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摘要百合作为集药用、食用、观赏于一身的植物,具有很高的经济价值。但是百合种性易退化,并存在严重的病害,培育出高产、优质、抗性强的百合新品种已成当务之急。而百合育种主要以杂交育种为主,现主要就杂交亲本的选配、育种目标及克服种间杂交不亲和的方法等方面进行总结,并提出我国百合育种中存在的问题及解决的方法,以期指导百合的育种工作。
关键词百合;杂交育种;亲本选配;育种目标;存在问题;解决方法
中图分类号S682.2 903.6文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)19-0135-02
百合是单子叶植物亚纲百合科(Liliaceae)百合属(Lilium)多年生草本植物,是国家卫生部首批公布药食同源的食品,也可以作切花、盆景等观赏用。但是百合主要靠鳞茎进行无性繁殖,种球容易退化,并存在严重的病虫害,因此培育出高产、优质、抗性强的百合新品种已成为当务之急。随着现代生物技术的飞跃发展,分子育种、体细胞杂交、倍性育种等现代育种技术已广泛应用于百合的育种工作中,目前百合育种仍然以杂交育种为主。
1亲本选配
19世纪后期,由于百合病毒病害的蔓延,使大多数栽培种与商品种都面临灭绝的危险;20世纪初,欧洲人发现并引种了原产于我国的岷江百合,立即用于杂交育种中,培育出许多适应性强的新品种,从而掀起了百合育种的高潮。Van Tuyl等认为[1]OA杂种(Oriental×Asiatic hybrids)是最有前景的杂交组合,两者均是商品种,但是商品种大多都是高度杂合的,其种间杂交未必有有利的基因组合,并提出利用野生种与商品种多代杂交以及回交,将野生百合的优良基因渐渗到商品种中,是完善商品种切实可行的育种之路,如细叶百合有较强的抗镰刀菌和抗叶枯病的能力,将其与欧洲百合杂交,将抗病基因渐渗入欧洲百合中,从而培育出新品种金橙花山丹[2]。
2育种目标
百合杂交育种目标主要集中在观赏(如花色、花形、香味、株型等)及栽培性状(如抗病性,抗热、寒性,不同生长周期及无花粉型)的改良方面[3]。
2.1抗病育种
百合主要靠鳞茎进行无性繁殖,而随着百合种植面积日益扩大,百合病害和衰退的现象也越来越严重,给百合的种植业造成了很大的经济损失。百合主要有真菌性、病毒性、细菌性等病害,而以镰刀菌(Fusarium)最为严重和普遍。原产于我国的岷江百合及毛百合等对其具有很强的抗性,Loffler等[4]用毛百合(L.dauricum)与麝香百合(L.longiflorum)杂交,将毛百合的抗真菌(Fusarium)病害的特性渐渗到麝香百合中,选育出抗真菌的新品种。李守丽等[3]认为,在百合新品种选育方面,抗性育种仍然是今后百合育种研究的重点。
2.2抗热育种
我国大部分地区夏季炎热,越夏时百合经常出现生长缓慢、植株低矮、病虫害严重等现象,容易造成百合种球腐烂和退化。通过抗热育种,培育耐高温品种是解决夏季百合生产困难的主要途径。原产于我国的淡黄花百合和台湾百合耐热性能强,在30℃以上的温度条件下还能正常生长。此外,王百合(L.regale)和通江百合(L.sargentiae)耐热性能也较强。新铁炮百合就是由铁炮百合与台湾百合杂交育成的耐热性强的新品种[5]。但是,百合的耐热性研究尚处于起步阶段,用于抗热育种的耐热性指标体系还未确定下来。因此,以后将通过研究百合耐热性的机理,加强百合耐热品种的选育,使百合能安全越夏。
2.3品质性状育种
花色、花形和花香是百合花卉育种的主要目标。亚洲百合杂种系花色非常丰富,是花色育种的主要亲本。百合花形主要有有喇叭型、星型、钟型和反卷型等,其中直立喇叭形是花形改良的目标。麝香百合和东方百合杂种系都有香味,其中麝香百合、天香百合和美丽百合是培育香味百合的重要亲本。育种家试图通过麝香百合等与亚洲百合杂交,达到增加亚洲百合的香味,降低麝香百合的香味的目的[6]。
2.4其他性状育种
百合育种工作正在日益发展与完善,育种目标除了抗病性、耐热、耐低光照、品质等外,还集中在耐寒、耐低光照、控制株高高度、改变花期、减少花粉、改良采后特性等方面,使得百合在扩大种植面积时,同步达到高产、优质的目的。
3克服百合杂交不亲和的方法
