馬云婷,史文君,2,張得芳,2,3

(1.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院,青海 西寧 810016;2.青海高原種質(zhì)資源研究與利用實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810016;3.國(guó)家林草局青海高原林木遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810016)

我國(guó)是世界公認(rèn)的物種多樣性中心之一,擁有著豐富的生物資源和林木種質(zhì)資源。具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的樹種約1 000種。但是隨著人口的快速增長(zhǎng),對(duì)林木過度的開發(fā)和不合理利用等因素的影響,使得林木種質(zhì)資源流失非常嚴(yán)重,這不僅是對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的巨大破壞,也會(huì)減少人工林樹種的遺傳多樣性。這些種質(zhì)資源一旦丟失,其中的基因?qū)⒑茈y被再造出來。因此對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的林木種質(zhì)資源的收集、保護(hù)、保存和研究工作是非常有意義的。林木種質(zhì)資源是林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和保障。隨著人們對(duì)木材和森林資源需求的不斷增加,對(duì)林木種質(zhì)資源的研究和利用變得越來越重要。通過收集和研究各種林木種質(zhì)資源,可以發(fā)現(xiàn)和利用不同品種的遺傳特性,提高林木的產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性,為我國(guó)的糧油安全和能源安全提供重要的支撐。此外,林木種質(zhì)資源的研究還對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定具有重要作用。林木種質(zhì)資源的保護(hù)和維護(hù)可以促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性,提高生態(tài)系統(tǒng)的抗逆性和適應(yīng)性。這對(duì)于維護(hù)國(guó)家生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 構(gòu)建林木核心種質(zhì)資源的重要性

隨著種質(zhì)資源的廣泛收集和不斷積累,種質(zhì)庫(kù)的規(guī)模也相應(yīng)擴(kuò)大,這極大地提高了種質(zhì)庫(kù)的管理費(fèi)用,提高了特異種質(zhì)材料篩選的難度。同時(shí),面對(duì)大量的遺傳材料,育種工作者無法對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)、深入、高效的評(píng)價(jià)鑒定及管理工作,久而久之,這種情況可能會(huì)造成種質(zhì)的大量流失,無法有效地利用優(yōu)質(zhì)資源,從而對(duì)生物多樣性造成潛在的威脅。在此背景下,核心種質(zhì)的概念被提出,所謂核心種質(zhì)就是用最少的種質(zhì)數(shù)量和最低的遺傳冗余最大程度地代表一個(gè)物種最豐富的遺傳多樣性、結(jié)構(gòu)及地理分布[1]。核心種質(zhì)是一個(gè)通過特定方法從整個(gè)種質(zhì)資源中挑選出來的關(guān)鍵部分,其目的是以最小的資源數(shù)量和遺傳重復(fù),盡可能地展現(xiàn)整個(gè)遺傳資源的多樣性。核心種質(zhì)可以幫助研究者快速找到具有目標(biāo)性狀的種質(zhì),從而高效地評(píng)估、研究和利用種質(zhì)資源[2-3]。另外,未包含在核心種質(zhì)中的材料并不會(huì)被遺棄,而是作為保留種質(zhì)進(jìn)行保存。這意味著核心種質(zhì)并不是一個(gè)固定的集合,而是一個(gè)持續(xù)更新和發(fā)展的動(dòng)態(tài)過程。在發(fā)現(xiàn)新的稀有或具有特定有用性的種質(zhì)材料時(shí),這些材料會(huì)被及時(shí)添加到核心種質(zhì)中,以確保核心種質(zhì)能夠始終代表原始群體的最大遺傳多樣性[4],核心種質(zhì)一般應(yīng)具備代表性、異質(zhì)性、動(dòng)態(tài)性和實(shí)用性等特征[5]。

核心種質(zhì)的構(gòu)建對(duì)于保護(hù)和利用林木種質(zhì)資源具有重要意義。首先,核心種質(zhì)可以有效地保護(hù)林木種質(zhì)的遺傳多樣性,避免資源的流失。其次,核心種質(zhì)可以作為育種的基礎(chǔ)材料,為新品種的選育提供重要的遺傳資源。最后,核心種質(zhì)的構(gòu)建也有助于深入研究林木的遺傳性狀和生態(tài)適應(yīng)能力。總的來說,構(gòu)建林木核心種質(zhì)是保護(hù)和利用林木種質(zhì)資源的重要手段,對(duì)于了解林木遺傳性狀、深入挖掘優(yōu)異種質(zhì)資源、提高林木種質(zhì)資源的高效評(píng)價(jià)、保護(hù)和合理利用價(jià)值具有重要的實(shí)踐意義。

