鹅掌楸属树种近十年研究进展及其应用前景

李辉虎,施茂寅,杨爱红,胡 淼,吴照祥,刘巧丽,余发新,钟永达*

(1.江西省科学院生物资源研究所/江西省观赏植物遗传改良重点实验室/江西省乡土珍贵阔叶树种遗传改良与培育工程研究中心,330096,南昌;2.江西省林业科技推广和宣传教育中心,330400,南昌)

0 引言

鹅掌楸属(Liriodendron)属于双子叶植物纲、木兰科,该属自然界现仅存2个种,即鹅掌楸(Liriodendronchinense(Hemsl.) Sarg.)和北美鹅掌楸(LiriodendrontulipiferaLinn)[1]。鹅掌楸零星分布于我国长江流域以及越南北部地区的海拔450～1 800 m阔叶林中,呈“一带五岛”分布,属国家二级珍稀濒危保护植物,是优良用材和绿化树种[2]。北美鹅掌楸广泛分布于美国东部和加拿大东南部海拔300 m以下各地和沿海平原及阿巴拉契亚山脉南部[3],是北美地区主要速生用材树种之一。1963年南京林业大学已故著名林木育种学家叶培忠教授以中国庐山种源鹅掌楸为母本,北美鹅掌楸为父本,人工杂交得到亚美马褂木(Liriodendronsino-americanumP.C.Yieh ex Shang et Z. R.Wang)。其综合了双亲的优点,经过数十年多地点的研究与实践,亚美马褂木的杂种优势已经得到了广泛的认同,在我国北方地区如北京、辽宁大连和陕西西安等地都有种植,且已长成大树。近十年来,亚美马褂木已成为近年来鹅掌楸属树种研究的主要对象。

1 良种选育

亚美马褂木良种选育是在广泛收集国内外优良种质资源的基础上,结合育种目标,在鹅掌楸和北美鹅掌楸中选择典型性状突出、适应性强的个体作为杂交亲本,进行优良家系和无性系选育。几十年的多地造林实验已经证明,亚美马褂木相比较于亲本表现出速生、适应性强等多方面的明显杂种优势,证实了其强大的育种潜力。湖北省林业局林木种苗管理总站研究发现亚美马褂木从幼龄期到成龄期大多表现出极显著的生长和适应性优势;同时发现,鹅掌楸属树种正交、反交、回交及F1个体之间杂交4种交配系统均可获得较强的杂种优势,而以正交和反交的杂交优势更显著;进一步研究表明,4种不同交配系统中子代不同个体间的遗传差异主要存在于家系间及家系内。因此,鹅掌楸属树种杂种优势利用的重点应进行家系选择和家系内选择。通过对亚美马褂木优良无性系选育与繁殖技术研究,选育出了适合不同立地条件的3个亚美马褂木的无性系良种。江西省科学院生物资源研究所收集保存并建立了全世界规模最大的鹅掌楸属种质资源库,总共保存包括中国和越南鹅掌楸,及北美鹅掌楸在内的72个种源、623个家系。并以中国庐山鹅掌楸种源为母本,北美鹅掌楸为父本杂交获得了杂交鹅掌楸子代苗,选育出了3个生根率高、速生、抗逆性强的良种。

2 无性繁殖技术

目前鹅掌楸属树种常用的无性繁殖技术主要有扦插、嫁接和组织培养3种方式。研究表明,扦插轻基质配方对苗高、地径、根系、单株干生物量有显著影响,鹅掌楸和亚美马褂木苗最适宜轻基质存在差异,同时假植期间用保水剂或泥浆措施是保证成活率和当年生长量的关键[4]。生根是决定鹅掌楸属树种扦插成败关键因素,亚美马褂木扦插苗不定根形成包括皮部生根、中间生根和愈伤生根3种类型;扦插苗质量与不定根数量、长度、苗高和基径等有极显著正相关关系,苗高与不定根数和基径等极显著相关[5]。同时生根剂够对植物营养物质、内源激素、活性酶产生影响,显著提高鹅掌楸插穗的生根率、根长、不定根数、根尖数[6-7]。因此,应选择合适的扦插时间、扦插枝条、生根剂,同时还应加强管理,做好消毒工作。鹅掌楸属树种在一定范围内,接芽越大、砧木越粗,嫁接成活率越高,生长越旺盛;嫁接季节以秋季9月下旬最佳,其次为春季和夏季[4]。

