北方地区主要果树育种技术研究进展

王 斐 欧春青 张艳杰 王海波 马 力 姜淑苓

（中国农业科学院果树研究所，兴城 125100）

1 引言

中国是多种果树的起源演化中心，种质资源极为丰富，是世界上最大的果树资源国[1]，有着非常丰富的果树品种。改革开放以来，我国果树育种工作不断深入，并取得了长足进展[2]，优良新品种的选育和推广为果树产业的健康发展奠定了重要基础。据FAO统计，我国苹果、梨、葡萄和桃2020 年的种植面积分别为191.18 万hm2、87 万hm2、76.75 万hm2和77.99万hm2。根据产业发展需求，相关果树育种单位制定育种目标，通过杂交育种、芽变选种、实生选种、诱变育种、组织培养、分子标记辅助育种和遗传转化等育种技术，培育了一批优质苹果、梨、葡萄和桃新品种，并在生产中推广应用，为北方地区主要果树产业的发展奠定了重要基础。

苹果、梨、葡萄和桃等果树育种工作由最初的群众性实生选种转变为有目标、有设计的育种。苹果、梨、葡萄和桃等果树的育种技术主要有杂交育种、芽变选种和实生选种等常规育种技术，由于具有多年生无性繁殖的特点，逐步发展了能够缩短育种周期、提高育种效率的诱变育种、组织培养、分子标记辅助育种和遗传转化等辅助育种技术，常规育种技术和辅助育种技术的结合应用，在果树育种中发挥了重要作用。本文主要以苹果、梨、葡萄和桃为例，对我国北方地区主要果树育种技术的特点和应用进行综述，希望对果树育种工作的深入开展提供借鉴。

2 常规育种技术

2.1 杂交育种

杂交育种是根据育种目标，选择配置亲本，通过授粉、受精培育新品种的方法，也是果树育种的主要方法。在育成的果树品种中，通过杂交育种培育的品种占60%以上[2]。生产中广泛栽培的苹果品种‘秦冠’是以‘金冠’和‘鸡冠’杂交育成的，‘华红’是以‘金冠’和‘惠’杂交育成的[3]，还有‘华硕’[4]、‘瑞香红’[5]、‘秦脆’[6]等品种都是通过杂交育成的。我国目前主栽的梨品种中，‘早酥’是以‘苹果梨’为母本、‘身不知’为父本杂交育成的[7]，‘黄冠’是以‘雪花’和‘新世纪’杂交育成的[8]，‘玉露香’[9]、‘翠冠’[10]等品种也是通过杂交育成的。生产中栽培较多的‘巨峰’‘夏黑’‘巨玫瑰’‘华葡紫峰’[11-13]等葡萄品种，‘中油蟠9 号’‘中蟠19 号’‘黄金蜜桃1 号’[14-16]等桃品种也都是通过杂交育成的。杂交育种主要涉及基因的分离、组合和互作，多年生无性繁殖果树作物杂交后杂种后代性状广泛分离，大多数经济性状为多基因控制的数量性状，果树品种都是非加性效应比重很大的基因型，因此，果树的杂交育种，既是组合育种，也是优势育种[17]，杂交育种技术是果树育种的主要技术，在我国果树新品种培育中发挥了重要作用。

2.2 芽变选种

芽变是从果树的突变中进行鉴定、选择培育新品种的方法，也是果树育种常用技术。苹果树产生芽变的几率很大，变异幅度较大，芽变选种是培育苹果新品种的重要方法，目前在元帅系苹果中已发现160 余种芽变，从富士类、元帅类的芽变中选育出的品种均超过10个，在金冠类、国光类、红玉类、嘎拉类的芽变中也选育出多个苹果品种[18]。通过芽变选育的梨品种约占14%[19]，‘红南果’[20]‘大果黄花’[21]‘川花梨’[22]等品种都是通过芽变选育的梨品种。葡萄通过芽变选育的品种多达50 个，包括成熟期变异、果型变异、果实及颜色变异、果实无核变异等，‘巨峰’‘玫瑰香’‘夏黑’的一些芽变品种，已在生产中推广、种植[23]。桃芽变品种的比例不足5%[24]，主要包括熟期、果个、果皮颜色等性状突变[25-28]。因此，对于易发生突变的树种来说，芽变是重要育种技术。