百合育种已有100多年的历史,其中荷兰育种工作处于世界领先地位,收集和保存了丰富的百合种质资源(超过1 000份),并建立了一套高效的种间杂交技术,如切割花柱法和嫁接柱头法等方法克服受精前障碍,再结合胚抢救技术,如胚珠培养、子房培养和胚珠切片培养,从而培养出许多有商品价值的新品种。
3.1切割花柱法
Myodo和Emsweller早在20世纪60年代就应用切割花柱授粉来克服百合远缘杂交的不亲和。黄济明等[7]在王百合×大卫百合杂交中提出百合的种间杂交不亲和和障碍存在于花柱和柱头中,在授粉前,用刀片切去母本柱头和一段花柱(一般离子房0.3~0.5cm),可在残留的花柱上切开小口,将父本花粉和柱头分泌液一起授入花柱中,而使种间杂交获得成功。但是切割花柱法的结实效果依百合种的不同而不同。
3.2嫁接柱头法
将父本花粉先授予同种植物的柱头上,在花粉管尚未完全伸长之前,切下柱头,移植到异种母本花朵的柱头上或先进行异种柱头嫁接,待1~2d愈合后,再进行授粉的方法称之为嫁接柱头法。Van Tuyl等[8]用嫁接柱头法提高了子房的坐果率,但嫁接柱头法常因两花柱之间粘合不紧而滑动,导致花粉管不能到达花柱而影响授粉效果。
3.3子房切片培养
Hayashi首次用子房切片培养获得了百合种间杂种。屈云慧等[9]运用子房切片培养获得了大量的O×O、O×A、O×野生种种间杂种,并提出不同杂交组合基因型、不同胚龄败育胚的培养方法及不同培养条件等都对子房切片培养的效果不同。
3.4胚培养
在百合种间杂交育种中,胚培养技术被证实是一种克服杂交障碍最有效的手段之一。黄济明等[7]早在20世纪80年代就运用离体胚培养获得了10余种种间杂交种。至今通过胚培养取得的百合杂种的有鹿子百合×天香百合、大卫百合×王百合、麝香百合×L.poncdor var parthenion、麝香百合×L.elegans等100多种[10]。
3.5胚珠培养
胚珠培养是将授粉后的子房在无菌的条件下解剖后,取出胚珠置于培养基上培养的一种方法,可以有效地解决胚太小不易成活的问题。罗建让等[11]在研究亚洲百合普瑞头(Lilium asitic hybrids cv.Prato)和麝香百合雪皇后(Lilium longiflorum cv.SnowQueen)种间杂交时提出胚珠培养是获得种间杂种的有效方法。
4存在的问题与对策
4.1育种工作滞后
目前,百合杂交育种是品种间或品种与原始种之间的杂交,而我国一直进行的是原始种之间的杂交,百合育种还相当滞后。我国百合资源十分丰富,但是遗传背景不明确,育种亲本的选配及杂交技术的选择带有较大的盲目性。因此,应在加强野生百合资源保护的同时,运用RAPD、AFLP、ISSR等合适的遗传标记,建立百合基因组遗传图谱,进行野生百合资源的亲缘关系及遗传多样性的研究,以构建百合的核心种质,为百合育种提供依据。
4.2品质退化严重
目前我国栽培面积较大的品种主要有宜兴百合、龙牙百合、兰州百合和川百合,但都存在种质退化的威胁,李雪等[12]发现在兰州百合中存在小孢子母细胞减数分裂异常现象,并推断主要靠鳞茎长期进行无性繁殖,引起染色体结构变异,而造成兰州百合品质退化,加之这些品种都是经过长期反复杂交与人工选择形成的,杂合性较高,提纯复壮等问题亟待解决。因此,在严格选种的基础上,应加强百合提纯复壮和组培快繁的工作,既解决长期营养繁殖造成品质退化的问题,也同时防止病害的侵染。
4.3种间杂交种F1高度不育
大多数百合为二倍体(2n=2x=24),种间杂种F1一般为二倍体,表现为不育,育种前景不大,可以利用化学诱变剂(秋水仙碱或是二苯基胺)使体细胞染色体加倍或是利用2n配子来克服杂种不育。Van Tuyl等在L. longiflorum×Asiatic hybrids、L. longiflorum×L. henryi、Oriental×Asiatic hybrids杂交中发现了未减数配子(2n配子),通过GISH分析发现是在减数分裂时发生第1次分裂重组(FDR)而产生,虽然2n配子主要是由于环境因素造成的,但在杂种后代(BC1、BC2和BC3)FDR配子可以正常传递[13]。因此,分析百合属植物之间的基因组差异对百育种工作可能会有一定的指导意义。
5参考文献
[1] VAN TUYL J M,VAN DIJKEN A,CHI H S,et al. Breakthroughs in interspecific hybridization of Lily[J].Acta Hort,2000(508):83-88.
