山药种质资源鉴评与品种选育研究进展

董俊美，李锦超，孟义江，杨太新，葛淑俊

（1. 河北农业大学农学院/教育部华北作物种质资源研究与利用重点实验室，河北 保定 071000；2. 河北农业大学生命科学学院，河北 保定 071000）

山药（Dioscorea oppositaThunb.）为薯蓣科（Dioscoreaceae）薯蓣属（Dioscorea）多年生缠绕性藤本植物，是我国最古老的作物之一，栽培历史悠久，根茎产量高且适应能力强，产地分布广泛。山药以根茎入药，始载于《神农本草经》，列为上品[1]，具有补脾养胃、生津益肺、补肾益精之功效，用于脾虚食少、久泻不止、肺虚喘咳、肾虚遗精、尿频和虚热消渴[2]。现代医学研究表明，山药具备抗氧化、抗突变、降血糖血脂、避免肝脏损伤和免疫调节等能力，在治疗新型冠状病毒肺炎总有效率达90%以上的清肺排毒汤中，山药也是其中重要的清肺组分[3]。

山药块茎肥厚多汁、肉质绵软、色味俱佳，且含有多糖、蛋白质、淀粉、氨基酸、胆碱等营养成分以及合成激素类药物的主要原料皂苷元[4]，是2002 年首批公布的药食同源中药材之一，也是出口创汇的重要产品，2018 年上半年河北省安国中药材专业市场出口韩国、日本的总量达46 t[5]，极具良好市场前景和产业开发潜能[6]。随着山药种植面积的不断扩大，对优良品种需求日益增加[7]。近年来，国内在山药育种以及作为育种基础材料的种质资源鉴评工作上开展了大量研究，通过文献整理，对山药种质资源遗传多样性和育种成效进行综述，旨在了解山药种质资源遗传多样性水平，为后续山药种质资源鉴评、筛选和利用提供理论依据。

1 山药种质资源遗传多样性研究进展

在种质研究中，遗传资源的丰富程度尤为重要，明确遗传多样性信息是植物种质研究的基础。从形态学、细胞学、分子标记及品质指标等方面分析评价山药种质资源的遗传多样性，可为筛选高产、优质、抗病等优异山药种质资源提供参考。

