我國棗種質(zhì)資源研究利用進展

李登科，王永康，薛曉芳，任海燕，趙愛玲

(山西農(nóng)業(yè)大學果樹研究所/果樹種質(zhì)創(chuàng)制和利用山西省重點實驗室，山西 太原 030031)

廣義的“棗”是棗屬(Ziziphus)植物的總稱，為鼠李科(Rhamnaceae)植物中最重要的一個屬，全世界有170多個種，基本上分布于亞洲、美洲和非洲等熱帶地區(qū)，僅有少數(shù)種延伸至亞熱帶和溫帶，且大多處于未發(fā)掘利用的野生狀態(tài)。在我國，“棗”主要指棗屬植物之中的一個栽培種，也稱中國棗、紅棗、大棗等[1]。棗(Ziziphusjujube)、酸棗(Ziziphusacidojujube)和毛葉棗(Ziziphusmauaritiana)3個種是主要的棗屬植物，已開展了系統(tǒng)研究和規(guī)?；a(chǎn)利用。栽培種的棗和野生種的酸棗均原產(chǎn)中國，最早起源于黃河中下游地區(qū)，除西藏、黑龍江等高海拔和高緯度地區(qū)外其他各地均有分布，為落葉喬木或灌木。毛葉棗原產(chǎn)于小亞細亞南部、北非以及印度東部，在我國為半野生種，小喬木或灌木，主要分布于我國華南和西南的熱帶地區(qū)，在臺灣、海南、云南等地有規(guī)?；耘唷Ｎ覈鴹椇退釛椘鹪囱莼瘹v史悠久，種質(zhì)資源豐富，在資源調(diào)查、收集保存、鑒定評價和創(chuàng)新利用研究等方面取得了巨大成就，為科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展奠定了堅實的基礎。我國毛葉棗也有野生資源分布，但栽培品種大多從國外引進。

1 資源調(diào)查和收集保存

我國歷史上很早就開始對棗品種資源進行文獻描述，《爾雅》《廣志》《齊民要術(shù)》《廣群芳譜》和《植物名實圖考》等諸多古文獻記載品種多達109個，其中《植物名實圖考》最多(87份)[2]。1949年以后，我國先后于 1956-1957 年、 1979-1983年兩次對農(nóng)作物種質(zhì)資源進行了普查，而棗是在中國農(nóng)科院果樹研究所的統(tǒng)一部署下開展全國范圍內(nèi)資源調(diào)查的。根據(jù)調(diào)查資料整理結(jié)果，河北農(nóng)業(yè)大學組織全國棗樹科研單位參與共同編輯出版了《中國果樹志·棗卷》[2]，該書詳細記載700份棗和30份酸棗品種資源。2000年以后，棗種質(zhì)資源調(diào)查研究進一步取得了巨大進展，《中國棗種質(zhì)資源》[3]新收錄棗種質(zhì)244份、酸棗35份和毛葉棗24份，《中國棗品種資源圖鑒》[4]以圖說方式介紹了國家棗種質(zhì)資源圃內(nèi)364份品種資源的性狀表現(xiàn)。并且，上述文獻累計記載棗和酸棗種質(zhì)資源1033份。近年來，國家棗資源圃對華北的中條山、太行山、呂梁山、燕山4大山區(qū)83個縣進行了資源調(diào)查，收集了種質(zhì)320份。自2015年我國開始第3次農(nóng)作物種質(zhì)資源普查工作，2019年底已經(jīng)開展了17個省，包括棗資源普查主要地區(qū)陜西、江蘇、浙江、北京、河北、安徽等，目前尚在進行調(diào)查數(shù)據(jù)資料和實物的整理和初步鑒定中。

在種質(zhì)資源收集保存方面，保存方式主要為田間保存，位于山西太谷的國家棗種質(zhì)資源圃保存全國24個省份的棗和酸棗種質(zhì)資源930份，位于廣東湛江的國家熱帶果樹種質(zhì)資源圃保存毛葉棗近30份。國家種質(zhì)資源圃建有保存圃、鑒定圃及標本實驗室等配套基礎設施，嚴格按照《國家作物種質(zhì)資源圃管理辦法和管理細則》和《農(nóng)作物種質(zhì)資源保存技術(shù)規(guī)程》[5]進行規(guī)范化管理，確保資源的安全保存和高效利用。其他開展棗種質(zhì)資源保存的科研院所還有河北農(nóng)業(yè)大學、西北農(nóng)林科技大學、山東果樹所、北京農(nóng)學院、塔里木大學、廣西農(nóng)科院園藝所等，數(shù)量幾十份至數(shù)百份不等。國家棗種質(zhì)資源圃還建立了500份種質(zhì)資源的圖像和標本展覽室。另外，陜西佳縣泥河溝油棗、小會坪酸棗和河北黃驊冬棗等古棗園和古酸棗林，山東慶云長紅棗、山東寧陽圓鈴棗、和山西高平石末酸棗等千百年樹齡的古樹，被確定為各地政府、中國甚至聯(lián)合國糧農(nóng)組織的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)、歷史文物古跡等并得以保護，涉及品種資源35份[1]。

