世界果樹種質資源科技發展動態與趨勢*

王大江，高 源，孫思邈，劉 昭,2，路 翔,2，李青山,2，王維東，李連文，董星光，史祥賓，曹玉芬，王 昆

（1 中國農業科學院果樹研究所，農業農村部園藝作物種質資源利用重點實驗室，遼寧興城125100）（2 石河子大學農學院，特色果樹栽培生理與種質資源利用兵團重點實驗室）（3 固原市原州區農業農村局）

種質資源是攜帶生物遺傳信息的載體，具有實際或潛在的利用價值[1]。2015 年農業部、國家發展改革委、科技部印發了《全國農作物種質資源保護與利用中長期發展規劃（2015—2030 年）》，2019年農業農村部組織編制了《農作物種質資源保護與利用三年行動方案》，2021 年中央一號文件提出實施國家農業種質資源保護利用工程，種質資源的保護和利用被提到了前所未有的高度。

農業種質資源是“種業”的芯片，果樹種質資源亦是果樹種業的“芯片”，是果業發展的物質保障。自人類開始采集植物的果實充饑，果樹資源的收集和利用已經開始。規模化的果樹種質資源收集、保護和利用始于各國種質資源圃的建立。隨著現代科技的發展和產業的需求，種質資源的保護和利用面臨著新的挑戰和機遇。因此，綜述了果樹種質資源保護和利用的發展動態，并提出現代發展趨勢。

1 果樹種質資源保護與利用發展動態

1.1 種質資源收集

世界各國十分重視種質資源工作，為了充分收集、保護和利用植物種質資源，世界性組織“國際植物遺傳資源委員會”（IBPGR）于1974 年建立，1991 年更名為“國際植物基因資源研究所（IPGRI）”，2006 年合并香蕉改良網絡（The international network for the improvement of banana and plantain，INIBAP）為“國際生物多樣性中心（Bioversity International，BI）”，是專門從事植物資源多樣性保存與應用的國際性組織，主要任務是促進植物基因資源的保存和利用，其中設有果樹專業部門[2]。

美國雖然不是果樹種質資源分布大國，卻是資源保存強國，1953 年在吉內瓦建立了蔬菜和觀賞果樹保護站，1987—1999 年開展了美國本土、加拿大、烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦、哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦、中國、俄羅斯和土耳其的果樹資源大規模收集，共進行8 次考察，以中亞的哈薩克斯坦為主，在哈薩克斯坦共定點60 個，在中國四川共定點7個（表1）。收集的資源以蘋果為主，包括小部分的葡萄和櫻桃資源。采集的主要信息包括經緯度、海拔、坡度、光照、生境信息、氣候、土壤等。采集的果實性狀包括果實底色、著色、果銹、形狀、大小、肉質、風味、熟期，樹體干性，葉片和果實病蟲害發生情況等。收集的類型包括接穗、果實和種子，在哈薩克斯坦收集接穗892 份、種子13 萬粒，在中國四川收集接穗101 份、種子7 200 粒，其中1995 年和1996 年在采集點現場評價篩選優異種質接穗148 份、優異種質種子6.7 萬粒[3]。

表1 美國1987—1999 年收集的果樹種質資源情況

日本十分重視果樹種質資源的收集，自1871年起至20 世紀30 年代，以本國生產上利用的栽培品種收集為主；20 世紀30—60 年代，主要收集雜交育種的親本材料和優良品種；20 世紀60 年代至今，重點轉向收集具有優異性狀、特殊抗逆特性的野生種、半野生種及稀有種，以適應現代生態環境及生物技術育種的需要。日本主要從美國、中國、泰國、意大利、尼泊爾、菲律賓等地收集資源[4]。

中國自1949 年以來，開展了多次綜合或果樹專項考察，1956 年至今進行了3 次規模較大的全國農作物資源普查[1]。自1959 年至今，先后對新疆、四川、貴州、山東、陜西秦巴山區、河北、西藏、青海、甘肅等地進行了專項考察[5]。

