽培利用［4］。煙草主要分布在北緯45°到南緯30°之間，產地以亞洲為中心，遍及亞洲、南美洲、北美洲、非洲及歐洲［2,5-6］。

在我國，煙草的發展經歷了5 個階段［7-8］。第1階段，晾曬煙的傳入；第2 階段，黃花煙的傳入；第3 階段，烤煙的傳入；第4 階段，建國前后至改革開放初期，香料煙、白肋煙的引進；第5 階段，改革開放后，隨著我國社會主義市場經濟的發展，煙草在類型、規模、質量方面都有大幅度的提升。從1990年開始，煙葉布局出現“北煙南移”現象。黃淮煙區（豫、魯、皖）的種植面積日趨減少，而西南煙區（云、黔）的種植面積逐步增加［9］。

1.2 煙草種質資源的收集、保存

一直以來，美國煙草育種家十分重視煙草種質資源的收集，曾于1913 年先后兩次派考察隊到煙草起源中心搜集古老類型的煙草種質和野生種，例如：高抗青枯病的TI44A 和高抗線蟲病的TI706 等具有特殊使用價值的煙草種質［6］。日本也一直在收集國外煙草種質資源，現已擁有1 900份煙草種質資源［10］，煙草野生種—川上煙草就是1960—1970 年間到南美洲考察時發現的。前蘇聯于1920 年從世界50 多個國家收集了包括煙草資源在內的13 萬多份植物種質資源［10］。

我國煙草種質資源收集起步較晚。20 世紀50年代初，進行了第1 次煙草種質收集，共收集煙草資源3 000 多份。20 世紀70 年代末至今，在湖北、四川、海南、廣西、云南等地區進行了煙草品種資源的補充征集［2］，并每年陸續從國外引進一些使用價值較高的優良種質。自2006 年我國煙草種質資源平臺正式啟動以來，煙草種質資源在各個層面取得了較大進展。但與美國等國家仍然存在較大的差距：①對種質資源鑒定不夠全面；②對優異（或特異）種質資源挖掘不夠深入；③基礎研究相對薄弱。因此，加強我國煙草種質資源收集、鑒定以及在育種中的利用，對我國煙葉生產具有重要作用。

2 我國煙草種質資源的研究進展

2.1 我國煙草種質資源的分類

到2017 年底，我國已保存煙屬種質資源5 767份，多樣性豐富，保存數量位居世界第一［11］。栽培煙草有兩個種，即普通煙草和黃花煙草。煙草種質資源又可分為烤煙、曬晾煙、白肋煙、雪茄煙、香料煙、黃花煙和野生煙等類型［12］。

2.2 我國煙草種質資源評價與鑒定

大部分煙屬植物農藝性狀和植物學性狀的評價與鑒定已完成，篩選出一批優質的煙草種質資源。截至2009 年，已完成927 份煙草品種的外觀質量評價，1 787 份煙葉的化學成分分析，987 份原煙的香吃味評價。在抗性鑒定方面，從6 327 份煙草種質資源中篩選出NC82、巖煙97、G-168 等400多份抗煙草黑脛病、青枯病、根結線蟲病等病害的種質；從2 300 份煙草種質資源中篩選出100 多份抗普通花葉病毒病和黃瓜花葉病毒病的種質；從786份煙草種質資源中篩選出一些抗蚜蟲的種質［13］。

2.3 煙草種質遺傳多樣性

煙草遺傳多樣性的研究不僅與煙草種質資源的收集、保存和更新密切相關，還是煙草種質資源創新和品種改良的基礎。在煙草種質遺傳多樣性的研究方面，我國取得了豐碩的成績。近10 年來，通過分子標記技術（ISSR、SSR、AFLP、TRAP、MFLP、SRAP、SNP 等）對煙草種質遺傳多樣性進行研究，主要集中在國內廣泛種植的烤煙類型上。例如，分別利用ISSR［14］、AFLP［15］、SSR［16］和MFLP［17］技術對特定地域品牌卷煙的主體煙葉原料或當時全國主栽的烤煙品種進行遺傳多樣性分析。結果表明，被研究的國內主栽烤煙品種間親緣關系較近、遺傳基礎狹窄、遺傳多樣性較低，原因可能與被研究的烤煙品種均衍生自極少數的美國優質烤煙骨干親本相關，此結果同時也證實了國內目前主栽烤煙與美國優質烤煙之間具有極高的遺傳相似性。此外，在研究烤煙種質遺傳多樣性的同時加入一定數量的其他煙草類型，例如白肋煙、雪茄煙、香料煙、地方晾曬煙等［18-24］。結果表明，在DNA 分子水平上其他類型煙草種質的遺傳多樣性較豐富、親緣關系相對較遠。原因可能是其他類型煙草種質在我國的需求及栽培面積相對較少，導致這些類型的煙草資源受到人為選擇（育種）的壓力較小，而使其能盡可能地保留了各自豐富的遺傳多樣性和地域差異性。該結果也在利用SSR［19］和SRAP［22］技術對地方晾曬煙種質的遺傳多樣性研究中得到了進一步的證實。

