鵝掌楸屬樹種近十年研究進展及其應用前景

李輝虎,施茂寅,楊愛紅,胡 淼,吳照祥,劉巧麗,余發新,鐘永達*

(1.江西省科學院生物資源研究所/江西省觀賞植物遺傳改良重點實驗室/江西省鄉土珍貴闊葉樹種遺傳改良與培育工程研究中心,330096,南昌;2.江西省林業科技推廣和宣傳教育中心,330400,南昌)

0 引言

鵝掌楸屬(Liriodendron)屬于雙子葉植物綱、木蘭科,該屬自然界現僅存2個種,即鵝掌楸(Liriodendronchinense(Hemsl.) Sarg.)和北美鵝掌楸(LiriodendrontulipiferaLinn)[1]。鵝掌楸零星分布于我國長江流域以及越南北部地區的海拔450～1 800 m闊葉林中,呈“一帶五島”分布,屬國家二級珍稀瀕危保護植物,是優良用材和綠化樹種[2]。北美鵝掌楸廣泛分布于美國東部和加拿大東南部海拔300 m以下各地和沿海平原及阿巴拉契亞山脈南部[3],是北美地區主要速生用材樹種之一。1963年南京林業大學已故著名林木育種學家葉培忠教授以中國廬山種源鵝掌楸為母本,北美鵝掌楸為父本,人工雜交得到亞美馬褂木(Liriodendronsino-americanumP.C.Yieh ex Shang et Z. R.Wang)。其綜合了雙親的優點,經過數十年多地點的研究與實踐,亞美馬褂木的雜種優勢已經得到了廣泛的認同,在我國北方地區如北京、遼寧大連和陜西西安等地都有種植,且已長成大樹。近十年來,亞美馬褂木已成為近年來鵝掌楸屬樹種研究的主要對象。

1 良種選育

亞美馬褂木良種選育是在廣泛收集國內外優良種質資源的基礎上,結合育種目標,在鵝掌楸和北美鵝掌楸中選擇典型性狀突出、適應性強的個體作為雜交親本,進行優良家系和無性系選育。幾十年的多地造林實驗已經證明,亞美馬褂木相比較于親本表現出速生、適應性強等多方面的明顯雜種優勢,證實了其強大的育種潛力。湖北省林業局林木種苗管理總站研究發現亞美馬褂木從幼齡期到成齡期大多表現出極顯著的生長和適應性優勢;同時發現,鵝掌楸屬樹種正交、反交、回交及F1個體之間雜交4種交配系統均可獲得較強的雜種優勢,而以正交和反交的雜交優勢更顯著;進一步研究表明,4種不同交配系統中子代不同個體間的遺傳差異主要存在于家系間及家系內。因此,鵝掌楸屬樹種雜種優勢利用的重點應進行家系選擇和家系內選擇。通過對亞美馬褂木優良無性系選育與繁殖技術研究,選育出了適合不同立地條件的3個亞美馬褂木的無性系良種。江西省科學院生物資源研究所收集保存并建立了全世界規模最大的鵝掌楸屬種質資源庫,總共保存包括中國和越南鵝掌楸,及北美鵝掌楸在內的72個種源、623個家系。并以中國廬山鵝掌楸種源為母本,北美鵝掌楸為父本雜交獲得了雜交鵝掌楸子代苗,選育出了3個生根率高、速生、抗逆性強的良種。

2 無性繁殖技術

目前鵝掌楸屬樹種常用的無性繁殖技術主要有扦插、嫁接和組織培養3種方式。研究表明,扦插輕基質配方對苗高、地徑、根系、單株干生物量有顯著影響,鵝掌楸和亞美馬褂木苗最適宜輕基質存在差異,同時假植期間用保水劑或泥漿措施是保證成活率和當年生長量的關鍵[4]。生根是決定鵝掌楸屬樹種扦插成敗關鍵因素,亞美馬褂木扦插苗不定根形成包括皮部生根、中間生根和愈傷生根3種類型;扦插苗質量與不定根數量、長度、苗高和基徑等有極顯著正相關關系,苗高與不定根數和基徑等極顯著相關[5]。同時生根劑夠對植物營養物質、內源激素、活性酶產生影響,顯著提高鵝掌楸插穗的生根率、根長、不定根數、根尖數[6-7]。因此,應選擇合適的扦插時間、扦插枝條、生根劑,同時還應加強管理,做好消毒工作。鵝掌楸屬樹種在一定范圍內,接芽越大、砧木越粗,嫁接成活率越高,生長越旺盛;嫁接季節以秋季9月下旬最佳,其次為春季和夏季[4]。

