張晶晶，張寧，華霜，于營，崔麗麗，宋娟，姚麗娜，鄭培和

（中國農(nóng)業(yè)科學院特產(chǎn)研究所，吉林 長春 130112）

人參（Panax ginseng C.A.Meyer）是五加科人參屬多年生草本植物，是聞名遐邇的東北三寶之首，具有很高的藥用價值，被譽為“百草之王”。人參根部可增強肺部功能、預防心血管疾病、腦血管疾病、慢性代謝綜合征和糖尿病等[1-3]。人參主產(chǎn)于我國東北、朝鮮、韓國、日本和俄羅斯遠東地區(qū)。據(jù)考證，我國是世界上栽培人參最早的國家[4]，人參種植約有400 多年的歷史，但由于人參生長周期長、對生長條件要求嚴格等因素導致傳統(tǒng)育種研究工作相對落后。近年來，隨著分子育種技術的快速發(fā)展，結合常規(guī)育種手段，人參的育種工作取得了較大進展，推動了人參新品種選育和優(yōu)良品種繁育的進程。本文對人參育種進程作以簡單的概述，并對未來研究工作進行了展望，以期為人參育種和種質資源評價與利用等相關研究提供一定的理論依據(jù)。

1 人參傳統(tǒng)育種技術的應用

傳統(tǒng)育種技術是利用傳統(tǒng)育種工具通過系統(tǒng)選擇、雜交、多世代篩選和純化的方式進行育種，從而獲得具有理想性狀的新品種，育種周期長，成本高。由于人參的生長周期長，致使人參育種研究發(fā)展緩慢[5]。目前，我國栽培的人參大部分是由野山參長期馴化而來的混合群體，在生產(chǎn)上缺少定向栽培[6]。人參產(chǎn)量和質量不高，主要是因為人參品種混雜，而且栽培技術相對落后，先進技術的應用還不成熟；在栽培過程中病蟲害影響較重，可導致產(chǎn)量減產(chǎn)20%～30%[7]。因此，人參育種研究不論在生產(chǎn)技術水平上，還是在栽培選育上都需要做進一步的研究。在國外，栽種人參的國家主要有韓國、日本、朝鮮和俄羅斯，其育種工作受到了很多研究者的廣泛關注。日本從50 年代開始便開展了人參育種研究相關工作，并通過系統(tǒng)選育的方法成功培育出人參新品種‘御牧’，該品種根形美觀，但產(chǎn)量不高[8]。韓國人參育種工作始于1968 年[9]，在育種中常用的方法為系統(tǒng)選育法，從1970 年到1990 年后期，選育人參品種的目標主要以高產(chǎn)優(yōu)質、抗病性強為主。韓國先后培育出‘天豐’、‘金豐’、‘高豐’、‘連豐’、‘仙豐’、‘仙云’、‘青仙’、‘仙原’及‘仙香’等10 余個新品種[10-13]。

2 人參現(xiàn)代育種技術的發(fā)展

隨著生產(chǎn)研究的發(fā)展，很多新的技術方法已經(jīng)在育種研究中得到了推廣和應用。分子育種是將分子生物學技術應用于常規(guī)育種中，輔助加速品種選育進程。常規(guī)育種注重表型選擇，而分子育種強調(diào)基因型選擇，同樣以優(yōu)異表型為育種目標，通過基因型來選擇表現(xiàn)型。分子育種發(fā)展速度快，且高效準確，成為未來育種學上的主要發(fā)展方向[14]。

