構(gòu)樹開發(fā)與利用研究進展

李 揚，史梅容，舒文波，韓 蕾，鄭 波

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院/園藝植物生物學(xué)教育部重點實驗室，武漢 430070；2. 中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國家林業(yè)局林木培育重點實驗室，北京 100091）

構(gòu)樹（Broussonetia papyrifera）隸屬于?？疲∕oraceae）桑亞科（Moroideae）構(gòu)樹族（Broussonetieae）構(gòu)樹屬（Broussonetia），主要分布于中國黃河、長江和珠江流域及太平洋沿岸和島嶼。中國主要有5 個種和亞種，即構(gòu)樹［B. papyrifera（L.）Vent. Syn.Morus papyrifera］、小構(gòu)樹（B. kazinoki Sieb. et Zucc）、藤葡蟠（B. kazinoki Sieb. et Zucc）、江西構(gòu)（B. jiangxiensis Z.X.Yu，sp.nov）和乳陽小構(gòu)樹（B. kazinoki var. ruyangensis P.H. Liang et X.W.Wei，var.nov）［1］。構(gòu)樹不僅可用于造紙、入藥、制衣、制作飼料，還具有萌發(fā)力和適應(yīng)性強、速生、耐貧瘠、抗鹽堿、耐重金屬和空氣污染等特點，是鹽堿地和荒山綠化的優(yōu)良樹種之一［2-4］。構(gòu)樹的葉、枝、雄花序蛋白質(zhì)含量較高［5］，且富含賴氨酸、胱氨酸、蛋氨酸［6］，果實含有7 種人體必需氨基酸［7］，是一種較好的飼料和營養(yǎng)原料。構(gòu)樹的葉、皮、枝、根、白色乳汁、種子和果實均可入藥［8-10］。目前，已從構(gòu)樹的根、莖、樹皮、葉和果實等部位分離到生物活性物質(zhì)［8，11，12］、酚性化合物［13］、黃酮類［9］、木脂素類、萜類、生物堿和揮發(fā)油類［14，15］等多種化學(xué)物質(zhì)，其中構(gòu)樹醇對癌細胞具有抑制作用［16，17］、構(gòu)樹多酚可抑制冠狀病毒蛋白酶［18］。

當(dāng)前對構(gòu)樹的研究主要集中于資源的開發(fā)利用、有效營養(yǎng)和藥物成分、繁育技術(shù)、遺傳基礎(chǔ)、逆境適應(yīng)性、基因功能等方面［19］。針對中國飼料緊缺和“人畜爭糧”的現(xiàn)狀，1998 年“以樹代糧”的設(shè)想被提出，培育出速生、耐伐、高抗、高產(chǎn)和高蛋白的新品種雜交構(gòu)樹華構(gòu)101，這種雜交構(gòu)樹既可幫助農(nóng)民脫貧和解決農(nóng)牧矛盾，又可改善貧困區(qū)的生態(tài)環(huán)境，于2014 年12 月被國務(wù)院扶貧開發(fā)領(lǐng)導(dǎo)小組列為“精準扶貧十大工程”之一［20］。為了更好地了解構(gòu)樹的特點和開發(fā)潛力，本文對構(gòu)樹的生長特點、遺傳進化、培育方式、抗性機理和基因功能挖掘等方面進行了綜述，以期為中國構(gòu)樹資源開發(fā)及加快定向良種選育提供理論依據(jù)。