1.2 種質資源保存

果樹種質資源在演化過程中，多表現為高度雜合的特性，每份資源的基因型和表型均存在較大差異，保存的數量基數足夠大，包含的遺傳信息才能足夠全面。美國現有8 個無性繁殖作物保存圃（Clonal repository），每個資源圃側重保存的樹種不同（表2），主要保存蘋果、梨、葡萄等果樹資源，其中蘋果的保存數量最多，為7 064 份（不包括種子保存），其次為葡萄5 155 份，柑橘保存1 841 份，梨保存2 390 份，香蕉保存291 份。瑞士有13 個田間種質庫，其中保存蘋果資源8 878 份，梨資源5 558份，葡萄資源7 000 份。法國保存的葡萄資源最多，保存11 742 份，主要保存在3 個地點，其中位于蒙彼利埃的葡萄生物資源中心保存7 868 份。香蕉保存最多的國家是比利時，保存資源1 683 份，主要保存在比利時魯汶大學國家香蕉種質交換中心（以上為截至2022 年2 月13 日Genesys 網站公布的數據）。中國目前建設有21 個國家級種質資源圃，保存果樹資源2.3 萬余份，居世界前列[6]。

表2 美國果樹種質資源保存情況

作為營養繁殖的果樹，種質資源的保存不同于大田種子繁殖的作物，大多數以田間保存的方式為主，隨著保存技術的不斷發展，多種保存方式并存，歸結起來只有2 種，即異位保存和原位保存。

果樹的異位保存（Ex situ conservation）就是將果樹植株或器官組織保存于該材料原產地以外的地方，主要包括資源圃保存、種子庫保存、超低溫液氮保存和試管苗保存。

種質資源圃主要用于保存無性繁殖作物和高度雜合性的作物，包括栽培和野生資源。果樹主要以此方式保存。國際生物多樣性組織、《糧食和農業植物遺傳資源國際條約》秘書處和全球作物多樣性信托基金于2008 年啟動的全球種質資源數據庫中記載，76.71%的蘋果、72.37%的梨、66.42%的葡萄、23.14%的香蕉、46.84%的柑橘和95.96%的桃資源為田間保存。

種子庫用于保存植物種子，又可分為長期庫、中期庫和短期庫。長期庫種子保存50 年以上，貯存溫度為-20～-10 ℃，種子含水量5%～7%，庫房空氣相對濕度60%以下，種子密封保存，一般不分發種子。中期庫保存20～30 年，貯存溫度0 ℃左右，種子含水量6%～8%，一般密封保存，負有種子評價、鑒定、分發任務。短期庫保存3～5 年，溫度10～20 ℃，不密封，通常存放于紙袋或布袋中，用于短期存放種子。果樹資源高度雜合，主要為營養繁殖，對于類型多樣的野生資源可采用種子保存[7]。在國際公開數據庫中，4.1 萬份蘋果資源采用種子保存的為5 051 份，長期保存的為140 份，中期保存的為239 份；1.7 萬份梨資源種子保存1 991 份；5.3萬份葡萄資源種子保存532 份；3 708 份柑橘資源種子保存18 份。

超低溫液氮保存（Liquid nitrogen conservation）用于貯存花粉、種子、愈傷組織、器官、莖尖分生組織等[7]。美國國家和種質貯藏實驗室從1984 年起進行試驗性貯藏，在2004 年之前已完成2 146 份蘋果、李屬等果樹資源的超低溫保存，其中蘋果保存最多，為1 264 份，保存4 年后嫁接試驗，成活率在90%以上。日本利用液氮，已在蘋果、梨、櫻桃、桃、葡萄、獼猴桃、樹莓等果樹方面開展了花粉保存試驗。果樹種質資源數據庫顯示，香蕉33.34%的資源進行了超低溫保存，比例較大，其他果樹均較低。中國近幾年開展桃、梨的花粉保存，甘蔗、獼猴桃等營養器官、愈傷組織、細胞培養物等超低溫保存研究取得較大進展[8-9]。

