中國(guó)特有能源植物文冠果的遺傳學(xué)及產(chǎn)業(yè)化

畢泉鑫，蔡 龍，馬興華，楊洪曉，關(guān)文彬*

(1.北京林業(yè)大學(xué)自然保護(hù)區(qū)學(xué)院，北京100083;2.遼寧省干旱地區(qū)造林研究所，遼寧朝陽122400;3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東青島266109)

文冠果(Xanthoceras sorbifolia Bge.)是中國(guó)特有能源植物，無患子科文冠果屬，原產(chǎn)于中國(guó)黃土高原［1］。第三紀(jì)(約6500萬年前)被子植物繁茂時(shí)期遺留下來的古老植物，由俄國(guó)著名植物學(xué)家Bunge命名。由于其產(chǎn)量很低，外加一些人為因素，導(dǎo)致文冠果種群經(jīng)歷了早期較小面積的野生狀態(tài)、20世紀(jì)六七十年代全國(guó)大面積人工種植、20世紀(jì)末全國(guó)大面積被砍伐或破壞、“十一五”期間“三北”地區(qū)能源林再次推廣種植幾個(gè)過程。

1 文冠果生物學(xué)

1.1 形態(tài)與生境

文冠果為落葉灌木或小喬木。雌雄同株，花雜性，單性花為雄花，兩性花雄蕊不育(圖1A、B)。蒴果，開裂時(shí)分3～5瓣［2］(圖1C)。花的結(jié)實(shí)率很低，具有“千花一果”之說。根的萌蘗能力強(qiáng)，以營(yíng)養(yǎng)繁殖為主。文冠果對(duì)中國(guó)北方干旱貧瘠的環(huán)境條件具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，有抗旱、耐瘠薄和耐寒能力。

圖1 文冠果花、果形態(tài)

1.2 地理分布

20世紀(jì)七八十年代，我國(guó)北方許多地區(qū)都曾大面積栽培。全國(guó)曾有文冠果林80萬畝(1畝約為667 m2，包括10萬畝野生林)，僅遼寧省種植面積在1976年達(dá)17萬畝［3］;經(jīng)過2006年調(diào)查研究，文冠果遍布包括北京、內(nèi)蒙、遼寧、山東、安徽、寧夏、新疆、河北、河南、陜西、山西、甘肅、青海、西藏等14個(gè)省(市、區(qū))，前7個(gè)省(市、區(qū))為人工種植或栽培，其他地區(qū)為天然混交林。文冠果呈小面積塊狀零星分布，偶見有零星古樹。天然林中文冠果的蓋度不到20%，且多呈灌木狀，因其價(jià)值增加，野生資源屢屢遭到破壞［4］，文冠果已進(jìn)入瀕危狀態(tài)，亟待保護(hù)。

1.3 繁殖特性

文冠果的花分為兩性花和單性花，兩種花同時(shí)存在于一個(gè)植株上。兩性花又稱可孕花，雄蕊退化，表現(xiàn)在花絲較短，花藥不開裂，花粉萌發(fā)力弱，而雌蕊正常，開花時(shí)迅速集中，凋落很少;單性花又稱不孕花，雌蕊在花芽分化初正常，后子房退化，雄蕊正常，表現(xiàn)在花絲長(zhǎng)，花藥發(fā)育正常，可按時(shí)開裂并散出花粉，單性花起到雄花的作用，開花時(shí)緩慢，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，這樣保證了兩性花的授粉機(jī)會(huì)，但脫落比例很大。

兩種花的比例因不同類型花序而不同。頂生花序兩性花較多，占61.5% ～90.5%;側(cè)生花序兩性花僅占4%［5］，由此表明，文冠果側(cè)生花序的花主要起產(chǎn)生和散布花粉的作用。

2 文冠果研究?jī)r(jià)值

2.1 文冠果是北方山區(qū)最有前景的高級(jí)能源植物

文冠果油在常溫下為淡黃色，透明，具芳香，即是高級(jí)食用油，又可加工為高級(jí)潤(rùn)滑油;種仁含油量高達(dá)66.39%，高于核桃、大豆、茶籽、葵花和橄欖油等植物油，文冠果油脂的凝固點(diǎn)最低，可達(dá)－37℃［6］，油中非皂化部分中的甾醇可作液晶材料。因此，被譽(yù)為中國(guó)北方最有潛力的能源植物之一［7］。