分子育種的發(fā)展為作物育種提供了新的研究手段，其中分子標記是一種分子水平上的遺傳標記，是遺傳變異和物種鑒定不可或缺的工具，具有較高的準確性和重現(xiàn)性。在生物基因組相關研究中得到了廣泛的應用。在藥用植物中, 分子標記技術可用來輔助選擇育種，例如遺傳多樣性分析和種質資源鑒定等相關研究[15]。分子標記在人參中相對其他物種來說發(fā)展較晚，但因其不受耕作環(huán)境的影響，而且樣品可在實驗室中快速分析，近年來被廣泛應用于人參品種的鑒別中[16-18]。限制性內(nèi)切酶片段長度多態(tài)性（restriction fragment length polymorphism,RFLP）是發(fā)展最早的DNA 標記技術，廣泛應用在鑒定物種以及分類學的研究中，西洋參和人參可通過建立聚合酶鏈式反應-限制性片段長度多態(tài)性（PCR-RFLP）指紋圖譜的方法來鑒定，在酶切結果中顯示西洋參有80 bp 和42 bp 的兩條基因片段，而人參只有122 bp 的單一片段，可通過這種方法快速有效地鑒定人參和西洋參[19]。簡單重復序列標記（simple sequence repeats,SSR）是近幾年發(fā)展起來的以PCR 為基礎的分子標記技術，Kim 等[20]通過該方法構建了人參富含微衛(wèi)星的基因組文庫，可用于人參物種的連鎖分析、遺傳育種和鑒定。以吉林省5 個不同產(chǎn)地的人參為材料，通過運用SSR 分子標記技術進行研究，結果顯示，不同產(chǎn)地的人參在遺傳物質上表現(xiàn)出較高的多態(tài)性[21]。2014 年，Galina等[22]運用SSR 分子標記技術對俄羅斯瀕臨滅絕的人參進行了種群遺傳性狀的研究。單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism, SNP）是指在基因組水平上由單個核苷酸變異所引起的DNA 序列多態(tài)性，包括置換、顛換、缺失和插入。Jo 等[23,24]在人參的轉錄組信息中發(fā)現(xiàn)了大量的SNP，并運用高分辨率熔解曲線（high-resolution melting, HRM）方法對SNP 進行多態(tài)性分析，該方法能夠用于區(qū)分人參品種。SNP 分子標記技術可用來鑒定人參品種‘大馬牙’，根據(jù)特異SNP 位點，設計特異性引物，從而建立多重PCR體系，在實驗結果中顯示，只有‘大馬牙’產(chǎn)生了410 bp的特異性條帶，通過這種方法可以快速有效地鑒定人參品種‘大馬牙’[25]。此外根據(jù)特異性SNP 位點，還可對韓國人參品種‘G-1’進行分子鑒別[26]。由韓國選育栽培的優(yōu)良品種‘K-1’，其根系形態(tài)優(yōu)良，抗病性強，通過對人參病程性蛋白PR的5 個編碼基因進行多態(tài)性挖掘，開發(fā)了一套SNP標記和實時等位基因特異性PCR檢測的方法，可用于人參優(yōu)良品種的選育和種質資源的評價與利用[27]。DNA標記輔助育種結合系統(tǒng)選育技術已經(jīng)在育種中得到了廣泛地應用，該方法不僅準確性高，且可以縮短育種周期。

在植物育種中，基因工程技術得到了廣泛的應用，為基因結構和功能的研究提供了有力的手段，實現(xiàn)了對目的基因的分離、改造以及利用，從而培育出具有優(yōu)良性狀的植株，通過發(fā)根農(nóng)桿菌A4 菌株直接對人參根外植體誘導發(fā)根，可使人參發(fā)根系中的總皂苷含量高達15.2 mg g-1[28]。在西洋參品系中導入編碼幾丁質酶基因或與甜味蛋白相似的抗菌基因，提高了西洋參對病原菌的抗性[29,30]，在人參中也可以做類似的研究，推進人參抗病育種進程。

3 人參育種中多組學技術的應用

多組學技術的應用為人參育種提供了更多的遺傳信息。2017 年，陳士林等[31]對人參基因組進行了測序，并通過融合各種植物組織的轉錄組數(shù)據(jù)，研究了參與合成人參皂苷的基因。2018 年，Jayakodi M 等[32]利用人參的基因組、轉錄組和功能注釋數(shù)據(jù)，構建了人參基因組數(shù)據(jù)庫（http://ginsengdb.snu.ac.kr/），從而建立了一個動態(tài)數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫為分子育種提供了豐富的數(shù)據(jù)信息。人參葉綠體基因組可用來對種間系統(tǒng)發(fā)育進行分析以及開發(fā)種內(nèi)多態(tài)性標記，為人參育種提供更多的可能性[33-35]。

人參轉錄組方面的研究相對較多，在病害研究方面，通過轉錄組測序分析人參紅皮病的發(fā)病機制，發(fā)現(xiàn)該病害與環(huán)境條件息息相關[36]。因人參是多年生草本植物，喜陰涼濕潤的環(huán)境，導致人參極易感病，因此了解人參病害的分子生物學基礎將對人參栽培、篩選抗性基因和選育優(yōu)良品系等具有重要的意義。通過高通量測序，已經(jīng)闡明了人參在強光耐受性方面的分子遺傳機制，為人參育種以及改善人參的環(huán)境脅迫耐受性奠定了基礎[37]。通過對銹腐菌處理后的人參進行轉錄組測序，發(fā)現(xiàn)在不同時間所取的樣本中表達上調(diào)的unigenes 有2 494 個，表達下調(diào)的unigenes 有4 526 個，同時還發(fā)現(xiàn)與抗性相關的unigenes 有257 個，其中與抗性相關的轉錄組因子有29 個[38]。病程相關蛋白（pathogenesis-related proteins, PRP）是在植物防御病害反應中產(chǎn)生的一類蛋白，該研究中有2 個unigenes（c55244_g1 和c58299_g4）注釋為PRP，在病菌侵染后表達呈上調(diào)趨勢，該研究結果為人參品種選育及抗病機制等方面的研究奠定了基礎。蛋白質組學分析表明，人參皂苷的生物合成隨著其生長年限的增長而增加[39]，通過分析人參皂苷的生物合成，有利于培育高質量人參。

