林业育种中新技术的应用现状分析

2014-08-15胡映泉

河北林业科技 2014年3期

胡映泉

（山西省林木育种研究中心，山西太原 030031）

林木生产中选用优良的品种是提高林业生产经济效益的基础，而在林业常规育种中，通过选种、引种、育种方式培育一个新的优良品种通常需要10年以上，由于育种周期较长，导致林业生产中新品种的更新率较低，部分地区仅为20%，这已经远远不能适应林业现代化经营与发展的需要[1]。随着科学技术的不断发展，各种新技术在林业育种中不断得到应用，大大提高了林木育种的效率，带动了林业产业的快速发展，本文以此为契机，详细分析不同育种方法在林业育种中的应用现状，以期为不同地区林业育种中选择最佳的途径提供理论依据。

1 分子标记技术在林业育种中的应用

分子标记技术在林业育种中已经有了广泛的应用。在早期林木育种中，分子标记技术主要应用于树木性别鉴定和子代性状鉴定中[2]，以杨树为例，由于雄性杨树具有较高的产量，人们生产中更倾向于培育雄性种苗，但是现实中树木只有在5～20a后性成熟时才能进行性别判断工作，育种年限较长。在实际生产中，寻找一项可以早期进行杨树性别鉴定的技术非常重要，而分子标记技术便可实现，目前在黑杨、美洲黑杨、毛果杨、马氏杨、银白杨的育种中有了应用，并且在林木多世代育种中，分子标记技术也是缩短育种年限的重要手段。分子标记技术通过构建遗传连锁图谱，还可以应用于林木辅助选择育种中。在桉树的育种中，通过基因数量定位点的分子标记分析，证明了不同环境条件下桉树数量性状表现的变化规律，以此可以实现桉树育种中子代性状遗传规律的早期判定，由此大大提高了桉树的育种效率。火炬松抗病育种中，通过构建遗传连锁图谱证明了抗锈病基因为显性基因，并且由单基因控制，因此在苗木早期遗传性状的判别中，利用分子标记技术即可判断出该苗木是否携带抗病基因，为优良苗木选育工作提供了依据。

分子标记技术在林木早期性状判别上优于传统的育种方式，特别是对苗木生长速率，苗木冠幅变化，苗木抗逆性，水分导度以及对外界环境的反应判定方面，同时通过分子标记技术可以追踪目的基因的表达行为，种子质量的监测、新品种的鉴定工作。在欧洲山杨的研究中发现，将目标基因导入到山杨中后，转基因山杨的叶片变小，颜色变浅，节间长度变短，但是叶片上的杂斑数量显著减少，证明了目标基因在植物上的表达特性。应用分子标记技术明确不同育种材料之间的遗传关系，对确定最佳的杂交设计和科学的栽培方式具有重要帮助，并且可以实现树木特定基因遗传特性的验证工作，尤其是种子园内不同个体遗传关系确定，这对于监控树木花粉的流动特性，确定不同植株繁殖力的高低具有重要的现实意义，目前已经应用于杨树无性系育种种苗的性状早期鉴定中[2]。分子育种技术在林木育种中的应用，极大地提高了树木育种的精确性，并且大大缩短了育种的周期，大大提高了林木育种的效率，该项技术对于保存稀有珍贵树种种植资源也具有重要的现实意义。

2 组织培养技术在林木育种中的应用

组织培养技术主要是利用植物细胞的全能性来培养优良种苗，在育种过程中可以节省大量时间，并减少了对苗圃以及外界环境的依赖性，同时具有极强的重复性，在林木育种中主要应用于良种快速繁殖与种苗培养上[3]。

组织培养技术是林木育种的重要技术之一，这是因为组织培养具有较高的基因突变率，繁育速度较快，培养周期短，目前在毛白杨、苹果、桃等30余种树木育种中取得了成功。从实践中发现，组织培养技术有效的克服了远缘杂交中存在的胚败育问题，同时大大缩短了选育周期，特别是在各种果树早熟品种选育中起到了关键作用，并且实现了果树无核品种选育，杨树三倍体种苗选育工作，克服了多胚品种珠心胚的干扰。在组织培养的过程中，由于外界环境条件的变化，外植体基因突变率在50%以上，这对选育基因突变体提供了基础，目前国内外广泛应用于林业育种中，如1986年美国东北林业实验站选育的杨树抗病无性系，1990年加拿大选育的北美五针松抗松包锈病新品系，中国林科院选育的抗盐杨树新品种等[4]。

植物组织培养技术可以实现体细胞杂交，进而实现新品种的选育。在香蕉育种和远缘杂交育种中，往往无法得到种子，有的得到种子却无法发育成正常的植株，为克服这一问题，在生产实践中，可以利用体细胞杂交和组织培养相结合的技术选育新品种。目前采用体细胞杂交技术育种成功的植物主要有杨树、榆树、柑橘等，在这些树木的育种中，将具有活性的原生质体在特定的条件下实现融合形成杂种细胞，该细胞在组织培养技术下形成新的植株，该植株为二倍体杂种，二倍体杂种通过细胞融合技术可以获得多倍体杂种，因此该项技术为林木新品种的选育工作提供了广阔的前景[5]。

利用植物组织培养技术可以实现脱毒苗木的生产和获得人工种子。对于经过多代无性繁殖的林木来说，常常遭受到病毒的侵染，导致林木病虫害发生严重，生长量降低，种质退化。为此，实现苗木脱毒和更新复壮是无性系繁殖林木的重要工作。在林木生长的最旺盛部位，特别是茎尖分生组织内很少存在病毒，因此通过对茎尖顶端分生组织进行培养，可以获得无病毒植株，该项技术已经在柑橘、香蕉等十余种林木上取得了成功，而在蝴蝶兰，康乃馨等园艺植物中已经广泛应用，这对保持植物种质特性和提高抗性具有重要实践意义。人工种子同样是利用组织培养技术获得，该种子并未经过自然受精过程，通过人为将植物组织在无菌培养基上诱导产生大量的细胞胚，用胶质将细胞胚包好后形成能够播种的人工种子，该种子可以繁育大量的良种苗木，对提高林木育种经济效益起到了巨大的推动作用。