2.2 文冠果是珍稀的藥用樹種

文冠果種仁可制取治療心臟病、血管病、遺尿等病癥的藥物，其中的亞油酸是具有降壓功能的中藥“益壽寧”的主要成分［8］;以文冠果皂苷為主要成分研制出國(guó)家一類新藥尿速停膠囊，該皂甙屬奇敦甲烷型(OTS)三萜皂甙，有抗癌活性［3］;木材中具有抑制HIV蛋白酶活性的三萜類及鞣質(zhì)類的化合物［9］;種皮中含有香豆素類化合物，具有抗HIV－1的活性［10］。

2.3 文冠果是優(yōu)美的城市綠化樹種和重要的綠化先鋒樹種

文冠果樹姿優(yōu)美，白色的花瓣基部具黃紅斑暈，花期長(zhǎng)達(dá)20～30 d。具有喜光、抗寒、耐堿、抗旱、耐寒、固沙、病蟲害少等特點(diǎn)，被稱為是荒山綠化和水土保持的重要樹種［11］。在氣溫－41.4℃的哈爾濱可安全越冬，在年降水250 mm的干旱地多石山區(qū)能生長(zhǎng)，在連續(xù)3個(gè)月無雨情況下栽植成活率達(dá)84.1%，創(chuàng)各樹種之最。

2.4 文冠果是優(yōu)良食品與特種用材樹種

文冠果是優(yōu)質(zhì)的蜜源植物;嫩果既可生食，又可加工，可作特菜推上餐桌［12］;榨油后餅粕含蛋白質(zhì)高，可加工食品［13］;果皮含糠醛 12.2%，是提取糠醛的最好原料;種殼可制活性炭，木材色澤暗紅，紋理致密，是制作工藝家具的優(yōu)質(zhì)材料，根系是根雕的材料［14］。

3 文冠果低產(chǎn)機(jī)制探索

受新的能源危機(jī)威脅，依賴能源植物制備生物質(zhì)燃料油等石油替代產(chǎn)品，已被世界各國(guó)認(rèn)為是戰(zhàn)勝這場(chǎng)危機(jī)的重要措施之一［7］。發(fā)展能源林也是國(guó)家實(shí)現(xiàn)CO2消減，增加生物能源的戰(zhàn)略抉擇。我國(guó)“十一五”期間，文冠果被國(guó)家林業(yè)局列為北方唯一的能源林樹種，因此開展文冠果研究，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

雖然文冠果對(duì)我國(guó)北方環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，但是座果率和果實(shí)產(chǎn)量很低，“千花一果”現(xiàn)象仍然存在，沒有得到根本解決?？偨Y(jié)前人的研究，有以下幾個(gè)低產(chǎn)因素。

3.1 營(yíng)養(yǎng)不足，落花落果

文冠果多生長(zhǎng)在我國(guó)北方干旱地區(qū)，水分和肥料都供給不足。文冠果生長(zhǎng)狀況尤其是樹體內(nèi)有機(jī)物的積累狀況，對(duì)花芽分化及花性分化有直接影響［15］。營(yíng)養(yǎng)不足導(dǎo)致雌花不能正常授粉或幼果停止生長(zhǎng)甚至脫落［16］。

關(guān)于文冠果的落果機(jī)理主要有兩種解釋:樹體營(yíng)養(yǎng)限制論和有性生殖退化論。洛陽地區(qū)林研所和哲里木盟林業(yè)科研所認(rèn)為導(dǎo)致落果的原因是樹體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不能滿足全部幼果的發(fā)育，所以必然造成部分幼果提前脫落。有性繁殖退化論則認(rèn)為，從文冠果的系統(tǒng)發(fā)育過程來看，如果它的營(yíng)養(yǎng)繁殖能力增強(qiáng)了，那么其有性繁殖受到的定向選擇壓力就會(huì)減輕，其結(jié)果勢(shì)必造成有性繁殖的退化［17］。上述解釋分別從個(gè)體發(fā)育和系統(tǒng)發(fā)育的角度探討了文冠果的落果機(jī)理，都有一定道理，但缺乏強(qiáng)有力的證據(jù)。

從文冠果果仁組成分析，脂肪含量占60%以上，蛋白質(zhì)占30%，糖類占約10%［18］，種子所含高能量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需要充足的營(yíng)養(yǎng)才能生成。因此，營(yíng)養(yǎng)不足是文冠果低產(chǎn)的必然因素。

3.2 雄性不育和雌性不育

國(guó)內(nèi)部分研究人員認(rèn)為文冠果低產(chǎn)與文冠果可孕花的雄性不育和不可孕花的雌性不育有關(guān)，并對(duì)此做了很多研究工作。

