藜麥育種技術研究進展

董艷輝 王育川 溫 鑫 李亞莉 侯麗媛 趙 菁 曹秋芬 王 斌 吳慎杰 秦永軍

（1 山西省農業科學院生物技術研究中心，太原 030031；2 山西省農業科學院旱地農業研究中心，太原 030031；3 山西省農業科學院農業環境與資源研究所，太原 030031）

藜麥（Chenopodium quinoaWilld.）為莧科藜亞科藜屬植物，是喜冷涼和高海拔的作物，富含蛋白質、維生素、礦物質元素、氨基酸、纖維素等有益化合物和礦物質元素，富含不飽和脂肪酸及類黃酮，膳食纖維素含量高達17%，具有極高的營養價值；同時還具有藥用價值，能夠預防心血管疾病、癌癥、骨質疏松癥等疾病，預防和治療糖尿病，具有消炎、抗腫瘤和抗氧化功能，是廣受歡迎的藥食同源作物[1-3]。由于其全面的營養成分和抗逆性強等特性，藜麥受到極大的關注，我國于20 世紀80 年代引進藜麥，2012 年以后開始大規模種植。

藜麥原產地為南美洲安第斯山脈，主要生產國是玻利維亞、秘魯和厄瓜多爾，其他地區如美國、阿根廷、加拿大、法國、英國、瑞典、丹麥、荷蘭和意大利等國家也有種植，近年來中國、印度等亞洲國家也開始種植。我國藜麥主要種植在山西、甘肅、內蒙古、青海、西藏、河北等地區，藜麥適應性強，具有耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿等特性，成為我國農業供給側改革種植結構調整和經濟欠發達地區農民脫貧致富的重要作物[4]。但由于藜麥引進時間較短，種質資源混雜，遺傳改良研究滯后，新品種選育進程緩慢，極大地限制了藜麥產業的健康可持續發展，因此，加強藜麥的種質資源收集與創新、新品種選育尤為重要[1]。本文綜述了國內外藜麥種質資源收集與鑒定，育種技術及遺傳改良的研究進展，旨在為藜麥科研工作者提供參考，以便因地制宜，結合實際情況采用相應的育種技術，加快藜麥新品種的選育。

1 藜麥種質資源研究與利用

種質資源是育種的重要基礎，能夠為品種改良帶來豐富的變異資源。藜麥原產地國家保存了大量的藜麥種質資源，玻利維亞大約保存了5000 份藜麥材料，秘魯保存了5351 份藜麥材料，除了上述兩個國家外，厄瓜多爾也保存了大約642 份藜麥材料，美國農業部國家植物種植體系（USDA-NPGS）也收集保存了164 份藜麥材料。中國的藜麥企業、科研機構通過不同的途徑從國外引進了大量的藜麥種質資源，并在不同的地區進行馴化和栽培，座落在中國農業科學院作物科學研究所的國家種質庫保存了一定量的藜麥種質資源。原產地國家由于種質資源比較豐富，主要開展的是種質資源的純化、整理和保存工作，其他國家資源有限，除了開展上述工作外，還通過各種手段進行資源應用研究。

2 藜麥育種技術

藜麥為自花授粉作物，但是異花授粉率高達10%～15%，非嚴格意義的自花授粉作物。藜麥花小且花序緊湊，自身變異較大，給育種帶來了一定的難度。20 世紀80 年代，歐洲的英國、荷蘭、丹麥、瑞士等國家開始育種研究，主要目標是為了適應歐洲的氣候條件，同時改善產量、品質、皂苷含量等農藝性狀，丹麥和瑞典側重于飼草藜麥育種[5]。目前藜麥育種常用的手段有常規育種、雜交育種、誘變育種、分子輔助育種等，以達到高產、耐高溫、抗病、早熟、抗穗發芽、抗倒伏、低皂苷、高品質等育種目的。

