中國杜鵑花保育研究進(jìn)展*

李 婧,周 艷,辛培堯

(1.西南林業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院,云南昆明 650224;2.貴州省植物園,貴州貴陽 550004;3.國家林業(yè)和草原局西南喀斯特山地生物多樣性保護(hù)重點實驗室,貴州貴陽 550004)

杜鵑花(Rhododendron)為杜鵑花科(Ericaceae)杜鵑屬植物的統(tǒng)稱,目前全世界記載的杜鵑花有1 200余種(含種下等級)[1],中國有734種,其中464種為特有種[2],是中國木本被子植物中最大的一個屬,物種多樣性極為豐富[3]。杜鵑花在中國分布廣泛,除新疆和寧夏外的其他地方均有野生種類分布記載,西南地區(qū)是杜鵑花的分布中心,云南、四川、西藏省區(qū)內(nèi)的野生杜鵑花資源最為豐富[4]。

杜鵑花是常綠或落葉、半落葉灌木或喬木,花形大小不一,花色絢麗多彩,素有花中“西施”的美稱,是中國十大傳統(tǒng)名花之一,與龍膽花(Gentiana)、報春花(Primula)合稱為“中國三大天然名花”和“世界三大高山花卉”,極具觀賞價值[5]。杜鵑花是世界上較脆弱的生態(tài)系統(tǒng)之一的亞熱帶常綠闊葉林和喜馬拉雅至橫斷山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,對該地區(qū)的斜坡固定和流域保護(hù)等方面起著重要作用[6]。杜鵑花是我國西南地區(qū)高山、亞高山灌叢和針葉林、針闊混交林、常綠闊葉林等自然生態(tài)系統(tǒng)中的重要成分,對維持自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有極為重要的意義[7];杜鵑花也是種群生物學(xué)、植物區(qū)系及生物多樣性研究的主要類群,具有很高的生態(tài)價值,更是重要的園林資源[8]、藥材和工業(yè)原料[9],極具開發(fā)應(yīng)用價值。

我國是最早在園林、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用杜鵑花資源的國家,杜鵑花在我國相關(guān)文字記載上已有2 000多年的歷史。歐美國家是世界上較早對我國高山常綠杜鵑花進(jìn)行大規(guī)模引種保育和分類學(xué)研究的國家,我國大量的杜鵑花資源自19世紀(jì)中后期起就不斷地流入西方園林和相關(guān)科學(xué)研究部門。迄今為止,歐美國家已登記的杜鵑花新品種數(shù)量高達(dá)幾萬個,而我國從20世紀(jì)60年代開始引種杜鵑花,80年代后育種工作才開始起步[10]。我國有著豐富的杜鵑花資源,在西方園林的建設(shè)和發(fā)展中起到了巨大作用,但與之形成鮮明對比的是我國對杜鵑花的保育和開發(fā)應(yīng)用水平較低。20世紀(jì)80年代后,國內(nèi)對杜鵑花的研究主要涉及其分布規(guī)律[11]、生理生化[12,13]、花粉形態(tài)[14,15]等方面。近年來,杜鵑花的資源及利用[16,17]、遺傳學(xué)[18,19]、雜交育種[20,21]等方面也逐漸受到重視。因此,筆者全面梳理相關(guān)研究資料,從栽培技術(shù)、育種方法等方面綜述中國杜鵑花的保育研究進(jìn)展,針對目前我國杜鵑花保育研究存在的不足提出建議,以期為今后我國杜鵑花資源的保護(hù)和種質(zhì)創(chuàng)新研究提供參考。

1 杜鵑花栽培技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們逐漸認(rèn)識到杜鵑花栽培技術(shù)的重要性,筆者通過對前人的研究成果進(jìn)行總結(jié),得出以下杜鵑花栽培要點。

1.1 土壤

杜鵑花是典型的酸性土植物[22],大部分種類適合在pH值4.5-5.5的偏酸性、透氣疏松、富有營養(yǎng)的土壤中生長。常用的栽培基質(zhì)有腐殖土、泥炭土及添加珍珠巖的混合基質(zhì)。

