人參種質資源及育種研究進展

陳東亮， 鐘 楚， 簡少芬， 韋坤華， 繆劍華

(廣西壯族自治區藥用植物園/廣西藥用資源保護與遺傳改良重點實驗室， 廣西 南寧 530023)

人參(PanaxginsengC. A. Meyer)，又名地精、神草、黃參，為五加科人參屬多年生草本藥用植物，藥用部位為根和根莖，具有大補元氣，復脈固脫，補脾益肺，生津養血，安神益智等神奇功效[1]。在我國醫學寶庫中占有重要地位，有著“百藥之王”的美譽。人參的種植已有400余年的歷史，近年來隨著市場需求的進一步增大，人工馴化種植是滿足市場需求的唯一途徑。但最近幾十年來，由于人類對其過度開采，加之對其生境的破壞，自然生境的人參種質資源數量銳減，人工栽培人參的品質急劇下降、品種混雜等問題日益突出。人參種質資源是其新品種選育及改良的材料來源，是提高人參藥材產質量的物質基礎。因此，系統且專業地收集、鑒定、篩選、保存及評價人參種質資源對發展人參產業至關重要。我國自20世紀50年代開始投入大量人力、物力和財力進行人參育種工作，近年來，在人參種質資源及品種選育方面取得了豐碩成果。但由于存在種源混雜，后代性狀分化的緣故，致使人參種植產量低，質量較差。鑒于此，從資源分類、分布、遺傳多樣性和保育，及新品種選育等方面綜述國內外人參種質資源及品種選育方面的研究成果，簡要評述我國在人參種質資源利用及育種研究中存在的問題，并提出相關研究未來的發展方向，以期為合理且有效開發利用人參種質資源，促進人參產業可持續發展提供理論參考。

1 人參種質資源的分類與分布

種質資源是所有物種發展的源頭。開展人參種質資源的物種多樣性及種源地生態環境調查、品種及品質鑒定、遺傳多樣性及保育學研究具有重要意義。目前，中國農業科學院特產研究所已建立專業的人參種質資源庫，并收藏人參種質資源600余份。

1.1 分類

決定人參藥材質量及產量的關鍵因素是人參的栽培類型、產地及基因型。

1.1.1 栽培類型 按照栽培類型人參可分為野生人參和各地的栽培人參，其中野生人參資源為國家珍稀瀕危物種。2015版《中華人民共和國藥典》將栽培在大田里的人參稱為園參，而播種在山林中野生狀態下自然生長的人參稱為林下山參，習稱“籽海”[1]。經過長時間自然和人工的選擇，栽培人參得到了進化，并已逐漸分化出一些變異類型。按照果實顏色種類可分為黃果、紅果和橙果人參；根據植株莖稈顏色可分為紫莖和青莖人參；根據果穗松緊程度有緊穗和散穗人參[2]；依據人參根莖的形態又可分類為大馬牙、二馬牙、長脖及圓膀圓蘆4個變異類型。

1.1.2 產地 按人參產區可分為主產于吉林省撫松參區的普通參、吉林省集安參區的邊條參和遼寧省寬甸地區的石柱參，其受產區不同生態環境的影響形成不同的人參類型，但因進化時間短，故其性狀還不能穩定地表達和遺傳[3]。然而其中大部分也只是根據人參形態特征和栽培特點進行命名，目前還沒有比較系統、專業且規范的分類學命名依據。

1.1.3 基因型 李方元等[4]根據不同品種染色體核型的差異將8個農家品種分為2個類型，其中，撫松大馬牙、集安二馬牙和撫松二馬牙均為馬牙參類型，集安大馬牙參雖然染色體核型公式臂比偏大，但根據采取眾數的原則，也歸為馬牙類型；撫松長脖參、集安長脖參及竹節蘆參歸為長脖類型。大隅敏夫[5]研究人參的基因型認為，目前栽培的人參大部分為紫莖和紅果品種，其基因型為PPRRhh，稱之為固定種；果實的外果皮、果肉均呈桔黃色，內果皮和種皮均為淺黃白色，基因型為pprrhh，稱之為黃果種；青莖種莖色性狀的基因型為P-H-，該基因型由于H為花青素抑制基因，因此表現型均為青莖。紫莖種在生產中常見，而青莖種則少見。

