园林植物育种学——园林植物种质资源

第二章园林植物种质资源

本章教学目的和要求

1．正确理解园林植物种质资源的概念。

2．掌握园林植物种质资源的分类、调查、收集与保存方法。

本章教学重点和难点

重点：1．园林植物种质资源的概念与分类。

2．园林植物种质资源的调查、收集及保存方法。

难点：种质资源的概念以及园林植物种质资源的研究、评价与创新。

教学内容：

第一节种质资源的概念及其研究意义

一、种质资源的有关概念

?种质（Germplasm ）：决定生物遗传性状，并将其遗传信息从亲代传给子代的遗传物质总体。

?种质资源（Germplasm resources ）：携带种质的载体。可以是群体、个体，也可以是器官、组织、细胞、个别染色体乃至DNA 片断。即种质应包括群体、个体、配子及分子等不同水平的种质。

?园林植物种质资源（Germplasm resources of landscape plants ）：指包含一定的遗传物质，表现一定的优良性状，并能将其遗传性状传递给后代的园林植物资源的总和，包括野生种、半野生种和各种栽培类型。

?其他有关概念

绝灭种（extinct species ）：指已有过文字记载，或在发表的资料中做过详细描述，但在目前的自然分布范围内，这种植物个体已找不到种群。

濒危种：一种植物先前在它的整个分布区或某个分布区，是一个重要组成部分，但目前已处于有绝灭危险的境地。

渐危种：某些植物由于人为或自然的原因，可预见它在整个分布区或某个分布区的重要位置会发生变化，很可能成为濒危种类。

稀有种：指特有的单种科、单种属或少种属的代表植物，它们在自己的分布区数量少，有的种类可能群居在一起，有的则零星分布，但未处于灭绝的境地。

术语辨析：

种质资源（Germplasm resources ）；遗传资源（Genetic resources ）；基因资源（Gene resources ）

基因库（gene pools ）：某一物种所包含的形形色色基因的总和。

品种资源：培育新品种的原材料。20 世纪60 年代以前的种质资源概念。

二、种质资源的研究意义

1 ．种质资源是开展育种工作的物质基础

没有好的种质资源，就不可能育成好的品种；

植物育种发展进程的事实表明，突破性成就决定于关键性基因资源的发现和利用。如现代月季的育种实践。

2 ．种质资源是不断发展新观赏植物的主要来源

据统计，全球植物有35 ～40 万种，其中1/6 具有观赏性；这些花卉植物有许多还处于野生状态，尚待人们对其进行调查、收集、保存、研究和利用。

我国野生的观赏植物资源极为丰富，通过引种、驯化，选拔野花进花园。

植物种质资源是人类的宝贵财富。JR Harlan （1970 ）认为：“ 人类的命运将取决于人类理解和发掘植物种质资源的能力” 。

三、保护种质资源的迫切性

1 ．植物种质资源的多样性面临着严重危机

植物种质资源的多样性包括生态系统多样性、种间多样性和种内遗传多样性三个水平，其中前者是后二者的前提。

环境恶化ó森林破坏ó物种灭绝ó食物链断裂

2 ．种质资源多样性的流失与农业特别是育种工作中的缺乏远见有直接关系

1950 年“ 绿色革命” e 成就＋成千上万珍贵的种质资源和地方品种消失

Canada ：60 ％的小麦4 个品种；96 ％的油菜4 个品种；70 ％的玉米6 个品种

遗传基础狭窄化，适应性脆弱

3 ．抢救种质资源刻不容缓

第二节植物起源中心与我国园林植物种质资源

一、世界栽培植物起源中心

1 ．瓦维洛夫的作物起源中心学说（theory of center of crop origin ）

前苏联植物学家瓦维洛夫（Vavilov ）从1920 年～1940 年，先后180 次，对亚洲、欧洲、北美、中南美洲60 多个国家和地区进行广泛的植物考察和收集，通过形态学、解剖学、分类学、细胞学和遗传学分析，杂交和育种试验以及种、变种和栽培植物变异多样性的地理分布研究，于1926 年发表《栽培植物起源的研究》。提出：“ 物种形成的地理局部化” ：物种的多样性在地球上的分布是不均匀的