植物组织培养是指通过无菌操作把植物体的各类结构材料,外植接种于人工配制的培养基上,进行离体培养的一套技术与方法。目前,鹅掌楸属树种组培技术经过长期探索已取得较大进步。外源激素对亚美马褂木组培苗具有重要作用,在体胚发生初期添加磺肽素(PSK-α)可提高未成熟胚的脱分化率并能有效改善培养细胞的状态,能够促进胚性愈伤组织的形成和增殖;体胚形成后期添加PSK-α利于其正常发育以及再生植株的培养[8-9]。在亚美马褂木体胚诱导培养基中添加不同浓度的茉莉酸甲酯(MeJA)影响体胚发生率、成熟率和畸形胚胎率,脱落酸(ABA)能够增强MeJA的上述效应;ABA和玉米素同时使用也可显著影响体胚发生效率;活性炭则可通过影响培养基pH和渗透压从而影响体胚发生效率[10-12]。合适的组培苗专用菌剂能够与鹅掌楸形成较好的共生关系,提高根系活力,提高酶活性,降低鹅掌楸的膜损伤程度,较大提高保护膜活性,显著增强抵抗不良环境能力[13]。无性繁殖技术虽在鹅掌楸属树种繁育过程中表现出使用范围广、繁殖快、保持优良特性等优点,但在无性繁殖过程中存在种质退化、环境污染等问题[14]。

3 非生物胁迫研究

鹅掌楸属树种作为我国南方地区重要的阔叶树种,开展其抗逆性研究对其推广示范具有重要意义。鹅掌楸不同种源综合抗寒性存在差异,不同种源的各抗寒生理指标均表现出明显的季节变化,相对电导率、含水量和脯氨酸质量分数表与隶属函数值现出显著相关性[15]。转录组测序表明NAC和WRKY基因可能在鹅掌楸的抗寒过程中起主要作用[16]。寒、热、干旱胁迫能同时诱导LchiWRKYs和LchiMYB转录因子家族的表达,且其中一些在进化过程中经历了基因复制。LchiWRKY33主要响应冷胁迫,LchiWRKY25主要响应热胁迫,LchiWRKY18主要响应干旱胁迫,表达量接近4倍,而5个LchiWRKYs(LchiWRKY5,LchiWRKY23,LchiWRKY14,LchiWRKY27和LchiWRKY36)同样响应3个胁迫,表达量超过6倍。亚细胞定位分析表明,所有LchiWRKYs都定位于细胞核中,LchiWRKY18和LchiWRKY36的亚细胞定位实验也表明这2种转录因子在细胞核中表达[17]。LchiMYB3在所有3种形式的胁迫下均高度表达,而LchiMYB121受冷和热胁迫均强烈诱导,这些LchiMYBs可能调节北美鹅掌楸生长发育和对非生物胁迫的抵抗力[18]。LcCBF部分基因参与了冷应激反应的生物学过程,大多数LcCBF基因在愈伤组织、根茎和叶组织中表现出先增加后减少的趋势,且每个成员的表达谱不同。一些LcCBF基因在愈伤组织、根、茎和叶组织中表现出不同的丰度,LcCBF基因的结构和表达特征暗示它们在响应冷胁迫条件时可能具有相似和不同的功能[19]。

