來源 | 中國果樹
種質(zhì)資源是攜帶生物遺傳信息的載體，具有實際或潛在的利用價值。2015年農(nóng)業(yè)部、國家發(fā)展改革委、科技部印發(fā)了《全國農(nóng)作物種質(zhì)資源保護與利用中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2030年）》，2019年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織編制了《農(nóng)作物種質(zhì)資源保護與利用三年行動方案》，2021年中央一號文件提出實施國家農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護利用工程，種質(zhì)資源的保護和利用被提到了前所未有的高度。
農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源是“種業(yè)”的芯片，果樹種質(zhì)資源亦是果樹種業(yè)的“芯片”，是果業(yè)發(fā)展的物質(zhì)保障。自人類開始采集植物的果實充饑，果樹資源的收集和利用已經(jīng)開始。規(guī)模化的果樹種質(zhì)資源收集、保護和利用始于各國種質(zhì)資源圃的建立。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的需求，種質(zhì)資源的保護和利用面臨著新的挑戰(zhàn)和機遇。因此，綜述了果樹種質(zhì)資源保護和利用的發(fā)展動態(tài)，并提出現(xiàn)代發(fā)展趨勢。
果樹種質(zhì)資源保護與利用發(fā)展動態(tài)
世界各國十分重視種質(zhì)資源工作，為了充分收集、保護和利用植物種質(zhì)資源，世界性組織“國際植物遺傳資源委員會”（IBPGR）于1974年建立，1991年更名為“國際植物基因資源研究所（IPGRI）”，2006年合并香蕉改良網(wǎng)絡(luò)（The international network for the improvement of banana and plantain，INIBAP）為“國際生物多樣性中心（Bioversity International，BI）”，是專門從事植物資源多樣性保存與應(yīng)用的國際性組織，主要任務(wù)是促進植物基因資源的保存和利用，其中設(shè)有果樹專業(yè)部門。
美國雖然不是果樹種質(zhì)資源分布大國，卻是資源保存強國，1953年在吉內(nèi)瓦建立了蔬菜和觀賞果樹保護站，1987—1999年開展了美國本土、加拿大、烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦、哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦、中國、俄羅斯和土耳其的果樹資源大規(guī)模收集，共進行8次考察，以中亞的哈薩克斯坦為主，在哈薩克斯坦共定點60個，在中國四川共定點7個（表1）。收集的資源以蘋果為主，包括小部分的葡萄和櫻桃資源。采集的主要信息包括經(jīng)緯度、海拔、坡度、光照、生境信息、氣候、土壤等。采集的果實性狀包括果實底色、著色、果銹、形狀、大小、肉質(zhì)、風(fēng)味、熟期，樹體干性，葉片和果實病蟲害發(fā)生情況等。收集的類型包括接穗、果實和種子，在哈薩克斯坦收集接穗892份、種子13萬粒，在中國四川收集接穗101份、種子7200粒，其中1995年和1996年在采集點現(xiàn)場評價篩選優(yōu)異種質(zhì)接穗148份、優(yōu)異種質(zhì)種子6.7萬粒。日本十分重視果樹種質(zhì)資源的收集，自1871年起至20世紀(jì)30年代，以本國生產(chǎn)上利用的栽培品種收集為主；20世紀(jì)30—60年代，主要收集雜交育種的親本材料和優(yōu)良品種；20世紀(jì)60年代至今，重點轉(zhuǎn)向收集具有優(yōu)異性狀、特殊抗逆特性的野生種、半野生種及稀有種，以適應(yīng)現(xiàn)代生態(tài)環(huán)境及生物技術(shù)育種的需要。日本主要從美國、中國、泰國、意大利、尼泊爾、菲律賓等地收集資源。中國自1949年以來，開展了多次綜合或果樹專項考察，1956年至今進行了3次規(guī)模較大的全國農(nóng)作物資源普查。自1959年至今，先后對新疆、四川、貴州、山東、陜西秦巴山區(qū)、河北、西藏、青海、甘肅等地進行了專項考察。