“ 栽培植物的起源中心” ：古代文明发源地

1935 年，将全球的栽培植物划分为八大初生起源中心和3 个亚中心：

1 ）中国起源中心（东亚起源中心）：石竹、报春、百合、牡丹、芍药、菊花、山茶、梅花、蜡梅、银杏、樟树、刚竹等

2 ）印度起源中心：海芋、椰子、印度橡皮树、虎尾兰、依兰等

马来西亚亚中心：柚、槟榔、面包果、依兰等

3 ）中亚起源中心（阿富汗、塔吉克、乌兹别克等）：豌豆、杏、西洋梨、苹果、阿月浑子、胡桃等

4 ）近东起源中心（小亚细亚、伊朗、外高加索）：无花果、石榴、罂粟、番红花、郁金香、鸢尾等

5 ）地中海起源中心：熏衣草、油橄榄、突厥蔷薇、仙客来、风信子、锥花丝石竹、球根鸢尾等

6 ）埃塞俄比亚（阿比西尼亚）起源中心：黄秋葵、咖啡、油棕、芦荟、景天、伽蓝菜等

7 ）中美起源中心（墨西哥及中美洲）：万寿菊、百日草、仙人掌、大丽花、一品红等

8 ）南美起源中心（秘鲁、厄瓜多尔、玻利维亚等）：西番莲、番石榴、六出花、花烛、朱顶红等

智利亚中心：马铃薯、草莓等

巴西－巴拉圭亚中心：番樱桃、凤梨、西番莲等

2 ．“ 栽培植物起源中心” 的发展

1 ）哈兰（JR Harlan, 1971 ）认为：有些作物的起源中心和变异中心并不一致，作物的起源和变异要综合空间和时间来论证。

相符：中东、华北、中美地区（作物起源中心）

不相符：非洲、东南亚、南美—东印度群岛（非中心）

亚热带、温带中心与热带非中心相对应

2 ）农业生物学家茹考夫斯基（Zhukovsky, 1970 ）：将8 个起源中心发展为12 个大基因中心，同时还提出不同作物的地理小基因中心100 多处。

地区范围扩大：如埃塞俄比亚中心 e 非洲中心

马来西亚亚中心e 印尼—印支起源中心

新增欧洲—西伯尼亚、澳大利亚、北美三个中心

改变了作物起源中心的概念

3 ）1975 年，茹考夫斯基和吉文（A．C．Zeven ）合编了《栽培植物及其多样性中心》，将栽培植物的起源中心改称为“栽培植物的多样性中心”。

4 ）1982 年，吉文与韦特（Wet ）又将“多样性中心”一词改为“多样性地区”，使瓦维洛夫的学说得到了发展。

二、我国园林植物种质资源概况

1．我国园林植物种质资源的特点：

1 ）种类繁多、变异丰富

我国是栽培植物起源中心历史最早、范围最大、种类最多的国家。原产乔灌木约8000 种。

我国原产的植物资源不仅数量多，而且变异广泛、类型丰富。如圆柏（偃柏、鹿角柏、金叶柏、龙柏、球柏、塔柏等），杜鹃（常绿、落叶；平卧杜鹃、大树杜鹃；高山（7-8 月）、中山（4-6 月）、低山（2-3 月）等）。

2 ）分布集中

在相对较小的范围内，集中分布众多的种类。如：兰属世界有50 余种，我国云南省就有33 种；百合属世界共80 余种，我国产42 种，云南23 种；台湾（“ 天然植物园” ）分布着维管植物3577 种，其中1/4 为该地区特有。

