西伯利亚杏遗传育种研究进展

张胜利 张亚力 白玉娥 代金玲

（1. 内蒙古农业大学林学院，内蒙古 呼和浩特，010019；2. 呼和浩特回民区倘不浪小学，内蒙古 呼和浩特，010010）

西伯利亚杏（Armeniaca sibirica）又名山杏，蔷薇科，李亚科，杏属，灌木或小乔木，主要分布于俄罗斯远东和西伯利亚、蒙古东部和东南部，我国内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁、河北、甘肃、山西等地。山杏耐寒抗旱，可作为木本生物柴油原料，果实可食用，种仁富含杏仁油、杏仁苷及多种微量元素。国内外学者围绕西伯利亚杏开展了大量的生理生化、生态、遗传基础研究，在此将近年来西伯利亚杏的遗传变异、转录组、基因组和功能基因研究、育种技术开发等进行综述，为遗传育种研究相关工作提供参考。

1 种质资源与遗传多样性研究

通过表型变异研究遗传多样性，方法简便、成本低廉。山杏表型性状变异丰富（表1），针对这些质量性状和数量性状开展了性状变异系数计算、多性状相关分析、主成分分析、聚类分析等[1−5]方面的研究工作。王少雄等[6]研究了多个种源种实性状变异，出仁率与纬度、海拔、光照、温度等地理生态因子的相关性。董胜君等[7]测定了74个无性系的15个产量性状，找出影响产量的主导因子，并提出了产量的预测模型。Yin等[8]对内蒙古种源杏仁的营养价值、氨基酸种类等进行调查，筛选出适宜开发仁用杏品种的万家沟种源和和林格尔种源。这些研究为掌握山杏种源地理变异规律，优良种源和优株选择提供了工作基础。

表1 山杏变异性状表Table 1 Variation characters of A. sibirica

与表型变异相比，DNA分子标记种类多而且直接表现DNA水平的差异，不受环境影响，用于遗传多样性、遗传结构、指纹图谱研究等方面。金玲等[9]完成山杏选优无性系的SSR指纹图；包文泉等[1]应用SSR技术研究得出，内蒙古西伯利亚杏群体内遗传变异高达92%，群体间存在中等遗传分化，推测自然地理隔离和近期人类活动引起山杏生境的片段化。刘硕等[10]利用SSR标记研究华北和东北地区西伯利亚杏野生居群遗传变异和多样性较中亚普通杏野生居群丰富，而西北居群呈现孤立结构。Wang等[11]联合cpDNA、cpSSR以及nSSR数据研究北方山杏谱系地理，将其明确划分为东部组和西部组，提出导致遗传分化的因素除了地理隔离还有气候差异，主要是年降雨量和年均温，并首次阐释了由于末次盛冰期的影响，山杏分布区压缩分布于东部的锦州地区和西部的燕山山脉。我国山杏群体遗传多样性丰富，主要遗传变异存在于群体内，群体间差异小，在种质资源收集中应注重多样性丰富地区群体的选择，同时采样时也要保证群体内差异单株的数量。

2 育种技术与良种繁育研究

2.1 常规育种技术

西伯利亚杏多半野生、野生，由于自交不亲和和引种使种内产生丰富的变异类型，选择育种成为山杏的主要育种方式。辽梅（Armeniaca sibiricavar.pleniflora）现为珍稀重瓣杏花资源，即西伯利亚杏自然变异类型。枣庄市果树科学研究所2006年从国家杏李资源圃（辽宁省熊岳）引种辽梅，通过试验确定了最佳砧木以及配套栽培技术。2011—2012年间沈阳农业大学山杏课题组从俄罗斯外贝加尔边疆区引入种子和接穗，在辽西喀左县进行引种试验，秦琳[12]计算相关遗传参数评价了引种家系和无性系的适应性。

尹健等[13]在内蒙古扎兰屯调查发现双雌蕊、重瓣花、红色花丝、粉色花药等变异，并初选晚花、耐瘠薄、丰产等西伯利亚杏优良类型。沈阳农业大学联合北票市林木良繁中心选育出山杏12个丰产无性系、4个晚花无性系和4个抗冻无性系。尹明宇[14]选出优良山杏种源敖汉旗、凉城、和林格尔县3个，从产仁量、出仁率、粗脂肪角度筛选优良家系，现实增益分别为34.86%、18.54%和2.97%。并从杏仁氨基酸和脂肪酸评选优株，现实增益达到146%（高苦杏仁苷型优良单株）～199%（高产型优良单株），同时筛选抗晚霜优株。张欣[15]检测到16个SSR位点与山杏单株果质量、单果质量和单仁质量等经济性状相关联，金玲[16]在此基础上利用实时荧光定量PCR研究了主要经济性状关联位点基因在山杏果实发育过程中的表达规律，这些研究开辟了西伯利亚杏分子标记辅助育种的新途径。大扁杏（Prunus armeniaca×sibirica）为人工选育出天然杂交种，是西伯利亚杏与普通杏的自然杂交后代，现为我国三北地区特有经济树种。

