中国兜兰属植物种质资源保护和利用研究进展*

杨颖婕，黄家林，胡虹，张石宝

(1.中国科学院昆明植物研究所，云南 昆明 650201；2.玉溪师范学院，云南 玉溪 653100)

兜兰属(PaphiopedilumPfitz.)隶属于兰科(Orchidaceae)杓兰亚科(Subfam.Cypripedioideae)，全世界约有80种[1-2]，分布于亚洲至太平洋岛屿的热带、亚热带地区。中国西南的云南、贵州和广西是兜兰属植物的主要分布区。但是，大部分种类分布范围均狭窄，具有一定的区域性[2-3]。中国位于兜兰属物种分布的北缘，特殊的地理分布成就了我国极具特色的兜兰种质资源。

兜兰属物种的唇瓣特化成拖鞋状，因而被称为拖鞋兰或者仙履兰(slipper orchid)。该属物种因花形独特、花朵硕大、花色艳丽、花期持久而闻名于世，在全世界拥有众多的爱好者，是继蝴蝶兰(Phalaenopsisspp.)、大花蕙兰(Cymbidiumspp.)、文心兰(Oncidiumspp.)、石斛(Dendrobiumspp.)之后最具产业化前景的兰花。虽然，兜兰属物种在全世界的人工栽培已经有100多年的历史，登记注册的杂交种已超过27 000个，但是由于其繁殖和栽培困难、生产周期长等原因，兜兰属植物生产种植规模一直较小，其优势的种质资源没有得到充分利用。

因为独特的观赏价值、为数众多的爱好者和人工栽培困难，兜兰属物种的非法采集和贸易严重。例如，杏黄兜兰(P.armeniacum)和硬叶兜兰(P.micranthum)曾多次获得世界兰花界的最高奖，导致其常被大规模采挖和非法贸易[4]。由于兜兰属植物在野外通常表现为聚集生长，人为采集时很容易将整个种群的全部个体挖绝，从而导致局域性的绝灭[5]。此外，兰科植物通常生长缓慢、繁衍周期长、自我更新能力差、短期内极难依赖其自身恢复和扩大种群。再加上兜兰属植物大多数种类的自然生境局限于生态环境脆弱的喀斯特地区，人类活动很容易造成当地的生态退化和生境破坏，严重威胁其野生种群的生存和繁衍。

近年来，科研工作者围绕兜兰属物种的保护和可持续利用，在品种选育、种苗繁育、生态适应、人工栽培、花期调控、野外回归等方面开展了大量的研究[6-11]，在资源保护和产业化栽培利用方面都取得了重要进展。

1 资源保护

目前，所有的野生兜兰种类均被列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》附录I被禁止交易[12]，是所有植物物种中极少数几个被整属列入附录I的类群之一。《中国高等植物红色名录》收录了26种兜兰，其中杏黄兜兰、白花兜兰(P.emersonii)、绿叶兜兰(P.hangianum)等8种兜兰被评估为极危(CR)，卷萼兜兰(P.appletonianum)、根茎兜兰(P.areeanum)、小叶兜兰(P.barbigerum)等11种兜兰被评估为濒危(EN)，同色兜兰(P.concolor)、长瓣兜兰(P.dianthum)、带叶兜兰(P.hirsutissimum)等7种兜兰被评估为易危(VU)[13]。因此,兜兰也被称为“植物大熊猫”。

1.1 迁地保护

珍稀濒危植物的保护主要有3种方法：就地保护、迁地保护和自然回归[14]。目前，国内主要是广西雅长兰科植物国家级自然保护区在开展兜兰的就地保护。对于大部分珍稀植物而言，迁地保护是最实用的物种保护手段[14]。英国皇家植物园邱园在20世纪就已引种了60多个兜兰属原生种。我国对兜兰属植物的引种驯化和迁地保护的研究起步较晚，但近年来已取得突出成绩。目前对国产兜兰属植物已有较为系统的资源调查，并在不破坏野生群落的基础上开展了兜兰属植物的迁地保护；部分种类由于个体过少，也会采取直接在野外开花植株上进行人工授粉，获得种子后再进行无菌播种获得实生苗的方式对其进行迁地保护。中国科学院昆明植物研究所和中国科学院华南植物园等科研单位都建立有专门的兜兰属种质资源圃，黔西南州绿缘动植物科技开发有限公司于2020年建成了国家级兜兰属种质资源库(贵州省兴义市万峰林街道办纳绿村绿缘园艺场)。

