雒新艷 劉 英 王利紅 李 芳 張俊麗 孫曰波 盧 潔

(1.濰坊職業(yè)學(xué)院 濰坊 261000；2.山東省林木種苗和花卉站 濟南 250014)

種質(zhì)創(chuàng)新是指根據(jù)不同目的，在自然發(fā)生或人為技術(shù)創(chuàng)造的變異群體中，使用特定的篩選方法，從而創(chuàng)造的新品種、新材料或新物種。由于種內(nèi)雜交所產(chǎn)生的變異范圍有限，往往很難突破種內(nèi)現(xiàn)有基因的限制，因此，種質(zhì)創(chuàng)新一般是指對種質(zhì)做出變革性的改造，如遠(yuǎn)緣雜交、基因工程育種等手段，能創(chuàng)制出與現(xiàn)存物種顯著不同的新種質(zhì)。因基因工程育種技術(shù)和實驗條件要求很高，雖然前景可期，但仍處在摸索階段；遠(yuǎn)緣雜交仍是當(dāng)前種質(zhì)創(chuàng)新的重要途徑。

菊花是我國傳統(tǒng)名花，又是世界四大切花之一，同時具備深厚的文化底蘊和重要的經(jīng)濟價值。國內(nèi)的菊花栽培品種超過3 000個，其中大菊品種較多，但是缺少藍(lán)色系品種，綠色系品種也不多，而小菊品種相對較少，花型單一，大多為平瓣類平盤型。此外，栽培品種大多存在抗逆性較差的問題。菊花近緣種和近緣屬的種質(zhì)資源極為豐富，且野生種質(zhì)中不乏藍(lán)色、抗性強的植物，因此充分利用遠(yuǎn)緣雜交以期能夠創(chuàng)造觀賞性和抗性俱佳的新種質(zhì)。本研究總結(jié)菊花近緣種和近緣屬的野生種質(zhì)，然后分析野生種質(zhì)與菊花之間的親緣關(guān)系，就菊花的種質(zhì)創(chuàng)新提出建議與策略。

1 菊花種質(zhì)資源的范圍與分布

1.1 菊花在菊科植物分類中的位置

據(jù)《中國植物志》記載，菊花隸屬于菊科-管狀花亞科-春黃菊族-菊亞族-菊屬-菊組-野菊系。菊科Compositae是被子植物中進化程度最高、種類最豐富的類群，擁有超過900個屬，逾23 000個種[1]，其中既有觀賞植物、蔬菜、藥用植物，也有雜草。菊科包含舌狀花亞科和管狀花亞科兩個群體(圖1)，舌狀花亞科植物的特征是頭狀花序全部小花都是舌狀，有乳汁；管狀花亞科植物的特征是頭狀花序全部為同形兩性的管狀花，或邊緣有舌狀花，中央花則非舌狀，植物無乳汁。管狀花亞科包括12個族，其中的春黃菊族包含草本、半灌木和墊狀植物；春黃菊亞族與菊亞族的差異表現(xiàn)在前者的花托有托片，后者的花托無托片。菊亞族有29個屬，圖1僅列出有明確記載，且觀賞性較好的14個屬；菊屬包含2個組，苞葉組植物外層苞片葉質(zhì)，大，淺裂或半裂，而菊組植物的所有苞片都是草質(zhì)，邊緣膜質(zhì)。菊組包含四個系，除野菊系植物葉片為一回羽狀裂之外，其他4個系植物的葉片都是二回羽狀或掌狀裂，野菊系共有包括菊花在內(nèi)的6個種。

圖1 菊花在菊科植物進化中的位置

1.2 菊花種質(zhì)資源的分布

世界菊科植物主要分布在亞洲溫帶地區(qū)和部分亞熱帶地區(qū)，我國是世界菊科植物的種質(zhì)資源分布中心，大約有235個屬，超過兩千個種，屬于特大科[2]。春黃菊族的植物廣泛分布于亞洲大部分地區(qū)，多數(shù)屬則集中在中亞和地中海地區(qū)，美洲和大洋洲僅有少數(shù)屬，其中菊亞族的種類更豐富，大部分屬都集中在東亞地區(qū)，菊屬就是其中之一。菊屬以我國為分布中心，全球約41種，我國有17個種，分屬2個組，5個系，同時也是菊屬近緣屬的分布中心。