雌蕊发育及花粉特性直接影响座果和杂交效率，开展相关研究对山杏杂交育种工作尤为重要。刘梦培[17]证实了山杏自交不亲和特性，用蔷薇科筛选和自行设计的9对S−RNase和SFB基因型鉴定引物确定了我国 90份仁用杏主栽品种或优株的 S基因型，构建了仁用杏杂交组合数据库。刘明国等[18]研究山杏无性系花粉超微结构发现花粉半不育、高度不育以及完全不育类型。这些研究为解决西伯利亚杏雌蕊败育、提高座果以及杂交亲本植株选配等提供了重要参数和理论借鉴。

2.2 良种繁育

近年来山杏育种工作取得重要进展。河北平泉、赤峰、陕西榆林建设大面积山杏林产业基地。喀左收集山杏种质资源695份，建成山杏国家林木种质资源库。沈阳农业大学选育出“山杏1号2号3号”和“甜丰”新品种。内蒙古林木良繁中心收集了内蒙古山杏种源12个种源600个优良家系，国家林业局泡桐研究开发中心从中选育出高产抗逆食药两用品种“山杏家系1号”，内蒙古农业大学白玉娥团队选育出“蒙杏1号”“蒙杏2号”“蒙杏3号”，已通过内蒙古林木品种审定委员会审定。西北农林科技大学培育出嫁接的山杏品种“山苦2号”—山杏优株接穗，普通杏砧木[19]。这一系列山杏品种的选育和推广，充分发挥了西伯利亚杏的生态经济价值，同时也丰富了山杏的育种资源。

山杏良种以有性繁殖为主，主要是天然林、母树林采种，播种育苗为主，亦有嫁接和根蘖育苗方式。山杏种子园鲜有报道，北票市林木良繁中心建设了山杏种质资源圃、采穗圃和良种园，为初级种子园。万冬梅[20]研究了粉花山杏的嫁接技术和组织培养体系。何炎红等[21]建立了山杏体胚再生体系。这些探索了山杏良种的快繁技术。

3 分子生物学研究

3.1 基因组学、转录组学研究

近年山杏基因组、转录组研究取得重要进展。张俊环等[22]测定绿萼山杏基因组大小(273.66±4.334) Mb。Dong等[23]对山杏转录组测序，获得1 243 067个高质量序列读取片段，单基因簇46940个，鉴定191个单基因簇参与脂肪酸代谢和生物合成，设计了9930个SSR引物对，并验证其有效性。Bao等[24]以转录组数据为基础，开发72条SNP标记，采用SNaPshot技术对70个山杏单株进行基因分型。Niu等[25]探讨了西伯利亚杏RT−qPCR内参基因选择，从11个候选基因中选出了3个适宜内参基因：ACT（actins）、UBC（ubiquitin-conjugating Enzyme）和CYP（cyclophilin）。CAT（Cationic amino acid transporters）参与植物体内氨基酸的吸收与转运，刘力力等[26]分析6个CAT基因家族成员的生物信息，检测PsCAT在果实不同发育期的动态表达水平。Niu等[27]鉴定了山杏14个PsARF基因，分析其系统进化关系、基因结构和蛋白基序等信息，同时研究了ARF基因家族各成员在中果皮和果核发育不同发育阶段的时空表达模式，为进一步研究山杏ARF家族的基因功能奠定了基础。

3.2 开花调控基因

西伯利亚杏花期易受倒春寒影响，进而影响产量。因此晚花变异类型的品种筛选和晚花机理、差异表达基因研究成为热点。Wang等[28]鉴定了山杏早花和晚花类型差异表达基因1204个，GO分析显示在代谢过程富集，KEGG富集分析注释156个基因，在75条途径有富集。正常开花山杏转录组中赤霉素生物合成基因、ABA下降相关基因表达均上调，生物钟相关基因表达上调，开花关键基因的丰度差异不明显。陈晨等[29]对山杏萌动期和盛花期花芽的转录组测序，筛选出显著差异表达基因6850个，KEGG富集分析显示差异基因在激素信号转导等代谢途径富集。特异表达基因738个，发现39个显著差异表达基因涉及春化、光周期等植物开花调控相关途径。已有研究显示MADS-box基因调控植物开花的时间、控制花器官的形成和发育的作用明显，陈晨等[30]对西伯利亚杏MADS-box基因进行鉴定，分析基因结构、染色体分布、系统进化和表达模式等。这些为西伯利亚杏开花调控、花器官发育的分子机制研究提供理论基础。