耐涝性差是限制鹅掌楸属树种在我国南方地区大范围推广的重要因素之一。淹水胁迫下,北美鹅掌楸淹水初期会呈现下部老叶黄化,上部嫩叶、顶芽萎蔫现象。随淹水时间增加,敏感无性系叶片萎蔫脱落;而耐淹无性系顶芽缓慢恢复,在叶片脱落后幼叶展开,基部形成不定根和肥大的皮孔,不定根长度和粗度随胁迫水位增加而增加。亚美马褂木体胚植株受涝害时,植株叶片从基部开始卷曲、黄化甚至脱落,但顶芽无明显变化[20-23]。淹水胁迫中植物启动一系列相应保护机制以应对淹水胁迫环境。亚美马褂木淹水胁迫处理过程中叶绿体肿胀变形,膜系统严重损伤,甚至降解,叶绿体超微结构严重破坏,损伤光系统Ⅱ反应中心,进而光能转换效率降低,造成叶片光合作用能力降低,最终严重影响植株生长发育[22]。耐淹型北美鹅掌楸可通过保持较高的抗氧化酶活性等方式增强其抗涝能力,相对电导率、叶绿素含量、超氧化物歧化酶可作为北美鹅掌楸耐淹无性系中期选育指标,而亚美马褂木其内源性激素有显著差异,包括脱落酸、吲哚乙酸、赤霉素[20,23]。转录组测序发现北美鹅掌楸耐淹无性系和淹水敏感无性系淹水胁迫下的MYB、Zincfinger、NAC、Orphans、WRKY、Homeboxdomain、AP2domain、bHLH、AUX/IAAfamily等转录因子家族表达存在明显差异[24]。抗重金属的研究发现,鹅掌楸能将吸收的镉主要固定于根系中,向地上部分的转移较少,且地上部分转运富集Cd2+能力最大。酸性土壤中的Al3+表现出严重的根茎毒性,抑制植物生长发育,大多数适应酸性土壤的木本植物已经进化成针对Al3+毒性的特定策略,其中,亚美马褂木利用四碳氨基酸γ-氨基丁酸信号在通过促进有机酸转运和维持细胞氧化还原和渗透平衡来增强其对铝胁迫的耐受性功能[25]。

目前,全球环境条件不断恶化,极端环境频繁出现,因此,抗性研究对于鹅掌楸属植物的保护及良种选育具有重大意义。但目前对鹅掌楸属树种非生物胁迫的研究以生理生化特性为主,分子机制的研究才刚刚起步,后期应结合基因组学、转录组学、蛋白组学、代谢组学等技术手段加快研究,例如,蛋白激酶在植物对环境胁迫信号的反应中发挥着重要作用。SnRK2是一种植物特异性蛋白激酶,在一些模式植物物种的脱落酸和非生物胁迫反应中起关键作用,在鹅掌楸基因组中发现的5个SnRK2基因。5个基因在ABA、光周期,低温和低温及光周期处理下均有上调和下调响应。通过研究启动子中的顺式元件,发现了5种激素、6种应激、2种生长和生物过程及2种代谢相关的反应元件,可为逆境胁迫研究提供很好的思路[26]。

4 遗传多样性研究

遗传多样性是生命适应环境和进化的基础,研究物种的遗传多样性可更好地揭示物种的生物学特性、生存现状和保存价值,为物种资源保护提供理论指导。鹅掌楸基因组的演化是一次古老的全基因组加倍事件和一次近期的重复序列爆发事件共同作用的结果。根据Illumina数据估计鹅掌楸基因组大小为1.75 Gb[27]。

鹅掌楸和北美鹅掌楸之间呈现显著的系统分化,种源间也存在明显遗传差异。鹅掌楸中国东部居群与西部居群之间具有明显的遗传及谱系分化,北美鹅掌楸在基因上位于2个鹅掌楸组之间,更接近东部组,表明东部地区的鹅掌楸具有更古老的历史起源。中国东部和西部群体分化早于洲际分化,这一遗传分化同它们的地理分布格局完全一致,长期的地理隔离可能是导致这一遗传格局的原因[28]。鹅掌楸云南南部群体与其他群体在表型及基因变异上均存在较大差异,遗传分化较大,可将其视为鹅掌楸的一个变种[29-30]。群体遗传多样性水平从高到低依次为中国西部鹅掌楸种源、中国东部鹅掌楸、北美鹅掌楸种源,鹅掌楸遗传多样性是北美鹅掌楸的十倍[28,30]。然而也有学者认为,相对于北美鹅掌楸具有高的遗传多样性,鹅掌楸种源的星散分布及其小群体效应将使群体间基因交流受限,导致遗传基础逐步变窄,使种源内的遗传多样性水平降低,故北美鹅掌楸的有效等位基因和杂合度都高于鹅掌楸,北美鹅掌楸的种源遗传多样性高于鹅掌楸[29]。系统发育分析,鹅掌楸和北美鹅掌楸有明显的分化,而鹅掌楸地理居群间的分化很大且不规则。近亲繁殖出现在地理种源内,遗传多样性水平很低。为了保护鹅掌楸的遗传多样性,除了尽可能保护现有种群外,人工栽培还应从多个种群中引进材料。