關(guān)于文冠果雌花雄性不育的研究工作，通過研究文冠果的花芽分化和成花過程，發(fā)現(xiàn)兩性花中的雄蕊形似正常實(shí)為不育［19］。隨后研究了文冠果兩性花花粉敗育的原因，認(rèn)為花粉敗育與生理生化代謝障礙和營(yíng)養(yǎng)匱乏有關(guān)［20］。后來，發(fā)現(xiàn)，敗育花粉的唇細(xì)胞通常不能正常開裂，且絨氈層細(xì)胞解體緩慢，影響花粉細(xì)胞的正常發(fā)育［21］。至于導(dǎo)致文冠果兩性花雄性不育的分子機(jī)理，還有待繼續(xù)研究。

關(guān)于文冠果雄花雌性不育，在組織細(xì)胞水平上，雄花雌蕊的選擇性敗育發(fā)生于大孢子母細(xì)胞減數(shù)分裂Ⅰ的雙線期。后期發(fā)育中雌蕊的胎座部位、心皮隔膜及子房璧的薄壁細(xì)胞出現(xiàn)不同程度的液泡化現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)破壞［22］。

3.3 近交衰退

近交衰退是交配系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容［23］，生境片段化后，鄰近個(gè)體之間的基因交流，使隱性致死基因、有害基因組合的機(jī)率提高，后代缺乏雜合優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致近交衰退(Inbreeding depression)［24］。近交衰退是影響交配系統(tǒng)進(jìn)化的重要機(jī)制，它對(duì)植物的進(jìn)化有著直接的作用［25］，瀕危物種的遺傳多樣性可能會(huì)由于遺傳漂變、近交的作用而喪失［26］。

目前大部分文冠果種群是20世紀(jì)人工種植的，種子調(diào)配相對(duì)較為集中，造成中國(guó)文冠果種群間和種群內(nèi)個(gè)體間親緣關(guān)系很近，嚴(yán)重影響個(gè)體間授粉和種群間的基因交流，使得座果率很低;隨著優(yōu)樹選擇取得階段性成果，科研成果推廣到中國(guó)很多省市，使得很多地區(qū)文冠果類型單一化，選優(yōu)工作忽略了暫時(shí)“表現(xiàn)”不佳的文冠果類型，所以優(yōu)樹選擇也是造成種群基因變窄、親緣關(guān)系近的另一個(gè)重要原因。后期的大量砍伐又使文冠果種群處于片段化狀態(tài)，使得其原有的遺傳多樣性喪失，種群的基因進(jìn)一步變窄。因此，近交衰退是目前中國(guó)文冠果低產(chǎn)的重要因素。

3.4 種質(zhì)

種子是高等植物基因信息的綜合體，種子質(zhì)量從根本上決定該物種適應(yīng)環(huán)境能力和結(jié)實(shí)水平。通過調(diào)查一定范圍種群產(chǎn)量的單株構(gòu)成，研究發(fā)現(xiàn)三分之一到母樹產(chǎn)量構(gòu)成了總產(chǎn)量的60%，稱為豐產(chǎn)型，其中有一半連續(xù)三年豐產(chǎn)，表現(xiàn)突出;三分之一的母樹基本達(dá)到總產(chǎn)量的平均水平，稱為平產(chǎn)型，產(chǎn)量不多或者有明顯大小年現(xiàn)象;另外三分之一結(jié)果很少甚至不結(jié)果，稱為低產(chǎn)型［27］。因此種質(zhì)是決定文冠果是否低產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

3.5 粗放管理

文冠果多分布在我國(guó)北方的山地，本身管理難度很大，不能及時(shí)灌溉和施肥，同時(shí)由于文冠果長(zhǎng)期低產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)效益不佳，使得人們疏忽對(duì)文冠果的栽培管理。到20世紀(jì)末，文冠果經(jīng)濟(jì)林很大部分或全部遭到嚴(yán)重砍伐，取而代之的是一些當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)效益較好的果樹園。因此，管理不當(dāng)是文冠果相對(duì)低產(chǎn)的一個(gè)基本因素。

4 文冠果低產(chǎn)應(yīng)對(duì)措施

4.1 優(yōu)樹選擇與無性系建立

我國(guó)從20世紀(jì)60年代后期到70年代中期大面積栽培文冠果，科技人員在80年代開展了早期選育優(yōu)樹選擇等方面進(jìn)行的研究，選出7個(gè)遺傳力強(qiáng)、遺傳增益和生產(chǎn)力高的優(yōu)良無性系，并在遼寧西部山區(qū)建立了一個(gè)采穗圃［28］后又開展了關(guān)于文冠果栽培技術(shù)的研究，已開發(fā)出增產(chǎn)的果園管理技術(shù)［29］;但這些選優(yōu)僅從表型選擇進(jìn)行的［11］，尚未達(dá)到優(yōu)良類型選擇的水平［30］。由于文冠果長(zhǎng)期處于粗放型的管理以及大量被砍伐，使得20世紀(jì)科技工作者選出的優(yōu)良無性系幾乎無從查起，因此文冠果的選育工作已迫在眉睫。

