香蕉种质资源的安全保存与有效利用

胡玲玉，黄秉智，杨兴玉，吴元立，许林兵

（广东省农业科学院果树研究所/农业农村部南亚热带果树生物学与遗传资源利用重点实验室/广东省热带亚热带果树研究重点实验室，广东 广州 510640）

香蕉是指芭蕉科芭蕉属的尖苞片蕉（Musa acuminata）和长梗蕉（M. balbisiana）两个野生种以及它们种内突变或种间杂交演化而成的栽培种，芭蕉属的其他种为香蕉的近缘植物。香蕉起源中心在东南亚，主要有印度尼西亚、马来西亚、印度和泰国等；次生起源中心在非洲；我国是香蕉起源地的边缘地区，华南各省有大量的栽培蕉以及少量的香蕉野生种和野生近缘植物［1-2］，野生近缘植物以阿宽蕉（M. itinerans，以前曾误称为杂交野生蕉（M. acuminataColla ×M. balbisanaColla）、AA型野生蕉或AB型野生蕉）较为普遍［3-6］，在浙江、湖南等省还可见少量芭蕉（M. basjoo），种类较多的是云南省，有栽培种和野生种类型。

按照Simmonds等方法进行香蕉栽培种分类，可将尖苞片蕉性状的基因称为A基因，将长梗蕉性状的基因称为B基因［7］。根据性状分类值及染色体倍数，可将香蕉栽培种分为AA、AAA、AB、AAB、ABB、AAAA、AAAB、AABB、BB和 BBB等基因型。香蕉的栽培种或杂交栽培种以下分基因组（group），后分栽培品种，有的基因组下再分亚组（subgroup），AA、AAA、AAB、ABB等都有很多亚组，如Cavendish亚组、Plantain亚组，国内刊物上学名写法没有统一标准，但大多规范为“属名Musa+基因型+亚组名+品种名”，如大丰1号香蕉的学名可写成M.AAA Cavendish cv. Dafeng No. 1。

香蕉是世界上主要水果作物和重要粮食作物之一，依照其用途，国际上将香蕉作物分为香蕉（Banana）和大蕉（Plantain），香蕉是水果作物、多为鲜食，大蕉是粮食作物、多为煮熟后食用。目前，香蕉和大蕉在130多个国家和地区均有栽培［8］，年产量达到1.55亿t（FAO，2020），对亚洲、非洲、拉丁美洲以及太平洋岛屿等许多国家和地区的经济发展作出了重要贡献。但是在许多产区，香蕉产业正面临着栽培品种单一化以及病虫害、冷害等生物和非生物逆境胁迫的威胁，此外，提高果实产量和品质以及延长果实保鲜期也是育种者们面临的重要问题［9-10］。世界上许多香蕉育种组织和机构正在为培育抗病抗虫的高产、优质新品种而努力［11］。香蕉新品种选育依赖于很小的遗传变异基础，因此在育种过程中需要纳入更多的遗传物质多样性，这项工作需要依赖大量且全面的种质资源材料的收集，丰富的种质资源可以为育种者们提供优良的遗传物质来源［12］。香蕉野生种、多样化品种和野生近缘植物中蕴含着应对病虫害及不断变化的环境条件所必须的基因。为确保这些重要且丰富的种质资源材料可以应用于未来的繁殖和育种工作，必须对香蕉种质资源材料进行收集和安全保存［13］。

1 国内外香蕉种质资源的保存现状

1985年，国际生物多样性组织（Bioversity International）建立了一个种质库，该种质库已发展为世界上最大的香蕉异地保存种质库，目前保存有1 625份香蕉种质，由比利时的国际种质交换中心（International Transit Centre，ITC）保管。自1985年以来，ITC已向109个国家和地区的用户分发了17 000多份种质材料，其中约75%的材料分发给香蕉主要种植区（非洲27%、美洲25%和亚太地区23%），其余则分发给欧洲的大学和研究中心，作为基础和应用研究、育种、保存和开发的资源［14］。此外，据香蕉种质信息系统（Musa Germplasm Information System，MGIS）截至2020年9月数据，喀麦隆非洲香蕉和大蕉研究中心（CARBAP）、乌干达国际农业研究组织（NARO）、苏丹农业植物遗传资源保护与研究中心（APGRC）、古巴热带环境研究所（INIVIT）和印度尼西亚园艺研究与发展中心（ICHORD）分别保存617、442、358、354和306份香蕉种质。