2.3 实生选种

实生选种是对果树自然授粉种子繁殖产生的变异进行选择，培育新品种的方法。实生选种是普遍开展杂交育种之前的主要方法，像‘金冠’‘元帅’‘国光’等苹果品种，‘南果梨’‘砀山酥’‘鸭梨’等梨品种，‘康能玫瑰’‘莎加蜜’‘高尾’等葡萄品种，‘大久保’‘奉化玉露’等桃品种都是早期群众性实生选种的产物[29-31]。随着育种技术的不断发展，实生选种不再是果树育种的主要方法，近30 年来通过实生选种育成的梨品种仅占5%左右[19]，其中，‘冻丰’是‘苹果梨’实生，‘早生新水’是‘新水’实生，‘金玉’是‘鸭梨’实生。苹果砧木品种如‘硕果海棠’‘矮化苹果砧木Y-2’‘苹果砧木Y-3’‘冀砧1 号’‘冀砧2 号’‘ZM-2000’均通过实生选种育成[32]。葡萄品种如‘甜峰’‘峰后’‘京超’和‘申秀’都是从‘巨峰’的实生后代中选出的，‘京优’和‘京亚’是从‘黑奥林’实生后代中选出，‘紫金早’和‘中秋’两个新品种也是通过实生选种育成的[31]。生产中的桃品种‘大久保’是经过实生选种育成的，以该品种为母本，通过实生选种又育成多个桃品种[33]，例如‘久鲜’[34]‘金黄金’[35]等桃品种都是‘大久保’的实生后代。桃的大多数品种是自花结实的，遗传基础比较简单，实生后代能够产生遗传性比较稳定、相似于亲本的类型，因此，实生选种是桃新品种选育的有效途径之一[36]。

3 辅助育种技术

由于果树生长周期长，采用常规育种技术开展果树育种存在周期长、育种效率低的问题，而且果树树体较大，育种过程中需要占用大量土地、投入大量人力。随着分子生物学的发展，生物技术日渐成熟，并逐步被应用于果树育种中，成为重要的辅助育种技术。辅助育种技术与常规育种技术的结合，能够大大缩短果树育种周期、提高育种效率。

3.1 诱变育种

诱变育种是人为地通过物理、化学诱变剂对果树器官、组织进行处理，诱发其产生遗传性的变异，并对变异进行鉴定、选择，培育新品种的方法。苹果品种‘宁光’和‘宁富’是从60Co-γ 射线处理过的‘国光’自然杂交种子中选出的[37-38]，‘东垣红’是从60Co-γ 射线处理过的‘金冠’自然杂交种子中选出的[39]，以60Co-γ射线处理‘金矮生’的休眠枝，处理后高接，选育出无锈苹果新品种‘岳金’[40]。在‘巴梨’自然杂交种子发芽过程中用60Co-γ 射线照射，获得单系苗木，经鉴定筛选育成梨品种‘晋巴梨’[41]，胡钟东等[42]用60Co-γ射线对‘清香’梨休眠枝条进行处理，获得了1 个果实综合性状超过亲本的突变。罗耀武[43]用秋水仙素溶液处理‘玫瑰香’葡萄的生长点，获得果粒显著增大的‘四倍体玫瑰香’，用秋水仙素溶液处理葡萄杂交种子，培育出四倍体葡萄新品种‘秋黑宝’‘早黑宝’等品种[44-45]。以观赏桃休眠枝条为试材，利用60Co-γ 射线对观赏桃休眠枝条进行辐照，选育出了6 个观赏价值较高的观赏桃变异新品系[46]，用CO2激光诱变早熟水蜜桃‘砂子早生’，育成‘沙激1 号’和‘沙激2 号’2 个水蜜桃新品种[47]。诱变育种程序简单、速度快，但诱发变异的方向和性质难以掌握[29]，因此，在现代果树育种中的应用较少。