試管苗種質庫（Vitro Genebank）用于保存作物種質資源的組織、器官等，可用于種子繁殖植物，也可用于無性繁殖作物[7]。組織培養技術是近年來用于種質保存比較有前途的新技術。BI 一直積極組織和支持一些國家對柑橘、芭蕉、可可果、甘蔗等作物進行試管苗保存。目前香蕉的試管苗保存較多，占保存總數的61.40%。

原位保存（In situ conservation）是指在作物原生環境下保存種質資源，主要用于野生種及近緣野生植物建立自然保護區和天然公園[7]。世界上第一個自然保護區是1872 年美國建立的黃石公園，美國也是當今自然保護區最多的國家，共建有696 個。澳大利亞為建立自然保護區數量較多的國家之一，截至2014年，建立了333個國家公園和自然保護區。1956 年，中國建立第一個自然保護區——鼎湖山自然保護區，截至2021 年，建成23 個與野生果樹相關的保護區，近幾年建立的有新疆維吾爾自治區新源縣野蘋果保護區、吉林省長白山縣野生海棠保護區、湖南省道縣野生柑橘保護區、陜西省周至縣野生獼猴桃保護區[5]。

1.3 種質資源利用

果樹種質資源的利用是隨著農業活動發展、生物技術進步的動態變化過程，不同時期和階段具有不同的特點。果樹種質資源的研究主要集中在3 個方面：一是作為生產資料直接利用；二是對收集到的世界品種資源進行研究，為選育新品種提供育種材料；三是開展基礎理論研究。

1.3.1 生產資料直接利用

果樹種質資源的利用最早可以追溯到新石器時代，與谷物和豆類的利用一樣，經歷采集野生—保護管理野生—栽培這一過程而擴大利用，最早的利用形式是采集野生果實作為食品生產的補充。據現有資料記載，果樹資源由野生到栽培上的利用最早為6 000 年前的無花果、葡萄，5 000 年前的石榴，3 000～4 000 年前的蘋果、梨、李、杏、桃、棗、扁桃、梅、桑、榛、栗、阿月渾子，3 000 年前的核桃，2 000 年前的中國櫻桃、柿、西洋梨、山楂、歐洲李等；利用較晚的為16 世紀歐洲的樹莓和醋栗，20 世紀新西蘭的獼猴桃[10]。

在現代工業技術發展之前，果樹種質資源除了鮮食以外，野生或地方品種資源可以直接加工利用，加工手段和利用途徑或經數千年傳統而來或沿習慣而來或沿宗教習俗而來。當時制約果樹加工利用的主要因素為加工方法，如石榴適應性廣、耐貯運，但由于果皮剝離和種子分離困難，上市時其他果品豐盛，古時加工方法缺乏，利用范圍不僅不如同時期的葡萄，也遜于起源晚的蘋果、梨、桃等。中國梅最早用來調味，棗在藥用和食療滋補方面久享盛譽，銀杏用于佐膳，山楂有藥用價值，柿有干制柿餅習慣等。中古初期穆斯林為了禁止飲酒，要求信徒為葡萄找尋釀酒以外的用途，發明了葡萄干的加工技術。

1.3.2 育種應用

種質資源即基因資源，果樹產業中遇到的生物或非生物脅迫災害，最終均通過優異種質資源的挖掘和定向品種選育而解決。火疫病為世界性災害，主要危害薔薇科果樹，其中梨和山楂較重，蘋果次之，曾造成歐洲大面積毀園，美國在1990—2003年完成了2 351 份蘋果種質的抗火疫病篩選，篩選抗性種質596 份。抗火疫病優異種質PI286613 和R5 被廣泛應用在蘋果鮮食品種及砧木的選育上[11]；利用R5 和M 系、O 系等砧木雜交獲得了G.41、G.935、G.202 等G 系列抗火疫病砧木[12]。