3 ）特点突出、遗传性好

在若干科、属、种上绝无仅有。如银杏、金钱松、水杉、珙桐、杜仲、金花茶等。

早花种类与品种多，四季开花种与品种多，花有芳香的种与品种多，特点优异突出的种与品种多，抗逆性强的种与品种多。

除具有较高的观赏价值外，多具有特殊的抗逆性。如中国板栗×美国板栗，解决了板栗疫病的危机。

2．我国园林植物种质资源的现状

1 ）面临的危机

布局不合理；濒危物种尚待抢救；

家底不清，品种混杂；良种失传，品种退化。

花卉资源大国没有成为花卉产业大国！

2 ）应有的工作

种质资源的考察；种质资源圃的建立；种质资源的收集和保存

种质资源信息库的建立；种质资源的研究；种质资源的创新与新品种培育

第三节种质资源的分类、调查、收集与保存

一、种质资源的分类

根据来源可将园林植物种质资源分为本地种质资源、外地种质资源、野生种质资源和人工创造的种质资源。

1．本地种质资源：指在当地的自然和栽培条件下，经长期的栽培与选育而得到的植物品种和类型。地方品种

特点：

对当地的自然和栽培条件具有高度的适应性与抗逆性；

由于长期生长在相似的环境下，遗传性较保守，对不同环境的适应范围较窄；

选育新品种最主要、最基本的原始材料。

2．外地种质资源：由国内其它地区或国外引进的植物品种和类型。

特点：

因其来自国内外不同的生境，具有多种多样的生物学和经济学上的遗传性状；

对本地的自然与栽培条件适应能力相对较差；

改良本地品种的重要材料。

3．野生种质资源：未经人们栽培的自然界野生的园林植物。

特点：

长期自然选择的结果，具有高度的适应性和丰富的抗性基因，如耐瘠薄、抗寒、抗旱、抗盐碱、抗病虫害等；

经济性较差；

砧木与抗性育种的重要资源。

4．人工创造的种质资源：人工应用杂交、诱变等方法所获得的变异类型。

特点：

具有比自然资源中更新、更丰富的遗传性状，是进一步育种的珍贵遗传资源。

二、种质资源的调查

1．调查前的准备

组织准备：根据考察任务的大小成立考察小组，一般2-4 人。

收集资料：气候、地形、土壤、植被、交通、人文地理、植物的生活史、物候、分布带、有关种的分化演变、生长地区、种的鉴定等。

2．调查方法与步骤

1 ）选择考察地点与路线

2 ）实地调查记录：调查者姓名、日期、地点、海拔、坡向、坡度、土壤、地下水位、种名、数量、主要性状、群落的种类组成、拍照等

3 ）资料的整理与总结（编写调查说明书）

3．调查的主要内容

1 ）品种资源的复查

2 ）野生花卉种质资源的调查

3 ）种类品种代表植株的调查

一般概况：来源、栽培历史、分布特点、生产反应等

生物学特性：生长开花习性、物候期、抗性等

形态特征：植株、茎、叶、花、果实、种子等

观赏与经济性状：产量、品质、用途等

三、种质资源的收集

1．种质资源收集的原则

?根据收集的目的和要求、单位的具体条件和任务，确定收集的对象，包括类别和数量；

?收集范围由近及远，根据需要先后进行；

?种苗的收集应遵照种苗调拨制度的规定，注意检疫；

?收集工作应细致周到、清楚无误，做好登记核对，尽量避免材料的重复和遗漏。

典型性多样性全面性

2．种质资源收集的方法

1 ）直接收集

收集的材料：种子、枝条、植株、球根、花粉等

收集数量：充分保持育种材料的变异性

收集方式：专业队伍与当地的单位或群众结合

收集材料的整理、分类、编号登记：收集日期、地点，收集者姓名、单位，植物材料名称、产地自然环境或栽培条件、分布特点、繁殖方法、形态、生物学特性、经济性状等

2 ）交换、购买

主要有针对性地收集我国缺少的园林植物品种资源，对于国外引种的材料，要注意严格检疫，并隔离试种。

四、种质资源的保存（germplasm conversation ）

利用天然或人工创造的适宜环境保存种质资源。

作用：防止资源流失，便于研究和利用。

保存方法：就地保存、异地种植保存、种子保存、离体试管保存和基因文库保存等。

1 ．就地保存：在资源植物的产地，通过保护其生态环境达到保存资源的目的。如各类自然保护区。

优点：保存原有的生态环境与生物多样性；保存费用较低

缺点：易受自然灾害

2 ．异地种植保存：选择与资源植物生态环境相近的地段建立异地保存基地，有效地保存种质资源；可分级分类建立，集中与分散相结合。如植物园、树木园、花圃、品种资源圃等。

优点：基因型集中、比较安全、管理研究方便

缺点：费用较高、基因易发生混杂

3 ．种子保存：是以种子为繁殖材料的种类最简便、最经济、应用最普遍的资源保存方法。

优点：种子容易采集、数量大而体积小，便于贮存、包装、运输、分发。

1 ）种子的类型

正常型（orthodox type ）种子：通过适当降低种子含水量，降低贮存温度可以显著延长其贮存时期的一类种子。

顽拗型（recalcitrant type ）种子：在干燥、低温的条件下反而会迅速丧失生活力的一类种子。如核桃、栗、榛、椰子、番樱桃、山竹子、油棕、南洋杉、七叶树、杨、柳、枫、栎、樟、茶、佛手、菱筹。一般不便于种子保存。