· 種質(zhì)資源保存 ·
果樹種質(zhì)資源在演化過程中，多表現(xiàn)為高度雜合的特性，每份資源的基因型和表型均存在較大差異，保存的數(shù)量基數(shù)足夠大，包含的遺傳信息才能足夠全面。美國現(xiàn)有8個無性繁殖作物保存圃（Clonal repository），每個資源圃側(cè)重保存的樹種不同（表2），主要保存蘋果、梨、葡萄等果樹資源，其中蘋果的保存數(shù)量最多，為7064份（不包括種子保存），其次為葡萄5155份，柑橘保存1841份，梨保存2390份，香蕉保存291份。瑞士有13個田間種質(zhì)庫，其中保存蘋果資源8878份，梨資源5558份，葡萄資源7000份。法國保存的葡萄資源最多，保存11742份，主要保存在3個地點，其中位于蒙彼利埃的葡萄生物資源中心保存7868份。香蕉保存最多的國家是比利時，保存資源1683份，主要保存在比利時魯汶大學(xué)國家香蕉種質(zhì)交換中心（以上為截至2022年2月13日Genesys網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)）。中國目前建設(shè)有21個國家級種質(zhì)資源圃，保存果樹資源2.3萬余份，居世界前列。作為營養(yǎng)繁殖的果樹，種質(zhì)資源的保存不同于大田種子繁殖的作物，大多數(shù)以田間保存的方式為主，隨著保存技術(shù)的不斷發(fā)展，多種保存方式并存，歸結(jié)起來只有2種，即異位保存和原位保存。果樹的異位保存（Ex situ conservation）就是將果樹植株或器官組織保存于該材料原產(chǎn)地以外的地方，主要包括資源圃保存、種子庫保存、超低溫液氮保存和試管苗保存。種質(zhì)資源圃主要用于保存無性繁殖作物和高度雜合性的作物，包括栽培和野生資源。果樹主要以此方式保存。國際生物多樣性組織、《糧食和農(nóng)業(yè)植物遺傳資源國際條約》秘書處和全球作物多樣性信托基金于2008年啟動的全球種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫中記載，76.71%的蘋果、72.37%的梨、66.42%的葡萄、23.14%的香蕉、46.84%的柑橘和95.96%的桃資源為田間保存。
種子庫用于保存植物種子，又可分為長期庫、中期庫和短期庫。長期庫種子保存50年以上，貯存溫度為-20~-10℃，種子含水量5%~7%，庫房空氣相對濕度60%以下，種子密封保存，一般不分發(fā)種子。中期庫保存20~30年，貯存溫度0℃左右，種子含水量6%~8%，一般密封保存，負有種子評價、鑒定、分發(fā)任務(wù)。短期庫保存3~5年，溫度10~20℃，不密封，通常存放于紙袋或布袋中，用于短期存放種子。果樹資源高度雜合，主要為營養(yǎng)繁殖，對于類型多樣的野生資源可采用種子保存。在國際公開數(shù)據(jù)庫中，4.1萬份蘋果資源采用種子保存的為5051份，長期保存的為140份，中期保存的為239份；1.7萬份梨資源種子保存1991份；5.3萬份葡萄資源種子保存532份；3708份柑橘資源種子保存18份。
超低溫液氮保存（Liquid nitrogen conservation）用于貯存花粉、種子、愈傷組織、器官、莖尖分生組織等。美國國家和種質(zhì)貯藏實驗室從1984年起進行試驗性貯藏，在2004年之前已完成2146份蘋果、李屬等果樹資源的超低溫保存，其中蘋果保存最多，為1264份，保存4年后嫁接試驗，成活率在90%以上。日本利用液氮，已在蘋果、梨、櫻桃、桃、葡萄、獼猴桃、樹莓等果樹方面開展了花粉保存試驗。果樹種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫顯示，香蕉33.34%的資源進行了超低溫保存，比例較大，其他果樹均較低。中國近幾年開展桃、梨的花粉保存，甘蔗、獼猴桃等營養(yǎng)器官、愈傷組織、細胞培養(yǎng)物等超低溫保存研究取得較大進展。
