红掌杂交、诱变及倍性育种研究进展与评析

牛俊海 冷青云 林兴娥 黄明忠 杨光穗 尹俊梅

摘 要 红掌是广为人们喜爱的盆栽和切花花卉。近年来，中国红掌产业规模迅速扩大，成为世界主要生产基地和消费市场之一，我国对多样化新品种的需求增加，吸引越来越多的研究者尝试本土化的育种工作。本研究概述了国内外红掌常规杂交、诱变和倍性育种方面的研究状况，并对存在问题及未来发展予以评析，为红掌相关研究提供信息参考。

关键词 红掌 ；杂交育种 ；诱变育种 ；倍性育种 ；花药培养 ；种质创新

分类号 S682.14

红掌（Anthurium andraeanum Lind）原产于中南美洲热带雨林，为天南星科（Araceae）花烛属（Anthurium Schott）多年生草本植物，着生有平展的佛焰花苞和直立柱状的肉穗花序，被用作盆栽观赏植物和切花花卉。因其具有花形奇特、花色艳丽、花期持久、周年开花、株型优雅等诸多优点，深受全世界消费者喜爱。红掌于20世纪70年代首次传入我国，90年代开始规模化种植，近年来发展迅猛，已成为世界主要产地和消费市场之一。

目前市场上流行的品种多由种间或种内杂交选育而来。荷兰专业公司、夏威夷大学以及佛罗里达大学园艺系等研究机构，经过几十年的培育，推出了众多花色、花形、株型、产量、抗性等特性各异的切花和盆花品种。产业发展早期，我国的红掌生产中主要依赖进口或自繁国外品种的种苗。2008年，红掌所在的花烛属植物，被正式纳入中国农业部发布的第七批《农业植物新品种保护名录》，对新品种的非法扩繁将被视为侵权行为。近年来，荷兰主要的红掌专业公司安祖、AVO与瑞恩分别在昆明、北京和上海设立新品种测试基地和种苗生产中心，更多本地适应性新品种的投放，以及“荷兰品质中国价格”的优质种苗的供应，将继续巩固其对我国产业的主导优势。因此，在这种形势下，加快选育自主产权的优良品种，是提高生产经营利润、保证我国红掌产业可持续发展的迫切需求。

红苞花烛（A. andraeanum Lind）种内及花烛属（Anthurium Schott）种间杂交是红掌常规育种的主要方法，创造了丰富的遗传变异，培育出了几乎所有的盆花和切花品种。另外，诱变育种和倍性育种在种质创新方面近年来也有了很大的进展，并培育出少量商业化品种。本文对国内外的相关研究予以综述，为红掌研究和育种工作者提供参考，以期助力我国本土化新品种的研发工作。

1 红掌杂交育种

有性杂交和后代选择是红掌新品种选育的主要手段。花烛属植物估计有600～800种，甚至超过1 000种[1]，为杂交育种提供了丰富的天然资源，但这些野生种及其近缘种多分布于中南美地区，目前只有一小部分被成功应用于育种中，这和资源收集的难度较大及专业育种研究者较少有关。

1.1 国外红掌杂交育种

荷兰的Anthura、Rijnplant、AVO等专业公司，已经有近70年的红掌研究历史，不断推出众多切花品种如‘Acropolis、‘Tropical、‘Choco、‘Cheers、‘Marysia、‘Fantasia等，以及‘Dakota、‘Alabama、‘Pink Champion、‘Arebo、‘Madural、‘Turenza、‘Valerie、‘NewRed等盆花品种，加上提供的高品质种苗和现代化的栽培管理体系，几乎主宰着全球的红掌产业，但出于商业利益保护的需要，其育种材料、技术、学术性研究成果等一直被视同核心机密而较少公开。自1950s，夏威夷大学启动红掌育种计划，Kamemoto等[2-3]开始从南美收集野生资源，并进行多年红掌品种的杂交选育，发展了育种和评价技术体系，陆续选育出‘Nitta、‘Midori、‘Marian Seefurth、‘Paradise Pink、‘Kalapana、‘New Era、‘Tropic Flame等多个切花品种以及部分盆切两用品种[4-5]（表1），但多数仅限于岛内和台湾等地区种植，其切花产品主要供应东亚和美国本土。进入1980s，美国佛罗里达大学园艺系Henny等，以及奥格尔斯比（Oglesby）植物实验室，开始采用A. andraeanum和紧凑型野生种A. amnicola、A. crystallinum、A. androphyoides、A. armeniense、A. kamemotoanum、A. ravenii、A. ornatum等进行杂交，选育出‘Red Hot、‘Tropic Fire、‘Orange Hot、‘Salsa、‘Purple Plum、‘Favorita、‘SmallTalk、‘Lady系列等几十个盆花品种[6-12]（表1），但多数限于美国本土栽培。

