杜仲育种研究进展

王大玮+汪元超+李根前+李周岐

摘要：从杜仲常规育种、生物技术育种方面对杜仲遗传育种研究现状进行总结，提出了今后杜仲育种的研究方向和发展趋势，为我国杜仲生产和开发利用提供参考。

关键词：杜仲；遗传育种；研究进展

中图分类号：S567.1+90.3 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2014）08-0007-04

杜仲（Eucommia ulmoides Oliv.）属杜仲科植物，该科仅1属、1种，为地质史上第三纪冰川运动残留下来的古生树种^[1]，还是我国特有的名贵经济树种^[2]。鉴于其起源古老，具有重要的研究价值及重要的药用价值，已被列为国家二级保护植物^[3]。杜仲自古以皮入药而著称，具有抗疲劳、抗衰老、抗肿瘤、增强免疫力等药效，特别是对血压独有的双向调节作用对维持人体健康具有至关重要的作用^[4-5]。杜仲既是贵重药材，又是提取天然橡胶的工业原料^[6]，此外还是很好的用材树种、园林绿化及水土保持树种。因此，杜仲是一种集经济效益、生态效益、社会效益于一身的植物，具有极高的开发利用价值^[7]。目前国内外对杜仲的综合开发利用涉及医药卫生、能源化工以及园林绿化等多个领域，已形成一个利用多学科综合研究开发的全新格局。为了更进一步开发利用杜仲资源，本文综述了杜仲的遗传育种研究成果，以期为杜仲的大规模开发利用及生产提供参考。

1 国内外杜仲研究概况

1.1 国外杜仲研究概况

由于杜仲具有较高经济价值，自1940年起前苏联、美国、日本、韩国、瑞典、西班牙、墨西哥、英国等国先后对杜仲进行研究，相关研究主要集中在杜仲有效成分的提取及利用等方面。目前对杜仲的研究以日本最为领先，其次为中国^[8]。日本对杜仲的研究涉及种质资源培植、成分分析、药理试验、产品研制、市场开发等方面^[9]。近年来，英国、韩国也在杜仲愈伤组织诱导、血管紧张素化酶抑制剂等化学成分的提取和分析、药理及保健功能的研究方面取得了一定成果^[10]。

1.2 我国杜仲研究概况

我国早在2 000多年前就开始对杜仲进行栽培和药理方面的研究，《草本神农经》《本草纲目》《本草备要》等古代著名药书都有详细记载。目前我国对杜仲的研究主要集中在遗传育种^[11]、药材用林营造与栽培^[12-13]、组培快繁^[14-15]、活性成分提取及分析^[16-17]、药理及保健功能研究等方面^[18-19]。近年来随着杜仲橡胶产业的蓬勃发展，杜仲橡胶提取工艺及胶用新品种选育方面的研究^[20-21]也获得了成功。

2 杜仲育种

我国系统开展杜仲遗传育种工作始于20世纪80年代，以西北农林科技大学和河南省洛阳市林业科学研究所为主的一些单位在杜仲常规育种、生物技术育种方面作了大量研究，并取得了一定成果。

2.1 常规育种

2.1.1 种质资源区划和保存

由于杜仲皮药用价值较高，20世纪80年代初非法商贩在川陕等地大量收购杜仲皮，导致野生杜仲资源遭到严重破坏，直至杜仲被列为国家二级保护植物后育种工作者才开始开展杜仲资源的收集保护工作^[22]。张维涛等根据杜仲生物学特性和栽培现状，对全国杜仲栽培资源进行区划，划分出中心栽培区、主要栽培区、边缘区、引种区^[23]。20世纪90年代末陈品良等根据自然地理特点、经济性状、形态特点上的差异，划分出杜仲的7个主要分布区：秦巴山区、大娄山区、鄂西山区、武陵山区、伏牛山-桐柏山-大别山区以及浙、赣、皖交界山区和南岭山区^[24]。此后四川、贵州、河南、湖南、河北等省对当地杜仲种质资源分别进行了调查和收集[22，25-28]。21世纪初中国林业科学研究院经济林研究开发中心建立了世界上最大的杜仲种质资源库，共收集保存了600余份杜仲优良基因资源^[29]。武汉植物园发现了1株指纹图谱与栽培杜仲差异很大的200多年树龄雄性古树，被认为是野生杜仲灭绝后发现的重要野生种质资源^[30]。这些都为我国杜仲育种工作提供了宝贵的基因资源。