黑星病在歐洲及美洲發病較為嚴重，除了阻礙樹體生長外，嚴重影響果實發育和外觀。美國對收集保存的13 萬粒塞威士蘋果種子逐步進行鑒定評價，將其中的3 萬粒種子分發到新西蘭、德國、挪威、加拿大、日本、英國、南非、荷蘭、意大利等國的合作單位，進行黑星病的抗性篩選。在收集的塞威士蘋果種質中篩選抗黑星病資源，克隆4 個不同的抗性基因（Vr、Vm、Vf和Vb），其中GMAL4327同時攜帶這4 個抗性基因，利用這些抗性種質，設計雜交組合7 組，獲得種子1 289 粒，其中38%具有黑星病抗性。

種質資源在育種和產業上的應用，在獼猴桃上最為典型。獼猴桃原產于中國，世界上約有54 個種，中國就有52 個種和38 個變種。新西蘭自1904 年從中國湖北引入獼猴桃，先后多次共引進20 多種，利用引進的獼猴桃資源，1910 年培育出世界著名的海沃德（Hayward）品種，可能是人類歷史上第一次利用野生獼猴桃資源進行人工馴化，1991 年選育出金色獼猴桃（Hort16A），至今已經選育出系列獼猴桃品種。如今獼猴桃作為新西蘭的第二大支柱產業，其栽培面積占除中國以外世界栽培面積的95%。

果樹除了在果品上具有價值，在觀賞方面也價值很大。國外對于觀賞果樹的描述最早出現在伊甸園的神話中，從殘留的埃及古壁畫中隨處可見石榴、無花果等，早期波斯園林中也以蘋果、梨、李和杏等觀賞為主。中國如西府海棠（M.micromalus）、垂絲海棠（M.halliana）、湖北海棠（M.hupehensis）等2 000 年之前就被用于庭院和行道栽植[13-14]。美國、英國、加拿大等利用引進的蘋果屬野生資源進行直接選擇或雜交，選育出一批觀賞海棠，如紅花紅葉的索菲亞（M.Sophia）、紅花綠葉的絢麗（M.Radiant）等，蘋果屬野生資源包括山荊子（M.baccata）、紅肉蘋果（M.neidzwetzkyana）、矮生蘋果（M.pumila）等作為親本，起到了不可替代的作用，其中紅花紅葉觀賞海棠品種的親本幾乎全部來自新疆的紅肉蘋果[15]。目前這些觀賞海棠已應用于世界范圍內的園林綠化。

1.3.3 基礎研究應用

果樹種質資源是基礎研究的材料基礎，在近幾十年果樹的基因組測序、優異基因挖掘、遺傳演化分析、實用分子標記開發等基礎研究中均起到了重要作用。

Wu 等[16]通過對柑橘、柚、甜橙和酸橙基因組對比，發現栽培的柚代表1 個祖先種，廣泛種植的柑橘、甜橙是混交個體后代。Wang 等[17]利用柑橘4 個屬基因組和100 份原始、野生和栽培柑橘序列比對分析，栽培柑橘中與能量和生殖相關的基因處于選擇狀態，定位了控制柑橘多胚性基因區間的11 個基因。Shimizu 等[18]通過對7 份柑橘種質測序分析，證實了kunenbo-A 和samsuma 均為kishu 的后代，而satsuma 是kishu 的回交后代。Wang 等[19]對140 份柑橘基因組進行分析，發現中國Mangshan mandarin是一種原始類型，在嶺南和嶺北發生了2 個獨立的馴養事件，2 個種群之間存在不同的種間滲入模式。

Roach 等[20]對15 個不同的霞多麗葡萄品種進行比對，闡明了霞多麗的預測親本，Pinot noir 和Gouais blanc 較高的親緣關系是導致霞多麗顯示近親繁殖的特征。Zhou 等[21]通過霞多麗測序數據和69 個葡萄種質結構變異比對，揭示負選擇作用于所有結構變異。