2 ）保存方法：

贮藏保存：通过控制贮藏条件来保存资源种子的生活力。

贮藏条件：低温、干燥、密封

三种贮藏库：短期库、中期库和长期库

①短期库：又称“ 工作收集” （working collection ）。

任务：临时贮存应用材料，并分发种子供研究、鉴定、利用。

要求：库温10~15 ℃或稍高，R．H．50%~60% ，种子存入纸袋或布袋，一般可存放5 年左右。

②中期库：又称“活跃库”。

任务：繁殖更新，对种质进行描述鉴定、记录存档，向育种家提供种子。

要求：库温0~10 ℃，R．H．60% 以下，种子含水量8% 左右，种子存入防潮布袋、聚乙烯瓶或铁罐，可安全贮存10 ～20 年。

③长期库：又称“基础收集”（base collection ）

任务：中期库的后盾，防备中期库种质丢失，一般不分发种子；为确保遗传完整性，只有在必要时才进行繁殖更新。

要求：库温-10 ℃、-18 ℃或-20 ℃，R．H．50% 以下，种子含水量5%~8% ，存入密封的种子盒内，每5~10 年检测种子发芽力，能安全贮存种子50 ～100 年。

4 ．离体试管保存：适用于顽拗型植物、水生植物和无性繁殖植物。

必要性：田间保存要求大量土地和经常管理；无性繁殖器官如球茎等不适于长期保存，需要频繁地进行繁殖更新。

离体试管保存的方法：缓慢生长离体保存和超低温保存。

1 ）缓慢生长离体保存

如：甘薯腋芽培养物在温度从28 ℃降到22 ℃时，继代培养的间隔由 6 周增加到55 周，采用防止培养基蒸发的措施后，使继代培养期限增加到83 周。在培养基中加入化学抑制剂如甘露醇，或激素类物质如脱落酸可提高延缓效果。

木薯茎尖培养物在温度从30 ℃下降到20 ℃条件下，当培养基中加入2 ％蔗糖和0．05mg/L BA ，保存15 个月后存活率仍能达到95 ％。

将草莓从分生组织培养的小植株保存在 4 ℃无光的冰箱中，3 个月检查一次，发现干燥时加入1-2 滴新鲜培养液，保存 6 年后，用这些小植株培养的草莓发育正常。

用上述方法保存的试管苗进行继代培养，可立即恢复生长。但由于有时需继代培养而花费劳力，同时在细胞继续分裂过程中难以排除遗传变异的可能，因此，该法适于短期和中期保存。

2 ）超低温保存（Cryopreservation ）：是指在-80 ℃（干冰温度）以下的超低温中保存种质的技术，通常使用液氮（-196 ℃）保存，或称LN 保存。

超低温保存的特点：在超低温条件下，细胞的整个代谢和生长活动基本或者完全停止，保证不会引起遗传性状的变异，便于长期保存。

超低温保存的原理：通过采用适当的冰冻保护剂、降温速度和化冻方式，使生物细胞在降温和解冻过程中避免细胞内结冰，从而不受损伤或受到较小的损伤。

超低温保存的一般程序：

①培养材料的选择与预生长：细胞（培养5-9 天的幼龄细胞、指数生长期），芽（冬芽）；LE Towill （1981 ）研究表明，将培养物在光照条件下预生长 2 天左右可明显提高在液氮中保存茎尖的存活率。

②预处理（冰冻保护）：用冰冻保护剂处理培养物。

常用冰冻保护剂（cryoprotective agent ，CPA ）：渗透型冰冻保护剂：DMSO （二甲基亚砜）、甘油、乙二醇（EG ）、乙酰胺、丙二醇（PG ）等，多属低分子中性物质，在溶液中易结合水分子，发生水合作用，使溶液的粘性增加，从而弱化了水的结晶过程，达到保护的目的；非渗透型冰冻保护剂：聚乙烯吡咯烷酮（polyvingyl pyrollidone ，PVP ）、蔗糖（sucrose ）、葡聚糖（右旋糖酐，dextrane ）、聚乙二醇（polyethylene glycol ，PEG ）、白蛋白（albumin ）、羟乙基淀粉（hydroxyethyl starch ，HES ）等，能溶于水，但不能进入细胞，使溶液呈过冷状态，可在特定温度下降低溶质（电解质）浓度，从而起到保护作用。