前人關于人參種質資源的鑒定已作了大量詳盡的綜述[6-8]，在此不再贅述。

1.2 分布與生境

1.2.1 分布 人參自然種群的分布較狹窄，目前僅在中國吉林、遼寧和黑龍江東部的長白山脈、小興安嶺的東南部、朝鮮半島北部和俄羅斯烏蘇里江流域等地分布[9-11]。我國野山參主要分布在遼寧和吉林省，其中遼寧省約占60%，吉林省約占40%，以桓仁和集安為最主要生產區[12]。目前人參野生種質資源還在持續加速衰退，在大部分原始分布區域已絕跡。我國境內野山參目前也只零星分布在長白山脈和小興安嶺南麓，且于1992年作為珍稀瀕危物種列入《中國植物紅皮書》，并于2005年從《中國藥典》中除名。世界人參栽培以園參居多，我國約90%、韓國100%的人參品種均為園參。我國園參大多分布在黑龍江、吉林及遼寧三省，吉林省產量占東北三省的80%。在俄羅斯遠東地區、日本以及我國的山東、河北、山西、湖北等省及北京地區亦有零星引種栽培[13]。

1.2.2 生境 人參對光照、水分及土壤等生長環境有較為嚴格且特殊的要求[14]。全球人參多生長在北緯40°～45°、海拔500～1 000 m的各種山地。野生人參分布區處于中緯度季風帶，屬大陸性季風濕潤氣候。氣溫和降雨在區域內從西北向東南遞增；無霜期130 d左右；年降雨700～1 000 mm，年平均濕度70%，8月達80%以上[15]。野生人參的生長環境大多為光照強度較弱、濕度適中，土壤內腐殖質成分含量較高、結構疏松且呈弱酸性[14]，因此其多分布在針闊葉混交林下的山地，其中，以椴樹闊葉紅松混交林為典型代表的群落結構，透光但不強，透雨而又不大的庇陰環境[16]最為適宜。但此群落結構也慢慢趨于消亡，在一定程度上進一步加劇了人參野生資源的衰退。

1.3 遺傳多樣性

人參種質資源多樣性是新品種選育過程中能否準確評估每份種質資源利用價值的重要的基礎性工作。吉林省作為我國人參的主要產區，占我國人參生產總量的85%，占世界人參生產總量的70%[17]。吉林撫松是吉林人參的主產區之一。欒樹昆等[18-19]研究認為，來自吉林省不同地區的384份人參種質資源存在較大遺傳變異，大部分撫松人參與長白山人參的親緣關系相對較遠，而集安、靖宇、汪清、安圖、樺甸和輝南的大部分人參種源則可能引自撫松；吉林撫松地區78份人參樣品的SSR分子標記多態性達90.75%[19]，說明撫松地區人參品種間存在較豐富的遺傳多樣性，與李靖等[20]對該地區人參品種的遺傳多樣性研究結果相符。許永華等[21]利用AFLP分子標記對來自我國吉林、遼寧2省及韓國、朝鮮的24份人參種源的多態性、親緣關系和居群遺傳多樣性進行分析發現，產于韓國天豐、仙豐、連豐、金豐、高豐、錦山的高麗參和江華高麗參及產于朝鮮的高麗參與中國普遍栽培的農家品種大馬牙參和二馬牙參聚為一類，其遺傳變異與地理分布無明顯的相關性；AFLP分子標記研究結果能較好地揭示人參種源間的遺傳多樣性和遺傳關系，與REUNOVA等[22]研究結果一致。馬小軍等[23]采用遺傳多樣性RAPD分析發現，野山參的遺傳變異多態率為67.6%，遠大于栽培參的56.9%；在大馬牙參、二馬牙參等5個農家類型的RAPD遺傳多樣性分析中檢測到50.9%的多態率，其中，21.87%的變異來源于農家類型之間，而78.13%的變異來源于農家類型之內的個體之間[24]。王瓊等[25]在野山參和栽培人參的DALP分子標記遺傳多樣性分析中同樣發現野山參的遺傳多樣性遠高于栽培人參。張雪蓮等[26]利用RAPD分子標記對23個紫莖人參樣品進行遺傳多樣性分析認為，紫莖人參類型的個體間存在一定的變異。楊天天[27]利用SSR分子標記對栽培人參和西洋參的遺傳距離進行分析發現，人參與西洋參間的遺傳距離大于人參各農家類型之間的遺傳距離。侯志芳等[28]采用RAPD和SSR分子標記技術對15個產地人參種質資源遺傳多樣性進行分析認為，2種分子標記均能揭示不同地區人參種質間的遺傳多樣性。王志清等[29]利用RAMP和ISSR技術分別對人參品種間及農家類型間的遺傳差異進行檢測和分析發現，2種標記均能揭示各材料間的遺傳多樣性，其中RAMP標記的多態性高于ISSR標記。楊廣順等[30]利用RAPD標記分析吉林省5個產區(撫松、集安、汪清、靖宇、臨江)人參種質資源在分子水平上的差異認為，人參不同類型間的差異主要由其遺傳因素決定。李欣等[31]利用RAPD分子標記分析3個自交5代的人參品系間和品系內的遺傳多樣性認為，變異主要存在于各品系內部，證明即使自交5代的人參品系依然具有培育新品種的潛力。周玉新[32]利用MSAP分子標記對收集到的32份栽培人參樣本和15個野生人參樣本的表觀遺傳結構進行研究認為，栽培人參的遺傳多樣性和表觀多樣性均低于野生人參，說明人工馴化過程重新塑造了人參的遺傳和表觀遺傳結構。上述研究均印證了系統選育培育人參新品種有效。邵愛娟等[33]利用RAPD分子標記對17份經5年以上系統選育的栽培人參品系進行遺傳分析，從分子水平證明，根據表征性狀對栽培類群進行劃分可行。ZHURAVLEV等[34]利用AFLP分子標記分析來自俄羅斯10個行政區的167份人參種質資源的遺傳多樣性發現，俄羅斯境內的人參種質資源具有較高的遺傳多樣性，居群間的多樣性顯著大于居群內，俄羅斯境內人參種質資源遺傳多樣性還未受環境脅迫，且其野生人參種質遺傳多樣性較低[35]。CHOI等[36]應用EST-SSR分子標記分析人參品種及其近緣物種間的遺傳多樣性發現，平均每對引物可擴增1～4條帶，表明人參具有高度重復的古多倍體基因組序列。KIM等[37]使用EST-SSR開發了19個微衛星標記，建立了9個韓國品種的認證系統，并利用該標記鑒定了70個人參栽培品種，并在2個栽培品種之間選擇了真正的F1雜交植株；利用上述標記進一步分析了品種間的同質性和系統發育關系。表明，該指標體系對種子生產和人參育種有一定的參考價值。