2.4 煙草種質創新

2.4.1 遠緣雜交

我國在煙草遠緣雜交創造新種質方面取得了一些研究成果。云煙4 號是從紅花大金元×玉米的雜交后代中選育出的煙草新品系［25-26］。利用細胞工程技術（LB 技術）實現了大圓葉菠菜與普通煙草品種柳葉煙草間的遠緣雜交［27-29］。藥用植物（紫蘇、羅勒、曼陀羅、薄荷、土人參、黃芪等）與煙葉通過嫁接（無性繁殖）和有性雜交相結合的方法進行科、屬間的遠緣雜交，選育出穩定的藥用種質，最終將藥用成分轉移到煙草中［30-33］。利用該方法將普通煙草龍煙2 號與曼陀羅進行屬間遠緣雜交，培育出含阿托品及莨菪烷的新型煙草［32］；將煙草與羅勒進行科間遠緣雜交，培育出具有藥物香氣的煙草新種質［33］。

2.4.2 細胞工程

細胞工程是克服遠緣雜交不親和的重要手段之一。20 世紀70 年代初，我國開始了煙草花藥培養的研究與應用，利用該技術選育出單育1 號、單育2號、單育3 號、“3002”、“3041”等烤煙新品系［34］。此外，我國學者在煙草體細胞雜交方面取得了顯著成績［34-37］。卜鍋章等［35］將普通煙草栽培品種革新1 號和黃花煙草品種“黑老虎”原生質體融合獲得雜種單株TR13 后，用大白筋599 和NC82 連續多年回交改良，選育出生物學性狀優良、遺傳性狀穩定的新品系。孫玉合等［34］從革新1 號和粉藍煙草體細胞雜種（代號TG）中篩選出TG-7、TG-13、TG-32 等植株，其對黑脛病均表現極高的抗性，同時獲得體細胞雜種TG-8，用烤煙品種G-28 回交4代，選育出煙草新胞質雄性不育系86-6。楊其光等［36］將普通煙草G140 和野生種波葉煙草體細胞融合獲得雜交材料Z14，隨后黃文川［37］鑒定了該材料的性狀，發現其主要農藝性狀優良，產量較高，內在化學成分協調，高抗CMV 和TMV。

2.4.3 轉基因技術

煙草可通過轉基因技術擺脫物種間的限制。我國在利用該技術提高煙草抗病蟲、抗逆和品質等方面取得大量的研究結果。

在抗病研究方面。主要有兩種途徑來提高煙草的抗病性：①外緣抗病基因的導入，如將外源抗病基因hrpZPsg12［38］、Bchi［39］、TaPIM1［40］及CaSn［41］導入到煙草，分別提高煙草對TMV 和PVY、真菌性病害、青枯病及南方根結線蟲的抗性；②針對煙草病毒病，通過導入或RNAi 技術來提高煙草對病毒病的抗性。例如，將PVY、TMV 及CMV 病毒的外殼蛋白基因導入到煙草，獲得穩定、多抗PVY、TMV 及CMV 的轉基因煙草［42］；將馬鈴薯X 病毒運動蛋白基因PVX-p25 導入到煙草，獲得對PVX有較強抗性的煙草［43］；馬鈴薯Y 病毒復制酶基因Nib 不同序列的轉基因植株對PVY 表現出不同抗性［44］；應用RNAi 技術下調TMV 病毒的MP 基因和CMV 病毒的Rep 基因，獲得同時抗TMV 和CMV的轉基因煙草［45］。

在抗蟲研究方面。主要的抗蟲基因有蘇云金桿菌（Bt）毒蛋白基因，蛋白酶抑制劑基因及外源凝集素基因等。例如，將Bt 基因cry8Ca、人工改造的Bt 基因cry1Ac、cry1Ie 單獨或同時導入煙草后，可分別提高煙草對金龜子、棉鈴蟲的抗性［46-47］；將蠟梅胰蛋白抑制劑基因CpKTI、半胱氨酸蛋白酶抑制劑基因CaCP 轉入煙草，可分別提高煙草對斜紋夜蛾幼蟲、蚜蟲的抗性［48-49］；轉大豆凝集素基因lec-s 能提高煙草對甜菜夜蛾的抗性［50］。