1.2 溫度

杜鵑花一般適合在15-25 ℃的環(huán)境中生長,夏季最高氣溫控制在35 ℃以下,超過35 ℃杜鵑花將處于半休眠狀態(tài),新梢和新葉生長緩慢。此外還應(yīng)注意適當(dāng)遮光和通風(fēng),避免光照直射,否則會影響葉片的正常代謝機能,造成葉片被灼傷,引起植物生理失衡。冬季氣溫應(yīng)控制在-5 ℃以上,當(dāng)氣溫低于0 ℃時,部分杜鵑花可能會遭受凍害,引發(fā)生長不良[23]。

1.3 水分

杜鵑花喜歡溫潤的環(huán)境,對土壤水分要求較高,不能干也不能澇,土壤水分應(yīng)控制在潮而不濕最好[24]。春秋生長季一般3 d澆一次水,濕度保持在60%以上,在炎熱的夏季要勤澆水,可每天澆一次水,但濕度要保持在70%以下,在寒冷的冬季要適當(dāng)減少澆水次數(shù),土壤不干就不需要澆水。澆灌的水質(zhì)以偏酸性為宜,不能用堿性水澆灌,最好使用雨水或河水澆灌,如果使用自來水,需添加適當(dāng)?shù)牧蛩醽嗚F調(diào)節(jié)水質(zhì)偏酸性。

1.4 施肥

杜鵑花的施肥需針對其生長特性進(jìn)行。一般在我國南方地區(qū),杜鵑花的生長期為2-3月,花期4-5月,果期6-8月,花芽分化期9-10月,11月至翌年1月為休眠期;而在我國北方地區(qū),除休眠期比南方早一些外,其他時期均比南方晚30 d左右。杜鵑花喜肥,但要勤施薄肥,忌濃肥,避免傷根、傷葉,通常選擇有機肥作為基肥,可酌情添加一定的化合肥,生長期可每隔7 d施一次肥,施3-4次即可,從而促進(jìn)幼苗快速生長。花期前可適當(dāng)施一些磷鉀肥,使花色艷麗、花期延長,開花后施一些氮磷鉀復(fù)合肥,使植株恢復(fù)活力、萌發(fā)新梢。花芽分化期需每隔14 d施一次磷肥,促進(jìn)花芽分化。休眠期、病株不施肥[25]。

1.5 修剪

杜鵑花的修剪主要采用疏枝、摘心、剝蕾、抹芽等方法[26]。一般在杜鵑花生長期對枝桿上新生的不必要的枝條進(jìn)行剪除,有必要保留的枝條不剪短,并及時剪除枯枝、病枝、殘花等。杜鵑花一般在生長期進(jìn)行摘心,待杜鵑花生長到適合高度時,將頂芽摘除以去除頂端優(yōu)勢,達(dá)到控制高度、樹形,促進(jìn)側(cè)枝萌發(fā)的目的。秋冬過后至花期前,當(dāng)杜鵑花花蕾長到綠豆粒大小時,可對其進(jìn)行剝蕾,剝除葉腋間著生的側(cè)蕾,使?fàn)I養(yǎng)集中供給頂蕾開花,頂花營養(yǎng)充足、絢麗多姿。為了讓花芽分布更合理,一般在杜鵑花生長期對莖干上萌發(fā)的不定芽進(jìn)行抹芽,使根系所吸收的大部分營養(yǎng)供給優(yōu)質(zhì)花芽,避免養(yǎng)分分散影響樹形。

1.6 病蟲害防治

杜鵑花的病害主要有黑斑病、根腐病、葉斑病等,一般是由于不通風(fēng)、缺乏光照等引起的真菌感染[27],可通過增加空氣流通和光照、噴灑百菌清和波爾多液等方法來處理。蟲害主要有杜鵑薊馬(Thripsanderwsi)、梨冠網(wǎng)蝽(Stephanitisnashi)和卵形短須螨(Brevipalpusobovatus)等,可使用適合的殺蟲劑進(jìn)行防治。

1.7 花期調(diào)控

杜鵑花主要采用溫度調(diào)控、催花劑、修剪等方法來調(diào)控花期[28]。杜鵑花通常在春天開花,若想要提前開花,可以在春節(jié)前將植株的生長環(huán)境溫度調(diào)節(jié)至20 ℃,增加光照;若想要花期適當(dāng)延遲,可以在初春時將植株的生長環(huán)境溫度調(diào)節(jié)至5 ℃左右,到預(yù)定花期前的20 d調(diào)節(jié)至20 ℃。使用催花劑調(diào)控花期,要在花芽分化期噴施硼酸、磷酸二氫鉀等催花劑,增加光照可促進(jìn)開花,停止追肥、進(jìn)行遮光可推遲開花。使用修剪法調(diào)控花期,要在開花后立刻剪下花枝,10月下旬即可開花,在植株生長旺盛期修剪能延遲花期30-50 d。

