現(xiàn)代遺傳育種技術在農林復合系統(tǒng)中的應用

王若倫，李 龍，桑玉強

(河南農業(yè)大學林學院，河南 鄭州 450000)

農林復合系統(tǒng)在改善耕地水土流失、生態(tài)破壞，提高農田單位面積產量上逐步受到專家學者的重視，但復合系統(tǒng)自身存在的問題也成為阻礙農林復合系統(tǒng)進一步推廣應用的障礙。近年來，遺傳育種技術的發(fā)展改變了植株遺傳性狀，增強了植株抗逆性和適應性，培育了大批優(yōu)質種質資源。分子標記、基因工程等現(xiàn)代育種技術在農林復合系統(tǒng)中的應用和發(fā)展對農林復合系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用。

1 農林復合系統(tǒng)種間關系問題

我國傳統(tǒng)的農業(yè)生產是建立在林木大量砍伐、生態(tài)環(huán)境惡化基礎上的自給自足的單作生產模式，該模式不僅帶來生態(tài)環(huán)境的惡化，且不能充分利用時空環(huán)境，造成地力衰退、水土流失、光環(huán)境資源浪費等問題，坡耕地尤為顯著。農林復合系統(tǒng)的研究和推行，不僅提高森林覆蓋率，提高農田綜合生產力，而且復合農林系統(tǒng)穩(wěn)定性高于單作系統(tǒng)，對不良環(huán)境的抗逆性增強。雖然農林復合系統(tǒng)有諸多優(yōu)點，但物質能量是動態(tài)平衡的，對空間環(huán)境利用得越充分，相應地所需的水肥和光等資源也隨之增多，在激烈的養(yǎng)分競爭環(huán)境下，植物自身積累的有機物相應減少，從而影響植物產量。在復合模式中林木樹干和冠幅的生長會對林下作物形成遮陰環(huán)境，影響林下作物凈光合速率，減少作物收獲指數(shù)，降低作物產量。

1.1 農林復合系統(tǒng)中林木選育中存在的問題

1.1.1林木品種選育周期長

間作系統(tǒng)中資源競爭激烈，對林木自身的抗逆性和適應性要求較高，不同地形地質環(huán)境的變化對林木自身的要求也不盡相同，要實現(xiàn)復合模式的穩(wěn)定發(fā)展，分析林木基因遺傳多樣性，改良林木品種勢在必行。但林木培育周期長，遺傳性狀復雜多樣，培育效果往往歷經數(shù)十載才會顯現(xiàn)，這也成為目前制約農林復合模式進一步發(fā)展的一個關鍵因素。此外，培育的新品種繁衍能力在培育初期也無法顯現(xiàn)出來。正是因為林木生長的長周期性，對種間物質能量的動態(tài)流動以及種間相互影響程度的研究較少，導致農林復合系統(tǒng)種間物質變化和能量流動的動態(tài)變化方面的研究報道更是少見。復合系統(tǒng)種間動態(tài)變化體系的缺失，嚴重限制了農林復合系統(tǒng)模式的發(fā)展。

1.1.2農林復合系統(tǒng)環(huán)境因子變化影響林木生長

農林復合系統(tǒng)中林木與林下作物對資源的競爭加劇，林木根系根長密度較單作大量減少，對養(yǎng)分的吸收能力相應減弱，影響林木的結實量。為給林下作物提供更多的光因子，必須限制林木高生長和冠幅的擴大，一方面影響林木的光合速率，從而影響植物自身有機質的形成和碳速率的轉化；另一方面影響林木的留枝量和留果量，從而影響林木果實產量。

1.2 核桃冠幅影響林下作物光合效應

研究表明，林冠下光輻射量受樹形和冠層結構的影響較大[1]，隨著種植年限的增加，核桃樹冠幅和樹高隨之增大，林下透光率隨之減小，對林下農作物的遮陰更加顯著，影響林下作物的光合性能，降低林下作物凈光合速率，影響林下作物葉面積指數(shù)[2]，最終影響林下作物的產量和品質。