2 菊花種質(zhì)創(chuàng)新的研究成果

2.1 菊花遠(yuǎn)緣雜交的研究成果

前人研究表明，春黃菊族是一個種間隔離并不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜后w，屬間雜交的成功率較高，甚至部分亞族之間也能夠獲得雜種，北京林業(yè)大學(xué)和北京劉文超夏菊育種研究所合作，通過菊屬與亞菊屬、菊屬與太行菊屬、太行菊屬和紊蒿屬、女蒿屬和日本雛菊屬、小甘菊屬和菊屬的屬間雜交，培育出一系列適宜西部寒旱區(qū)域推廣應(yīng)用的保健牧草菊花新品種[3]?？梢姡栈ㄐ路N質(zhì)的創(chuàng)造可以通過種間雜交和屬間雜交來實現(xiàn)，很多菊屬近緣種已被應(yīng)用于栽培菊花的性狀改良，獲得了新種質(zhì)、新類型，甚至是優(yōu)良的商品種。

2.1.1 屬間雜交創(chuàng)造新種質(zhì)的成果

Tanaka等[4]指出春黃菊族很多屬間雜交的親和性較高。通過屬間雜交，前人不僅獲知了種質(zhì)之間的親緣關(guān)系，還成功地將一些特性轉(zhuǎn)移到栽培菊花中，從而創(chuàng)造了新的種質(zhì)。菊屬與亞菊屬的親緣關(guān)系很近，幾乎不存在雜交障礙。1988年，柴田道夫等[5]用引自荷蘭和美國的Spray型日中性菊花與亞菊屬的磯菊Ajaniapacificum雜交，從后代群體中選出了耐熱種質(zhì)‘Summer Queen’。Douzono等[6]將亞菊屬紀(jì)伊潮菊Ajaniashiwogiku與切花菊進行雜交，提高了菊花的抗病性，實現(xiàn)了遺傳改良。趙宏波[7]將亞菊屬的磯菊與栽培菊花進行屬間雜交，不僅獲得了后代，還將磯菊的銀葉特性轉(zhuǎn)移到了栽培菊花中。

菊屬與春黃菊屬、小濱菊屬、濱菊屬、太行菊屬、小甘菊屬植物的親和性較強。日本人Tanaka收集了我國很多菊屬野生種質(zhì)，開展了春黃菊族9個屬、33個種之間的雜交試驗，共成功獲得133個雜交組合的后代，其中春黃菊屬、小濱菊屬、濱菊屬與菊屬的親和性較高[8]。胡梟[9]發(fā)現(xiàn)太行菊屬與菊屬之間的雜交親和性較強，與野菊、甘菊、委陵菊和異色菊雜交結(jié)實率普遍較高。景珊[10]應(yīng)用太行菊與地被茶菊品種雜交，也成功地獲得了雜種后代。鄭燕、吳瀟波[11-12]使用楔葉菊與栽培小菊的雜種，與灌木小甘菊雜交，獲得了屬間雜種。

菊屬與芙蓉菊屬、蒿屬、匹菊屬、短舌菊屬、菊蒿屬植物有親和性，需要借助輔助手段才能獲得雜種后代。Ohishi[13]通過胚拯救獲得了芙蓉菊Crossostephiumchinense與栽培菊花的雜交后代。Furuta等[14]利用原生質(zhì)體融合獲得了栽培菊花與蒿屬大耔蒿Artemisiasieversiana的屬間雜種，且雜種能正常開花，成功地把大耔蒿對銹病的抗逆性同步轉(zhuǎn)移到了栽培菊花中。王四清[15]經(jīng)過胚拯救技術(shù)獲得了匹菊與菊花的屬間雜種。尹佳蕾[16]通過常規(guī)雜交試驗發(fā)現(xiàn)短舌菊屬與菊屬之間親和性較差，可能需要改進授粉技術(shù)來提高成功率。Kondo通過原位雜交發(fā)現(xiàn)菊蒿屬與菊屬的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)[8]。因為缺乏相關(guān)的雜交驗證資料，菊屬與蓍屬、果香菊屬、天山蓍屬、木茼蒿屬、三肋果屬、扁芒菊屬的親緣關(guān)系還不明確。