棗種質(zhì)資源的系統(tǒng)調(diào)查和收集保存工作挽救了大批珍稀瀕危資源，為科學研究和開發(fā)利用提供了良好的基礎條件，具有重要的里程碑意義。

2 系統(tǒng)鑒定評價和遺傳多樣性研究

2.1 鑒定評價技術(shù)規(guī)范的制定

種質(zhì)資源技術(shù)規(guī)范是實現(xiàn)種質(zhì)資源工作標準化、信息化和現(xiàn)代化的基礎性工作，對于規(guī)范種質(zhì)資源研究、度量遺傳多樣性和豐富度、確保遺傳完整性、提升共享利用成效等方面具有重要作用[6]。蒲富慎[7]制定了棗、蘋果、梨等18種果樹種質(zhì)資源描述符，為我國果樹種質(zhì)資源工作的評價起到了重要作用。隨著研究的深入和資源共享利用的需求，種質(zhì)資源描述和鑒定評價方法有待進一步完善。李登科等[8]在原有資料的基礎上，根據(jù)研究實際需求，規(guī)定了棗種質(zhì)資源描述符121項，包括基本信息、形態(tài)特征和生物學特性、品質(zhì)特性、抗逆性、抗病蟲性和其他7個方面。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家林業(yè)和草原局分別頒布了《棗種質(zhì)資源描述規(guī)范》[9]《農(nóng)作物種質(zhì)資源鑒定評價技術(shù)規(guī)程—棗》[10]《植物品種特異性、一致性、穩(wěn)定性測試指南—棗》[11]和《熱帶作物種質(zhì)資源描述規(guī)范—毛葉棗》[12]等行業(yè)標準。梁天[13]對毛葉棗DUS測試指南進行了編制。上述標準指南進一步規(guī)范了鑒定內(nèi)容和程序，基本形成了完整的表型農(nóng)藝性狀鑒定評價技術(shù)體系。在DNA鑒定評價方面，制定了《棗品種鑒定技術(shù)規(guī)程SSR分子標記法》[14]，為種質(zhì)資源分子鑒定提供了技術(shù)標準。相關(guān)鑒定評價技術(shù)標準的制定有利于鑒定評價數(shù)據(jù)的準確性、穩(wěn)定性和可比性，有利于資源信息和實物共享利用。

對于數(shù)量性狀來說，分級標準對客觀評價定位一份種質(zhì)的特異性非常重要。按照數(shù)值范圍進行等差分級一般是根據(jù)經(jīng)驗確定的，具有直觀性，但難以反映取值的概率分布。劉孟軍[15]對棗品種的數(shù)量性狀進行了概率分級，提出了數(shù)量性狀概率分級方法，使數(shù)量性狀的分級標準更加客觀準確。楊雷等[16]提出了酸棗主要數(shù)量性狀的5級概率分級標準。王永康[17]根據(jù)22個主要數(shù)量性狀在調(diào)查群體的分布情況，在優(yōu)良種質(zhì)優(yōu)異種質(zhì)資源篩選比例在20%-30%、特異資源5%左右的條件下，確定了各性狀優(yōu)良和特異種質(zhì)判斷的數(shù)值標準。在果實經(jīng)濟性狀綜合評價方面，于孟杰等[18]對棗果實品質(zhì)進行了灰色關(guān)聯(lián)度分析，在0.790、0.770、0.750的3個關(guān)聯(lián)度點將果實品質(zhì)分為優(yōu)良、良好、一般和較差4級。因此，根據(jù)種質(zhì)資源性狀多樣性分布狀況對單一性狀或綜合性狀進行評價也更加全面客觀。