1.3 與林下作物爭奪資源，林下生物量減少

1.3.1影響林下作物株高生長

植物莖稈具有支撐地上各部分器官、均勻分布葉片、貯藏和傳輸營養(yǎng)物質等功能，對小麥高產、抗倒伏具有重要作用。在農林復合系統(tǒng)中，生物對環(huán)境的適應性使林木細根分布區(qū)域下移，作物細根根系上移，且因生長周期的差異性，在一定程度上減緩了對資源的競爭，但林木根系和林下作物根系生長對水分、養(yǎng)分的總需求也相對增加，影響了作物生長對水肥等因子的需求。此外，光因素的減少，凈光合速率減弱，一定程度上會影響林下作物株高生長。

小麥品種的適當矮化，使得植株具有抗倒伏特性，同時植株適當矮化可削弱部分莖葉的生長，在有限的環(huán)境資源條件下為籽粒的生長提供優(yōu)越條件，從而提高作物產量[3]。但若過度矮化，小麥節(jié)間空間環(huán)境縮短，易造成葉片重疊、葉片長度降低，葉片可接受的光因子不充分，光合活性和凈光合速率減弱，植株葉面積指數(shù)減小[4]，從而影響作物產量。

1.3.2林下作物減產

在農林復合系統(tǒng)中，隨著林木高生長和冠幅生長的持續(xù)，林下光環(huán)境資源受限，農作物凈光合速率降低，葉面積指數(shù)減少，從而影響物質積累和籽粒的飽實度；林木根系生長對水肥資源空間需求量增加，在一定程度上會占據林下作物對營養(yǎng)的需求，造成農作物生物量減少，收獲指數(shù)降低，影響小麥的品質和產量，造成林下作物減產。

2 遺傳育種技術概述

農林復合系統(tǒng)中林木和林下作物資源競爭激烈，在有限的空間和環(huán)境條件下，林果產量和農作物產量下降，這也成為阻礙我國農林復合系統(tǒng)研究進展的關鍵問題之一。良種是現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展的基礎，是提高植株產量的關鍵因素[5]。基因工程、分子標記技術的誕生，遺傳圖譜的構建，基因序列的遺傳多樣性及其差異更直觀地表現(xiàn)出來，為探索種間遺傳親本親和性，培育優(yōu)質品種[6]，縮短育種周期做出了突出貢獻。

2.1 分子標記技術

目前主要有2種類型的分子標記技術。第一種是結合PCR技術，以核苷酸序列差異為基礎的DNA分子標記技術，分析基因性狀遺傳多樣性，構建遺傳圖譜，進行品質鑒定，并通過雜交、嫁接等手段培育新品種。分子標記的主要類型有：限制性片段多態(tài)性(RFLP)技術、隨機擴增多態(tài)性(RAPD)標記技術、擴增片段長度多態(tài)性(AFLP)標記技術、簡單重復序列(SSR)標記技術、簡單重復序列擴增(ISSR)標記技術等[7]。第二種分子標記技術不再以DNA片段的長度變化作為檢測手段，而是以標記單核苷酸多態(tài)性(SNP)為標記手段的標記方法。SNP標記手段具備第一、二代分子標記技術所不具備的高目睹、遺傳穩(wěn)定性、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點。

2.2 輻射育種技術

輻射育種是人工利用各種物理誘變因子，刺激植物產生穩(wěn)定遺傳的技術。植株二倍體花粉對不同輻射強度的60Coy射線反應比單倍體花粉更敏感，因此，可用60Coy射線控制花粉萌發(fā)比例，60Coy射線在刺激二倍體花粉萌發(fā)時會抑制單倍體花粉萌發(fā)，從而提高二倍體花粉在參與受精過程中的比例。

2.3 基因工程

基因工程技術目前已發(fā)展到了可以有效地引入和表達理想基因性狀的程度[8]，主要用于改良植物生物脅迫耐受性、改良木材材質、根系形成等問題。轉基因技術是林木和作物增產快速有效的方法，雖然目前轉基因食品的安全性受到質疑，但轉基因技術的發(fā)展并不會因此停滯，隨著科技水平的提高，轉基因的危害也會隨之降低。

使用全基因組關聯(lián)分析法[9]尋找某種基因變異與表型之間的關系，通過分析變異的基因組片段來控制表型，用于控制林木高生長、冠層生長幅度、林下植株高生長等形態(tài)變化，實現(xiàn)農林復合模式優(yōu)化配置。這種方法也是首次使用下一代基因表達圖譜來量化分離樹種的轉錄豐度，并確定影響木材形狀變化的潛在候選基因。在今后的林木育種工作中要充分利用我國豐富的林木種質資源,深入開展林木專用優(yōu)良品種的選育研究,充分發(fā)掘部分地區(qū)的特色資源[10]。

