蔬菜种质资源搜集与保护的技术对策

汪炳良，叶红霞，施星仁

(1.浙江大学蔬菜研究所,浙江杭州 310029;2.湖州吴兴金农生态农业发展有限公司,浙江湖州 313000)

蔬菜种质资源搜集与保护的技术对策

汪炳良1，叶红霞1，施星仁2

(1.浙江大学蔬菜研究所,浙江杭州 310029;2.湖州吴兴金农生态农业发展有限公司,浙江湖州 313000)

在阐述种质资源搜集与保护工作重要性的基础上,就蔬菜种质资源搜集与收集的区别和联系、蔬菜种质资源搜集的内涵与搜集方法,以及蔬菜种质资源保护的内涵、种质保存、种质繁殖与更新、种质鉴定与评价方法提出了一些技术对策。

蔬菜;种质资源;搜集;保护

文献著录格式:汪炳良,叶红霞,施星仁.蔬菜种质资源搜集与保护的技术对策[J].浙江农业科学,2015,56(5):734-737.

DOI 10.16178/j.issn.0528-9017.20150558

1 蔬菜种质资源搜集与保护的重要性

种质资源是指携带种质的载体,凡携带有不同种质(基因)的各种栽培植物及其近源种和野生种统称为植物种质资源。种质是决定生物“种性”(遗传性)并将其遗传信息从亲代传递给后代的遗传物质的总称,一个DNA片段、甚至一个基因均属于种质的范畴。种质资源与遗传资源或基因资源同义,但“基因库”具有不同的含义,基因库是某一物种所包含的形形色色基因的总和。

品种(种质资源)是农业生产和育种的物质基础,是提高产量、改进品质、抵御各种病虫害的“武器库”。近年来有人甚至提出了“种子战”“基因战”的口号,说明人们已经认识到“谁控制了种子(种质),谁就控制了农业的未来”。进入21世纪以来,世界各蔬菜育种强国,如日本、以色列、荷兰、美国、韩国等各大种子公司大举进军我国蔬菜种子市场就是一个例证。因此,对种质资源的拥有量和对其研究利用的程度成为一个国家育种水平和科研实力的标志,并直接关系到一个国家的农业战略安全[1]。

由于生产中不断选用新育成品种,使我们的祖先遗留下来的许多老品种,尤其是地方品种被逐渐淘汰,从而使一些遗传资源面临消失的风险。先祖们遗留下来的这些老品种资源仅仅是由于产量等性状满足不了时代的要求而被淘汰,但它们可能在某一个或某些方面具有独特的作用。如杭州“十大名菜”之一的杭州雪韭具有浓郁的风味,但由于其产量较低,逐渐被阔叶韭代替,真正的杭州雪韭已近灭绝;浙江省著名的菠菜地方品种绍兴尖叶菠(火冬菠)具有早熟、耐热性强等特点,但因产量较低,逐渐被全能菠、超级菠等进口品种替代,现已难觅踪迹。

大规模开垦荒地、兴建工矿企业以及自然灾害,特别是随着全球生态环境的日益恶化,使许多地方品种资源日渐稀少,种质资源遗失的速度日益加快,如不采取有效的保护措施,许多珍贵的种质资源将一去不复返。而这些植物品种资源以及一些近缘野生种在近代育种工作中发挥了极大的作用,如20世纪70年代、80年代番茄烟草花叶病毒病(TMV)曾经对我国番茄产生重大危害,而抗TMV的Tm-2nv、Tm-2a等抗病基因就是从多毛番茄、醋栗番茄这些番茄近缘种中发现得,并育成了抗TMV的番茄品种,解决了番茄TMV的危害问题。

在近现代植物育种中,具有划时代意义的雄性不育材料的获得也是在种质资源搜集、鉴定过程中发现的。除了杂交水稻之父袁隆平院士等发现水稻雄性不育材料进而育成杂交水稻品种外,许多蔬菜作物的雄性不育材料也是在对地方资源的搜集调查中挖掘的,如白菜显性核不育基因Sp的发现,继而育成了细胞核基因控制的100%雄性不育系,丰富了白菜杂种优势利用方式;武玲萱等[2]在对山西萝卜种质资源的搜集整理过程中,发现雄性不育株率达到0.8%～5.0%的水平,并利用发现的不育源,通过转育获得了系列萝卜胞质雄性不育系,进而选育了多个在生产中大面积推广的杂种1代萝卜。