我国国家果树种质广州香蕉荔枝圃建于1989年，目前保存有香蕉种质340份。国内也有其他单位开展香蕉种质资源的收集保存工作，截至目前，中国热带农业科学院南亚热带作物研究所保存有近200份、品种资源研究所保存近200份，广东省东莞市香蕉蔬菜研究所保存146份，云南热带作物研究所保存110份，农业农村部广州香蕉种质资源圃保存243份，华南农业大学保存72份。

2 香蕉种质资源的安全保存技术

香蕉属于多年生无性繁殖草本植物，一般不产生种子，所以种子保存不适用于香蕉种质资源［13］。国际上香蕉种质保存方式主要以活体保存为主，包括圃地种植保存、大棚设施保存以及离体保存等方式［15］。

2.1 圃地种植保存

2.1.1 优点与缺点 种质圃需要设立在适于种质生长的地区，要求有悠久的栽培历史和资源基础，同时具有开展研究的仪器、设备和场地条件。香蕉种质资源的圃地种植保存依靠吸芽的无性繁殖来实现，优点是这种保存方式更接近生产上的管理水平，可以对保存的种质资源进行田间评价和性状观察描述记载。缺点是占用大量土地和劳动力，且易受自然灾害和病虫害的影响，比如冷害，气温下降至0℃会使香蕉种质材料的地上部枯萎，但球茎一般不会死亡，如果气温长时间维持在-3～5℃以下，大部分香蕉种质材料将死亡；此外，一些毁灭性病害（如香蕉束顶病、花叶心腐病及枯萎病）导致大部分香蕉植株死亡［16］，影响香蕉种质资源的长期保存。

2.1.2 注意事项 通过观察香蕉种质资源材料的生长位置、生长势和病虫害情况等，评估其生长状态和安全性，以确定是否需要进行更新。如果观察到以下情况发生，即需进行种质资源更新：香蕉植株吸芽生长位置变化大、影响株行距；植株假茎变小、变矮以及果实性状变差；植株感染香蕉束顶病、花叶心腐病或枯萎病等毁灭性病害。香蕉种质资源的更新通过田间吸芽分蘖繁殖进行，一株植株一般可长3～5个吸芽，选择生长势健壮、无病虫害的吸芽为繁殖材料，能更好地保证香蕉种质的遗传稳定性。但是吸芽易带病菌，因此要做好消毒工作。此外，在高温季节，吸芽的种植成活率不高，因此要预留足够数量的吸芽来补种。

在圃地种植保存中，香蕉种质材料的病虫害防控十分重要。香蕉病毒病一般可通过杀死传播媒介（如蚜虫）来预防；枯萎病较难防治，主要通过土壤消毒杀菌、多施有机肥和生物肥以及轮作等方式减轻发病率。此外，还可以通过扩大保存数量，一般每份香蕉种质材料保存5～10株，以保证其安全保存。圃地种植保存操作按《作物种质资源繁殖更新技术规程》［17］进行。

