梅种质资源的研究现状

梅种质资源的研究现状

梅位于中国。这是中国传统的名花和果树。梅在我国已有7000a以上的应用历史,根据人们利用目的不同可分为果梅和花梅2大类。有关梅的记载最早可追溯到《诗经》。作为观赏花木,最早见于《西京杂记》。至宋代,范成大编写了世界第一部梅花专著——《梅谱》,刊载梅花品种有11个。此外,《群芳谱》、《花镜》等著作中也有梅的栽培与分类记载。果梅及其加工品营养丰富、药用价值高,已经成为重要的健康食品之一。与世界上其他国家相比较,我国果梅资源丰富,并有大量的野生果梅资源。果梅的分类一直是果梅种质资源研究内容,也是梅品种资源利用的科学依据。长期以来,果梅的分类倍受果树学者的重视并且已经取得了可喜的研究进展与突破。植物种类繁多,植物的分类对于植物的利用具有重要的意义。可以说,不同水平上的分类有着特殊的利用价值。如果说古人最初的分类主要是方便于认识或区分,当今植物尤其是作物(包括经济植物)品种的分类更赋予了重要的研究价值与利用目的。传统植物学分类的基本分类单位为种,由于农业生产利用的栽培植物多是在品种水平上,因此作物包括大田蔬菜以及果、茶等的分类需要在品种的水平上进行。而种水平上的分类是不能满足这方面要求的。其中,果树品种的分类尤为严格。这可能是由于与其他大多数作物相比,果树具有个体大、形状明显、色泽鲜艳与丰富、肉质质地差别明显、香气不同等特点,与大多数大田作物相比较这些性状比较突出,消费者很容易区分,任何性状的不同或异常很容易影响着果品市场价值,这也决定了果树品种的纯度在实际生产中要求之高。果品生产对品种的要求甚至高于大田作物,苗木的纯度不允许像大田作物品种(种子)纯度存在一定要求范围的情况。果树具有可以通过无性繁育而保持品种的优势,栽培中的很多果树品种的所有植株都是来源于同一株树或同一个枝。对果树不同水平上的认识与分类直接影响利用的方式和效果,也可以理解为不同的利用目的需要相应的分类信息资料。例如差异明显的少数品种可以根据形态学快速区分;大量品种的分类则利用信息量大和更为准确的DNA分子标记且效果更佳。同为数量分类,往往选择测定性状的类型、数量影响分类的效果与揭示的差异大小。这都反映了不同水平与内容上的分类研究受到相应标准的影响。包括果梅在内的果树品种分类一直是果树学研究领域中的重要内容。这也可以从吴耕民、俞德浚、王宇霖、曲泽洲和孙云蔚等老一辈著名果树专家编著的果树分类学专著的内容特点得到很好地反映。1梅品种分类系统的基础植物学分类是包括梅在内的植物分类的基础,梅花品种分类系统的建立则展现了梅分类的发展历史,同时对它的介绍也有助于更好地认识果梅品种分类的差异。1.1梅与桃、李等科种及物种的关系梅是世界上重要的植物之一,研究与认识梅就离不开对其植物分类位置的了解。梅植物学分类是重要而又简单的问题。其简单性体现在其植物学分类即梅在种以上的分类位置已经基本清楚。梅属于蔷薇科,李属植物。《中国植物志》第38卷根据枝、叶、花果及果核将梅分为果梅和花梅两大类,把梅归于李属,俞德浚编著的《中国果树分类学》把梅归于李属果树,曲泽洲等主编的《果树种类论》也将梅作同样的分类。梅在种的分类上出现过分歧,最早是将梅归于杏,更多的研究证据表明,梅应该是有别于杏的植物种类。梅与杏、桃、李等为近缘物种,梅与杏的亲缘关系近于桃与李。利用DNA标记的研究结果也说明了这一观点,从遗传分析结果看出尽管梅杏间的遗传距离近于桃、李,但梅明显地聚为单一的一族。在综合出土文物、梅起源地、栽培演变、性状的演变、细胞遗传学与植物化学以及花粉学特征等有关资料与分析的结果表明中国梅经历了野梅(直接利用)、果梅(半野生或栽培)、果花兼用梅及花梅4个阶段,并且在该演变过程中有杏、桃、李等的种质不同程度地渗入。