2.2 表型農(nóng)藝性狀鑒定評價

目前，根據(jù)棗種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準，國家棗種質(zhì)資源圃通過多年的數(shù)據(jù)調(diào)查整理整合，已完成棗和酸棗種質(zhì)資源編目730份，建立了620份種質(zhì)資源121個數(shù)據(jù)項的個性數(shù)據(jù)和45個數(shù)據(jù)項的共性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，篩選出了一批豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆、無核、曲枝、宿萼等性狀優(yōu)特異的種質(zhì)資源。在棗種質(zhì)資源鑒定研究過程中，除了表型性狀外，還開展了孢粉學、核型分析、同工酶等形態(tài)和生物化學等研究。彭建營等[19]按照花粉形態(tài)列出了65個棗品種的花粉檢索表。蘇新惠[20]對34份毛葉棗的劃分形態(tài)進行了分析比較，對分類鑒定具有一定的作用。楊云貞[21]通過核型分析將28個棗品種依據(jù)Stebbins核型分類分為2A、2B、2C 共3種類型。王秀伶等[22]采用POD同工酶分析將36份自然授粉實生后代合并為5種譜型，83個酸棗類型合并為22種譜型。盡管上述方法在一定范圍內(nèi)應用效果較好，但對于大群體來說多態(tài)性和穩(wěn)定性較差，因而具有一定的局限性。近年來，鑒定篩選出的優(yōu)特異棗種質(zhì)主要包括二四混倍體[23]、三倍體[24]、高含仁率種質(zhì)以及雄性不育種質(zhì)[25]等，對于育種研究具有重要利用價值。Liang等[26]采用流式細胞儀對毛葉棗進行染色體倍性鑒定，18份材料中分別有7份四倍體、7份六倍體、3 份五倍體和1份八倍體。

2.3 功能性營養(yǎng)成分鑒定分析

棗果富含多種功能性營養(yǎng)成分，不同種質(zhì)間含量差異顯著，開展相關(guān)鑒定分析研究較多。趙愛玲等[28]通過對鮮棗糖酸組分的研究，判定棗果為蔗糖積累型和高蘋果酸優(yōu)勢型果實。除了果實可溶性糖、酸和維生素C含量等常規(guī)項目外，主要集中在多糖、氨基酸、類黃酮、環(huán)核苷酸、皂苷、生物堿、膳食纖維等成分的檢測及抗氧化能力分析。劉孟軍等[29]測定了44份棗和9份酸棗鮮棗的cAMP含量，篩選出的高含量種質(zhì)有呂梁木棗、壺瓶棗、大婆棗和斑棗等。趙愛玲等[30]測定了279個棗品種的黃酮、三萜酸、多糖、維生素C、環(huán)磷酸腺苷(cAMP)和環(huán)磷酸鳥苷(cGMP)6個功能性營養(yǎng)成分含量，篩選出了各成分的高含量種質(zhì)。薛曉芳等[31]通過204份種質(zhì)的cAMP和cGMP含量的測定，顯示二者之間具有顯著正相關(guān)性。彭艷芳[32]測定了不同棗品種果實總皂甙含量。張瓊[33]研究分析了棗果皮色素組分。棗果實和其他組織富含生物活性物質(zhì)，加工利用價值巨大，但不同種質(zhì)之間含量差異較大，篩選高含量特異種質(zhì)對精深加工利用具有重要意義。

2.4 基因組測序和功能基因分析發(fā)掘

基因組的測序和大小是種質(zhì)資源演化歷史和遺傳多樣性豐富程度的反映，是分子生物學研究的重要參考依據(jù)。吳麗萍等[33]采用流式細胞儀測定棗和酸棗的基因組大小平均為418.56 Mb。Liu等[34]利用基因組測序測定冬棗基因組大小為444 Mb。Huang等[35]全基因組鳥槍測序駿棗的基因組大小為451 Mb。Wang等[36]測定了301個棗和81個酸棗的基因組大小，發(fā)現(xiàn)與果實大小呈顯著正相關(guān)。不同棗種質(zhì)基因組大小不同，可能與許多性狀有一定的相關(guān)性。Huang等[37]還對棗屬的酸棗、毛葉棗和Z. spinina-christi 4個種的葉綠體基因組進行了測序。棗核酸及葉綠體基因組測序為功能基因、優(yōu)特異性狀形成機制等的研究提供了基礎條件，有重要的科學應用價值。