2.1.2 種間雜交創(chuàng)造新種質(zhì)的成果

菊花是菊屬中觀賞價值最高、栽培歷史悠久、品種和類型極其豐富的一個種，其它種則以野生資源為主，主要有小紅菊、野菊、甘菊和紫花野菊等(表1)。

表1 菊屬各種自然分布及特性

表1 菊屬各種自然分布及特性 續(xù)表

前人研究表明，菊屬各種之間的親和度很高，在自然條件下就會出現(xiàn)種間雜交現(xiàn)象，王龍真[17]通過對自然種質(zhì)的形態(tài)學(xué)和SSR分子標(biāo)記研究，發(fā)現(xiàn)野菊(4X)和毛華菊(6X)之間的生殖隔離較弱，存在頻繁的自然雜交。人工種間雜交更是創(chuàng)造了很多新種質(zhì)，李沛瞳等[18]通過異色菊與菊花腦種間雜交獲得一批優(yōu)異耐旱種質(zhì)，劉筱瑋等[19]將野菊與神農(nóng)香菊雜交，通過鑒定，獲得了耐鹽能力顯著提升的芳香菊花新品種。

19世紀(jì)40年代，英國植物學(xué)家Fortune從浙江舟山群島引種菊花，并利用其與野生種雜交培育成Pompons型和Charms型的商品種。40年代，薩頓種子公司用野生種質(zhì)和菊花雜交，育成了長勢強，且適合巖石園或盆景的懸崖小菊[20]。國內(nèi)菊屬種間雜交最成功的代表是地被菊，是陳俊愉等[21]利用進口小菊‘美矮粉’與毛華菊、小紅菊和甘菊等多種野生種質(zhì)反復(fù)雜交所得，地被菊植株低矮緊湊、抗逆性強，目前已經(jīng)被引種到很多地區(qū)，為我國綠化事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。

野菊(包括菊花腦、神農(nóng)香菊等變種)、紫花野菊、毛華菊、甘菊(包括變種甘野菊)與菊花之間的親緣關(guān)系較近。Fukai等[22]將栽培菊花與日本本地的野菊和龍腦菊等近緣種進行雜交，得到了花色豐富，花期早的一批優(yōu)良新種質(zhì)，并應(yīng)用到生產(chǎn)中。Kelsey[23]將紫花野菊與菊花雜交，成功培育出‘朝鮮’菊系列新種質(zhì)。王靚[24]將切花小菊‘南農(nóng)銀山’與紫花野菊雜交，獲得了耐澇性顯著提升的雜種后代。張艷梅等[25]發(fā)現(xiàn)綠色小菊栽培品種‘綠叮當(dāng)’與毛華菊的平均結(jié)實率為4.16，雜種發(fā)芽率高達(dá)86.67%。付瀚森等[26]在綠色小菊栽培品種‘綠叮當(dāng)’與毛華菊的F1群體中，發(fā)現(xiàn)花色、花瓣數(shù)和花徑等花部性狀存在極顯著的中親雜種優(yōu)勢，且受一對或兩對主基因控制。程曦[27]、陳秀蘭等[28]使用南京野菊、菊花腦與栽培菊花品種雜交成功培育出抗性和適應(yīng)性增強的新種質(zhì)，豐富了小菊的形態(tài)。高佳慧[29]應(yīng)用野菊與菊花栽培品種雜交，通過形態(tài)和細(xì)胞學(xué)鑒定，獲得6個種間雜種。陳俊通[30]使用耐鹽種質(zhì)野菊(煙臺)，與地被菊栽培品種雜交，從后代中篩選出了耐鹽性較強的單株。小紅菊與菊花的種間親和度較差。經(jīng)雜交實驗證實，小紅菊與菊花常規(guī)雜交不易獲得后代，可能需要采取一定的育種輔助手段。目前，研究者尚未對菊花與苞葉組、擬亞菊系、山菊系、楔葉菊、菱葉菊、阿里山菊、委陵菊、細(xì)葉菊展開雜交試驗，菊花與這11個種的親緣關(guān)系還不確定。

2.2 菊花基因工程育種研究成果

與遠(yuǎn)緣雜交相比，基因工程育種具有定向優(yōu)勢，通過外源基因的人工導(dǎo)入，定向修飾菊花的某個或某些目標(biāo)性狀并保留原有的優(yōu)異性狀，從而獲得改良目標(biāo)性狀的新種質(zhì)材料。菊花植株再生對培育條件要求不高，且對多種根癌農(nóng)桿菌敏感，遺傳轉(zhuǎn)化受體廣泛，已構(gòu)建了多種基因型適宜的遺傳轉(zhuǎn)化體系[31]。第一株轉(zhuǎn)基因菊花是Lemieux于1989年利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法獲得的[32]。此后，利用基因工程育種進行菊花種質(zhì)創(chuàng)新逐漸成為熱點，隨著技術(shù)的進步和研究的深入，最近十多年，基因工程育種在改良菊花觀賞性狀和抗性方面取得了重要的進展[33]。

