珍貴樹種胡桃楸雜交育種研究概述

袁顯磊,祁永會,逄宏揚,劉忠玲,王福德*

(1.黑龍江省林業科學研究所，哈爾濱 150081；2.黑龍江省林業科學院牡丹江分院，黑龍江 牡丹江 157010)

珍貴樹種[1]是屬于我國特產稀有或瀕于滅絕的樹種以及目前雖有一定數量，但也逐漸減少的優良樹種的統稱；是國家的寶貴自然資源，也是自然環境的重要組成部分。胡桃楸作為我國東北地區重要的珍貴闊葉樹種，早在1992年林業部下發林護(1992)56號文件《林業部關于保護珍貴樹種的通告》中就確定胡桃楸為國家二級保護樹種，直至最新版《中國主要栽培珍貴樹種參考名錄(2017年)》，胡桃楸依然被列為我國主要栽培的珍貴樹種，可見胡桃楸在國家林業發展戰略以及生態經濟發展中的重要性地位[2]。

雜交育種是通過親本選擇、控制授粉以及對雜種苗的選擇、培育等技術創造新類型或新品種的育種方法。它是傳統的樹木育種主要的方法之一[3]。以用材為主要用途的胡桃楸是中生珍貴樹種，其生長速度較慢；而胡桃楸結實晚，且果殼堅硬、厚，不易取仁則是其堅果利用的弊端。因此，為充分利用胡桃楸資源，需要進行對胡桃楸進行深入的、有目的的雜交育種(最為安全的育種方式)或基因育種(具有安全的不確定性)研究，在確保未來生態和經濟安全的目標下，采用常規雜交育種來分別獲得材性好、生長速度快、果殼較薄、易取仁等優點的新品種，為國家儲備林、林農提供生態、經濟價值兼顧的新品系，豐富胡桃楸基因多樣性。在藥用價值方面，胡桃楸全身為寶，皆可入藥。因此，胡桃楸的雜交育種選擇域廣，雜種利用率高，不僅可保證生態需要，又可兼顧經濟效益。可見胡桃楸的雜交育種工作是非常必要，且科學意義、現實意義重大。 總結了我國胡桃楸雜交育種取得的進展，并提出了我國胡桃楸雜交育種中存在的不足及對策，為我國胡桃楸雜交育種提供參考。

1 胡桃楸分布與用途

1.1 胡桃楸分布

胡桃楸(JuglansmandshuricaMaxim.)是胡桃科胡桃屬植物，又名核桃楸、山核桃、楸子等。主要分布于黑龍江、吉林、遼寧，內蒙古哲里木盟大青溝、山西、河北、河南、山東散生，俄羅斯遠東地區、朝鮮北部、日本也有分布[4-5]。

1.2 胡桃楸的經濟用途

胡桃楸用途廣泛，不僅木材優良(木材反張力小，不撓不裂，可作槍托、車輪、建筑等重要材料)，果實具有較高的經濟價值(種仁可食，種子可榨油食用等)，同時，外果皮、樹皮、葉可提取栲膠，樹皮纖維可作造紙等原料，枝、葉、皮可作農藥[4]，果核可加工高級工藝品[6]。因此，胡桃楸應用領域廣，具有較高的經濟價值，可多用途發展。

2 胡桃楸生物學特性

2.1 開花生物學特性

胡桃楸是雌雄同株異花樹種，花期5月。雄花序細長，葇荑狀，從上年生的枝節上葉腋間抽出，下垂，花序長9～20 cm，花序軸被短絨毛，花被3～4，小苞1～2個，雄蕊8～40，多為12，花絲短，藥隔被灰黑色細柔毛；雌花序穗狀，花序軸被茸毛，有花4～10朵，直立，花被4，子房下位，柱頭2裂，柱頭面呈乳頭狀，暗紅色[7-8]。