2 林木核心種質(zhì)資源的收集與構(gòu)建

核心種質(zhì)的構(gòu)建主要包括數(shù)據(jù)收集整理、數(shù)據(jù)分組、樣品選擇以及核心種質(zhì)的管理四個(gè)部分[6]。數(shù)據(jù)收集整理是核心種質(zhì)構(gòu)建的基礎(chǔ),通常需要收集和整理大量的表型性狀數(shù)據(jù)、遺傳信息數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)等,以確保數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性;數(shù)據(jù)分組是根據(jù)物種的遺傳背景、生態(tài)適應(yīng)性、地理分布等因素,將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組,這些分組應(yīng)該能夠代表該物種的不同遺傳和表型多樣性;樣品選擇是在數(shù)據(jù)分組的基礎(chǔ)上,選擇具有代表性的樣品作為核心種質(zhì),這些樣品應(yīng)該能夠代表不同分組中的遺傳和表型多樣性;核心種質(zhì)的管理是確保其質(zhì)量和可持續(xù)性的關(guān)鍵環(huán)節(jié),需要制定科學(xué)的管理計(jì)劃,包括定期評(píng)估和更新核心種質(zhì)、確保其遺傳和表型多樣性的維持以及定期進(jìn)行繁殖和更新等。

核心種質(zhì)構(gòu)建過程中的數(shù)據(jù)包括基本數(shù)據(jù)、特征數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)鑒定數(shù)據(jù)三個(gè)部分[7]?；緮?shù)據(jù)是指有種質(zhì)的表型形態(tài)、生化標(biāo)記特征和分子標(biāo)記特征等表征種質(zhì)特征的數(shù)據(jù),即與種質(zhì)來源相關(guān)材料。包括收集地基本信息、生態(tài)地理狀況或育種體系、種質(zhì)來源的分類體系等有關(guān)信息[8]。特征數(shù)據(jù)是指包括形態(tài)(質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀)、生化標(biāo)記(同工酶等)、分子標(biāo)記(ISSR、SSR、AFLP)等在內(nèi)的能反映種質(zhì)基本特征的數(shù)據(jù)。評(píng)價(jià)鑒定數(shù)據(jù)主要是指對(duì)核心種質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)和鑒定的數(shù)據(jù),包括遺傳分析、表型性狀的評(píng)估、生態(tài)適應(yīng)性試驗(yàn)等?；緮?shù)據(jù)的利用已是最普遍的方法。特征數(shù)據(jù)在收集的種質(zhì)較齊全的物種中利用較多。

構(gòu)建林木核心種質(zhì)的方法包括:首先,根據(jù)該物種的表型性狀和遺傳背景,選擇一組具有代表性的個(gè)體;其次,對(duì)這些個(gè)體進(jìn)行表型性狀和遺傳分析的測(cè)量;最后,根據(jù)表型性狀和遺傳分析的測(cè)量結(jié)果,將這些個(gè)體組合成一個(gè)核心種質(zhì)。

由于大部分表型數(shù)據(jù)為數(shù)量性狀,存在很大的環(huán)境相關(guān)性,容易受到生長(zhǎng)環(huán)境的影響而產(chǎn)生分化,同時(shí)又存在很大的試驗(yàn)誤差,因此不能正確反映種質(zhì)資源遺傳結(jié)構(gòu),通過對(duì)作物表型性狀差異進(jìn)行評(píng)價(jià),可以深入理解種質(zhì)的遺傳多樣性分析。核心種質(zhì)方法雖然有其優(yōu)點(diǎn),但也存在一些局限性。表型數(shù)據(jù)通常受到基因型與環(huán)境之間相互作用的影響,這可能會(huì)影響到數(shù)據(jù)的一致性和可解釋性。此外,表型數(shù)據(jù)通常只能反映物種在某一特定發(fā)育階段的特征,而無法捕捉到其在其他生命階段或不同環(huán)境條件下的表現(xiàn)。因此,有時(shí)很難獲取具有多態(tài)性的表型數(shù)據(jù)。而分子標(biāo)記技術(shù)提供了一種在DNA水平上直接反映種質(zhì)資源基因型和遺傳結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的方法。與表型數(shù)據(jù)相比,分子標(biāo)記技術(shù)所得到的數(shù)據(jù)受環(huán)境影響較小,具有更高的多態(tài)性和更快的檢驗(yàn)速度。這使得我們能夠更準(zhǔn)確地評(píng)估種質(zhì)的遺傳多樣性和進(jìn)化關(guān)系。在作物種質(zhì)資源研究中,分子標(biāo)記的應(yīng)用具有顯著的價(jià)值。