2.1 常規育種技術（系統選育法Line breeding）系統選育法是直接從自然變異中進行選擇并通過比較試驗選育新品種的一種途徑，包括單株選擇法和混合選擇法，也是藜麥育種中應用最廣泛的一種方法。楊發榮[6]采用系統育種和栽培馴化相結合的方法選育出藜麥新品種隴藜1 號，該品種生育期為128～140d，中晚熟，抗倒伏，抗病性強；沈寶云等[7-8]利用加拿大的藜麥品種Dave quinoa 通過單株選擇法選育出中早熟藜麥新品種條藜1 號，以及通過系統選育法選育出早熟品種條藜2 號；黃朝斌等[9]利用從南美引進的50 余份材料通過系統選育法選育出中早熟藜麥品種青藜1 號；通過該方法選育出的藜麥品種還有蒙藜1 號、隴藜2 號、隴藜3 號、隴藜4 號、條藜3 號以及早熟品種青藜2 號等。自20世紀80 年代至今，據聯合國糧農組織（FAO）統計，藜麥原產地秘魯通過系統選育法選育出了大量藜麥新品種，如國家農業創新研究所（INIA）選育的高產品種YELLOW SACACA、QUILLAHUAMAN、YELLOW MARANGANí；矮化、零皂苷品種BLACK COLLANA、PASANKALLA；秘魯國立大學和秘魯中部國立大學安第斯作物中心（UNCP）分別培育出的中高新品種JUNIN WHITE 和HUALHUAS 以及其他科研人員選育出的高度矮化新品種JULI WHITE、KANKOLLA。

2.2 雜交育種技術藜麥是自花授粉植物，并且有許多錯綜復雜排列緊湊的小花，這使得雜交比其他作物更難。進行有效的雜交是了解和研究藜麥相關性狀遺傳基礎的關鍵步驟，同樣對藜麥育種也非常重要。藜麥雜交育種目標主要為高產、抗病（霜霉病等）、低皂苷、抗穗發芽、早熟、耐旱性以及適應不同生態區、加工等特殊需求。雖然經過國內外科研人員多年的努力，雜交育種技術已經應用于藜麥育種，并選育出了許多藜麥新品種，但是藜麥雜交育種技術總體進展還比較緩慢，無法滿足不同生態類型的品種需求。

2.2.1 種內雜交種內雜交是藜麥雜交育種技術中應用比較廣泛的一種方法。根據不同的育種目標選擇不同的親本類型是雜交育種關鍵的一個環節。親本的選擇除了要考慮目標基因型，還要考慮基因型的可用性以及雜交后代的育性，同時為了驗證成功雜交，通過選擇具有顯性性狀的親本作為父本和具有隱性性狀的親本作為母本，可以將成功雜交的F1和母本自花授粉獲得的F1分開。目前可以利用的易于識別的形態特征有種子顏色、花序顏色、植株顏色和植株腋窩的色素沉著等。Adam 等[10]把花序顏色作為主要生物學性狀，用人工去雄的方法將橘黃色（Bio-bio）和粉紅色（Temuco）品種進行雜交后，獲得的F1后代中表現出顯性的粉紅色花序顏色以及處于中間狀態的葉片形態。Van Loo 等利用雜交技術獲得了3 個適宜在歐洲種植的新品種Atlas、Pasto、Rio bamba，這些品種具有生育期短、皂苷含量極低等優點，極大地刺激了藜麥在歐洲的推廣種植和商業化[11]。秘魯國家農業創新研究所（INIA）研究人員通過雜交后群體譜系的方法獲得了系列新品 種[12]，如Illpa（Sajama x Juli White）、SALCEDO（Royal x Sajama）、Altiplano（Illpa x Salcedo）等，這些品種生育期較長，皂苷含量低，是秘魯主要的商業化品種。León[13]將藜麥品種Pasankalla 與Salcedo和Choclo 品種進行雜交，其中Pasankalla×Salcedo的雜交F1（Pacholeo）穗長較親本有了很大的改觀，Pasankalla×Choclo 的雜交F1（Pasaleo）的生育期較親本縮短，低于144d，但是由于遺傳穩定性的原因，隨著代數的增加，有些優良后代的基因可能會消失，因此要開展進一步的深入研究；奚玉銀等[14]將山西常規藜麥分別與安第斯奎寧藜麥和桑多發爾藜麥進行雜交，通過后代選育獲得中抗和高抗倒伏藜麥新品種冀藜1 號和冀藜2 號。藜麥種內雜交是獲得藜麥新種質較快的一種技術，能夠通過連續回交等手段將優良基因和目標基因導入，從而獲得具有特定特性的新材料，難點是雜交后代分離嚴重，純化需要的時間周期也比較長。

