林木核心種質構建研究進展

馬云婷,史文君,2,張得芳,2,3

(1.青海大學農林科學院,青海 西寧 810016;2.青海高原種質資源研究與利用實驗室,青海 西寧 810016;3.國家林草局青海高原林木遺傳育種重點實驗室,青海 西寧 810016)

我國是世界公認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資源。具有重要經濟價值的樹種約1 000種。但是隨著人口的快速增長,對林木過度的開發和不合理利用等因素的影響,使得林木種質資源流失非常嚴重,這不僅是對自然生態系統的巨大破壞,也會減少人工林樹種的遺傳多樣性。這些種質資源一旦丟失,其中的基因將很難被再造出來。因此對我國現有的林木種質資源的收集、保護、保存和研究工作是非常有意義的。林木種質資源是林業可持續發展的基礎和保障。隨著人們對木材和森林資源需求的不斷增加,對林木種質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資源,可以發現和利用不同品種的遺傳特性,提高林木的產量、品質和抗性,為我國的糧油安全和能源安全提供重要的支撐。此外,林木種質資源的研究還對生態系統的平衡和穩定具有重要作用。林木種質資源的保護和維護可以促進森林生態系統的多樣性和穩定性,提高生態系統的抗逆性和適應性。這對于維護國家生態安全和經濟社會持續發展具有重要意義。

1 構建林木核心種質資源的重要性

隨著種質資源的廣泛收集和不斷積累,種質庫的規模也相應擴大,這極大地提高了種質庫的管理費用,提高了特異種質材料篩選的難度。同時,面對大量的遺傳材料,育種工作者無法對其進行詳細、深入、高效的評價鑒定及管理工作,久而久之,這種情況可能會造成種質的大量流失,無法有效地利用優質資源,從而對生物多樣性造成潛在的威脅。在此背景下,核心種質的概念被提出,所謂核心種質就是用最少的種質數量和最低的遺傳冗余最大程度地代表一個物種最豐富的遺傳多樣性、結構及地理分布[1]。核心種質是一個通過特定方法從整個種質資源中挑選出來的關鍵部分,其目的是以最小的資源數量和遺傳重復,盡可能地展現整個遺傳資源的多樣性。核心種質可以幫助研究者快速找到具有目標性狀的種質,從而高效地評估、研究和利用種質資源[2-3]。另外,未包含在核心種質中的材料并不會被遺棄,而是作為保留種質進行保存。這意味著核心種質并不是一個固定的集合,而是一個持續更新和發展的動態過程。在發現新的稀有或具有特定有用性的種質材料時,這些材料會被及時添加到核心種質中,以確保核心種質能夠始終代表原始群體的最大遺傳多樣性[4],核心種質一般應具備代表性、異質性、動態性和實用性等特征[5]。

核心種質的構建對于保護和利用林木種質資源具有重要意義。首先,核心種質可以有效地保護林木種質的遺傳多樣性,避免資源的流失。其次,核心種質可以作為育種的基礎材料,為新品種的選育提供重要的遺傳資源。最后,核心種質的構建也有助于深入研究林木的遺傳性狀和生態適應能力?？偟膩碚f,構建林木核心種質是保護和利用林木種質資源的重要手段,對于了解林木遺傳性狀、深入挖掘優異種質資源、提高林木種質資源的高效評價、保護和合理利用價值具有重要的實踐意義。

2 林木核心種質資源的收集與構建

核心種質的構建主要包括數據收集整理、數據分組、樣品選擇以及核心種質的管理四個部分[6]。數據收集整理是核心種質構建的基礎,通常需要收集和整理大量的表型性狀數據、遺傳信息數據以及環境數據等,以確保數據的全面性和準確性;數據分組是根據物種的遺傳背景、生態適應性、地理分布等因素,將收集的數據進行分組,這些分組應該能夠代表該物種的不同遺傳和表型多樣性;樣品選擇是在數據分組的基礎上,選擇具有代表性的樣品作為核心種質,這些樣品應該能夠代表不同分組中的遺傳和表型多樣性;核心種質的管理是確保其質量和可持續性的關鍵環節,需要制定科學的管理計劃,包括定期評估和更新核心種質、確保其遺傳和表型多樣性的維持以及定期進行繁殖和更新等。

核心種質構建過程中的數據包括基本數據、特征數據和評價鑒定數據三個部分[7]?；緮祿侵赣蟹N質的表型形態、生化標記特征和分子標記特征等表征種質特征的數據,即與種質來源相關材料。包括收集地基本信息、生態地理狀況或育種體系、種質來源的分類體系等有關信息[8]。特征數據是指包括形態(質量性狀和數量性狀)、生化標記(同工酶等)、分子標記(ISSR、SSR、AFLP)等在內的能反映種質基本特征的數據。評價鑒定數據主要是指對核心種質進行評價和鑒定的數據,包括遺傳分析、表型性狀的評估、生態適應性試驗等?；緮祿睦靡咽亲钇毡榈姆椒?。特征數據在收集的種質較齊全的物種中利用較多。