3 遺傳育種技術在農林復合系統(tǒng)中的作用

我國國土資源種類豐富、地域遼闊，區(qū)域農田環(huán)境條件存在較大差異性，農林復合系統(tǒng)中對林木主干與冠幅，林下作物抗逆性均有不同程度的要求；而且農林復合模式因生物量增加對養(yǎng)分競爭加劇，造成林木和林下作物減產。育種技術尤其是分子育種技術的改良和應用，林木的矮干、小冠，林下作物的株高、抗陰性均能通過技術手段實現(xiàn)性狀的控制，為培育精確化抗性性狀的良種提供支持。

3.1 遺傳育種對農林復合系統(tǒng)中林木的作用

3.1.1分子標記縮短育種周期對農林復合的意義

采用分子標記技術不僅可以測定林木品種特性，大大縮短培育林木所耗費的周期，而且可以通過基因的重組和調控，培育出適宜不同林地的優(yōu)質林木，提高林木對環(huán)境的適應性和抗逆性。分子標記手段通過對林木遺傳信息的獲取、分析，找出具有種間親緣關系的基因片段，通過雜交等手段培育新型品種，彌補了形態(tài)學鑒定的不足。分子技術能快捷、準確、穩(wěn)定地反映林木遺傳特性，有利于配置農林復合結構時充分考慮林木與林下作物的生理生態(tài)學特性，減少種間競爭和迫害，實現(xiàn)種間關系的互利共生。

3.1.2分子標記培育技術能接收高光合特性的砧木資源

光合作用是林木生長發(fā)育最為重要的環(huán)境因子，也是林木產量和品種形成的決定性因素，林木砧木的不同對光合特性的反映也會存在差異。使用SSR或RAPD分子標記手段分析砧木的遺傳多樣性，通過雜交、嫁接等技術手段培育一批長勢旺盛、抗逆性良好的新型林木品種[11]。如中寧奇、中寧強和中寧異是可以提高林木接穗光合特性的砧木資源，提高林木光資源利用率，減緩因養(yǎng)分不足造成的減產[12]。由這些砧木資源嫁接的林木親和性好、整齊度高、果實質量優(yōu)。

3.2 生物技術限制林木高生長和冠幅長勢

3.2.1限制林木生長的技術手段

1)輻射育種技術

輻射育種技術通過選用優(yōu)質無性系根系，利用各種物理誘變因子刺激植株，促進苗木分化，使植株產生穩(wěn)定遺傳變異。利用無性生殖的方式保留林木有益基因，通過林木輻射誘變使林木基因產生大量突變，誘使林木實現(xiàn)矮干、高產的遺傳品質。

2)基因工程技術

分子標記技術構建基因遺傳圖譜，分析不同品種分子間的差異性；基因工程是在分子水平上對控制不同性狀的外源基因按照實驗目的進行拼接或重組，構建雜種DNA分子，改變植株原有的遺傳特性，獲得具有矮化基因的新品種的技術。分子標記與基因工程相結合實現(xiàn)分子育種，這種育種技術在選取外源基因時能更準確地找出控制林木生長的基因片段，提高目的基因培育成功的概率。利用具有調節(jié)生長特性的外源基因調節(jié)林木內源激素平衡機制，改變林木生長性狀，使林木植株矮化，生長速度下降，葉片和胸徑變小。

3.2.2限制林木生長對農林復合系統(tǒng)的意義

農林復合系統(tǒng)中林木高生長和冠幅的擴大均會增加對林下作物的遮陰度，進而因光資源的匱乏造成林下植株生物量的減少。生物技術在林木生長中的使用大大減緩了植株高生長和胸徑生長，有效地控制了林木遮陰范圍，有利于林下植物充分利用光能，提高凈光合速率，提高葉面積指數(shù)，防止因光合作用減弱帶來的大面積減產。研究表明，在修剪冠形時，只要保證合理范圍的留枝量和留果量，林木“Y”字形樹形或自然狀態(tài)下林木開心形對林木產量和品質的影響并不顯著，因此，提高林下凈光合速率的關鍵在于林木樹干的高低以及林冠覆蓋的幅度[13]。

