卷丹百合遺傳育種研究進展

王志剛，印東生，張惠華，吳天宇，潘百濤，袁興福

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院遼寧省花卉科學(xué)重點實驗室，遼寧沈陽110161）

園藝經(jīng)緯

卷丹百合遺傳育種研究進展

王志剛，印東生，張惠華，吳天宇，潘百濤，袁興福*

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院遼寧省花卉科學(xué)重點實驗室，遼寧沈陽110161）

對目前國內(nèi)外卷丹百合倍性、地理分布、遺傳多樣性、育種及功能基因克隆等領(lǐng)域的成就進行了綜述。卷丹遺傳多樣性分析、育性研究、育種和功能基因克隆都取得了進展，但不同的研究對卷丹二倍體種、三倍體種以及大花卷丹之間的進化關(guān)系給出了相異的結(jié)論。同時，卷丹的育種潛力也有待于進一步發(fā)掘與利用的。

卷丹百合;遺傳；育種

卷丹百合（L.lancifoliumThunb.）又稱虎皮百合（tiger lily），是分布最廣泛的一種野生百合，在中國的江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、西藏、陜西、山東、遼寧和吉林等省區(qū)以及朝鮮半島、日本等區(qū)域都有分布。卷丹具有長勢強健、大花、抗病毒、抗鐮刀菌等優(yōu)良性狀，可直接應(yīng)用于園林綠化、庭院和盆栽，其種球可食用和藥用，可用于深加工以獲得淀粉[1]，種球內(nèi)的膳食纖維還有降糖作用[2]。由于卷丹百合有如此廣闊的應(yīng)用空間，因而極具研究價值。目前國際上對卷丹百合的研究以韓國、日本和中國為主，研究方向主要集中在遺傳和育種領(lǐng)域。

1 卷丹百合的遺傳多樣性

1.1 卷丹的不同倍性及其進化關(guān)系

卷丹百合屬于多倍體復(fù)合體（polyploidcomplex），有三倍體（2n=3x=36）和二倍體（2n=2x=24）2種倍性的野生種[3]。代表種是較早發(fā)現(xiàn)的三倍體[4]。關(guān)于二倍體類型的報導(dǎo)出現(xiàn)稍晚[5]。三倍體主要分布在內(nèi)陸地區(qū)，沿海地區(qū)也有少量分布。二倍體卷丹的自然分布只局限在朝鮮半島南端到日本對馬海峽的沿海地區(qū)，未在內(nèi)陸地區(qū)發(fā)現(xiàn)，二倍體對瀕海環(huán)境的依賴和三倍體對經(jīng)常受干擾的內(nèi)陸環(huán)境（如路邊、田間或河邊）的強適應(yīng)能力可能是造成這種地理分布特點的原因[6-7]。中國尚未有關(guān)于發(fā)現(xiàn)二倍體卷丹的報導(dǎo)。

三倍體卷丹和二倍體卷丹之間的進化關(guān)系一直是研究者關(guān)注的熱點之一。除了在日本對馬島發(fā)現(xiàn)的二倍體變種黃花卷丹（L.lancifoliumvar.flaviflorum Makino）的花色較特殊[5，8]以外，二倍體卷丹和三倍體卷丹在形態(tài)特征上沒有明顯區(qū)別。而另外一個野生種大花卷丹（L.leichtliniivar.maximowicziiBaker）在形態(tài)特征上也與卷丹高度相似，唯一的區(qū)別是大花卷丹上部葉腋間不具珠芽，因而也曾被置于卷丹的進化路線中。有研究認為三倍體卷丹是由二倍體卷丹與其近緣種大花卷丹雜交后產(chǎn)生的異源三倍體[4]。但也有學(xué)者指出卷丹原種為三倍體，二倍體卷丹是變種[9]。最近的基因組原位雜交研究發(fā)現(xiàn)，以生物素標記的二倍體卷丹基因組作為探針，可以在三倍體卷丹上獲得強烈的雜交信號，而以大花卷丹基因組作為探針則沒有獲得明顯的雜交信號，因此認為三倍體卷丹來源于二倍體卷丹而非大花卷丹[10]。

1.2 卷丹百合遺傳多樣性的形態(tài)學(xué)、細胞學(xué)和分子生物學(xué)分析

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)開展了卷丹百合居群內(nèi)遺傳多樣性[11]分析。從形態(tài)學(xué)和細胞學(xué)2個方面對卷丹4個居群進行了調(diào)查研究，形態(tài)學(xué)性狀分析表明，各居群存在明顯的多樣性，通常地理分布近的居群親緣關(guān)系也近，地理分布遠的居群親緣關(guān)系也遠。但是地理分布近的2個居群的親緣關(guān)系并不一定最近，這可能是由于環(huán)境影響造成的，也可能是遺傳的變異，有待于進一步研究。卷丹細胞學(xué)研究表明，卷丹4個居群的染色體數(shù)目均為36，各居群核型變異表現(xiàn)為核型公式、染色體相對長、臂比和次縊痕數(shù)目及其分布變化，與形態(tài)學(xué)分析相吻合。