試管苗種質(zhì)庫（Vitro Genebank）用于保存作物種質(zhì)資源的組織、器官等，可用于種子繁殖植物，也可用于無性繁殖作物。組織培養(yǎng)技術(shù)是近年來用于種質(zhì)保存比較有前途的新技術(shù)。BI一直積極組織和支持一些國家對柑橘、芭蕉、可可果、甘蔗等作物進行試管苗保存。目前香蕉的試管苗保存較多，占保存總數(shù)的61.40%。原位保存（In situ conservation）是指在作物原生環(huán)境下保存種質(zhì)資源，主要用于野生種及近緣野生植物建立自然保護區(qū)和天然公園。世界上第一個自然保護區(qū)是1872年美國建立的黃石公園，美國也是當(dāng)今自然保護區(qū)最多的國家，共建有696個。澳大利亞為建立自然保護區(qū)數(shù)量較多的國家之一，截至2014年，建立了333個國家公園和自然保護區(qū)。1956年，中國建立第一個自然保護區(qū)——鼎湖山自然保護區(qū)，截至2021年，建成23個與野生果樹相關(guān)的保護區(qū)，近幾年建立的有新疆維吾爾自治區(qū)新源縣野蘋果保護區(qū)、吉林省長白山縣野生海棠保護區(qū)、湖南省道縣野生柑橘保護區(qū)、陜西省周至縣野生獼猴桃保護區(qū)。
· 種質(zhì)資源利用 ·
果樹種質(zhì)資源的利用是隨著農(nóng)業(yè)活動發(fā)展、生物技術(shù)進步的動態(tài)變化過程，不同時期和階段具有不同的特點。果樹種質(zhì)資源的研究主要集中在3個方面：一是作為生產(chǎn)資料直接利用；二是對收集到的世界品種資源進行研究，為選育新品種提供育種材料；三是開展基礎(chǔ)理論研究。 生產(chǎn)資料直接利用
果樹種質(zhì)資源的利用最早可以追溯到新石器時代，與谷物和豆類的利用一樣，經(jīng)歷采集野生—保護管理野生—栽培這一過程而擴大利用，最早的利用形式是采集野生果實作為食品生產(chǎn)的補充。據(jù)現(xiàn)有資料記載，果樹資源由野生到栽培上的利用最早為6000年前的無花果、葡萄，5000年前的石榴，3000~4000年前的蘋果、梨、李、杏、桃、棗、扁桃、梅、桑、榛、栗、阿月渾子，3000年前的核桃，2000年前的中國櫻桃、柿、西洋梨、山楂、歐洲李等；利用較晚的為16世紀(jì)歐洲的樹莓和醋栗，20世紀(jì)新西蘭的獼猴桃。
在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展之前，果樹種質(zhì)資源除了鮮食以外，野生或地方品種資源可以直接加工利用，加工手段和利用途徑或經(jīng)數(shù)千年傳統(tǒng)而來或沿習(xí)慣而來或沿宗教習(xí)俗而來。當(dāng)時制約果樹加工利用的主要因素為加工方法，如石榴適應(yīng)性廣、耐貯運，但由于果皮剝離和種子分離困難，上市時其他果品豐盛，古時加工方法缺乏，利用范圍不僅不如同時期的葡萄，也遜于起源晚的蘋果、梨、桃等。中國梅最早用來調(diào)味，棗在藥用和食療滋補方面久享盛譽，銀杏用于佐膳，山楂有藥用價值，柿有干制柿餅習(xí)慣等。中古初期穆斯林為了禁止飲酒，要求信徒為葡萄找尋釀酒以外的用途，發(fā)明了葡萄干的加工技術(shù)。 育種應(yīng)用
種質(zhì)資源即基因資源，果樹產(chǎn)業(yè)中遇到的生物或非生物脅迫災(zāi)害，最終均通過優(yōu)異種質(zhì)資源的挖掘和定向品種選育而解決?；鹨卟槭澜缧詾?zāi)害，主要危害薔薇科果樹，其中梨和山楂較重，蘋果次之，曾造成歐洲大面積毀園，美國在1990—2003年完成了2351份蘋果種質(zhì)的抗火疫病篩選，篩選抗性種質(zhì)596份?？够鹨卟?yōu)異種質(zhì)PI286613和R5被廣泛應(yīng)用在蘋果鮮食品種及砧木的選育上；利用R5和M系、O系等砧木雜交獲得了G.41、G.935、G.202等G系列抗火疫病砧木。黑星病在歐洲及美洲發(fā)病較為嚴重，除了阻礙樹體生長外，嚴重影響果實發(fā)育和外觀。