李祥棟, 陸秀娟, 潘 虹, 魏心元, 石 明, 蘇 躍
(1.貴州黔西南喀斯特區(qū)域發(fā)展研究院, 貴州 興義 562400; 2.貴州省薏苡工程技術(shù)研究中心, 貴州 興義 562400; 3.貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 551400)
薏苡是中國(guó)最古老的禾本科作物之一,自古以來(lái)被列為上品,為典型的藥(醫(yī))食同源作物。傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)上,具有健胃脾、利濕、止痛、排膿、抗腫瘤、抗痙攣之功效?,F(xiàn)代藥理學(xué)研究表明,薏苡含脂肪酸(棕櫚酸、硬脂酸、亞油酸、油酸)、脂類、甾醇、三萜類、多糖類、氨基酸、維生素及多種礦物質(zhì),具有抗腫瘤、降血糖、抑制腫瘤血管生成及提高免疫力等多種藥理作用[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),近幾年國(guó)內(nèi)種植面積約80 000 hm2,主要集中在中國(guó)西南(貴州、云南、廣西、四川)及南方(福建、浙江、臺(tái)灣)地區(qū),北方的山東、河北、遼寧及山西等地也有零星種植。由于其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,且是中藥配方的重要組分,薏苡已經(jīng)發(fā)展為極具區(qū)域性的特色雜糧作物。
薏苡是C4高光效作物,理論上屬高產(chǎn)作物,但實(shí)際生產(chǎn)中薏苡籽粒產(chǎn)量較低。近年來(lái)通過(guò)品種更新和栽培技術(shù)提升,平均單產(chǎn)有了一定程度的提高(由150~200 kg/667m2增至250~300 kg/667m2),然而由于種種原因,薏苡產(chǎn)量未能像玉米、水稻一樣實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)(≥850 kg/667m2)甚至超高產(chǎn)(≥1 000 kg/667m2)。長(zhǎng)期以來(lái),薏苡作為主要農(nóng)作物(玉米、水稻、小麥等)的重要補(bǔ)充,多被用于傳統(tǒng)醫(yī)療配方、保健食品等方面,與玉米、水稻等禾谷類作物相比,其育種水平尚有較大差距,而育種水平的提升則是當(dāng)前提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在當(dāng)前發(fā)展條件下,薏苡種質(zhì)資源的挖掘利用、遺傳基礎(chǔ)的解析等基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展則成為傳統(tǒng)育種水平提升的重要?jiǎng)恿?。為薏苡單產(chǎn)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的提升提供思路,從薏苡屬作物科學(xué)本源出發(fā),闡述當(dāng)前薏苡種質(zhì)資源、遺傳基礎(chǔ)、品種選育與利用的研究現(xiàn)狀,并提出薏苡屬作物遺傳改良和品種選育方向。
薏苡屬于禾本科黍亞科下的一個(gè)植物分類學(xué)屬,是與多裔草屬、類蜀黍?qū)?、玉蜀黍?qū)?、摩擦禾屬平行的近緣屬。世界范圍?nèi),薏苡屬約有10個(gè)種,主要分布在亞洲,包括印度、東南亞國(guó)家(老撾、越南、馬來(lái)西亞等)、中國(guó)、日本和韓國(guó)。目前,有關(guān)薏苡的起源和散播途徑尚不清楚,但是從生物學(xué)特性看,薏苡屬于熱帶或亞熱帶沼生(水生)植物,因此,薏苡起源于熱帶或亞熱帶的沼澤地。從種質(zhì)資源的分布狀況看,印度、東南亞和中國(guó)很可能是薏苡的初生中心或次生中心。