[2] 龙雅宜,张金政,张兰年.百合——球根花卉之王[M].北京:金盾出版社,1999.
[3] 李守丽,石雷,张金政,等. 百合育种研究进展[J]. 园艺学报,2006,33(1):203-210.
[4] LOFFLER H J M,MEIJER H,STRAATHOF T H P,et al. Segregation of Fusarium resistance in an interspecific cross between Lilium longiflorum and Lilium dauricum[J]. Acta Hort,1996(414):203-208.
[5] 张施君,周厚高,钟云娟,等. 高温胁迫对观赏百合苗期的生理影响研究[J]. 中国生态农业学报,2006,14(3):103-104.
[6] ASANO Y,HIROSHI MYODO. Studies on Croddes Between Dist-antly Related Species of LiliesⅡ.The Culture of Immature Hybrid Embryos[J].J Japan Soc Hort Sci,1977,46(2):267-273.
[7] 黄济明.采用切割花柱和幼胚离体培养方法培育百合种间远缘杂交种[J].种子,2003(3):24-27.
[8] VAN TUYL J M,VAN D M P,VAN CREIJ M G M,et al. Application of in vitro pollination,ovary culture,ovule culture and embryo rescue for overcoming incongruity barriers in interspecific Lilium crosses[J].Plant Science,1991(74):115-126.
[9] 屈云慧,熊丽,吴学尉,等.百合不同远缘杂交基因型对胚培救效果的影响[J].西南农业学报,2004(4):711-715.
[10] 郝瑞娟.百合常规杂交及后代培养的研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2005.
[11] 罗建让,张延龙,张林华.克服百合自交及杂交障碍方法的初步研究[J].西北农业学报,2007,16(4):260-263.
[12] 李雪,陈丽梅,杜捷,等. 兰州百合小孢子母细胞减数分裂异常现象的观察[J].西北植物学报,2003,23(10):1796-1799.
[13] VAN TUYL J M,BARBA-GONZALEZ R,VAN SILFHOUT A A,et al.Meiotic polyploidization in five different interspecific Lilium hybrids[J].Acta Hortic,2002(573):99-105.
关键词百合;杂交育种;亲本选配;育种目标;存在问题;解决方法
中图分类号S682.2 903.6文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)19-0135-02
百合是单子叶植物亚纲百合科(Liliaceae)百合属(Lilium)多年生草本植物,是国家卫生部首批公布药食同源的食品,也可以作切花、盆景等观赏用。但是百合主要靠鳞茎进行无性繁殖,种球容易退化,并存在严重的病虫害,因此培育出高产、优质、抗性强的百合新品种已成为当务之急。随着现代生物技术的飞跃发展,分子育种、体细胞杂交、倍性育种等现代育种技术已广泛应用于百合的育种工作中,目前百合育种仍然以杂交育种为主。
1亲本选配
19世纪后期,由于百合病毒病害的蔓延,使大多数栽培种与商品种都面临灭绝的危险;20世纪初,欧洲人发现并引种了原产于我国的岷江百合,立即用于杂交育种中,培育出许多适应性强的新品种,从而掀起了百合育种的高潮。Van Tuyl等认为[1]OA杂种(Oriental×Asiatic hybrids)是最有前景的杂交组合,两者均是商品种,但是商品种大多都是高度杂合的,其种间杂交未必有有利的基因组合,并提出利用野生种与商品种多代杂交以及回交,将野生百合的优良基因渐渗到商品种中,是完善商品种切实可行的育种之路,如细叶百合有较强的抗镰刀菌和抗叶枯病的能力,将其与欧洲百合杂交,将抗病基因渐渗入欧洲百合中,从而培育出新品种金橙花山丹[2]。
2育种目标
百合杂交育种目标主要集中在观赏(如花色、花形、香味、株型等)及栽培性状(如抗病性,抗热、寒性,不同生长周期及无花粉型)的改良方面[3]。
2.1抗病育种
