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牡丹花色及花色育种研究进展

2015-10-09 00:14:57来源:组稿人论文网作者:

牡丹花色及花色育种研究进展

杨琴 袁涛*

(北京林业大学 园林学院,北京 100083)

摘 要 归纳总结了牡丹兼顾花色的分类系统、花色测定方法的对比分析、各时期花色组成特点及现代国内外花色特点、色素组成及其与花色关系、传统育种与现代育种方法以及主要的育种成就。根据现阶段牡丹花色的特点,提出黄色、绿色、蓝色、橙色等稀缺花色的育种建议,并建议将多倍体育种、单倍体育种、诱变育种、分子育种等现代育种方法应用于牡丹的花色育种。

关键词 牡丹;花色;色素;育种

中图分类号 S685.11  文章编号1007-4333(2014)00-0000-00     文献标志码 A

Progress in flower color and breeding of Tree Peony

Yang Qin, Yuan Tao*

(College of Landscape Architecture, Beijing Forestry University, Beijing100083, China)

Abstract  This paper reviewed the classification systems considering the flower color of Tree Peony, characteristic of flower color at various periods, constitute of petal pigments, the relationship between flower color and pigments, traditional and modern breeding and typical achievements. In addition, the typical methods of determining petal color was contrasted as well. According to the feature of current flower color, this paper gave some suggestions about breeding scarce colors such as yellow, green, blue and orange. Finally, some modern methods were advised in flower color breeding, such as polyploidbreeding,haploidbreeding,mutationbreeding, molecular breeding and so on. 

Key words  Tree Peony; flower color; pigment; breeding

牡丹为芍药科(Paeoniaceae)、芍药属(Paeonia)植物,素有“花中之王”的美誉,是我国的十大传统名花之一,有着悠久的栽培历史,深受国人喜爱,也是世界久负盛名的名贵花卉。在我国,牡丹作为观赏栽培已经有1500多年历史,并在我国唐明清三朝被尊为国花,在长期的培育中已经成为世界上园艺化程度最高的花卉之一,在国内外花卉市场中占有重要地位[1]。按生物学特性和原产地的不同,芍药属植物被划分为2组:牡丹组和芍药组。牡丹组根据其花盘质地和形态的不同又分为两个亚组:革质花盘亚组和肉质花盘亚组[1]。花色是牡丹的重要观赏性状之一。花色研究和花色育种工作一直是牡丹生产和科研的主要内容。近年来,国内外在牡丹花色研究及育种方面取得了较大的进展,尤其是我国,涉及花色的研究十分活跃,不仅如此,我国花色育种也取得较大突破.

1兼顾花色的品种分类系统出现

牡丹最早常以花色命名, 如“玉带白”、“飞来红”、“软条黄”等。在古代,花色是牡丹分类的主要方法之一。如清代余鹏年所著《曹州牡丹谱》中,按花色将牡丹分为黄、青、红、白、黑、粉、紫、绿8类。现代的牡丹品种分类系统主要建立在品种起源和花型为主的二元分类基础上[1,2],但近年开始出现花色与花型相结合的二元分类法。喻衡1982年提出以花型作为一级分类标准,花色作为二级分类标准,将牡丹分为3类9型8大色(白、黄、粉、红、紫、黑、绿、蓝) [3]。李嘉钰等人提出在革质花盘原始种之下,以品种群为一级标准,以花色为二级标准,分白、粉、红、紫、黑、蓝、黄、绿、复色9个色系[2]。

王亮生等则根据牡丹花中所含花色苷的种类和相对含量将其分为4类:①Pn、Pg类,即含有芍药花素(Pn)、天竺葵素(Pg)二类色素,不含矢车菊素(Cy)类色素;②Pn、Pg>Cy类,即含有Pn、Pg和Cy类色素,且Pn、Pg类色素含量大于Cy类色素;③Pn、Cy类,即仅含有Pn、Cy二类色素,不含Pg类色素;④Pn、Cy>Pg类,即含有Pn、Cy和Pg三类色素,且Pn、Cy类色素含量大于Pg类[3]。