另一方面,虽然蔬菜种质资源的搜集与保护的重点在于本地品种资源,但一些外地品种资源也不容忽视,因为外地种质资源,特别是一些国外的种质资源对本地品种资源具有一定的互补性。如高蛋白、高脂肪大豆品种的选育和利用是大豆育种者和生产者共同关注的重点,李为喜等[3]通过对国内外大豆资源的鉴定发现,国内大豆品种高蛋白质种质资源的占有率高于国外引进的种质资源,而国内品种高脂肪种质资源的占有率均低于国外引进的种质资源,且从国外引进的种质资源中高蛋白兼高油优异种质资源占有率高于国内品种。前几年在我国秋冬番茄生产中遭遇的番茄黄化曲叶病毒病几乎导致番茄绝收,番茄育种者正是从国外引进的番茄品种资源中发现了抗番茄黄化曲叶病毒病的材料,从而成功选育出抗病的番茄品种,使得我国的秋冬番茄产业得以持续发展。

综上所述,不难看出开展蔬菜种质资源搜集与保护具有十分重要的作用,也是一项刻不容缓的工作。

2 种质资源搜集的内容与方法

2.1 种质资源的搜集与收集

在涉及种质资源搜集的问题上,人们常常使用“收集”而不是“搜集”,公开报道的文献中多数均采用了“种质资源收集”而不是“种质资源搜集”。但是,“搜集”与“收集”具有不同的含义。“收”是东西放在眼前,人们不需要费多大力气就能得到;而“搜”中包含了一个比较辛苦的搜索过程。种质资源收集的“收”,是将分散在各地的种质资源集中、聚拢的意思,“收集”的过程不需要花费较大功夫、比较简单。种质资源搜集的“搜”具有调查、寻找的意思,需要到处寻找(查找)并聚集在一起。从方法上分析,搜集除了调查、寻找外,也包括征集、收集。

我国在20世纪50年代中期及80年代初开展了2次大范围、大规模的蔬菜地方品种征集工作,并在20世纪70年代末至90年代初组织专业科技人员对蔬菜种质资源分布丰富的西南、海南地区进行调查、考察,取得了丰硕的成果[4]。

2.2 种质资源搜集的内涵与搜集方法

中国是世界上植物资源最丰富的国家之一,能作蔬菜食用的野生和栽培植物涉及213科,815属,1 822种,其中被驯化栽培的种类仅5%左右[4]。但是,目前已经保存的蔬菜种质资源仍有张冠李戴等问题,不少地方蔬菜品种资源还未能搜集入库。

根据蔬菜(植物)种质资源的来源与性质,可以将其分为本地品种资源、外地品种资源、野生植物资源以及人工培育的种质资源共4类。需要指出的是前2种资源均称为“品种资源”,而不是“植物资源”或“种质资源”,这是因为本地品种资源与外地品种资源均具有“品种”的含义。而从蔬菜(植物)育种角度看,“品种”是人类在一定的生态和经济条件下,根据自己的需要而创造的某种栽培植物的群体;具有相对稳定的遗传性在一定的栽培环境条件下,个体间在形态、生物学和经济性状方面保持相对一致性;在产量、品质和适应性等方面符合一定时期内生产和消费的需要。从品种的概念看,无论是本地品种资源或是外地品种资源,均是人们经过长期或短期的驯化(选择或选育)、在历史上曾经进行人工栽培、目前已经鲜有种植或仍在栽培的品种。

在蔬菜种质资源搜集的内涵及搜集方法上,首先需要明确搜集种质资源的类别。从理论上看,种子管理部门蔬菜种质资源的搜集应该包括本地品种资源、外地品种资源以及野生植物资源,其中最重要的应该是地方品种资源,特别是濒临灭绝的珍稀资源,人工创造的种质资源不属于种子管理部门搜集的重点。其次,种质资源搜集涉及的是种质资源的特征、特性以及区域分布和栽培历史等,这需要在对分布于各地的蔬菜品种资源初步摸底的基础上,深入品种资源的“原产地”进行调查、走访、寻找,甚至需要查阅当地的地方志。第三,种质资源搜集涉及搜集种质的载体,对于有性繁殖的蔬菜品种资源,除了采集(收集)种子外,应该挖取具有典型性的植株或选择典型性植株就地隔离留种,待种子成熟后采集种子;对于无性繁殖的蔬菜品种资源,需要采集种苗,并就地选择典型性植株进行标记,待成熟后挖取植株。

此外,蔬菜种质资源的搜集还涉及搜集时间及每份资源的搜集数量问题。每一份种质资源需要调查了解的性状较多,既有植物学形态性状(特征),又有农业生物学性状(特性),特征特性是在不同的生育阶段表达的,在寻找到目标种质资源后,要在蔬菜作物的各个生育阶段进行多次调查观察并进行甄别选择并不现实。因此,对于产品是营养器官的蔬菜,适宜的最佳搜集时间是产品成熟采收期,对于产品是生殖器官的蔬菜则是产品器官盛收期。