1 構(gòu)樹遺傳與生長特性研究

構(gòu)樹按主干特性可分為直立型、通直型、低矮型和密枝型；按分枝特性可分為疏枝型和密枝型；按分枝角度可分為近直立型、近平伸展型和斜上伸展型；按樹皮顏色可分為青綠色、灰色、淺黃色、紅褐色和雜斑色，其中花皮構(gòu)的葉片營養(yǎng)價值最高［21］；按樹皮光滑度可分為細皮、光皮和粗皮；按葉型可分為卵圓葉、裂刻葉和混合型；按花色可分為白花構(gòu)、紅花構(gòu)；按果色可分為紅色果、白色果、黃色果和橙色果［22］，其中灰皮構(gòu)的產(chǎn)果量最高［10］。在構(gòu)樹性別研究中，發(fā)現(xiàn)雄株纖維品質(zhì)優(yōu)良、環(huán)境適應(yīng)性強［23］，而且可通過過氧化物同工酶分析對幼株進行性別鑒定［24］。在構(gòu)樹遺傳多樣性研究中，研究人員分別通過AFLP［7］和ISSR［25］分子標記發(fā)現(xiàn)云南構(gòu)樹種群具有較高的遺傳多樣性。另外，Pe?ailillo 等［4］、Payacan 等［26］和Olivares 等［27］分別對太平洋近海和遠洋的構(gòu)樹群體進行了研究，分別檢測到15 種基因型和48 個單倍型，證實了環(huán)太平洋地區(qū)構(gòu)樹的遺傳多樣性和遺傳結(jié)構(gòu)的存在，為構(gòu)樹“走出臺灣”假說提供了支持［28］。

在構(gòu)樹培育研究方面，科研人員進行了土壤類別［29］、肥料配比［30］、輪伐期［7，31］、實生與萌生生長［32］、截頂（切根）處理［33］、光合能力［34］、休眠期生理變化［35］和構(gòu)件間及構(gòu)件與個體間關(guān)系［36］的研究。在構(gòu)樹材性研究方面，研究發(fā)現(xiàn)5 年生構(gòu)樹的纖維強度高、品質(zhì)優(yōu)良［31］，且全樹都達到造紙要求［37］，是優(yōu)良的造紙、非織造布和紡織原料［38］。用構(gòu)樹纖維制造的紙耐腐蝕和穩(wěn)定性能好，是造幣紙的首選［37］。此外，楊振寅等［39］的研究表明，紅皮構(gòu)和白花構(gòu)的樹皮較紅花構(gòu)的樹皮成漿質(zhì)量和制漿性能更好。在構(gòu)樹剝皮再生研究方面，研究發(fā)現(xiàn)在構(gòu)樹芽展開后，莖部環(huán)剝刺激誘導(dǎo)內(nèi)源IAA 濃度快速升高［40］，再生出新皮［41］；除去構(gòu)樹部分主干木質(zhì)部后，存留的韌皮部可產(chǎn)生大量愈傷組織，并形成維管形成層帶［42］，但形成能力受季節(jié)變化影響［43］。形成層帶的產(chǎn)生可能是由于構(gòu)樹中IAA 結(jié)合蛋白在形成層中極性運輸IAA［44］，過氧化物酶參與調(diào)節(jié)IAA 濃度［45］，從而使IAA 促進了形成層再生［46］。

2 構(gòu)樹逆境響應(yīng)研究

目前，構(gòu)樹在抗逆方面的研究主要集中在鹽脅迫、高溫脅迫、重金屬脅迫（鉛、銻、鎘、鋅、錳等）、干旱脅迫和淹澇脅迫等方面［16，21，47-50］。在抗旱研究方面，發(fā)現(xiàn)抗旱性較強的為紅皮構(gòu)和白皮構(gòu)，而花皮構(gòu)的抗旱性較弱［51］；通過干旱生境下的種子萌發(fā)和幼苗干旱脅迫試驗進一步證實了構(gòu)樹具有一定的耐旱性［49］。構(gòu)樹的抗旱能力強可能是由于各組織中分布著大量的結(jié)晶細胞［52］，且存在酶促防御系統(tǒng)的重要保護酶［53］，在干旱脅迫時關(guān)閉氣孔［54］，而且具有穩(wěn)定的碳酸酐酶活力、較高的光能轉(zhuǎn)化效率、電子傳遞速率以及凈光合速率［49］，從而形成脂質(zhì)過氧化保護機制，維持植物的正常生長發(fā)育。在耐鹽研究方面，研究人員發(fā)現(xiàn)中國野生構(gòu)樹比雜交構(gòu)樹耐鹽能力更強［55］，而且通過構(gòu)樹種子和幼苗鹽脅迫試驗也驗證了構(gòu)樹具有耐鹽性［49］。構(gòu)樹耐鹽可能是通過吸收和積累Na+、Cl-等無機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來抵抗土壤鹽分滲透脅迫的損傷［56］，同時通過液泡H+-ATPase（V-H+-ATPase）基因的表達和植物組織中線粒體的活性來調(diào)節(jié)［57-59］。在重金屬脅迫研究中，研究發(fā)現(xiàn)構(gòu)樹對一些重金屬具有很強的轉(zhuǎn)移和富集能力，構(gòu)樹幼苗對鉛、鎘、銻脅迫皆表現(xiàn)出較好的抗性［49］。