1.2 我国红掌杂交育种

2000年以后，我国陆续有部分研究者开始从事红掌品种资源的收集、保存、评价、鉴定和杂交育种工作[13-15]，制定了《热带观赏植物种质资源描述规范-红掌》（NY/T 2033-2011），建立了亲本杂交、种子采收萌发、育苗管理等技术体系[16-18]。目前已有少数品种获得新品种权并进入商业化推广应用，如广州花卉研究中心和华南农业大学农学院共同选育的盆花品种‘朝霞、‘彩霞、‘旭日、‘艳阳等，云南省热带作物科学研究所选育出的‘水晶之恋、‘春晓等（表1）。

但由于本土育种起步较晚，收集的种质资源基础相对狭窄，多为国外释放的商业推广品种，而缺少近缘野生种，品种间杂交后代的同质性，一定程度上决定了难以获得更特异的新品系。另外，在育种技术经验的积累、严格规范的新品种测试评价等环节，和国外的专业公司和研究机构相比较，都有不小的差距。因此，继续拓展种质遗传基础和完善育种技术体系，仍然是培育观赏性好及适应性强的自主品种的重要任务。

1.3 红掌杂交育种主要问题分析

尽管传统杂交育种对红掌产业的发展起了巨大的推动作用，但其局限性也十分显著，主要体现在：（1）育种周期长。红掌童期较长，一个杂交世代（种子-种子）需要2.5年以上，加上单株选择、组培扩繁、品系测试等环节，即便只经过一轮杂交改良，选育出一个新品种也通常耗时6～8年，因此育种工作必须长期坚持下去。（2）花烛属植物普遍存在自（杂）交不亲和、近交衰退（后代发芽率低、生长缓慢、异常分蘖、白化、畸形等）等生殖障碍[18-20]，有时难以通过多次回交改变目标性状或者远缘杂交进行聚合育种，很难打破某些基因之间的连锁来改变植物的某一性状。因此，针对特定的亲本组合，采用胚胎挽救、体细胞杂交等技术手段，有助于获得有活力的杂种后代。（3）主要性状的遗传机制不明晰。尽管夏威夷大学Kamemoto等在育种早期对A. andraeanum的花色等少数几个观赏性状进行过初步的遗传分析[3，21-25]，但随着多年育种过程中渗入了多种近缘种的血缘，品种资源的遗传背景更为复杂；加上遗传学研究力量薄弱、周期较长、管理成本高以及完全随机分离群体不易获得等因素的影响，红掌重要性状的遗传规律研究比较滞后，使得杂交育种中的亲本组配仍然带有一定的盲目性，针对性不强。开展重要性状的遗传机制研究，有助于提高杂交育种的成效。（4）育种目标单一。目前红掌常规育种主要关注观赏性状，在抗病虫、冷害、高温等综合适应性方面相对薄弱，仍需更广泛细致地开展种质资源评价，挖掘利用不同特性的育种材料。（5）物种本身缺少某些重要性状相关的遗传基因，如佛焰苞的纯黄和蓝色、高抗细菌性疫病、优香味等。这些特异种质的缺乏，限制了常规育种中对相关性状的改良，需要借助基因工程等育种手段实现定向改良育种。