2.2.2 種間雜交種間雜交是一種常見的植物演化過程中的持續事件，具有許多重要的進化后果，種間的雜交后代（通常與基因組重復相關）可以成為遺傳和新的表型來源，最終導致新物種的形成（即雜種物種形成）。該方法的主要目的是合并遠距離基因庫，從而拓寬遺傳變異性。20 世紀90 年代，Ward 等[15]發現藜麥品種Apelawa 攜帶有正常和雄性不育的細胞質，具有雄性不育細胞質的藜麥植株產生的花完全沒有花藥并且柱頭突出外露，將攜帶有雄性不育基因的藜麥品種Apelawa 與雜草資源Chenopodium berlandieri 進行種間雜交，所得的雜交后代中有部分可以恢復育性，但是與其他藜麥品種進行種內雜交則后代全部為不育。隨著研究的深入，Ward[16]在美國農業部農業工程應用技術研究所（USDA-ARS）登記的編號為PI 510536 的藜麥材料中又發現了正常的雌雄同體和雄性不育植株，在細胞質的控制下，其特征是花藥萎縮和沒有花粉，但是PI 510536 雄性不育細胞質與先前報道的不同，比較穩定且易于恢復。目前，藜麥種間雜交應用還比較少，除了雜交技術層面的限制外，種間雜交不親和也是育種需要突破的瓶頸之一。

2.3 誘變育種誘變育種是利用物理、化學因素誘導動植物的遺傳特性發生變異，再從變異群體中選擇符合人們某種要求的單株或個體，進而培育成新的品種或種質的育種方法，它是繼選擇育種和雜交育種之后發展起來的一種現代育種技術。根據國際原子能機構的數據庫，有超過170 種不同物種的突變品種超過2500 種，藜麥作為一種古老的作物，被人們忽視了數十年，是迄今為止人為進行遺傳改良最少的作物，因此，采用誘變技術也是獲得藜麥新種質的一種有效途徑。

2.3.1 輻射誘變育種輻射誘變育種通常是利用γ 射線、激光、離子束、空間誘變等方式對植物或者種子進行誘變，從而產生遺傳變異。輻射誘變育種能夠縮短育種年限，已經成為現代育種技術的重要途徑之一。Gomez-Pando 等[17]利用0Gy、150Gy、250Gy、350Gy 劑量的γ 射線處理藜麥干種子，在M1 代中，隨著輻射劑量的增加，萌發過程延遲，在250Gy 和350Gy 劑量下幼苗高度、根長和葉片發育降低最多，兩種劑量的植株在分枝數、花梗長度、株高、生命周期持續時間、莖和葉色以及葉形態上均有變化，通過M2、M3 代的觀察獲得了一定的有益突變體。隨后，Gomez-Pando 等[18]用150Gy 和250Gy劑量照射藜麥LM89 品系，對存活下來的突變體進行隔離種植觀察，通過選擇正向突變體，在M6 代獲得了高產品系MQLM89-149、生育期縮短品系MQLM89-134、矮化品系MQLM89-155 以及高蛋白、籽粒大、低皂苷品系。目前，雖然國內多家科研單位和企業也開展了γ 射線誘變研究和空間誘變研究，但都處在突變后代的觀察記錄時期，還沒有公開報道。以上研究表明，通過選擇合適的劑量對藜麥進行輻射誘變，在后代中是可以獲得有益的突變體，但由于輻射誘變突變的不確定性，應該增加處理的種子量來增加獲得有益突變的概率。