1.1 基于形态学性状的遗传多样性

形态学标记是根据植物株高、叶形、叶色、果实及种子相关性状等外部特征对种质进行有关表型的遗传多样性研究[8]。利用形态学性状对山药进行遗传多样性评价是最简单直观的方法，涉及的表型性状主要有叶形、叶色、叶缺裂、薯皮颜色、茎粗、全长、零余子性状等。根据叶部和块茎特征可分为四大类，其中薯蓣（Dioscorea polystachya）的叶片形状多样，开花，有零余子，各地均广为栽培，特别以河南、山西两省交界处为中心形成集中产地；褐苞薯蓣（Dioscorea persimilis）为粗纸质叶片，无零余子，产于广西陆川、玉林、桂平、平南各县；山薯（Diocorea fordii）的叶片为薄革质，不开花，有零余子，为广东省大宗栽培药材之一；参薯（Dioscorea alata）的叶片为厚纸质，不开花，无零余子，长江以南各个地区均有栽培，民间多作蔬菜食用，这几种类型的山药在叶片与块茎性状上差异较大[7]。吴金平等[9]利用农艺性状将不同来源的66份山药种质划分为薯蓣和参薯两大类，主成分分析结果显示，累积贡献率达76.496%的主成分分别为高产株型综合因子、抗病性因子、地下块茎形状和地下块茎颜色因子。张玉君等[10]对44 个山药居群进行采样调查和表型鉴定，结果发现，铁棍山药是流通范围最广的地方特色品种，根据茎翅的有无将山药居群初步划分为薯蓣及参薯2类；通过叶根的形态特征比较，将其划分为薯蓣、参薯、黄独、福州薯蓣4 类。南怀林等[11]对6 种山药进行基于生育期、产量、农艺性状的品种比较试验，结果表明，平遥岳壁山药和孝义梧桐山药生育期最长、品质最好，但产量较低；晋山药一号为中熟品种，产量最高，适宜加工且在山西大面积推广；麻山药为中熟品种，粗度适中、产量较高，适合推广种植；白玉山药产量较高；细毛山药生育期短、淀粉含量高，易蒸熟，可作为早熟品种进行推广。陈耀兵[12]对4 种山药种质的农艺性状进行比较，发现恩施棒棒山药与江苏淮安山药产量最高、长势强、无或极少零余子；安徽桐城山药产量最低、长势弱、零余子多，可作药用；恩施棒棒山药最适合在当地种植；江苏淮安山药可作菜用与加工。李丽红等[13]对72 份山药种质资源进行形态学性状鉴定，表明供试资源遗传多样性丰富，各性状变异幅度大。其中，数量性状的变异系数幅度为13.75%～42.39%，块茎直径变异系数较大，叶形指数较小；质量性状的遗传多样性指数为0.738 3～1.568 3，其中叶片质地多样性指数较高，而零余子有无和开花与否较低；聚类分析将供试资源划分为薯蓣、褐苞薯蓣、山薯和参薯4 个类群。陈阳等[14]对收集的10 份福建地方山药种质以及铁棍山药进行农艺性状遗传多样性分析，结果表明，德化芹峰淮山、明溪薯产量高，口感好，肉色白；紫薇淮山药氨基酸含量最高，产量低于德化大薯。

从已有研究看，用于山药种质资源研究的形态学标记除叶部性状和根部性状外，还有开花情况以及零余子有无，由于上述性状受环境因素如气候条件、土壤肥力和人工管理等影响较大，因此鉴定时需要结合多点、多年试验进行综合性鉴定。

1.2 基于细胞学的遗传多样性

核型分析是研究种质遗传多样性的一种生物学手段，不同种质资源都具有较为稳定的染色体数目和特征，可作为在系统发育中是否具有亲缘关系的标志。核型分析的基本参数有染色体数目、染色体绝对长度、相对长度、臂比指数、着丝粒位置等。薯蓣属植物为雌雄异株，染色体组基数分别为10和9，我国境内的薯蓣属植物基数为10[15]，但在染色体数目、倍性及核型上存在一定差异。黄贤兰等[16]研究认为，小花盾叶薯蓣（D.parvifloraC T Ting）为二倍体，未发现多倍体，体细胞染色体数目均为2n=2x=20，核型公式K（2n）=20=8m+12sm，保留了雌雄同株的原始性状；盾叶薯蓣（ 野生种，D.zingiberensisC H Wright）的体细胞染色体数目为2n=2x=20，核型公式K（2n）=20=14m+6sm，存在混倍体现象；盾叶薯蓣（D.zingiberensisC H Wright）栽培株系则为四倍体（染色体数目为2n=4x=40），未发现二倍体的存在，核型公式K（2n）=40=20m+18sm+2st。来自南非的黄独（D.bulbiferaL.）染色体基数为9 或者10，体细胞染色体数目为2n=8x=80,核型公式K（2n）=34m+46sm[15]。来源于中国海南的吊罗山、福建南靖和云南蒙自的黄独染色体基数为10，染色体数分别为四倍体（2n=4x=40）、六倍体（2n=6x=60）和八倍体（2n=8x=80）[17]。山药（薯蓣D. oppositaThunb.）染色体数目为2n=14x+4=144，核型公式K（2n）=144=57m+84sm+3st，是薯蓣属中染色体数目最多的植物，推测其染色体数目分别为80（如江苏沛县山药）、100（恒台细毛山药和河北保定山药）、120（内蒙古毕克齐长山药和温县淮山药）和140（山西太古太淮山药和山东嘉祥细毛山药）[18]。如果薯蓣属染色体基数为10，则山药为八倍体、十倍体、十二倍体、十四倍体或非整倍体。但SCARELLI 等[19]和ARNAU 等[20]基于同工酶、SSR、流式细胞仪等手段指出，薯蓣属的白山药（D.rotundata）和参薯（D.alata）染色体基数为x=20，打破了传统染色体基数10的学说，因此，上述山药可能是四倍体、五倍体、六倍体或七倍体。从核型看，小花盾叶薯蓣、盾叶薯蓣（野生和栽培株系）、黄独及山药的核型不对称性都属Stebbins 的2B 型。黄贤兰等[16]报道，来源于云南省山药的核型公式2n=144=57m+84sm+3st，相比周翼虎等[21]的试验结果，虽然染色体数目、核型公式不同，但核型不对称性都同属于2B 型，表明薯蓣在系统演化上属于较为原始的植物。河南铁棍山药的不对称性小于云南省山药，一般认为，核型不对称植物的进化程度高于对称植物，所以河南铁棍山药相比云南山药更为原始。

