关于我国林木育种向智能分子设计育种发展的思考

“作物育种4.0”的提出,为我国林木遗传育种指明了向智能分子设计育种发展的前进方向。本文提出了理想品种的概念及其智能设计实现条件,简要综述了我国林木遗传育种研究历史以及存在的问题,并提出了推动我国林木智能分子设计育种的发展对策等。林木遗传育种应该瞄准国家林业重大需求,有组织地选择重要树种系统布局,在推动树种高世代遗传改良及其利用的同时,准备系谱关系清晰的育种资源群体,做到等位变异有迹可循;解析重要性状遗传变异规律及其调控网络,实现基因调控有据可查;建立高效的多组学大数据整合分析以及育种群体构建、亲本选配和后代选择等分子设计育种技术方法体系,保证智能育种有“法”可依等。逐步解决我国林木遗传育种中存在的问题,为实施林木智能设计育种创造理想条件。在每一育种世代品种向理想品种选育的推进过程中,尽可能将智能分子设计育种的最新理论和技术成果应用于育种实践,选育出高产、优质、高抗的当前世代理想品种,满足国家林业发展的现实需要。

关于理想森林及其经营的遗传学思考

我国是当今全球森林资源增长最多的国家。如何在此基础上科学、生态、节俭地提高森林生态系统稳定性和林地生产力,充分发挥森林的多功能作用,是我国林业界今后相当长的时间内必须面对的问题。本文首先基于森林永续利用思想理论的回顾,提出遗传学层面的理想森林概念,即拥有与分布区自然地理相适应的树种组成及群体遗传结构,优势树种持续保持丰富的群体遗传多样性,以及自然稀疏和自然更新能力,且生长等目标性状相关基因的正向等位变异高度聚合,可在更短时间内形成与立地环境相匹配的生态适应性和最高生产力的森林。通过不同森林类型的遗传特点分析,进一步提出基于遗传学和生态学原理,充分利用自然选择和竞争等生物间及其与环境间的互作机制等自然力,并采取一定的人工辅助措施促进森林群体遗传进展和稳定性,培育生产力高的健康森林的理想森林经营概念。认为遗传基础窄化的商品林适合采取法正林类模式集约经营,而遗传基础宽泛的商品林则适合采取理想森林经营。并针对我国森林遗传品质劣化的问题,提出从良种抓起,铸牢森林遗传基础,推动森林遗传进展,重塑森林遗传品质的理想森林经营基本路径。建议在今后的森林质量提升工作中,应以理想森林为目标,建立森林经营国家机制,重构国家公益林和商品林比重,严格森林分类管理和分类经营,加强森林基础科学研究,按种子区划育种、制种和用种,通过专业化的理想森林经营,实现国家森林越采越多、越采越好。

秋水仙碱诱导白杨三倍体新途径的发现

以银腺杨等为母本 ,毛白杨为父本 ,授粉后一定时间采用秋水仙碱溶液处理花序 ,共获得 40 2粒种子 ,成苗10 7株 ,从中检出 2 1株银腺杨×毛白杨三倍体 .证明授粉后 2 4～ 3 6h是施加秋水仙碱诱导白杨三倍体的有效时期 ,三倍体得率最高达 57 1% .通过这一途径获得的白杨三倍体同样具有十分明显的生长优势 ,2年生实生苗的平均苗高、地径超出全部后代群体总平均值的 2 9%和 65% ,其中以BY3 2 0等表现最佳 ,分别超出群体平均数的 55%和119% .

银腺杨与毛新杨正反交三倍体选育

采用花粉染色体人工加倍获得的银腺杨 (Populusalba×P .glandulosa)、毛新杨 (P .tomentosa×P .bolleana)未减数 2n花粉 ,施加一定剂量的辐射处理后杂交 ,两杂交组合共获得 16株三倍体 .其中银腺杨×毛新杨组合以1470rad处理最佳 ,三倍体得率 3 .8% ;而毛新杨×银腺杨 (16 80rad)则获得了高达 12 .9%的三倍体 .三倍体整体生长水平优势明显 ,单株生长更为突出 ,2年生实生苗的苗高和地径最高 4.9m和 5 .8cm ,分别超出群体平均值的5 8%和 176 % ;并且正反交三倍体的遗传效应差异明显 .利用未减数 2n花粉 ,经花粉辐射处理杂交选育杂种三倍体 ,将是今后白杨乃至杨属植物育种的最有效途径之一 .