2.3.2 化學誘變除了輻射誘變，化學誘變也是比較常用且效果較好的誘變方法之一。化學誘變劑對基因組的損傷小，誘變劑量容易控制，并且誘變頻率較輻射誘變高，更多的是引起分子水平上的變化，突變后代個體穩定性好[19]。目前常用的化學誘變劑主要有甲磺酸乙酯（EMS）、疊氮化鈉（NaN3）、秋水仙素（C22H25O6N）以及亞硝酸鈉（NaNO2）等，其中EMS 誘變技術已經作為一種有效的手段廣泛應用于植物新品質改良與品種選育上，并且已經在玉米、高粱、麥類作物、大豆、谷子等作物中獲得了大量具有高產、矮稈、優質、早熟、抗病等農藝性狀的新材料和新品種[20]。在藜麥化學誘變方面國外報道的比較少，國內還沒有公開報道相關方面的研究，但是已有相關單位正在開展藜麥的EMS 誘變研究。日本的科研人員委托橫濱的一家公司進行藜麥誘變試驗并獲得了大約2000 個誘變種子，在M3 代觀察到了下胚軸色素沉著的突變體，但是沒有公開具體的誘變條件[21]。Tropa-Castillo[22]利用1%和2%的甲基磺酸乙酯（EMS）處理藜麥品種Regalona-Baer 超過8h，獲得了抗咪唑啉酮和不同植株高度的高代材料。Arias-Montero[23]利用化學誘變劑疊氮化鈉（NaN3）對藜麥品種La Molina 89（LM 89）在室溫下處理30min，獲得了皂苷和蛋白質含量都增高的突變體類型。

2.4 分子育種技術傳統的植物育種主要是依賴于育種家依據經驗對植物表型的選擇，由于植物表型受多種外界因素的影響，育種效率比較低，周期長。近年來，隨著分子生物學和基因組學的發展，由于具有快速、準確、不受環境條件干擾的優點，分子標記輔助選擇（MAS）和全基因組選擇（GS）逐漸應用到植物育種上來[24]。藜麥有著5000～7000 多年的種植歷史，也是所知唯一純自然繁育很少被人為干擾遺傳信息的稀有安全農作物物種，近年隨著藜麥在全球范圍內的快速發展，受到的關注也越來越多，傳統育種已經無法滿足產業的發展，分子育種技術被提上日程。2004 年，Maughan 等[25]最早對藜麥開展了遺傳連鎖圖譜構建，利用秘魯沿海生態類型的藜麥材料Ku-2（♀）和智利高原生態類型藜麥材料0654（♂）及其后代80 個F2植株作為作圖群體，該圖譜由230 個擴增長度多態性（AFLP）、19 個簡單重復序列（SSR）和6 個隨機擴增的多態性DNA 標記組成，向藜麥抗性農藝性狀的遺傳鑒定和下一步的分子輔助育種（MAS）研究邁出了重要一步。2005 年，Vargas 等[26]從3 個微衛星（CA、ATT、ATG）富集的文庫獲得1276 個克隆，其中457（36%）個克隆含有獨特的微衛星序列，通過對來自南美洲主要種植區的31 個藜麥栽培種和1 個單一種類（C.berlandieri Moq）進行驗證發現：280（52%）個微衛星標記在藜麥種質中是多態的，67 個微衛星標記（32%）是高度多態性的（H 0.70），這些微衛星標記可以用來進行藜麥種質資源鑒定、性狀作圖和標記輔助育種。2008 年，Jarvis 等[27]開發了216 個新的藜麥SSR 標記并構建了第1 個以SSR 標記為基礎的藜麥遺傳連鎖圖譜。2014 年，Raney 等[28]對藜麥品種Ingapirca（山谷生態型）和Ollague（高原Salares 生態型）進行水脅迫處理，生理指標檢測表明Ollague 比Ingapirca 對水分脅迫的耐受性更強；Illumina Hi-Seq 技術對處理樣品的根組織進行RNA-seq 測序并對數據差異分析獲得了包括響應于水脅迫的根組織差異表達在內的27 個基因產物，BLAST 搜索和基因本體分析表明該干旱脅迫機制與其他非生物脅迫機制存在重疊。2016 年，Yasui等[29]使用Illumina Hi-Seq2500 的短讀取和PacBio RSII 的長讀取生成了藜麥基因組的匯編草稿，組裝成藜麥基因組，大小為1.087Gb（>25% missing）；該項研究為藜麥首個基因組草圖，通過NCBI NR數據庫的BLAST 分析注釋了62512 個蛋白編碼區（CDS）的 功 能。2017 年，Jarvis 等[30]采 用PacBio三代測序、Bionano 光學圖譜、Hi-C 技術對藜麥A 基因組二倍體C.pallidicaule 和B 基因組二倍體C.suecicum 進行了測序、組裝和注釋，結合遺傳圖譜組裝的高質量染色體級別的藜麥參考基因組序列大小為1.39Gb（4.56% missing），并獲得了2668694個藜麥特異的SNP，找到了可以調控藜麥皂苷含量的基因。隨后，Zou 等[31]采用第二代、第三代測序技術（HiSeq2500、Illumina、PacBio）對來自玻利維亞的藜麥品種real 進行測序，對測序結果數據進行混合拼裝獲得了總長度為1.34Gb 的藜麥基因組序列，通過注釋獲得54438 個蛋白質編碼基因，192 個微RNA（miRNA）基因，1310 個核糖體RNA（rRNA）基因，2934 個轉移RNA（tRNA）基因和5922 個小核RNA（snRNA）基因；同時解釋了藜麥高營養和耐鹽的分子機制。Zhang 等[32]對11 份藜麥材料進行了重測序研究，共開發441022 個SNP 標記和842783 個InDel 標記，基于組裝數據，對藜麥的二態InDel 標記預測和驗證，這些InDel 標記可以用于異源四倍體藜麥的精確基因分型，同時使用這些標記可以將129 份藜麥聚合為兩個主要的藜麥群，即安第斯高原類型和智利沿海類型。安第斯高原型進一步分類為北部高地組和南部高地亞組。Maughan等[33]利用113 份藜麥材料通過KASP 技術開發了511 個與藜麥密切相關的功能性SNP 分子標記，其中包括與藜麥霜霉病抗性相關的SNP 分子標記。

