苹果营养系砧木选育进展

郝玉金，沙广利

(1.山东农业大学园艺科学与工程学院，山东泰安 271000；2.青岛市农业科学研究院)

矮化密植是当前苹果栽培的发展方向，近年来在中国呈现快速发展的趋势[1]。选择适宜的砧木，做到“适地适砧”，是保障矮化密植栽培成功的关键。从苹果产业发展的需求出发，笔者着重分析了苹果营养系砧木选育存在的问题以及值得借鉴的国外经验，以期为中国的苹果营养系砧木选育、应用提供借鉴。

1 苹果营养系矮化砧木选育阶段的回顾与矮化基因来源

相对于苹果品种育种而言，苹果砧木育种的周期更长，进展也相对缓慢。苹果营养系砧木选育可分四个阶段。第一阶段为资源整理与选育利用阶段，20世纪初叶，代表性研究单位为东茂林试验站(East Malling Station)，通过整理道生苹果(Doucin)和乐园苹果(Paradise)，鉴别嫁接苗的树势控制等性状，明确了M1～M16等16个类型， M9、M7为其中的代表。通过压条等无性繁殖方式，使不同砧木的生理遗传性状得以固定，改变了实生砧木变异大、群体不整齐的弱点，是苹果砧木应用历史上的一次革命性事件。第二阶段为人工杂交选育利用阶段，目标集中于矮化、抗苹果绵蚜等性状，例如，东茂林与Menton合作，利用M系砧木与君袖杂交，育成了抗绵蚜的MM101～115，其中MM106、MM111应用较多。第三阶段育种目标更加多元化，包括了抗寒、抗苹果疫病、抗火疫病、易扦插等育种目标，参与的国家更加广泛，包括前苏联、波兰、加拿大、日本、中国等。利用M系砧木，利用当地的特色资源作为杂交亲本，丰富了苹果砧木的基因来源，育成了O3(加拿大)， B系(前苏联)，P系(波兰)，CG系(美国)，JM系(日本)及GM256(中国)等砧木。第四阶段为生物技术辅助育种阶段，如利用组织培养技术，筛选组培苗中的体细胞变异，选出了M9 T337(荷兰)等；通过转基因改善了M26的生根能力[2]。

综合分析国内外的苹果矮化砧木选育历史，发现生产上常用的苹果营养系砧木，其矮化性状实际上来自几个有限的基因源。一个矮化基因源是森林苹果(Malussylvestris)和东方苹果(Malusorientalis)中的道生苹果和乐园苹果。20世纪初，英国东茂林试验站整理发表的M1～M16等砧木类型，奠定了苹果矮砧系统育种的物质基础。其后，各国陆续开展的砧木育种多是以这些砧木为矮化基因来源，与其它的基因供体杂交，获得符合目标性状的砧木类型，尤其是其中的M9、M8等，在世界各地的苹果砧木育种实践中应用较多(宣景宏，2001)，例如，前述第三阶段各国的育种实践。另一个矮化基因源是原产中国的河南海棠。山西省果树研究所于敬等[3]通过实生选种，整理其中的不同类型选育出S19、S20、S63等，邵开基等[4]利用国光苹果与河南海棠杂交，选育出SH系，其中的SH6、SH38、SH40在山西、河北、北京等地应用，表现抗抽条能力强，适应当地风土条件。

由此可知，目前苹果砧木育种利用的矮化基因来源相对狭窄。充分挖掘利用中国原产的砧木资源，扩大基因来源，对于选育适应中国生态条件的苹果矮化砧木意义重大。中国原产的苹果属矮化砧木资源有崂山柰子[5]，扎矮山定子[6]，小金海棠[7]，晋西北山定子中的部分基因型[8]等。