目前，山药的相关细胞学研究较少，在遗传分析上可供参考的文献不多，今后应加大山药在生物染色体方面的研究力度，为开展山药倍性育种以及细胞遗传学研究提供相应的理论基础。

1.3 基于分子标记的遗传多样性

广泛应用于种质资源鉴定的DNA 分子标记技术有RAPD、RFLP、SSR、ISSR 和SNP 等。与表型性状相比，分子标记手段较为稳定，数目多、多态性高、共显性遗传且不易受外界环境影响，是普遍认为比较有效的遗传多样性分析标记种类。张文芳[22]利用转录组测序筛选的5 对SSR 引物对22 种山药进行遗传多样性分析，表明群体间的分化程度明显，但不同材料间的遗传分化系数不同；在相似系数为0.53 处，供试山药种质被划分为2 类。王志敏等[23]以细长型毕克齐和短粗型大和长芋山药为材料，利用25 对AFLP 引物组合筛选得到12 条差异核苷酸序列,其中9 条差异表达的核苷酸与植物生长发育有关，主要涉及信号转导、蛋白质代谢等功能蛋白，为揭示山药块茎形态差异提供了基础资料。CAO 等[24]测定了褐苞薯蓣的叶绿体全基因组序列，总长度为153 219 bp，包含1 对25 477 bp 的反向重复序列，其中大单拷贝（LSC）和小单拷贝（SSC）分别为83 448 bp 和18 817 bp，GC 含量为37.01%；预测出129 个基因，包含蛋白质编码基因84 个，rRNA 基因8 个，tRNA 基因37 个。程月琴等[25]发现，怀山药在叶绿体DNA 片段trnQ-rps16上有210 bp 的长度变异，同时在叶绿体DNA 片段psbM-trnD上有1 个特异碱基突变位点，会导致其他山药样品HinP1Ⅰ酶切位点丢失，从而构建了怀山药真实性鉴定体系。PADHAN 等[26]对8 份野生山药和1份栽培山药的遗传多样性水平进行研究，采用5 个简单序列重复标记，在9 份材料的5 个标记位点上检测到10 条多态性条带，表明薯蓣（D. oppositifolia）、D.hamiltontonii、D.pubera与参薯（D.alata）具有较高的遗传相似性。王葡萄等[27]对瑞昌市不同产地的2 份野生种和12 份栽培种山药种质资源进行遗传多样性分析，利用SRAP 与SSR 引物共扩增出50 条多态性条带，不同种质之间遗传相似系数为0.415～0.964，在0.530 处将14 份山药种质划分为2类，第Ⅰ类为栽培种（12 份），第Ⅱ类为野生种（2份）。吴志刚等[28]采用PCR 和TAIL-PCR 相结合的方法对山药糯性基因waxy进行克隆及分析，获得序列全长3 994 bp，含有13 个外显子与12 个内含子，为山药分子育种奠定了基础。陈阳等[14]利用6条SSR 引物对10 个山药品种进行遗传多样性分析，扩增出63 条多态性条带，多态性比率为96.9%，表明供试资源遗传多样性丰富，聚类结果与农艺性状分类高度吻合。随着测序技术的普及，利用SNP和基因组技术进行遗传多样性研究将更利于山药种质资源的分类与鉴定。