2 杜鵑花育種技術(shù)

2.1 育種現(xiàn)狀

杜鵑花在早期主要是通過扦插、嫁接的方法進(jìn)行繁殖,人們在不斷的實踐中對這兩種方法進(jìn)行總結(jié)和完善,技術(shù)已逐漸成熟。但某些品種使用扦插繁殖難以生根,而且扦插和嫁接都受到季節(jié)和母株材料的限制,導(dǎo)致商業(yè)化大量生產(chǎn)推廣困難,進(jìn)而使播種育苗和組織培養(yǎng)技術(shù)在杜鵑花的育種研究中越來越受到重視[29]。隨著科學(xué)研究的不斷深入,多倍體育種、基因工程育種等新的杜鵑花育種方法也應(yīng)運而生[21]。近年來,我國在杜鵑花的新品種培育方面也取得了一定成績,筆者對近十年來國家林業(yè)和草原局官方網(wǎng)站上公告的杜鵑花新品種授權(quán)信息進(jìn)行了整理分析,結(jié)果如圖1所示,我國近十年來共授權(quán)杜鵑花新品種163個,授權(quán)數(shù)量整體呈上升趨勢,其中,2021年授權(quán)數(shù)量最多,高達(dá)49個。綜合來看,我國杜鵑花的育種產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展期,初步形成了以長三角地區(qū)企業(yè)圍繞產(chǎn)業(yè)需求進(jìn)行育種為主,云南等地科研院所圍繞科學(xué)研究進(jìn)行育種為輔的育種格局[30]。

圖1 不同年份杜鵑花新品種授權(quán)數(shù)量

2.2 雜交育種

雜交育種是目前杜鵑花育種中使用較為廣泛且有效的方法之一,它能將不同親本的優(yōu)良性狀融合形成新的品種。根據(jù)育種目標(biāo)選擇合適的雜交親本是雜交育種成功的關(guān)鍵,如新品種需要增強香氣和抗性,則至少親本一方中應(yīng)具有香氣,另一方應(yīng)具有強抗性。多項研究表明,杜鵑花的雜交親和性和其系統(tǒng)關(guān)系具有相關(guān)性,一般同一亞組內(nèi)的雜交親和性大于組內(nèi)亞組間,亞屬間的雜交親和性最小,存在明顯的生殖障礙,雜交成功率低,但也有雜交可育的[31,32]。鄭碩理等[33]為探究杜鵑花亞屬內(nèi)和亞屬間的雜交育種規(guī)律,對3個亞屬6種杜鵑花進(jìn)行22個雜交組合,結(jié)果顯示,常綠杜鵑亞屬(Subgen.Hymenanthes)內(nèi)的雜交坐果率最高為75.0%,最低為0,平均坐果率為50.1%;而不同亞屬間的雜交坐果率最高為21.7%,最低為0,平均坐果率僅為16.0%。莊平[34]為探索杜鵑花亞屬間雜交的可育性規(guī)律,對5個亞屬32種杜鵑花進(jìn)行118個雜交組合,結(jié)果發(fā)現(xiàn),常綠杜鵑亞屬和杜鵑亞屬(Subgen.Rhododendron)間的雜交親和性較高,但常綠杜鵑亞屬和映山紅亞屬(Subgen.Tsutsusi)間雜交不育,馬銀花亞屬(Subgen.Azaleastrum)和杜鵑亞屬、映山紅亞屬、羊躑躅亞屬(Subgen.Pentanthera),以及杜鵑亞屬和羊躑躅亞屬間雜交均不育,其他亞屬間的雜交又具有一定親和性,總體上亞屬間雜交的可育比僅有20.0%。杜鵑花的種類繁多,可用于雜交育種的親本多種多樣,親本間的可配性需要在已有研究基礎(chǔ)上不斷地試驗和完善。