4.2 栽培技術(shù)與管理

我國(guó)從20世紀(jì)60年代后期陸續(xù)推廣大面積的文冠果栽培工作，與此同時(shí)也開展了早期的文冠果栽培技術(shù)與管理等研究工作，以遼寧省干旱地區(qū)造林研究所和內(nèi)蒙古林學(xué)院為代表的研究機(jī)構(gòu)，在文冠果引種栽培方面積累了較完整經(jīng)驗(yàn)。干旱地區(qū)造林研究所代表我國(guó)與朝鮮開展合作引種到朝鮮的兩江道、平安南道、黃海北道、慈江道、江原道等地并取得成功［31］。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代，已開發(fā)出育苗、定植技術(shù)，?；?、保果、增產(chǎn)的果園管理技術(shù)［29］。近幾年體細(xì)胞胚胎的發(fā)生等取得成功［32］，建立的體細(xì)胞胚胎發(fā)生和快速成苗的懸浮培養(yǎng)體系，解決了繁殖系數(shù)低、不能滿足生產(chǎn)中對(duì)苗木培育需要的問題。但是，這些研究成果并未從根本上解決文冠果無性繁殖中存在的嫁接成活率扦插生根率的問題以及組織培養(yǎng)中繁殖系數(shù)與難生根的問題。

4.3 品系搭配與種園建立

文冠果種群經(jīng)歷了人工栽培，無性系的推廣，大面積砍伐等一系列過程后，物種的多樣性日益縮減，生境日益片段化，亟需提高種質(zhì)資源和種質(zhì)多樣性。尋找全國(guó)分布區(qū)不同類型的文冠果，把不同類型的文冠果搭配建園，最終找到高產(chǎn)的最佳搭配系列。并建立文冠果種質(zhì)資源庫(kù)，增加種質(zhì)的多樣性水平。目前這一工作正在進(jìn)行中，已取得階段性成果。

5 展望

文冠果作為我國(guó)特有植物，是珍貴的資源植物，具有十分重要的研究?jī)r(jià)值。在文冠果野生資源被嚴(yán)重破壞和遺傳背景不清的情況下，認(rèn)為在以下幾個(gè)方面值得進(jìn)行深入研究:(1)采用分子標(biāo)記進(jìn)行文冠果的類型分類研究，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，有針對(duì)性的選擇優(yōu)樹;(2)分析不同地區(qū)不同種齡的文冠果種群的遺傳結(jié)構(gòu)，研究種群內(nèi)和種群間的親緣關(guān)系，分析是否存在“近交衰退”現(xiàn)象;(3)研究文冠果種群存在的致危機(jī)理，探討解決瀕危措施和保護(hù)其生物多樣性及維持機(jī)制;(4)分析文冠果雜性花中花芽分化機(jī)理以及花性別分化的調(diào)控機(jī)理，嘗試調(diào)節(jié)花的性別比例，在了解文冠果基因背景的基礎(chǔ)上，通過基因工程方法如“基因靶向”技術(shù)精確定向改變雄花表達(dá)基因，使其失去活性，并激活兩性花基因表達(dá);(5)從全國(guó)分布區(qū)收集野生文冠果枝條和種子，建立我國(guó)第一個(gè)文冠果種質(zhì)園;(6)重新選擇優(yōu)樹，建立新的無性系，在基因背景沒有研究清楚前，開展選優(yōu)是提高產(chǎn)量形成產(chǎn)業(yè)的最佳途徑，使得栽培良種化，良種品種化;(7)研究如何搭配樹種建立高產(chǎn)種子園的技術(shù)，以及相關(guān)的育苗栽培管理。

［1］中國(guó)科學(xué)院中國(guó)植物志編輯委員會(huì).中國(guó)植物志:第四十七卷第一分冊(cè)［M］.北京:科學(xué)出版社，1985:72.

［2］中國(guó)科學(xué)院植物所.中國(guó)高等植物圖鑒:第二冊(cè)［M］.北京:科學(xué)出版社，2002:76－77.

［3］王紅斗.文冠果的化學(xué)成分及綜合利用研究進(jìn)展［J］.中國(guó)野生植物資源，1998，17(1):13－16.

［4］牟洪香.木本能源植物文冠果(Xanthoceras sorbifolia Bunge)的調(diào)查與研究［D］.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，2006.