关于每份资源搜集的数量,目前没有统一的标准。实际上,繁殖方式、授粉方式不同的蔬菜,在搜集中采集的数量存在较大的差异,可以遵循以下原则:无性繁殖作物取样数量可以适当少一些,而有性繁殖作物取样数量应多一些;异花授粉植物的取样数量应大于常异花授粉植物,常异花授粉植物的取样数量应大于自花授粉作物;繁殖系数低、种子寿命短的作物其取样数量应大于繁殖系数高、种子寿命长的作物;地方品种的取样数量应大于选育品种。例如,柯卫东等[5]认为水生蔬菜选育品种可随机取样,种子繁殖的作物采集100～400粒种子,用根茎等无性繁殖的作物采集3～10个繁殖器官。

3 蔬菜种质资源保护的技术对策

3.1 蔬菜种质资源保护的内涵

如前所述,蔬菜种质资源的搜集与保护是具有千秋功业的工作,不仅是为了保护自然界的生物多样性,同时也是为了提升种业水平。所以,蔬菜种质资源保护的内涵涉及种质资源的保存、繁殖与更新以及鉴定与评价等。从广义角度看,种质资源的利用本身就是一种保护,而种质资源的这种保护性利用的前提又恰恰是资源的鉴定与评价。由此可见,蔬菜种质资源的保护内涵涉及了保存、繁殖、鉴定、评价、利用。种质资源保护的前提是种质资源的搜集。

3.2 蔬菜种质资源的保存

蔬菜种质资源的保存是指保存携带种质的植物体,可以是一个群体、一个植株,也可以是根、茎、花粉、细胞等植物体的部分器官。种质资源保存的要求主要包括保持其生活力及其原有的遗传性2个方面。

种质资源保存的方法主要有种植保存、种子贮藏保存及离体保存3种。种植保存包括就地种植保存和异地种植保存2种方式,从种质资源保护角度分析,最好采用就地保存。因为异地保存过程中,可能由于保存地外界环境条件与其原产地的差异,导致种质资源变异速度加快,并因可能发生的生育期改变、性状表达的不充分导致选择困难。但是,就地保存不利对种质资源的管理。因此,采用种植保存时,有条件的可以采用就地保存。对于有性繁殖的蔬菜作物而言,可以通过种子贮藏保存种质资源。常用的种子保存方法是温度0～4℃、空气相对湿度在60%以下的中期库[4]。近年来,有些省份采用了“超干贮藏”技术,如广东对苦瓜、黄瓜、节瓜、辣椒、芥蓝、莴苣、菜豆等蔬菜种质资源采用超干贮藏技术保存其种质资源[6]。离体保存是利用植物器官或组织的离体培养技术在人工创造的环境条件下进行活体保存。如德国、美国、印度、英国、俄罗斯等对无性繁殖的葱蒜类蔬菜种质资源主要是通过资源圃辅助以离体方式保存。但在通过愈伤组织培养保存种质资源时有体细胞变异及染色体倍性改变的风险。如A1-Zahim等[7]利用RAPD技术对经过长期愈伤组织培养的5个大蒜栽培品种的体细胞变异进行检测发现,3个大蒜品种的变异率为0.35%,另2个大蒜品种的变异率达到1%,细胞学鉴定表明在继代苗中存在9.3%的四倍体、4%的非整倍体。

3.3 蔬菜种质资源的繁殖与更新

从种质资源工作的系统性角度考虑,蔬菜种质资源的繁殖与更新同样属于种质资源的保存,只是这种繁殖与更新是狭义的种植保存。这种种植保存从技术层面需要解决种植地点、种植季节、种植规模与更新频率、选择与隔离等问题,而且需要考虑保护每份种质资源的遗传多样性问题。

前已述及,地方品种资源的繁殖与更新最适宜的地方是在其原产地,异地种植、繁殖更新有增加变异、性状表达不充分、选择和种性保持困难的风险。为了既方便种质资源管理,又能够避免发生上述风险,种质资源宜在与原产地生态环境相似的地区进行相对集中地繁殖更新。

确定种质资源繁殖更新的规模与频率必须考虑的问题包括繁殖系数、种子寿命(有性繁殖蔬菜)、授粉方式、种质资源(品种资源)本身的遗传变异程度等。原则上在确保蔬菜种质资源有效保存的前提下,应减少单位时间内的繁殖更新次数或降低繁殖更新频率,这对有性繁殖的蔬菜品种资源(特别是容易自交衰退的部分异花授粉蔬菜)更为重要。

在种质保存过程中,种子的活力随保存时间的延长而逐渐降低,种子活力降低的速度因作物种类、品种以及繁殖地区、贮藏环境(特别是温度、湿度)而异;同时,虽然在种子贮藏过程中也可能发生可遗传的点突变[8],但在种植保存过程中发生变异的概率更高,特别是异花授粉蔬菜。

国内外种质基因库繁殖更新的发芽率标准通常在65%～85%[9],如IPGRI推荐标准为发芽率85%,或活力下降15%,最低临界值为发芽率65%[10]。当然,上述“标准”是否符合种质资源繁殖更新的实际需求还有值得继续探讨的空间。