2 苹果营养系砧木的育种目标

营养系砧木的特点是通过无性繁殖保持群体的一致性，母体的特点可以在繁殖后代中完整“再现”。目前，营养系砧木是世界各国苹果砧木应用的主流方式。

英国东茂林试验站的育种目标致力于提高产量、改进果实大小和品质、减少使用农药、抗重茬、抗杂草、抗干旱等。克服M9、M26等的缺点，在生产效率、果实大小、果实方面得到改善。为适应有机农业的发展，注重选育能够抗土传病虫害，能够与杂草竞争水分与养分的矮化砧木。

美国杰尼瓦试验站的育种目标集中在矮化性、生产能力、早果性、逆境适应能力(主要是抗寒性)、抗病虫能力(主要是火疫病和重茬病)等方面。近年来，选育了G16、 G30 、G202、G41、G935和G11等。

日本果树试验站盛冈支场(现在为日本国家果树研究所苹果研究中心)的育种目标是：①良好的树势控制能力。②抗病虫，如紫纹羽病、冠腐病、腐烂病、绵蚜等。③耐涝。④容易硬枝扦插繁殖[9]。1972年用容易扦插繁殖的圆叶海棠做母本，与M9杂交，1984年选出了10个符合育种目标的单系，1996年JM1、JM7和JM8被命名并进行了商业释放。

中国苹果的主栽品种是富士，占70%以上，富士品种具有难成花的特点。根据中国苹果产业的发展需求，中国的苹果营养系砧木的育种目标包括以下5个方面：①适应能力。包括生物学逆境适应性和非生物学逆境适应性。前者包括对病虫害等有害生物的适应能力，后者包括对温度、水分、养分、重茬等逆境条件的适应能力，适应性强的砧木能够在逆境条件下保持较高的生产能力。随着生态条件的变化，苹果生产对砧木的适应能力提出了更高的要求，选育“环境友好型”的砧木，实现砧木的适地适栽，既可以减少生产风险，又可以减少农药化肥等的投入，降低果品的农药、化肥残留，实现可持续生产。随着中国苹果主产区的逐渐西移，适应陕西、甘肃等气候特点，抗寒、耐旱，抗春季抽条，耐夏季高温，适应雨热同季气候特点的砧木，应该成为育种的重要目标。烟台农业科学院选育的“烟砧一号”[10]可以增强嫁接品种的轮纹病抗性，对于应对中国苹果主产区轮纹病发生越来越重的严峻形势具有重要意义。②生产能力。包括成花能力和丰产稳产两个方面。一方面，砧木嫁接品种后，要容易成花、结果早，同时还要连年丰产，没有大小年，累计产量高，保持一个较长的丰产期。③生长势控制能力。根据中国苹果主产区的生态条件，注意选择控制接穗品种生长能力在M26与M7之间的砧木、同时要干性强、有较强固地性，以减少对架材等支撑材料的依赖。同时，注意选择控制接穗品种生长能力在M9与M27之间的砧木，以满足肥水条件较好的高密度栽培对砧木的需求。④亲和性与繁殖能力。要求砧木与品种、基砧有较好的亲和性，压条容易生根，育苗性状好，根蘖少，接口平滑。为提高育苗效率，应注意选择扦插容易生根的砧木。⑤对果实的影响。能够改善果实的着色、质地、风味、营养物质含量等品质性状。

3 苹果营养系砧木的育种途径

苹果营养系砧木育种的途径包括实生选种、芽变选种、杂交育种和生物技术辅助育种等。目前，杂交育种依然是苹果砧木育种的主要途径。

实生选种。野生苹果种质资源变异多，利用大的实生群体，进行实生选种，可以获得有价值的砧木材料。中国野生苹果种质资源丰富，通过资源考察、实生选种选育优良砧木，见效快，可以挖掘利用特色基因，是一条重要途径，值得重视。杨廷桢等[8]利用晋西北山定子的实生群体嫁接成花能力不同的品种，从15万株实生苗嫁接的不同品种苗木中，选出571株当年开花的株系，作为早花早果能力强的砧木，并从开花、结果、生长量、越冬表现几个方面，进行了综合评价。

