五味子种质资源收集与评价研究进展

五味子种质资源收集与评价研究进展

五味子是一种又名山椒的落叶树种。这是木兰科的一种落叶树种。主要分布于黑龙江省、吉林、辽宁、内蒙古、河北等省。此外，它也分布在朝鲜东部、俄罗斯远东以及日本。主产于我国东北和河北部分地区的五味子果实干品,商品习称“北五味子”,是我国的名贵中药材。五味子除药用外,还可用于生产果酒、果酱、果汁饮料和保健品等,具有广阔的开发利用前景。作为一种新兴果树,自20世纪70年代,我国就开始其野生栽培驯化研究与生产实践推广,并取得较大进展。目前,五味子研究主要集中在种质资源、品种选育、栽培技术和病虫害防治等领域。结合自身研究工作,在查阅大量文献的基础上,总结我国多年来五味子研究成果,讨论五味子研究领域存在的问题,并提出今后深入研究的方向。1味子种内果实性状变异及相关研究五味子种内存在广泛变异,20世纪80年代开始人们就开展五味子种质资源的种内变异研究。陈建军等通过对长白山五味子种质资源的系统研究,发现一个五味子的粉红果实变种;卓丽环等在黑龙江省铁力林业局收集到白果五味子变种。兰士波等采用单穗重、果粒数、果粒重及果粒径等4个性状对来自不同自然分布区的五味子资源进行评价,认为来自不同分布区的五味子种源变异表现不同,某些分布区的种源较其他种源变异小,果实性状稳定。刘清玮等研究五味子园内不同实生植株的产量及果实性状变异,发现各性状均存在较大变异,变异系数在16.29%~65.45%,说明实生苗建园不同单株之间果实性状存在较大变异。我国五味子栽培从实生苗建园开始,五味子种内存在的广泛变异为五味子种质资源收集提供良好的前提条件。中国农业科学院特产研究所自上世纪80年代,就开展了五味子种质资源的收集与评价工作,收集五味子种质资源200余份,并制定《五味子种质资源描述规范和数据标准》。标准分“五味子种质资源描述简表”、“五味子种质资源描述规范”、“五味子种质资源数据标准”、“五味子种质资源数据质量控制规范”4个部分,对85个性状进行评价,共性描述46个,个性描述39个,其中植物学性状23个。对100份五味子种质资源的叶片、花朵及果实性状等进行系统评价,结果表明五味子种内不同种质之间遗传性状存在丰富变异。艾军等对五味子种质资源果实性状评价表明,五味子种质资源果实各质量性状均存在较大变异,果实颜色为黄白色、粉红色、红色、紫红色以及紫黑色的连续变异,说明以不同果色为育种目标进行品种选育具有较大潜力。五味子果穗重、果粒重等数量性状及不同药效成分含量也存在较大变异,部分数量性状及药效成分间存在一定的相关性。基于五味子果实性状的广泛变异及相关性,在进行五味子种质资源收集及品种选育的过程中,必须兼顾各性状与药效成分含量间的关系。此外,还开展了五味子种质资源雌花心皮数的种内变异研究,五味子种内雌花心皮数存在较大变异,变异系数为14.33%,种质平均心皮数19.5~44.0,可作为五味子种质资源收集、评价及品种选育的重要性状。2味子栽培系统及优良优良资源的筛选种质资源的收集与系统评价是五味子品种选育的基础和前提。“红珍珠”是通过资源收集并经系统评价选育而成的五味子新品种,该品种具有大小年现象轻、丰产性强的特点。“红珍珠”的成功选育标志着五味子栽培从实生苗建园向品种化建园的转变成为可能。另外,曹文龙等通过对收集的五味子优系实生后代进行单株浆果产量、单穗长、果粒直径等的评价,筛选出4个优良的实生类型。艾军等通过对五味子种质资源的系统评价,筛选出五味子优异资源A118-8-(-5)、A71-(-8)-(-5)及黄果五味子等,其中A118-8-(-5)的果穗平均重38.6g,A71-(-8)-(-5)的五味子醇甲含量为1.13%,是中华人民共和国药典规定含量的2.83倍。这些优异资源的选育成功,为五味子新品种的选育奠定基础。3无性繁殖技术的研究五味子无性繁殖主要包括扦插繁殖、嫁接繁殖和组织培养等3种方式。