美國對收集保存的13萬粒塞威士蘋果種子逐步進行鑒定評價，將其中的3萬粒種子分發(fā)到新西蘭、德國、挪威、加拿大、日本、英國、南非、荷蘭、意大利等國的合作單位，進行黑星病的抗性篩選。在收集的塞威士蘋果種質(zhì)中篩選抗黑星病資源，克隆4個不同的抗性基因（Vr、Vm、Vf和Vb），其中GMAL4327同時攜帶這4個抗性基因，利用這些抗性種質(zhì)，設(shè)計雜交組合7組，獲得種子1289粒，其中38%具有黑星病抗性。種質(zhì)資源在育種和產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用，在獼猴桃上最為典型。獼猴桃原產(chǎn)于中國，世界上約有54個種，中國就有52個種和38個變種。新西蘭自1904年從中國湖北引入獼猴桃，先后多次共引進20多種，利用引進的獼猴桃資源，1910年培育出世界著名的海沃德（Hayward）品種，可能是人類歷史上第一次利用野生獼猴桃資源進行人工馴化，1991年選育出金色獼猴桃（Hort16A），至今已經(jīng)選育出系列獼猴桃品種。如今獼猴桃作為新西蘭的第二大支柱產(chǎn)業(yè)，其栽培面積占除中國以外世界栽培面積的95%。
果樹除了在果品上具有價值，在觀賞方面也價值很大。國外對于觀賞果樹的描述最早出現(xiàn)在伊甸園的神話中，從殘留的埃及古壁畫中隨處可見石榴、無花果等，早期波斯園林中也以蘋果、梨、李和杏等觀賞為主。中國如西府海棠（M. micromalus）、垂絲海棠（M. halliana）、湖北海棠（M. hupehensis）等2000年之前就被用于庭院和行道栽植。美國、英國、加拿大等利用引進的蘋果屬野生資源進行直接選擇或雜交，選育出一批觀賞海棠，如紅花紅葉的索菲亞（M. Sophia）、紅花綠葉的絢麗（M. Radiant）等，蘋果屬野生資源包括山荊子（M. baccata）、紅肉蘋果（M. neidzwetzkyana）、矮生蘋果（M. pumila）等作為親本，起到了不可替代的作用，其中紅花紅葉觀賞海棠品種的親本幾乎全部來自新疆的紅肉蘋果。目前這些觀賞海棠已應(yīng)用于世界范圍內(nèi)的園林綠化。
基礎(chǔ)研究應(yīng)用
果樹種質(zhì)資源是基礎(chǔ)研究的材料基礎(chǔ)，在近幾十年果樹的基因組測序、優(yōu)異基因挖掘、遺傳演化分析、實用分子標(biāo)記開發(fā)等基礎(chǔ)研究中均起到了重要作用。Wu等通過對柑橘、柚、甜橙和酸橙基因組對比，發(fā)現(xiàn)栽培的柚代表1個祖先種，廣泛種植的柑橘、甜橙是混交個體后代。Wang等利用柑橘4個屬基因組和100份原始、野生和栽培柑橘序列比對分析，栽培柑橘中與能量和生殖相關(guān)的基因處于選擇狀態(tài)，定位了控制柑橘多胚性基因區(qū)間的11個基因。Shimizu等通過對7份柑橘種質(zhì)測序分析，證實了kunenbo-A和samsuma均為kishu的后代，而satsuma是kishu的回交后代。Wang等對140份柑橘基因組進行分析，發(fā)現(xiàn)中國Mangshan mandarin 是一種原始類型，在嶺南和嶺北發(fā)生了2個獨立的馴養(yǎng)事件，2個種群之間存在不同的種間滲入模式。Roach等對15個不同的霞多麗葡萄品種進行比對，闡明了霞多麗的預(yù)測親本，Pinot noir和Gouais blanc較高的親緣關(guān)系是導(dǎo)致霞多麗顯示近親繁殖的特征。Zhou等通過霞多麗測序數(shù)據(jù)和69個葡萄種質(zhì)結(jié)構(gòu)變異比對，揭示負選擇作用于所有結(jié)構(gòu)變異。