芽变选种。又称体细胞变异选种。在植物脱毒等组织培养过程中，可以产生体细胞突变，经过选择可以成为新的砧木品系。法国果品蔬菜跨行业技术中心从M9脱毒材料中，选育得到Pajam系，生长势较M9有所增强；其中Pajaml和Pajam2发芽和落叶期提早，克服了春季品种发芽早而砧木树液流动迟造成的物候期不一致，增强了树体的越冬性；同时育苗性状变好，嫁接亲和力强，压条易生根，苗木产量比M9增加2～3倍。M9 T337由荷兰木本植物苗圃检测服务中心选育，比M9 EMLA矮化程度大20%，易压条繁殖，意大利、法国等推广应用的高纺锤树形果园多采用这种矮化砧。与Pajam1和Pajam2相比，M9 T337具有更好的苗圃性状。

杂交育种。除进行现有砧木品种之间的杂交外，注意引入野生抗性资源，以达到育种目标。重视中国野生抗性资源的调查、利用，例如小金海棠的抗缺铁黄化、山楂海棠的抗腐烂病、烟砧一号的抗枝干轮纹病、野生山丁子的早花早果类型、珠美海棠的耐盐性等。

生物技术辅助育种。包括分子标记辅助育种、胚抢救、转基因育种等。Pilcher 等[11]利用M9×Robusta5杂交后代作砧木嫁接Braeburn，5年生嫁接树表现明显的树体大小分离。采用群体分离分析法(BSA法)将矮化基因Dwarfing1定位于M9的LG5连锁群顶端2.5cm的范围内，该基因位于随机扩增多态性标记(RAPD标记)NzraAM18～700和简单重复序列标记(SSR标记)CHO03a09之间。Welander和Zhu[2]为改善M26的生根能力，用rolB基因转化M26，得到两个株系C和F，rolB基因在株系F中的表达高于株系C。两个转基因株系的生根率与根系数量好于对照，株系F的生根能力好于株系C。李建科等[12]研究了转 FRO2基因八楞海棠抗黄化性，结果显示, FRO2在转基因八楞海棠植株中过量表达，在缺铁胁迫下，根系铁吸收能力和有效铁还原能力明显加强，叶片颜色比对照绿，黄化程度轻。

为了在果树育种中充分利用分子生物学的最新技术，美国联邦政府启动了果树育种项目“RoseBREED”，该项目以苹果、桃、樱桃和草莓等为主要育种对象，整合基因组、遗传和常规育种研究的力量，以基因组方面的知识和工具来加速育种进程，提高育种效率。育种机构间交换知识和资源，利用分子生物学手段，建立数据库，进行遗传背景分析。利用家谱分析法整合遗传型和表型的信息，将标记-位点-性状相关性直接用于育种。可以浏览www.rosebreed.org了解该项目的情况。欧洲也启动了类似的果树育种项目。

4 苹果营养系砧木杂交育种的杂种选择

苹果砧木杂交育种的杂种选择一般分为初选、复选和决选3个阶段。初选主要是针对适应性和抗逆性进行选择，以减少实生苗数量，降低成本，提高效率。国外通常在得到实生苗的当年，即通过接种病菌等方式，淘汰将近90%的实生苗，大大降低成本。利用分子标记，针对某些性状进行预选，可以提高育种效率。复选主要是针对繁殖能力，进行扦插与压条生根能力鉴定，从中选择表现好的株系，培育成苗，然后嫁接主栽品种，进行亲和性、早果性、丰产性、对果实品质影响等鉴定，确定综合表现优良的单系。决选主要是鉴定复选单系的区域适应性，在苹果的主产区，根据生态类型、立地条件等的差异，选择区试点，进行砧木品系区域适应性研究，确定在不同区域生产中推广应用的砧木品系与砧穗组合。