在抗逆性研究方面。將果聚糖合成酶基因6-SFT 導入到煙草，可提高煙草對干旱和寒冷脅迫的抗性［51］；過量表達棉花鋅指蛋白基因GhSAP1 可顯著提高轉基因煙草的耐鹽能力［52］；轉入檉柳和星星草雙價金屬硫蛋白基因后，可提高轉基因煙草對Cd2+和Cu2+的抗性［53］。

在品質研究方面。主要涉及煙草鉀含量、光合作用及氮代謝等。例如，將鉀轉運體蛋白基因HAK1轉入到煙草后，可顯著提高煙草的富鉀能力［54］；將擬南芥BAS1 基因導入到煙草中，能提高煙草凈光合速率、煙葉總葉綠素含量［55］；苧麻谷氨酰胺合成酶基因BnGS1-2 在煙草體內超量表達后，能促進轉基因煙草對氮素的吸收利用，從而提高氮代謝效率［56］。

3 煙草種質在育種上的應用

3.1 常規雜交育種

雜交育種是通過有性雜交將不同品種的優良性狀整合到一起，再從后代群體中選擇滿足育種目標要求的植株，是種質創新的基本手段，也是目前和今后相當一段時間內新品種創制的主要方式［57］。自2000 年以來，我國通過常規育種手段育成了多個品種（表1）。由表1 可知，我國煙草育種主要集中在烤煙上，占育成品種總數的80.90%，其次為白肋煙，占17.60%。

從2002 年開始，我國自主選育的烤煙品種種植面積和比例開始超過國外引進品種。經“十五”“十一五”“十二五”3 個階段的發展，我國植煙生態區中基本上都有1～2 個主栽烤煙品種，2～3 個烤煙品種搭配種植，布局相對合理。目前，生產上種植面積超過66.67 km2的烤煙品種有云煙87、K326、云煙85、紅大、云煙97、中煙100、翠碧1 號、云煙99、云煙100、龍江911、粵煙97、NC55、云煙105、秦煙96 等，其中云煙87 自2000 年通過審定以來，種植面積一直呈上升趨勢，到2018 年其種植面積占全國烤煙種植總面積的50.30%。

3.2 系統選育

系統選育是在現有品種群體中選擇優良的自然變異，通過比較鑒定而培育出新品種。我國植煙區域生態條件差異巨大，為地方特色煙草品種的選育提供了廣闊空間。自2000 年以來，我國通過系統選育獲得的煙草新品種見表2。由表2 可知，曬煙、香料煙品種主要通過系統選育獲得。從育成新品種的數量上看，雜交育種遠遠大于系統選育。目前，系統選育的烤煙品種除畢納1 號在貴州省有一定的種植面積外［58-59］，其余的烤煙品種基本上都是作為育種材料加以利用。

表1 煙草種質資源在常規雜交育種中的應用Tab.1 Application of tobacco germplasm resources in conventional cross breeding

表1 （續）

表2 煙草種質資源在常規系統選育中的應用Tab.2 Application of tobacco germplasm resources in conventional system breeding

4 展望

我國在煙草種質資源搜集與保存、鑒定評價、種質創新等方面雖取得了較快發展，但目前搜集保存的煙草種質資源仍存在國內資源多而國外資源少、野生資源搜集不完整等問題［60］。在挖掘及利用方面，目前仍停留在田間農藝性狀和植物學性狀的鑒定、煙葉常規化學成分的分析等方面［61］，而未利用先進技術（如生物技術等）深入挖掘種質資源的潛在優勢，與發達國家還存在差距。因此，煙草種質資源的搜集與保存、挖掘與創新仍有待加強。

目前，從國外引入的煙草種質資源的數量只占我國種質資源總數的15.00%。但在利用次數最多的27 份種質中，國外種質資源的利用率達到66.52%［60］。我國雖不是煙草的起源地，但由于多樣性的生態環境及較長的傳播、馴化歷史，已使我國具有較豐富的煙草種質資源。但目前我國煙草資源的利用率不足3.00%，且主要集中在烤煙和白肋煙，其他類型煙草種質資源的利用率極低，遠未發揮出我國種質資源豐富的優勢。

針對我國煙草種質資源應用中存在的不足，建議：①除大力發掘、搶救、搜集本國煙草種質資源外，還需主動走出去，積極引進國外優質煙草種質資源和發掘國內未知種質，以豐富、完善我國煙草種質資源庫；②充分利用基因組學的最新研究成果，對煙草種質資源進行深入、系統的研究，挖掘種質資源的潛力，同時充分利用現有的技術手段（如誘變技術）創造新種質；③將生物技術與傳統育種方法相結合，以提高煙草資源的利用率。只有做到以上3 點，才能不斷豐富煙草種質資源、縮短育種周期，進而極大地提高煙草育種效率，保持我國煙葉生產的發展。