杨树花粉染色体加倍有效处理时期的研究

以毛新杨（Ｐｏｐｕｌｕｓｔｏｍｅｎｔｏｓａ×Ｐ．ｂｏｌｅａｎａ）为材料，在掌握小孢子母细胞减数分裂过程的基础上，对花粉染色体加倍中减数分裂的有效处理时期以及作用持续时间进行了研究，结果表明：（１）经秋水仙溶液处理所获得的花粉中均有一定比例的形态较大的花粉，最高可达８８％。这种大花粉经花粉染色体检查为２ｎ＝３８，且均能正常萌发。（２）一般只要是在水培４０ｈ左右，花药由淡绿色转为绿黄色以后且未变红前，也就是由细线末期到终变期之前处理，均能取得较好的加倍效果。（３）在有效处理时期内，处理次数与花粉得率也有一定的相关性，考虑２ｎ花粉比率及花粉量得率，处理次数以３～５次，每次间隔５～７ｈ为宜。

高温诱导白杨2n花粉有效处理时期的研究

以毛新杨 (Populustomentosa×P .bolleena)为材料 ,研究了高温诱导花粉染色体加倍与减数分裂始处理时期的相关关系 .试验结果表明 :高温诱导 2n花粉的有效处理时期 (也是相对非敏感时期 )位于终变期到中期Ⅰ之间 ,最高可获得 87 6 %的 2n花粉 ,但花粉量较少 ,同时还发现有连体花粉和疑为四倍性的超大花粉粒存在 .推断 2n花粉的产生除了高温可直接作用于纺锤体等造成染色体不减数外 ,还作用于细胞板的相关功能性机构 ,从而抑制新生细胞壁的形成 。

毛白杨花粉母细胞减数分裂及其进程的研究

采用细胞遗传学方法对毛白杨 (PopulustomentosaCarr.)花粉母细胞减数分裂及其进程进行了研究 .结果表明 :①毛白杨花粉母细胞减数分裂进程有一定的规律 ,且与花序的形态和花药颜色变化有密切相关 ;②减数分裂染色体行为表现因个体不同而不同 ,终变期、中期Ⅰ有数目不等的单价体出现 ,在后期Ⅰ乃至末期Ⅰ、末期Ⅱ可见到单独存在的落后染色体 ,体现了毛白杨遗传上的异质性 ;③毛白杨减数分裂存在多核仁现象 ,在末期Ⅰ、末期Ⅱ最多可见到含 8个小核仁的子核 ,并且随着减数分裂进行 ,多个小核仁发生合并 ,最终生成一个大核仁 ;④毛白杨各无性系在减数分裂进程上存在着差异 ,甚至同一雄性无性系植株的不同花芽或同一花芽上不同部位等 ,其花粉母细胞减数分裂时期也表现为不同步性 。

白杨不同倍性花粉的辐射敏感性及其应用

通过对白杨二倍性未减数花粉和单倍性花粉萌发率和萌发进程的观察统计，证明不同 倍性花粉对（６０）ＣＯγ射线辐射的敏感性不同，其中单倍性花粉的敏感性约为二倍性花粉的 ２倍。 为克服二倍性花粉在参与受精过程中萌发迟缓、竞争能力较差的问题，可利用这种花粉倍性 对辐射的敏感性差异，施加一定剂量的辐射以刺激二倍性花粉萌发，同时抑制或杀死部分单 倍性花粉，从而在一定程度上相对提高柱头上萌发和萌发较快的二倍性花粉比率。三倍体育 种结果亦证明了花粉辐射在提高三倍体得率方面应用的有效性，其中在银腺杨×毛新杨组 合中，以 １４７０ｒａｄ处理最佳，三倍体得率达３．８％，对照未检出三倍体；而在施加 １６８０ｒａｄ的银 腺杨×毛新杨杂交组合中，则获得了高达 １２．９％的三倍体。