RAPD、SRAP、AFLP、SSR、ISSR、GWAS等分子標記、遺傳圖譜構(gòu)建、基因克隆表達以及生物信息學在棗種質(zhì)資源鑒定、演化進化、遺傳多樣性、雜交后代鑒定、基因克隆以及功能基因定位分析等方面均已開展大量研究[38-51]。通過研究，篩選了特異種質(zhì)和特異性狀關(guān)聯(lián)標記片段[38-40]，構(gòu)建了棗核心種質(zhì)[42,43]和高密度遺傳圖譜，篩選了部分特異性狀關(guān)聯(lián)基因以及性狀的QTL定位[46-51]?？寺〉幕蛑饕ˋTP1、ZjSS6、ZjSEP1、Zj4CL、抗壞血酸相關(guān)基因、ZjLFY等，涉及到雄性不育、蔗糖和抗壞血酸代謝、花發(fā)育等相關(guān)基因[52-58]。另外，采用基因組測序和組學技術(shù)開展特異性狀基因鑒定篩選和功能驗證等分析研究進一步促進了棗種質(zhì)資源研究的技術(shù)進步，為更有效的發(fā)掘利用優(yōu)異基因提供了參考依據(jù)。

3 種質(zhì)資源的創(chuàng)制與利用

3.1 種質(zhì)創(chuàng)制與育種利用

種質(zhì)創(chuàng)新技術(shù)和育種利用方面研究取得了重要進展。石蔭坪等[59]通過胚乳培養(yǎng)獲得了三倍體植株。近年來，建立棗幼胚挽救輔助種質(zhì)創(chuàng)制技術(shù)體系[60]，應用控制雜交方法的改進[61]及DNA分子標記輔助鑒定技術(shù)[62]，建立了通過秋水仙素誘變技術(shù)體系[63,64]，已經(jīng)獲得了一批雜交后代和優(yōu)系，其中棗和酸棗的單倍體、二倍體、三倍體、四倍體和八倍體新種質(zhì)30 余個[65]。在棗花藥和花粉培養(yǎng)方面也獲得了多個品種的花粉植株[66-68]。至今為止，通過地方品種株系選優(yōu)、實生選中、誘變育種等途徑，全國共選育(審定和新品種保護)棗、酸棗和毛葉棗新品種近300個，已有‘辰光’[69]、‘虹光’[70]等四倍體品種通過審定。

3.2 優(yōu)異種質(zhì)生產(chǎn)利用

近40年來，棗種質(zhì)資源在我國棗產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)栽培中發(fā)揮了巨大作用。具有代表性的且大規(guī)模應用的種質(zhì)包括‘臨猗梨棗’‘冬棗’‘壺瓶棗’‘駿棗’和‘灰棗’等，單個品種的栽培面積最多時可達數(shù)百萬畝。區(qū)域性應用的新種質(zhì)主要有‘靈武長棗’‘臨黃1號’‘七月鮮’‘馬牙白’‘伏脆蜜’‘山東梨棗’等。鮮食種質(zhì)‘臨猗梨棗’具有矮化、豐產(chǎn)、適應強等優(yōu)異栽培經(jīng)濟性狀，矮密豐栽培技術(shù)模式對快速提高產(chǎn)量起到了重要作用?！瑮棥r食品質(zhì)優(yōu)異，是目前最主要的優(yōu)質(zhì)鮮食種質(zhì)。制干種質(zhì)‘壺瓶棗’‘駿棗’‘灰棗’和‘七月鮮’等制干品質(zhì)上乘，且適宜產(chǎn)業(yè)西移和新疆干旱少雨的氣候條件下栽培，滿足了消費者和市場優(yōu)質(zhì)化的需求。

3.3 數(shù)據(jù)信息共享服務平臺

現(xiàn)代信息化和數(shù)字化網(wǎng)絡技術(shù)為種質(zhì)資源信息共享服務提供了有力保障，顯著提升資源利用成效，促進實現(xiàn)了信息和實物共享。我國在不同發(fā)展階段先后建立了多種種質(zhì)資源共享服務平臺，并隨著時代的發(fā)展在不斷完善和提高中?！捌呶濉逼陂g即建立國家果樹種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫及計算機管理系統(tǒng)。中國農(nóng)業(yè)科學院作物研究所建立了包括棗在內(nèi)的中國作物種質(zhì)資源信息系統(tǒng)和中國作物種質(zhì)信息網(wǎng)(http://icgr.caas.net.cn/)。2005年左右中國農(nóng)科院茶葉所建立了國家農(nóng)作物種質(zhì)資源信息系統(tǒng)(http://www.ziyuanpu.net.cn/)。2011年國家成立了科技基礎性工作平臺，建立了包括棗在內(nèi)的農(nóng)作物種質(zhì)資源平臺。2019年科技部和財政部共同發(fā)文進一步調(diào)整優(yōu)化國家科技資源共享服務平臺，確定了20個國家科學數(shù)據(jù)中心和30個國家生物種質(zhì)與實驗材料資源庫，其中之一的國家園藝種質(zhì)種質(zhì)由中國農(nóng)科院鄭州果樹所負責，包括棗在內(nèi)的所有果樹均屬于國家園藝種質(zhì)種質(zhì)庫的組成部分，太谷棗種質(zhì)資源庫是其中的分庫之一。已經(jīng)開通了國家園藝種質(zhì)資源信息網(wǎng)(http://www.nhgrc.cn/)，來自國家棗種質(zhì)資源圃多年定點觀測數(shù)據(jù)信息的共享正在調(diào)試運行中。此外，河北農(nóng)業(yè)大學建立了中國棗種質(zhì)資源網(wǎng)絡信息系統(tǒng)(http://www.ziziphus.net/zzzy)，并提供了各品種原產(chǎn)地的調(diào)查數(shù)據(jù)。