2.2 大棚设施保存

为了防止极端天气和毁灭性病虫害等不利因素造成种质材料的死亡，通常采用大棚设施保存，主要包括大棚设施种植保存和盆栽种植保存。

2.2.1 大棚设施种植保存 （1）优点和缺点：大棚设施种植保存管理方式与圃地种植保存基本一致。大棚设施设置有保温和防虫措施，可以防止冬季低温对耐寒力差的种质材料造成伤害，并观察低温季节种质材料的结果习性，还可以防止虫害和虫传病害等，提高种质异地保存的安全性。但是如果夏季温度过高，需要采取降温措施，增加成本；高温高湿造成红蜘蛛和鞘腐病等病虫害增加；遮荫也会造成种质材料的徒长。（2）注意事项：注意适当疏植，增加透光性，当植株生长过高时要适当短截以降低假茎高度，防止遮阴；高温季节要及时降温，加强肥水管理及病虫害防治；利用物联网系统监测温度、湿度和光照等环境条件，实现自动化管理，使种质材料生长最优化。

2.2.2 大棚盆栽种植保存 （1）优点和缺点：为了使保存种质植株小型化，可进行密植化管理，大棚盆栽种植保存是一种有效方式。使用无病菌的培养土将吸芽或组培苗种植在塑料大盆中，每份种质保存3～5盆，重要的种质材料可保存更多，存放于设施大棚中集中管理，用于保存营养体，不需要观察其结果习性。这种方法可以辅助圃地种植保存，具有节省占地面积、方便管理以及安全性较强等优点，是国内外较为先进的保存方法。但是缺点是需要定期更换花盆和培养土，增加人力和财力成本。（2）注意事项：培养土的选择要考虑其保肥、保水、透气性能，通过肥水管理措施既要保证幼苗的正常生长需要，也要使幼苗生长缓慢，维持其最低生长速率，一般每隔1～2年更换一次培养土和幼苗，重新种植保存。如果培养容器空间太小，根系生长空间不足，会导致植株徒长且提前衰老。因此，在盆栽保存中，要采用较大花盆和足量培养土，控制肥水，适当修剪植株叶片和假茎，控制植株生长量，保持约4株/m2左右。植株长得太高时，可短截以降低假茎高度；植株球茎过大、生长势较差时，需要及时更换培养土和幼苗。此外，要注意防治好叶瘟病和鞘腐病等病害，对培养土进行消毒或者定期喷淋杀菌药，对保存易感土传病害的品种更为有利。

2.3 离体保存

田间保存易遭受病虫害、冷害和台风等不利环境条件的威胁，而且占用大量的土地和劳动力，维护成本较高。因此，离体培养也常用于香蕉种质资源保存，香蕉的离体保存分为缓慢生长保存和超低温冷冻保存［18］。

2.3.1 缓慢生长保存 （1）优点和缺点：缓慢生长保存适用于香蕉种质资源的中短期保存［19］。组培繁殖主要是利用吸芽进行外植体接种，在MS培养基上外加生长调节剂进行无菌繁殖，不定芽生根后长成小苗。组培苗在温度15℃左右生长缓慢，每年继代培养1～2次，可保存5～10年。组培苗长成的植株一般不带病菌，经病毒检测后也可保证不带病毒，有利于种质的分发和利用。随着组培技术的发展，生产上香蕉种苗大多采用组培苗，具有无病菌、繁殖速度快且量大、不受气候因素影响以及成本低、质量好等优点。但是由于每年需要继代培养1～2次，所以容易遭受细菌或真菌污染，而且在体外保存的种质容易发生体细胞克隆性变异，所以需要定期监测保存材料的生长和健康情况以及遗传稳定性。（2）注意事项：缓慢生长保存的主要目的是降低生长速度、延长保存时间以及降低保存空间，主要通过控制生长温度和培养基营养成分来实现，保证植株遗传稳定且生长速度极缓慢，多数香蕉的生长临界点温度为13℃，因此组培保存的室内温度通常控制在15℃左右。由于种质材料的类型不同，组培的繁殖难易和变异程度有差别，所以种质材料的继代次数一般不超过15次。当组培苗出现生长势变差、叶片畸形或分化芽不分化时，即需进行种质材料的更新保存。