印度基于薏苡野生種CoixaquaticaRoxb.和C.lacryma-jobiL的發(fā)現(xiàn)認(rèn)為,薏苡起源于印度和緬甸東北部的廣闊山區(qū)地帶。也有學(xué)者[3-4]指出,薏苡起源于東南半島(Indo-China);另有研究認(rèn)為馬拉群島應(yīng)該是薏苡的起源中心[5]。HORE等[6]研究認(rèn)為,印度東北部是薏苡屬遺傳多樣性中心,可能是通過(guò)雅利安人或蒙古人的入侵,經(jīng)過(guò)喜馬拉雅山脈東部散播至低海拔的亞熱帶地區(qū)?!鞍宋濉逼陂g,中國(guó)學(xué)者首次在廣西發(fā)現(xiàn)有原始類型水生薏苡種的分布,因此桂西南地區(qū)被認(rèn)為也是薏苡的重要起源地之一[7-8]。
據(jù)文字記載披露,薏苡的馴化和利用在中國(guó)農(nóng)作物栽培史上曾扮演過(guò)重要角色,中國(guó)薏苡文明可能是貫穿于夏商時(shí)代(甚至更早)的農(nóng)業(yè)文明,是農(nóng)業(yè)文明之初的作物,對(duì)先民的生產(chǎn)、生活及意識(shí)形態(tài)等都產(chǎn)生了深刻的影響[9]。另外,薏苡作為夏商時(shí)代的主要糧食作物,也曾廣泛分布于中國(guó)汾渭流域,然而由于6 000年前汾渭流域不可逆轉(zhuǎn)的氣候轉(zhuǎn)變和薏苡本身的生物學(xué)缺陷不能適應(yīng)人類社會(huì)發(fā)展而逐漸失勢(shì),被粟、稻、麥等作物取代[10]。至今由于其藥用和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的突出優(yōu)點(diǎn),零星的區(qū)域性種植成了薏苡在中國(guó)的主要生產(chǎn)方式。
中國(guó)薏苡屬作物資源的系統(tǒng)化收集和保存起始于1985—1995年的國(guó)家種質(zhì)資源戰(zhàn)略普查,并對(duì)薏苡的生物學(xué)形態(tài)、植物學(xué)分類和遺傳學(xué)特性、地理分布特點(diǎn)等進(jìn)行相對(duì)完善的描述。據(jù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)時(shí)國(guó)家種質(zhì)庫(kù)保存登記的薏苡種質(zhì)有284份,其中產(chǎn)于廣西的121份,占42.6%;貴州27份,占9.5%;安徽22份,占7.7%;江浙27份,占9.5%;其他地區(qū)共占30.7%。近10年來(lái),隨著第二、三次種質(zhì)資源普查的縱深推進(jìn)和科研單位在品種選育等方面的努力,薏苡屬種質(zhì)資源也有所拓展。
關(guān)于薏苡屬內(nèi)的植物學(xué)分類,目前尚未完全統(tǒng)一。最初的分類有1種1變種[11-12],即川谷和薏苡變種,此后隨著資源普查鑒定的不斷深入,逐步發(fā)展了3種4變種[13]、4種8變種[14]、4種9變種[15]、5種4變種[16]和2種4變種[17]多種分類系統(tǒng)和方法。1997年中文版《中國(guó)植物志》采用5種4變種分類系統(tǒng),將薏苡屬分為水生薏苡(C.aquaticaRoxb)、小珠薏苡(C.puellarumBalansa)、薏米(C.chinensisTod.)、臺(tái)灣薏苡〔C.chinensisvar.formosana(Ohwi)L. Liu〕、薏苡(C.lacryma-jobivar.lacryma-jobi)、念珠薏苡(C.lacryma-jobivar.maximaMakino)和窄果薏苡(C.stenocarpaBalansa)。2006年出版的英文版《Flora of China》則將中國(guó)薏苡屬劃分為2種4變種,藥典中的薏苡拉丁名也與上述兩版記載不一致。