4 存在問題和研究展望

4.1 存在問題

棗種質(zhì)創(chuàng)新利用技術(shù)不高，雜交育種尚未取得根本性突破，極大地限制了種質(zhì)資源的高效利用，具有重要育種和栽培利用價值的優(yōu)異資源缺乏，主要原因在于種質(zhì)資源精準鑒定評價技術(shù)難以滿足需要。表型性狀是種質(zhì)特征特性最直觀的反映，更是功能基因、生理生化以及栽培技術(shù)等研究結(jié)果的最終驗證和評判依據(jù)。但棗樹基因形狀表現(xiàn)高度雜合，顯著的成對基因性狀表現(xiàn)極為罕見。某一性狀表現(xiàn)是諸多微效基因、環(huán)境飾變以及人為因素共同作用的結(jié)果，造成許多關(guān)鍵數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)的重復性和穩(wěn)定性較差，因而需特殊的鑒定材料和有效方法條件下開展鑒定，需多年多點觀察測定，在嚴格的單一差異原則條件下比較不同種質(zhì)間的差異，反映群體的多樣性狀況，篩選出真正的優(yōu)特異性狀資源。

4.2 研究展望

4.2.1 種質(zhì)資源優(yōu)異基因深入鑒定挖掘

隨著分子生物學技術(shù)的不斷發(fā)展深入，開展棗優(yōu)異基因挖掘研究非常必要。鑒定篩選優(yōu)特異性狀的關(guān)聯(lián)基因，進一步確定基因的準確性，達到可應用程度，將有助于優(yōu)特異性狀的檢測和育種早期鑒定。

4.2.2 種質(zhì)資源創(chuàng)新利用技術(shù)研發(fā)

棗樹雜交尚未獲得根本性突破，種質(zhì)利用具有很大的發(fā)展空間。結(jié)合傳統(tǒng)和現(xiàn)代分子生物學技術(shù)，已開展了胚培養(yǎng)和分子標記輔助育種技術(shù)和田間多倍體誘導創(chuàng)新技術(shù)以取得了一定進展。利用精準的農(nóng)藝性狀基因開展早期鑒定，熟化采用親本來源分子鑒定技術(shù)，縮短周期，提高種質(zhì)創(chuàng)制效率。開展酸棗、棗和毛葉棗等種間雜交育種技術(shù)研究，種間育種特性差異性顯著，具有極強的互補性。酸棗藥用價值大，胚發(fā)育良好，容易獲得雜交后代群體。棗果實食用商品利用明顯優(yōu)于酸棗，營養(yǎng)成分含量豐富。毛葉棗大多為多倍體，且大多由于雌雄花期不育等原因僅通過雜交才可結(jié)果，且果實個大，肉質(zhì)酥脆多汁。尋找一條有效的種間雜交技術(shù)途徑將會有助于育種技術(shù)的新突破。

4.2.3 加強野生種質(zhì)資源調(diào)查收集

注重野生資源資源的調(diào)查和收集保存。酸棗資源十分豐富，但限于保存能力等原因，保存數(shù)量有限。野生資源是種質(zhì)資源研究的重要組成部分，且有巨大的藥用價值，需求量越來越大。進一步發(fā)掘利用野生資源潛力巨大。

4.2.4 加強保護利用信息化和現(xiàn)代化條件建設

從資源的調(diào)查收集、保護利用、鑒定評價以及共享利用等全過程加強現(xiàn)代化信息技術(shù)的應用，將大大提高工作效率。資源原產(chǎn)地的信息追溯，資源保存的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管，專業(yè)鑒定評價數(shù)據(jù)的采集與處理，信息共享服務平臺多樣化和大眾化，實時開展跟蹤服務和信息交流，全面提高信息化技術(shù)水平，是種質(zhì)管理現(xiàn)代化的重要內(nèi)容和發(fā)展目標之一。