2 红掌诱变育种

诱变育种是指利用各种理化因素，诱发植物产生遗传变异，以期快速获得有利用价值的突变体，进而选育出新品种。在红掌的物理诱变方面，Puchooa[26]采用137Cs源γ射线对红掌品种‘Nitta种子、愈伤和叶片外植体分别进行辐射处理，培养后发现15 Gy强度足以使材料致死，而5 Gy处理的材料中出现了一些形态变异体。朱佳文[27]对红掌盆栽品种‘SweetHeart的愈伤组织进行60Co-γ射线辐射处理，表明最佳辐射剂量为1.5 Gy，致死剂量为2.5 Gy；通过细胞学检测发现了微核、桥、断片、染色体滞后等染色体变异类型，并借助RAPD分子标记筛选出了一批变异材料。彭文君等[28]以不同梯度辐射剂量的60Co γ射线处理红掌‘阿拉巴马品种的愈伤组织及组培苗，结果表明愈伤组织的半致死剂量为20～30 Gy，组培苗为30～40 Gy；辐射后的再生植株矮小且生长缓慢，生长受抑制程度随着辐射剂量而增加。尽管辐射能导致远高于自然条件下的变异频率，但考虑到突变的多数有害性和随机性，辐射育种的目的性不强，并不能够针对特定性状进行改良，目前尚无报道显示有经该方法选育的红掌品种进入生产领域。

3 红掌倍性育种

3.1 染色体加倍

多倍体植物由于染色体加倍，通常表现出强壮、长势快、观赏性好、抗性强等特点，一直是园艺植物育种的重要途径之一。利用秋水仙素等诱导剂，处理幼嫩外植体、愈伤组织、原球茎、丛生芽、体胚细胞等中间繁殖体，是诱导产生多倍体的常用方法。目前，栽培红掌和近缘花烛属植物基本上都是二倍体（2n=30）[29-31]，通过染色体加倍创造育种新种质是很多国内外研究者的兴趣所在。早在上世纪五、六十年代，夏威夷的红掌研究者就已经开始红掌的倍性育种尝试，利用秋水仙素处理材料，培育了染色体加倍的品系[2]。朱佳文[27]用秋水仙碱处理盆栽红掌品种‘SweetHeart试管苗，结合培养诱导多倍体植株，诱变频率可达到40%，染色体压片观察发现诱变材料的染色体数目为60条。张志胜等[32]对红掌品种‘Pink Champion和‘Tropical叶片诱导的愈伤组织为试验材料，采用秋水仙素处理进行四倍体诱导，表明0.2 g/L秋水仙素的液体培养基中振荡培养14 d，四倍体诱导率最高，为45.5%。田立民等[33]以秋水仙素浸泡红掌品种‘Arizona气生根诱导的再生团块，显示0.3%浓度浸泡7 h处理，诱导率可达63.3%；与对照组相比，经秋水仙素处理得到的变异植株叶片肥厚、茎较粗壮、植株较矮、生长迟缓、叶色较深。Chen等[34]用秋水仙碱处理盆花品种‘Arizona气生根诱导的愈伤组织，结果表明0.3%浓度处理5 h 情况下诱导率最高，不仅获得夜色加厚深绿及茎杆粗壮的典型四倍体植株，还发现了双佛焰苞和无花梗的变异株。目前，多个由二倍体和杂交选育的三倍体红掌品种，已经进入生产应用。如广州花卉研究中心和华南农业大学农学院共同选育的三倍体盆栽品种‘贵妃和‘妃子笑，是由四倍体品种‘Pink Champion与二倍体切花品种‘Tropical杂交而来，具有株型较紧凑，高大健壮、叶片肥厚、花冠突出等特点。

多倍体红掌除了表现出长势壮、着色深、单花观赏期长、胁迫抗性强等优势外，也常常会伴随童期延长、产花量低、苞片变小多皱、花序短缩、叶片外张等不良性状，尤其是农艺性状和观赏性状的降低，一定程度上影响了多倍体方法在红掌育种中的广泛应用。