相比之下,5種4變種、2種4變種分類系統(tǒng)均是考慮到了是否是多年生狀態(tài),總苞的質(zhì)地、大小和性狀等特征,但是2種4變種剔除了臺(tái)灣薏苡〔C.chinensisvar.formosana(Ohwi)L. Liu〕和念珠薏苡(C.lacryma-jobivar.maximaMakino)2個(gè)變種,并將薏苡原變種(C.lacryma-jobivar.lacryma-jobi)、薏米(C.chinensisvar.chinesisTod.)、小珠薏苡(C.puellarumBalansa)和窄果薏苡(C.stenocarpaBalansa)統(tǒng)一劃分為薏苡種(C.lacryma-jobi)下的4個(gè)變種。
在薏苡屬種質(zhì)資源的遺傳多樣性方面,諸多學(xué)者在植物學(xué)特征、生態(tài)型、形態(tài)表型等方面進(jìn)行了重要描述。黃亨履等[18]鑒定了我國(guó)17個(gè)省、市、區(qū)的102份薏苡資源,將我國(guó)的薏苡種質(zhì)資源劃分為3個(gè)生態(tài)型,即南方晚熟生態(tài)型、長(zhǎng)江中下游中熟生態(tài)型和北方早熟生態(tài)型。梁云濤等[19-20]考察和收集了來(lái)自中國(guó)廣西、日本、韓國(guó)的薏苡栽培資源和野生資源,并比較分析其在株高、葉面積、有效分蘗、主莖直徑、生育期等形態(tài)和農(nóng)藝性狀差異。王碩等[21]分析來(lái)自中國(guó)云南、貴州和廣西以及老撾和越南等地的25份薏苡種質(zhì)的主要農(nóng)藝性狀;李春花等[22]比較系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了65份云南的薏苡種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀多樣性,并將其劃分為5個(gè)類群。金關(guān)榮等[23]對(duì)我國(guó)的36份薏苡種質(zhì)的種子形態(tài)特征進(jìn)行多樣性評(píng)價(jià),并對(duì)優(yōu)異種質(zhì)進(jìn)行初步篩選。至今薏苡屬種質(zhì)資源的描述和品種鑒定已經(jīng)趨于規(guī)范化,2014年,四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所、云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所和農(nóng)業(yè)部科技發(fā)展中心聯(lián)合制定了《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測(cè)試指南薏苡》,之后以貴州省薏苡工程技術(shù)研究中心為主體的研究團(tuán)隊(duì)在總結(jié)前人研究和多年薏苡資源種植觀察的基礎(chǔ)上制定了《薏苡種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[24],明確薏苡屬種質(zhì)資源的描述規(guī)范、數(shù)據(jù)規(guī)范和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制及其數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定的原則與方法,有效規(guī)范薏苡種質(zhì)資源的收集、整理和保存工作;李秀詩(shī)等[25]以收集的248份薏苡種質(zhì)資源為基礎(chǔ),按地理來(lái)源將標(biāo)準(zhǔn)化的14個(gè)表型數(shù)據(jù)分組,構(gòu)建包含67份材料的初級(jí)核心種質(zhì)庫(kù)。