3 展望

藜麥雖然有數千年的種植歷史，但是其相關研究的開展時間卻不長。隨著在全球范圍的研究熱度持續攀升，藜麥研究相關數據正在豐富，育種技術也在快速前進，獲得低皂苷含量、籽粒大、產量高、抗性強的材料是目前主要的育種目標，今后可以通過以下技術來攻克藜麥育種技術瓶頸。

3.1 單倍體育種技術單倍體育種能夠使植株快速純合，使隱性基因表達，并且在形成單倍體過程中能夠產生新的性狀，創新種質資源，通過加倍后獲得新的品系。由于藜麥種質資源極其豐富且其雜合度比較高，后代分離純化代數較多，育種周期比較長，因此開展藜麥花藥培養獲得單倍體后通過秋水仙素對其進行加倍，能夠快速獲得優良藜麥材料的純合資源，通過在不同的生態類型進行篩選和生態適應性研究，即可快速獲得優良的藜麥材料，可以大大節省純化時間，加速藜麥育種進程。但由于目前沒有藜麥花藥培養培養基成分以及加倍技術等相關參考文獻數據，需要科研工作者根據其特性進行摸索研究，這也是開展藜麥花藥培養的一大難題。

3.2 EMS 誘變技術EMS 是一種常用的化學誘變劑，能誘發產生高頻率的基因和染色體突變，是目前最為有效的植物化學誘變技術方法之一，在小麥、玉米、谷子、高粱、馬鈴薯等作物中獲得較多的新品種。藜麥作為一種雜糧作物，目前報道的利用化學誘變劑進行誘變的較少，國內目前還沒有正式報道，但已經有多家單位正在開展相關誘變研究，后代突變體也正在觀察中。由于藜麥抗逆性強，白、黑、紅等不同顏色的材料對EMS 誘變的響應可能不同，在進行誘變時需要針對不同的材料進行專門的誘變研究，獲得最佳的誘變濃度。

3.3 高通量測序和基因編輯技術近幾年，高通量測序技術和基因編輯技術發展比較迅速，能夠提高作物育種的效率和精準度。高通量測序技術在藜麥中已經開始進行初步的研究，但是基因編輯技術在藜麥育種中還未見報道，由于基因編輯能夠定向獲得所需要的目標性狀，具有精準和高效的特點，所以可以作為藜麥精準育種的發展方向之一。但是基因編輯技術需要建立穩定的遺傳轉化體系，藜麥作為小眾作物且為大家熟知的時間較短，還沒有建立起穩定的遺傳轉化體系。因此，構建高效、穩定的藜麥遺傳轉化體系是開展基因編輯技術的前提。