1.2花梅分类体系的形成与完善花梅是果梅分化出来的一个分支,后来随着时间推移花梅品种发展很快,目前不论在中国还是日本,花梅品种均多于果梅,而且品种类型较多。花梅的分类系统建立的历史长,发展快,体系较为完整。最早较为系统的梅花分类书是日本的小川安村在1901年的著述《梅谱》和1893年所著的《梅花集》,之后我国与日本的许多学者根据研究的特点与结果进行了梅花分类研究与分类系统的建立,到1992年,陈俊愉与包满珠将植物学分类与园艺学分类分开,但又适当地考虑它们之间的关系,对果梅与花梅实行统一的二元分类法,从“中国梅系、类、组、型分类检索表(1992)”制定发展到更加简化的分类系统。至此,中国花梅品种分类系统逐渐形成与完善。2008年陈俊愉在最新的分类体系中,保留了“二元”分类的优点,但在形式上用品种群和品种名表达,将老品种分类的3系统、5类群和18型转化为新分类体系的11个品种群,体现出高度简化的特点。这基本上是一个花梅分类系统形成的发展过程,体现出了认识、改进与再提高的特点。1.3花梅分类系统尽管从古书记载以及细胞学研究结果分析发现,花梅是从果梅演化而来的,在植物学分类中果梅与花梅的分类是不存在区别的,都属于同一个属中的一个种或变种,即属于蔷薇科李亚属。它们的区别仅仅是由于花器官的形态差异与利用目的的不一致。因为建立于植物分类基础上才有梅与其他核果类的区别以及该种类在植物王国中的分类位置,又由于植物学与园艺性状的结合形成了果梅与花梅的划分。提到梅分类系统,最为重视且发展最完善的应该是花梅分类系统,它的建立主要以形态学为基础。但是花梅建立形态学基础上的分类系统或分类方法在果梅分类上的适用性值得分析。这主要是由于花梅与果梅的园艺学分类所依据的主要器官性状不同,花梅分类依据主要是花型、色泽、香气、枝条等花梅的主要表型,而这些显然不适用于果梅。果梅的花器官基本是单瓣的完全花,色泽较单一,香气难区分等,因此可以认为花梅二元分类系统不适用于果梅分类,更不适用于果梅品种的分类。果梅品种分类的侧重有别于花梅的情况也可以从果梅品种的国际登录的内容与要求方面有所反映。花梅来源于果梅的演化关系也表明了花梅分类体系可能不适用于果梅品种分类的重要依据。并不是说花梅与花梅的分类方法没有一致性的方面。果梅在某些研究水平尤其是遗传水平上的研究结果理论上也应该适用于花梅,因为可以认为花梅最初的出现仅仅是花器官出现异常(不育、重花瓣、雌雄蕊数量较多等)的果梅。2品种识别目的及育种需要果梅品种分类除了具备传统植物学分类的意义之外,更重要的目的是为了品种识别以及育种需要。具体说,栽培中选用什么样的品种以及品种鉴定、育种亲本选择时选用哪些性状与遗传背景的育种材料等都需要品种分类的结果作为参照依据。2.1果梅园艺学及有关自然河道由于果树栽培对品种要求的严格程度高或者说栽培中发展哪些品种都有要求,因此果梅品种的分类对于栽培品种的选择、避免同物异名或同名异物、知识产权保护等具有重要的参考价值。随着果梅产业的发展,果梅加工品的开发,对不同类型或特有加工型品种的要求将成为重要内容,园艺学分类尤其是建立于果实性状的园艺学分类将有更重要作用。另外,果梅自交不结果或结实率不高的特点对授粉树的选择有一定要求,而果梅品种的分类可以提供品种搭配的依据。果梅品种分类可以避免同物异名或同名异物等对果梅产业的不利影响。果树栽培教材或技术指导有关书籍中大量果树品种的介绍反映出果树品种分类在栽培中的研究地位。2.2品种间杂交育种传统育种就是利用具有目标性状的植物亲本(品种)进行有性杂交,再从后代群体中选择具有理想性状组合的植株材料,因此亲本的选择最为关键。而遗传关系较远的品种有助于提高选育效率,因此品种的分类对育种亲本的选择具有指导作用。果酶育种尤其是杂交育种研究相对落后,不同品种间的杂交亲和性、配合力等的研究需要重视,遗传差异是重要的研究内容。