1.4 基于品质指标的遗传多样性

山药作为药食同源中药材，生产中不仅要考虑经济效益，还要考虑药材质量[29]。因此，品质特性是评价山药品种优劣和筛选优质保健品种的重要指标。现代化学研究发现，山药中含多种营养成分，如淀粉、多糖、蛋白质、氨基酸、尿囊素、薯蓣皂苷及微量元素等[30‐32]，其中多糖具有降糖[33]、抗氧化、抗肿瘤和增强免疫的作用；尿囊素具有镇静、局部麻醉等作用，是皮肤良好的愈合剂[34]。不同研究者对山药的品质指标进行了分析，吕航等[35]采用高效液相色谱法测定不同产地山药块茎尿囊素含量，结果表明，黄冈佛手山药尿囊素含量最高，为8.69 mg/g，其次为攀枝花及陕西华山山药，含量分别为8.63、8.51 mg/g。杨雅蛟等[36]测定了5 种山药的多糖含量，由高到低依次为白山药、太古山药、汾阳长山药、铁棍山药、麻山药，分别为81.75、56.67、50.07、44.03、34.79 mg/g,不同山药间差异明显。SHAN等[37]研究了薯蓣和参薯的营养品质，结果表明，山药大部分营养成分含量差异不显著，但栽培品种薯蓣中淀粉、可溶性糖、蔗糖和抗坏血酸含量均高于参薯。朱赞江等[38]研究表明，青树坪山药、白玉山药和铁棍山药在淀粉含量和性质上均存在极显著差异，直链淀粉、支链淀粉及总淀粉含量由高到低依次为青树坪山药、白玉山药和铁棍山药。铁棍山药透明度最低、凝胶力最强、冻融稳定性最差，适合制作食品增稠剂和稳定剂；青树坪山药淀粉性质居中，适合用于淀粉膜加工或品质改良剂；白玉山药透明度居中、凝胶力最低、稳定性最高，适于制作增稠剂和淀粉胶黏剂。蒋方程等[39]测定了不同种山药的营养成分，其中蕲春山药的氨基酸、蛋白质及淀粉含量最高，分别为16.017 mg/g、10.62%和22.0%，黄酮含量最低，为2.48%；铁棍山药多糖、黄酮含量较高，分别为9.26%、4.06%，蛋白质含量最低，为4.24%；淮山药氨基酸含量较低，为9.673 mg/g。由此得出，蕲春山药蛋白质、淀粉含量丰富，适合食用；铁棍山药多糖、黄酮含量丰富，适合药用；淮山药营养均衡，药食兼用。杨静等[40]利用HPLC 法同时测定了山药中3种植物甾醇含量,不同产地的8种山药材料中菜油甾醇、豆甾醇、β-谷甾醇含量存在一定差异，分别为67.1～79.8、28.8～36.7、129.6～154.5 μg/g。

2 山药育种研究进展

育种是通过创造遗传变异、改良遗传特性培育优良植物新品种的技术[41]。山药种质资源比较丰富，但育种研究进展缓慢，尤其在功能基因挖掘利用、优良品种选育及良种繁育方面基础薄弱。目前，山药主要育种方法有引种、选择育种和诱变育种，近年来的育种成果见表1。