2.3 多倍體育種

目前,國內(nèi)市場上二倍體的栽培杜鵑花較多,多倍體的較少。Sax[35]首先提出杜鵑花的染色體基數(shù)n=13,并發(fā)現(xiàn)了四倍體的杜鵑花R.canadense和R.calendulaceum。Ammal[36]開展了更深入的研究發(fā)現(xiàn),多倍體的杜鵑花出現(xiàn)在一些杜鵑亞屬和羊躑躅亞屬物種中,最高倍性為十二倍體。多倍體會影響植物的生長、雜交可育性、基因表達(dá)等[37]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),可以利用多倍體作為親本來提高育種效率[38,39],將多倍體育種應(yīng)用到杜鵑花的遠(yuǎn)緣雜交中,既能克服遠(yuǎn)緣雜交不親和性,又能獲得性狀改良的新品種,是一個提高育種效率、解決遠(yuǎn)緣雜交不育問題的可行方法[40]。多倍體育種常用的方法是利用氨磺靈、秋水仙素等化學(xué)試劑對杜鵑花幼苗、種子進(jìn)行誘變或者低溫誘變。Jones等[41]使用創(chuàng)制的氨磺靈懸濁液成功誘導(dǎo)出四倍體杜鵑花。彭綠春等[42]以腋花杜鵑(R.racemosum)無菌苗為材料,利用秋水仙素誘導(dǎo)多倍體,最終鑒定得到四倍體腋花杜鵑141株。

2.4 基因工程育種

近年來,分子標(biāo)記技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)等基因工程技術(shù)已逐漸成為杜鵑花育種研究中的熱點。Pavingerová等[43]最先使用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法,將攜帶T-DNA基因和nptⅡ基因的農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)入5個杜鵑花品種中,并通過熒光染色法、PCR檢測及Southern雜交等方法,證明了GUS基因被成功轉(zhuǎn)入到這5個杜鵑花品種中。Knapp等[44]使用基因槍法將含nptⅡ基因的報告基因uidA和GFP成功轉(zhuǎn)入橢圓葉杜鵑(R.catawbiense)中,獲得再生轉(zhuǎn)基因植株。高文強[45]使用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白基因AtNHX1成功轉(zhuǎn)入映山紅(R.simsii)中,提高了其耐鹽性。彭綠春等[46]基于GUS基因瞬時表達(dá)優(yōu)化了云南杜鵑(R.yunnanense)的遺傳轉(zhuǎn)化方法。

2.5 細(xì)胞工程育種

細(xì)胞工程育種是指用細(xì)胞融合的方法來獲得雜種細(xì)胞,利用細(xì)胞的全能性,用組織培養(yǎng)的方法培育雜種植株。其優(yōu)點是能克服遠(yuǎn)緣雜交的不親和性,有針對性地培育優(yōu)良品種,缺點是技術(shù)比較復(fù)雜,難度較大。目前,細(xì)胞工程育種的主要方式有3種:一是通過細(xì)胞培養(yǎng)和組織培養(yǎng)相結(jié)合的方式,這種方式能產(chǎn)生大量的變異植株,從這些變異植株中選擇優(yōu)良的變異植株培育出新品種,這種方式培育的新品種比人工誘變產(chǎn)生的新品種效果要好、損傷也較小,更適合直接應(yīng)用于杜鵑花的育種。二是花藥培養(yǎng)技術(shù),這種方式是將單倍體花粉培育成單倍體植株,單倍體植株經(jīng)加倍后得到純合二倍體植株作為育種親本。這種方式能控制雜種分離,簡化了育種程序,提高了選擇效率以縮短育種年限。三是原生質(zhì)體融合技術(shù),這種方式不但能克服有性雜交的不親和性,還能使父本和母本的葉綠體、線粒體等細(xì)胞質(zhì)基因組合在一起,使雜種具有雙親的遺傳特性,克服了母性遺傳中難以得到父本細(xì)胞質(zhì)基因的困難[47]。這種方式給杜鵑花的育種技術(shù)帶來了新的突破,對杜鵑花的新品種選育具有十分重要的意義[48]。孫振元等[49]應(yīng)用細(xì)胞工程方法對毛白杜鵑(R.mucronatum)進(jìn)行耐堿突變體的離體篩選與鑒定,結(jié)果證明利用細(xì)胞工程方法培育耐堿新品種是完全可行的。