园艺学、遗传学上的分类是选择育种亲本的依据。2.3品种分类与种质保存的关系由于梅原产我国的特殊地位,果梅种质资源的研究、利用以及资源的国际性交流是近几年重要的工作任务,其中果梅品种的登录是我国梅国际登录的重要组成。所有这些都离不开对果梅品种分类的研究。例如由于梅国际登录是以品种的形式,果梅品种分类就有助于梅国际登录中避免同物异名或同名异物的现象。果树树体大占用土地面积多的因素使果树核心种质构建成为种质保存与利用的重要措施之一。核心种质是以最小的资源份数和遗传重复最大限度地代表其遗传多样性,可有效地克服和缓解庞大的资源规模所带来的相应困难和压力,极大地方便对种质资源的保存、评价和创新利用。品种的分类往往是达到核心种质遗传多样性与代表性的重要保证,而如何使核心种质有效快速地构建同样离不开不同分类技术的结合。作者在国内首先开展的果梅核心种质构建就是在同时利用品种地理分布、形态学分类以及分子生物技术资料的基础上成功完成的。3果实美分类的研究3.1按功能分类正如陈俊愉先生所说园艺学分类基本系以属栽培类型的品种为对象。品种也正是由于生产实际中应用与需要而出现与存在的,生产中对作物的要求是优良品种。应该说,园艺学分类对于果梅在栽培中品种选用有着一定指导意义。我国曾勉首先根据果实色泽把浙江的果梅分为3类:青梅类、红梅类、白梅类;吴耕民依据综合性状将果梅分为普通梅类、绿萼梅类、杏梅类和小梅类4类;褚孟嫄等按种性分为纯梅、杏性梅、中间系、梅性系、纯杏共5类。日本的川上茂根据梅、杏及其杂种的种性分为5类:纯梅、杏性梅、中间系、梅性杏、纯杏。吉田雅夫根据梅与杏的核形态将梅、杏的许多品种划分为10个连续的类型。日本田中渝一郎根据果实的形态、品级及枝、花的性状分为普通种、青轴种、丰后种和小梅种;还有按开花期的早晚和果实的大小等特征进行分类的。尽管果梅的园艺学分类是开创性的,但是由于以少数几个形态学指标为主要依据,不仅受环境影响较大,而且信息资料受选择性状的影响,分类也相对简单。确切地讲就是梅种类区分,而且有些分类标准不详细,也难以把握。3.2梅衍生种、栽培品种及近缘品种的花粉形态分析严格地说花粉形态的电镜观察属形态学范畴,即观察花粉的形态特征。褚孟嫄对20个果梅品种花粉形态进行电镜观察,发现品种间的特征差异可作为分类的一个依据。包满珠对梅衍生种、栽培品种及其近缘品种桃、李、杏的花粉形态作了比较分析,并对它们的亲缘关系与演化规律做了一定的分析。方从兵的研究(2002)结果表明果梅花粉的超微结构水平上的花粉壁纹饰特征可以区分不同梅类,但不能鉴别所有不同的品种。由于孢粉学技术的操作性、观察结果的精确度、品种间差异的有限性以及分析的难度等方面的影响,该技术难以对数量较多品种加以区分与鉴别。从方从兵的研究结果可以看出对于21个品种都无法完全区分。3.3植物染色体形态及发育特征梅的染色体研究,始于20世纪20年代,但我国有关果梅染色体形态与数目的观察还是从90年代开始。黄哲对部分梅花品种的分析表明,梅品种的染色体呈明显的不对称。包满珠、黄燕文等对野梅、果梅、花梅的染色体形态和数目进行了观察分析,得出了梅从野梅→果梅→花梅的演化趋势,而花梅又以真梅系→杏梅系→樱李梅系的顺序出现。染色体形态观察以及分带研究由于技术本身缺乏相对的稳定性,对大多数植物而言,难以达到可作为常规技术被广泛应用的程度。从目前的研究报道来看,染色体数目、结构变异十分有限,并且无法研究基因水平上的变化情况,因此多适用于种或种以上植物间的差异比较。对于染色体数目与形态特征一致、植物外观形态相似的品种就难以分辨差异。象梅这类染色体较小的植物品种间分析利用细胞学手段在理论上的可行性不大。林盛华和褚孟嫄对我国9个省区梅5个变种,2个变型,108个栽培品种的染色体观察中除了发现2个品种具有四倍体细胞外,没有发现其他可以很好地用于果梅品种分类的重要信息。