構建林木核心種質的方法包括:首先,根據該物種的表型性狀和遺傳背景,選擇一組具有代表性的個體;其次,對這些個體進行表型性狀和遺傳分析的測量;最后,根據表型性狀和遺傳分析的測量結果,將這些個體組合成一個核心種質。

由于大部分表型數據為數量性狀,存在很大的環境相關性,容易受到生長環境的影響而產生分化,同時又存在很大的試驗誤差,因此不能正確反映種質資源遺傳結構,通過對作物表型性狀差異進行評價,可以深入理解種質的遺傳多樣性分析。核心種質方法雖然有其優點,但也存在一些局限性。表型數據通常受到基因型與環境之間相互作用的影響,這可能會影響到數據的一致性和可解釋性。此外,表型數據通常只能反映物種在某一特定發育階段的特征,而無法捕捉到其在其他生命階段或不同環境條件下的表現。因此,有時很難獲取具有多態性的表型數據。而分子標記技術提供了一種在DNA水平上直接反映種質資源基因型和遺傳結構數據的方法。與表型數據相比,分子標記技術所得到的數據受環境影響較小,具有更高的多態性和更快的檢驗速度。這使得我們能夠更準確地評估種質的遺傳多樣性和進化關系。在作物種質資源研究中,分子標記的應用具有顯著的價值。

核心種質構建中常用的系統聚類方法有:最短距離法、最長距離法、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,采用不同的方法對同一組數據聚類時,分類結果往往不盡相同。

3 基于表型的核心種質構建及研究進展

基于表型數據的核心種質主要是通過對植物的外部和內部結構特征進行觀察、度量和鑒別分析得出的多樣性參數。這些參數可以反映植物種質在形態學、解剖學和結構特征方面的變異和多樣性[9]。運用表型多樣性參數來檢測遺傳變異是一種最直接的方法。性狀的表型多樣性參數指標,是控制各性狀表現的遺傳型在一定的內外部理化環境作用下遺傳型與環境互作的結果,是生物遺傳多樣性的間接的表型反映[10]。在表型多樣性參數的測定中,采取科學樣本策略和量化并評測環境差異是非常重要的。這樣可以更真實地揭示遺傳差異,從而更準確地反映基因型上的差異[11]。

通常利用的性狀分為兩類,一類是質量性狀,包括符合孟德爾遺傳規律的單基因性狀和稀有突變等。這些性狀通常受單個基因的控制且表現相對穩定,容易進行遺傳分析。另一類是數量性狀,這些性狀通常受到多個基因的影響。性狀表型測定是在資料收集的基礎上,進行野外調查、單株數量性狀觀測等手段,結合統計軟件分析估算種群遺傳變異程度和遺傳結構。在許多場合利用表型多樣性參數測定遺傳變異是最現實的方法,尤其當要求在短期內對變異有所了解或在其它生化方法無法進行時,世紀的經典遺傳學就采用了最直接的性狀表型作為了解遺傳差異的標記。

張歡等基于水青樹葉的表型性狀構建了其核心種質,并發現在歐氏距離結合瓦爾德法聚類條件下,位點優先取樣策略是構建水青樹種質資源核心庫的最佳方法[12]。

鐘永達等利用種子大小、千粒質量、苗高和地徑4個表型性狀數據,對217份中國樟樹種質資源進行了核心種質構建和代表性檢驗。這種方法可以了解不同種質間的相似性和差異性,并確定哪些種質可以作為核心種質。最終成功構建了中國樟樹核心種質,并對其進行了評價。這一核心種質的建立將有助于更好地保護和利用中國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便,易于觀察,但是也存在著受環境影響較大,容易產生不同的生態型,并且受到不同生長和發育階段等的影響,從而使數據產生偏差等缺點。

4 基于分子標記的核心種質構建

隨著科技的發展,很多分子標記技術被迅速地應用到核心種質篩選中,分子標記技術能在DNA水平上檢測到所有種質的特性和種質之間的差異,同時還不受環境和發育階段的影響,具有很高的穩定性。

林木核心種質構建過程中常用的分子標記包括SSR、SNP、AFLP等。SSR(Simple Sequence Repeat)是一種以串聯重復序列為特征的DNA分子標記技術。它具有多態性高、重復性好、共顯性等優點,被廣泛應用于基因組遺傳分析和品種鑒定等領域。SNP(Single Nucleotide Polymorphism)是一種以單堿基突變位點為特征的DNA分子標記技術。它具有密度高、覆蓋全基因組、易于自動化等優點,是近年來發展最快的分子標記技術之一。AFLP(Amplified Fragment Length Polymorphism)是一種基于PCR的DNA分子標記技術,它通過選擇性擴增基因組DNA片段來產生多態性標記。AFLP具有高分辨率、高靈敏度、高重復性等優點,被廣泛應用于品種鑒定、遺傳育種、進化分析等領域。