2.1.2 引种

杜仲为我国特有树种，仅在我国部分地区有野生资源，其他国家的杜仲资源均引种自我国^[31]。1890年杜仲首次被引入欧洲，先被引入法国，几年后被引入英国，1899年被引入日本，1906年被传入俄国，1907年被引入美国。除上述国家外，先后从我国引种杜仲的国家还有韩国、德国、匈牙利、印度、朝鲜、加拿大等。目前杜仲已在欧洲、美洲、亚洲的十多个国家和地区安家落户^[32]。

由于杜仲适应性强，在我国亚热带、暖温带的大部分地方均能正常生长发育。杜仲除在与其主要栽培区邻近、气候土壤条件相似的江西、广西、福建、广东等地得到较大发展外，距主要栽培区较远的甘肃、宁夏、北京、河北、天津、山东、辽宁、陕北、吉林、新疆、云南、上海等省（市、区）的部分地区，也先后引种获得成功。目前除海南、台湾、黑龙江、西藏等地外的27个省（区、市）均有杜仲种植[29，31]。

2.1.3 良种选育

河南省洛阳市林业科学研究所等单位根据多年系统研究，通过培育同龄苗、无性系苗期测定、多点造林测定、区域试验，选育出我国首批杜仲优良品种华仲1号至华仲5号，填补了我国杜仲良种的空白，对杜仲生产逐步实现良种化具有积极引导和推动作用^[33]。此后，研究者从树皮特征、枝条变异特点、叶片、果实特征等方面将杜仲划分为不同类型，并总结其形态特征和经济价值等，为挖掘优良杜仲基因资源和杜仲遗传改良研究提供材料^[34]。在此基础上，针对不同育种目标分别选育出适于营建杜仲良种果园、生产杜仲胶和杜仲亚麻酸油的华仲6～9号^[35-38]。同时还选育出具有特异性状的杜仲良种红叶杜仲和密叶杜仲，目前已审定杜仲良种5个，认定杜仲良种1个^[29]。西北农林科技大学通过有效成分分析，选出杜仲优良种源区和优良类型^[39]；在此基础上选择优树，建立了无性系测定林^[40]；然后以有效成分为首选指标，结合生长量、抗性等指标，选出14个优良无性系；最后通过优良无性系区域栽培试验，选育出有效成分含量高且性状稳定的优良品种秦仲1号至秦仲4号，其产量和品质较野生杜仲均有一定程度提高^[11]。

2.1.4 杂交育种

杂交育种是培育新品种的传统方法之一，近年来关于杜仲杂交育种的研究也在进行中。西北农林科技大学选择性状差异较大的12个杜仲优良品种（无性系）各1株作为杂交亲本，按析因交配设计组成35个杂交组合进行人工杂交，得到7个较大的F1全同胞家系^[41]；测定了这些2年生杜仲杂种苗苗期表型性状，并对苗高、地径、叶面积等性状的遗传参数进行了分析；结果表明杜仲杂交子代的苗期表型性状差异显著，可以进行家系间和家系内的初步选择，其中5个家系各性状的特殊配合力相对较高，可用于进一步杂交选育杜仲良种^[42]。

2.1.5 多倍体育种

人工诱导多倍体是获得植物新类型或新种质的重要途径之一。20世纪90年代初就有了杜仲三倍体诱导成功的报道^[43]，此后我国对杜仲多倍体诱导进行了大量研究。西北农林科技大学先后利用60Co辐射处理萌动种子和秋水仙素处理杜仲幼苗顶端生长点，成功诱导出形态变异的单株，但诱导后染色体数目是否发生变化尚不明确^[44-45]。成都大学、北京林业大学分别使用秋水仙素对杜仲种子和花粉染色体进行人工诱导加倍，经植物形态学和染色体数检测，诱导后的材料具有明显的多倍体特征^[46-47]。河北农业大学的郭海凤等采用秋水仙素溶液处理生长点的诱变方法对杜仲籽苗进行诱导，对获得的 148个变异株进行染色体数检测及DNA 相对含量测定后，鉴定出47株为四倍体，而且这些四倍体植株明显表现出多倍体的特征^[48]。然后对其主要药用成分、杜仲胶等进行了测定，从中筛选出生长快、抗性强、有效成分含量高的优良四倍体植株^[49]。