以花色为分类标准具有很强的实用性,但牡丹花色丰富多变且有许多中间类的过渡色,花色的描述标准较难把握。如红色系中就有粉红、桃红、浅红、洋红、紫红等花色。此外,花色的呈现也受年份、栽培技术条件、环境条件、花朵开放进程等因素影响。因此,仍需进一步的完善该分类标准。

2 花色测定方法

目前牡丹花色主要的测定方法有目测法、英国皇家园艺学会色谱标准(RHSCC)比色和仪器测色。

长期以来,牡丹花色的描述和评价主要依靠人为观测和定性,具有很大的主观性和随意性。有学者在比较了多种测量植物颜色的比色卡后,认为英国皇家园艺学会比色卡比较适用于园艺植物的研究[4]。

但比色卡主观性较强,对颜色的识别因人而异,因此花色的描述迫切需要用客观的数字表示,这样借助仪器设备测色的方法一经出现就得以广泛应用。这一方法将花色数量化、精确度高、受外界因素影响小,在菊花、月季、香石竹、兰花、矮牵牛、芍药等花卉的花色测定均得到应用。王亮生等人已采用色差仪测定了中原牡丹、西北牡丹的花色表型[5,6]。

英国皇家园艺学会比色卡与仪器测色法的应用特点见表1.综合两者的优缺点,现在对花色的表型测定多采用两者相结合的方法。但是,牡丹中的复色品种用上述方法来测定花色较难实现,因此牡丹的花色测定、描述及基于花色的分类系统还需进一步的完善。

表1 英国皇家园艺学会比色卡与仪器测色法比较

Table 1 Comparison of RHSCC and instrument in measuring petal color

3 牡丹品种花色演化进程

野生牡丹花色单一,以白、粉红、黄、紫色为主。但经过漫长的自然和人工选择花色逐渐丰富。目前已形成了红、粉、紫、白、黄、黑、绿、蓝、复色等色系。各色系又派生出不同的近似色、过渡色, 如红色系有桃红、脂红、肉红、紫红等[7]。

牡丹的观赏品种形成于隋朝,此时花色以红、黄为主[8]。唐·韩偓《隋炀帝海山记》记载:“隋炀帝辟地二百里为西苑,诏天下境内所有鸟兽草木驿至京师(今河南洛阳),易州(今河北易县)进二十箱牡丹赭红、鞓红…延安黄、先春红、颤风娇。”

至唐朝,牡丹花色逐渐丰富,已出现粉、红(浅红、肉红、殷红)、紫(含深紫)、黄、白(黄白、通白)等多种颜色[2]。据宋代陶谷《清异录》共记载后唐牡丹名品15种:“洛阳大…牡丹千余本,其名品亦有在人口者,见于后:‘百叶仙人’浅红、‘月宫花’白、‘小黄娇’深黄…”。

两宋时期是牡丹发展的鼎盛时期,品种数量成倍增加,牡丹花色进一步丰富,复色、绿色品种开始出现。据宋代谱录及相关文献记载,宋代约有牡丹品种220余个[2]。这一时期出现大量的牡丹著作,其中北宋欧阳修所著《洛阳牡丹记》记载了牡丹品种24个[9]。周师厚的《鄞江周氏洛阳牡丹记》对欧谱做了增补,记载牡丹品种51个[10]。此时期红色品种最多,其次为黄色品种,并出现多种新奇花色品种,如鲜红色的‘潜溪绯’,复色花也首次记载,即 ‘二色红’以及花瓣具条纹的‘顺圣’、‘玉楼红’。此外,南宋陆游《天彭牡丹谱》中,记载了名为‘欧碧’的品种,可能是最初的绿色品种。

元代牡丹的发展处于低潮,但仍有新品种出现。耶律铸所著《双溪醉隐集》卷一中《天香台赋》、《天香亭赋》是以赋加夹注形式写成的牡丹谱录,记录牡丹品种100余种[11]。该书引用《道山居士录》牡丹品种6个,并第一次出现变色花品种,即‘添色黄’,花初开为黄色,后逐渐变成红色。