3.1方式的选择及繁殖效果五味子扦插繁殖主要为硬枝扦插和绿枝扦插,两种扦插繁殖方式都有成功报道[11,12,13,14,15,16]。不同扦插繁殖方式的插条类型、药剂种类、浓度、基质配比及繁殖效果见表1。由表1可知,扦插繁殖可获得较好的效果,李爱民采用绿枝扦插,通过300mg·L-1NAA处理使插穗的生根率达到90.9%;陈建军采用硬枝扦插,通过150mg·L-1ABT1号生根粉处理使五味子的扦插生根率达到87.0%。这些技术如能成功应用于五味子的无性繁殖,将对五味子的品种化进程起到较大的推动作用。3.2嫁接苗、绿苗和苗木生长五味子嫁接繁殖主要为硬枝嫁接、绿枝嫁接和芽苗嫁接等3种方式。李爱民等采用硬枝劈接法使嫁接苗成活率达到88%,该法在砧木的根颈以下嫁接,可避免砧木自身产生萌蘖,有利于保持品种纯度。艾军采用芽接法,以五味子初萌发的绿苗为砧木,在下胚轴处进行绿枝腹接,成活率达90%以上,且避免了地下横走茎的产生。此外,刘志文采用绿枝劈接也成功进行五味子无性繁殖。3.3来源三:依枝诱导诱导生根五味子组织培养繁殖技术的研究始于20世纪80年代,至今已取得较大进展。我国科研工作者分别从外植体选择、诱导分化培养基筛选和诱导生根培养基筛选三个方面展开研究。综合不同研究者的试验结果,发现五味子幼嫩茎段或新生嫩芽为最适外植体。其组培根据诱导培养基可分为两种:一种是诱导嫩茎段产生愈伤组织,再经愈伤组织分化产生丛生芽,进一步经生根诱导为组织培养苗;另一种是直接诱导茎段产生丛生芽,丛生芽经继代培养或直接生根成为组培苗。目前,诱导五味子幼嫩茎段产生愈伤组织的研究已取得较大进展,张晓薇等采用改良B5+6-BA2.5mg·L-1+NAA0.1mg·L-1培养基,使五味子幼嫩茎段的愈伤诱导率达到90%。张佳等采用MS+6-BA3.0mg·L-1+NAA0.6mg·L-1培养基,使五味子幼嫩茎段的愈伤诱导率达到93.2%。但将愈伤组织成功诱导为丛生芽的研究仅见张晓薇报道,目前尚无通过愈伤组织诱导最终获得组织培养苗的其他报道。与愈伤组织诱导相比,通过幼嫩茎段诱导丛生芽,再通过生根诱导获得五味子组培苗的技术更为成熟。陈雅君等以MS+6-BA2.0mg·L-1+ZT0.1mg·L-1培养基诱导五味子嫩茎段产生丛生芽,再经相同培养基继代培养,最终在MS+NAA0.2mg·L-1培养基上生根,获得100%的生根率。顾地周等采用丛生芽诱导和生根诱导繁殖成功获得五味子组培苗。4栽培生理研究4.1药代动力学研究五味子为雌雄同株的单性花植物,雌花数量是决定经济产量的主要因素,在生产中由于雌花分化比率的不稳定性,造成大小年现象,稳产性差。因此,研究其花芽分化规律,确定花性分化临界期,并对其花性分化进行调控,促进雌花分化,对五味子栽培具有积极意义。研究表明,五味子不同枝类花芽分化存在较大差异,其叶丛枝的花芽分化水平低,雌花分化百分率为0,而中长枝的花芽分化及雌花分化比率则较高,不同枝类着花状况见表2。另外,五味子枝条不同节位花芽分化质量也有较大差异。低节位花芽分化数量较少,雌花分化比率较低;随着节位的增高花芽分化数量和质量都有提高的趋势,雌花分化比率明显提高。这些特性决定了五味子的修剪只能以中长梢修剪为主。李爱民、林昊等通过花芽分化的观察,发现五味子雌花形态分化的不同时期,并推断7月中下旬是五味子花性分化临界期。艾军系统地研究了五味子花芽的形态分化过程及其与树体营养和内源激素的关系,表明五味子的花性分化不经两性阶段,为单性起源,五味子花性分化临界期一般处于花后20~30d的范围内,在吉林地区一般为6月下旬~7月上旬。五味子的花芽分化和花性决定是叶源的营养供应能力和芽体的营养竞争能力共同作用的结果。在果实负载量较大的情况下,由于芽体的营养供应不足,不能分化出较高比率的雌花。刘清玮等研究发现,单株产量与植株的比叶重呈显著负相关,说明过多负载量会造成叶片早衰,从而影响树体的营养供应。