2.3.2 超低温冷冻保存 超低温冷冻保存适用于香蕉种质资源的长期保存。由于缓慢生长保存方式存在容易发生污染以及体细胞变异等缺点，所以为了确保对香蕉种质材料进行长期、安全且成本更低的保存，开发了超低温保存方式（在液氮中，-196℃）。在这种保存条件下，植物中绝大多数生物化学和物理过程都被抑制，植物材料可以无限期存储。目前，可用于香蕉组织超低温冷冻保存的方案有3种：（1）对0.4 mol/L蔗糖上预培养2周的分生组织进行快速冷冻［20］；（2）顶端分生组织玻璃化，对从离体保存材料上切取的微小分生组织进行玻璃化冷冻［21］；（3）对蔗糖预培养后的分生组织进行玻璃化冷冻，这是前两种方法的结合，是目前最成功的方法，解冻后再生率高达75%［22］。超低温冷冻保存技术除可用于种质保存，还可用于根除植物病毒，通过超低温保存，香蕉花叶病毒（CMV）和香蕉线条病毒（BSV）可以从被感染的香蕉材料中清除［23］。此外，超低温冷冻方法还可用于保存具有特定特征的植物材料，如遗传转化组织和转化感受态组织。香蕉转化感受态组织的胚胎细胞悬浮系制备困难且耗时，所以其安全储存至关重要，有研究表明在液氮中保存4年后，解冻后组织的生存能力、再生能力以及对农杆菌介导的遗传转化能力保持不变［24］。

虽然我跟佳佳私下里的交集不多，但对她本科时的用功、刻苦和出色，也是有所耳闻的。我知道她的学习成绩很好，绩点分在系里始终名列前茅，当年的GRE考试接近满分，大三时就已经开始在网上发布自己总结出来的英语听力教学新论了。

3 国家果树种质广州香蕉荔枝圃的种质资源保存现状

3.1 保存数量

广东省农业科学院果树研究所从20世纪60年代开始收集国内外香蕉种质资源，1989年经农业部验收并建立香蕉圃，保存资源主要为芭蕉属种质资源，包括栽培种、野生种和野生近缘植物（种）。截至2020年9月，国家果树种质广州香蕉荔枝圃入圃保存香蕉种质资源总数为340份，其中国外引进109份、共有9个物种（含1个亚种），生产上已绝种的物种约70份。2001年农作物种质资源保护与利用专项启动后新增物种数4个、新增份数172份，其中国外引进70份。

3.2 保存类型

国家果树种质广州香蕉荔枝圃保存的香蕉种质资源有栽培种、野生种和野生近缘植物（种）三大类。圃地保存的主要是栽培种资源，可分为AA、AAA、AAB、ABB、BBB、AAAA、AAAB、AABB等基因型（组），其中AA、AAA、AAAA由尖苞片蕉演化而来，AAB、ABB、BBB、AAAB、AABB由尖苞片蕉和长梗蕉杂交演化而来，称为杂交蕉。香蕉野生种和野生近缘植物（种）中蕴含着丰富的遗传物质，但是大多仍未被开发利用，因此仍需进行收集、保存、描述和利用［25］。目前，圃地保存的野生种和野生近缘植物（种）数量不多、仅40份，占圃地香蕉资源的12%。尖苞片蕉和长梗蕉这两个野生种在圃地均有保存，圃地保存的野生近缘种多为我国分布较多的阿宽蕉，此外还保存有芭蕉、云南指天蕉（M. paracoccinea）、芭蕉红（M.coccinea）、毛果蕉（M. velutina）、粉饰蕉（M.ornata）等。

3.3 鉴定与评价

3.3.1 粗评 将收集的香蕉种质资源材料种植在引种棚或观察圃中，参照《香蕉种质资源描述规范和数据标准》［26］进行描述和记载，评价其与现有种质材料的差异性，排除相同的种质材料，将与现有种质性状表现不同的材料置于圃地栽培。