2.6 抗性育種

隨著育種技術(shù)的不斷發(fā)展,杜鵑花的育種方向也著力于解決栽培中遇到的難點問題。杜鵑花是典型的喜酸怕堿植物,這個特性限制了杜鵑花在堿性土或中性土中的生長,所以培育耐堿品種是現(xiàn)代杜鵑花育種的目標(biāo)之一。陸娟娟[50]對20個杜鵑花品種進(jìn)行了耐堿能力比較研究,成功篩選出7個較耐堿的杜鵑花品種?？购敌砸彩嵌霹N花抗性育種研究的目標(biāo)之一,為了篩選出抗旱性強的杜鵑花品種,鄭穎等[51]和齊鳴等[52]分別對6個和5個杜鵑花品種進(jìn)行抗旱性評價,結(jié)果發(fā)現(xiàn)“紫氣東升”(R.‘Zi Qi Dong Sheng’)和刺毛杜鵑(R.championiae)的抗旱性最強。杜鵑花多分布于高海拔地區(qū),喜冷涼濕潤氣候,高溫氣候限制了杜鵑花在低海拔地區(qū)園林景觀中的應(yīng)用,所以選育耐熱品種是解決杜鵑花從高海拔地區(qū)走向低海拔地區(qū)的關(guān)鍵。為篩選出耐熱性強的杜鵑花品種,蔡繼鴻等[53]對18個杜鵑花品種進(jìn)行了耐熱性評價,結(jié)果發(fā)現(xiàn)“綠色光輝”(R.‘Lv Se Guang Hui’)的耐熱性最好。耿興敏等[54]以3個杜鵑花品種為試驗材料,通過H2O2預(yù)處理來調(diào)控幼苗抗氧化防御系統(tǒng),減輕高溫脅迫下的過氧化損傷,提高了杜鵑花的耐熱性。選育抗寒品種是解決杜鵑花南種北引的關(guān)鍵。為篩選出抗寒性強的杜鵑花品種,劉旭梅等[55]對20個杜鵑花品種進(jìn)行抗寒性評價,結(jié)果發(fā)現(xiàn)“紅玥”(R.‘Hong Yue’)的抗寒性最強。Uosukainen等[56]篩選出耐-30 ℃以下低溫的杜鵑花品種,擴(kuò)大了杜鵑花的栽培應(yīng)用范圍。

3 展望

中國從20世紀(jì)60年代才開始杜鵑花的保育研究工作,相對于歐美國家起步較晚,研究基礎(chǔ)薄弱,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,我國杜鵑花的保育工作取得了一定進(jìn)展,保育技術(shù)不斷創(chuàng)新,新品種授權(quán)數(shù)量也逐步增加,但目前仍存在以下不足:(1)杜鵑花育種方法還是以常規(guī)的育種技術(shù)為主,先進(jìn)的育種技術(shù)還沒有被廣泛應(yīng)用,育種研究進(jìn)程也比較緩慢。(2)對野生杜鵑花種質(zhì)資源的保護(hù)和開發(fā)利用力度不夠大。(3)對杜鵑花針對性的目標(biāo)選育研究不夠深入。

針對這些不足筆者建議:(1)常規(guī)育種與先進(jìn)的基因工程育種、航天誘變育種等相結(jié)合的復(fù)合育種技術(shù)研究及應(yīng)用應(yīng)作為今后杜鵑花保育研究的重點,不斷創(chuàng)新育種技術(shù)以加快育種研究進(jìn)程。(2)加強對野生杜鵑花的保育研究,特別是對瀕危物種開展急救性保育,避免種群滅絕及遺傳多樣性喪失,同時,充分發(fā)揮我國野生杜鵑花資源優(yōu)勢,重點挖掘觀賞性高、抗逆性強的特有種質(zhì)資源進(jìn)行栽培和育種,加大開發(fā)利用力度。(3)在今后的育種研究中應(yīng)針對性地選育具有獨特花香、花色、花形或強抗逆性的杜鵑花新品種,以豐富杜鵑花種類,滿足不同目標(biāo)需求,進(jìn)而推動杜鵑花在園林景觀中的應(yīng)用。

中國豐富的杜鵑花資源是大自然贈予的瑰寶,我們應(yīng)充分發(fā)揮資源優(yōu)勢,建設(shè)資源共享平臺,促進(jìn)資源整合、共享、保護(hù)和利用。同時,應(yīng)加強種質(zhì)資源創(chuàng)新工作,不斷探索新的栽培方法和繁育技術(shù),解決當(dāng)下存在的問題,填補研究空白,推動杜鵑花的保育和應(yīng)用發(fā)展。