明代,牡丹得到恢复与发展,牡丹谱中最具代表性的是薛凤翔的《亳州牡丹史》,书中共记载267个牡丹品种,其中详述200多个品种[12]。此时期,红色系品种数量远远超过其他花色,约占所记载总数的一半,这可能与当时人们对红色的偏爱有关。此外,复色品种数量明显增加,如‘破面娇’(一花二色,红白对开)、‘胜西施’(粉白晕红)等共有15个。

至清代,山东曹州(今菏泽)发展为全国最大的牡丹栽培中心,余鹏年所著《曹州牡丹谱》[13]以花色分类,较详细的记载了56个品种,这一时期红色品种仍为最多,此外,绿色、黑色等新奇花色品种增多,而之前记载的复色品种和变色品种逐渐不再见记于谱记。

新中国成立后,牡丹的栽培得到恢复发展。1980年,喻衡《菏泽牡丹》出版,记载了牡丹品种104个。1997年,《中国牡丹品种图志》共整理400个中国牡丹品种,紫色,红色,粉色品种明显多于其他色系,尤其是紫色品种,约占总数的34%[1]。2011年《中国牡丹》共收集记录1050个品种,其中,紫色又分为紫红色(165种)和紫色(87种)[2]。

这期间另一显著的特点是我国牡丹的复色花品种明显增加,其中《中国牡丹》中记录了25个复色品种。不仅数量增加,复色花的类型也丰富了。除粉、紫二色镶嵌在同朵花上或同株分别开粉、紫二色的传统品种‘二乔’外,花瓣具条纹的复色品种再次出现,如西北品种‘和平花二乔’,内轮花瓣具从基部到瓣端的红色长条纹;内外瓣异色类型如‘鸳鸯谱’,内轮花瓣全部为红色,外轮白色,与‘二乔’和日本的复色品种‘岛锦’明显不同的是,这两类品种的第二种颜色均产生在雄蕊瓣化瓣上。此外还有镶边型的复色品种,如‘梦幻’,花瓣边缘红色,其余部分橙黄色;边缘部分与中下部异色的品种,如‘种生花’,花瓣下部浅粉色,端部具浅紫色晕。

此外,变色花品种也再次出现,如‘娇容三变’初开为绿色,盛开后变为粉红,近谢时变为粉白色。‘绿幕隐玉’初开绿色,盛开后逐渐转为纯白色。王莲英等人培育出的‘彩虹’不仅为复色,且随着花朵的开放花色由橙黄色逐渐变为黄色[14]。

此外,《Peonies》[15]、《The Gardener’s Guide Peonies》[16]和《The peony》[17]中,详细记录了270个国外品种。分析各个时期著名的牡丹谱录和国外专著,不同花色的品种数量见表2.

4 花色素研究进展

4.1 牡丹花中色素种类

早在60多年前,牡丹花色素就引起了植物化学家和园艺学家的兴趣,日本植物色素研究的泰斗林孝三先生于1939年最早从牡丹中分离得到了芍药花素,后来他又分离得到了天竺葵素和矢车菊素,这3种色素在牡丹花瓣中大量地存在。后来,库珀(1970年)、石仓成行和菅原敬信(1979年、加藤信行(1982年)从牡丹花中检出了另外3种花青素[18,19]。至此,牡丹花瓣中所含有的所有花青素类色素已全部被弄清楚,共有6种存在,分别为芍药花素-3-葡糖苷(Peonidin-3-o-glucoside,Pn3G)、芍药花素-3,5-二葡糖苷(peonidin-3,5-dio- glucoside, Pn3G5G)、矢车菊素-3-葡糖苷(Cyanidin-3-o-glucoside,Cy3G)、矢车菊-3,5-二葡糖苷(Cyanidin-3,5-dio-glucoside,Cy3G5G)、天竺葵素-3-葡糖苷(Pelargonidin-3-o-glucoside,Pg3G)和天竺葵素-3,5-二葡糖苷(Pelargonidin-3,5-dio-glucoside,Pg3G5G)。天竺葵色素呈现砖红色;矢车菊素及芍药花色素表现为紫红色[20]。