在种质资源繁殖更新过程中,一个值得高度重视的问题是保持种质的遗传性。对于无性繁殖的蔬菜种质资源,原品种(资源)遗传性的保存相对比较容易且可操作,其关键在于确实了解保护的种质资源的特征与特性,只要根据品种资源的特征特性进行正确的选择即可。对于有性繁殖的蔬菜作物问题就显得复杂。据了解,许多从事蔬菜种质资源保护(繁殖更新)工作者通常采用单株选择的方法进行繁殖更新,这实际上就是自交系的选育过程,这种方式不容易保存原有种质资源的遗传多样性,也就失去了种质资源保存的意义。所以,在有性繁殖蔬菜品种资源的繁殖更新过程中,选择(隔离留种)既要考虑到留种植株的典型性,又要兼顾资源的遗传多样性,自花授粉蔬菜作物及常异花授粉蔬菜作物宜采用选择混合选择法,异花授粉蔬菜作物宜采用改良混合选择法,如母系选择法(产品是营养器官、容易发生自交衰退的种类)、亲系选择法(茎瘤芥、黄瓜等)等。

3.4 蔬菜种质资源的鉴定与评价

蔬菜种质资源的鉴定与评价涉及范围广,这里仅讨论2类性状,即特征性状与生物学特性性状。

特征性状实际上是植物学形态性状,这类性状既有质量性状也有数量性状,有时同一性状既需要定性描述又需要定量描述。但在蔬菜种质资源的鉴定与评价中,无论是质量性状或是数量性状,更应该重视的是定性评价。有时对数量性状的定量描述并没有太大的实际意义,例如果实的大小、肉质根大小等,因为这种数量性状非常容易受环境条件(包括栽培管理水平)的影响。

与特征性状不同,在蔬菜种质资源鉴定与评价中,生物学特性性状需要进行定量评价,虽然这种性状有时反而难以进行定量描述。例如物候期、成熟期、抗病性、口感或风味等性状恰恰是种质资源应用于育种实践最重要的性状,如果对这些性状仅仅进行定性描述,育种者在亲本的选择过程中难以取舍。在上述生物学特性性状中,有些性状,如物候期、成熟期等容易进行量化鉴定,但抗病性、耐低温性、品质等进行量化比较困难。对于抗病性,可以委托专门机构进行鉴定;耐低温等抗逆性的鉴定必须由具备良好仪器设备的教学科研机构进行室内鉴定并结合田间鉴定;对于笼统的品质性状,需要制订评判标准,并组织培训专门人员进行评判(打分),当然,部分品质性状可以利用仪器进行客观评价,如可溶性固形物含量可以利用折光仪测定、果实脆度在建立评价体系的基础上利用质构仪进行测定。

[1] 马双武,王吉明,邱江涛.我国西瓜甜瓜种质资源收集保存现状及建议[J].中国西瓜甜瓜,2003(5):17-19.

[2] 武玲萱,李玉琼,侯志钢,等.山西省萝卜种质资源收集整理及利用研究[J].山西农业科学,2001,29(3): 48-50.

[3] 李为喜,刘三才,邱丽娟,等.新收集大豆种质资源主要品质鉴定与评价[J].植物遗传资源学报,2005,6(1): 75-79.

[4] 李锡香.中国蔬菜种质资源的保护和研究利用现状与展望[C]//北京:全国蔬菜遗传育种学术讨论会论文集,2002.

[5] 柯卫东,刘义满,李峰,等.水生蔬菜种质资源野外考察收集方法[J].中国蔬菜,2007(B08):90-94.

[6] 谭雪,刘自珠,林春华,等.广东蔬菜种质资源收集,保存与利用[J].江西农业学报,2012,24(7):6-9.

[7] Al-Zahim M A,Ford-Lloyd B V,Newbury H J.Detection of somaclonal variation in garlic(Allium sativum L)using RAPD and cytological analysis[J].Plant Cell Reports,1999,18 (6):473-477.

[8] 王吉明,马双武.西瓜甜瓜种质资源的收集,保存及更新[J].中国瓜菜,2007(3):27-29.

[9] Frankel O H,Brown A H D,Burdon J J.The conservation of plant biodiversity[M].Cambridge:Cambridge University Press,1995.

[10] Engels J M M,Tao K L.Genebank standards.Food and Agriculture Organization of the United Nations[M].Rome: International Plant Genetic Resorces Institute,1994.

(责任编辑：侯春晓)

S 324

A

0528-9017(2015)05-0734-04

2015-03-30

汪炳良(1962-),男,浙江海宁人,教授,博士,主要从事蔬菜种质资源与品种遗传改良研究工作。E-mail:blwang @zju.edu.cn。