Wu等通過組裝梨基因組，挖掘了控制石細胞、木質(zhì)素合成的關(guān)鍵基因。Chagné等通過歐洲梨（Pyrus communis）基因組測序，挖掘了控制果實軟化的一類細胞壁相關(guān)基因。Ou等完成了第一個梨砧木中矮1號基因組組裝；定位了梨紅皮的控制基因，解析了PpBBX24基因堿基的缺失是紅皮突變的主要原因。Dong等完成了對山西杜梨的從頭測序（de novo），發(fā)現(xiàn)次生代謝物中存在顯著富集的擴增基因，解釋了山西杜梨為何具有較強的環(huán)境適應(yīng)性和抗病性。Shulaev等通過對林地草莓測序，挖掘獲得包括風(fēng)味、營養(yǎng)價值和花期在內(nèi)的關(guān)鍵基因。Edger等通過栽培八倍體基因組裝，進一步揭示了栽培草莓由4種二倍體祖先合并而來，以及4個亞基因組之間的動態(tài)變化。Zhang等通過野生草莓二倍體基因組組裝，發(fā)現(xiàn)在苯丙素類生物合成、淀粉和蔗糖代謝、氰氨基酸代謝、植物與病原菌互作、油菜素內(nèi)酯類生物合成和植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等方面的基因顯著增多，是其具有特殊表型和較強的環(huán)境適應(yīng)性的原因。
Wang等通過對芭蕉基因組分析，發(fā)現(xiàn)香蕉A-基因組和B-基因組最近的分化發(fā)生在系譜特異性全基因組復(fù)制以后，B-基因組可能比A-基因組對分離過程更敏感。Duan等利用117份蘋果種質(zhì)資源建立了首張?zhí)O果全基因組SNP圖譜，通過遺傳結(jié)構(gòu)分析揭示栽培蘋果起源于哈薩克塞威士蘋果；新疆塞威士蘋果具有較好的同源背景，是更加原始的類型；中國蘋果是哈薩克塞威士蘋果與中國野生種質(zhì)的雜交類型；提出了蘋果大小進化的二步模型，鑒定得出QTLgwa-w1、QTLgwa-w2、miR172及其靶基因在栽培馴化前對果實大小起重要作用。Zhang等對三倍體蘋果寒富的純合子系HFTH1的基因組進行測序組裝，發(fā)現(xiàn)了蘋果著色有關(guān)的核心轉(zhuǎn)錄激活因子。Sun等通過對91份蘋果資源泛基因組測序，揭示了新基因/等位基因的導(dǎo)入是蘋果通過雜交馴化的一個標(biāo)志。Liao等利用資源圃461份蘋果資源，揭示了蘋果風(fēng)味改善的遺傳路線圖，酸度選擇在風(fēng)味品質(zhì)馴化過程中起主要作用。
近半個世紀(jì)以來，世界各國十分重視果樹種質(zhì)資源的收集，資源保存數(shù)量持續(xù)增加，美國NPGS體系仍持續(xù)從世界種質(zhì)資源多樣性中心收集資源，每年以1萬份數(shù)量遞增。目前自然界仍有許多珍稀、瀕危、具有潛在利用價值的果樹資源未得到安全保護，有必要在全球范圍內(nèi)摸清主要果樹種質(zhì)資源家底，提高資源保護數(shù)量和多樣性水平。單一的田間保存方式問題日漸凸顯，多種方式保存已成為世界種質(zhì)保存的發(fā)展趨勢。田間保存雖然是大多數(shù)果樹基因庫使用的保存手段，占資源總數(shù)的80%以上，然而保存的材料容易受到低溫和干旱等各種非生物因素以及病蟲害等各種生物因素的威脅。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，科研工作者正在探索一套省工省時、保存時間長且穩(wěn)定、安全可靠的種質(zhì)保存方法，包括DNA保存、基因文庫保存、cDNA文庫保存、DNA芯片保存等。· 果樹種質(zhì)資源利用高質(zhì)量化 · 建立國際統(tǒng)一的果樹種質(zhì)資源身份證體系，國家之間果樹資源交流更加通暢。針對同一個性狀，制定統(tǒng)一、規(guī)范的鑒定評價標(biāo)準(zhǔn)，在世界范圍內(nèi)協(xié)同開展果樹種質(zhì)資源精準(zhǔn)鑒定，利用獲得的優(yōu)異資源，針對全球性生物和非生物脅迫及產(chǎn)業(yè)需求，協(xié)同開展種質(zhì)創(chuàng)新，提升種質(zhì)利用質(zhì)量。在世界范圍內(nèi)建立互惠互利的果樹種質(zhì)資源交流與利用機制，基于互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建開放共享的果樹種質(zhì)資源綜合管理系統(tǒng)，為利用者提供科學(xué)、準(zhǔn)確、規(guī)范的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)種質(zhì)資源利用在線申請、在線登記、利用效果在線反饋高效化，提高果樹種質(zhì)資源的利用效率。
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