多倍體育種是林木產業化的“芯動力”

陳金煥

隨著現代生物技術的普及，不少人對多倍體這個概念已經不再陌生。把它和無籽西瓜、巨峰葡萄、香蕉等聯系起來，可知多倍體具有的無籽或少籽特性。其實，除不育性外，多倍體還有巨大性、次生代謝產物提高等優良特性，其應用不勝枚舉。

在林業領域，多倍體育種已經成為源頭創新的主要推動力，通過多倍體良種化、產業化，可以創造出巨大的經濟效益。

小投入換來大產業

多倍體是指含有 3 套或 3 套以上完整染色體組的生物體。正因為多了一套以上的染色體，遺傳信息更加豐富，基因重組也更加多樣化，便有了增進或改變某些特性的潛能。

在自然界中，多倍體可天然存在，通常伴隨物種環境適應性及長期演化過程產生。人們餐桌上的芋頭、香蔥、山藥等蔬菜均是天然多倍體。青藏高原的東南邊緣地區， 低溫環境和濕度的劇烈變化， 使得那里富有多倍體物種。

由于天然多倍體所占的總體比重較小，從龐大的群體中篩選、鑒定成本很高，倍性優勢也有待鑒定，因此人工誘導多倍體依然是獲得多倍體種質的主要 途徑。

如今，育種學家們可以直接在實驗室中通過多種方法加速生物體向多倍化演變，比如使用物理或化學方式誘導、離體培養、遠緣雜交等方式，獲得疑似多倍體材料，再通過形態學觀察、染色體直接計數、流式細胞測定等方法將它們鑒定出來。

這一系列的操作，就是為模擬自然界染色體加倍、不減數配子形成、融合以及多精受精等過程。研究周期2年-8年不等，聽起來耗時，但與漫長的生物演化相比，已可謂“朝種暮獲”。

而一旦獲得性能優良的多倍體材料，同樣的土地就會生長出數倍價值的產品或增加數倍碳匯，帶來實實在在的收益。

炎炎夏季，西瓜是生津解渴的好食材，而大量的西瓜籽則讓人尤其兒童不能盡興而食。采用秋水仙素處理二倍體西瓜的種子或幼苗，得到四倍體西瓜，再以四倍體植株為母本， 二倍體植株為父本雜交， 就能最終獲得不能正常形成種子的三倍體植株。三倍體西瓜整合了多倍體與雜交一代的雙重優勢， 具有果實大、含糖量高、產量高、抗逆性強、無籽等諸多優點， 深受種植者歡迎與消費者好評。無籽西瓜的成功培育使我國迅速成為世界無籽西瓜研究和生產大國。

可見，說多倍體育種是小投入換來大產業，毫不為過。

多倍體育種ABC

人類與物種的互相作用，推動著世界生產生活方式的改變和文明進程。

人類馴化物種，物種塑造人類。小麥、水稻等主要農作物的種植和穩定增產促使人類的定居，數量眾多的各種林木則為森林生態系統提供了賴以生存的物種基礎，饋贈了人類數不清的物質和精神財富。

進入21世紀，人類對物種的改造手段已是花樣翻新，現代育種新方法、新技術層出不窮。

隨著遠緣雜交、理化誘導、體細胞融合等技術的快速發展，人工培育的多倍體新品種越來越普遍。由于染色體增多，細胞器增大，多倍體物種的細胞大小較二倍體明顯增大。多倍體動物為了維持與其二倍體祖先相似大小的器官和體積，會減少自身細胞數目。植物因細胞數不變，則呈現器官明顯增大的特點。多倍體植物中糖類和蛋白質等營養物質的含量也會有所增加。比如葡萄四倍體果實比二倍體果實大很多，四倍體番茄的VC含量也比二倍體品種幾乎增加一倍。

與常規雜交育種相比，基于有性多倍化途徑選育的多倍體既有雜交優勢，也同時具有倍性優勢。無論是器官巨大性，還是代謝物增多的特點，都與林木優質多抗高產出的育種目標高度吻合。因此，多倍體育種成為推進林木育種源頭創新的重要技術之一。