毛白杨起源的细胞遗传学研究

对毛白杨(PopulustomentosaCarr.)花粉母细胞减数分裂观察发现,其同源染色体联会较差,在终变期、中期Ⅰ可见到出现频率较高的单价体,在后期Ⅰ、末期Ⅰ亦可经常见到落后染色体的存在,证明部分同源染色体间存在一定程度的异质性,即毛白杨属杂种起源.进一步依据毛白杨、新疆杨和它们的杂种毛新杨染色体的联会情况及花粉育性等推断,银白杨或新疆杨有可能作为起源亲本之一参与了毛白杨种的形成.

白杨2n花粉生命力测定方法及萌发特征的研究

提出了以单倍性花粉作为参照，通过活体直接授粉试验观察测定白杨２ｎ花粉生命力的方法，并据此揭示了利用２ｎ花粉选育杂种三倍体时三倍体得率较低的原因。应用这种方法对２ｎ花粉生命力和萌发情况进行测定观察发现，尽管２ｎ花粉保持有一定的萌发力，但与１ｎ花粉相比，天然和人工２ｎ花粉的萌发进程均较迟缓，在参与授精的竞争中处于劣势，这也正是育种中三倍体得率低的主要原因。此外，秋水仙素诱导产生的２ｎ花粉中，还有２０％～３５％萌发表现异常，也会对三倍体得率产生较大的影响。

论转基因林木的潜在生态风险性

基因工程技术为加快林木遗传改良进程开辟了一条崭新的途径 .由于林木栽培环境复杂、生产周期长、经营管理粗放 ,且主要为风媒传粉植物等原因 ,与集约化程度较高的农作物相比 ,转基因林木环境释放及推广的潜在生态风险性更大 .如转基因林木大量种植可加速该树种遗传多样性水平降低 ,导致遗传脆弱性 ;转基因林木的长期持续强选择压力作用导致害虫、病菌协同进化 ;外源基因逃逸有可能使非转基因植物的生态适合度增强或降低 ,进而影响到自然界的物种多样性等 .

毛白杨异源三倍体形态和减数分裂观察

毛新杨×毛白杨［（Ｐｏｐｕｌｕｓｔｏｍｅｎｔｏｓａ×Ｐ．ｂｏｌｅａｎａ）×Ｐ．ｔｏｍｅｎｔｏｓａ］异源三倍体无性系综合形态特征为偏毛白杨，部分近于新疆杨（如长枝叶），只有长枝叶、雄花序等表现出了较明显的巨大性．其花粉母细胞减数分裂进程较毛白杨、毛新杨约快８～１２ｈ，且极不同步．三倍体染色体联会和分离的行为复杂，在中期Ⅰ除了出现三价体、二价体、单价体外，还可见到四价体和五价体；在后期Ⅰ、后期Ⅱ亦可见到较高频率的落后染色体，遗传上属于部分异源三倍体．这些毛白杨异源三倍体表现高度不育，但存在着无性系差异．花粉部分可育三倍体（Ｂ３０２）的存在。

三倍体毛白杨配子育性及其子代形态变异研究

以二倍体毛新杨、银腺杨为参照亲本 ,对三倍体毛白杨配子育性及其子代变异进行了研究 .结果表明 :①三倍体毛白杨B312花粉量较大 ,平均每花序高达 5 3mg.采用二倍体为参照母本研究三倍体花粉配子育性有估测过高的倾向 .②通过二倍体为参照父本可以相对较为准确地检测三倍体的雌配子育性 ,其中三倍体毛白杨雌株B30 3 ,B30 4,B30 5的配子育性介于 0 .0 5 %～ 0 .5 %之间 .③三倍体毛白杨与毛新杨等的杂交子代中存在三片子叶、四片子叶等子叶形态变异现象 ,总变异率达 2 6 .47% .④利用三倍体毛白杨与二倍体毛新杨、银腺杨杂交 ,共成苗 170株 ,其中包括 14.7%的畸形苗 .三倍体杂交子代的子叶变异以及畸形苗的出现与其细胞染色体不平衡有关 ,这些三倍体杂交子代对于相关的遗传学研究和育种实践具有一定的价值 .