艾军等研究还表明,不同激素对五味子花芽分化和花性决定作用不同,其中ZT和ABA对花芽分化和雌花形成具有正向调控作用,而GA3可能通过改变源库的供应关系而间接影响花芽分化。采用外源ABA和KT-30s在五味子花性分化临界期,可有效诱导雌花分化。其中,以ABA200mg·L-1的调控作用最为明显,使雌花分化比率达到61.1%的水平,极显著高于对照,是对照的14.6倍,说明在五味子花性分化临界期采用相应的农业技术措施进行花性调控是可行的。彭威等在五味子花芽分化初期叶面喷施4000mg·L-1硼酸,使雌花分化比率提高151.76%,增产65.48%,取得较好效果。4.2相应结构的发育在五味子生产栽培中,地下横走茎的生长发育与地上茎的生长发育密切相关,会造成对地上部营养竞争,引起树势衰弱及雌花分化比率降低,严重影响栽培的丰产稳产性。在生产管理中,需要投入大量的人力物力控制其生长,增加生产成本。通过研究地下横走茎形成及发生机理,可在生产过程中制定相应的技术措施,有效控制地下横走茎产生。王振兴等研究五味子根、茎及地下横走茎的解剖结构,发现地下横走茎的解剖结构与地上茎有很多相同之处,其初生木质部的发育为内始式,与根的初生结构发育有本质不同,是一种变态茎。研究还表明,一年生五味子子叶的腋芽可发育成地下横走茎,但其发育较缓慢,在8月下旬~9月初才发育成地下横走茎,此外,第1片真叶腋芽至第8片真叶腋芽在条件适合的情况下也可以发育成地下横走茎;地下横走茎的发生部位较集中,常呈轮生状,对地上主蔓的营养竞争较强。宋金枝等对五年生五味子实生植株调查结果表明,地下横走茎数量为主蔓数量的6.3倍,地下横走茎芽数为主蔓芽数的2.4倍。由于地下横走茎的不定根不发达,其生长所需的大量营养均需植株供给,这进一步说明其与地上主蔓的营养竞争关系。对五味子地下横走茎的控制,除采用物理方法进行人工去除外,还可以根据地下横走茎的发生特性进行有效控制。刘丽莉等在五味子田间管理过程中,始终让产生横走茎的芽或枝条露出地面,使其不能产生地下横走茎。另外,由于五味子的下胚轴部位不具有产生萌蘖和地下横走茎的能力,加之较高节位的芽也不能产生地下横走茎,可以通过下胚轴嫁接的方式培育五味子嫁接苗,避免地下横走茎产生。4.3药代动力学研究在采后配方的应用五味子光合作用特性是其栽培生理研究的一个重要内容,该领域已开展大量研究工作。根据不同地区及不同试材测定五味子光合速率日变化曲线可以看出,五味子光合速率日变化为双峰曲线,存在明显午休现象。其第一次高峰一般出现在上午的9:30~11:30,第二次高峰出现在下午的14:30~15:30。但由于测定区域及试材差异,不同研究者得到的五味子光合速率存在较大差异,其中姚渝丽等测得吉林农业大学试验基地五味子光合速率最高,达23.44μmol·m-2·s-1,李爱民等测得中国农业科学院特产所栽培园五味子光合速率较低,最高只有8.25μmol·m-2·s-1,说明五味子的光合能力因采用不同的栽培条件及试验试材存在较大差异,这说明开展影响五味子光合能力研究的必要性。艾军研究五味子不同时期、不同品系的结果枝和营养枝叶片的光合速率日变化,结果表明五味子不同品系的光合能力存在一定差异,结果枝与营养枝叶片的光合能力也存在较大差异。6月下旬结果枝叶片的光合能力显著高于营养枝叶片,而在9月中旬结果枝叶片的光合能力显著低于营养枝叶片,这也进一步说明较高的负载量会导致叶片早衰。张庆田等研究五味子不同架式的光合作用特性,对棚架栽培与篱架栽培的五味子阳生叶及阴生叶进行研究,结果表明,五味子阳生叶片光合速率高于阴生叶片,棚架五味子的叶片光合速率均高于篱架五味子叶片,棚架栽培模式下叶幕受光面积增大,树体内膛通风透光得到改善,有利于提高叶片光合效率。5药肥及其应用效果土壤肥力是植物栽培的基础,合理的土壤管理方式对五味子优质、丰产栽培至关重要。针对五味子花芽分化及结实特性,科研工作者在五味子土壤管理及施肥技术领域展开大量研究。