3 構(gòu)樹繁育與基因功能研究

構(gòu)樹的繁殖方式有播種育苗、根蘗繁殖、扦插繁殖、埋條繁殖、組織培養(yǎng)和體細胞胚培養(yǎng)等［60］。目前，許多研究人員進行了扦插生根研究，取得了較好的效果［61］。在過去，構(gòu)樹的繁育研究主要以構(gòu)樹紙漿材專用樹種——四倍體光葉褚為材料，進行了外植體滅菌［62］、頂芽和側(cè)芽擴繁［63］、春芽擴繁［64］和生長培養(yǎng)基優(yōu)化［65］、以及葉片和葉柄的高效再生體系的研究［66］。近年來，主要以中國的雜交構(gòu)樹為材料［20］進行了嫩枝短穗扦插［67］、愈傷組織制備體細胞胚［68］、開放式組培快繁［69］、組織培養(yǎng)體系［55，70-73］等的研究，并建立了雜交構(gòu)樹高效繁育體系。另外，在轉(zhuǎn)基因體系研究方面，建立了構(gòu)樹的高效遺傳轉(zhuǎn)化體系［74］，通過農(nóng)桿菌侵染和間接器官再生途徑獲得轉(zhuǎn)基因植株，轉(zhuǎn)化效率達44%。

在染色體研究方面，蔣同慶等［75］發(fā)現(xiàn)云南構(gòu)樹群體的染色體數(shù)目為n=12，而廣東構(gòu)樹［76］和日本構(gòu)樹［75］的染色體數(shù)目為n=13，但皆為二倍體。在構(gòu)樹蛋白質(zhì)組學(xué)研究方面，邳植等［77］對雜交構(gòu)樹低溫應(yīng)答磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)進行了研究。在構(gòu)樹轉(zhuǎn)錄組和基因組研究方面，徐正剛［73］進行了CdCl2脅迫下相關(guān)抗鎘基因的轉(zhuǎn)錄組分析，Xu 等［78］也通過轉(zhuǎn)錄組分析了野生構(gòu)樹對鎘脅迫反應(yīng)的分子基礎(chǔ)，而彭獻軍等［79］則對雜交構(gòu)樹組培無菌苗的根、莖和葉等器官的差異表達基因進行了轉(zhuǎn)錄組測序。另外，Peng等［80］以構(gòu)樹雌株為材料，完成了構(gòu)樹的全基因組深度測序，并發(fā)現(xiàn)構(gòu)樹黃酮合成的增強與粗蛋白的高含量直接相關(guān)，比較基因組分析顯示構(gòu)樹的木質(zhì)素相關(guān)合成基因數(shù)量較少，而木質(zhì)素含量的減少使得構(gòu)樹適用于造紙和成為飼料原料。在基因功能研究方面，孫靜文［23］首次從構(gòu)樹中克隆了BpCCoAOMT、BpF5H 和BpDREB 基 因，并 發(fā) 現(xiàn)BpCCoAOMT 和BpF5H 基因與構(gòu)樹木質(zhì)素合成相關(guān)，BpDREB 基因與抗鹽性和抗凍性相關(guān)。另一方面，研究人員通過在構(gòu)樹中超表達AtNHX5 和FaDREB1 基因，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)AtNHX5 植株表現(xiàn)出抗旱性和抗鹽性，而轉(zhuǎn)FaDREB1 植株表現(xiàn)較強的抗旱性和抗凍性［2，49，57，81］。另外，Sun 等［82］也發(fā) 現(xiàn)BpDREB2 基因可提高構(gòu)樹耐鹽性，而徐正剛［73］發(fā)現(xiàn)，BpTT2 和Bp-MYB6 基因的過量表達均能有效改善構(gòu)樹抗鎘脅迫的能力。

