珍贵树种胡桃楸杂交育种研究概述

袁显磊,祁永会,逄宏扬,刘忠玲,王福德*

(1.黑龙江省林业科学研究所，哈尔滨 150081；2.黑龙江省林业科学院牡丹江分院，黑龙江 牡丹江 157010)

珍贵树种[1]是属于我国特产稀有或濒于灭绝的树种以及目前虽有一定数量，但也逐渐减少的优良树种的统称；是国家的宝贵自然资源，也是自然环境的重要组成部分。胡桃楸作为我国东北地区重要的珍贵阔叶树种，早在1992年林业部下发林护(1992)56号文件《林业部关于保护珍贵树种的通告》中就确定胡桃楸为国家二级保护树种，直至最新版《中国主要栽培珍贵树种参考名录(2017年)》，胡桃楸依然被列为我国主要栽培的珍贵树种，可见胡桃楸在国家林业发展战略以及生态经济发展中的重要性地位[2]。

杂交育种是通过亲本选择、控制授粉以及对杂种苗的选择、培育等技术创造新类型或新品种的育种方法。它是传统的树木育种主要的方法之一[3]。以用材为主要用途的胡桃楸是中生珍贵树种，其生长速度较慢；而胡桃楸结实晚，且果壳坚硬、厚，不易取仁则是其坚果利用的弊端。因此，为充分利用胡桃楸资源，需要进行对胡桃楸进行深入的、有目的的杂交育种(最为安全的育种方式)或基因育种(具有安全的不确定性)研究，在确保未来生态和经济安全的目标下，采用常规杂交育种来分别获得材性好、生长速度快、果壳较薄、易取仁等优点的新品种，为国家储备林、林农提供生态、经济价值兼顾的新品系，丰富胡桃楸基因多样性。在药用价值方面，胡桃楸全身为宝，皆可入药。因此，胡桃楸的杂交育种选择域广，杂种利用率高，不仅可保证生态需要，又可兼顾经济效益。可见胡桃楸的杂交育种工作是非常必要，且科学意义、现实意义重大。 总结了我国胡桃楸杂交育种取得的进展，并提出了我国胡桃楸杂交育种中存在的不足及对策，为我国胡桃楸杂交育种提供参考。

1 胡桃楸分布与用途

1.1 胡桃楸分布

胡桃楸(JuglansmandshuricaMaxim.)是胡桃科胡桃属植物，又名核桃楸、山核桃、楸子等。主要分布于黑龙江、吉林、辽宁，内蒙古哲里木盟大青沟、山西、河北、河南、山东散生，俄罗斯远东地区、朝鲜北部、日本也有分布[4-5]。

1.2 胡桃楸的经济用途

胡桃楸用途广泛，不仅木材优良(木材反张力小，不挠不裂，可作枪托、车轮、建筑等重要材料)，果实具有较高的经济价值(种仁可食，种子可榨油食用等)，同时，外果皮、树皮、叶可提取栲胶，树皮纤维可作造纸等原料，枝、叶、皮可作农药[4]，果核可加工高级工艺品[6]。因此，胡桃楸应用领域广，具有较高的经济价值，可多用途发展。

2 胡桃楸生物学特性

2.1 开花生物学特性

胡桃楸是雌雄同株异花树种，花期5月。雄花序细长，葇荑状，从上年生的枝节上叶腋间抽出，下垂，花序长9～20 cm，花序轴被短绒毛，花被3～4，小苞1～2个，雄蕊8～40，多为12，花丝短，药隔被灰黑色细柔毛；雌花序穗状，花序轴被茸毛，有花4～10朵，直立，花被4，子房下位，柱头2裂，柱头面呈乳头状，暗红色[7-8]。

胡桃楸具雌雄异熟性，即同一植株雌雄异熟，其有性生殖过程受雌雄异熟性影响，当雌先型(雌花先开)雌蕊开放时，雄先型(雄花先开)雄花序处于散粉阶段，反之，两者交换角色[9-10]。王秀华等[11]通过对东北林业大学校园和林场胡桃楸花期观察，同一植株上的雌花和雄花的开放日期一般相隔2～ 9d，但雌先型与雄先型相隔的天数不同，雌先型树的花期相隔日数较多，通常为2～9 d；雄先型树则相隔4～7 d。雌先型植株的单株雄花花期普遍比雄先型的单株雄花花期长，通常雌先型的为3～7 d；雄先型的为3～4 d[11]。张丽杰等[12]对辽宁东部地区胡桃楸雌雄先型物候期的观察发现，雌先型比雄先型的雌花期早5～8 d，雄花期晚5～6 d，同一类型树木的雌雄花期相遇性很差[12]。而雌先型和雄先型两种类型植株的雌雄花开放时间交错，但又有一定时间的重叠，可以进行正常的授粉，有效地避免了自交或近交[13-15]。因此，从胡桃楸自身的开花授粉特性看，天然胡桃楸具有相对丰度的种群。

2.2 胡桃楸遗传特性

有关胡桃楸的遗传变异研究较多，张含国等[16]、袁显磊等[17]通过研究发现，胡桃楸种源间、家系间生长性状均呈显著性差异。曾栋等[18]研究发现，胡桃楸果实及种子性状单株间差异均达到显著水平。陈思羽等[19]研究结果发现，长白山地区胡桃楸结实性状在种源间遗传变异呈显著差异。这应该与胡桃楸自身的开花结实特点有关，胡桃楸不仅是雌雄异熟，同时也是异步雌雄异熟树种[20]，其雌花和雄花各自同步成熟而又互不干扰，是植物进行非选型杂交的重要特征[21-23]，从而导致胡桃楸种源间、家系间性状差异显著。