百合主要靠鳞茎进行无性繁殖,而随着百合种植面积日益扩大,百合病害和衰退的现象也越来越严重,给百合的种植业造成了很大的经济损失。百合主要有真菌性、病毒性、细菌性等病害,而以镰刀菌(Fusarium)最为严重和普遍。原产于我国的岷江百合及毛百合等对其具有很强的抗性,Loffler等[4]用毛百合(L.dauricum)与麝香百合(L.longiflorum)杂交,将毛百合的抗真菌(Fusarium)病害的特性渐渗到麝香百合中,选育出抗真菌的新品种。李守丽等[3]认为,在百合新品种选育方面,抗性育种仍然是今后百合育种研究的重点。
2.2抗热育种
我国大部分地区夏季炎热,越夏时百合经常出现生长缓慢、植株低矮、病虫害严重等现象,容易造成百合种球腐烂和退化。通过抗热育种,培育耐高温品种是解决夏季百合生产困难的主要途径。原产于我国的淡黄花百合和台湾百合耐热性能强,在30℃以上的温度条件下还能正常生长。此外,王百合(L.regale)和通江百合(L.sargentiae)耐热性能也较强。新铁炮百合就是由铁炮百合与台湾百合杂交育成的耐热性强的新品种[5]。但是,百合的耐热性研究尚处于起步阶段,用于抗热育种的耐热性指标体系还未确定下来。因此,以后将通过研究百合耐热性的机理,加强百合耐热品种的选育,使百合能安全越夏。
2.3品质性状育种
花色、花形和花香是百合花卉育种的主要目标。亚洲百合杂种系花色非常丰富,是花色育种的主要亲本。百合花形主要有有喇叭型、星型、钟型和反卷型等,其中直立喇叭形是花形改良的目标。麝香百合和东方百合杂种系都有香味,其中麝香百合、天香百合和美丽百合是培育香味百合的重要亲本。育种家试图通过麝香百合等与亚洲百合杂交,达到增加亚洲百合的香味,降低麝香百合的香味的目的[6]。
2.4其他性状育种
百合育种工作正在日益发展与完善,育种目标除了抗病性、耐热、耐低光照、品质等外,还集中在耐寒、耐低光照、控制株高高度、改变花期、减少花粉、改良采后特性等方面,使得百合在扩大种植面积时,同步达到高产、优质的目的。
3克服百合杂交不亲和的方法
百合育种已有100多年的历史,其中荷兰育种工作处于世界领先地位,收集和保存了丰富的百合种质资源(超过1 000份),并建立了一套高效的种间杂交技术,如切割花柱法和嫁接柱头法等方法克服受精前障碍,再结合胚抢救技术,如胚珠培养、子房培养和胚珠切片培养,从而培养出许多有商品价值的新品种。
3.1切割花柱法
Myodo和Emsweller早在20世纪60年代就应用切割花柱授粉来克服百合远缘杂交的不亲和。黄济明等[7]在王百合×大卫百合杂交中提出百合的种间杂交不亲和和障碍存在于花柱和柱头中,在授粉前,用刀片切去母本柱头和一段花柱(一般离子房0.3~0.5cm),可在残留的花柱上切开小口,将父本花粉和柱头分泌液一起授入花柱中,而使种间杂交获得成功。但是切割花柱法的结实效果依百合种的不同而不同。
3.2嫁接柱头法
将父本花粉先授予同种植物的柱头上,在花粉管尚未完全伸长之前,切下柱头,移植到异种母本花朵的柱头上或先进行异种柱头嫁接,待1~2d愈合后,再进行授粉的方法称之为嫁接柱头法。Van Tuyl等[8]用嫁接柱头法提高了子房的坐果率,但嫁接柱头法常因两花柱之间粘合不紧而滑动,导致花粉管不能到达花柱而影响授粉效果。
3.3子房切片培养
Hayashi首次用子房切片培养获得了百合种间杂种。屈云慧等[9]运用子房切片培养获得了大量的O×O、O×A、O×野生种种间杂种,并提出不同杂交组合基因型、不同胚龄败育胚的培养方法及不同培养条件等都对子房切片培养的效果不同。
3.4胚培养
在百合种间杂交育种中,胚培养技术被证实是一种克服杂交障碍最有效的手段之一。黄济明等[7]早在20世纪80年代就运用离体胚培养获得了10余种种间杂交种。至今通过胚培养取得的百合杂种的有鹿子百合×天香百合、大卫百合×王百合、麝香百合×L.poncdor var parthenion、麝香百合×L.elegans等100多种[10]。
3.5胚珠培养
胚珠培养是将授粉后的子房在无菌的条件下解剖后,取出胚珠置于培养基上培养的一种方法,可以有效地解决胚太小不易成活的问题。罗建让等[11]在研究亚洲百合普瑞头(Lilium asitic hybrids cv.Prato)和麝香百合雪皇后(Lilium longiflorum cv.SnowQueen)种间杂交时提出胚珠培养是获得种间杂种的有效方法。
4存在的问题与对策
4.1育种工作滞后
目前,百合杂交育种是品种间或品种与原始种之间的杂交,而我国一直进行的是原始种之间的杂交,百合育种还相当滞后。我国百合资源十分丰富,但是遗传背景不明确,育种亲本的选配及杂交技术的选择带有较大的盲目性。因此,应在加强野生百合资源保护的同时,运用RAPD、AFLP、ISSR等合适的遗传标记,建立百合基因组遗传图谱,进行野生百合资源的亲缘关系及遗传多样性的研究,以构建百合的核心种质,为百合育种提供依据。