4 討論與展望

構(gòu)樹分布廣、抗性強、生長快、纖維品質(zhì)優(yōu)良、藥用和營養(yǎng)價值高，不僅具有重要的經(jīng)濟價值，還具有較好的生態(tài)價值［20］。因此，根據(jù)不同的利用方向，開發(fā)具有特定目標的構(gòu)樹新品種是當(dāng)前亟需解決的問題。近年來，構(gòu)樹已在中國很多地區(qū)種植和推廣［20］，尤其是隨著構(gòu)樹全基因組測序［80］的完成和生物技術(shù)［68-74，77-82］在構(gòu)樹資源開發(fā)中的應(yīng)用，研究人員對構(gòu)樹種子、果實、樹皮、枝葉等的功能進行了全面深入的研究和開發(fā)。為了更好地開發(fā)構(gòu)樹，需深入了解天然構(gòu)樹資源習(xí)性，才能更好地定向選育新品種，實現(xiàn)高效生產(chǎn)，提高林木生產(chǎn)力，加快良種選育和推廣。

目前，研究人員對構(gòu)樹的研究主要集中在營養(yǎng)和藥理成分［5-18］、造紙原料［37-39］、生長培育［29-36］和抗逆境［47-59］等方面，遠未發(fā)揮其應(yīng)有的生態(tài)和經(jīng)濟效益，未來應(yīng)重點加強構(gòu)樹優(yōu)良種源的引進與選育、生物技術(shù)運用等方面的研究。野生構(gòu)樹資源種類繁多［22］，抗逆境能力強［47-59］，而其遺傳變異主要來源于群體內(nèi)［7，25］，表型對組織內(nèi)部的成分和特性有一定的指示作用［10，21，51］。另外，構(gòu)樹的材性、營養(yǎng)成分和抗逆境能力在不同起源間也存在較大變異［4，7，25-28］。構(gòu)樹的剝皮再生誘導(dǎo)試驗表明，構(gòu)樹應(yīng)對外界破壞再生能力強，且IAA 在構(gòu)樹去木質(zhì)部組織再生過程中起著極為重要的作用［40-46］。目前，已建立了高效的構(gòu)樹組培再生和遺傳轉(zhuǎn)化體系［70-74］，構(gòu)樹的蛋白組［77］、轉(zhuǎn)錄組［73，78-79］和全基因組［80］都有被研究，篩選得到大量有用的基因，并獲得了抗旱和耐鹽［2，49，57，82］、抗凍［23，81］、耐重金屬脅迫［73］等的轉(zhuǎn)基因構(gòu)樹，為后續(xù)開展構(gòu)樹材性育種和逆境響應(yīng)分子機制的研究提供了重要的候選基因資源，也為相應(yīng)品種選育打下了良好基礎(chǔ)。隨著生態(tài)環(huán)境的不斷惡化和人類對經(jīng)濟利益的需求，今后在構(gòu)樹機理和應(yīng)用研究中，構(gòu)樹多基因調(diào)控材性及對干旱、重金屬和鹽堿脅迫應(yīng)作為重點研究內(nèi)容。

構(gòu)樹作為一種多功能性樹種，可嘗試將其與醫(yī)藥、生態(tài)恢復(fù)、生態(tài)旅游、養(yǎng)殖業(yè)和食品加工業(yè)等結(jié)合，實現(xiàn)構(gòu)樹林-料-畜-游一體化，既能幫助農(nóng)林業(yè)脫貧致富，又能改善生態(tài)環(huán)境，同時還能帶動當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖業(yè)和飼料加工業(yè)發(fā)展，對構(gòu)樹產(chǎn)業(yè)升級改造具有重要意義。