Wu 等[22]通過組裝梨基因組，挖掘了控制石細胞、木質素合成的關鍵基因。Chagné等[23]通過歐洲梨（Pyrus communis）基因組測序，挖掘了控制果實軟化的一類細胞壁相關基因。Ou 等[24-25]完成了第一個梨砧木中矮1 號基因組組裝；定位了梨紅皮的控制基因，解析了PpBBX24基因堿基的缺失是紅皮突變的主要原因。Dong 等[26]完成了對山西杜梨的從頭測序（de novo），發現次生代謝物中存在顯著富集的擴增基因，解釋了山西杜梨為何具有較強的環境適應性和抗病性。

Shulaev 等[27]通過對林地草莓測序，挖掘獲得包括風味、營養價值和花期在內的關鍵基因。Edger等[28]通過栽培八倍體基因組裝，進一步揭示了栽培草莓由4 種二倍體祖先合并而來，以及4 個亞基因組之間的動態變化。Zhang 等[29]通過野生草莓二倍體基因組組裝，發現在苯丙素類生物合成、淀粉和蔗糖代謝、氰氨基酸代謝、植物與病原菌互作、油菜素內酯類生物合成和植物激素信號轉導等方面的基因顯著增多，是其具有特殊表型和較強的環境適應性的原因。

Wang 等[30]通過對芭蕉基因組分析，發現香蕉A-基因組和B-基因組最近的分化發生在系譜特異性全基因組復制以后，B-基因組可能比A-基因組對分離過程更敏感。

Duan 等[31]利用117 份蘋果種質資源建立了首張蘋果全基因組SNP 圖譜，通過遺傳結構分析揭示栽培蘋果起源于哈薩克塞威士蘋果；新疆塞威士蘋果具有較好的同源背景，是更加原始的類型；中國蘋果是哈薩克塞威士蘋果與中國野生種質的雜交類型；提出了蘋果大小進化的二步模型，鑒定得出QTLgwa-w1、QTLgwa-w2、miR172 及其靶基因在栽培馴化前對果實大小起重要作用。Zhang 等[32]對三倍體蘋果寒富的純合子系HFTH1 的基因組進行測序組裝，發現了蘋果著色有關的核心轉錄激活因子。Sun 等[33]通過對91 份蘋果資源泛基因組測序，揭示了新基因/等位基因的導入是蘋果通過雜交馴化的一個標志。Liao 等[34]利用資源圃461 份蘋果資源，揭示了蘋果風味改善的遺傳路線圖，酸度選擇在風味品質馴化過程中起主要作用。

2 果樹種質資源保護與利用發展趨勢

2.1 果樹種質資源保護高水平化

近半個世紀以來，世界各國十分重視果樹種質資源的收集，資源保存數量持續增加，美國NPGS體系仍持續從世界種質資源多樣性中心收集資源，每年以1 萬份數量遞增。目前自然界仍有許多珍稀、瀕危、具有潛在利用價值的果樹資源未得到安全保護，有必要在全球范圍內摸清主要果樹種質資源家底，提高資源保護數量和多樣性水平。

單一的田間保存方式問題日漸凸顯，多種方式保存已成為世界種質保存的發展趨勢。田間保存雖然是大多數果樹基因庫使用的保存手段，占資源總數的80%以上，然而保存的材料容易受到低溫和干旱等各種非生物因素以及病蟲害等各種生物因素的威脅。隨著生物技術的發展，科研工作者正在探索一套省工省時、保存時間長且穩定、安全可靠的種質保存方法，包括DNA 保存、基因文庫保存、cDNA文庫保存、DNA 芯片保存等。

2.2 果樹種質資源利用高質量化

建立國際統一的果樹種質資源身份證體系，國家之間果樹資源交流更加通暢。針對同一個性狀，制定統一、規范的鑒定評價標準，在世界范圍內協同開展果樹種質資源精準鑒定，利用獲得的優異資源，針對全球性生物和非生物脅迫及產業需求，協同開展種質創新，提升種質利用質量。

在世界范圍內建立互惠互利的果樹種質資源交流與利用機制，基于互聯網，構建開放共享的果樹種質資源綜合管理系統，為利用者提供科學、準確、規范的數據信息，實現種質資源利用在線申請、在線登記、利用效果在線反饋高效化，提高果樹種質資源的利用效率。