來自韓國的研究結(jié)果顯示，不同來源的二倍體卷丹以及二倍體卷丹和三倍體卷丹之間在內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（ITS）有序列差異，通過基于ITS1和ITS2序列的系統(tǒng)進化分析，來自于韓國、日本以及中國的二倍體卷丹、三倍體卷丹材料被分在了第一個進化分枝的三個不同的亞分枝中，揭示了卷丹二倍體種和三倍體種間以及二倍體種內(nèi)的遺傳多樣性[12]。

2 卷丹百合的珠芽發(fā)育模式

珠芽是重要的繁殖器官，而卷丹是為數(shù)不多的可產(chǎn)生大量的珠芽的百合野生種之一，揭示珠芽發(fā)育的規(guī)律對于卷丹在百合育種和栽培中的應(yīng)用都有重要意義。2種倍性的卷丹的植株上都著生大量的珠芽，但在珠芽發(fā)育模式上有所不同。二倍體卷丹珠芽有兩種發(fā)育模式，第一種是從5月下旬到6月中旬出現(xiàn)在植株中下部的葉腋，30 d幾乎同時從莖上脫落。第二種方式是在6月下旬形成于植株上部的葉腋和花序部位，多數(shù)也會在開花前即6月末至7月初脫落。來自日本對馬島和韓國的三倍體卷丹通常擁有與二倍體卷丹類似的珠芽發(fā)育方式，只不過發(fā)育時間稍晚。其它地區(qū)的三倍體卷丹則會在所有葉腋都著生珠芽，但發(fā)育速度比較緩慢，而一旦從植株上脫落會立即萌發(fā)長成新的植株[13]。通常認為珠芽形成是受隱性基因控制的質(zhì)量性狀，曾有研究結(jié)果顯示卷丹與亞洲百合雜種Dreamland的雜交后代中有49.4%的植株上形成了珠芽，珠芽的數(shù)量最高為25個，平均為5個[14]。

3 卷丹的生殖特性及其在百合育種中的應(yīng)用

二倍體卷丹和三倍體卷丹都是高度自交不育，而二倍體卷丹株間雜交的結(jié)實率則高達76.5%，因此二倍體卷丹既可以采取有性繁殖也可以采用無性繁殖，三倍體卷丹只能采取無性繁殖[13]。也有報導(dǎo)說發(fā)現(xiàn)三倍體卷丹結(jié)實現(xiàn)象，并獲得了染色體數(shù)從22-31不等的后代[15]。三倍體卷丹的不育是減數(shù)分裂和花粉粒形成過程中的異常現(xiàn)象導(dǎo)致的：前期和中期出現(xiàn)單價、二價和三價的染色質(zhì)紐；IA期和IIA期子細胞核擁有12條以上染色體；IA期和IIA期出現(xiàn)落后染色體；IA期和IIA期出現(xiàn)染色體片段和微囊；IA期單價體提早分裂；出現(xiàn)微核組織及其退化；小細胞的形成和多孢性的發(fā)生；大量花粉粒敗育，只有少量有功能[16]。

雖然卷丹有自交不育的特性，但與近緣種的雜交卻可以獲得有活力的種子。紐約植物園在卷丹與大花卷丹、卷丹與川百合（L.davidiiDuch.ex Elwes異名L.sutchuenen）的雜交中獲得了大約100個發(fā)育良好的蒴果和數(shù)千粒有活力的種子[17]。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)和遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院開展了三倍體卷丹與亞洲百合及大花卷丹的遠緣雜交實驗，獲得大量的雜交后代，并得到了相互驗證。其中以卷丹為母本的組合都獲得了雜交后代，而以卷丹為父本的組合則沒有。利用熒光顯微鏡對卷丹與亞洲百合品種‘多安娜’（Pollyanna）、‘精粹’（Elite）、‘布魯拉諾’（Brunello）種間正反交共6個組合授粉后花粉萌發(fā)及花粉管生長過程進行觀察后，發(fā)現(xiàn)所有以卷丹為父本的組合中卷丹花粉管的生長發(fā)生了異常，無法進入母本的子房[18]。

