我国烟草种质资源收集、鉴定及在育种上的应用

焦芳婵，吴兴富，陈学军，许美玲，李永平

云南省烟草农业科学研究院，昆明市圆通街33 号 650021

种质资源是重要的自然资源，由自然演化和人工创造而成，是新品种选育的物质基础［1］。目前，我国烟草种质资源保存数量位居世界前列［2］。只有深入挖掘烟草种质资源，才能更好地选育出优质品种，满足烟草工业的需求。

1 烟草种质资源概述

1.1 烟草的发展及现状

烟草是茄科植物的第5 大家族，早期分成60个种。随着烟草新种质的发现、创新、分类研究的不断深入，以及分子生物学在分类中的广泛应用，Knapp 等［3］将烟属划分为76 个种。其中只有普通烟草（Nicotiana tabacum L.）和黄花烟草（Nicotiana rustica L.）可直接栽培利用［4］。烟草主要分布在北纬45°到南纬30°之间，产地以亚洲为中心，遍及亚洲、南美洲、北美洲、非洲及欧洲［2,5-6］。

在我国，烟草的发展经历了5 个阶段［7-8］。第1阶段，晾晒烟的传入；第2 阶段，黄花烟的传入；第3 阶段，烤烟的传入；第4 阶段，建国前后至改革开放初期，香料烟、白肋烟的引进；第5 阶段，改革开放后，随着我国社会主义市场经济的发展，烟草在类型、规模、质量方面都有大幅度的提升。从1990年开始，烟叶布局出现“北烟南移”现象。黄淮烟区（豫、鲁、皖）的种植面积日趋减少，而西南烟区（云、黔）的种植面积逐步增加［9］。

1.2 烟草种质资源的收集、保存

一直以来，美国烟草育种家十分重视烟草种质资源的收集，曾于1913 年先后两次派考察队到烟草起源中心搜集古老类型的烟草种质和野生种，例如：高抗青枯病的TI44A 和高抗线虫病的TI706 等具有特殊使用价值的烟草种质［6］。日本也一直在收集国外烟草种质资源，现已拥有1 900份烟草种质资源［10］，烟草野生种—川上烟草就是1960—1970 年间到南美洲考察时发现的。前苏联于1920 年从世界50 多个国家收集了包括烟草资源在内的13 万多份植物种质资源［10］。

我国烟草种质资源收集起步较晚。20 世纪50年代初，进行了第1 次烟草种质收集，共收集烟草资源3 000 多份。20 世纪70 年代末至今，在湖北、四川、海南、广西、云南等地区进行了烟草品种资源的补充征集［2］，并每年陆续从国外引进一些使用价值较高的优良种质。自2006 年我国烟草种质资源平台正式启动以来，烟草种质资源在各个层面取得了较大进展。但与美国等国家仍然存在较大的差距：①对种质资源鉴定不够全面；②对优异（或特异）种质资源挖掘不够深入；③基础研究相对薄弱。因此，加强我国烟草种质资源收集、鉴定以及在育种中的利用，对我国烟叶生产具有重要作用。

2 我国烟草种质资源的研究进展

2.1 我国烟草种质资源的分类

到2017 年底，我国已保存烟属种质资源5 767份，多样性丰富，保存数量位居世界第一［11］。栽培烟草有两个种，即普通烟草和黄花烟草。烟草种质资源又可分为烤烟、晒晾烟、白肋烟、雪茄烟、香料烟、黄花烟和野生烟等类型［12］。

2.2 我国烟草种质资源评价与鉴定

大部分烟属植物农艺性状和植物学性状的评价与鉴定已完成，筛选出一批优质的烟草种质资源。截至2009 年，已完成927 份烟草品种的外观质量评价，1 787 份烟叶的化学成分分析，987 份原烟的香吃味评价。在抗性鉴定方面，从6 327 份烟草种质资源中筛选出NC82、岩烟97、G-168 等400多份抗烟草黑胫病、青枯病、根结线虫病等病害的种质；从2 300 份烟草种质资源中筛选出100 多份抗普通花叶病毒病和黄瓜花叶病毒病的种质；从786份烟草种质资源中筛选出一些抗蚜虫的种质［13］。