核心種質(zhì)構(gòu)建中常用的系統(tǒng)聚類方法有:最短距離法、最長(zhǎng)距離法、中間距離法等,它們的聚類步驟完全一樣,僅類與類之間的距離定義方法不同,采用不同的方法對(duì)同一組數(shù)據(jù)聚類時(shí),分類結(jié)果往往不盡相同。

3 基于表型的核心種質(zhì)構(gòu)建及研究進(jìn)展

基于表型數(shù)據(jù)的核心種質(zhì)主要是通過對(duì)植物的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行觀察、度量和鑒別分析得出的多樣性參數(shù)。這些參數(shù)可以反映植物種質(zhì)在形態(tài)學(xué)、解剖學(xué)和結(jié)構(gòu)特征方面的變異和多樣性[9]。運(yùn)用表型多樣性參數(shù)來檢測(cè)遺傳變異是一種最直接的方法。性狀的表型多樣性參數(shù)指標(biāo),是控制各性狀表現(xiàn)的遺傳型在一定的內(nèi)外部理化環(huán)境作用下遺傳型與環(huán)境互作的結(jié)果,是生物遺傳多樣性的間接的表型反映[10]。在表型多樣性參數(shù)的測(cè)定中,采取科學(xué)樣本策略和量化并評(píng)測(cè)環(huán)境差異是非常重要的。這樣可以更真實(shí)地揭示遺傳差異,從而更準(zhǔn)確地反映基因型上的差異[11]。

通常利用的性狀分為兩類,一類是質(zhì)量性狀,包括符合孟德爾遺傳規(guī)律的單基因性狀和稀有突變等。這些性狀通常受單個(gè)基因的控制且表現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定,容易進(jìn)行遺傳分析。另一類是數(shù)量性狀,這些性狀通常受到多個(gè)基因的影響。性狀表型測(cè)定是在資料收集的基礎(chǔ)上,進(jìn)行野外調(diào)查、單株數(shù)量性狀觀測(cè)等手段,結(jié)合統(tǒng)計(jì)軟件分析估算種群遺傳變異程度和遺傳結(jié)構(gòu)。在許多場(chǎng)合利用表型多樣性參數(shù)測(cè)定遺傳變異是最現(xiàn)實(shí)的方法,尤其當(dāng)要求在短期內(nèi)對(duì)變異有所了解或在其它生化方法無法進(jìn)行時(shí),世紀(jì)的經(jīng)典遺傳學(xué)就采用了最直接的性狀表型作為了解遺傳差異的標(biāo)記。

張歡等基于水青樹葉的表型性狀構(gòu)建了其核心種質(zhì),并發(fā)現(xiàn)在歐氏距離結(jié)合瓦爾德法聚類條件下,位點(diǎn)優(yōu)先取樣策略是構(gòu)建水青樹種質(zhì)資源核心庫(kù)的最佳方法[12]。

鐘永達(dá)等利用種子大小、千粒質(zhì)量、苗高和地徑4個(gè)表型性狀數(shù)據(jù),對(duì)217份中國(guó)樟樹種質(zhì)資源進(jìn)行了核心種質(zhì)構(gòu)建和代表性檢驗(yàn)。這種方法可以了解不同種質(zhì)間的相似性和差異性,并確定哪些種質(zhì)可以作為核心種質(zhì)。最終成功構(gòu)建了中國(guó)樟樹核心種質(zhì),并對(duì)其進(jìn)行了評(píng)價(jià)。這一核心種質(zhì)的建立將有助于更好地保護(hù)和利用中國(guó)樟樹這一重要的生物資源[13]。

雖然以表型為主的篩選方法簡(jiǎn)便,易于觀察,但是也存在著受環(huán)境影響較大,容易產(chǎn)生不同的生態(tài)型,并且受到不同生長(zhǎng)和發(fā)育階段等的影響,從而使數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差等缺點(diǎn)。