觀賞性狀的基因工程育種。在花色方面，藍(lán)色菊花育種一直是研究熱點，近年也取得了重大突破。2017年，Noda等[34]將風(fēng)鈴草的F3'5'H基因?qū)刖栈?，抑制?nèi)源F3'H的表達(dá)，并進一步導(dǎo)入蝶豆的A3'5'GT基因，首次獲得了藍(lán)色菊花品種。2021年，Han等[35]將藍(lán)目菊的F3'5'H基因和蝶豆的A3'5'GT基因?qū)敕凵栈ā限r(nóng)粉翠’中，促進飛燕草色素的合成，獲得了藍(lán)紫色的菊花品種。付瀚森[36]對小菊‘綠叮當(dāng)’和毛華菊雜種群體中白色和綠色個體進行測序、比對分析、鑒定和嚴(yán)驗證篩選，發(fā)現(xiàn)CmCOL16b和CmbHLH兩個與葉綠素調(diào)控相關(guān)的候選基因，為綠色菊花的呈色機理研究和轉(zhuǎn)基因育種奠定了基礎(chǔ)。在花期方面，F(xiàn)T蛋白具有誘導(dǎo)花芽分化的作用，姜丹等[37]將擬南芥FT基因轉(zhuǎn)入切花菊‘神馬’，獲得日中性新種質(zhì)。在株型方面，Petty等[38]將從擬南芥突變體中克隆的對赤霉素不敏感的gai基因轉(zhuǎn)入菊花，獲得了明顯矮化的植株，且轉(zhuǎn)化株對外源GA表現(xiàn)不敏感。Kubo等[39]將rol基因?qū)刖栈?，也獲得了植株低矮緊湊的材料。

抗逆性基因工程育種。在抗病毒方面，菊花抗病毒基因工程育種主要是將病毒本身基因的部分片段導(dǎo)入受體植物，然后篩選出抗性植株。例如Kumar等[40]將黃瓜花葉病毒(CMV)外殼蛋白CP基因轉(zhuǎn)入菊花‘Kundan’中，轉(zhuǎn)基因植株對該病毒的敏感性降低，同時延遲了植株的發(fā)病時間。在抗真菌病害方面，抗真菌基因工程育種主要是將病菌抑制物的基因?qū)刖栈ㄖ衃31]，應(yīng)用最廣泛的是幾丁質(zhì)酶基因。Kim等[41]將調(diào)控咖啡因產(chǎn)量的N-甲基轉(zhuǎn)移酶基因?qū)刖栈ㄖ校Х纫蛱嵘綗煵菟?，并具備了灰霉病抗性和抗鱗翅類昆蟲和蚜蟲的能力。在抗蟲方面，將從蘇云金桿菌中分離的殺蟲蛋白Cry1B基因?qū)刖栈ㄖ?，得到了抗蟲性轉(zhuǎn)化植株[42]。何俊平[43]通過農(nóng)桿菌介導(dǎo)的葉盤法將長筒石蒜凝集素LLA基因轉(zhuǎn)入切花菊‘神馬’，得到7個抗蚜性顯著提高的轉(zhuǎn)基因株系。在非生物逆境抗性方面，植物非生物逆境抗性是由多基因控制的，導(dǎo)入單個功能基因?qū)τ谔嵘剐缘男Ч苡邢?，但是轉(zhuǎn)錄因子能夠啟動并調(diào)節(jié)下游多個逆境應(yīng)答基因的表達(dá)，從而有效增強抗逆性。洪波等[44]將逆境誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子DREBIA導(dǎo)入地被菊‘Fall Color’，成功獲得了轉(zhuǎn)基因植株，經(jīng)半定量RT-PCR分析，在脅迫條件下，檢測到抗性基因表達(dá)。

3 種質(zhì)創(chuàng)新的策略及展望

3.1 種質(zhì)創(chuàng)新要克服較大的障礙，技術(shù)和模式都需要改進

因為生殖隔離的存在，遠(yuǎn)緣雜交常常面對很多困難，比如花期不遇、染色體倍性差異過大、花粉不萌發(fā)或萌發(fā)異常、胚敗育等，這些障礙可以通過花粉貯藏，染色體加倍、授粉技術(shù)改進、胚培養(yǎng)技術(shù)和原生質(zhì)體融合等手段去克服。如劉思余[45]利用秋水仙素浸泡二倍體菊花腦種子，成功誘導(dǎo)實現(xiàn)染色體加倍，之后與菊花雜交，成功獲得了雜種。高文杰[46]也是首先將神農(nóng)香菊進行人工誘導(dǎo)其染色體加倍，再與露地菊進行雜交獲得成功。