1.2 野外回归

对于兰科植物来说，由于它们在进化过程中与真菌和昆虫建立了紧密、甚至是高度专一的协同关系，因此其生存繁衍高度依赖生存环境，迁地保护的环境难以满足它们的繁衍(如授粉昆虫)需求，野外回归可能是其更有效的保护策略[15-16]。然而，兰科植物的回归面临着比其他植物更多的困难，首先需要解决回归材料的扩繁，同时还需要考虑回归地的生境、共生真菌以及和其他动植物之间的相互关系等，因此目前兰科植物的回归工作仍处于起步阶段[16]。随着兜兰属植物繁殖生物学、环境适应性、菌根真菌等研究的不断深入，以及对其种苗繁育技术的攻克，近年来国内以中国科学院昆明植物研究所、中国科学院华南植物园、深圳市兰科植物保护研究中心等单位开始尝试开展兜兰的野外回归及相关研究工作，在杏黄兜兰、硬叶兜兰、带叶兜兰、白花兜兰等种类中取得了阶段性的成果[17-18]。未来还需在现有工作的基础上，坚持开展兜兰野外重建种群的长期监测，不断优化幼苗的回归技术，扩大其回归的种类和数量。

2 开发利用

2.1 杂交育种

花卉具有很强的新奇属性，品种创新是花卉产业发展的核心竞争力。兜兰的杂交育种在国外已有150多年的历史，第一个兜兰人工杂交种P.harrisianum于1854年育成[19]，如今在英国皇家园艺学会(The Royal Horticultural Society，RHS)正式注册登录的兜兰杂交种已超过27 000个。就种类而言，中国是世界上兜兰属植物最丰富的国家，可为兜兰的育种工作提供充足的基础材料。但中国的兜兰杂交育种工作起步较晚，拥有自主知识产权的新品种极其缺乏，尤其是缺少观赏性好、开花率高、幼年期短的优质新品种。目前我国大陆花卉市场上种植的兜兰品种主要是从欧美、中国台湾等地进口的标准型兜兰(肉饼兜兰Standard Type)和魔帝类杂交种(魔帝兜兰Maudiae Type)以及少量原生种。近年来，国内的兜兰杂交育种开始迅速发展，通过对核心种质资源的深入挖掘，现已对兜兰杂交亲本的亲和性及性状遗传规律有了较清晰的认识，培育出了100余个优质新品种。值得一提的是，目前兜兰消费市场的主力品系是由紫毛兜兰(P.villosum)、波瓣兜兰(P.insigne)等隶属于兜兰亚属(Subgen.Paphiopedilum)的原生种经过反复多代杂交而成的肉饼兜兰，而利用具有中国特色的小萼亚属(Subgen.Parvisepalum)和宽瓣亚属(Subgen.Brachypetalum)作为亲本进行反复杂交育种的工作并不多。近年来，中国科学院昆明植物研究所以德氏兜兰(P.delenatii)等小萼亚属原生种类杂交获得的新品种均具有花瓣颜色秀丽、株型优美等优点，且更适应北亚热带、温带地区的冷凉气候，具有较广阔的市场前景。

不同时期的兜兰品种选育重点都在发生变化。19世纪至20世纪初大多选育花色艳丽、花瓣和萼片大而圆整的肉饼兜兰，随后具有斑点的褐红色魔帝型兜兰成为育种的热点[20]。随着社会经济的进步，未来兜兰的育种方向还会发生改变，整体而言是希望将尽可能多的优良性状集中到一个品种中，使其符合人们的审美情趣和市场需求，其中缩短生长期、拓展栽培适应范围、培育多花品种可能是以后品种改良的重点。

2.2 种苗繁殖

兜兰属植物种子数量众多，但缺少胚乳，需要共生真菌提供必要的养分才能萌发，因此自然条件下其种子萌发十分困难[21]。人工繁殖可以通过无性(分株繁殖、无性克隆)和有性(种子无菌萌发、有菌萌发)繁殖方式。分株繁殖是较为传统的繁殖手段，但繁殖系数低、速度慢，难以满足物种保护和商品生产的需求[22]。利用共生真菌促进兜兰属植物种子萌发和幼苗生长的研究已有报道[23-24]，但针对共生真菌的分离操作较为繁琐，很难找到合适的共生菌，因此种子共生萌发技术尚不能投入实际生产。目前兜兰的商业化繁殖主要是通过无菌萌发来实现[25]。影响兜兰属植物种子非共生萌发的因素主要包括种子成熟度、预处理方法、培养基成分、培养方式和培养条件等[26]。除了外界因素外，也与自身基因型有关[27]，因此不同种类的无菌萌发所需的条件有异。随着人工制种、培养条件及措施的不断优化，目前大部分兜兰属种类的无菌萌发技术已经得以攻克[28-36]，具备了规模化的种苗生产能力。有些兜兰的种子无菌萌发非常困难(如虎斑兜兰P.markianum)。姚林伶[37]研究发现，虎斑兜兰启动萌发和完成萌发的时间都较早，但在分化阶段生根较差，幼苗的长势不佳，且在萌发阶段原球茎褐变严重，这可能是虎斑兜兰萌发及成苗困难的主要原因。现通过对培养基成分的优化，已建立高萌发率和植株再生率的虎斑兜兰种子无菌萌发体系[37]。