［5］徐東祥.文冠果生物學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2010:27－28.

［6］黃玉廣，喬榮群，趙 軍.文冠果營(yíng)養(yǎng)及綜合加工［J］.食品研究與開發(fā)，2004，25(3):73－76.

［7］王 濤.中國(guó)主要生物質(zhì)燃料油木本能源植物資源概況與展望［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2005，23(5):12－14.

［8］鄭立文，宋福林，孫明遠(yuǎn)，等.木本油料樹種－文冠果［J］.落葉果樹，2006.38(2):12－13.

［9］Ma Chaomei，N N，M H.Inhibitory effects on HIV－1 protease of constituents from the wood of Xanthoceras sorbifolia［J］.Journal of National Pro，2000，63(2):283－242.

［10］李在留，羅 兵，程 凡，等.文冠果種皮的化學(xué)成分研究［J］.時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥，2007，18(6):1329－1330.

［11］高述民，馬 凱，杜希華，等.文冠果(Xanthoceras sorbifolia)研究進(jìn)展［J］.植物學(xué)通報(bào)，2002，19(3):296－301.

［12］黃玉廣，喬榮群，趙 軍.文冠果營(yíng)養(yǎng)及綜合加工［J］.食品研究與開發(fā)，2004，25(3):73－76.

［13］牟洪香，侯新村，劉巧哲.不同地區(qū)文冠果種仁油脂肪酸組分及含量的變化規(guī)律［J］.林業(yè)科學(xué)研究，2007，20(2):193－197.

［14］王力華.文冠果的食用和藥用價(jià)值［J］.中國(guó)醫(yī)藥指南，2006，14(10)41－43.

［15］徐東祥.文冠果生物學(xué)［M］，北京:科學(xué)出版社，2010:14.

［16］杜盛，徐貴鋒，徐東翔.文冠果落果與內(nèi)源脫落酸的關(guān)系［J］.華北農(nóng)學(xué)報(bào)，1986，1(4):90－95.

［17］張明中.文冠果開花的生物學(xué)特性［J］.林業(yè)科技通訊，1979，5(2):1－4.

［18］徐東祥.文冠果生物學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2010:76.

［19］王晉華，李鳳蘭，高榮孚.文冠果花性分化及其花藥內(nèi)淀粉動(dòng)態(tài)［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1992，14(3):54－59.

［20］鄭彩霞，李鳳蘭.文冠果兩性花花粉敗育原因的進(jìn)一步研究［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，15(1):78－84.

［21］彭偉秀，李鳳蘭，楊文利.文冠果不同類型花粉生活力測(cè)定及比較［J］.河北林果研究.，1999，14(1):51－53.

［22］張小芳.文冠果雄花雌蕊選擇性敗育的細(xì)胞生物學(xué)觀察［D］.北京林業(yè)大學(xué)，2009.

［23］Husband B C，Schemske D W.Evolution of the magnitude and timing of inbreeding depression in plants［J］.Evolution，1996，50:54－70.

［24］Morgan M T，Schoen D J.The role of theory in an emerging new plant reproductive biology［J］.Trends in Ecology and Evolution，1997(12):231－234.

［25］王崇云.植物的交配系統(tǒng)與瀕危植物的保護(hù)繁育策略［J］.生物多樣性，1998，6(4)，298－303.

［26］張大勇，姜新華.遺傳多樣性與瀕危植物保護(hù)生物學(xué)研究進(jìn)展［J］.生物多樣性，1999，7(1):31－37.

［27］徐東祥.文冠果群體產(chǎn)量形成的初步分析［M］//徐東祥.文冠果研究與實(shí)踐.呼和浩特:內(nèi)蒙古科學(xué)技術(shù)出版社，2008:139－144.

［28］白金友，孫文生.文冠果優(yōu)樹采穗圃的建立及管理技術(shù)的試驗(yàn)［J］，林業(yè)科技通訊，1985(1):10－13.

［29］白金友，孫文生.文冠果增產(chǎn)技術(shù)的研究［J］.遼寧林業(yè)科技，1988(5):53－55.

［30］牟洪香，侯新村，劉巧哲.木本能源植物文冠果的表型多樣性研究［J］.林業(yè)科學(xué)研究，2007，20(3):350－355.

［31］吳兆忠，張寶孚，白金友，等.朝鮮發(fā)展文冠果的展望［J］.遼寧林業(yè)科技，1987(6):40－41.

［32］顧玉紅，高述民，郭惠紅，等.文冠果的體細(xì)胞胚胎發(fā)生［J］.植物生理學(xué)通訊，2004，40(3):311－314.