植物組織培養是指通過無菌操作把植物體的各類結構材料,外植接種于人工配制的培養基上,進行離體培養的一套技術與方法。目前,鵝掌楸屬樹種組培技術經過長期探索已取得較大進步。外源激素對亞美馬褂木組培苗具有重要作用,在體胚發生初期添加磺肽素(PSK-α)可提高未成熟胚的脫分化率并能有效改善培養細胞的狀態,能夠促進胚性愈傷組織的形成和增殖;體胚形成后期添加PSK-α利于其正常發育以及再生植株的培養[8-9]。在亞美馬褂木體胚誘導培養基中添加不同濃度的茉莉酸甲酯(MeJA)影響體胚發生率、成熟率和畸形胚胎率,脫落酸(ABA)能夠增強MeJA的上述效應;ABA和玉米素同時使用也可顯著影響體胚發生效率;活性炭則可通過影響培養基pH和滲透壓從而影響體胚發生效率[10-12]。合適的組培苗專用菌劑能夠與鵝掌楸形成較好的共生關系,提高根系活力,提高酶活性,降低鵝掌楸的膜損傷程度,較大提高保護膜活性,顯著增強抵抗不良環境能力[13]。無性繁殖技術雖在鵝掌楸屬樹種繁育過程中表現出使用范圍廣、繁殖快、保持優良特性等優點,但在無性繁殖過程中存在種質退化、環境污染等問題[14]。

3 非生物脅迫研究

鵝掌楸屬樹種作為我國南方地區重要的闊葉樹種,開展其抗逆性研究對其推廣示范具有重要意義。鵝掌楸不同種源綜合抗寒性存在差異,不同種源的各抗寒生理指標均表現出明顯的季節變化,相對電導率、含水量和脯氨酸質量分數表與隸屬函數值現出顯著相關性[15]。轉錄組測序表明NAC和WRKY基因可能在鵝掌楸的抗寒過程中起主要作用[16]。寒、熱、干旱脅迫能同時誘導LchiWRKYs和LchiMYB轉錄因子家族的表達,且其中一些在進化過程中經歷了基因復制。LchiWRKY33主要響應冷脅迫,LchiWRKY25主要響應熱脅迫,LchiWRKY18主要響應干旱脅迫,表達量接近4倍,而5個LchiWRKYs(LchiWRKY5,LchiWRKY23,LchiWRKY14,LchiWRKY27和LchiWRKY36)同樣響應3個脅迫,表達量超過6倍。亞細胞定位分析表明,所有LchiWRKYs都定位于細胞核中,LchiWRKY18和LchiWRKY36的亞細胞定位實驗也表明這2種轉錄因子在細胞核中表達[17]。LchiMYB3在所有3種形式的脅迫下均高度表達,而LchiMYB121受冷和熱脅迫均強烈誘導,這些LchiMYBs可能調節北美鵝掌楸生長發育和對非生物脅迫的抵抗力[18]。LcCBF部分基因參與了冷應激反應的生物學過程,大多數LcCBF基因在愈傷組織、根莖和葉組織中表現出先增加后減少的趨勢,且每個成員的表達譜不同。一些LcCBF基因在愈傷組織、根、莖和葉組織中表現出不同的豐度,LcCBF基因的結構和表達特征暗示它們在響應冷脅迫條件時可能具有相似和不同的功能[19]。

