卷丹百合遗传育种研究进展

王志刚，印东生，张惠华，吴天宇，潘百涛，袁兴福

（辽宁省农业科学院辽宁省花卉科学重点实验室，辽宁沈阳110161）

园艺经纬

卷丹百合遗传育种研究进展

王志刚，印东生，张惠华，吴天宇，潘百涛，袁兴福*

（辽宁省农业科学院辽宁省花卉科学重点实验室，辽宁沈阳110161）

对目前国内外卷丹百合倍性、地理分布、遗传多样性、育种及功能基因克隆等领域的成就进行了综述。卷丹遗传多样性分析、育性研究、育种和功能基因克隆都取得了进展，但不同的研究对卷丹二倍体种、三倍体种以及大花卷丹之间的进化关系给出了相异的结论。同时，卷丹的育种潜力也有待于进一步发掘与利用的。

卷丹百合;遗传；育种

卷丹百合（L.lancifoliumThunb.）又称虎皮百合（tiger lily），是分布最广泛的一种野生百合，在中国的江苏、浙江、安徽、江西、湖北、西藏、陕西、山东、辽宁和吉林等省区以及朝鲜半岛、日本等区域都有分布。卷丹具有长势强健、大花、抗病毒、抗镰刀菌等优良性状，可直接应用于园林绿化、庭院和盆栽，其种球可食用和药用，可用于深加工以获得淀粉[1]，种球内的膳食纤维还有降糖作用[2]。由于卷丹百合有如此广阔的应用空间，因而极具研究价值。目前国际上对卷丹百合的研究以韩国、日本和中国为主，研究方向主要集中在遗传和育种领域。

1 卷丹百合的遗传多样性

1.1 卷丹的不同倍性及其进化关系

卷丹百合属于多倍体复合体（polyploidcomplex），有三倍体（2n=3x=36）和二倍体（2n=2x=24）2种倍性的野生种[3]。代表种是较早发现的三倍体[4]。关于二倍体类型的报导出现稍晚[5]。三倍体主要分布在内陆地区，沿海地区也有少量分布。二倍体卷丹的自然分布只局限在朝鲜半岛南端到日本对马海峡的沿海地区，未在内陆地区发现，二倍体对濒海环境的依赖和三倍体对经常受干扰的内陆环境（如路边、田间或河边）的强适应能力可能是造成这种地理分布特点的原因[6-7]。中国尚未有关于发现二倍体卷丹的报导。

三倍体卷丹和二倍体卷丹之间的进化关系一直是研究者关注的热点之一。除了在日本对马岛发现的二倍体变种黄花卷丹（L.lancifoliumvar.flaviflorum Makino）的花色较特殊[5，8]以外，二倍体卷丹和三倍体卷丹在形态特征上没有明显区别。而另外一个野生种大花卷丹（L.leichtliniivar.maximowicziiBaker）在形态特征上也与卷丹高度相似，唯一的区别是大花卷丹上部叶腋间不具珠芽，因而也曾被置于卷丹的进化路线中。有研究认为三倍体卷丹是由二倍体卷丹与其近缘种大花卷丹杂交后产生的异源三倍体[4]。但也有学者指出卷丹原种为三倍体，二倍体卷丹是变种[9]。最近的基因组原位杂交研究发现，以生物素标记的二倍体卷丹基因组作为探针，可以在三倍体卷丹上获得强烈的杂交信号，而以大花卷丹基因组作为探针则没有获得明显的杂交信号，因此认为三倍体卷丹来源于二倍体卷丹而非大花卷丹[10]。

1.2 卷丹百合遗传多样性的形态学、细胞学和分子生物学分析

沈阳农业大学开展了卷丹百合居群内遗传多样性[11]分析。从形态学和细胞学2个方面对卷丹4个居群进行了调查研究，形态学性状分析表明，各居群存在明显的多样性，通常地理分布近的居群亲缘关系也近，地理分布远的居群亲缘关系也远。但是地理分布近的2个居群的亲缘关系并不一定最近，这可能是由于环境影响造成的，也可能是遗传的变异，有待于进一步研究。卷丹细胞学研究表明，卷丹4个居群的染色体数目均为36，各居群核型变异表现为核型公式、染色体相对长、臂比和次缢痕数目及其分布变化，与形态学分析相吻合。