3.2 红掌花药培养

花药离体培养技术是单倍体育种中的主要技术手段。Rachmawati[35]对红掌切花品种‘Tropical进行花药培养，得到单倍体、二倍体和四倍体三种染色体组型植株。杜宝贵等[36]的研究表明，小孢子中晚期是红掌花药培养的适宜时期，基因型、培养基和低温预处理对花药膨大率有显著性的影响；从栽培品种‘Sweet Dream花药诱导出致密型和疏松型两种愈伤组织，二者在芽分化率和生根率存在明显差异，致密型小苗生根率为95%，而疏松型仅为30%；尽管‘Sweet Dream的花药再生植株经染色体鉴定均是二倍体，但与其叶片再生植株相比，在形态特征上存在差异。Winarto等[37-39]依次优化出红掌花药培养的适合培养基WT-1和NWT-3，并经过对切花品种‘Tropical进行花药培养，获得数量不等的单倍体、二倍体、三倍体和非整倍体再生植株，通过比较不同的倍性鉴定方法，认为气孔保卫细胞的叶绿体数量可以作为快速准确的倍性鉴定指标（相关系数r=0.945，P<0.01）。除染色体倍性水平外，再生单倍体植株在分蘖性、株型、花形、苞片和花序颜色等性状上表现出极大的变异，加倍后的单倍体植株有利于通过有性方式稳定繁殖，并为重要性状的遗传和育种研究提供了极大便利。但和其他诱变育种一样，花药培养后代的也具有随机性，难以针对特定性状的改良创造变异。

4 小结

总体而言，红掌杂交育种的开展，培育出了大量的商业化品种，极大地推动了产业的发展。更多近缘新种质的利用，以及诱变和倍性育种方法的开展，有助于创造更丰富的遗传变异，选育出更多观赏性、适应性、生产性等综合性状优良的新品种。另外，随着红掌基础生物学和遗传学研究的深入，一些重要性状的遗传规律的解析及功能基因的挖掘，将推动分子标记辅助选择和基因工程为主的分子育种手段的应用，从而提高育种工作的效率和针对性，加快我国自主产权红掌新品种的研发。

参考文献

[1] Croat T B. The genus Anthurium. International Aroid Society [EB/OL]. http：//www.aroid.org/genera/generapage.php？genus=anthurium.

[2] Kamemoto H， Nakasone H Y. Evaluation and improvement of anthurium clones [C]. Hawaii Agricultural Experiment Station Technical bulletin 58. University of Hawaii. 1963.

[3] Kamemoto H， Kuehnle A R. Breeding anthurium in Hawaii[R]. Hawaii. University of Hawaii Press. 1996.

[4] Kamemoto H， Kunisaki J， Aragaki M， et al. Evaluation of anthurium accessions [C]. Tropical Agriculture and Human Resources， Res Ext Ser 69. University of Hawaii. 1986.

[5] Ehrenberger J A. Kuehnle A R， Amore T D. 2003. Evaluation of University of Hawaii anthurium accessions， 1986-2001[C]. New Plants for Hawaii 10. University of Hawaii. 2003.

[6] Henny R J， Poole R T， Conover C A. ‘Southern BlushAnthurium [J]. HortScience. 1988. 23（5）： 922-923.

[7] Henny R J. ‘Red HotAnthurium [J]. HortScience. 1999. 34（1）： 153-154.

[8] Henny R J. Norman D J.‘ShowBiz Anthurium， cultivar and germplasm release [J]. HortScience. 2000. 36（6）： 1 140-1 141.

[9] Henny R J. Breeding ornamental aroids[J]. Breeding ornamental plants. 2000： 121-132.

[10] Henny R J， Norman D J， Chen J.‘Orange HotAnthurium [J]. HortScience. 2002， 38（1）： 133-134.

[11] Chen J， Henny R J， McConnell D B. Development of new foliage plant cultivars [J]. Trends in new crops and new uses. 2002： 466-472.

[12] Henny J R， Norman D J， Chen J. Progress in ornamental aroid breeding research [z]. Ann Mo Bot Gard. 2004（91）： 465-473.

[13] 江 姗，张 莹，贾 琪，等. 我国红掌育种研究进展[J]. 河北农业科学，2010，14（6）：53-54.

[14] 王呈丹，牛俊海，张志群，等. 红掌品种亲缘关系SRAP分析[J]. 植物遗传资源学报，2013（4）：759-763.

[15] Ge Y， Zhang F， Shen X， et al. Genetic variations within a collection of anthuriums unraveled by morphological traits and AFLP markers [J]. Biochem Syst Ecol. 2012（45）： 34-40.

[16] 姜 蕾，易懋生，兰天维，等. 红掌种子萌发特性的研究[J]. 种子，2006，25（1）：19-22.