耐澇性差是限制鵝掌楸屬樹種在我國南方地區大范圍推廣的重要因素之一。淹水脅迫下,北美鵝掌楸淹水初期會呈現下部老葉黃化,上部嫩葉、頂芽萎蔫現象。隨淹水時間增加,敏感無性系葉片萎蔫脫落;而耐淹無性系頂芽緩慢恢復,在葉片脫落后幼葉展開,基部形成不定根和肥大的皮孔,不定根長度和粗度隨脅迫水位增加而增加。亞美馬褂木體胚植株受澇害時,植株葉片從基部開始卷曲、黃化甚至脫落,但頂芽無明顯變化[20-23]。淹水脅迫中植物啟動一系列相應保護機制以應對淹水脅迫環境。亞美馬褂木淹水脅迫處理過程中葉綠體腫脹變形,膜系統嚴重損傷,甚至降解,葉綠體超微結構嚴重破壞,損傷光系統Ⅱ反應中心,進而光能轉換效率降低,造成葉片光合作用能力降低,最終嚴重影響植株生長發育[22]。耐淹型北美鵝掌楸可通過保持較高的抗氧化酶活性等方式增強其抗澇能力,相對電導率、葉綠素含量、超氧化物歧化酶可作為北美鵝掌楸耐淹無性系中期選育指標,而亞美馬褂木其內源性激素有顯著差異,包括脫落酸、吲哚乙酸、赤霉素[20,23]。轉錄組測序發現北美鵝掌楸耐淹無性系和淹水敏感無性系淹水脅迫下的MYB、Zincfinger、NAC、Orphans、WRKY、Homeboxdomain、AP2domain、bHLH、AUX/IAAfamily等轉錄因子家族表達存在明顯差異[24]?？怪亟饘俚难芯堪l現,鵝掌楸能將吸收的鎘主要固定于根系中,向地上部分的轉移較少,且地上部分轉運富集Cd2+能力最大。酸性土壤中的Al3+表現出嚴重的根莖毒性,抑制植物生長發育,大多數適應酸性土壤的木本植物已經進化成針對Al3+毒性的特定策略,其中,亞美馬褂木利用四碳氨基酸γ-氨基丁酸信號在通過促進有機酸轉運和維持細胞氧化還原和滲透平衡來增強其對鋁脅迫的耐受性功能[25]。

目前,全球環境條件不斷惡化,極端環境頻繁出現,因此,抗性研究對于鵝掌楸屬植物的保護及良種選育具有重大意義。但目前對鵝掌楸屬樹種非生物脅迫的研究以生理生化特性為主,分子機制的研究才剛剛起步,后期應結合基因組學、轉錄組學、蛋白組學、代謝組學等技術手段加快研究,例如,蛋白激酶在植物對環境脅迫信號的反應中發揮著重要作用。SnRK2是一種植物特異性蛋白激酶,在一些模式植物物種的脫落酸和非生物脅迫反應中起關鍵作用,在鵝掌楸基因組中發現的5個SnRK2基因。5個基因在ABA、光周期,低溫和低溫及光周期處理下均有上調和下調響應。通過研究啟動子中的順式元件,發現了5種激素、6種應激、2種生長和生物過程及2種代謝相關的反應元件,可為逆境脅迫研究提供很好的思路[26]。

4 遺傳多樣性研究

遺傳多樣性是生命適應環境和進化的基礎,研究物種的遺傳多樣性可更好地揭示物種的生物學特性、生存現狀和保存價值,為物種資源保護提供理論指導。鵝掌楸基因組的演化是一次古老的全基因組加倍事件和一次近期的重復序列爆發事件共同作用的結果。根據Illumina數據估計鵝掌楸基因組大小為1.75 Gb[27]。

鵝掌楸和北美鵝掌楸之間呈現顯著的系統分化,種源間也存在明顯遺傳差異。鵝掌楸中國東部居群與西部居群之間具有明顯的遺傳及譜系分化,北美鵝掌楸在基因上位于2個鵝掌楸組之間,更接近東部組,表明東部地區的鵝掌楸具有更古老的歷史起源。中國東部和西部群體分化早于洲際分化,這一遺傳分化同它們的地理分布格局完全一致,長期的地理隔離可能是導致這一遺傳格局的原因[28]。鵝掌楸云南南部群體與其他群體在表型及基因變異上均存在較大差異,遺傳分化較大,可將其視為鵝掌楸的一個變種[29-30]。群體遺傳多樣性水平從高到低依次為中國西部鵝掌楸種源、中國東部鵝掌楸、北美鵝掌楸種源,鵝掌楸遺傳多樣性是北美鵝掌楸的十倍[28,30]。然而也有學者認為,相對于北美鵝掌楸具有高的遺傳多樣性,鵝掌楸種源的星散分布及其小群體效應將使群體間基因交流受限,導致遺傳基礎逐步變窄,使種源內的遺傳多樣性水平降低,故北美鵝掌楸的有效等位基因和雜合度都高于鵝掌楸,北美鵝掌楸的種源遺傳多樣性高于鵝掌楸[29]。系統發育分析,鵝掌楸和北美鵝掌楸有明顯的分化,而鵝掌楸地理居群間的分化很大且不規則。近親繁殖出現在地理種源內,遺傳多樣性水平很低。為了保護鵝掌楸的遺傳多樣性,除了盡可能保護現有種群外,人工栽培還應從多個種群中引進材料。