来自韩国的研究结果显示，不同来源的二倍体卷丹以及二倍体卷丹和三倍体卷丹之间在内转录间隔区（ITS）有序列差异，通过基于ITS1和ITS2序列的系统进化分析，来自于韩国、日本以及中国的二倍体卷丹、三倍体卷丹材料被分在了第一个进化分枝的三个不同的亚分枝中，揭示了卷丹二倍体种和三倍体种间以及二倍体种内的遗传多样性[12]。

2 卷丹百合的珠芽发育模式

珠芽是重要的繁殖器官，而卷丹是为数不多的可产生大量的珠芽的百合野生种之一，揭示珠芽发育的规律对于卷丹在百合育种和栽培中的应用都有重要意义。2种倍性的卷丹的植株上都着生大量的珠芽，但在珠芽发育模式上有所不同。二倍体卷丹珠芽有两种发育模式，第一种是从5月下旬到6月中旬出现在植株中下部的叶腋，30 d几乎同时从茎上脱落。第二种方式是在6月下旬形成于植株上部的叶腋和花序部位，多数也会在开花前即6月末至7月初脱落。来自日本对马岛和韩国的三倍体卷丹通常拥有与二倍体卷丹类似的珠芽发育方式，只不过发育时间稍晚。其它地区的三倍体卷丹则会在所有叶腋都着生珠芽，但发育速度比较缓慢，而一旦从植株上脱落会立即萌发长成新的植株[13]。通常认为珠芽形成是受隐性基因控制的质量性状，曾有研究结果显示卷丹与亚洲百合杂种Dreamland的杂交后代中有49.4%的植株上形成了珠芽，珠芽的数量最高为25个，平均为5个[14]。

3 卷丹的生殖特性及其在百合育种中的应用

二倍体卷丹和三倍体卷丹都是高度自交不育，而二倍体卷丹株间杂交的结实率则高达76.5%，因此二倍体卷丹既可以采取有性繁殖也可以采用无性繁殖，三倍体卷丹只能采取无性繁殖[13]。也有报导说发现三倍体卷丹结实现象，并获得了染色体数从22-31不等的后代[15]。三倍体卷丹的不育是减数分裂和花粉粒形成过程中的异常现象导致的：前期和中期出现单价、二价和三价的染色质纽；IA期和IIA期子细胞核拥有12条以上染色体；IA期和IIA期出现落后染色体；IA期和IIA期出现染色体片段和微囊；IA期单价体提早分裂；出现微核组织及其退化；小细胞的形成和多孢性的发生；大量花粉粒败育，只有少量有功能[16]。

虽然卷丹有自交不育的特性，但与近缘种的杂交却可以获得有活力的种子。纽约植物园在卷丹与大花卷丹、卷丹与川百合（L.davidiiDuch.ex Elwes异名L.sutchuenen）的杂交中获得了大约100个发育良好的蒴果和数千粒有活力的种子[17]。沈阳农业大学和辽宁省农业科学院开展了三倍体卷丹与亚洲百合及大花卷丹的远缘杂交实验，获得大量的杂交后代，并得到了相互验证。其中以卷丹为母本的组合都获得了杂交后代，而以卷丹为父本的组合则没有。利用荧光显微镜对卷丹与亚洲百合品种‘多安娜’（Pollyanna）、‘精粹’（Elite）、‘布鲁拉诺’（Brunello）种间正反交共6个组合授粉后花粉萌发及花粉管生长过程进行观察后，发现所有以卷丹为父本的组合中卷丹花粉管的生长发生了异常，无法进入母本的子房[18]。

卷丹作为重要的育种材料曾用于亚洲百合杂种系的选育，以卷丹为亲本培育出了火红杂种系、中世纪杂种系、曼杰勒斯杂种系和马格丽特杂种系，现在仍作为抗性育种材料的康涅狄格王子（Connecticut King）即出自中世纪杂种系[9，19]。但是后来随着东方百合及其它远缘杂交种的出现，以亚洲百合品种选育为目的的卷丹应用研究不再是研究热点。