表2.不同时期各花色的牡丹品种数量统计

Table 2 Statistics of flower color of varieties in each period

除花青素类色素的组成和含量影响牡丹的花色外,其他色素也影响着牡丹花色的形成。近些年王亮生等人用高效液相色谱与质谱联用的方法从牡丹中检出了3种黄酮和3种黄酮醇。Kurt Egger等从牡丹花中首次分离检测到的黄酮苷有两种,黄酮醇苷2种[21]。王晓等从牡丹花中首次检测到黄酮苷2种,黄酮醇苷1种[22]。程源斌从中原牡丹品种中首次检测出3种黄酮苷和2种黄酮醇苷[23]。曾秀丽等从西藏黄牡丹(P.lutea)和大花黄牡丹(P.lutea var. ludlowii)中检出查耳酮(Chalcone) [24]。周琳等从云南野生黄牡丹中检出异杞柳苷(isosalipurposide,ISP) [25]。此外,一些牡丹品种中还检测出叶绿素(chlorophyll),最典型的如著名传统品种‘豆绿’,其他绿色系品种‘绿玉’、‘春水绿波’、‘绿香球’等也含有叶绿素[26]。周琳等分析云南野生黄牡丹色素成分时,从中也检测到叶绿素的存在[25]。但是,值得注意的是,已有大多数文献均未报道牡丹花瓣中是否存在类胡萝卜素,仅刘建华等人的研究报道称花瓣中存在大量类胡萝卜素[27],因此,需进一步确定花瓣中是否存在类胡萝卜素。表3为牡丹花瓣中确定存在的色素种类。牡丹中花青苷及主要类黄酮的基本结构见图1.

 

R1  R2                          R1  R2                    

Peonidin-3,5-dio-glucoside(Pn3G5G):    G  OCH3             Apigenin:   H   H     

Cyanidin-3,5-dio-glucoside(Cy3G5G):    G  OH               Luteolin:   H   OH    

Pelargonidin-3,5-dio-glucoside(Pg3G5G):G  H                Chrysoeriol:H   OCH3  

Peonidin-3-o-glucoside(Pn3G):          H  OCH3             Kaempferol: OH    H

Cyanidin-3-o-glucoside(Cy3G):          H  OH               Quercetin:  OH    OH

Pelargonidin-3-o-glucoside(Pg3G):      H  H               Isorhamnetin:OH   OCH3

图1 牡丹中花青苷、黄酮及黄酮醇的化学结构(G表示葡萄糖苷)

Fig.1 Constructions of anthocyanidins, flavons and flavonols in Tree Peony(G means glucoside)

4.2 花色与色素关系

决定牡丹花颜色的色素主要是以上六种花青素,Hosoki[28]等、王亮生等均发现牡丹花色随着花青苷总量的增加而变暗。Hosoki等和Sakata等调查过日本品种群的花青苷组成,发现黑红或深红紫色品种的花瓣中含有大量花青苷,而粉色或白色品种含有微量花青苷[28]。

牡丹花瓣颜色的呈现与花青素的种类和含量密切相关。Pg系色素使花色呈红色,其中Pg3G使其呈鲜红色;Pn系的Pn3G5G使花瓣呈红紫色;Cy系色素使花瓣呈桃红色。而实际上牡丹花瓣中不仅仅含单一种类的色素,不同花色素按不同的比例存在使花瓣呈现出不同的花色。表4列举了牡丹花色与花青素含量的大致关系[26]。

此外,花青苷以外的色素的共着色作用也是影响花色的一个重要因素。共着色作用分为两种情况:一种是分子内共着色,即花色素苷与一个和其相连的芳香酰基间的相互作用;另一种是分子间共着色,即助色素与花色素苷分子非共价结合[29]。

在牡丹花瓣中,目前发现的共着色作用主要是分子间的共着色,Ap、Km、Lu是影响牡丹花色的主要助色素,它们不仅降低了中国牡丹红色系品种的红色化程度,而且参与了粉色系和紫色系品种的花色形成[26]。一些黄色花中几乎不含花青苷,而以黄酮、黄酮醇以及查尔酮等色素为主,例如云南的黄牡丹、西藏的黄牡丹以及大花黄牡丹[24,25]。