物種分化過程中生態適應可能發揮關鍵的推動作用,晚中新世和晚上新世至早更新世期間的劇烈氣候變化可能分別促進了鵝掌楸物種的種間和種內分化。長期限制性基因流可能是促進種間分化的先決條件,而生態位分化可能在推動鵝掌楸和北美鵝掌楸之間的適應性遺傳分化中起著至關重要的作用[31]。鵝掌楸天然群體遺傳距離和地理距離存在極顯著相關性,地理隔離和片段化分布可能導致了鵝掌楸群體結構的形成。SAMOVA結果顯示鵝掌楸在全球分布區可以分為7個組,單倍型網絡樹顯示有3個主要的分枝,分別位于東部地區、西北地區和西南部地區。BBM的結果顯示鵝掌楸東部居群更為古老,東西部居群的遺傳分化可能發生于Mindel冰期。東西譜系分化可能是由于長期的遺傳分化,及由于第四紀冰期期間南嶺通道不斷被常綠及針葉林占據導致的鵝掌楸東西部地區的地理隔離[29,32],基于葉綠體SSR、葉綠體基因片段及轉錄組數據的結果均也驗證了這些觀點,最終,種群撤退到多個孤立的山區避難所,形成了當前的地理分布格局[33]。位于武夷山南麓的FJ-WYS鵝掌楸群體及位于大婁山北坡的GZ-XS群體所處地區很有可能分別為鵝掌楸東、西部群體的第四紀冰期避難所[28,29,31,33,34]。TCS分析、系統樹分析和單倍型地理分布的結果顯示,鵝掌楸和北美鵝掌楸在冰期后各自擴張。PSMC分析顯示鵝掌楸與北美鵝掌楸在第四紀冰川時期所處的環境差異導致二者遺傳多樣性發生差異[35]。

鵝掌楸5種交配類型子代群體中,遺傳多樣性水平趨勢為:多父本混合授粉子代>種間交配子代>雜種F1與親本的回交子代>種內交配子代>自交子代。子代遺傳多樣性與親本間遺傳距離呈顯著正相關,親本間遺傳距離大,則子代遺傳多樣性高,相同親本正反交子代群體的遺傳多樣性差別不明顯[36]。鵝掌楸種子流及花粉流大小在不同群體間差別較大,基因流隨居群的成年個體密度增大而減小。在密度較大的人工林中,鵝掌楸種子的傳播距離大于花粉的傳播距離,種子流對基因流的貢獻程度較大,而在種群密度較小的天然群體中,其結果則正好相反[37]。鵝掌楸葉片在種源間及種源內存在極豐富的變異,葉片結構的主要性狀在種源內的變異遠大于種源間的變異,葉的解剖性狀與地理生態因子也存在相關性,其種源間的變異呈現梯度規律性,表皮各性狀與經度、年均溫呈負相關關系,葉片和主脈橫切面各性狀與經度、緯度大部分呈正相關關系,而與年降水量、年均溫大都呈負相關關系[34]。

5 木材特性

材性特征是決定木材的經濟價值重要依據,直接影響到木材的加工利用,深入了解鵝掌楸屬樹種的材性特點,可為其利用提供理論依據。鵝掌楸屬樹種樹形高大,生長迅速,其木材特性非常適合于木材機械加工、造紙、溶解漿等,具有良好的應用前景。研究表明鵝掌楸、北美鵝掌楸和亞美馬褂木樹種在次生木質部結構中種間導管分子、木纖維、軸向薄壁組織和木射線組織等解剖特征存在極顯著差異,亞美馬褂木次生木質部結構兼具親本特征[38]。北美鵝掌楸與鵝掌楸相比具有更多的原始特征,鵝掌楸較北美鵝掌楸進化[39]。同時中國不同種源鵝掌楸木材基本密度和纖維長度均存在顯著差異,木材基本密度、纖維長寬比和壁腔比的變異具有由西向東、南向北逐漸增大的地理變異模式,而北美鵝掌楸種源間基本密度和纖維長度均不存在顯著差異[40]。鵝掌楸天然林木材基本密度、全干密度、氣干密度、體積干縮率、體積濕脹率等性狀在垂直方向差異顯著;其木材密度屬輕中等水平,順紋抗壓、抗彎性能及硬度屬一般水平,是適合加工利用的樹種[41]。性狀遺傳相關分析認為,鵝掌楸基本密度和纖維長度之間相關不密切,木材性狀與各生長因子(高、莖、冠、枝下高)間相關亦不密切,說明二者之間基因連鎖不緊密,可獨立選擇,基本密度受遺傳控制較強,纖維長度受遺傳控制中偏弱,纖維寬度、雙臂厚、腔徑和樹干圓度受遺傳控制偏弱,基本密度和纖維長度次年間相關都很緊密,遺傳傳遞力強。李斌,黃家華等[40,42]研究認為鵝掌楸種源中以江西廬山和湖南桑植木材基本密度最好,纖維長度優良種源為湖南瀏陽和江西武夷山,亞美馬褂木無性系基本密度和纖維長度均超過鵝掌楸性狀總均值,但未超過最好的種源。