4 卷丹百合功能基因克隆

由于卷丹的基因组非常大，目前尚未完成全基因组的测序，其功能基因的研究还不够深入。卷丹花朵上橙色的出现主要是由于两类胡萝卜素—辣椒黄素和辣椒玉红素的累积造成的，而催化这两种色素形成的是辣椒黄素—辣椒玉红素合成酶。研究人员利用基于番茄红素β环化酶序列设计的引物，通过cDNA末端快速扩增的方法从卷丹百合花瓣中克隆出了CCS基因。反转录PCR分析发现，该基因的表达具有时空特异性，只在卷丹百合的花芽和花瓣组织中表达，而不在营养组织中表达。将该基因转入德国鸢尾愈伤组织后，可以获得稳定过量表达，并使其变成橙红色而非正常的黄色。该结果将有助于研究类胡萝卜素形成机制和促进花色和果实颜色转基因的研究[20]。研究者尝试建立卷丹的分子标记体系[21]和单染色体文库[22]以开展功能基因的研究。

5 问题及展望

卷丹百合在百合育种史上曾占有一席之地，但随着东方百合杂种的崛起，亚洲百合杂种逐渐衰落，后来人们对卷丹的研究应用没有给予足够重视。近年来由于对新型百合远缘杂交种的需求不断增加，再加上百合杂交技术的进步[25-26]，一些新的种间、组（亚属）间杂交种甚至融合了3个以上基因组的杂交种也开始成为现实[27]。卷丹百合既可以单独跟其它杂种系的材料杂交也可以作为“桥”应用于3个基因组以上的杂交，因此，卷丹作为一种综合抗性和适应能力突出的育种材料将迎来更大的潜力空间。卷丹有很好的抗寒性，其叶脉间着生的大量珠芽在生长季落可在潮湿的土壤上落地生根，这两个特点为未来选育可以露地越冬，有自繁能力，进而可以对地面形成持续有效覆盖的绿化百合提供了可能性。而由于珠芽易于获得，繁殖成本会比较低，再加上其体积较小、易生根，甚至可以在掺土后机械喷播，因而以珠芽为繁殖材料的绿化百合可以大大降低绿化施工的成本，这将改变以往采用切花百合、盆栽百合以及庭院百合进行大面积绿化时种球成本高、栽植时费时费工的局面，应用前景非常广阔。当然，要想获得理想的绿化效果，未来的绿化百合品种还应具备良好的抗病性和抗倒伏能力以适应开放的环境，降低维护成本，同时要具备较长的花期、丰富的花色以及适宜的株高，要想实现这些目标，需要采取不同组间（inter-sectional）的远缘杂交或基因工程等育种手段，导入不同来源的优良基因，这将是一个漫长的过程，需要育种者付出艰苦的努力。

[1]李忠海，徐廷丽，孙昌波等.3种百合淀粉主要理化性质的研究[J].食品与发酵工业，2005，31（5）：5-8

[2]李忠海，钟海雁，常银子等.百合膳食纤维降血糖作用的研究[J].食品与机械，2005，21（5）：8-9

[3]NODA S.Chromosomes of diploid and triploid forms found in the natural populations of tiger lily in Tsushima[J].Bot.Mag.Tokyo 1978，91：279-283

[4]TAKINAKA Y & NAGAMATSU T.Onthechromosomesof Lilium tigrinumKer-Gawl.Bot.Mag.Tokyo 1930，44：386-391

[5]Makino T.Contribution to flora of Nippon.J.Jap.Bet.1933，8：43

[6]JONG H K，YONG H X，M H，etal.Naturalhabitatsand geographic distribution of diploidLilium lancifoliumin islands of the bay of Kyunggi[J].Korea J Fac Agr，Kyushu Univ，2005，50（2）：593-600

[7]JONG H K，HEI Y K，YONG S C，et al.Geographic distribution and habitat differentiation in diploid and triploid Lilium lancifoliumof South Korea [J].J.Fac Agr，Kyushu Univ，2006，51（2）：239–243

[8]NAKASHIMA K.1942.Preliminaryreporton thefloraofthe Tushima Islands.Bot.Mag.Tokyo，1942，56：610-614