3.4资源环境的影响果梅品种数值分类研究报道不多。刘连森首先选用了110个性状对湖南果梅作模糊聚类,并对梅中所渗入的杏、桃、李的种质作了分析。高志红,章镇等对43个果梅品种及李、杏、桃的部分代表品种的22个性状进行了聚类分析,结果表明采用SAS聚类方法,可以比较方便地将供试品种分开,但由于某些类型的果梅品种数量有限或品种间形态较相似,未聚为一类。这些研究结果也反映出了该分类方法存在的问题与不足。数值分类的资料由于来自易于观测的某些性状,多是非随机选用性状,因此分类的结果就受到选用性状的种类以及数量的影响。而且,正是由于被选用的性状在品种间存在着差异而被选用,也因此能够将一些品种区分开,这些品种往往具有易于观察的形态差异。由于环境条件的影响,这种分类的结果所反映的差异大小很难达到精确的程度。虽然人们在实际中利用这些形态上的差异识别着不同的品种,但利用这类植物性状的资料进行品种分类的报道不多。在性状差异不明显或者品种数量较多的情况下常常存在不易区分的情况,有必要利用多个性状的资料加以分析。这种情况往往在种的区分中不曾遇到的,因为种间的性状差异是明显且易区分的,差异之大不是环境因素所能影响的,这也是果梅品种分类与其植物学分类的区别之一。数量分类利用目标性状的记载标准要统一,分级的级次要合理,优先选择数值化性状或尽量使性状的描述数值化。按照统一的记载标准是保证研究结果具有代表性以及可比性的重要条件。由于果梅的重要园艺性状如果实大小、糖酸含量、色泽等多为数量性状,更应注意性状的描述与记载方式。果梅树体大,环境不能人为调控,因此外界环境因素的变化对数值分类的影响很大。这需要按照严格的田间试验设计原理,如需要2a以上的观察记载资料通过分析消除不同年份环境因素影响造成的误差。3.5同工酶研究现状酶作为遗传标记是在1959年Markert和Moller提出同工酶概念的基础上迅速发展起来的。利用同工酶标记进行品种分类研究是果树分类较常用的方法,褚孟嫄等(1988)对南京农业大学果园43个梅品种(类型)、8个杏品种、5个李品种的过氧化物酶和儿茶酚酶的分析结果表明,梅、杏、李有它们的特征谱带。汪祖华也利用同工酶分析了梅、杏、李间的亲缘关系和分类地位。张永春、包满珠等进行了野梅、果梅、花梅的同工酶多酶系统分析,探讨了原始与进化品种在同工酶谱带上的差异。另外,汪诗珊等,Aoki也曾进行梅品种的过氧化物同工酶分析。尽管酶电泳技术成为目前园林、园艺植物品种鉴定、雌雄株鉴别、研究系统与演化的一项重要手段,但是同工酶标记的技术要求特点、酶存在和活性的发育和组织特异性、信息量的有限性等使该技术在果树分类研究中的应用还是很有限的。目前,对果梅品种的分类也是同样的问题,不仅缺乏全面、系统的果梅同工酶数据资料,而且难以利用该技术对大量果梅品种区分。3.6生物分类3.6.1利用多种dna分子标记技术对果梅品种分类和遗传多样性的研究DNA是生命体的遗传物质,任何性状的形成根本上都是由基因控制的。基因的表达、表达产物有无蛋白以及性状的类型等都是由遗传物质DNA决定的。这也表明了DNA信息用于果树分类的优势所在,DNA的分子标记的发展也为果树的分类提供了更为重要的研究技术。常用的DNA标记技术有RAPD、RFLP、SSR、AFLP以及SNP。尽管这些技术各有优势,对于果梅品种分类都具有很好的适用性。鉴于DNA分子标记技术在果树品种分类中的优势,为提供果梅育种的理论依据,促进果梅种质改良,在开发多种DNA分子标记技术的研究基础上,先后利用SSR、AFLP以及SNP对果梅品种的分类与遗传多样性进行了较为系统的研究,并获得了较为理想的研究结果。日本的Shimada、Ozaki等先后利用RAPD技术对果梅进行了品种鉴定和分类,结果发现梅品种基因组DNA表现出很高的多态性,某些品种具有特异性带以及RAPD标记可遗传的特点。