徐宁等研究不同水肥管理技术对五味子产量的影响,结果表明,通过施用有机肥、草炭并结合常规化肥施用,可显著增加土壤中胡敏素和富里酸含量,并使土壤中活性有机质含量显著增加。不同施肥处理使五味子产量显著高于对照,其中以前一年施入草炭15000kg·hm-2并结合普通施肥效果最佳,产量达7128.57kg·hm-2,为对照的2.38倍。研究还表明,五味子产量与土壤中胡敏素、富里酸和高活性有机质含量呈显著正相关,即增加土壤有机质含量可显著提高五味子产量。王志新等连续3年在五味子生长初期进行氮、磷、钾不同配比施肥试验。结果表明,施肥对五味子增产效果显著,氮、磷、钾3种肥料之间的交互作用效果亦显著,其中以施用氮肥150kg·hm-2、磷肥150kg·hm-2、钾肥90kg·hm-2的施肥量配比增产效果最佳,比对照增产46.3%。通过叶面施肥也可以达到提高花芽分化质量,促进树体增产效果。彭威等在五味子花芽分化初期通过叶面喷施600mg·L-1稀土微肥,显著提高五味子花芽分化数量,比对照增长53.02%,但并不能有效调节雌雄花比例;叶面喷施4000mg·L-1的硼酸在提高五味子雌花数和单株产量上获得较好效果;叶面喷施1000mg·L-1钼酸铵也有提高五味子雌花数和单株产量的效果。此外,人们还开展了五味子元素富集研究。可成友等进行施用亚硒酸钠提高五味子果实中硒含量的研究表明,采用土壤施用方式果实中硒含量最高可达0.2797mg·kg-1,采用叶面喷施的效果更为显著,果实中硒含量最高可达3.8459mg·kg-1,硒元素在五味子中富集效应良好。李承范等研究表明,五味子对K、Mn、Zn元素亦有富集作用。6病害病原菌种类及防治效果病虫害防治是五味子栽培的重要技术环节。研究表明,随着五味子栽培规模不断扩大,五味子病虫危害也呈现上升趋势。目前有报道的五味子病害主要为:叶枯病、黑斑病、白粉病、立枯病、茎基腐病、根腐病、叶腐病和细菌性溃疡病等;虫害主要为:女贞细卷蛾、柳蝙蛾、芳香木蠹蛾、康氏粉蚧、黑绒金龟子和卷叶虫等。在各种病害中研究得比较深入系统的主要为:叶枯病、黑斑病、白粉病、茎基腐病、根腐病和细菌性溃疡病,经病菌的分离和鉴定已将其病原菌鉴定到种,并揭示其侵染规律。各病害病原菌种类见表3。对根腐病及茎基腐病的危害症状描述进行对比分析,发现二者有较大相似点,主要包括以下几方面:(1)从茎基的根茎交界处开始发病;(2)发病初期地上部萎蔫,根茎交界处皮层腐烂,变褐色或黑色、脱落;(3)严重时病斑可向上、向下扩展,导致地下根皮腐烂;(4)最后导致地上部全部枯死。另外,根据病原菌鉴定的结果,两种病害的病原菌都包括尖孢镰刀菌(FusariumoxysporumSchlecht.),由此我们推测这两种病可能为同一种病害。在五味子的各种虫害中,研究得较为深入系统的主要为女贞细卷蛾、柳蝙蛾和康氏粉蚧。对于这几种虫害都比较系统地掌握了昆虫的形态特征、发生规律与生活习性。在病虫害防治领域,科研人员主要开展化学防治、生物防治及综合防治等方面研究工作。回云静等采用枯草芽孢杆菌生物菌剂开展五味子白粉病防治试验,结果表明枯草芽孢杆菌生物菌剂对五味子白粉病有很好抑制作用,不仅显著降低白粉病的发病率,还具有增加叶面积、提高果实重量作用。邓勋等选用6种无公害农药对五味子白粉病防治效果进行研究,结果表明,选择的6种无公害农药均能有效防治五味子白粉病,3次施药后各药剂防治效果均在90%以上,其中一种农药主要成分为多抗霉素,属生物农药,其6000倍处理效果较好,相对仿效达97.09%。王玉兰等对女贞细卷蛾防治进行研究,提出加强秋季园地清理减少越冬虫口密度,并开展化学防治结合黑光灯诱杀及保护天敌的综合防治措施,取得较好防治效果。7药代动力学研究目前,我国五味子栽培仍然以实生苗建园为主,实生群体中蕴涵丰富变异,这为优异种质资源收集提供良好条件。随着品种化进程不断发展,这些资源将逐渐被淘汰,因此,必须加强种质资源收集