胡桃楸具雌雄異熟性，即同一植株雌雄異熟，其有性生殖過程受雌雄異熟性影響，當雌先型(雌花先開)雌蕊開放時，雄先型(雄花先開)雄花序處于散粉階段，反之，兩者交換角色[9-10]。王秀華等[11]通過對東北林業大學校園和林場胡桃楸花期觀察，同一植株上的雌花和雄花的開放日期一般相隔2～ 9d，但雌先型與雄先型相隔的天數不同，雌先型樹的花期相隔日數較多，通常為2～9 d；雄先型樹則相隔4～7 d。雌先型植株的單株雄花花期普遍比雄先型的單株雄花花期長，通常雌先型的為3～7 d；雄先型的為3～4 d[11]。張麗杰等[12]對遼寧東部地區胡桃楸雌雄先型物候期的觀察發現，雌先型比雄先型的雌花期早5～8 d，雄花期晚5～6 d，同一類型樹木的雌雄花期相遇性很差[12]。而雌先型和雄先型兩種類型植株的雌雄花開放時間交錯，但又有一定時間的重疊，可以進行正常的授粉，有效地避免了自交或近交[13-15]。因此，從胡桃楸自身的開花授粉特性看，天然胡桃楸具有相對豐度的種群。

2.2 胡桃楸遺傳特性

有關胡桃楸的遺傳變異研究較多，張含國等[16]、袁顯磊等[17]通過研究發現，胡桃楸種源間、家系間生長性狀均呈顯著性差異。曾棟等[18]研究發現，胡桃楸果實及種子性狀單株間差異均達到顯著水平。陳思羽等[19]研究結果發現，長白山地區胡桃楸結實性狀在種源間遺傳變異呈顯著差異。這應該與胡桃楸自身的開花結實特點有關，胡桃楸不僅是雌雄異熟，同時也是異步雌雄異熟樹種[20]，其雌花和雄花各自同步成熟而又互不干擾，是植物進行非選型雜交的重要特征[21-23]，從而導致胡桃楸種源間、家系間性狀差異顯著。

胡桃楸與核桃、山核桃等在葉、花、果等形態特征有較多相似性，且都是異步雌雄異熟樹種[20,24]。Hansche等[25]研究發現核桃的花期可高度遺傳，Gleeson[21]通過普通核桃控制雜交表明，雌雄異熟性可能由顯隱性基因所控制，雌先型為顯性。Thompson等[26]調查美國山核桃雌先型和雄先型雜交后代的花期表現后提出相近的結論，即雌雄異熟性這一性狀為質量性狀，其遺傳特點符合孟德爾遺傳規律，雌先型為顯性遺傳，雄先型為隱性遺傳。胡桃楸是否與核桃、山核桃同樣具有雌先型為顯性遺傳、雄先型為隱性遺傳的特性，有待進一步研究。

3 雜交育種方法與親本選擇

3.1 雜交育種方法

雜交育種原理是基因重組，是將父母本雜交，形成不同的遺傳多樣性，再通過對雜交后代的篩選，獲得具有父母本優良性狀，且不帶有父母本中不良性狀的新品種的育種方法。其優點是可以將同一物種里兩個或多個優良性狀集中在一個新品種中，還可以產生雜種優勢，獲得比親本品種更強或表現更好的新品種；缺點是不會產生新的基因，且雜交后代會出現性狀分離，育種過程緩慢，過程復雜。

雜交育種方法主要有單雜交、復合雜交、回交等。文獻表明，我國老一輩育種學家張培杲等[27]早在1956年就開展了胡桃楸與核桃的雜交育種工作，直至2013年張桂芹等[28]劉宏偉等[29]再次開展胡桃楸與核桃的雜交育種，而3個育種組均采用了胡桃楸為母本、薄殼核桃為父本的單雜交育種方法。