3.3.2 鉴评 正常管理条件下，参照《农作物种质资源鉴定技术规程 香蕉》（NY/T 1319-2007）和《农作物优异种质资源评价规范 香蕉》（NY/T 2025-2011）进行两年以上的鉴定和评价，将多年采集数据进行整理形成一个数据库，根据鉴定评价结果筛选出优异种质资源，有的直接应用于生产，有的供给相关单位和组织进行科研或育种研究。

对一些重要的抗性进行鉴定时，需要另设条件开展。例如，为了鉴定种质材料的枯萎病抗性，育种者们利用病菌与组培苗的互作关系开发了组培苗离体早期枯萎病抗性鉴定技术，同时配合采用病园组培苗密植早期诊断鉴定技术，定植一段时间后记载外部发病症状和球茎部病斑大小进行抗病性评价［27-29］。

3.4 努力方向

香蕉种质资源材料的保存是占地较多、成本较大而成效较低的一项工作。自2018年承担农业农村部的种质圃改扩建项目以来，国家果树种质广州香蕉荔枝圃在保存条件方面得到较大改善。田间种质圃建设有防虫的网室大棚，可以防止虫害传播；温室大棚安装有通风降温、遮阴和物联网控制设备，可用于棚内种植保存和盆栽种植保存；同时还建有组培保存室，可开展低温离体组培保存。

4 香蕉种质资源的有效利用

4.1 育种

作物种质资源是人类赖以生存和发展最根本的物质基础和战略资源，也是生命科学源头创新的材料基础，是育种的重要材料来源。果树种质资源的有效利用涉及许多方面，包括作为育种材料培育新品种、开发加工和药用保健品等，重点还是在品种选育上。

4.1.1 杂交育种 香蕉栽培品种母本高度不育，且果实要求绝对无籽化，所以很难通过种子进行繁殖［30］。但是，香蕉种质资源中部分野生种和野生近缘种可杂交产生种子，部分栽培品种（如粉蕉和大蕉）的雌花也具有一定的育性，可少量或极少量地产生种子，这为杂交育种提供了条件。粉杂1号（母本为广粉1号，父本尚未确定、可能为野蕉）是自然杂交后育成的重要栽培品种；高产高抗枯萎病的中蕉9号（金手指×SH3142）也是通过杂交育种选育出。我国香蕉产区存在冷害和干旱等非生物逆境胁迫，而杂交育种培育的香蕉品种抗逆性强，将成为我国香蕉产业的主要发展方向。世界上有4个著名的香蕉育种机构（洪都拉斯的FHIA、巴西的EMBRAPA-CNPMF、尼日利亚的IITA、瓜德罗普的CIRAD-FLHOR）从事香蕉的杂交育种工作，育出了FHIA系列等香蕉杂交新品种，在抗枯萎病、叶斑病和根线虫病等方面取得较大进展，但是绝大数品种还不能满足消费者日益增长的品质需要。

4.1.2 诱变育种 无性繁殖过程中发生的自然突变以及利用物理或化学因素使香蕉体细胞发生变异，可筛选出一些具有特定抗性的高产优质新品种。虽然这些变异具有随机性且难度较大，但在原有优异种质上进行抗病性的选择比较有效。在我国台湾地区，香牙蕉种植园中枯萎病发病严重。从1984年开始，台湾香蕉研究所对香蕉组培中发生变异的材料进行抗病选育，1992年后已陆续选育出抗病且优质高产的台蕉1号、台蕉3号和宝岛蕉等新品种和品系［31］，将这些抗枯萎病新品种和品系分发到世界各地，育种者们在此基础上再进行选种和优化，选育出更多更符合生产和消费的新品种。国家果树种质广州香蕉荔枝圃以丰富的种质资源材料为基础，选育出许多抗病香蕉新品种，如粉杂1号和南天黄等，这些品种已成为广东省的农作物主导品种，为香蕉产业可持续发展和农民增收作出了较大贡献。