盡管薏苡在很久以前被人類所馴化和利用,甚至在傳統(tǒng)中藥配伍中也多有記載,但是在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里,薏苡屬作物基本上處于野生或半野生的生存狀態(tài),鮮有進(jìn)行遺傳改良。直至20世紀(jì)90年代,才有部分學(xué)者對(duì)薏苡的種間雜交進(jìn)行重要嘗試,并對(duì)雜交后代F1和F2進(jìn)行描述。1993年,宋秀英等[26]首次通過(guò)薏苡屬栽培種和野生種雜交,并對(duì)F1和F2后代進(jìn)行形態(tài)觀察和比較,確證F2后代出現(xiàn)性狀的瘋狂分離和超親變異,F(xiàn)1后代表現(xiàn)出遠(yuǎn)緣雜交的特征。之后喬亞科等[27-28]比較觀察薏苡和川谷雜交后代F1和親本的植株形態(tài)、抗性、同工酶譜等特征認(rèn)為,雜種F1在植株高度、單株葉面積、生長(zhǎng)勢(shì)和光合特征等方面表現(xiàn)出雜種優(yōu)勢(shì),在F2代植株的株高、生育期、果實(shí)性狀等方面發(fā)生廣泛分離,并首次報(bào)道薏苡柱頭顏色的遺傳表現(xiàn)為2對(duì)基因的互補(bǔ)作用。李貴全等[29]以薏苡和川谷雜交,并對(duì)其雜種后代表現(xiàn)進(jìn)行描述,經(jīng)8年選擇,獲得2個(gè)較穩(wěn)定的新品系,具有較強(qiáng)的抗黑穗病、葉枯病和耐寒能力。杜維俊等[30]以川谷和薏苡進(jìn)行雜交試驗(yàn)也證明,雜種F1在形態(tài)性狀、生長(zhǎng)勢(shì)、生物產(chǎn)量等方面表現(xiàn)較大優(yōu)勢(shì),并發(fā)現(xiàn)雜種F1代表現(xiàn)一定程度的不育。從前人的研究可以發(fā)現(xiàn),薏苡野生和栽培種之間的雜交后代F1表現(xiàn)出遠(yuǎn)緣雜交和雜種優(yōu)勢(shì)特征。貴州省薏苡工程技術(shù)研究中心在此基礎(chǔ)上通過(guò)不同的種間雜交和遺傳群體構(gòu)建,初步解析了薏苡總苞性狀(質(zhì)地、顏色、喙和縱長(zhǎng)條紋)及部分顏色性狀(芽/葉鞘色、苗期葉色、柱頭顏色等)的遺傳特點(diǎn),得出薏苡重要農(nóng)藝性狀的遺傳規(guī)律(表1)。
表1 薏苡重要農(nóng)藝性狀的遺傳規(guī)律
中國(guó)薏苡發(fā)展起步晚,直至20世紀(jì)80年代才開(kāi)始資源考察與收集,此前其品種選育基本處于農(nóng)民自發(fā)式的選擇狀態(tài)。隨著資源調(diào)查的開(kāi)展,一些比較優(yōu)良的地方資源(地方種)開(kāi)始被發(fā)現(xiàn),但栽培狀態(tài)也是作為藥用植物進(jìn)行種植,生產(chǎn)上未形成規(guī)模,育種工作多限于優(yōu)中選優(yōu)、提純復(fù)壯和“一穗傳”的系統(tǒng)選育階段。生產(chǎn)上推廣和應(yīng)用的薏苡品種基本上是當(dāng)?shù)仄贩N經(jīng)提純復(fù)壯或遺傳改良選育成的常規(guī)品種,全國(guó)范圍內(nèi)應(yīng)用品種較少,目前應(yīng)用比較廣泛的僅有10余個(gè)。從地理分布看,貴州主要品種為興仁縣地理保護(hù)品種興仁白殼以及晴隆糯薏仁、安薏1號(hào)、黔薏2號(hào)等幾個(gè)代表性品種;云南主要在師宗、文山一帶種植,主要品種有黑殼品種師薏1號(hào)、富薏1號(hào)和文薏1號(hào)等;廣西主要在西林、隆林一帶種植,推廣品種為地方品種廣西白薏苡或桂薏1號(hào);福建主要種植和推廣福建浦城地理保護(hù)品種浦薏6號(hào)以及仙薏1號(hào)、翠薏1號(hào)、龍薏1號(hào)等;河北薏苡品種主要是祁薏苡和冀薏1號(hào),遼寧薏苡品種主要是地方黑殼品種錦州薏米,臺(tái)灣主要種植臺(tái)中1號(hào)等品種。