栽培品種與野生種質(zhì)雜交后形成的F1代群體中，形態(tài)性狀退化現(xiàn)象比較常見，為了能夠獲得觀賞性更強的商品種，往往還需要連續(xù)進行多代雜交、回交等育種工作，許莉莉[47]應(yīng)用菊屬野生種質(zhì)和多花亞菊、芙蓉菊的屬間雜種，與菊花栽培品種雜交之后，再回交，從后代群體中篩選出超親個體，并將野生種質(zhì)的耐鹽性導(dǎo)入了栽培品種。

菊科野生種質(zhì)具有花期長、抗逆性強等優(yōu)良基因，為菊花基因工程育種提供了便利，此外，還可以將非同屬同科植物的優(yōu)良基因異源轉(zhuǎn)入菊花中進行性狀改良[48]，拓展菊花種質(zhì)創(chuàng)新的空間。但是由于菊花遺傳背景復(fù)雜，已有遺傳轉(zhuǎn)化體系的轉(zhuǎn)化率低，還不能實現(xiàn)定向育種的目標(biāo)；且導(dǎo)入基因在染色體上整合的位置和次數(shù)都是隨機的，受植株本身表達(dá)機制和外界環(huán)境因子的影響，導(dǎo)入基因有可能會沉默、表達(dá)水平低或者不穩(wěn)定。因此需要進一步加強基礎(chǔ)研究，改進實驗技術(shù)。

育種工作量大、時間長，世界上最大的盆菊育種公司——比利時格迪花卉公司，培養(yǎng)一個能夠投入市場的新品種，需要7年時間，且要經(jīng)過大量的測試工作[49]。一般企業(yè)很難持續(xù)支持育種工作，而高校和科研院所受限于人員流動和課題年限，常常存在銜接不暢的問題。因此，植物種質(zhì)創(chuàng)新工作可能還需要探索更適宜的實施模式。

3.2 廣泛開展雜交試驗和基因發(fā)掘，搭建高效育種平臺

前人從形態(tài)性狀、細(xì)胞學(xué)和分子標(biāo)記等多個角度進行了有關(guān)菊屬植物親緣關(guān)系的探討，但是研究結(jié)果都不如雜交實驗結(jié)果更直觀可靠，如菊蒿屬與菊屬在形態(tài)學(xué)上很相近，然而原位雜交的結(jié)果卻表明兩者親緣關(guān)系較遠(yuǎn)[8]，紅歌、謝菲[50、51]應(yīng)用女蒿與菊屬、亞菊屬和太行菊屬種質(zhì)雜交，均獲得雜種后代，通過雜種鑒定和系統(tǒng)進化分支樹推斷，女蒿屬與亞菊屬親緣關(guān)系最近，應(yīng)歸屬亞菊屬。因此，本文只參考遠(yuǎn)緣雜交的結(jié)果對親緣關(guān)系進行探討。由前文分析可見，很多近緣種和近緣屬的種質(zhì)尚未與菊花進行雜交，尤其是11個近緣種，理論上，它們之間的親和率相對較高，我們應(yīng)進一步收集這些野生種質(zhì)，廣泛地開展雜交試驗，有望能夠創(chuàng)造新優(yōu)種質(zhì)。

盡管菊花基因工程育種取得了較大突破，但仍有很多基因資源未被發(fā)現(xiàn)和利用，例如在菊花生產(chǎn)中常見的白粉病、蚜蟲等抗性基因，還有深藍(lán)花色、花期等相關(guān)基因都是性狀改良的需求，目前導(dǎo)入菊花的基因多為異源轉(zhuǎn)化，由于物種間遺傳背景差異大，異源基因的作用往往不能有效發(fā)揮，甚至出現(xiàn)基因共抑制現(xiàn)象，因此，在嘗試更多異源基因?qū)敫牧季栈ㄐ誀畹耐瑫r，我們也需要深入挖掘并利用菊科野生種質(zhì)所特有的抗性基因。

早期的遠(yuǎn)緣雜交往往需要連續(xù)多年持續(xù)進行，如地被菊的育種工作至少花費了課題團隊二十多年的心血，為了提高效率，我們建議將傳統(tǒng)育種與基因工程育種結(jié)合起來，集成新的育種技術(shù)，形成體系，構(gòu)筑國家級或省級的綜合育種平臺，集中科研力量，共同制定具體植物的高效育種方案，切實加強育種進程。