自2004年開展胡桃楸雜交工作，以優選胡桃楸單株為母本，遼核1號薄皮核桃為父本，開展遠緣種間雜交育種研究，總結出：為規避近緣植株干擾，采取雌花套袋授粉，授粉最佳時期選擇雌花紅色柱頭呈倒“八”字形，柱頭正面突起且分泌物增多時期的每天10:00～12:00；授粉方式選取授粉筆蘸取花粉在柱頭上輕點或輕彈，重復授粉2～3次，連續2～3d。此方法提高了授粉成功率，解決了親本間親和性差難題。F1代于2012年開始開花結實，目前已獲得200余株回交子代苗。

3.2 雜交親本選擇

親本選擇適當與否決定了雜交育種成敗。主要原則是親本的優良性狀要多而突出，雙親的優缺點應相互彌補，雙親可以有共同優點，但不可以有共同缺點[3]。胡桃楸作為用材、果用、藥用等多元型用途樹種，不同用途的優樹選擇標準不同，用材型則考慮干材為主，果用型則以楸果品質為主，藥用型則考慮生物量大小，因此，以育種目的選擇對應優樹作為親本進行雜交是獲得優選型種質的關鍵。由于胡桃楸的多用途性，因而所獲雜種選擇域廣，胡桃楸雜交育種可以起到事半功倍效果。

4 雜交育種現存問題及對策

4.1 現存問題

胡桃楸是中生珍貴闊葉樹種，樹體高大，壽命長，可達250年[30]，而親本優樹的樹齡不低于中齡林，其樹高已不低于15 m，果用型優樹雖第一活枝高較低，但由于通風和光照因素，其下部枝條結實少，且楸果品質差，因此，開展控制授粉進行雜交育種操作困難且具有危險性；胡桃楸優良種源和家系優樹選擇，為雜交育種的親本選擇提供了良好基礎，但開展胡桃楸雜交育種研究人員少，其他經濟樹種已進行較為深入研究，而胡桃楸的育種周期長，傳統的雜交育種工作難以持續開展；同時缺乏必要的經費投入，使得分子標記等基因工程育種工作難以達到預期目標，嚴重影響到傳統育種技術與現代生物工程育種技術的有效融合[31]；根據本項目組獲得F1代表型看，胡桃楸也具有母性遺傳表現，因而，胡桃楸與核桃雜交是需要多代雜交才可以選擇出目的型雜種，由于胡桃楸自身生理學特性，培育周期長，因此需要多代育種人努力工作才可以實現目標。上述存在問題，均影響了胡桃楸雜交育種工作發展。

4.2 對策

顯然，常規的雜交育種已阻礙了育種工作進展，而分子育種在加速育種進程、獲得變異和克服種間隔離等方面具有雜交育種不具備的優勢[32]，積極開展分子生物學輔助育種的基礎研究工作，將常規雜交育種與分子輔助育種相結合[33]，可以更好的促進育種工作，從而加快育種進程，大大縮短育種年限。目前，世界上玉米作物育種已由依賴表型觀察選育優秀自交系的傳統經驗育種“1.0階段”、通過育種工作者預先設計雜交育種試驗選育現代栽培品種的人工雜交育種“2.0階段”、綜合單倍體育種與分子標記育種和轉基因育種的現代生物工程育種“3.0階段”、開始步入以基因組測序與人工智能圖像識別等互聯網技術，遺傳變異、各類組學、雜交育種等大數據整合，全基因組層面建立機器學習預測模型，高效、智能、定向選育新品種的人工智能育種“4.0階段”[34]。而胡桃楸育種顯然仍處于人工雜交育種的“2.0階段”，處在較為落后的育種階段，通過胡桃楸育種工作者的持續育種，以及加大經費投入，進一步開展胡桃楸全基因組檢測和大數據分析，也使胡桃楸育種早日步入“3.0階段”、“4.0階段”。因此，輔以分子技術、大數據運用、人工智能等先進手段是今后育種工作的發展之路，這也必將大大縮短獲取胡桃楸等林木新品種和良種時間，為國土綠化和生態經濟型中國發展提供更多優良選種。