這些分子標記被廣泛應用于基因組的遺傳分析、品種鑒定、遺傳育種等方面。為構建核心種質提供了重要的工具和手段,可以用于鑒定不同種質資源的遺傳背景、親緣關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體組成核心種質提供科學依據。

Mouhaddab J等利用ISSR標記構建了240個表型的摩洛哥堅果樹的核心種質,利用14個集合代表了100%的遺傳多樣性?；谒惴?、主坐標分析和貝葉斯分析的非加權對群方法清楚地顯示了種源的高度遺傳結構,同時尊重平原和高海拔地區之間的地理鄰近性。遺傳距離與地理距離的Mantel檢驗呈極顯著[14]。Balas F C等用簡單序列重復(SSR)標記建立了無花果的核心種質。采用隨機抽樣、最大化、模擬退火和逐步聚類四種方法確定了開發該木本植物核心種質的最佳方法。將各亞群的遺傳多樣性與全集的遺傳多樣性進行比較[15]。Mouhaddab J基于ISSRs和SSRs的基因分型數據,構建了13個和96個基因型的核心標本,分別占銀葉銀杏總標本的2.7%和20%。整個收集中出現的等位基因100%出現在核心組中[16]。

Belaj A等利用SSR、SNP和DArT標記,基于M(即最大)策略對361份橄欖材料進行核心種質構建,根據所有數據集和標記獲得的信息,選擇了18、27、36、45和68份橄欖材料的子集,分別占整個種質資源的5%、7.5%、10%、12.5%和19%。根據最后的研究結果,代表總收藏規模10%至19%的核心種質收藏可以被認為是保留該收藏中發現的大部分遺傳多樣性的最佳選擇[17]。

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

Uchiyama K等利用SNP標記,對日本柳杉510個體的群體結構和全基因組連鎖不平衡(Linkage Disequilibrium,LD)進行了研究,全面覆蓋了該物種的自然分布范圍,并結合生長指標與地理分布構建日本柳杉核心種質[19]。

核心種質構建后,需要用一些能反映物種特征的參數來評價和驗證所構建的核心種質能多大程度的代表該原始群體的遺傳多樣性。檢驗方法主要分為表型水平的代表性檢驗和分子水平的代表性檢驗。表型水平的遺傳多樣性檢驗,主要評價參數有方差、標準差、極差、平均數和變異系數等[20-22]。通常認為表型性狀易受環境等因素影響,不能準確的反映表型及基因型上的差異。分子水平上核心種質的遺傳多樣性檢驗,主要評價參數有:Nei’s 多樣性指數、Shannon-Weaver指數、Simpson指數、等位基因數、多態性位點數等參數[23-25]。

在林木核心種質構建實際應用中一般都以表型數據或分子標記數據,或者是二者結合進行篩選和構建[26-28]。目前,已經在葡萄[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]等多種林木中進行了核心種質構建和評價研究與應用。

5 展望

林木核心種質的構建可以有效地保護林木種質的遺傳多樣性,避免資源的流失,也可以作為育種的基礎材料,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適應能力。林木核心種質的構建未來發展趨勢可能會涉及以下幾個方面:

(1)擴大物種范圍:隨著生物技術的不斷發展,未來林木核心種質的構建將會更加注重物種多樣性的保護和利用。除了常見的森林樹種,還會將更多的珍貴、瀕危和特色樹種納入核心種質構建行列,以全面保護和利用森林生物多樣性;

(2)精準育種:通過基因編輯、基因測序等先進技術,未來林木核心種質的育種將會更加精準和高效。育種過程中將會更加注重目標性狀的選擇和優化,以及適應不同環境和市場的需求,提高林木的品質、抗性和生產力;

(3)聯合全球資源:隨著全球氣候變化和森林破壞的加劇,未來林木核心種質的構建將會更加注重全球合作和資源共享。各國將會共同制定和實施核心種質構建計劃,聯合全球的林木種質資源,共同應對氣候變化和生態保護的挑戰;

(4)智能化管理:未來林木核心種質的構建將會更加注重智能化管理。通過物聯網、大數據、人工智能等技術手段,實現核心種質的自動化采集、分析、評估和管理,提高核心種質的利用效率和維護水平;

(5)跨界融合創新:未來林木核心種質的構建將會更加注重跨界融合創新,林木科學與其他學科領域的交叉融合將會促進核心種質研究的創新和發展,產生新的思想和成果,為森林可持續經營和生態文明建設提供科學支撐。

總之,未來林木核心種質的構建將會涉及更多的技術、學科和領域的交叉合作,同時也需要全球共同努力來實現其可持續性和生態友好發展。