[9]龙雅宜，张金政，张兰年.百合——球根花卉之王[M].北京：金盾出版社，2004：34-35

[10]SULTANA S，LEE S H，BANG J W，et al.Physical mapping of rRNA gene loci and inter-specific relationships in wild lilium distributed in korea[J].J.Plant Biol.2010，53：433–443

[11]岳玲，雷家军.卷丹种内居群的遗传多样性研究[J].安徽农业科学，2006，34（22）：5802-5803，5852

[12]SULTANA S，LIM Y P，BANG J W，et al.Internal Transcribed Spacer（ITS）and genetic variations inLiliumNative to Korea [J].Hort.Environ.Biotechnol.，2011.52（5）：502-510

[13]Noda S.Cytogenetic behavior，chromosomaldifferentiations，and geographic distribution inLilium lancifolium（Liliaceae）[J].Plant Species Biology，1986，1：69–78

[14]In S P，DongH S，Yoon JH etal.The characteristicsof progenies dreved from Lilium lancifolium and asiatic hybrid‘dreamland’[J].Krean J.Breed.Sci.，2009，41（4）：451-455

[15]杨利平，刘雪梅，张敩芳.卷丹的细胞学研究.植物研究，1997，17（1）：85-88

[16]Chandler C，et al.Microsporogenesis in diploid types of Lilium tigrinum with special references to abortions.Cytologia Fujii Jub. 1937，2：756-784

[17]Stout A B.The Capsules，Seed，and Seedlings of the Tiger Lily，Lilium tigrinum.Bulletin of the Torrey Botanical Club，1926，53（5）：269-278

[18]雷家军，吴超.卷丹与亚洲百合种间杂交花粉管生长的荧光观察[J].东北农业大学学报.2012，43（4）：117～120

[19] Anderson N O.Flower Breeding and Genetics [M]，the Netherlands：Springer Press，2006：517–537.

[20]Zoran J，Jeffrey T M，Stevan J et al.Cloning and Functional Characterization of a Gene for Capsanthin-Capsorubin Synthase from Tiger Lily（Lilium lancifoliumThunb.‘Splendens’）[J].Plant Cell Physiol.，2012，53（11）：1899–1912

[21]雷家军，于海涛，王志刚，周俐宏.卷丹百合AFLP反应体系的建立与优化.东北农业大学学报.2013，44（10）：122-127

[22]Hwang Y J，Kim H H，Kim J B，et al.Karyotype Analysis ofLilium tigrinum by FISH [J].Hort.Environ.Biotechnol，2011，52（3）：292-297.

[25]Van Tuyl J M，De Jeu M J.Methods for overcoming interspecific crossing barriers.Pollenbiotechnology forcrop production and improvement[M].London：Cambridge Press，1997：273-292.

[26]Barba G R，Miller C T，Ramanna M S et al.Nitrous oxide（N2O） induces 2n gametes in sterile F1 hybrids of Oriental×Asiatic lilies（Lilium）and leads to intergenomic recombination [J]. Euphytica，2006，148：303-309

[27]谢松林，王仙芝，张延龙等.百合三系间杂种的创造及其应用潜力[C].2010中国球根花卉年会交流论文集，2010：1-6

[28]岳 玲.百合抗性研究进展[J].园艺与种苗，2012（6）：119-122.

（责任编辑 戚佳妮）

Research Progress on Genetic Breeding of Lilium lancifolium Thumb.

WANG Zhi-ganget al.(Key Laboratory of Floriculture,Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang,Liaoning 110161)

The research summary on ploidy,geographical distribution,genetic diversity,breeding and functional gene cloning ofLilium lancifoliumthumb.were reviewed.Great progress have made in genetic diversity,fertility,breeding and functional gene cloning.But the dissimilarity conclusion on the evolutionary relationship among diploid,triploidLilium lancifoliumandLilium maximowicziidiversed were proposed. Moreover,the potential value ofLilium lancifoliumshould be explored further.

Lilium lancifoliumthumb.;Genetics;Breeding

S682

A

2095-0896（2014）01-001-03

王志刚（1977-）男，山东聊城人，副研究员，从事花卉生物技术与遗传育种研究，E-mail：wang9505@qq.com。*通讯作者，研究员，从事园艺作物育种及栽培技术研究，E-mail：laasy@sina.cn。

2013-10-28