最近,四川農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)出2個(gè)飼用新品種大黑山薏苡和豐牧88,其中飼用品種豐牧88是利用二倍體大黑山薏苡和四倍體水生薏苡遠(yuǎn)緣雜交選育而成,充分利用三倍體不育及水生薏苡營(yíng)養(yǎng)繁殖特點(diǎn)以固定F1植株的雜種優(yōu)勢(shì),獲得巨大的生物量,驗(yàn)證了薏苡雜種優(yōu)勢(shì)利用的可行性。雖然通過(guò)薏苡育種家的努力取得了一定成效,但薏苡育種水平與玉米、水稻等高產(chǎn)作物相比尚有較大差距。貴州省薏苡工程技術(shù)研究中心通過(guò)對(duì)6個(gè)薏苡品種的干物質(zhì)累積及源庫(kù)特征分析發(fā)現(xiàn),目前薏苡品種物質(zhì)累積能力強(qiáng)、生物量大,但是籽粒收獲指數(shù)卻很低,僅為0.18~0.34,從側(cè)面反映了薏苡低產(chǎn)的重要原因[36]。
從薏苡的科學(xué)研究歷程看,2019年是薏苡基礎(chǔ)研究領(lǐng)域富有轉(zhuǎn)折意義的一年,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家玉米改良中心和四川農(nóng)業(yè)大學(xué)分別完成了栽培種和野生種薏苡核基因組測(cè)序和組裝、繪制出薏苡栽培種和野生種的2個(gè)全基因組草圖,并從基因組學(xué)角度探討薏苡的馴化過(guò)程[37-38]。一個(gè)物種基因組計(jì)劃的完成,意味著該物種學(xué)科和產(chǎn)業(yè)的新開(kāi)端,其必然會(huì)引發(fā)薏苡育種及相關(guān)技術(shù)的變革和應(yīng)用。因此,薏苡籽粒產(chǎn)量的進(jìn)一步提升亦需通過(guò)新技術(shù)來(lái)引領(lǐng)一場(chǎng)綠色革命,最終要回歸到其遺傳本源上。以基因組學(xué)為基礎(chǔ)的分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)及應(yīng)用、QTL定位和基因發(fā)掘等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù),如分子輔助育種、全基因組選擇育種、基因工程育種(轉(zhuǎn)基因或基因編輯設(shè)計(jì)育種)的應(yīng)用也將成為薏苡育種技術(shù)革新的重要引領(lǐng)。
良好的適應(yīng)性是物種在自然界生存的前提,而植株矮化是灌溉面積不斷擴(kuò)大、化肥廣泛應(yīng)用、機(jī)械化程度不斷提高的必然要求,并引發(fā)了水稻、小麥的第一次綠色革命。薏苡是短日照作物,但是種質(zhì)資源分布卻跨度極廣,從低緯度的東南亞至中國(guó)的遼寧,甚至韓國(guó)、日本均有分布。薏苡屬作物從原始的馴化起源地向新的區(qū)域不斷傳播和擴(kuò)張依賴于對(duì)光(光周期)、溫的準(zhǔn)確反應(yīng),準(zhǔn)時(shí)啟動(dòng)生殖發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá),使?fàn)I養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)入生殖生長(zhǎng),完成一次生命周期的循環(huán)。20世紀(jì)90年代,中國(guó)學(xué)者對(duì)于薏苡生態(tài)型的劃分也正是基于溫光反應(yīng)所產(chǎn)生的生態(tài)適應(yīng)性。貴州省薏苡工程研究中心通過(guò)對(duì)薏苡屬種質(zhì)資源的聚類分析也表明,高緯度材料表現(xiàn)為植株矮稈、莖細(xì)、葉片較小、節(jié)數(shù)少和分枝節(jié)位低、中等分蘗、籽粒形狀相對(duì)細(xì)長(zhǎng)等特點(diǎn),可作為矮稈育種材料的重要來(lái)源[39]。因此,可充分利用薏苡的溫光反應(yīng)特點(diǎn),以北種南引方式,實(shí)現(xiàn)矮稈、生育期相關(guān)基因的發(fā)掘和整合,以實(shí)現(xiàn)南方品種的矮化。