胡桃楸与核桃、山核桃等在叶、花、果等形态特征有较多相似性，且都是异步雌雄异熟树种[20,24]。Hansche等[25]研究发现核桃的花期可高度遗传，Gleeson[21]通过普通核桃控制杂交表明，雌雄异熟性可能由显隐性基因所控制，雌先型为显性。Thompson等[26]调查美国山核桃雌先型和雄先型杂交后代的花期表现后提出相近的结论，即雌雄异熟性这一性状为质量性状，其遗传特点符合孟德尔遗传规律，雌先型为显性遗传，雄先型为隐性遗传。胡桃楸是否与核桃、山核桃同样具有雌先型为显性遗传、雄先型为隐性遗传的特性，有待进一步研究。

3 杂交育种方法与亲本选择

3.1 杂交育种方法

杂交育种原理是基因重组，是将父母本杂交，形成不同的遗传多样性，再通过对杂交后代的筛选，获得具有父母本优良性状，且不带有父母本中不良性状的新品种的育种方法。其优点是可以将同一物种里两个或多个优良性状集中在一个新品种中，还可以产生杂种优势，获得比亲本品种更强或表现更好的新品种；缺点是不会产生新的基因，且杂交后代会出现性状分离，育种过程缓慢，过程复杂。

杂交育种方法主要有单杂交、复合杂交、回交等。文献表明，我国老一辈育种学家张培杲等[27]早在1956年就开展了胡桃楸与核桃的杂交育种工作，直至2013年张桂芹等[28]刘宏伟等[29]再次开展胡桃楸与核桃的杂交育种，而3个育种组均采用了胡桃楸为母本、薄壳核桃为父本的单杂交育种方法。

自2004年开展胡桃楸杂交工作，以优选胡桃楸单株为母本，辽核1号薄皮核桃为父本，开展远缘种间杂交育种研究，总结出：为规避近缘植株干扰，采取雌花套袋授粉，授粉最佳时期选择雌花红色柱头呈倒“八”字形，柱头正面突起且分泌物增多时期的每天10:00～12:00；授粉方式选取授粉笔蘸取花粉在柱头上轻点或轻弹，重复授粉2～3次，连续2～3d。此方法提高了授粉成功率，解决了亲本间亲和性差难题。F1代于2012年开始开花结实，目前已获得200余株回交子代苗。

3.2 杂交亲本选择

亲本选择适当与否决定了杂交育种成败。主要原则是亲本的优良性状要多而突出，双亲的优缺点应相互弥补，双亲可以有共同优点，但不可以有共同缺点[3]。胡桃楸作为用材、果用、药用等多元型用途树种，不同用途的优树选择标准不同，用材型则考虑干材为主，果用型则以楸果品质为主，药用型则考虑生物量大小，因此，以育种目的选择对应优树作为亲本进行杂交是获得优选型种质的关键。由于胡桃楸的多用途性，因而所获杂种选择域广，胡桃楸杂交育种可以起到事半功倍效果。

4 杂交育种现存问题及对策

4.1 现存问题

胡桃楸是中生珍贵阔叶树种，树体高大，寿命长，可达250年[30]，而亲本优树的树龄不低于中龄林，其树高已不低于15 m，果用型优树虽第一活枝高较低，但由于通风和光照因素，其下部枝条结实少，且楸果品质差，因此，开展控制授粉进行杂交育种操作困难且具有危险性；胡桃楸优良种源和家系优树选择，为杂交育种的亲本选择提供了良好基础，但开展胡桃楸杂交育种研究人员少，其他经济树种已进行较为深入研究，而胡桃楸的育种周期长，传统的杂交育种工作难以持续开展；同时缺乏必要的经费投入，使得分子标记等基因工程育种工作难以达到预期目标，严重影响到传统育种技术与现代生物工程育种技术的有效融合[31]；根据本项目组获得F1代表型看，胡桃楸也具有母性遗传表现，因而，胡桃楸与核桃杂交是需要多代杂交才可以选择出目的型杂种，由于胡桃楸自身生理学特性，培育周期长，因此需要多代育种人努力工作才可以实现目标。上述存在问题，均影响了胡桃楸杂交育种工作发展。

4.2 对策

显然，常规的杂交育种已阻碍了育种工作进展，而分子育种在加速育种进程、获得变异和克服种间隔离等方面具有杂交育种不具备的优势[32]，积极开展分子生物学辅助育种的基础研究工作，将常规杂交育种与分子辅助育种相结合[33]，可以更好的促进育种工作，从而加快育种进程，大大缩短育种年限。目前，世界上玉米作物育种已由依赖表型观察选育优秀自交系的传统经验育种“1.0阶段”、通过育种工作者预先设计杂交育种试验选育现代栽培品种的人工杂交育种“2.0阶段”、综合单倍体育种与分子标记育种和转基因育种的现代生物工程育种“3.0阶段”、开始步入以基因组测序与人工智能图像识别等互联网技术，遗传变异、各类组学、杂交育种等大数据整合，全基因组层面建立机器学习预测模型，高效、智能、定向选育新品种的人工智能育种“4.0阶段”[34]。而胡桃楸育种显然仍处于人工杂交育种的“2.0阶段”，处在较为落后的育种阶段，通过胡桃楸育种工作者的持续育种，以及加大经费投入，进一步开展胡桃楸全基因组检测和大数据分析，也使胡桃楸育种早日步入“3.0阶段”、“4.0阶段”。因此，辅以分子技术、大数据运用、人工智能等先进手段是今后育种工作的发展之路，这也必将大大缩短获取胡桃楸等林木新品种和良种时间，为国土绿化和生态经济型中国发展提供更多优良选种。