毛白杨花粉败育机制的研究

从细胞遗传学角度较为系统地揭示了毛白杨花粉败育的机制 ,即主要是毛白杨异质性遗传基础与环境相互作用的结果。 (1)在减数分裂中有数目不等的联合程度较差的单价体以及落后染色体出现 ,这种与异质性相关的染色体行为异常 ,导致同源染色体向子细胞的不均衡分配 ,造成具功能染色体的缺失 ,从而引起毛白杨一定比率的败育花粉的产生 ;(2 )遗传上的不平衡与温度等环境因子相互作用 ,进一步引发毛白杨生理乃至结构上的不平衡 ,花粉母细胞 (或孢原细胞 )和绒毡层细胞发育异常 ,从而造成不产粉或产粉较少 ;环境与基因型互作的差异性导致了花粉败育的年度不稳定性。 (3)易位、倒位等染色体结构变异和天然三倍体株系的存在也是造成毛白杨花粉败育的原因。

林木多倍体育种研究进展

该文综述了林木多倍体育种的途径、方法及其应用现状 ,指出多倍体育种在速生、优质、高抗逆性等林木新品种选育中具有更大的潜力 ;目前在林业生产中应用的多倍体新品种数量之所以相对较少 ,主要与树木细胞遗传等基础研究滞后、一些多倍体育种相关理论和技术难题未能得以攻克有关 .而随着人类对其应用价值认识的提高以及有关新技术方法的注入 ,建立在现代遗传学以及细胞染色体工程技术基础之上的林木多倍体育种将焕发出新的生机与活力 .

甘肃胡杨恢复发展的限制因子及对策

甘肃胡杨正处于负向演替的衰退状态，在现存的１４５９０ｈｍ２胡杨林中，衰退林和成熟林就占了７３．０％，且大多为胡杨疏林；而树龄小于１５年的幼龄林仅占了５．０％，１～５年生天然更新苗十分罕见。影响、限制甘肃胡杨天然林恢复发展的主要因子是林地水土环境的恶化；而胡杨无性繁殖困难、实生苗在生长形态方面表现参差不齐等因素，又限制了胡杨的人工发展。只有在突破胡杨无性繁殖难关的基础上，通过良种繁育调动群众营建人工胡杨林的积极性。

关于杨树多倍体育种的几点认识

诸多杨树多倍体实例表明,基于有性多倍化的多倍体育种,可以通过一轮次的育种过程实现杨树多目标性状综合改良,获得生长快、纤维长、木素低、纤维含量高以及抗逆性强等性状表现突出的杨树品种。在具体杨树多倍体育种工作中,掌握配子或合子染色体加倍有效处理时期的即时判别方法,有助于提高杨树多倍体育种效率和效果;而多倍体品种表现优劣与其杂合性密切相关,通过杂交亲本选配以及适宜的配子染色体加倍途径选择等,可以增进多倍体的杂合性,在利用基因剂量效应带来的倍性优势同时,充分利用异源配子结合产生的杂种优势,最大限度地发挥杨树多倍体育种的技术潜力。