1.4 保育

目前，人參種質資源破壞嚴重，山參資源幾近枯竭，栽培人參資源也面臨威脅。許永華等[38]2006年提出了“就地保護”、“異地保護”和“離體保護”的人參種質資源保育策略，但未進行深入研究。張舒娜等[39]闡述了建立種質資源圃對人參種質保育的必要性及重要性。王晗[40]探討了影響超低溫保存效果的因素，初步建立了人參種質資源超低溫保存體系。沈亮等[41]采用“藥用植物全球產地生態適宜性區劃信息系統”(GMPGIS)，以本草文獻記載的道地產區、野生分布區及當前主產區271個樣點的生態環境因子值為計算依據，經過生態相似性分析獲得人參全球范圍內的最佳生態適宜產區和潛在種植區，主要包括中國、美國、加拿大、俄羅斯、日本、朝鮮、法國、意大利、烏克蘭及韓國等國家。其中，人參在中國的生態適宜產區主要包括東北三省、四川、內蒙古、山東、陜西、甘肅、湖北和山西等省區，為人參引種栽培和撫育保護提供科學依據。

2 人參品種的選育

2.1 國外

日本20世紀50年代開始開展人參的系統選育，經歷10余年培育出參形較好的“御牧”品種，但因產量較低，未在生產上推廣應用[42]。韓國人參育種工作始于1968年[43]。初期由于育種目標不明確，育種難度大，育種成效并不突出。KWANG-TAE等[44]從農家參田中挑選出具有獨特性狀的植株，最終選育出KG(Korean Ginseng)101、KG102和KG103、KG104和KG105 5個優良品系。目前，韓國先后培育出天豐、金豐、高豐、連豐、仙豐、仙云、青仙、仙原及仙香等10余個新品種，并已在韓國大面積推廣應用[45-47]。