物种分化过程中生态适应可能发挥关键的推动作用,晚中新世和晚上新世至早更新世期间的剧烈气候变化可能分别促进了鹅掌楸物种的种间和种内分化。长期限制性基因流可能是促进种间分化的先决条件,而生态位分化可能在推动鹅掌楸和北美鹅掌楸之间的适应性遗传分化中起着至关重要的作用[31]。鹅掌楸天然群体遗传距离和地理距离存在极显著相关性,地理隔离和片段化分布可能导致了鹅掌楸群体结构的形成。SAMOVA结果显示鹅掌楸在全球分布区可以分为7个组,单倍型网络树显示有3个主要的分枝,分别位于东部地区、西北地区和西南部地区。BBM的结果显示鹅掌楸东部居群更为古老,东西部居群的遗传分化可能发生于Mindel冰期。东西谱系分化可能是由于长期的遗传分化,及由于第四纪冰期期间南岭通道不断被常绿及针叶林占据导致的鹅掌楸东西部地区的地理隔离[29,32],基于叶绿体SSR、叶绿体基因片段及转录组数据的结果均也验证了这些观点,最终,种群撤退到多个孤立的山区避难所,形成了当前的地理分布格局[33]。位于武夷山南麓的FJ-WYS鹅掌楸群体及位于大娄山北坡的GZ-XS群体所处地区很有可能分别为鹅掌楸东、西部群体的第四纪冰期避难所[28,29,31,33,34]。TCS分析、系统树分析和单倍型地理分布的结果显示,鹅掌楸和北美鹅掌楸在冰期后各自扩张。PSMC分析显示鹅掌楸与北美鹅掌楸在第四纪冰川时期所处的环境差异导致二者遗传多样性发生差异[35]。

鹅掌楸5种交配类型子代群体中,遗传多样性水平趋势为:多父本混合授粉子代>种间交配子代>杂种F1与亲本的回交子代>种内交配子代>自交子代。子代遗传多样性与亲本间遗传距离呈显著正相关,亲本间遗传距离大,则子代遗传多样性高,相同亲本正反交子代群体的遗传多样性差别不明显[36]。鹅掌楸种子流及花粉流大小在不同群体间差别较大,基因流随居群的成年个体密度增大而减小。在密度较大的人工林中,鹅掌楸种子的传播距离大于花粉的传播距离,种子流对基因流的贡献程度较大,而在种群密度较小的天然群体中,其结果则正好相反[37]。鹅掌楸叶片在种源间及种源内存在极丰富的变异,叶片结构的主要性状在种源内的变异远大于种源间的变异,叶的解剖性状与地理生态因子也存在相关性,其种源间的变异呈现梯度规律性,表皮各性状与经度、年均温呈负相关关系,叶片和主脉横切面各性状与经度、纬度大部分呈正相关关系,而与年降水量、年均温大都呈负相关关系[34]。

5 木材特性

材性特征是决定木材的经济价值重要依据,直接影响到木材的加工利用,深入了解鹅掌楸属树种的材性特点,可为其利用提供理论依据。鹅掌楸属树种树形高大,生长迅速,其木材特性非常适合于木材机械加工、造纸、溶解浆等,具有良好的应用前景。研究表明鹅掌楸、北美鹅掌楸和亚美马褂木树种在次生木质部结构中种间导管分子、木纤维、轴向薄壁组织和木射线组织等解剖特征存在极显著差异,亚美马褂木次生木质部结构兼具亲本特征[38]。北美鹅掌楸与鹅掌楸相比具有更多的原始特征,鹅掌楸较北美鹅掌楸进化[39]。同时中国不同种源鹅掌楸木材基本密度和纤维长度均存在显著差异,木材基本密度、纤维长宽比和壁腔比的变异具有由西向东、南向北逐渐增大的地理变异模式,而北美鹅掌楸种源间基本密度和纤维长度均不存在显著差异[40]。鹅掌楸天然林木材基本密度、全干密度、气干密度、体积干缩率、体积湿胀率等性状在垂直方向差异显著;其木材密度属轻中等水平,顺纹抗压、抗弯性能及硬度属一般水平,是适合加工利用的树种[41]。性状遗传相关分析认为,鹅掌楸基本密度和纤维长度之间相关不密切,木材性状与各生长因子(高、茎、冠、枝下高)间相关亦不密切,说明二者之间基因连锁不紧密,可独立选择,基本密度受遗传控制较强,纤维长度受遗传控制中偏弱,纤维宽度、双臂厚、腔径和树干圆度受遗传控制偏弱,基本密度和纤维长度次年间相关都很紧密,遗传传递力强。李斌,黄家华等[40,42]研究认为鹅掌楸种源中以江西庐山和湖南桑植木材基本密度最好,纤维长度优良种源为湖南浏阳和江西武夷山,亚美马褂木无性系基本密度和纤维长度均超过鹅掌楸性状总均值,但未超过最好的种源。

