菊花种质创新研究进展

雒新艳 刘 英 王利红 李 芳 张俊丽 孙曰波 卢 洁

(1.潍坊职业学院 潍坊 261000；2.山东省林木种苗和花卉站 济南 250014)

种质创新是指根据不同目的，在自然发生或人为技术创造的变异群体中，使用特定的筛选方法，从而创造的新品种、新材料或新物种。由于种内杂交所产生的变异范围有限，往往很难突破种内现有基因的限制，因此，种质创新一般是指对种质做出变革性的改造，如远缘杂交、基因工程育种等手段，能创制出与现存物种显著不同的新种质。因基因工程育种技术和实验条件要求很高，虽然前景可期，但仍处在摸索阶段；远缘杂交仍是当前种质创新的重要途径。

菊花是我国传统名花，又是世界四大切花之一，同时具备深厚的文化底蕴和重要的经济价值。国内的菊花栽培品种超过3 000个，其中大菊品种较多，但是缺少蓝色系品种，绿色系品种也不多，而小菊品种相对较少，花型单一，大多为平瓣类平盘型。此外，栽培品种大多存在抗逆性较差的问题。菊花近缘种和近缘属的种质资源极为丰富，且野生种质中不乏蓝色、抗性强的植物，因此充分利用远缘杂交以期能够创造观赏性和抗性俱佳的新种质。本研究总结菊花近缘种和近缘属的野生种质，然后分析野生种质与菊花之间的亲缘关系，就菊花的种质创新提出建议与策略。

1 菊花种质资源的范围与分布

1.1 菊花在菊科植物分类中的位置

据《中国植物志》记载，菊花隶属于菊科-管状花亚科-春黄菊族-菊亚族-菊属-菊组-野菊系。菊科Compositae是被子植物中进化程度最高、种类最丰富的类群，拥有超过900个属，逾23 000个种[1]，其中既有观赏植物、蔬菜、药用植物，也有杂草。菊科包含舌状花亚科和管状花亚科两个群体(图1)，舌状花亚科植物的特征是头状花序全部小花都是舌状，有乳汁；管状花亚科植物的特征是头状花序全部为同形两性的管状花，或边缘有舌状花，中央花则非舌状，植物无乳汁。管状花亚科包括12个族，其中的春黄菊族包含草本、半灌木和垫状植物；春黄菊亚族与菊亚族的差异表现在前者的花托有托片，后者的花托无托片。菊亚族有29个属，图1仅列出有明确记载，且观赏性较好的14个属；菊属包含2个组，苞叶组植物外层苞片叶质，大，浅裂或半裂，而菊组植物的所有苞片都是草质，边缘膜质。菊组包含四个系，除野菊系植物叶片为一回羽状裂之外，其他4个系植物的叶片都是二回羽状或掌状裂，野菊系共有包括菊花在内的6个种。

图1 菊花在菊科植物进化中的位置

1.2 菊花种质资源的分布

世界菊科植物主要分布在亚洲温带地区和部分亚热带地区，我国是世界菊科植物的种质资源分布中心，大约有235个属，超过两千个种，属于特大科[2]。春黄菊族的植物广泛分布于亚洲大部分地区，多数属则集中在中亚和地中海地区，美洲和大洋洲仅有少数属，其中菊亚族的种类更丰富，大部分属都集中在东亚地区，菊属就是其中之一。菊属以我国为分布中心，全球约41种，我国有17个种，分属2个组，5个系，同时也是菊属近缘属的分布中心。

2 菊花种质创新的研究成果

2.1 菊花远缘杂交的研究成果

前人研究表明，春黄菊族是一个种间隔离并不严谨的群体，属间杂交的成功率较高，甚至部分亚族之间也能够获得杂种，北京林业大学和北京刘文超夏菊育种研究所合作，通过菊属与亚菊属、菊属与太行菊属、太行菊属和紊蒿属、女蒿属和日本雏菊属、小甘菊属和菊属的属间杂交，培育出一系列适宜西部寒旱区域推广应用的保健牧草菊花新品种[3]。可见，菊花新种质的创造可以通过种间杂交和属间杂交来实现，很多菊属近缘种已被应用于栽培菊花的性状改良，获得了新种质、新类型，甚至是优良的商品种。