3.2 组织培养

组织培养是利用植物的器官、组织或细胞，通过无菌操作，在人工培养基上，给予一定的温度和光照条件进行培养的技术。通过组织培养，如胚胎培养可诱导未熟杂种胚发育，克服杂种不育，通过花药培养可产生单倍体植株，利用胚乳培养可诱导三倍体植株，利用细胞原生质体培养或融合产生新的优良品种[28]。中国农业科学院果树研究所通过花药培养，培育出‘元帅’‘国光’‘金冠’‘祝’‘富士’‘新红星’和‘红玉’等8 个品种的花培植株[48]，并成功选育出苹果新品种‘华富’[49]。利用花粉发育单核期的‘锦丰’花药进行培养，获得了‘锦丰’梨的花培植株[50]。葡萄中通过花药培养也诱导获得葡萄花培植株[51]。在远缘杂交、父母本不同倍性间杂交及无籽育种中会出现胚早期败育或退化，通过离体培养进行胚挽救，可以使可能败育或退化的胚经过适宜的离体培养获得再生植株[52]，在二倍体与四倍体葡萄杂交时进行胚挽救，成功获得三倍体葡萄植株[53-55]。在桃育种中，‘紫金红1 号’是对早熟油桃品种的种子进行胚挽救培育而成的桃品种[56]，‘中蟠桃10 号’‘中油蟠36-3’等也均是通过胚挽救的方法获得的蟠桃品种[57-58]。

3.3 分子育种

分子生物学的不断发展和完善为果树高效育种提供新技术，如分子标记辅助育种、转基因育种等在果树育种中的应用，不仅可以使植株快速、精准地获得目标性状，还可以对果树杂交群体进行预先选择，在幼苗期即可淘汰非目标植株，大大提高果树育种效率。

为了开发可用于辅助育种的分子标记，研究人员开展了相关研究，在苹果上相继筛选出与短枝型密切相关的分子标记[59]、与果实酸性状紧密连锁的分子标记[60]以及与苹果果皮红色/非红色性状相关的标记[61]。在梨上获得了与果实形状[62]、矮化等基因连锁的标记[63]，并检测到1 年生枝长度、粗度和节间长度的QTL[64]。在桃的研究中，开发了果皮有毛/无毛、果形扁平/圆形、果肉硬质/非硬质、红肉/非红肉、抗/感蚜、圆形/扁圆形的分子标记[65-66]。在葡萄中开发了检测无核基因的探针以及抗白粉病、抗白腐病、抗霜霉病和抗黑痘病等基因的标记[67-71]。

在果树的遗传转化方面也取得一些进展，但仍处于试验研究阶段，比如获得了转入Es-DREB2B和ScALDH21基因的苹果株系，且初步验证了这两种外源基因的耐盐功能[72]；获得了转入rolB基因的豆梨和杜梨[73-74]，李桂琴等[75]则通过构建‘鸭梨’PPO基因的反义表达载体，获得相应的突变体苗。吴延军[76]和张亚林等[77]分别以桃幼胚子叶和茎段为受体，获得了桃转ACO反义基因的抗性材料和反义多聚半乳糖醛酸酶(PG) 基因的转化植株。葡萄上也获得了转VvACS1基因和VqRSGT基因的株系[78-79]。分子育种技术主要处于研究阶段，目前在果树育种实践中应用仍较少。

4 总结与展望

北方果树育种技术主要包括常规育种技术和辅助育种技术。常规育种技术仍是主要技术，大多数品种都是通过常规育种技术选育的，只有少数品种是通过常规育种和生物技术辅助育种共同育成的。芽变选种的育种周期相对较短，但芽变的突变存在不确定性。杂交育种是北方果树的主要育种技术，但前期开展杂交育种时的亲本选择主要以我国优良品种和地方品种为主[19]，杂交亲本的范围在一定程度上影响了杂种后代的遗传变异。随着育种工作的不断深入，杂交育种也从简单地选择优良品种作亲本逐步转变到设计育种，针对目标性状，以具有优异性状的种质或品种做亲本，经多代杂交聚合优异性状，最终培育优良新品种。因此，挖掘具优异性状的资源、创制新种质以及明确性状的遗传变异规律，是开展杂交育种、提高育种效率的重要基础。

随着分子生物学的快速发展，生物技术也逐步应用于果树育种中，但目前分子标记辅助育种、遗产转化等育种技术在北方果树育种实践中的应用仍较少，我国果树分子育种技术的研究和应用相对滞后，这也是现代果树育种技术面临的重大挑战。近年来，随着高通量测序技术的快速发展，苹果[80]、梨[81-82]、葡萄[83]和桃[84]等很多果树完成了全基因组测序，果树全基因组测序的完成为果树分子设计育种策略提供生物信息基础[85]，基于基因组学的全基因组关联分析(GWAS)和基因组选择(GS)在果树育种中开展相关研究，能够为果树育种提供重要的理论支撑。因此，基于基因组信息辅助选择育种、转基因生物育种等技术在果树育种中的深入研究和开发利用，将加快果树新品种的精准选育，大大缩短果树育种周期，提高育种效率，也将成为现代果树育种的重要技术。