表3 牡丹花瓣中色素种类

Table 3 The pigments in Tree Peony

表4 牡丹花的颜色变化与花青素含量的关系

Table 4 The relationship between flower color and anthocyanidins

目前,多个品种群的花色素组成得到了初步分析。结果发现牡丹品种群间花色素组成存在较大的差异,表5中列出了现阶段不同牡丹品种群中已检测到的花青素和其他类黄酮化合物的组成[23,30,31]。

 

表5 不同牡丹品种群色素组成

Table 5 Pigments in different cultivar groups

王亮生等[32,33]分析了8个牡丹野生种的花色素组成及含量, 发现其差异较大。但仅检测到五种花色素,分别为:Pn3G5G、Pn3G、Cy3G5G、Cy3G 和Pg3G5G。而使花色呈现正红色的Pg3G并未在8个野生种中检测出。此外,曾秀丽等[24]研究了西藏大花黄牡丹的色素组成。具体色素组成见表6.

5花色育种

5.1传统育种

5.1.1 引种驯化

引种驯化是牡丹品种培育最早的方法之一,为其他方法提供了最原始的基础材料,也扩大了牡丹的分布范围。从宋、明、清直到现代,牡丹的引种驯化已很普遍。

明朝薛凤祥将曹州的‘状元红’等名品移植到亳州,之后又‘偏求他郡善本移植亳中,亳有牡丹自此始’[12]。可以说,亳州的牡丹发展始自区域间的引种。

表6 几种野生牡丹种色素组成

Table 6 The pigments in wild Tree Peony

近年,王莲英等人从云南、河南、西藏等地引种野生的牡丹,通过远缘杂交的方法培育出许多纯黄色、橙黄色、橙红色以及香槟色等目前我国所缺少的牡丹花色[14]。

国际间的引种活动自古便有,并逐渐增多。日本是最早引种我国牡丹的国家,此后经过长期选育,逐渐形成了日本牡丹品种群。18世纪开始陆续有中国牡丹引种到欧洲,如粉色品种‘粉球’(‘Powdered Ball’)以及中国野生黄牡丹和紫牡丹,后两者被用作杂交亲本已培育出许多纯黄色系和墨紫色的新品种[2]。

洛阳从20世纪80年代开始从国外引进牡丹品种160余个。其中从日本引入的品种中,红色品种最多,且许多品种的红色为正红色,如‘花王’、‘玉绿’、‘今猩猩’等,弥补了我国牡丹品种中正红色少的缺陷。《中国牡丹》中记载了部分从国外引种的牡丹品种,其中从法国及美国引种的品种中,以黄色最多,且多为重瓣,如‘海黄’、‘金晃’、‘金岛’等,而从日本引进的品种以红色、粉色最多,如‘花王’、‘太阳’、‘日月锦’等。引进品种的花色及数量见表7[2]。

5.1.2 选择育种

选择育种,包括芽变选种、嫁接嵌合体的选育及实生选择等,在牡丹花色育种中起了重要作用[34]。

我国很早就开始利用芽变来选育牡丹新品种。《洛阳牡丹记》中记有“‘潜溪绯’者,千叶绯花,出于龙门山潜溪寺。……本是紫花,忽于丛中特出绯者,不过一二朵,明年移至他枝,洛人谓之转枝花。……”。这是紫色花芽变为绯红色的例子。《亳州牡丹史》中鲜红色的品种 ‘妖血’,也是芽变选育出的新品种,书中记载“壬子岁于南里园偶见娇容三变,一树数枝,忽一枝出三头,红艳绝色世,无此类”,即花色由红变为更为鲜艳的红色。

表7 引种国外牡丹品种花色统计

Table 7 Flower color of introduced foreign cultivars 

从唐宋时期开始,人们已知道嫁接可固定突变性状,因而使一些新花色品种得以保留和传递,产生于北宋时期的‘潜溪绯’红色、‘洗妆红’红色、‘缕金黄’黄色、‘一尺黄’黄色等都是通过嫁接技术保留来的[34]。随着嫁接嵌合体、芽变及雄蕊瓣化的出现,牡丹的花色及花型发生了很多变化,人们“岁取其变者以为新”,使栽培牡丹的品种逐渐增多。