2.3 烟草种质遗传多样性

烟草遗传多样性的研究不仅与烟草种质资源的收集、保存和更新密切相关，还是烟草种质资源创新和品种改良的基础。在烟草种质遗传多样性的研究方面，我国取得了丰硕的成绩。近10 年来，通过分子标记技术（ISSR、SSR、AFLP、TRAP、MFLP、SRAP、SNP 等）对烟草种质遗传多样性进行研究，主要集中在国内广泛种植的烤烟类型上。例如，分别利用ISSR［14］、AFLP［15］、SSR［16］和MFLP［17］技术对特定地域品牌卷烟的主体烟叶原料或当时全国主栽的烤烟品种进行遗传多样性分析。结果表明，被研究的国内主栽烤烟品种间亲缘关系较近、遗传基础狭窄、遗传多样性较低，原因可能与被研究的烤烟品种均衍生自极少数的美国优质烤烟骨干亲本相关，此结果同时也证实了国内目前主栽烤烟与美国优质烤烟之间具有极高的遗传相似性。此外，在研究烤烟种质遗传多样性的同时加入一定数量的其他烟草类型，例如白肋烟、雪茄烟、香料烟、地方晾晒烟等［18-24］。结果表明，在DNA 分子水平上其他类型烟草种质的遗传多样性较丰富、亲缘关系相对较远。原因可能是其他类型烟草种质在我国的需求及栽培面积相对较少，导致这些类型的烟草资源受到人为选择（育种）的压力较小，而使其能尽可能地保留了各自丰富的遗传多样性和地域差异性。该结果也在利用SSR［19］和SRAP［22］技术对地方晾晒烟种质的遗传多样性研究中得到了进一步的证实。

2.4 烟草种质创新

2.4.1 远缘杂交

我国在烟草远缘杂交创造新种质方面取得了一些研究成果。云烟4 号是从红花大金元×玉米的杂交后代中选育出的烟草新品系［25-26］。利用细胞工程技术（LB 技术）实现了大圆叶菠菜与普通烟草品种柳叶烟草间的远缘杂交［27-29］。药用植物（紫苏、罗勒、曼陀罗、薄荷、土人参、黄芪等）与烟叶通过嫁接（无性繁殖）和有性杂交相结合的方法进行科、属间的远缘杂交，选育出稳定的药用种质，最终将药用成分转移到烟草中［30-33］。利用该方法将普通烟草龙烟2 号与曼陀罗进行属间远缘杂交，培育出含阿托品及莨菪烷的新型烟草［32］；将烟草与罗勒进行科间远缘杂交，培育出具有药物香气的烟草新种质［33］。

2.4.2 细胞工程

细胞工程是克服远缘杂交不亲和的重要手段之一。20 世纪70 年代初，我国开始了烟草花药培养的研究与应用，利用该技术选育出单育1 号、单育2号、单育3 号、“3002”、“3041”等烤烟新品系［34］。此外，我国学者在烟草体细胞杂交方面取得了显著成绩［34-37］。卜锅章等［35］将普通烟草栽培品种革新1 号和黄花烟草品种“黑老虎”原生质体融合获得杂种单株TR13 后，用大白筋599 和NC82 连续多年回交改良，选育出生物学性状优良、遗传性状稳定的新品系。孙玉合等［34］从革新1 号和粉蓝烟草体细胞杂种（代号TG）中筛选出TG-7、TG-13、TG-32 等植株，其对黑胫病均表现极高的抗性，同时获得体细胞杂种TG-8，用烤烟品种G-28 回交4代，选育出烟草新胞质雄性不育系86-6。杨其光等［36］将普通烟草G140 和野生种波叶烟草体细胞融合获得杂交材料Z14，随后黄文川［37］鉴定了该材料的性状，发现其主要农艺性状优良，产量较高，内在化学成分协调，高抗CMV 和TMV。

2.4.3 转基因技术

烟草可通过转基因技术摆脱物种间的限制。我国在利用该技术提高烟草抗病虫、抗逆和品质等方面取得大量的研究结果。

在抗病研究方面。主要有两种途径来提高烟草的抗病性：①外缘抗病基因的导入，如将外源抗病基因hrpZPsg12［38］、Bchi［39］、TaPIM1［40］及CaSn［41］导入到烟草，分别提高烟草对TMV 和PVY、真菌性病害、青枯病及南方根结线虫的抗性；②针对烟草病毒病，通过导入或RNAi 技术来提高烟草对病毒病的抗性。例如，将PVY、TMV 及CMV 病毒的外壳蛋白基因导入到烟草，获得稳定、多抗PVY、TMV 及CMV 的转基因烟草［42］；将马铃薯X 病毒运动蛋白基因PVX-p25 导入到烟草，获得对PVX有较强抗性的烟草［43］；马铃薯Y 病毒复制酶基因Nib 不同序列的转基因植株对PVY 表现出不同抗性［44］；应用RNAi 技术下调TMV 病毒的MP 基因和CMV 病毒的Rep 基因，获得同时抗TMV 和CMV的转基因烟草［45］。

在抗虫研究方面。主要的抗虫基因有苏云金杆菌（Bt）毒蛋白基因，蛋白酶抑制剂基因及外源凝集素基因等。例如，将Bt 基因cry8Ca、人工改造的Bt 基因cry1Ac、cry1Ie 单独或同时导入烟草后，可分别提高烟草对金龟子、棉铃虫的抗性［46-47］；将蜡梅胰蛋白抑制剂基因CpKTI、半胱氨酸蛋白酶抑制剂基因CaCP 转入烟草，可分别提高烟草对斜纹夜蛾幼虫、蚜虫的抗性［48-49］；转大豆凝集素基因lec-s 能提高烟草对甜菜夜蛾的抗性［50］。

