沙棘遗传改良与产业化栽培技术创新

文丨段爱国

沙棘是胡颓子科沙棘属植物的总称。沙棘属植物共有7个种和8个亚种，广泛分布于欧亚大陆的温带、寒温带及亚热带高山地区。我国有沙棘全部7个种，其分布遍及东北、西北、华北及西南20个省区。现今我国沙棘林面积已逾150万公顷，占世界沙棘面积的90%以上，是世界沙棘资源最为丰富的国家。沙棘兼具重大生态、经济和社会效益，生态适应性强，耐寒、耐旱、耐盐碱、耐瘠薄，已成为我国“三北地区”植被恢复极佳的防护林树种。沙棘资源高效培育与应用紧密贴合科技工作新要求，将极大促进我国生态环境建设，保障区域国土生态安全，推动乡村振兴与绿色发展战略实施。

“沙棘遗传改良与产业化栽培技术创新”是中国林业科学研究院林业研究所张建国研究员课题组主持承担的“948引进项目”“948创新项目”“863项目”“‘十五’国家攻关项目”“‘十一五’沙棘产业化示范项目”等一系列重要研究成果的汇总。整个研究历时25年，涉及林木遗传育种、森林培育等多学科领域，重点在沙棘良种选育、新品种适应性机理、产业化栽培技术、重要性状形成分子机制等方面开展了系统深入研究，研究成果提升了沙棘良种选育与利用水平，推动了沙棘产业高效发展。技术关键与创新点主要包括六个方面：

1.构建了首个蒙古沙棘亚种全基因组序列，揭示了沙棘抗旱、耐寒等抗逆性状及果实颜色、维生素C、黄酮、果实成熟等重要发育和经济性状形成的分子机制。发现沙棘两次全基因组（WGDs）后均发生了大规模的基因组分离和重组，导致14条祖先染色体共发生了29次融合。两次全基因组加倍事件导致沙棘脂肪酸和抗坏血酸生物合成相关基因的扩张，而与LTR重复序列的扩张无关，解析了沙棘浆果颜色形成机理及其与抗氧化物的关系，阐明了长链非编码RNA（lncRNA）在沙棘果实花青素合成中的调控作用，揭示了lncRNA、环状RNA、DNA甲基化在沙棘果实成熟过程中的重要调控作用；鉴定了51个和32个显著差异表达的干旱和低温胁迫蛋白质，暗示lncRNA、DNA/RNA甲基化、组蛋白H3K9乙酰化蛋白质翻译后修饰等表观遗传修饰在沙棘抗逆响应中的重要作用，并发现未来全球二氧化碳升高将显著上调沙棘叶片中光合作用相关基因的表达。这为沙棘全基因组选择育种提供了坚实基础，将推进高维生素C、高黄酮及高抗等优良经济与生态性状的沙棘新品种的创制和分子设计育种。

2.选育出一批大果沙棘新品种，确定了大果优良沙棘品种在我国的适生栽培区区划。首次揭示了大果沙棘品种在我国的适应性地理变异规律。该项目应用我国30年气象数据、地理坐标-海拔数据集，结合10年定位测定数据，建立了沙棘地理信息系统数据库，提出了大果沙棘品种在我国的适应性可划分为三个分区的方案。最适栽培区：东北三省北纬40°以北地区和内蒙古东北部地区。适宜栽培区：北纬40°以北中西部地区，部分大果高产品种可直接应用于生产，本区属干旱和半干旱区，需要灌溉条件。栽培驯化区：北纬40°以南地区，本区除一些高海拔地区外（3000米以上），低海拔区大果沙棘栽培有一定困难，大果品种普遍生长不良，需将引进材料进行消化吸收再创新，培育高产高抗生态经济型优良杂种。