4 基于分子標(biāo)記的核心種質(zhì)構(gòu)建

隨著科技的發(fā)展,很多分子標(biāo)記技術(shù)被迅速地應(yīng)用到核心種質(zhì)篩選中,分子標(biāo)記技術(shù)能在DNA水平上檢測(cè)到所有種質(zhì)的特性和種質(zhì)之間的差異,同時(shí)還不受環(huán)境和發(fā)育階段的影響,具有很高的穩(wěn)定性。

林木核心種質(zhì)構(gòu)建過程中常用的分子標(biāo)記包括SSR、SNP、AFLP等。SSR(Simple Sequence Repeat)是一種以串聯(lián)重復(fù)序列為特征的DNA分子標(biāo)記技術(shù)。它具有多態(tài)性高、重復(fù)性好、共顯性等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于基因組遺傳分析和品種鑒定等領(lǐng)域。SNP(Single Nucleotide Polymorphism)是一種以單堿基突變位點(diǎn)為特征的DNA分子標(biāo)記技術(shù)。它具有密度高、覆蓋全基因組、易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),是近年來發(fā)展最快的分子標(biāo)記技術(shù)之一。AFLP(Amplified Fragment Length Polymorphism)是一種基于PCR的DNA分子標(biāo)記技術(shù),它通過選擇性擴(kuò)增基因組DNA片段來產(chǎn)生多態(tài)性標(biāo)記。AFLP具有高分辨率、高靈敏度、高重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于品種鑒定、遺傳育種、進(jìn)化分析等領(lǐng)域。

這些分子標(biāo)記被廣泛應(yīng)用于基因組的遺傳分析、品種鑒定、遺傳育種等方面。為構(gòu)建核心種質(zhì)提供了重要的工具和手段,可以用于鑒定不同種質(zhì)資源的遺傳背景、親緣關(guān)系和遺傳多樣性等方面,從而為選擇和收集最具代表性的個(gè)體組成核心種質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

Mouhaddab J等利用ISSR標(biāo)記構(gòu)建了240個(gè)表型的摩洛哥堅(jiān)果樹的核心種質(zhì),利用14個(gè)集合代表了100%的遺傳多樣性。基于算法、主坐標(biāo)分析和貝葉斯分析的非加權(quán)對(duì)群方法清楚地顯示了種源的高度遺傳結(jié)構(gòu),同時(shí)尊重平原和高海拔地區(qū)之間的地理鄰近性。遺傳距離與地理距離的Mantel檢驗(yàn)呈極顯著[14]。Balas F C等用簡(jiǎn)單序列重復(fù)(SSR)標(biāo)記建立了無花果的核心種質(zhì)。采用隨機(jī)抽樣、最大化、模擬退火和逐步聚類四種方法確定了開發(fā)該木本植物核心種質(zhì)的最佳方法。將各亞群的遺傳多樣性與全集的遺傳多樣性進(jìn)行比較[15]。Mouhaddab J基于ISSRs和SSRs的基因分型數(shù)據(jù),構(gòu)建了13個(gè)和96個(gè)基因型的核心標(biāo)本,分別占銀葉銀杏總標(biāo)本的2.7%和20%。整個(gè)收集中出現(xiàn)的等位基因100%出現(xiàn)在核心組中[16]。

Belaj A等利用SSR、SNP和DArT標(biāo)記,基于M(即最大)策略對(duì)361份橄欖材料進(jìn)行核心種質(zhì)構(gòu)建,根據(jù)所有數(shù)據(jù)集和標(biāo)記獲得的信息,選擇了18、27、36、45和68份橄欖材料的子集,分別占整個(gè)種質(zhì)資源的5%、7.5%、10%、12.5%和19%。根據(jù)最后的研究結(jié)果,代表總收藏規(guī)模10%至19%的核心種質(zhì)收藏可以被認(rèn)為是保留該收藏中發(fā)現(xiàn)的大部分遺傳多樣性的最佳選擇[17]。

利用SLAF-seq(Specific-locus Amplified Fragment Sequencing)高通量測(cè)序技術(shù),通過逐步篩選,獲得了杉木(Cunninghamialanceolata)一個(gè)核心集合(核心0.650),其中包含143種基因型,這些基因型包含了整個(gè)種群的所有等位基因、多樣性和特定遺傳結(jié)構(gòu)[18]。

Uchiyama K等利用SNP標(biāo)記,對(duì)日本柳杉510個(gè)體的群體結(jié)構(gòu)和全基因組連鎖不平衡(Linkage Disequilibrium,LD)進(jìn)行了研究,全面覆蓋了該物種的自然分布范圍,并結(jié)合生長(zhǎng)指標(biāo)與地理分布構(gòu)建日本柳杉核心種質(zhì)[19]。