2.2 生物技术育种

2.2.1 组织培养

杜仲造林以种子繁殖为主，但其发芽率较低，而且实生个体之间的有效成分含量差异较大，不利于新品种选育。组织培养技术可以大大缩短育种周期，而且可以提高品质^[50]。杜仲组织培养从20世纪80年代就已经开始，经过30年研究，技术已经逐渐趋于成熟。目前除子叶外，叶片、叶柄、腋芽、胚轴、带芽茎段、茎尖、子叶等外植体在不同再生体系中均获得了再生植株。由于杜仲的体细胞胚发生还未能突破，所以杜仲苗的工厂化生产在一定程度上受到限制^[51]。

2.2.2 遗传多样性研究

近年来随着分子生物学的高速发展，有关先进技术在杜仲育种研究中也得以应用。杜仲RAPD、AFLP、ISSR、SSR等分子标记反应体系相继被建立[7，52-54]，为分子水平上的杜仲育种研究提供了技术支持。王媛琦等以20年树龄栽培杜仲的16个群体共260个个体为研究对象，利用RAPD分子标记技术对其遗传多样性和居群遗传结构进行了研究。结果表明，杜仲种内具有丰富的遗传多样性，各群体内部的遗传多样性较低。认为杜仲群体间已发生了高度的遗传分化，在此基础上提出了“尽可能保护更多的种群”的保护策略^[55]。武汉植物园在上述研究基础上扩大了研究样本量，以15～30年生的9个栽培群体和1个半野生群体共582个个体为材料，利用稳定性高于RAPD的SSR、AFLP 2种标记分别从叶绿体DNA及核基因DNA角度再次对杜仲遗传多样性进行分析。结果表明栽培群体间的遗传多样性较低，神农架半野生群体与其他栽培群体相比，表现出很高水平的遗传多样性。说明人工选择是导致栽培品种遗传多样性降低的主要原因。而各群体内的遗传多样性表现为中等水平。这与RAPD标记分析结果有一定差异，认为是RAPD分析的群体内样本量过少造成的。并提出优先保护与其他群体差异较大的遵义群体，而神农架半野生群体应进行迁地保护，以保证种内高水平的遗传多样性^[56]。

2.2.3 性别相关分子标记

杜仲为严格的雌雄异株植物，不同性别的杜仲植株在经济价值和实际利用方面有很大差别。在幼年期仅凭形态学特征难以辨别其性别，给杜仲品种改良和保护工作带来困难。北京大学、西北农林科技大学分别利用RAPD、AFLP标记结合BSA（bulk segregant analysis）法对杜仲性别相关分子标记进行了筛选和验证；分别得到1个 569 bp 的雌性特有的RAPD标记和1个350 bp 的雄性特有的AFLP标记，并将这2个标记转化成简单、稳定的SCAR标记。经反复验证，确定这2个SCAR标记可用于杜仲分子标记辅助育种，可用于杜仲后代在苗期进行性别快速选择，大幅提高育种效率^[57-58]。

2.2.4 遗传连锁图谱构建及QTL定位

西北农林科技大学利用AFLP标记技术和拟测交作图策略，以人工杂交获得的F1作图群体为材料，构建了首张杜仲分子遗传连锁图谱。亲本Q1遗传连锁图包括12个连锁群108个标记，覆盖基因组总长929.57 cM，相邻标记的平均间距为8.61 cM。亲本LF遗传连锁图包括14个连锁群127个标记，覆盖LF基因组总长约1 116.08 cM，连锁图上相邻标记间的平均距离为 8.78 cM。在此遗传连锁图谱的基础上利用F1作图群体的表型数据分析结果，对杜仲生长性状和叶片性状进行了QTL定位，共检测到控制8个性状的29个QTL位点^[59]。遗传连锁图谱的构建为今后杜仲分子遗传改良及分子标记辅助育种奠定了坚实基础。