[17] 潘晓韵，田丹青，葛亚英，等. 红掌种子的贮藏和无菌播种[J]. 浙江农业科学，2010（4）：757-762.

[18] 常娟霞，牛俊海，黄少华，等. 红掌种子结实性、发育周期及杂交后代发芽力的变异分析[J]. 基因组学与应用生物学，2014，33（2）：392-397.

[19] Sheffer R D， Kamemoto H. Cross compatibility in the genus Anthurium[J]. J Am Soc Hortic Sci. 1976（101）： 709-713.

[20] Sheffer R D. Interspecific hybridization involving Anthurium andraeanum Lind. and related species [J]. Proc Trop Reg Amer Soc Hort Sci. 1977（19）： 275-283.

[21] Kamemoto H， Iwata R Y， Marutani M. Genetics of the major spathe colors in anthuriums[z]. HITAHR Res Ext Ser. 1988（56）： 8-88.

[22] Wannakrairoj S， Kamemoto H. Inheritance of purple spathe in anthurium[J]. J Amer Soc Hort Sci. 1990（115）： 169-171.

[23] Elibox W， Umaharan P. Inheritance of major spathe colors in Anthurium andraeanum Hort. is determined by three major genes [J]. HortScience. 2008， 43（3）： 787-791.

[24] Elibox W， Umaharan P. Genetic basis for productivity in Anthurium andraeanum Hort [J]. HortScience. 2014， 49（7）： 859-863.

[25] Gopaulchan D， Umaharan P， Lennon AM. A molecular assessment of the genetic model of spathe color inheritance in Anthurium andraeanum （Hort.）[J]. Planta. 2014（239）： 695-705.

[26] Puchooa D. In vitro mutation breeding of anthurium by gamma radiation. Int J Agric Biol. 2005， 7（1）： 11-20.

[27] 朱佳文. 红掌人工诱变与遗传学分析[D]. 湖南农业大学，2005.

[28] 彭文君，田丹青，陈集双. 60Coγ射线对红掌组培材料的辐射效应研究[J]. 科技通报，2012（1）：95-100.

[29] Matsumoto T K， Kuehnle A R， Webb D T. Zygotic embryogenesis in anthurium （araceae）[J]. Am J Bot. 1998， 85（11）： 1 560-1 568.

[30] 肖建忠，尚爱芹，陈段芬，等. 花烛属植物的核型分析[J]. 2003，26（2）：33-36.

[31] Bliss B J， Suzuki J Y. Genome size in Anthurium evaluated in the context of karyotypes and phenotypes [J]. AoB Plants. 2012（6）： 1-15.

[32] 张志胜，黎扬辉，姜 蕾，等. 红掌四倍体的离体诱导及其鉴定[J]. 园艺学报，2007（3）：729-734.

[33] 田立民，马艳芝. 红掌的多倍体诱导与倍性分析[J]. 安徽农业科学，2008，36（32）：13 977-13 978，13 983.

[34] Chen C， Hou X， Zhang H， et al. Induction of Anthurium andraeanum‘Arizonatetraploid by colchicine in vitro [J]. Euphytica. 2011（181）： 137-145.

[35] Rachmawati F， Winarto B， Purwito A. Inducement to shoot regeneration on callus from anther culture of Anthurium andreanum Linden ex Andre' cv. Tropical[J]. J Hort. 2007（2）： 107-117.

[36] 杜宝贵，黄丽娟，张志胜，等. 红掌花药培养[J]. 生物技术通报，2009（S1）：189-195.

[37] Winarto B， Mattjik N A， Teixeira da Silva J A， et al. Ploidy screening of anthurium （Anthurium andreanum Linden ex André） regenerants derived from anther culture [J]. Sci Hortic （Amsterdam）. 2010（127）： 86-90.

[38] Winarto B， Rachmawati F， Teixeira da Silva J A. New basal media for half-anther culture of Anthurium andreanum Linden ex André cv. Tropical[J]. Plant Growth Regul. 2011（65）： 513-529.

[39] Winarto B， Rachmawati F， Pramanik D， et al. Morphological and cytological diversity of regenerants derived from half-anther cultures of anthurium[J]. Plant Cell Tiss Organ Cult. 2011（105）： 363-374.