在抗逆性研究方面。将果聚糖合成酶基因6-SFT 导入到烟草，可提高烟草对干旱和寒冷胁迫的抗性［51］；过量表达棉花锌指蛋白基因GhSAP1 可显著提高转基因烟草的耐盐能力［52］；转入柽柳和星星草双价金属硫蛋白基因后，可提高转基因烟草对Cd2+和Cu2+的抗性［53］。

在品质研究方面。主要涉及烟草钾含量、光合作用及氮代谢等。例如，将钾转运体蛋白基因HAK1转入到烟草后，可显著提高烟草的富钾能力［54］；将拟南芥BAS1 基因导入到烟草中，能提高烟草净光合速率、烟叶总叶绿素含量［55］；苎麻谷氨酰胺合成酶基因BnGS1-2 在烟草体内超量表达后，能促进转基因烟草对氮素的吸收利用，从而提高氮代谢效率［56］。

3 烟草种质在育种上的应用

3.1 常规杂交育种

杂交育种是通过有性杂交将不同品种的优良性状整合到一起，再从后代群体中选择满足育种目标要求的植株，是种质创新的基本手段，也是目前和今后相当一段时间内新品种创制的主要方式［57］。自2000 年以来，我国通过常规育种手段育成了多个品种（表1）。由表1 可知，我国烟草育种主要集中在烤烟上，占育成品种总数的80.90%，其次为白肋烟，占17.60%。

从2002 年开始，我国自主选育的烤烟品种种植面积和比例开始超过国外引进品种。经“十五”“十一五”“十二五”3 个阶段的发展，我国植烟生态区中基本上都有1～2 个主栽烤烟品种，2～3 个烤烟品种搭配种植，布局相对合理。目前，生产上种植面积超过66.67 km2的烤烟品种有云烟87、K326、云烟85、红大、云烟97、中烟100、翠碧1 号、云烟99、云烟100、龙江911、粤烟97、NC55、云烟105、秦烟96 等，其中云烟87 自2000 年通过审定以来，种植面积一直呈上升趋势，到2018 年其种植面积占全国烤烟种植总面积的50.30%。

3.2 系统选育

系统选育是在现有品种群体中选择优良的自然变异，通过比较鉴定而培育出新品种。我国植烟区域生态条件差异巨大，为地方特色烟草品种的选育提供了广阔空间。自2000 年以来，我国通过系统选育获得的烟草新品种见表2。由表2 可知，晒烟、香料烟品种主要通过系统选育获得。从育成新品种的数量上看，杂交育种远远大于系统选育。目前，系统选育的烤烟品种除毕纳1 号在贵州省有一定的种植面积外［58-59］，其余的烤烟品种基本上都是作为育种材料加以利用。

表1 烟草种质资源在常规杂交育种中的应用Tab.1 Application of tobacco germplasm resources in conventional cross breeding

表1 （续）

表2 烟草种质资源在常规系统选育中的应用Tab.2 Application of tobacco germplasm resources in conventional system breeding

4 展望

我国在烟草种质资源搜集与保存、鉴定评价、种质创新等方面虽取得了较快发展，但目前搜集保存的烟草种质资源仍存在国内资源多而国外资源少、野生资源搜集不完整等问题［60］。在挖掘及利用方面，目前仍停留在田间农艺性状和植物学性状的鉴定、烟叶常规化学成分的分析等方面［61］，而未利用先进技术（如生物技术等）深入挖掘种质资源的潜在优势，与发达国家还存在差距。因此，烟草种质资源的搜集与保存、挖掘与创新仍有待加强。

目前，从国外引入的烟草种质资源的数量只占我国种质资源总数的15.00%。但在利用次数最多的27 份种质中，国外种质资源的利用率达到66.52%［60］。我国虽不是烟草的起源地，但由于多样性的生态环境及较长的传播、驯化历史，已使我国具有较丰富的烟草种质资源。但目前我国烟草资源的利用率不足3.00%，且主要集中在烤烟和白肋烟，其他类型烟草种质资源的利用率极低，远未发挥出我国种质资源丰富的优势。

针对我国烟草种质资源应用中存在的不足，建议：①除大力发掘、抢救、搜集本国烟草种质资源外，还需主动走出去，积极引进国外优质烟草种质资源和发掘国内未知种质，以丰富、完善我国烟草种质资源库；②充分利用基因组学的最新研究成果，对烟草种质资源进行深入、系统的研究，挖掘种质资源的潜力，同时充分利用现有的技术手段（如诱变技术）创造新种质；③将生物技术与传统育种方法相结合，以提高烟草资源的利用率。只有做到以上3 点，才能不断丰富烟草种质资源、缩短育种周期，进而极大地提高烟草育种效率，保持我国烟叶生产的发展。