3 航天育种技术在林木育种中的应用

航天育种是将航天技术与传统林业育种技术相结合的产物，是将植物的种子或者器官送至宇宙空间内，通过太空高能离子辐射、微重力、高真空、交变磁场等因素的诱导使植物的材料发生突变，然后经过人工栽培、繁殖与选育等试验过程获得新品种的过程，目前国内外均取得了大量研究成果[6]。航天育种之所以受到国内外育种专家的青睐，是因为航天育种具有其特有的优势，首先，航天育种变异率相对较高，常常会达到1%～5%，并且林木变异幅度较大，这些变异在自然界需要几百万年甚至更长时间才能完成；其次，航天育种并不像基因工程那样将外源基因导入林木体内，这并不会涉及到林木生产的安全性问题，也不会存在辐射育种造成的毒害问题；再次，航天育种可以提高林木产量和生长速度，提高林木抗逆性，并且可以创造丰富的种资质源[7]。

当前国内外在航天育种中取得了一定的成绩。前苏联利用该技术获得了速生枞树植株，美国利用航天育种技术获得了松树、绿豆的高产品种[8]。美国航天育种中心利用航天育种技术培育的地瓜树新品种叶柄变长，叶片面积增加，株高显著增加，产量提高10倍以上，淀粉含量提高40%，适应性和抗逆性显著增强，特别是抗旱性增强明显，使得该植物在干旱丘陵地区仍然可以获得较高产量[8]。我国航天育种最早应用于农作物和蔬菜上，先后对65种作物，370多个品种进行了研究，其中航天育种获得的水稻新品种增产幅度达到了10%以上，取得了良好的经济效益。2002年，神州3号宇宙飞船搭载葡萄、树莓、牡丹等木本植物的种子在太空经过7d后返回地球，自此开始了林木航天育种，神州4号飞船携带红松、落叶松、油松等6种乔木种子和部分杨树新品种试管苗，神州5号增加了白桦、橡木种子，2003年11月返回式卫星携带的沙棘种子返回地球，这些种子当前均已经应用至林木的良种繁育中。

林木的航天育种主要集中于优质用材林方面，目的是通过航天技术与林业育种技术的结合，获得优质突变植物个体，用以实现林木速生品种的育种，同时增加现有优质用材林的生长量，并且要求达到木材特性不变的目的，从而满足家具与装饰对林木的需求。经济林航天育种重点方向为提高林木抗逆性，提高果品品质，提高鲜果果品中的养分含量，提高果品的保健效用，另外，鉴于部分果品贮藏期短的特点，航天育种另一个方向就是培育果品耐贮性强的品种，以提高果品的商品价值；在木本观赏植物航天育种中，人们主要用来培育适宜景观观赏的花色与花型、叶色与叶形多变品种，并提高现有品种的园林观赏价值，兼顾培育适应城市环境条件的新品种。

4 转基因技术在林木育种中的应用

当前转基因技术在林木育种中主要应用于抗虫新品种的选育上，但是当前主要处于试验阶段，其应用范围远远低于转基因技术在农作物上的应用。目前转基因技术在林木育种上应用成功的例子主要是杨树抗虫育种研究，Fillati实现了农杆菌对银白杨×大齿杨的转化，后又获得了抗舞毒蛾和天幕毛虫效果的杨树转基因植株[9-10]；田颖川等运用转基因技术培育的欧洲黑杨抗虫品种，杀虫率达到了76%以上[11]；王学聘将转基因技术应用至欧美杨的抗虫育种研究中，试验结果表明，抗虫欧美杨植株对舞毒蛾和杨尺蠖毒杀率为80%～90%[12]。生产中由于林木生长期较长，加上转基因杀虫蛋白会导致害虫耐受性增加，所以林业育种中很少运用单一杀虫机制抗虫基因，将不同的抗虫机制基因在林木新品种上表达出来，达到持续抗虫的效果[13]。在毛白杨抗虫育种研究中，采用CrylAc基因与API基因构建抗虫表达载体，通过饲喂杨扇舟蛾试验发现，该双重抗虫基因的致死率在40%～70%之间，最高可以达到85%[14]；在人工改造Bt杀虫蛋白基因转入杨树后得到的再生植株试验中发现，该基因对害虫的致死率为40%～80%，但是该基因结合蛋白酶抑制剂基因得到的再生杨树植株，对害虫的致死率达到了100%[15]。

5 小结

生物技术以及分子标记育种技术最早应用于农作物的育种中，后在林业育种中得到了应用，因此，农业生产中的各项育种新技术均可以成为林木育种工作中可以借鉴的实践经验。在本文所论述的4种林木育种新技术中，各自在林木育种中应用的侧重点存在差异，如分子标记技术侧重点在于林木基因表达性状的早期鉴定，组织培养技术侧重于远缘杂交育种以及林木的快速繁育，航天育种侧重于林木基因突变育种方向，转基因技术较侧重于林木的抗虫育种。从我国林木育种的研究现状来看，航天育种和转基因技术在林业育种中尚处于起步阶段，与林木育种技术较发达的美国仍然存在一定的差距，因此我国在林业育种方面仍然还有大量的基础工作要做，相信通过我国大量林业科研人员不断的努力，未来我国在林业育种方向上会走在世界前列。

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