无菌萌发技术的成熟应用可以基本满足市场对兜兰种苗的需求，解决了对野生资源的依赖，但无法解决优良性状维持、缩短营养期等问题。无性克隆可以快速获得整齐且能保留亲本优良性状的种苗，是花卉大规模繁殖的理想方式，蝴蝶兰和大花蕙兰等兰科植物都是以组织培养方式进行产业化生产[38]。但兜兰属植物的无性克隆难度极大，杂交种的无性克隆比原生种相对容易，原因主要是外植体易受细菌和真菌污染、自身生长缓慢、培养中容易褐化等[39-40]。国外虽已有几例利用试管苗组织培养成功的报道[41-43]，尚未有利用无性克隆大规模生产的报道。近期，中国科学院华南植物园和中国科学院昆明植物研究所在魔帝类、肉饼类等杂交种的组织培养方面获得了初步成功[22,33,37]，但还需要进一步对技术进行熟化研究。

2.3 人工栽培

大部分兰科植物生长较为缓慢，从幼苗到开花需要通常3～4 a[44]，甚至更长。营养期过长也一直是制约兜兰产业化开发的重要难题之一。中国科学院昆明植物研究所通过对兜兰属植物环境适应性的系统研究，发现兜兰属植物大多生长在喀斯特地区，经常会面临水分的亏缺。为了适应这种特殊生境，该属植物衍生出较厚的叶片和角质层、下陷的气孔和缺失叶绿体的保卫细胞等叶片结构特征[45-47]，这种特殊的叶片构造有助于植株最大化地保存自身水分，但也明显增加了叶片内CO2的扩散阻力，导致兜兰的光合能力普遍较低[47-48]。此外，兜兰属植物对光强和氮营养需求较低，对零上低温敏感[47-50]。通过这些研究，优化了兜兰的栽培技术，缩短了兜兰从幼苗到开花的时间，目前部分种类从幼苗出瓶到开花的时间可缩短为26～30个月。目前，有近20种(或者品种)已经实现规模化的人工栽培，但是对兜兰规模化栽培技术的掌握远不如蝴蝶兰和大花蕙兰成熟，仍需要进一步深化研究。

2.4 花期调控

花卉消费的时令性强，兜兰属植物的单朵花期较长，通常可以开放30～60 d，观赏期持久是其作为商品盆花的一项重要指标及优势。除此之外，开花盛期与消费旺季匹配也是生产者关注的重要问题。该属植物的单个物种通常1 a只开1次花，且自然开花期变化较大，全年都可能有不同种类的兜兰开花，大致可分为春季开花和秋季开花两类。以往对兜兰属植物花芽的发育过程及成花诱导的机制都缺乏认识，难以人为干预开花时间，导致其常常错过消费旺季。皮秋霞等[10,51]、夏倩等[52]研究发现，兜兰的花芽分化过程大致可以分为6个阶段：未分化期、花序原基分化期、花原基分化期、花萼原基分化期、花瓣原基分化期和合蕊柱分化期。不同兜兰种类的发芽分化启动时间基本一致，而花芽分化时间的差异是导致不同种类兜兰花期分化的主要原因。此外，研究还发现适度增温可以促进兜兰的花芽启动和发育。中国科学院昆明植物研究所基于对兜兰属植物花芽发育过程的掌握，形成了春季开花种类的花期调控技术。目前主要通过调节夜间温度、辅以施加赤霉素(GA3)和6-苄基嘌呤(6-BA)，能使部分兜兰比自然花期提前或推迟30～60 d整齐开花，催花率可达90.5%。花期调控技术的突破实现了兜兰在“春节”“元旦”及“五一”等重要节日的批量供花，这对于其产业化开发具有重要意义，有助于最大化获得市场收益。后续还需进一步熟化现有技术，扩大调控范围，尤其需要针对秋季开花种类进行花期调控的技术攻关。

3 研究展望

无论从观赏性还是资源状况来看，兜兰属植物都是特色鲜明、产业前景广阔的野生花卉种质资源。随着种苗扩繁、生产栽培、花期调控等技术的突破，人工批量生产的兜兰种苗能够基本满足市场需求，也可用于迁地保护和野外回归，这对于兜兰种质资源的有效保护和合理开发具有突出贡献。虽然兜兰的产业化开发已经迈出了实质性的步伐，但目前的栽培规模及市场份额还远远小于大花蕙兰、蝴蝶兰和石斛等兰花，重要原因是兜兰的商业化生产依然存在一些技术瓶颈，营养期长、种苗繁殖效率低、自主研发的良种缺乏等问题导致其生产效率欠佳，生产成本较高，难以实现订单式生产。此外，目前兜兰的品种选育仍然主要依靠传统的杂交育种手段，无法克服远缘杂交不亲和的问题，育种效率也相对较低，将分子育种等现代化生物技术应用到兜兰的种质创新中是后续值得开拓的研究方向。未来，组织培养技术的突破、生产技术的优化以及种质创新仍是兜兰产业发展的重点攻关方向。