4 現(xiàn)已選育出的人參品種

人參育種工作目前主要集中在中國和韓國，且隨著育種技術的發(fā)展，經(jīng)過育種研究者們的長期努力和實踐，人參在育種方面已經(jīng)取得了顯著成績。我國目前已選育出十幾個人參品種[40-46]，見表1。研究選育的‘吉參1 號’，其在幼苗期和成齡期均表現(xiàn)出良好的豐產(chǎn)性，單根重較大，主根較長，根形好，但抗病性一般?！贮S果人參”，其產(chǎn)量中等，但是藥效成分含量高。‘新開河1 號’選育及示范推廣，推動了我國人參產(chǎn)業(yè)向標準化、規(guī)范化與國際化發(fā)展的進程。

表1 我國目前已選育的人參品種Table 1 Selected ginseng varieties in China

續(xù)表1

韓國在人參育種方面也取得了很大研究進展。1972 年，由Woo-Saeng Kwon 通過田間篩選的方法，篩選出多個高產(chǎn)優(yōu)質的人參品系，后由韓國人參煙草研究所采用純系分離法成功栽培選育出人參優(yōu)良品系7259-3-1；1998年，該品系被商業(yè)化為品種‘Chunpoong’，該品種高產(chǎn)優(yōu)質，且對人參銹腐病具有較強的抵抗力[47,48]。‘Yunpoong’是韓國于2002 年通過系統(tǒng)選育法分離選育出的一個新品種，其特點是根形好，產(chǎn)量高，可用于人參的大量栽培和生產(chǎn)[49]。‘Gopoong’也是由Woo-Saeng Kwon 所選育出的優(yōu)良品種，特點是根形好，皂苷含量高[50]?！甋unone’是韓國在1996 年選育的一個新品種，該品種對人參根腐病具有較強的抗性[12]。韓國在黃果人參育種方面也開展了相關研究，‘Gumpoong’是由韓國選育的黃果人參，該品種具有良好的根系形狀，高產(chǎn)且具有較強的抗病能力[52]?！甋unhyang’是由韓國選育的一種富含芳香成分的品種[53,54]?！甂-1’是韓國從1984 年開始栽培選育的一個優(yōu)良品種，其根形好，抗病能力強，栽種范圍廣[27]?！瓽-1’是2012 年由韓國栽培選育出的新品種，研究者對其皂苷含量、產(chǎn)量、根形以及抗病性做了相關分析[26]?！甂owon’是由韓國于2013 年選育出的一個新品種，其抗黑斑病能力強且產(chǎn)量高[55]。

5 展望

人參在育種方面雖然取得了一定的進展，但是相對其他作物來說還很滯后。為推進人參育種進程，保證人參種質資源的可持續(xù)利用，需加大相關研究力度，完善人參種質資源保存體系，同時建立規(guī)范化的種植基地。

選育具有優(yōu)良性狀的新品種極為重要，在技術方法上，目前系統(tǒng)選育法仍然是人參品種選育的主要途徑，但隨著育種技術的發(fā)展，可借助分子育種等技術加快育種進程，提高良種篩選和純種培育的效率，所以在今后的育種工作中，應著重對人參種質資源進行評價與保護，通過傳統(tǒng)育種方法和現(xiàn)代育種技術相結合，有望栽培選育出高產(chǎn)、優(yōu)質、抗病性強及適應性強的優(yōu)良品種，同時挖掘和創(chuàng)造優(yōu)良農(nóng)藝性狀也是人參的育種目標。優(yōu)良農(nóng)藝性狀關系到人參的產(chǎn)量與質量。借助分子標記技術構建人參的遺傳連鎖圖譜，挖掘更多種質資源遺傳信息，開發(fā)優(yōu)良性狀的分子標記，將有助于推進人參育種進程。

隨著生產(chǎn)的需要、新技術的開發(fā)和利用以及各種先進儀器設備的研發(fā)、分子生物學和生物信息學等學科的應用和測序技術的快速發(fā)展，基因組、轉錄組、蛋白組和代謝組等多組學技術在人參中的廣泛應用，通過大數(shù)據(jù)的挖掘與利用、基因編輯等日新月異的技術手段，有望選育更多符合生產(chǎn)和實踐需要的人參新品種，相信這些新技術的應用和推廣必將為人參種質創(chuàng)新帶來重大突破，從而為人參種質資源的開發(fā)和藥用植物在育種方面的研究奠定良好的基礎。