卷丹作為重要的育種材料曾用于亞洲百合雜種系的選育，以卷丹為親本培育出了火紅雜種系、中世紀雜種系、曼杰勒斯雜種系和馬格麗特雜種系，現(xiàn)在仍作為抗性育種材料的康涅狄格王子（Connecticut King）即出自中世紀雜種系[9，19]。但是后來隨著東方百合及其它遠緣雜交種的出現(xiàn)，以亞洲百合品種選育為目的的卷丹應(yīng)用研究不再是研究熱點。

4 卷丹百合功能基因克隆

由于卷丹的基因組非常大，目前尚未完成全基因組的測序，其功能基因的研究還不夠深入。卷丹花朵上橙色的出現(xiàn)主要是由于兩類胡蘿卜素—辣椒黃素和辣椒玉紅素的累積造成的，而催化這兩種色素形成的是辣椒黃素—辣椒玉紅素合成酶。研究人員利用基于番茄紅素β環(huán)化酶序列設(shè)計的引物，通過cDNA末端快速擴增的方法從卷丹百合花瓣中克隆出了CCS基因。反轉(zhuǎn)錄PCR分析發(fā)現(xiàn)，該基因的表達具有時空特異性，只在卷丹百合的花芽和花瓣組織中表達，而不在營養(yǎng)組織中表達。將該基因轉(zhuǎn)入德國鳶尾愈傷組織后，可以獲得穩(wěn)定過量表達，并使其變成橙紅色而非正常的黃色。該結(jié)果將有助于研究類胡蘿卜素形成機制和促進花色和果實顏色轉(zhuǎn)基因的研究[20]。研究者嘗試建立卷丹的分子標記體系[21]和單染色體文庫[22]以開展功能基因的研究。

5 問題及展望

卷丹百合在百合育種史上曾占有一席之地，但隨著東方百合雜種的崛起，亞洲百合雜種逐漸衰落，后來人們對卷丹的研究應(yīng)用沒有給予足夠重視。近年來由于對新型百合遠緣雜交種的需求不斷增加，再加上百合雜交技術(shù)的進步[25-26]，一些新的種間、組（亞屬）間雜交種甚至融合了3個以上基因組的雜交種也開始成為現(xiàn)實[27]。卷丹百合既可以單獨跟其它雜種系的材料雜交也可以作為“橋”應(yīng)用于3個基因組以上的雜交，因此，卷丹作為一種綜合抗性和適應(yīng)能力突出的育種材料將迎來更大的潛力空間。卷丹有很好的抗寒性，其葉脈間著生的大量珠芽在生長季落可在潮濕的土壤上落地生根，這兩個特點為未來選育可以露地越冬，有自繁能力，進而可以對地面形成持續(xù)有效覆蓋的綠化百合提供了可能性。而由于珠芽易于獲得，繁殖成本會比較低，再加上其體積較小、易生根，甚至可以在摻土后機械噴播，因而以珠芽為繁殖材料的綠化百合可以大大降低綠化施工的成本，這將改變以往采用切花百合、盆栽百合以及庭院百合進行大面積綠化時種球成本高、栽植時費時費工的局面，應(yīng)用前景非常廣闊。當(dāng)然，要想獲得理想的綠化效果，未來的綠化百合品種還應(yīng)具備良好的抗病性和抗倒伏能力以適應(yīng)開放的環(huán)境，降低維護成本，同時要具備較長的花期、豐富的花色以及適宜的株高，要想實現(xiàn)這些目標，需要采取不同組間（inter-sectional）的遠緣雜交或基因工程等育種手段，導(dǎo)入不同來源的優(yōu)良基因，這將是一個漫長的過程，需要育種者付出艱苦的努力。

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（責(zé)任編輯 戚佳妮）

Research Progress on Genetic Breeding of Lilium lancifolium Thumb.

WANG Zhi-ganget al.(Key Laboratory of Floriculture,Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang,Liaoning 110161)

The research summary on ploidy,geographical distribution,genetic diversity,breeding and functional gene cloning ofLilium lancifoliumthumb.were reviewed.Great progress have made in genetic diversity,fertility,breeding and functional gene cloning.But the dissimilarity conclusion on the evolutionary relationship among diploid,triploidLilium lancifoliumandLilium maximowicziidiversed were proposed. Moreover,the potential value ofLilium lancifoliumshould be explored further.

Lilium lancifoliumthumb.;Genetics;Breeding

S682

A

2095-0896（2014）01-001-03

王志剛（1977-）男，山東聊城人，副研究員，從事花卉生物技術(shù)與遺傳育種研究，E-mail：wang9505@qq.com。*通訊作者，研究員，從事園藝作物育種及栽培技術(shù)研究，E-mail：laasy@sina.cn。

2013-10-28