另外，新兴技术如细胞融合技术、基因编辑技术以及转基因技术等，也成为未来香蕉新品种选育的重要有效手段。

4.2 基础研究

国际种质交换中心拥有世界上最丰富的香蕉种质资源，除了用于保存，也利用种质库开展基础研究，选育营养更全面、抗性更强的香蕉品种。非洲儿童每年会遭受维生素A缺乏导致的失明和感染，香蕉是全球第四大粮食作物，因此筛选富含维生素A的香蕉品种具有重要意义［32］。国际生物多样性组织筛选了400多个品种，鉴定出类胡萝卜素含量高的品种，人体可以将类胡萝卜素转化为维生素A，仅吃一根香蕉即可满足儿童每日维生素A需求。

国家果树种质广州香蕉荔枝圃在基础研究方面，主要开展香蕉种质资源的植物学和生物学性状描述记载、枯萎病抗性评价以及染色体倍性研究。此外，通过分发种质材料给相关的科研教学单位，通过其反馈信息完善数据库。同时，圃地每年还接待华南农业大学等学校和其他组织的学生及研究人员前来参观，提供一些优稀种质给相关单位建设小规模的科普观光园，对香蕉科普起了重要作用。

4.3 支撑香蕉产业

我国是香蕉生产第二大国，产区主要集中在广西、广东、海南、福建和云南5个省份［33］。在当前的乡村振兴与扶贫攻坚战中，香蕉作为高产优质水果，其栽培相对容易，农民容易掌握栽培技术，在贫困地区广泛种植，成为许多地区扶贫的主打作物品种。但是，目前香蕉产业正面临枯萎病的严重威胁，香蕉种植面积急剧下降。我国香蕉产区感病品种和抗病品种并存，病区以抗病品种如南天黄、粉杂1号、中蕉9号、中蕉4号、桂蕉9号和海贡蕉等为主；无病区和少病区以易感病品种如巴西蕉、桂蕉1号、广粉1号和金粉1号等为主。粉蕉新品种粉杂1号具有抗枯萎病、抗风、耐涝、高产和优质等优势，近几年以苹果蕉为商品名出现在我国大部分地区的消费市场，还远销东北地区，深受消费者青睐。在广东中山，粉杂1号每年栽培面积达2 000 hm2以上，每公顷利润可达6万元以上，已成为珠江三角洲的主栽香蕉品种。粉杂1号在贵州册亨的种植取得了较好进展，同时在广西和福建等香蕉产区也大力推广，成为扶贫重头戏。在海南和云南等香蕉产区，抗枯萎病香蕉品种南天黄每年栽培面积可达1万～3万hm2，许多丢弃或转种的蕉园重新种植香蕉，栽培面积得到恢复。这些以种质资源材料为基础选育而成的香蕉新品种，是我国香蕉产区目前的主栽品种，对香蕉产业起到重要的支撑作用。

5 展望

农作物种质资源是农业科技原始创新和现代种业发展的物质基础，是保障粮食安全、建设生态文明以及支撑农业可持续发展的战略性资源。农作物种质资源收集、保存、鉴定评价和分发利用等工作，具有公益性、基础性、长期性等特点，对人们生活水平的提高有重大意义，是一项功在当代、利在千秋的事业。

在未来的工作中，我们将在以下几个方面持续开展工作：（1）继续完成第三次全国农作物种质资源普查与收集工作，建成完善且科学高效的香蕉种质资源保护与利用体系；（2）收集和保护珍稀、濒危以及特有资源，确保种质资源不丧失；（3）加强国际交流，引进国外优异的香蕉资源，扩大保存份数，加强种质资源安全性与遗传完整性监测，及时繁殖与更新复壮；（4）开展香蕉种质资源表型精准鉴定评价与基因型高通量鉴定，深度发掘与优异性状相关的关键基因，构建分子指纹图谱库，打好育种创新基础；（5）加强香蕉种质资源保护基础理论和关键核心技术研究，充分整合利用现有资源，构建香蕉种质资源大数据平台，推进数字化动态监测和信息化监督管理；（6）做好种质资源基本性状鉴定、信息发布及实物分发利用等服务工作。