康奈尔大学的砧木育种程序(Fazio，2010，个人交流)：①实生苗的抗病性筛选，接种火疫病等病菌孢子。②分子标记筛选：可用的标记有矮化、抗白粉病、绵蚜、黑星病。压条繁殖鉴定苗圃繁育特性，为下一步试验准备试材。③田间试验，每品系3～10株，嫁接同一个品种，评价8～12年。④评价早果性，扩大苗木数量。⑤评价压条繁殖能力，苗木质量。⑥多点试验，评价早果性、产量、果实大小、矮化、成活率、抗病性、树形、气生根、萌蘖等。⑦商业苗圃，评价商业化生产条件下苗木特性。⑧区域试验，NC-140计划，评价在美国、加拿大、墨西哥、日本等国的多点试验表现。⑨规模化生产。⑩商业化释放。

5 砧木的致矮机理

明确砧木致矮机理，对于选择育种资源、确定育种途径、进行实生苗筛选，都有重要意义。目前关于砧木的致矮机理仍不明确。砧木致矮涉及到砧木与接穗之间的相互作用，一直是此领域科学家关注的热点，归纳起来涉及几个方面。①解剖学特点，如高根皮率和嫁接不亲和均可导致矮化。利用亲缘关系远的植物为砧木，可以导致接穗矮化。利用异属植物栒子等为砧木，嫁接苹果会致矮。②物质运输，砧木影响水分及糖分、氨基酸、矿物质等营养物质在接穗与砧木之间的分配，从而影响矮化。③生化物质的影响，如酶与酚类物质。④激素的影响，生长类激素、脱落酸通过改变砧木的生长节奏，影响接穗的生长。激素的影响与砧木的激素浓度、信号传导、合成与运输等有关。孔瑾研究组发现[13]，转录因子MdWRKY9通过抑制油菜素内酯(BR)的限速合成酶基因MdDWF4的转录，从而减少BR的合成，介导矮化。 MdWRKY9基因在矮化砧木中表达水平高，超表达MdWRKY9，使苹果砧木M26的BR水平显著降低，并进一步矮化。外源施用BR可以部分逆转矮化的表型。韩振海团队冯轶发现[14]，苹果矮化砧木根系玉米素含量显著低于乔化砧木，对苹果砧木根系细胞分裂素代谢通路的基因家族成员进行筛选，发现IPT5b基因在不同乔化、矮化砧木间存在表达差异。⑤砧木影响接穗的基因表达，Foster等认为[15]，成花类基因MdFT 具有促进成花和枝条停长的作用，该类基因在导管系统中的表达上调，可能是M9和M27等砧木致矮的机制之一。⑥砧木影响信号物质的远距离运输，Ruiz-Medrano等[16]通过嫁接试验，在接穗组织中检测到了砧木特异的RNA，这表明RNA分子作为信号物质可以通过韧皮部从砧木运输到接穗组织，表达翻译成相应的蛋白质。Chen等[17]和Parnis等[18]基于Mouse ears (同源异型融合转录本，homeobox fusion transcript)的研究，发现接穗的表型变化与这种基因转录本的长距离运输有关。

以上几种不同的机制，导致接穗的不同反应，有的使接穗与砧木的嫁接复合体高度变矮；有的砧木促进接穗分枝，改变短枝、长枝比率；有的砧木促使接穗成花，提早结果，通过“以果压树”，达到矮化目的。矮化砧木作为中间砧应用时也有矮化效果，而且中间砧的长度越长，矮化效果越明显。当矮化砧木作为自根砧时，嫁接的部位越高，也就是树干部位矮化砧的长度越大，矮化效果越明显。这些结果说明砧木的矮化效果不能全部归因于根系，至少在苹果和梨中，矮化与砧木的树干也有一定关系。这可能与树干的木质部、韧皮部结构与功能，或者树干产生的某些抑制物质有关。