核心種質(zhì)構(gòu)建后,需要用一些能反映物種特征的參數(shù)來評(píng)價(jià)和驗(yàn)證所構(gòu)建的核心種質(zhì)能多大程度的代表該原始群體的遺傳多樣性。檢驗(yàn)方法主要分為表型水平的代表性檢驗(yàn)和分子水平的代表性檢驗(yàn)。表型水平的遺傳多樣性檢驗(yàn),主要評(píng)價(jià)參數(shù)有方差、標(biāo)準(zhǔn)差、極差、平均數(shù)和變異系數(shù)等[20-22]。通常認(rèn)為表型性狀易受環(huán)境等因素影響,不能準(zhǔn)確的反映表型及基因型上的差異。分子水平上核心種質(zhì)的遺傳多樣性檢驗(yàn),主要評(píng)價(jià)參數(shù)有:Nei’s 多樣性指數(shù)、Shannon-Weaver指數(shù)、Simpson指數(shù)、等位基因數(shù)、多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)等參數(shù)[23-25]。

在林木核心種質(zhì)構(gòu)建實(shí)際應(yīng)用中一般都以表型數(shù)據(jù)或分子標(biāo)記數(shù)據(jù),或者是二者結(jié)合進(jìn)行篩選和構(gòu)建[26-28]。目前,已經(jīng)在葡萄[29]、新疆野杏[30]、新疆野蘋果[31]、核桃[32]、板栗[33]、柚類[34]、桂花[35]、獼猴桃[36]和橡膠[37]等多種林木中進(jìn)行了核心種質(zhì)構(gòu)建和評(píng)價(jià)研究與應(yīng)用。

5 展望

林木核心種質(zhì)的構(gòu)建可以有效地保護(hù)林木種質(zhì)的遺傳多樣性,避免資源的流失,也可以作為育種的基礎(chǔ)材料,為新品種的選育提供重要的遺傳資源,有助于深入研究林木的遺傳性狀和生態(tài)適應(yīng)能力。林木核心種質(zhì)的構(gòu)建未來發(fā)展趨勢(shì)可能會(huì)涉及以下幾個(gè)方面:

(1)擴(kuò)大物種范圍:隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展,未來林木核心種質(zhì)的構(gòu)建將會(huì)更加注重物種多樣性的保護(hù)和利用。除了常見的森林樹種,還會(huì)將更多的珍貴、瀕危和特色樹種納入核心種質(zhì)構(gòu)建行列,以全面保護(hù)和利用森林生物多樣性;

(2)精準(zhǔn)育種:通過基因編輯、基因測(cè)序等先進(jìn)技術(shù),未來林木核心種質(zhì)的育種將會(huì)更加精準(zhǔn)和高效。育種過程中將會(huì)更加注重目標(biāo)性狀的選擇和優(yōu)化,以及適應(yīng)不同環(huán)境和市場(chǎng)的需求,提高林木的品質(zhì)、抗性和生產(chǎn)力;

(3)聯(lián)合全球資源:隨著全球氣候變化和森林破壞的加劇,未來林木核心種質(zhì)的構(gòu)建將會(huì)更加注重全球合作和資源共享。各國(guó)將會(huì)共同制定和實(shí)施核心種質(zhì)構(gòu)建計(jì)劃,聯(lián)合全球的林木種質(zhì)資源,共同應(yīng)對(duì)氣候變化和生態(tài)保護(hù)的挑戰(zhàn);

(4)智能化管理:未來林木核心種質(zhì)的構(gòu)建將會(huì)更加注重智能化管理。通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)核心種質(zhì)的自動(dòng)化采集、分析、評(píng)估和管理,提高核心種質(zhì)的利用效率和維護(hù)水平;

(5)跨界融合創(chuàng)新:未來林木核心種質(zhì)的構(gòu)建將會(huì)更加注重跨界融合創(chuàng)新,林木科學(xué)與其他學(xué)科領(lǐng)域的交叉融合將會(huì)促進(jìn)核心種質(zhì)研究的創(chuàng)新和發(fā)展,產(chǎn)生新的思想和成果,為森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)和生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)支撐。

總之,未來林木核心種質(zhì)的構(gòu)建將會(huì)涉及更多的技術(shù)、學(xué)科和領(lǐng)域的交叉合作,同時(shí)也需要全球共同努力來實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)性和生態(tài)友好發(fā)展。