表1 山药部分新品种选育情况Tab.1 New varieties comparison of Chinese yam

续表1 山药部分新品种选育情况Tab.1（Continued） New varieties comparison of Chinese yam

我国薯蓣属植物的引种开始较早，早在1957年，中科院南京植物园就进行了薯蓣引种试验；1982 年周雪林等首次开展国外薯蓣引种试验，研究了墨西哥菊叶薯蓣的生物学特性和栽培技术[57]；1995 年浙江省引种薯蓣、纤细褐苞薯蓣和参薯获得成功。广西壮族自治区农业科学院经济作物研究所从日本和中国台湾、广西等地收集栽培与野生山药种质资源，并建立标准化种质资源圃，先后选育出桂淮1—7号新品种[58]，均通过审定。

选择育种是利用现有种类、品种的自然变异群体，通过选择手段育成新品种的途径[41]。在长期进化过程中山药种群内积累了大量遗传变异，种质资源类型丰富，通过选择育种选育出符合目标性状的品种，成效较为明显，是山药的主要育种手段。如江苏省选育的苏蓣系列品种，四川省自主选育的山药新品种雅山药1号、花莲3号、温山药1号、天正佳1号、桃园四号等一系列山药品种。

诱变育种是在人为条件下，利用物理化学等因素诱发遗传物质DNA 产生突变，从中选择并培育植物新品种的方法[41]。如通过山药零余子搭载卫星进入太空、甲基磺酸乙酯处理山药茎尖及零余子、60Co-γ 射线辐照山药茎段的方法分别选育出铁棍1号、晋山药1号、苏蓣3号等新品种。

杂交育种是不同类型或基因型品种杂交，将不同亲本优良性状组合到杂种中，通过对后代进行多代选择、培育和比较鉴定，获得纯合基因型新品种或不育系的育种途径[41]。尽管目前还没有通过杂交选育出山药新品种的报道，但曾进行过山药杂交育种的尝试。MARTIN[59]以皂苷元含量最高的墨西哥种菊叶薯蓣（2n=36）为母本，D. floribundaMart.&Gal.（2n=36）为父本进行杂交，可以结实；但以D.friedrichsthaliiR Knuth 为父本不能结实，多年试验结果认为，该种薯蓣有性杂交在新大陆种间进行容易成功，杂种后代在产量和抗病毒能力上存在明显优势[60]。ASANO 等[61]对山药栽培种和日本薯蓣品系进行杂交,发现杂种差异性主要与日本薯蓣父本花粉来源有关。丁志遵等[62]曾进行盾叶薯蓣单株的选育，并在1967年筛选出薯蓣皂苷元含量高达16.15%的单株。吴宝成等[63]研究了遗传育种技术在薯蓣属植物中的应用，提到2001年曾有人将盾叶薯蓣与山药进行杂交，但没有获得杂交种子。

由于杂交属于不同种属间的远缘杂交，因此难度大且进展缓慢，但杂交育种作为基因重组创造变异的有效途径，今后可通过采取桥梁亲本辅助杂交或利用胚胎培养挽救杂种胚等方法突破杂交难题。

3 小结与展望

我国山药栽培历史悠久，种质资源具有丰富的变异，但在种质资源创新、重要性状的遗传多样性研究、功能基因的挖掘利用、优良品种选育和良种繁育方面较为薄弱；还存在种质同物异名与同名异物现象、分子标记研究与种质性状关联程度不够等问题。因此，应加快收集全国各地主产区的山药种质并建立田间种质资源圃，开展基于形态学、细胞学、分子标记及品质等方面的遗传多样性综合评价，加大种质资源鉴评与优良种质筛选力度，为山药育种奠定理论基础。在山药育种上，应采取选择育种、杂交育种、杂种优势利用、诱变育种等常规育种方法，挖掘与产量、品质和抗病性相关的重要基因或标记，结合分子标记辅助选择等创新种质资源和选育新品种，通过育种方法多元化，建立综合高效的山药育种技术体系，选育更多的优良品种服务于山药生产。