雜種優(yōu)勢(shì)的利用已經(jīng)在多種作物中得以應(yīng)用,如玉米、水稻、高粱等,是糧食增產(chǎn)的重要途徑中之一。目前,雄性不育已在自然界很多作物中存在,在多種禾本科作物中甚至實(shí)現(xiàn)了推廣應(yīng)用。薏苡作為禾本類作物的一種,其與高粱、玉米等的親緣關(guān)系較近[40],生物學(xué)特征也存在類似之處。在以往的薏苡和川谷(野生)的雜交試驗(yàn)研究中,其雜種F1代在產(chǎn)量、光合特性等方面也表現(xiàn)出明顯的雜種優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象。因此,薏苡的雜種優(yōu)勢(shì)在理論和實(shí)踐中是存在的,但其關(guān)鍵在于找到可利用的雄性不育系。研究發(fā)現(xiàn),在薏苡類群中存在著一種花粉不能正常發(fā)育的水生薏苡種,具體表現(xiàn):雄性穗狀花序中的花藥不能正常發(fā)育,花藥干癟不開(kāi)裂,無(wú)正常花粉;自然群體中不能正常結(jié)實(shí),靠分枝漂移繁殖;與薏苡屬其他種之間雜交不親和,具有明顯的生殖隔離現(xiàn)象。可能是薏苡雄性不育系選育的重要突破口,但應(yīng)用過(guò)程中存在比較嚴(yán)重的困難,主要有2個(gè)方面:一是生殖隔離問(wèn)題,二是解決其親本和F1代總苞的質(zhì)地問(wèn)題(即琺瑯質(zhì)外殼轉(zhuǎn)變?yōu)榧讱べ|(zhì)外殼)。由于水生薏苡存在多種染色體倍型(2n=10, 20, 40),因此與其他種之間的生殖隔離可能因倍型不同引起。以往進(jìn)行雜交試驗(yàn)的水生薏苡種為最原始的類型(2n=10),其不育性很可能是雜種染色體配對(duì)紊亂造成,也可能存在花粉不親和等原因。因此解決生殖隔離問(wèn)題,在選取材料時(shí)需進(jìn)行染色體倍型鑒定,選擇染色組與栽培種相同的類型(2n=20)或采用組織培養(yǎng)加倍等方式獲得與栽培種相同的倍型,推測(cè)染色體相同倍型條件下打破其生殖障礙的可能性更大。
用野生資源對(duì)栽培品種進(jìn)行遺傳改良是提高作物抗性、產(chǎn)量和品質(zhì)的重要手段之一。前期的基礎(chǔ)遺傳分析均表明,薏苡野生資源和栽培雜交其F1代表現(xiàn)出雜種優(yōu)勢(shì),甚至F2表現(xiàn)出遠(yuǎn)緣雜交特征并能提高植株抗性。周樹(shù)峰等[41]成功利用水生薏苡進(jìn)行飼用型薏苡種質(zhì)資源創(chuàng)制,獲得具有營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和雜種優(yōu)勢(shì)雙重優(yōu)勢(shì)的品種,則是野生資源利用的重要實(shí)踐。在薏苡與其他作物遠(yuǎn)緣雜交方面,段桃利等[42]通過(guò)觀察薏苡和摩擦禾花粉在玉米柱頭上的萌發(fā)和生長(zhǎng)情況,探討3種作物的遠(yuǎn)緣雜交不親和機(jī)制認(rèn)為,玉米與摩擦禾的親緣關(guān)系較薏苡近,但是均表現(xiàn)為雜交不親和,推測(cè)其有效應(yīng)用需要胚胎拯救或花粉管誘導(dǎo)等方式實(shí)現(xiàn)。此外,在薏苡屬內(nèi),除水生薏苡表現(xiàn)為營(yíng)養(yǎng)繁殖外,其他的種(變種)之間均不存在生殖障礙,因此通過(guò)種(變種)間雜交也是薏苡遺傳改良的重要途徑,薏苡及其近緣作物(玉米、大芻草、摩擦禾)的遠(yuǎn)緣雜交對(duì)于理解其在整個(gè)禾本科中進(jìn)化地位也具有重要價(jià)值。