2.1.1 属间杂交创造新种质的成果

Tanaka等[4]指出春黄菊族很多属间杂交的亲和性较高。通过属间杂交，前人不仅获知了种质之间的亲缘关系，还成功地将一些特性转移到栽培菊花中，从而创造了新的种质。菊属与亚菊属的亲缘关系很近，几乎不存在杂交障碍。1988年，柴田道夫等[5]用引自荷兰和美国的Spray型日中性菊花与亚菊属的矶菊Ajaniapacificum杂交，从后代群体中选出了耐热种质‘Summer Queen’。Douzono等[6]将亚菊属纪伊潮菊Ajaniashiwogiku与切花菊进行杂交，提高了菊花的抗病性，实现了遗传改良。赵宏波[7]将亚菊属的矶菊与栽培菊花进行属间杂交，不仅获得了后代，还将矶菊的银叶特性转移到了栽培菊花中。

菊属与春黄菊属、小滨菊属、滨菊属、太行菊属、小甘菊属植物的亲和性较强。日本人Tanaka收集了我国很多菊属野生种质，开展了春黄菊族9个属、33个种之间的杂交试验，共成功获得133个杂交组合的后代，其中春黄菊属、小滨菊属、滨菊属与菊属的亲和性较高[8]。胡枭[9]发现太行菊属与菊属之间的杂交亲和性较强，与野菊、甘菊、委陵菊和异色菊杂交结实率普遍较高。景珊[10]应用太行菊与地被茶菊品种杂交，也成功地获得了杂种后代。郑燕、吴潇波[11-12]使用楔叶菊与栽培小菊的杂种，与灌木小甘菊杂交，获得了属间杂种。

菊属与芙蓉菊属、蒿属、匹菊属、短舌菊属、菊蒿属植物有亲和性，需要借助辅助手段才能获得杂种后代。Ohishi[13]通过胚拯救获得了芙蓉菊Crossostephiumchinense与栽培菊花的杂交后代。Furuta等[14]利用原生质体融合获得了栽培菊花与蒿属大耔蒿Artemisiasieversiana的属间杂种，且杂种能正常开花，成功地把大耔蒿对锈病的抗逆性同步转移到了栽培菊花中。王四清[15]经过胚拯救技术获得了匹菊与菊花的属间杂种。尹佳蕾[16]通过常规杂交试验发现短舌菊属与菊属之间亲和性较差，可能需要改进授粉技术来提高成功率。Kondo通过原位杂交发现菊蒿属与菊属的亲缘关系较远[8]。因为缺乏相关的杂交验证资料，菊属与蓍属、果香菊属、天山蓍属、木茼蒿属、三肋果属、扁芒菊属的亲缘关系还不明确。

2.1.2 种间杂交创造新种质的成果

菊花是菊属中观赏价值最高、栽培历史悠久、品种和类型极其丰富的一个种，其它种则以野生资源为主，主要有小红菊、野菊、甘菊和紫花野菊等(表1)。

表1 菊属各种自然分布及特性

表1 菊属各种自然分布及特性 续表

前人研究表明，菊属各种之间的亲和度很高，在自然条件下就会出现种间杂交现象，王龙真[17]通过对自然种质的形态学和SSR分子标记研究，发现野菊(4X)和毛华菊(6X)之间的生殖隔离较弱，存在频繁的自然杂交。人工种间杂交更是创造了很多新种质，李沛瞳等[18]通过异色菊与菊花脑种间杂交获得一批优异耐旱种质，刘筱玮等[19]将野菊与神农香菊杂交，通过鉴定，获得了耐盐能力显著提升的芳香菊花新品种。

19世纪40年代，英国植物学家Fortune从浙江舟山群岛引种菊花，并利用其与野生种杂交培育成Pompons型和Charms型的商品种。40年代，萨顿种子公司用野生种质和菊花杂交，育成了长势强，且适合岩石园或盆景的悬崖小菊[20]。国内菊属种间杂交最成功的代表是地被菊，是陈俊愉等[21]利用进口小菊‘美矮粉’与毛华菊、小红菊和甘菊等多种野生种质反复杂交所得，地被菊植株低矮紧凑、抗逆性强，目前已经被引种到很多地区，为我国绿化事业做出了巨大贡献。