3.提出了生态经济型沙棘优良杂种选育技术及其选育标准。一是基于中国沙棘果小、刺多、耐热、耐瘠薄性强而蒙古沙棘果大、刺少、耐热性弱、耐寒性强的特性，提出以融合中国沙棘和蒙古沙棘特性选育耐热、耐寒、果大、刺少的生态经济型杂种的技术路线。研究发现蒙古沙棘作为母本和中国沙棘作为父本，杂种子代变异大，特别是棘刺数、百果重、单株果实产量等重要经济性状的遗传分化程度比较大，表明沙棘生态经济型杂种选育潜力巨大和可行性。二是根据连续10年对杂种生长、产量和适应性的定位观测和综合评价，提出了基于果实大小、棘刺数量、单株产量为核心指标的生态经济型杂种优良无性系选育标准。具体为：生长迅速，树高和地径与父本中国沙棘接近，单株产量是父本中国沙棘的2倍以上，母本的1.2倍以上，2年生10厘米枝条棘刺数0-6个，显著少于父本中国沙棘（8-12个），与母本相同（0-1个）或高于母本（1-2个）。20年杂交选育，共选出高抗丰产优良杂种55个，其中早熟型杂种40个，晚熟型杂种15个；高维生素C杂种5个（400毫克/100克以上），高油高不饱和脂肪酸杂种15个（80%以上）。10年综合评价和试验示范显示，杂种生态经济价值明显优于双亲，适宜我国北纬40°以南地区广泛栽培。

4.提出了不同栽培区优良品种规模化扦插育苗技术体系。干旱区：露地采穗圃+草帘温室沙床+嫩枝扦插+全光雾自动喷雾扦插技术。半干旱区：露地采穗圃+露地沙床+嫩枝扦插+全光雾微喷扦插技术，“无刺大果沙棘嫩枝扦插苗床”与“无刺大果沙棘繁育方法”分获实用新型和国家发明专利。高寒地区：温室采穗圃+温室沙床+嫩枝扦插+全光雾微喷扦插技术。湿润地区：露地采穗圃+塑料温室+沙床+嫩枝扦插+全光雾微喷扦插技术，“一种沙棘扦插盘”与“一种沙棘硬枝扦插育苗方法”分获实用新型和国家发明专利。4个不同气候区嫩枝扦插移栽成活率70%-90%，年培育良种苗1500万株，标志着沙棘嫩枝扦插技术已完全成熟，为良种的规模化栽培奠定了坚实的基础。

5.提出了不同栽培区优良品种规模化栽培模式。最适栽培区适生品种为“楚伊”“丰产”“阿尔泰”等11个引进品种和7个新选育大果品种，推荐品种“楚伊”“绥棘1号”“棕丘”“乌兰沙林”；栽培模式为3米×1.5米低密度与大豆、土豆等作物间作，产量4500-7500公斤/公顷。适宜栽培区适生品种为“金色”“向阳”“乌兰格木”等9个引进品种和7个新选育大果品种，推荐品种“向阳”“金色”“乌兰格木”“棕丘”“乌兰沙林”；栽培模式为3米×1米低密度与花生、甜菜、苜蓿、籽瓜、胡萝卜等间作，产量3000-4600公斤/公顷。杂种栽培区大果沙棘品种普遍生长不良，没有生产价值，适生品种为生态经济型杂种无性系或杂种种子园种子，生态经济型杂种栽培模式与适宜栽培区一致，种子园杂种按生态工程建设造林模式栽培。

6.研发了沙棘良种资源系列高附加值产品深加工技术。该项目研发了从沙棘果实采收到加工全过程制备装置，提出了沙棘油与重要活性成分提取工艺，研制开发出基于沙棘果、叶及种子的沙棘果汁、沙棘茶与保健胶囊等新产品。

项目获国家林草局科技司组织认定成果5项，省地科技部门组织鉴定成果5项；审定沙棘良种/新品种27个，其中国家级良种15个、沙棘新品种7个；获国家专利18件，国家商标1个，国家地理标志保护产品1个；颁布林业行业/地方/团体标准5项；出版专著4部，发表科技论文126篇；获中国林业科学研究院科技奖一等奖1项，省部级科技奖一等奖1项，省部级科技奖二等奖2项。项目成果整体提升和推动了我国灌木树种遗传改良及栽培利用技术水平，开创了灌木育种新局面，标志着我国灌木育种方面已达到国际先进水平。研究成果在内蒙、黑龙江、辽宁、甘肃、新疆等省区退耕还林工程和沙地治理生态工程建设项目中直接推广应用，面积达到360万亩以上，奠定了我国沙棘产业化发展的基础，生态经济效益十分显著，对推动我国北方地区区域农业产业结构的调整具有重大意义。