如何准确了解评估木材性状对于木材利用具有重要意义,因木材缺陷声信号的非平稳性和缺陷类型特征的重叠性,有效的质量评估声参数非常有限,而基于AR-SK相结合的声参数(峭度)提取方法,能有效分离鹅掌楸原木缺陷信号成分并对该原木质量进行较精确分等[43]。与常用速生造纸用材树种马尾松比较,生长8—9 a的亚美马褂木具有最佳的纤维形态,纤维细长、柔软具有接近马尾松的长宽比和壁腔比,且抽出物含量低的特性[44]。5 a生亚美马褂木纤维性能优于制浆造纸常用速生阔叶木纤维,木材密度符合制浆造纸用材要求,木片易成浆,未漂浆起始白度高,其浆料强度性能优于常用速生阔叶木浆,是制备化学浆和化机浆的优良材种,是一优良的造纸、木质纤维生物利用新原料[45]。亚美马褂木和北美鹅掌楸的综合机械加工性能在刨削、铣削、车削、开榫和砂削加工中均表现优秀;在钻削加工中,均为良好,机械加工性能综合评价均达到优秀等级[46]。同时根据木质素、纤维素特性进行开发成生物能源、生物基化学品及生物基材料等,提高其附加值,也是当今森林资源利用方向之一。

6 结语与展望

鹅掌楸属树种是优良的用材兼园林绿化树种,是良好的造纸、家具、胶合板以及粘胶纤维原料,同时含有抗炎、抗菌、抗肿瘤的内含物。因环境、人为、自身繁殖率低等因素影响,在中国境内天然鹅掌楸群体 “一带五岛”状分布,偏安一隅,与北美鹅掌楸广泛分布特点比较,或印证中国境内鹅掌楸的衰退处境。而加强鹅掌楸属树种的开发利用,有利于其受到更广泛关注,并进一步保护和推广。目前,针对鹅掌楸保护策略主要包括原地保护和迁地保护,同时原地保护应该注意保持生境连续性,以克服鹅掌楸居群内不同斑块之间的遗传异质性和基因流障碍,促进不同斑块之间的基因交流;异地保护则需科学采样,以保证种源的遗传多样性水平。

林木培育技术亦是鹅掌楸属树种能否推广的重要影响因素。鹅掌楸不同种源间生物学性状差异大,在选择种源时,应选择适应当地立地条件的种苗,做到适地适树。鹅掌楸在中国零星散状分布,地理化境存在差异地区,遗传多样性丰富,加强发掘优势特性,规避不良环境有天然优势性[44]。扦插、嫁接和组培苗的技术愈发成熟,将极大推动鹅掌楸属树种在我国的推广应用。此外,在造林推广应用中,应打破传统纯林造林方式,采用结构化森林经营方式来优化森林空间结构,使森林处于最佳生存化境中。鹅掌楸属树种病虫害较少,但还需注意防范,提高抗风险能力。

随着分子生物学实验技术的不断进步,鹅掌楸属的分子生物学研究取得了众多有意义的成果和突破,包括叶形发育、花色、生根及抗逆性调控等。然而,由于鹅掌楸属树种自身特性和地理分布的限制,加上其分子生物学研究团队的薄弱,资金投入不足等原因,分子生物技术在鹅掌楸属树种中的应用仍存在诸多难点。今后研究中,在高密度遗传谱图构建、特异种质的筛选和机理研究、蛋白组学及分子传导途径研究等几个方面亟须加强,结合组学、GWAS等手段促进功能基因组学的研究。

随着生活水平的提高,人类对物质材料的功能性、环保性、多样性的需求愈发强烈。利用鹅掌楸属树种优良的特性,开发高附加值产品,形成完整成熟的产业链,才能促进其良性循环发展。本文旨在通过对近十年来对鹅掌楸属树种种质资源、良种选育、无性繁殖、造林技术、木材特性、非生物胁迫、谱系地理学等方面的研究进展进行综述,以期加快鹅掌楸属树种研究,为濒危物种保护及植物资源合理利用提供科学依据。