多倍體育種是林木產(chǎn)業(yè)化的“芯動力”

陳金煥

隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的普及，不少人對多倍體這個概念已經(jīng)不再陌生。把它和無籽西瓜、巨峰葡萄、香蕉等聯(lián)系起來，可知多倍體具有的無籽或少籽特性。其實，除不育性外，多倍體還有巨大性、次生代謝產(chǎn)物提高等優(yōu)良特性，其應(yīng)用不勝枚舉。

在林業(yè)領(lǐng)域，多倍體育種已經(jīng)成為源頭創(chuàng)新的主要推動力，通過多倍體良種化、產(chǎn)業(yè)化，可以創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

小投入換來大產(chǎn)業(yè)

多倍體是指含有 3 套或 3 套以上完整染色體組的生物體。正因為多了一套以上的染色體，遺傳信息更加豐富，基因重組也更加多樣化，便有了增進(jìn)或改變某些特性的潛能。

在自然界中，多倍體可天然存在，通常伴隨物種環(huán)境適應(yīng)性及長期演化過程產(chǎn)生。人們餐桌上的芋頭、香蔥、山藥等蔬菜均是天然多倍體。青藏高原的東南邊緣地區(qū)， 低溫環(huán)境和濕度的劇烈變化， 使得那里富有多倍體物種。

由于天然多倍體所占的總體比重較小，從龐大的群體中篩選、鑒定成本很高，倍性優(yōu)勢也有待鑒定，因此人工誘導(dǎo)多倍體依然是獲得多倍體種質(zhì)的主要 途徑。

如今，育種學(xué)家們可以直接在實驗室中通過多種方法加速生物體向多倍化演變，比如使用物理或化學(xué)方式誘導(dǎo)、離體培養(yǎng)、遠(yuǎn)緣雜交等方式，獲得疑似多倍體材料，再通過形態(tài)學(xué)觀察、染色體直接計數(shù)、流式細(xì)胞測定等方法將它們鑒定出來。

這一系列的操作，就是為模擬自然界染色體加倍、不減數(shù)配子形成、融合以及多精受精等過程。研究周期2年-8年不等，聽起來耗時，但與漫長的生物演化相比，已可謂“朝種暮獲”。

而一旦獲得性能優(yōu)良的多倍體材料，同樣的土地就會生長出數(shù)倍價值的產(chǎn)品或增加數(shù)倍碳匯，帶來實實在在的收益。

炎炎夏季，西瓜是生津解渴的好食材，而大量的西瓜籽則讓人尤其兒童不能盡興而食。采用秋水仙素處理二倍體西瓜的種子或幼苗，得到四倍體西瓜，再以四倍體植株為母本， 二倍體植株為父本雜交， 就能最終獲得不能正常形成種子的三倍體植株。三倍體西瓜整合了多倍體與雜交一代的雙重優(yōu)勢， 具有果實大、含糖量高、產(chǎn)量高、抗逆性強、無籽等諸多優(yōu)點， 深受種植者歡迎與消費者好評。無籽西瓜的成功培育使我國迅速成為世界無籽西瓜研究和生產(chǎn)大國。

可見，說多倍體育種是小投入換來大產(chǎn)業(yè)，毫不為過。

多倍體育種ABC

人類與物種的互相作用，推動著世界生產(chǎn)生活方式的改變和文明進(jìn)程。

人類馴化物種，物種塑造人類。小麥、水稻等主要農(nóng)作物的種植和穩(wěn)定增產(chǎn)促使人類的定居，數(shù)量眾多的各種林木則為森林生態(tài)系統(tǒng)提供了賴以生存的物種基礎(chǔ)，饋贈了人類數(shù)不清的物質(zhì)和精神財富。

進(jìn)入21世紀(jì)，人類對物種的改造手段已是花樣翻新，現(xiàn)代育種新方法、新技術(shù)層出不窮。

隨著遠(yuǎn)緣雜交、理化誘導(dǎo)、體細(xì)胞融合等技術(shù)的快速發(fā)展，人工培育的多倍體新品種越來越普遍。由于染色體增多，細(xì)胞器增大，多倍體物種的細(xì)胞大小較二倍體明顯增大。多倍體動物為了維持與其二倍體祖先相似大小的器官和體積，會減少自身細(xì)胞數(shù)目。植物因細(xì)胞數(shù)不變，則呈現(xiàn)器官明顯增大的特點。多倍體植物中糖類和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)的含量也會有所增加。比如葡萄四倍體果實比二倍體果實大很多，四倍體番茄的VC含量也比二倍體品種幾乎增加一倍。

與常規(guī)雜交育種相比，基于有性多倍化途徑選育的多倍體既有雜交優(yōu)勢，也同時具有倍性優(yōu)勢。無論是器官巨大性，還是代謝物增多的特點，都與林木優(yōu)質(zhì)多抗高產(chǎn)出的育種目標(biāo)高度吻合。因此，多倍體育種成為推進(jìn)林木育種源頭創(chuàng)新的重要技術(shù)之一。