3.3 油脂积累相关基因

西伯利亚杏种仁含油量高，且燃油特性符合生物柴油标准，关于其种仁发育过程中油脂积累的相关基因鉴定和功能研究较多。Mai等[31]分析了不同种质山杏杏仁发育关键时期的含油量、脂肪酸成分等，初步了解种仁发育过程中脂类积累机制。Huo等[32]研究外源ABA使参与ABA化学途径的关键基因表达量显著上调，进而影响脂肪酸生物合成和积累。

Deng等[33]提出山杏WRI1（PsWRI1）表达水平与油脂积累速率密切相关，推测PsWRI1可能通过调控碳进入脂肪酸合成途径, 尤其是油酸积累，从而调节一些关键基因的转录。邓舒雅等[34]对山杏长链酰基辅酶A合成酶（LACS）基因进行蛋白组成分析、进化树分析、保守域鉴定分析以及蛋白互作分析，同时对油脂累积速率与6个LACS基因表达做相关性分析，研究山杏LACS基因家族表达和功能。

microRNA（miRNA）能够对基因表达进行负调控，Niu等[35]对核仁发育不同时期sRNA（small RNA）测序和miRNA转录分析，发现44个新的miRNA，其中6个对核仁发育有明确响应，耦合mRNA、miRNA 转录组以及qRT−PCR检测，鉴定出一批重要miRNAs及其靶基因（miR156−SPL、miR160−ARF18、miR164−NAC1、miR171h−SCL6、miR172−AP2、miR395−AUX22B、miR530−P2C37、miR393h−TIR1/AFB2和psi-miRn5−SnRK2A），推测参与发育和激素信号传导。这些油脂积累相关基因表达和调控的研究为了解西伯利亚杏核仁发育、油脂积累过程、选育优良生物柴油品种提供了工作基础。

4 展望

综合以上近年来学者对与西伯利亚杏的遗传基础和育种技术研究可见：山杏种质资源研究较多。但资源收集的不够系统，少有全面系统的资源收集调查，即是由于相关研究的局限性，也是由于很多地区有性起源的山杏灌木林与谱系不清的人工林混杂，为资源收集带来困难。因此，目前首要是根据现有研究成果，确定种质资源的重点保护区，积极收集，保护野生资源，可以考虑在多点建立多个种质资源库，基因库也不宜过大，强调不同地区根据资源丰富度建立适宜大小的种质资源库，要保证基因库建设的质量，以及后期运营管理的技术支撑。另一问题也是考虑如何整合现有遗传多样性研究成果，减少重复研究，深入开展创新工作。

常规育种技术仍然是主要育种手段，更广泛地开展山杏育种工作。山杏天然群体变异丰富，选择育种简便高效，配合开展杂交育种，根据生产需求定向选育晚花型、甜仁型、抗冻型、观赏型、丰产型等新品种。如山杏资源中的绿萼类型、重瓣类型和菊花等变异类型就具有很高的观赏价值，育种目标多样化能够更充分实现山杏良种的生态、社会和经济价值。加快遗传理论研究的基础上，深入开展山杏分子育种研究。

山杏遗传基础研究还很薄弱，应在基因组和转录组测序迅速开展的基础上，实现数据共享，广泛开展基因功能分析、表达调控分析，从转录组水平筛选更多的功能基因和关联位点，构建山杏基因时空表达信息共享平台。结合现实育种目标，开展分子辅助育种研究，实现遗传理论和育种实践的统一，利用品种收益促进基础研究，实现育种工作的良性循环。作为生物柴油属性的相关研究逐渐增多，杏仁油脂积累相关基因研究目前已经开展，己知miRNA的数量和功能分析方面滞后，而且核仁发育是受到多因素共同调控，含油量、氨基酸含量等性状为数量性状，由微效多基因控制，其生理过程和关键基因的表达调控尚不明晰，可参考作物育种工作开展QTL定位和全基因组关联分析。目前基因结构、功能的理论研究与生产实践还有距离，应更多发掘经济性状关联基因或位点，筛选主要贡献基因，与分子辅助育种实践加强联系。

加速良种繁殖技术的研究。在资源收集、保护的同时，积极建立母树林，可解决短期内生产用种问题，在母树林基础上改建种子园，提高种子遗传品质。并系统地开展遗传测定，为营建高世代种子园提供基础材料和基本信息。建设采穗圃和苗圃，提供嫁接、扦插用苗木以及种子园建园材料。山杏组织培养尚未应用于实践，应加强提高组培苗生根率研究，实现苗木工厂化生产。