3.3 選育優(yōu)質高產林下作物

3.3.1調控林下作物高生長

土壤水分對不同小麥品種的影響主要表現(xiàn)在光合速率、小麥葉衰老特性和根系活力方面，經實驗驗證，各品種小麥土壤土層相對含水量補灌75%和65%(W4)時，葉片相對含水量和水勢最高，能實現(xiàn)最大化凈光合速率，小麥開花后的干物質積累量最高，利于光合物質的積累和轉運，經W4處理后，葉片SOD活性較高，葉膜質過氧化氫水平較低，質膜受損程度較低，利于延緩葉片衰老，保持較高的光合速率。因此，補灌W4處理是提高小麥產量的一種技術手段[14]。

但對水資源匱乏，水分灌溉無法達到W4水平的地區(qū)，只能選育抗旱性良好的品種，提高林下作物的抗逆性。研究表明，干旱脅迫在不同程度上會降低植株生長高度，從而影響小麥產量，農林復合系統(tǒng)中對水分的需求量更大，干旱脅迫使得作物葉片蜷縮、光合速率降低、生長緩慢、植株抗逆性減弱。加性和上位性是影響植物株高的主要遺傳因子，不同的水分環(huán)境對小麥株高影響存在差異，因此，可通過小麥抗性遺傳改良和分子遺傳標記等手段選育抗旱性強的小麥品種，保持小麥最適宜的植株高度。

3.3.2培育新品種，提高林下植株產量

農林復合系統(tǒng)一定程度上改變了時空環(huán)境水肥、光因子供應，造成林下作物減產。通過分子標記、基因克隆等技術手段對作物的基因片段進行分析、重組，可培育出高品質、高產量和強抗性的具有穩(wěn)定遺傳特性的優(yōu)良品種。新冬40號小麥[15]在不同樣地設置的實驗中產量表現(xiàn)最佳。SHW(人工合成六倍體小麥)衍生物品種非籽粒器官所占比例小于普通小麥，在前期干物質積累速率上也明顯高于普通小麥[16]，因此，在籽粒生產率和收獲指數(shù)上顯著高于普通小麥，提高了小麥的抗逆性和高產能力。

4 討論與結論

農林復合體系在保持水土、防風固沙、調節(jié)局部小氣候、提高單位面積產量等方面發(fā)揮著重要作用，但在有限的資源環(huán)境條件下，生物量的增多勢必會帶來種間對水肥、光因素的競爭。林木矮干小冠為林下作物生長擴大了光環(huán)境空間，但同時也造成林木留枝量、留果量減少，相比林木單作帶來一定程度的減產。土壤根量的增加，固定了大量下滲水，同時也減少了地表徑流，減少農田尤其是坡耕地農田水土流失量；根量的增加雖在保持水土上有重要作用，但細根量的增加對水肥的競爭也隨之加劇，加上光環(huán)境的限制，葉片凈光合速率降低、葉面積指數(shù)減小、收獲指數(shù)減小，相比單作產量也有所減少。

RAPD標記和SSR標記等分子標記手段的誕生，通過構建基因遺傳圖譜、聚類圖，分析基因遺傳多樣性，反應個體間DNA水平的差異，用于鑒定個體品種和濃度，縮短了育種實驗周期。基因工程根據分子標記構建的遺傳圖譜，對不同性狀的基因按實驗要求進行DNA重組，改變生物體原有遺傳特性，培育出理想品種。降低樹干、減小冠幅以及SHW衍生物的高產性均是現(xiàn)代生物技術發(fā)展的成果，對農林復合種間結構配置合理、種間關系和諧、總產值實現(xiàn)高產有重要作用。

分子標記等手段建立種質資源基因遺傳譜系，運用基因工程技術重組DNA以培育新品種。目前的育種技術雖可以反應DNA水平的差異，鑒定良種品種和濃度，但無法預測良種生長繁衍能力。DNA指紋法[17]對植物遺傳多樣性和種間親和性的靈敏度更高，能選擇具有高遺傳變異性和所需遺傳性狀的樹種，對良種培育的成功概率更大，同時配合微衛(wèi)星的使用，可用于預測良種的衍生能力。

現(xiàn)代遺傳育種技術的發(fā)展在降低林木主干、減小冠幅、提高林木光合速率和抗逆性以及提高林下作物抗陰性、抗旱性、調節(jié)小麥株高，進而提高作物產量上發(fā)揮著重要作用，只有穩(wěn)定的農田系統(tǒng)，才能為進一步研究農林復合系統(tǒng)動態(tài)變化提供科學依據。