2.2.5 功能基因研究

杜仲功能基因研究也取得了一定进展。贵州大学以杜仲幼嫩树皮为材料，采用RT-PCR技术构建了杜仲树皮的cDNA文库^[60]。在此基础上又分离出杜仲胶颗粒结合蛋白EuRPP，并证明EuRPP存在于含胶细胞中，可能参与杜仲胶的形成过程^[61-62]。随着一个新的杜仲抗真菌蛋白EAFP3被发现，EuRPP的氨基酸序列也得到鉴定，其具有与EAFP3相同的抗菌功能也能得到证明^[63]。目前已经成功克隆出的杜仲胶合成相关基因还有EuFPS、杜仲肉桂醇脱氢酶基因和杜仲3-羟基-3-甲基戊二酸单酞辅酶A还原酶基因^[64-66]。近年来随着第2代测序技术的发展，转录组测序分析已经成为发掘功能基因的主流方法。中南林业科技大学对杜仲叶片和果实的转录组数据进行了深度分析，得到了果实和叶片差异表达基因和特异表达基因信息，以及杜仲胶、α-亚麻酸、苯丙素类等活性物质生物合成途径的相关基因表达规律及关键酶基因信息；分别发现杜仲胶合成上游、下游相关基因124、74条，筛选出杜仲胶合成上游和下游包括乳胶管蛋白、橡胶延伸因子、橡胶小颗粒蛋白和杜仲胶合成关键酶基因异戊二烯磷酸二合酶等关键酶基因63条^[67-69]。

2.2.6 转基因研究

功能基因的大量发掘为杜仲的转基因育种奠定了基础。贵州大学采用农杆菌介导法对杜仲进行了遗传转化，构建了杜仲胶合成基因的RNA干扰表达载体和过量表达载体，建立了杜仲遗传转化体系^[70-71]。将杜仲胶合成基因成功转入烟草，得到了转基因植株，证明EuFPS基因参与了烟草挥发性成分等萜类物质的调控^[72]，且发现转基因植株的杜仲胶含量提高了18.65%～26.54%^[69]。

3 研究展望

近年来，我国在杜仲常规育种和生物技术育种工作中均取得了一定成就，但活性成分提取、药理等方面的研究还相对薄弱。常规育种方面，研究部门充分利用当地种质资源选育出一批杜仲优良品种和优良无性系，为杜仲的产业化发展奠定了坚实基础。

生物技术育种方面，分子标记技术已经在杜仲育种研究中得到大量应用，第1张杜仲分子标记遗传连锁图谱已经被成功构建，但所构建的遗传图谱密度中等，虽能够用于杜仲重要性状定位，但距离饱和差距还较大，无法进行精细定位，离图位克隆仍有一定距离。为了高效、精准对杜仲重要经济性状进行定位，还须进一步建立其高密度连锁图。随着大量功能基因被发掘，杜仲转基因育种方面的研究也在不断完善，杜仲遗传转化体系已经建立，而且成功获得了高胶含量的转基因植株，为大幅度提高杜仲胶含量奠定了基础。随着更多功能基因被不断发掘，转基因技术在杜仲育种中一定会扮演更加重要的角色。

杜仲生长周期长，生长环境较难控制，是杜仲遗传改良研究中最主要的限制因素。由于杜仲遗传基础研究比较薄弱，对其许多经济性状的早期选择和高效遗传改良等问题仍无法从根本上得到解决，从而制约杜仲良种选育工作进程。因此，寻找有效的早期选择方法，提高选择效率，缩短育种周期，对杜仲育种工作具有十分重要的意义。

总的说来，如何进一步选育出速生、丰产、有效成分含量高的新品种仍是今后杜仲育种工作的重要目标。今后应根据生产和产业化发展的需求，将常规育种与生物技术育种紧密结合，选育出更多具有广阔产业化前景的优良品种。

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