野菊(包括菊花脑、神农香菊等变种)、紫花野菊、毛华菊、甘菊(包括变种甘野菊)与菊花之间的亲缘关系较近。Fukai等[22]将栽培菊花与日本本地的野菊和龙脑菊等近缘种进行杂交，得到了花色丰富，花期早的一批优良新种质，并应用到生产中。Kelsey[23]将紫花野菊与菊花杂交，成功培育出‘朝鲜’菊系列新种质。王靓[24]将切花小菊‘南农银山’与紫花野菊杂交，获得了耐涝性显著提升的杂种后代。张艳梅等[25]发现绿色小菊栽培品种‘绿叮当’与毛华菊的平均结实率为4.16，杂种发芽率高达86.67%。付瀚森等[26]在绿色小菊栽培品种‘绿叮当’与毛华菊的F1群体中，发现花色、花瓣数和花径等花部性状存在极显著的中亲杂种优势，且受一对或两对主基因控制。程曦[27]、陈秀兰等[28]使用南京野菊、菊花脑与栽培菊花品种杂交成功培育出抗性和适应性增强的新种质，丰富了小菊的形态。高佳慧[29]应用野菊与菊花栽培品种杂交，通过形态和细胞学鉴定，获得6个种间杂种。陈俊通[30]使用耐盐种质野菊(烟台)，与地被菊栽培品种杂交，从后代中筛选出了耐盐性较强的单株。小红菊与菊花的种间亲和度较差。经杂交实验证实，小红菊与菊花常规杂交不易获得后代，可能需要采取一定的育种辅助手段。目前，研究者尚未对菊花与苞叶组、拟亚菊系、山菊系、楔叶菊、菱叶菊、阿里山菊、委陵菊、细叶菊展开杂交试验，菊花与这11个种的亲缘关系还不确定。

2.2 菊花基因工程育种研究成果

与远缘杂交相比，基因工程育种具有定向优势，通过外源基因的人工导入，定向修饰菊花的某个或某些目标性状并保留原有的优异性状，从而获得改良目标性状的新种质材料。菊花植株再生对培育条件要求不高，且对多种根癌农杆菌敏感，遗传转化受体广泛，已构建了多种基因型适宜的遗传转化体系[31]。第一株转基因菊花是Lemieux于1989年利用农杆菌介导法获得的[32]。此后，利用基因工程育种进行菊花种质创新逐渐成为热点，随着技术的进步和研究的深入，最近十多年，基因工程育种在改良菊花观赏性状和抗性方面取得了重要的进展[33]。

观赏性状的基因工程育种。在花色方面，蓝色菊花育种一直是研究热点，近年也取得了重大突破。2017年，Noda等[34]将风铃草的F3'5'H基因导入菊花，抑制内源F3'H的表达，并进一步导入蝶豆的A3'5'GT基因，首次获得了蓝色菊花品种。2021年，Han等[35]将蓝目菊的F3'5'H基因和蝶豆的A3'5'GT基因导入粉色菊花‘南农粉翠’中，促进飞燕草色素的合成，获得了蓝紫色的菊花品种。付瀚森[36]对小菊‘绿叮当’和毛华菊杂种群体中白色和绿色个体进行测序、比对分析、鉴定和严验证筛选，发现CmCOL16b和CmbHLH两个与叶绿素调控相关的候选基因，为绿色菊花的呈色机理研究和转基因育种奠定了基础。在花期方面，FT蛋白具有诱导花芽分化的作用，姜丹等[37]将拟南芥FT基因转入切花菊‘神马’，获得日中性新种质。在株型方面，Petty等[38]将从拟南芥突变体中克隆的对赤霉素不敏感的gai基因转入菊花，获得了明显矮化的植株，且转化株对外源GA表现不敏感。Kubo等[39]将rol基因导入菊花，也获得了植株低矮紧凑的材料。

抗逆性基因工程育种。在抗病毒方面，菊花抗病毒基因工程育种主要是将病毒本身基因的部分片段导入受体植物，然后筛选出抗性植株。例如Kumar等[40]将黄瓜花叶病毒(CMV)外壳蛋白CP基因转入菊花‘Kundan’中，转基因植株对该病毒的敏感性降低，同时延迟了植株的发病时间。在抗真菌病害方面，抗真菌基因工程育种主要是将病菌抑制物的基因导入菊花中[31]，应用最广泛的是几丁质酶基因。Kim等[41]将调控咖啡因产量的N-甲基转移酶基因导入菊花中，咖啡因提升到烟草水平，并具备了灰霉病抗性和抗鳞翅类昆虫和蚜虫的能力。在抗虫方面，将从苏云金杆菌中分离的杀虫蛋白Cry1B基因导入菊花中，得到了抗虫性转化植株[42]。何俊平[43]通过农杆菌介导的叶盘法将长筒石蒜凝集素LLA基因转入切花菊‘神马’，得到7个抗蚜性显著提高的转基因株系。在非生物逆境抗性方面，植物非生物逆境抗性是由多基因控制的，导入单个功能基因对于提升抗性的效果很有限，但是转录因子能够启动并调节下游多个逆境应答基因的表达，从而有效增强抗逆性。洪波等[44]将逆境诱导转录因子DREBIA导入地被菊‘Fall Color’，成功获得了转基因植株，经半定量RT-PCR分析，在胁迫条件下，检测到抗性基因表达。