從傳承到發展

綠色學府北京林業大學的多倍體育種歷史，要從“三毛楊之父”、中國工程院院士朱之悌說起。

20世紀80年代，我國的林木工業用材出現短缺，朱之梯把攻克這一難題的目標瞄準到了毛白楊上，經歷20余年的艱辛探索，完成了毛白楊基因庫建設和保存。他帶領北林大育種團隊，探索染色體組操作技術，采用染色體部分替換和染色體加倍技術，將二倍體毛白楊的38條染色體改造為57條，選育出速生三倍體毛白楊。這種毛白楊1年成樹、5年成材，突破了“十年樹木”的生長周期局限，使我國楊樹人工林產量迅速翻番。朱之悌因持續創新毛白楊種質資源收集保存、良種繁育以及三倍體育種及其產業化，創造了同一樹種研究連續3次榮獲國家科學技術進步獎二等獎的 佳績。

2008 年 10 月 23 日，國家發展改革委員會正式批準建設林木育種國家工程實驗室。中國工程院院士尹偉倫擔任林木育種國家工程實驗室理事會理事長、學術委員會主任。他將林木育種及其產業化技術研發設為實驗室發展目標，推動了林木育種國家工程實驗室的創新發展，為2022年整合進入林木育種與生態修復國家工程研究中心的新序列管理奠定了良好基礎，而染色體細胞工程育種是其中一個重要的研究方向。

迄今，北林大多倍體育種團隊已在這個方向上奮斗了近40年，取得了一個又一個突破性進展：突破了配子和體細胞染色體加倍誘導楊樹三倍體、四倍體的一系列難題，并將染色體加倍技術引入到桉樹、刺槐、楓香、杜仲、橡膠樹、棗樹等樹種育種中，產生了一項項新的育種突破……

多倍體育種就像一塊巨大的磁鐵，吸引著一代又一代北林育種人揮灑青春與汗水，在世界林木多倍體育種史上寫下了濃重的一筆。

三倍體桉樹、三倍體杜仲、三倍體橡膠樹、四倍體刺槐、四倍體楓香、四倍體酸棗、四倍體枸杞…..通過染色體組操作使林木細胞內多出成套染色體，以古老而安全的方式劇烈地改變著物種性狀，給林木育種帶來新的希望。這對緩解我國木材進口壓力、減少天然林采伐、林果提質增效、保護生態環境意義重大。

攻克產業化卡脖子問題

一個良種可以帶動一個產業。建設美麗中國，必須依靠林木種業科技的自立自強、種源自主可控。

多倍體育種技術誕生之初，就注定和產業化息息相通、輔車相依。這是由它的安全、高效、性狀改良顯著的特性決定的。當年三倍體毛白楊一經推出，就被評為全國十大重點林業推廣首選項目，在黃河流域建成多個紙漿林基地，推廣種植3億余株，創產值50億元以上。

“京仲1號”“京仲8號”等杜仲三倍體新品種生長速率較二倍體快30%以上，葉面積和葉片厚度超出二倍體的45%和30%，桃葉珊瑚苷、綠原酸、京尼平苷、京尼平苷酸等有效成分含量是二倍體的1.5-2.0倍。恰到好處地多出的一套染色體，令全身是寶的杜仲在產業化中成了香餑餑，被杜仲資源高值化利用產業技術創新聯盟列為“十四五”重點推廣品種，已開始產業化推廣。

四倍體刺槐、三倍體桉樹，營養生長更旺盛，同樣的林地可以產出更多優質木材，緩解“中國木”短缺現狀，同時可實現在同樣面積的土地上固定更多的二氧化碳，助力國家碳中和戰略目標早日實現。

四倍體棗樹、枸杞，生命力更加頑強，可以在貧瘠的土地上開花結果，有望為適生地區科技興農、鄉村振興提供新的良種資源、造福一方。

21世紀是生物技術的世紀。多倍體育種是林木種業創新發展及產業化中的“芯動力”，也是解決種業卡脖子問題的科技利器。《全國“十四五”林業草原保護發展規劃綱要》提出目標，“選育優質用材、生態修復、經濟林果、景觀樹木等林木良種”、“到2025年培育和改造國家儲備林3000萬畝以上”等。多倍體育種，大有作為、大有可為。

以“藏木于技”推動“藏木于種”。育種科技工作者們正在繼續推動多倍體育種技術創新、種質創新和產業化發展，用更多優質的多倍體林木良種服務林業生產，扮靚美麗中國。