2.2 國內

我國從20世紀70年代開始進行較系統的人參育種研究，經長期努力已育成一系列高產、優質且廣適的人參優良品種[48-53](表1)。趙壽經等[49]以二馬牙群體為基礎培育出產量高、單根重(大)、根形美觀、總皂甙含量及種子產量高的吉參1號。中國農業科學院特產研究所以人參變異類型為基礎，培育出適于吉林省東部參區種植人參品種吉林黃果人參[50]。中國農業科學院特產研究所、撫松縣人參產業發展辦公室和撫松縣參王植保有限責任公司聯合，以撫松縣大馬牙群體為基礎，選育出適合吉林省無霜期在90～130 d，海拔不超過1 000 m的人參主產區種植推廣的人參新品種福星1號；于2014年培育出適于吉林省撫松縣及其周邊各縣海拔不超過1 000 m，無霜期在100～125 d的參區種植的新品種福星2號[50]。吉林農業大學、康美新開河(吉林)藥業有限公司等11家單位新選育出康美1號和集美人參(集美1號)人參新品種[50-51]，將吉林省的人參品種數增至5個。康美1號是我國第1個適合非林地種植的人參新品種，該品種的育成打開了我國非林地栽培人參育種的先河。康美1號已被吉林省政府列為非林地栽參主推品種，其在集安大地參業集團等企業建立了示范基地30余萬hm2。2009年審定的集美人參品種集美1號，示范推廣面積達150余hm2，由于品質優良、國際影響力大，于2012年被國際標準化委員會傳統藥材專業委員會定為國際示范推廣品種。益盛藥業與吉林農業大學于2013年聯合選育的益盛漢參1號[50]，抗病能力強，適于在吉林省白山、通化地區推廣種植。吉林農業大學采用集團選擇方法選育出單產高、單根重、植株長勢強、種子千粒重高且適宜在吉林參區種植的優良品種寶泉山人參[52]。中國醫學科學院藥用植物研究所、集安人參研究所和康美新開河(吉林)藥業有限公司聯合歷經30余年，采用系統選育方法于2013年育成我國第1個邊條人參新品種新開河1號[50，53]，該品種具有齊度高、生長速度快、高產、穩產、人參皂苷含量高、中抗黑斑病且參形優美，參根粗長，邊條參率高等特點，其性狀遺傳穩定性強，為人參遺傳學研究奠定了基礎。該品種也正在大面積推廣應用階段。吉林通化百泉參業集團股份有限公司與吉林農業大學合作，總結多年基地種植經驗，經過專業技術人員多年研究及實驗，培育出新一代人參品種百泉人參1號[50]，該品種具有抗逆性強、穩產、優質等特點，為廣泛種植優質參、生態參和綠色參創造了條件。

表1 目前通過審定的人參品種

3 問題與策略

種質資源是品種選育的源頭，而良好的品種又是中藥材產業化發展的基礎。我國作為人參主產國，在人參資源多樣性方面遠高于其他國家。國內外人參種質資源均具有較高的遺傳多樣性，而野生人參種質的遺傳多樣性也遠大于栽培種。說明，人參種質資源在育種方面具有很大的利用潛力。但目前人參種質資源破壞嚴重，山參資源幾近枯竭，栽培人參資源也面臨著威脅。我國在人參種質資源的保育方面研究力度較為薄弱，地方政府及學者雖已研究制定了相應的保育策略及方法[38]，但執行力度較差。據報道，國家最近出臺了《吉林長白山人參地域保護標準》，但由于缺少強制性的管理手段而不能落實[9]。今后尤其需要加大野生人參撫育方面的保育工作執行力度。

目前國內外人參品種選育大多僅局限于傳統的集團選育、系統選育。該育種流程周期長，育種效率低，且對人參的農藝及品質性狀形成的遺傳分子機理尚無法明晰，具有一定的盲目性。分子標記輔助育種雖在人參種質資源及育種研究中被廣泛應用[54]，但通過分子標記輔助選擇育種(MAS)[55]和基因組選擇育種(GS)[56]識別的農藝性狀重要基因，其只提供約40%的表型變異[57]，很大一部分表型可塑性則源于環境驅動的轉錄后調控、翻譯后調控、表觀遺傳調控和代謝調控。此外，相同的基因調控在不同的環境中可以有不同的表型輸出。因此，目前人參種質資源及育種研究的技術和方法還有待進一步更新。

WECKWERTH等[57]提出了“泛組學”概念，其集成來自基因組學、表觀遺傳學、轉錄組學、蛋白質組學、翻譯后修飾和代謝組學等復雜的“組學”數據集，通過泛組學平臺可解析復雜遺傳和表觀遺傳機制，明確受環境驅動性狀的轉錄后調控、翻譯后調控、表觀遺傳調控和代謝調控通路，促進作物改良，達到精準育種的目的。泛組學研究可解析受環境驅動的另外60%的表型變異。人參基因組已被成功破譯[58]，將來可將基因組選擇與環境相關的泛組學分析相結合，用于人參育種及其種質資源的鑒定和評價，以提高標記相關性狀表型預測的精度。泛組學尤其應在人參的藥用活性成分富集、抗逆性如抗病性研究上深入應用；也可將泛組學與基因組編輯技術[59]相結合，加速和加強人參特定性狀的精準育種。

4 展望

隨著全球人口的快速增長和生活水平的提升，人類對人參需求量越來越大，然而自然環境的惡化又增大了優質人參生產的難度。因此，培育有效成分含量及產量更高且穩定性更好的人參品種，是目前亟待解決的一道難題。傳統育種方式周期長，不確定因素多，隨機性大，難以滿足現階段市場對人參的巨大需求。利用現代分子生物學理論基礎和技術手段發展出來的分子育種將有助于快速實現對人參種質的精確改良。