Fang等(2006)同时利用AFLP与SNP对50个果梅品种进行了遗传多样性研究结果表明,广东、福建、云南、湖南、四川等我国南部与西南部省份的大多数果梅品种的遗传距离较近,而江苏与浙江78.26%的品种则聚类为另一类;日本的果梅主要来源于我国的南部与西南部省份。DNA信息非常丰富,随着果梅基因或基因组的测序,大量的信息将释放,果梅的分类与进化研究将达到更科学的高度。3.6.2种子蛋白指纹图谱鉴定品种的可行性用作标记的蛋白质通常分为酶蛋白和非酶蛋白。前者主要是同工酶,后者一般是指贮藏蛋白。贮藏蛋白质中最广泛应用于种质鉴定的蛋白即种子蛋白,其组分的差异可以反映出基因型的不同,因而可以用作品种的“生化指纹”。种子蛋白分析在大多数作物的品种鉴定方面有着广泛应用,并且国际种子检验学会(ISTA)已颁布了一些重要作物应用PAGE方法鉴定品种的标准程序,许多国家也已经建立了种子蛋白指纹图谱数据库。但是在果树上有关蛋白指纹图谱鉴定品种的报道不多,而且果梅上尚未有报道。随着技术的改进与简化,在果梅上开展蛋白指纹图谱鉴定品种有一定的必要性与可行性。既然蛋白是基因表达的产物,环境对于蛋白指纹图谱的使用存在一定的影响,那么有必要在采样上、技术操作方面、指纹分析方面更加科学化,减少误差的出现。3.6.3不了解以及所采用技术的局限性果树品种分类研究并不很容易达到目标,尤其果树芽变品种间的区分更是如此。这可能是由于对品种形成的原因不了解以及所采用技术提供信息的有限性等因素所造成的。为此已经有利用基因表达图谱分析柑橘品种的研究报道。尽管该技术在时间需要长、品种基因表达图谱不特异以及在大多数实验室不具备研究条件等方面有一定的不足,但其反映的现象可提供一些认识的新途径,即是否因为基因表达的不同(包括表观遗传)造成某些品种间的差异。3.6.4dna甲基化与基因表现尽管有关果梅品种间表观遗传学的研究尚无报道,但表观遗传学如DNA甲基化与基因沉默存在的现象为解释某些果树品种形成的机制提供了新的依据。由于DNA甲基化与基因沉默直接影响基因的表达,进而造成相应表现性状的变化。很多果树芽变品种无法通过标记鉴别的事实为表观遗传的解释提供了可能。Fang和邓秀新等在柑橘品种中甲基化现象以及Ancillo等在柑橘品种间基因表达研究的发现都在一定程度上反映了品种形成的表观遗传学机理。DNA甲基化在植物进化中的作用为认识果树品种形成的机制提供了新的思路。这也意味着这种信息是对表观遗传上形成品种分类的惟一有效途径。4关于果梅品种的分类研究4.1梅种类型与品种分类的关系。首先是,与其他大多数果树相比较,果梅变种的种类尤为繁多。据文献考证,自1835年定名以来,先后发表变种变型多达45个,这种情况在大多数果树中很少见。与大多数果树相比,梅的研究相对落后,世界分布范围相对较小,而梅有如此多的变种可能存在与实际情况不相符的问题,褚孟嫄就曾指出梅研究的程度、标本的采样、变种与品种的定义、分类依据的不同或侧重等都可能是造成这种现象的原因。就此问题,笔者认为应该在以下几方面加强研究:(1)梅变种的划分标准要合理,从以往情况看梅变种的定义太宽松。变种(variety)和变型(form)的判断上需要注意其分布特点,即是否表现出一定范围或是零星分布的特点。前者具有成为新种的可能,后者在栽培利用后就成为品种。根据一个或少数几个外观性状的不同不足以成为变种或变型的依据。桃、苹果、梨等的品种差异甚至大于梅变种依据的事实值得分析与认识;(2)二元分类系统是否适用于品种分类乃至鉴别品种需要进一步证明。该系统对性状记载标准的要求以及环境对所利用性状的影响缺乏必要的研究;(3)二元分类系统对于果梅分类值有何借鉴;(4)果梅品种分类的内容与目的要清楚,