③冰冻：关键在于降温速度

快速冰冻法：将经冷冻保护处理后的材料直接投入液氮中。

慢速冰冻法：以每分钟下降0．1-10 ℃的速度降温。

两步冰冻法：先用慢速法降到一定温度，使细胞达到适当的保护性脱水，再投入液氮中迅速冰冻。

④保存：短期和中期保存（-80 ℃至-100 ℃）；长期保存（-196 ℃）

⑤化冻与恢复生长

快速化冻：35-40 ℃温水中进行，多数采用此法。

慢速化冻：0 ℃或2-3 ℃或室温下进行，保存冬芽者多采用该法。

⑥生活力与变异检测

再培养：根据培养物颜色的变化进行判断

荧光染色法：0．1% 的二醋酸酯荧光素

TTC 法：2, 3, 5- 三苯基四氮唑氯化物还原法

超低温保存的方法：

①传统的降温冰冻方法：快速冰冻法、慢速冰冻法、两步法、逐级冰冻法

②玻璃化保存方法：玻璃化法、包埋玻璃化法

玻璃化（vitrification ）是指液体转变为非晶体（玻璃态）的固化过程。

使溶液玻璃化有两条途径：一是大幅度提高冷却速率；二是增加溶液浓度。

玻璃化法：将生物材料经高浓度的玻璃化溶液快速脱水后，直接投入液氮，使生物材料连同玻璃化溶液发生玻璃化转变，进入玻璃态。

包埋玻璃化法：是包埋－脱水法和玻璃化法的结合。保存材料先用藻酸钙包埋，然后经蔗糖浓度梯度脱水和玻璃化溶液处理后直接浸入液氮保存。

③其他超低温保存方法

干燥法（desiccation ）

预培养法（pregrowth ）

预培养干燥法(pregrowth-desiccation)

包埋脱水法（encapsulation-dehydration ）

5 ．基因文库保存（gene library technology ）

从资源植物提取大分子量DNA e 限制性内切酶酶切e 连接于载体e 转移到大肠杆菌进行繁殖保存。

第四节种质资源的研究、评价、利用与创新

一、种质资源的研究与评价

1．任务与要求：

任务：为园林植物的遗传改良和各地区不同的育种目标提供有用的资源信息以及符合育种需要的种质资源。

要求：确切反映特定种质资源的遗传特性；

适应多层次、多学科研究需要；

符合IPGRI 标准；

数量化、编码化、简便化、规范化。

基本方针：广泛收集、妥善保存、深入研究、综合评价、充分利用、积极创新

2．内容与方法：

遗传多样性的研究：建立核心种质

1 ）分类学性状的研究：对种质材料主要器官的形状、大小、数量、色泽及附属物等主要外部形态特征进行比较分析，确定其分类地位及材料间的亲缘关系。

2 ）生物学特性的研究：在自然环境或人工控制环境中，测试环境条件、物候期和植物生长发育习性，通过分析三者之间的关系，了解种质材料的生长发育规律、生育周期及其对温、光、水、气、土、矿物质营养等的要求。

物候期：包括萌芽期、展叶期、落叶期、初花期、盛花期、末花期、种子成熟期等。

3 ）抗逆性与适应性的研究：在有控制的诱发条件下进行田间考察和鉴定，筛选出抗寒、抗旱、抗病虫等种质资源，并考察其对不同环境条件和栽培方法的适应能力。

4 ）观赏特性的研究：对种质资源的观赏特性（观花、观叶、观果、观姿等）进行记载和比较，特别注意在观赏方面可能会有突破性贡献的材料；对主要观赏性状的遗传方式和规律进行深入研究。

5 ）经济性状的研究：对不仅具有观赏效果，而且具有一定经济价值的植物资源，如药用植物、香料植物、可供提取色素的植物等，应进行有效成分的分析与评价，挖掘其利用价值。

6 ）分子生物学研究：重要性状的分子机理；分子标记辅助育种

二、种质资源的利用与创新

?引种栽培

?驯化栽培

?作为育种材料进行种质转育（杂交育种）

?种质资源的创新（诱变育种、基因工程等）

本章思考题：

1．怎样合理利用我国园林植物种质资源？

2．试述园林植物种质资源的保存方法以及各自的特点。