如何準確了解評估木材性狀對于木材利用具有重要意義,因木材缺陷聲信號的非平穩性和缺陷類型特征的重疊性,有效的質量評估聲參數非常有限,而基于AR-SK相結合的聲參數(峭度)提取方法,能有效分離鵝掌楸原木缺陷信號成分并對該原木質量進行較精確分等[43]。與常用速生造紙用材樹種馬尾松比較,生長8—9 a的亞美馬褂木具有最佳的纖維形態,纖維細長、柔軟具有接近馬尾松的長寬比和壁腔比,且抽出物含量低的特性[44]。5 a生亞美馬褂木纖維性能優于制漿造紙常用速生闊葉木纖維,木材密度符合制漿造紙用材要求,木片易成漿,未漂漿起始白度高,其漿料強度性能優于常用速生闊葉木漿,是制備化學漿和化機漿的優良材種,是一優良的造紙、木質纖維生物利用新原料[45]。亞美馬褂木和北美鵝掌楸的綜合機械加工性能在刨削、銑削、車削、開榫和砂削加工中均表現優秀;在鉆削加工中,均為良好,機械加工性能綜合評價均達到優秀等級[46]。同時根據木質素、纖維素特性進行開發成生物能源、生物基化學品及生物基材料等,提高其附加值,也是當今森林資源利用方向之一。

6 結語與展望

鵝掌楸屬樹種是優良的用材兼園林綠化樹種,是良好的造紙、家具、膠合板以及粘膠纖維原料,同時含有抗炎、抗菌、抗腫瘤的內含物。因環境、人為、自身繁殖率低等因素影響,在中國境內天然鵝掌楸群體 “一帶五島”狀分布,偏安一隅,與北美鵝掌楸廣泛分布特點比較,或印證中國境內鵝掌楸的衰退處境。而加強鵝掌楸屬樹種的開發利用,有利于其受到更廣泛關注,并進一步保護和推廣。目前,針對鵝掌楸保護策略主要包括原地保護和遷地保護,同時原地保護應該注意保持生境連續性,以克服鵝掌楸居群內不同斑塊之間的遺傳異質性和基因流障礙,促進不同斑塊之間的基因交流;異地保護則需科學采樣,以保證種源的遺傳多樣性水平。

林木培育技術亦是鵝掌楸屬樹種能否推廣的重要影響因素。鵝掌楸不同種源間生物學性狀差異大,在選擇種源時,應選擇適應當地立地條件的種苗,做到適地適樹。鵝掌楸在中國零星散狀分布,地理化境存在差異地區,遺傳多樣性豐富,加強發掘優勢特性,規避不良環境有天然優勢性[44]。扦插、嫁接和組培苗的技術愈發成熟,將極大推動鵝掌楸屬樹種在我國的推廣應用。此外,在造林推廣應用中,應打破傳統純林造林方式,采用結構化森林經營方式來優化森林空間結構,使森林處于最佳生存化境中。鵝掌楸屬樹種病蟲害較少,但還需注意防范,提高抗風險能力。

隨著分子生物學實驗技術的不斷進步,鵝掌楸屬的分子生物學研究取得了眾多有意義的成果和突破,包括葉形發育、花色、生根及抗逆性調控等。然而,由于鵝掌楸屬樹種自身特性和地理分布的限制,加上其分子生物學研究團隊的薄弱,資金投入不足等原因,分子生物技術在鵝掌楸屬樹種中的應用仍存在諸多難點。今后研究中,在高密度遺傳譜圖構建、特異種質的篩選和機理研究、蛋白組學及分子傳導途徑研究等幾個方面亟須加強,結合組學、GWAS等手段促進功能基因組學的研究。

隨著生活水平的提高,人類對物質材料的功能性、環保性、多樣性的需求愈發強烈。利用鵝掌楸屬樹種優良的特性,開發高附加值產品,形成完整成熟的產業鏈,才能促進其良性循環發展。本文旨在通過對近十年來對鵝掌楸屬樹種種質資源、良種選育、無性繁殖、造林技術、木材特性、非生物脅迫、譜系地理學等方面的研究進展進行綜述,以期加快鵝掌楸屬樹種研究,為瀕危物種保護及植物資源合理利用提供科學依據。