3 种质创新的策略及展望

3.1 种质创新要克服较大的障碍，技术和模式都需要改进

因为生殖隔离的存在，远缘杂交常常面对很多困难，比如花期不遇、染色体倍性差异过大、花粉不萌发或萌发异常、胚败育等，这些障碍可以通过花粉贮藏，染色体加倍、授粉技术改进、胚培养技术和原生质体融合等手段去克服。如刘思余[45]利用秋水仙素浸泡二倍体菊花脑种子，成功诱导实现染色体加倍，之后与菊花杂交，成功获得了杂种。高文杰[46]也是首先将神农香菊进行人工诱导其染色体加倍，再与露地菊进行杂交获得成功。

栽培品种与野生种质杂交后形成的F1代群体中，形态性状退化现象比较常见，为了能够获得观赏性更强的商品种，往往还需要连续进行多代杂交、回交等育种工作，许莉莉[47]应用菊属野生种质和多花亚菊、芙蓉菊的属间杂种，与菊花栽培品种杂交之后，再回交，从后代群体中筛选出超亲个体，并将野生种质的耐盐性导入了栽培品种。

菊科野生种质具有花期长、抗逆性强等优良基因，为菊花基因工程育种提供了便利，此外，还可以将非同属同科植物的优良基因异源转入菊花中进行性状改良[48]，拓展菊花种质创新的空间。但是由于菊花遗传背景复杂，已有遗传转化体系的转化率低，还不能实现定向育种的目标；且导入基因在染色体上整合的位置和次数都是随机的，受植株本身表达机制和外界环境因子的影响，导入基因有可能会沉默、表达水平低或者不稳定。因此需要进一步加强基础研究，改进实验技术。

育种工作量大、时间长，世界上最大的盆菊育种公司——比利时格迪花卉公司，培养一个能够投入市场的新品种，需要7年时间，且要经过大量的测试工作[49]。一般企业很难持续支持育种工作，而高校和科研院所受限于人员流动和课题年限，常常存在衔接不畅的问题。因此，植物种质创新工作可能还需要探索更适宜的实施模式。

3.2 广泛开展杂交试验和基因发掘，搭建高效育种平台

前人从形态性状、细胞学和分子标记等多个角度进行了有关菊属植物亲缘关系的探讨，但是研究结果都不如杂交实验结果更直观可靠，如菊蒿属与菊属在形态学上很相近，然而原位杂交的结果却表明两者亲缘关系较远[8]，红歌、谢菲[50、51]应用女蒿与菊属、亚菊属和太行菊属种质杂交，均获得杂种后代，通过杂种鉴定和系统进化分支树推断，女蒿属与亚菊属亲缘关系最近，应归属亚菊属。因此，本文只参考远缘杂交的结果对亲缘关系进行探讨。由前文分析可见，很多近缘种和近缘属的种质尚未与菊花进行杂交，尤其是11个近缘种，理论上，它们之间的亲和率相对较高，我们应进一步收集这些野生种质，广泛地开展杂交试验，有望能够创造新优种质。

尽管菊花基因工程育种取得了较大突破，但仍有很多基因资源未被发现和利用，例如在菊花生产中常见的白粉病、蚜虫等抗性基因，还有深蓝花色、花期等相关基因都是性状改良的需求，目前导入菊花的基因多为异源转化，由于物种间遗传背景差异大，异源基因的作用往往不能有效发挥，甚至出现基因共抑制现象，因此，在尝试更多异源基因导入改良菊花性状的同时，我们也需要深入挖掘并利用菊科野生种质所特有的抗性基因。

早期的远缘杂交往往需要连续多年持续进行，如地被菊的育种工作至少花费了课题团队二十多年的心血，为了提高效率，我们建议将传统育种与基因工程育种结合起来，集成新的育种技术，形成体系，构筑国家级或省级的综合育种平台，集中科研力量，共同制定具体植物的高效育种方案，切实加强育种进程。