关于无性系林业若干问题的认识和建议——以杨树为例

随着林木育种和无性繁殖技术的进步以及森林工业的发展,无性系林业开始在世界人工林培育中发挥越来越重要的作用,并逐步进入无性系定向选育、定向栽培、定向利用的时代。该文针对我国无性系林业存在的问题提出了自己的认识和建议,并从无性系特性角度阐释了"三北"地区大规模发生的杨树"小老树"、严重病虫危害以及退化甚至死亡的原因。认为无性系林业不仅包括无性系选育和无性系造林,还应该涵盖无性系利用等内容。指出应充分利用无性系的基因型与环境互作效应,重视良种的适地适基因型栽培,为不同的生态环境条件选配适宜的主栽品种进行造林。同时加强重要树种无性繁殖技术标准的制定,以约束采取科学的无性繁殖技术和繁育制度进行良种生产,尽可能降低成熟效应与位置效应对无性系林业发展的影响。强调发展无性系林业要根据栽培环境条件和利用目标选择适宜品种,并突出良种和良法配合,重视林分数量成熟与工艺成熟最佳配合下的经济成熟,保证整个产业链条的综合效益最大化。尤其是提出了无性系人工林群体衰退的概念,即在同一无性系品种组成的人工林内,各植株的遗传组成和生活习性相同,随着林龄的增加,林分内各无性系对水分和营养的需求加大,当栽培环境不能满足林分生长需求时,如不能及时采取人工疏伐等措施进行密度调整,林分会因个体竞争能力相似而同时发生各无性系植株生长势衰退、病虫害加剧直至死亡等现象。建议国家应针对无性系人工林的特点,修订、完善相关的林业政策和法律法规,将杨树等无性系林业发展较好的用材或用材和生态兼用树种列入木本作物范畴,在无性系人工林达到经济成熟时及时通过间伐进行密度调控,或通过轮伐更新利用,避免在林分水肥等资源紧缺时,因个体竞争能力相似而引发无性系人工林群体衰退等问题,在有效发挥生态效益的同时,保证国家珍贵的宜林地资源的高效利用。

新一轮毛白杨遗传改良策略的思考和实践

该文针对国内外社会和经济环境变化对杨树需求的影响,在分析毛白杨遗传改良的研究现状和存在的问题基础上,结合近年来毛白杨良种选育工作思考和实践结果,提出新一轮毛白杨遗传改良策略。即针对不同的栽培区和不同的生产应用需求制定育种目标,重点选育速生、优质、高抗的用材林和绿化雄株品种,以及抗寒抗旱、耐高温水湿品种。针对毛白杨分布区气候区划以及自然群体遗传分化特点,在不断充实位于分布区南部的冠县基因库的同时,增设北部基因资源保存库,实现毛白杨基因资源分区域有效保存和利用。针对毛白杨良种选育中一直未能充分利用母本效应的问题,通过基因库半同胞子代群体分析筛选育性好、一般配合力高的毛白杨母本,采用分子标记鉴定半同胞群体优良单株的父本,并通过主要目标性状指标和遗传多样性综合评价,构建适宜不同育种目标的育种亲本群体,进而通过配子染色体加倍技术选育毛白杨杂交和三倍体新品种。针对当前白杨主要通过嫁接繁殖技术环节复杂、成本高以及苗木易老化等问题,采取利用组织培养苗和根蘖苗幼化的特点,通过容器硬枝扦插和大田硬枝扦插,实现毛白杨良种低成本、高效率快速规模繁殖的技术路线等。

杜仲良种选育研究现状及展望

杜仲是我国特有的传统中药材,也是极具潜力的温带胶源树种,在制药、制胶等产业化开发方面具有巨大的利用价值。该文综述了杜仲种质资源收集、保存及性状遗传变异评价,杜仲选择育种、杂交育种和多倍体育种技术与良种选育,以及杜仲无性系繁殖技术等研究现状,指出面向立地条件较差、劳力资源紧张的杜仲栽培地区,发展杜仲栽培以及制药、制胶产业,仍然以数量巨大、收集容易、成本低廉的叶片作为生产原料最为切实可行。在杜仲良种选育中,利用多倍体代谢产物增加等特性,通过诱导配子染色体加倍获得杂种三倍体,则是大幅度提高杜仲叶片含胶量、药效成分含量以及植株产叶量最具希望的途径。在未来杜仲多倍体育种中,应加强杜仲叶片含胶量、药效成分含量等目标性状配合力高的杂交亲本选配,在利用基因剂量效应带来的倍性优势同时,充分利用异源配子结合产生的杂种优势;创制简便易行、成本低廉的杜仲胶、药效成分等次生代谢产物检测技术方法,提高优良无性系选择效率和效果;研发技术环节简约、出圃快、苗木幼化、成本低廉的杜仲无性繁殖技术,加快良种规模生产。可以预见,随着杜仲三倍体的选育成功,通过一轮次多倍体育种过程实现杜仲多目标性状综合改良,必将更为有力地促进以制药、制胶为核心的杜仲绿色循环经济的高效发展。