從傳承到發(fā)展

綠色學(xué)府北京林業(yè)大學(xué)的多倍體育種歷史，要從“三毛楊之父”、中國工程院院士朱之悌說起。

20世紀(jì)80年代，我國的林木工業(yè)用材出現(xiàn)短缺，朱之梯把攻克這一難題的目標(biāo)瞄準(zhǔn)到了毛白楊上，經(jīng)歷20余年的艱辛探索，完成了毛白楊基因庫建設(shè)和保存。他帶領(lǐng)北林大育種團(tuán)隊，探索染色體組操作技術(shù)，采用染色體部分替換和染色體加倍技術(shù)，將二倍體毛白楊的38條染色體改造為57條，選育出速生三倍體毛白楊。這種毛白楊1年成樹、5年成材，突破了“十年樹木”的生長周期局限，使我國楊樹人工林產(chǎn)量迅速翻番。朱之悌因持續(xù)創(chuàng)新毛白楊種質(zhì)資源收集保存、良種繁育以及三倍體育種及其產(chǎn)業(yè)化，創(chuàng)造了同一樹種研究連續(xù)3次榮獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎的 佳績。

2008 年 10 月 23 日，國家發(fā)展改革委員會正式批準(zhǔn)建設(shè)林木育種國家工程實驗室。中國工程院院士尹偉倫擔(dān)任林木育種國家工程實驗室理事會理事長、學(xué)術(shù)委員會主任。他將林木育種及其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)設(shè)為實驗室發(fā)展目標(biāo)，推動了林木育種國家工程實驗室的創(chuàng)新發(fā)展，為2022年整合進(jìn)入林木育種與生態(tài)修復(fù)國家工程研究中心的新序列管理奠定了良好基礎(chǔ)，而染色體細(xì)胞工程育種是其中一個重要的研究方向。

迄今，北林大多倍體育種團(tuán)隊已在這個方向上奮斗了近40年，取得了一個又一個突破性進(jìn)展：突破了配子和體細(xì)胞染色體加倍誘導(dǎo)楊樹三倍體、四倍體的一系列難題，并將染色體加倍技術(shù)引入到桉樹、刺槐、楓香、杜仲、橡膠樹、棗樹等樹種育種中，產(chǎn)生了一項項新的育種突破……

多倍體育種就像一塊巨大的磁鐵，吸引著一代又一代北林育種人揮灑青春與汗水，在世界林木多倍體育種史上寫下了濃重的一筆。

三倍體桉樹、三倍體杜仲、三倍體橡膠樹、四倍體刺槐、四倍體楓香、四倍體酸棗、四倍體枸杞…..通過染色體組操作使林木細(xì)胞內(nèi)多出成套染色體，以古老而安全的方式劇烈地改變著物種性狀，給林木育種帶來新的希望。這對緩解我國木材進(jìn)口壓力、減少天然林采伐、林果提質(zhì)增效、保護(hù)生態(tài)環(huán)境意義重大。

攻克產(chǎn)業(yè)化卡脖子問題

一個良種可以帶動一個產(chǎn)業(yè)。建設(shè)美麗中國，必須依靠林木種業(yè)科技的自立自強、種源自主可控。

多倍體育種技術(shù)誕生之初，就注定和產(chǎn)業(yè)化息息相通、輔車相依。這是由它的安全、高效、性狀改良顯著的特性決定的。當(dāng)年三倍體毛白楊一經(jīng)推出，就被評為全國十大重點林業(yè)推廣首選項目，在黃河流域建成多個紙漿林基地，推廣種植3億余株，創(chuàng)產(chǎn)值50億元以上。

“京仲1號”“京仲8號”等杜仲三倍體新品種生長速率較二倍體快30%以上，葉面積和葉片厚度超出二倍體的45%和30%，桃葉珊瑚苷、綠原酸、京尼平苷、京尼平苷酸等有效成分含量是二倍體的1.5-2.0倍。恰到好處地多出的一套染色體，令全身是寶的杜仲在產(chǎn)業(yè)化中成了香餑餑，被杜仲資源高值化利用產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟列為“十四五”重點推廣品種，已開始產(chǎn)業(yè)化推廣。

四倍體刺槐、三倍體桉樹，營養(yǎng)生長更旺盛，同樣的林地可以產(chǎn)出更多優(yōu)質(zhì)木材，緩解“中國木”短缺現(xiàn)狀，同時可實現(xiàn)在同樣面積的土地上固定更多的二氧化碳，助力國家碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)早日實現(xiàn)。

四倍體棗樹、枸杞，生命力更加頑強，可以在貧瘠的土地上開花結(jié)果，有望為適生地區(qū)科技興農(nóng)、鄉(xiāng)村振興提供新的良種資源、造福一方。

21世紀(jì)是生物技術(shù)的世紀(jì)。多倍體育種是林木種業(yè)創(chuàng)新發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化中的“芯動力”，也是解決種業(yè)卡脖子問題的科技利器。《全國“十四五”林業(yè)草原保護(hù)發(fā)展規(guī)劃綱要》提出目標(biāo)，“選育優(yōu)質(zhì)用材、生態(tài)修復(fù)、經(jīng)濟(jì)林果、景觀樹木等林木良種”、“到2025年培育和改造國家儲備林3000萬畝以上”等。多倍體育種，大有作為、大有可為。

以“藏木于技”推動“藏木于種”。育種科技工作者們正在繼續(xù)推動多倍體育種技術(shù)創(chuàng)新、種質(zhì)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，用更多優(yōu)質(zhì)的多倍體林木良種服務(wù)林業(yè)生產(chǎn)，扮靚美麗中國。