4.2品质退化严重
目前我国栽培面积较大的品种主要有宜兴百合、龙牙百合、兰州百合和川百合,但都存在种质退化的威胁,李雪等[12]发现在兰州百合中存在小孢子母细胞减数分裂异常现象,并推断主要靠鳞茎长期进行无性繁殖,引起染色体结构变异,而造成兰州百合品质退化,加之这些品种都是经过长期反复杂交与人工选择形成的,杂合性较高,提纯复壮等问题亟待解决。因此,在严格选种的基础上,应加强百合提纯复壮和组培快繁的工作,既解决长期营养繁殖造成品质退化的问题,也同时防止病害的侵染。
4.3种间杂交种F1高度不育
大多数百合为二倍体(2n=2x=24),种间杂种F1一般为二倍体,表现为不育,育种前景不大,可以利用化学诱变剂(秋水仙碱或是二苯基胺)使体细胞染色体加倍或是利用2n配子来克服杂种不育。Van Tuyl等在L. longiflorum×Asiatic hybrids、L. longiflorum×L. henryi、Oriental×Asiatic hybrids杂交中发现了未减数配子(2n配子),通过GISH分析发现是在减数分裂时发生第1次分裂重组(FDR)而产生,虽然2n配子主要是由于环境因素造成的,但在杂种后代(BC1、BC2和BC3)FDR配子可以正常传递[13]。因此,分析百合属植物之间的基因组差异对百育种工作可能会有一定的指导意义。
5参考文献
[1] VAN TUYL J M,VAN DIJKEN A,CHI H S,et al. Breakthroughs in interspecific hybridization of Lily[J].Acta Hort,2000(508):83-88.
[2] 龙雅宜,张金政,张兰年.百合——球根花卉之王[M].北京:金盾出版社,1999.
[3] 李守丽,石雷,张金政,等. 百合育种研究进展[J]. 园艺学报,2006,33(1):203-210.
[4] LOFFLER H J M,MEIJER H,STRAATHOF T H P,et al. Segregation of Fusarium resistance in an interspecific cross between Lilium longiflorum and Lilium dauricum[J]. Acta Hort,1996(414):203-208.
[5] 张施君,周厚高,钟云娟,等. 高温胁迫对观赏百合苗期的生理影响研究[J]. 中国生态农业学报,2006,14(3):103-104.
[6] ASANO Y,HIROSHI MYODO. Studies on Croddes Between Dist-antly Related Species of LiliesⅡ.The Culture of Immature Hybrid Embryos[J].J Japan Soc Hort Sci,1977,46(2):267-273.
[7] 黄济明.采用切割花柱和幼胚离体培养方法培育百合种间远缘杂交种[J].种子,2003(3):24-27.
[8] VAN TUYL J M,VAN D M P,VAN CREIJ M G M,et al. Application of in vitro pollination,ovary culture,ovule culture and embryo rescue for overcoming incongruity barriers in interspecific Lilium crosses[J].Plant Science,1991(74):115-126.
[9] 屈云慧,熊丽,吴学尉,等.百合不同远缘杂交基因型对胚培救效果的影响[J].西南农业学报,2004(4):711-715.
[10] 郝瑞娟.百合常规杂交及后代培养的研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2005.
[11] 罗建让,张延龙,张林华.克服百合自交及杂交障碍方法的初步研究[J].西北农业学报,2007,16(4):260-263.
[12] 李雪,陈丽梅,杜捷,等. 兰州百合小孢子母细胞减数分裂异常现象的观察[J].西北植物学报,2003,23(10):1796-1799.
[13] VAN TUYL J M,BARBA-GONZALEZ R,VAN SILFHOUT A A,et al.Meiotic polyploidization in five different interspecific Lilium hybrids[J].Acta Hortic,2002(573):99-105.