6 营养系砧木评价的组织形式

砧木的评价包含嫁接不同品种的亲和性、生产能力及在不同区域的适应性等问题，是一个长期的系统工程。砧木是果树的基础，砧木选择的正确与否，将影响果树的整个生长、生产周期。砧木评价需要嫁接不同品种，在不同区域长期进行，研究结果是公益性的，可以供不同生产区域的生产者参考利用，从根本上减少或避免由于砧木选择不当给生产带来的损失。因此，砧木评价需要有组织地统筹进行，并得到政府的稳定资助。中国曾经在20世纪70年代，由中国农业科学院郑州果树研究所牵头，组织全国19省市38个有关单位成立矮化苹果协作网，在渤海湾、黄河故道、秦岭北麓、黄土高原中、南部及鄂西北等苹果产区，重点对国外广泛采用的M系、MM系苹果矮化砧进行繁殖和利用研究，促进了中国苹果矮化栽培的发展。后来，这种科研协作中断了。2009年，为了整合全国苹果矮砧研究的科技资源，联合开展苹果矮砧集约高效栽培技术研究，国家苹果产业技术体系成立了“全国苹果矮砧集约高效栽培技术协作组”，全力推动苹果矮砧集约高效栽培技术在中国的发展。

为了更好地促进苹果矮化砧木的评价利用，我们可以借鉴美国等发达国家的运作方式和管理经验。 NC-140区域性砧木研究计划(NC-140 Regional Rootstock Research Project)是由美国农业部(USDA)、 美国国家食品与农业研究所(NIFA)和参加项目的州立农业试验站资助，该计划旨在通过果树砧木研究，为美国中部及其他北美地区的果树优势产区，探索在经济层面、环境层面上可持续发展的落叶果树生产。NC-140砧木计划的工作目标(2007～2012)是：①在不同管理体系和环境条件下，评价砧木对接穗品种生长习性的影响。②通过杂交育种和基因工程，选育和改善温带果树砧木的繁殖技术，在世界范围内获得砧木资源。③研究温带落叶果树砧木与接穗相互影响的遗传学、发育生理学。④更好地理解接穗和砧木嫁接复合体对生物学逆境和非生物逆境的响应与影响。为了实现工作目标，组织全美以及加拿大、墨西哥、日本等的相关研究人员，针对砧木应用存在的问题，列为专项，进行长期系统的研究。每年召开一次年度会议，部署需要开始的研究项目，总结正在进行、或即将结束的研究项目。某一个专项结束后，以全体参与人员的名义，公布发表研究结果，供生产者、苗木育种商参考使用。由于研究结果的系统性、权威性，对当地的砧木应用、果树生产指导作用强，也吸引了部分苗木生产商、果树农场主资助这一项目。

7 苹果营养系砧木新品种的知识产权保护

通过决选选出的砧木新品系，应申请品种审定或登记备案。营养系砧木通过无性繁殖繁育苗木，容易通过接穗等无性繁殖材料造成新品种的流失，给育种者利益造成损害，不利于育种事业的长远、健康发展。苹果属植物已列入“农业部果树新品种保护名录”，育种者可以通过申请“植物新品种保护”，借助法律，保护自己的知识产权。新品种“俱乐部”是国外苹果新品种运营的一个新发展趋势。通过申请植物新品种保护，转让新品种专营权，注册经营商标等法律程序，由 俱乐部进行苹果品种(包括砧木)的商业化运作。俱乐部在苗木销售、种植区域、栽培面积、目标产量、市场开发等方面进行目标管理，与育种者、育苗者、栽培者、果品经销商形成利益共同体。俱乐部经营既保护育种者权益，也保护生产者利益。育种者可以在俱乐部的苗木销售、或果品生产中得到利益分成，不需要面对众多的生产者去维护知识产权；生产者也不用担心高价买来的新品种，由于过多转让，发展过多过滥，造成“谷贱伤农”。

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