牡丹以异花授粉为主,播种自然杂交后的种子进行实生选种也是牡丹花色育种的方式之一。自南宋时开始,至明、清两代该方法广泛应用,至今仍为一种重要的育种方法。宋朝《天彭牡丹谱》中写到:“‘绍兴春’者,‘祥云’子花也,色淡红而花尤富,大者径尺。”‘祥云’为浅红色,‘绍兴春’颜色更浅。又如《亳州牡丹史》中记载:“‘醉玉环’方显仁所种,乃‘醉杨妃’子花…质本白而间以藕色,轻红轻蓝相错成绣…其母‘醉杨妃’作深藕色”花色由深藕色变异为白色间有藕色。为建国以来,山东菏泽通过实生选种育出了300多个新品种[35],如:‘彩衣天使’粉白色、‘红绵缎’紫红色、‘宝蓝冠’粉紫色微带蓝色、‘多花罗汉’粉色等。日本从江户时代开始播种引入的中国牡丹天然杂交种子,后从实生苗中选育新品种,逐渐形成了特征鲜明的日本牡丹品种群[36]。 

5.2 现代育种

5.2.1 亚组内杂交

人工杂交目的性强,经过选择基因型不同的优良亲本,能够创造更加丰富的遗传变异,培育新、奇、特的优良新品种和新类型。我国现有的千余个牡丹品种约90%以上是由品种群内或革质花盘亚组内的杂交选育出的[14]。品种间杂交难度相对较低,亲本的亲和性较高,易产生新品种。我国牡丹大规模人工定向育种始自山东菏泽,通过品种间杂交育成了大量新品种,具有代表性的有‘亭亭玉立’白色、‘种生红’红色和‘冠世墨玉’紫黑色等,在国际市场上十分受欢迎。

由于这类杂交多局限在品种群内,亲本基因背景雷同,长期的杂交也使同类基因资源的挖掘潜力逐渐降低,后代的花色变异小,后代的花色往往与亲本雷同,缺乏新意。

5.2.2 亚组间远缘杂交

西方人早在100多年前引走我国肉质花盘亚组的黄牡丹和紫牡丹并作为亲本进行远缘杂交,培育出了纯黄色和墨紫红色品种。法国的HenryLouis教授用P.×suffruticosa与黄牡丹杂交,培育出了世界上第一个黄色牡丹品种‘Mm.Louis Henry’[37]。法国人Victor Lemoine在1900年前后用黄牡丹、紫牡丹与中国栽培牡丹品种杂交,培育出一系列黄色品种。这些品种后被称为Lemoine系(P.×lemoine)。它们具有黄牡丹纯正的黄色并先后传入欧美各国和日本,受到了普遍欢迎。其中流传最广的包括‘L’Esperanee’(金帝)金黄色、‘La Lorraine’(金阳)金黄色、‘Souvenir de Maxine Cormu’(金阁)复色边缘红色、‘Aliee Harding’(金晃)金黄色等品种。Lemoine系的育种成功说明牡丹亚组间不同种或种与品种间的远缘杂交是可行的,这为牡丹花色育种提供了新的途径。

在美国,20世纪初Saunders教授把黄牡丹和紫牡丹与日本品种杂交,获得的杂种后代花色变异十分丰富, 从深红、猩红、杏黄到琥珀色、金黄色和柠檬黄色。如纯黄色的‘金色年华’和‘海黄’(基部具红斑), 深红色的‘中国龙’和墨紫色的‘黑海盗’ [15]。

20世纪中期William Gratwick将黄牡丹和紫牡丹与日本品种反交,育成约13个新品种。之后,Nassos Daphnis通过回交Saunders留下的单株,育成50多个新品种[15,38]。国外培育的亚组间远缘杂交部分新品种及其亲本见表8,由于Saunders的新品种记录不全,未能找到其亲本的信息。

亚组间远缘杂交的巨大成就,使得越来越多的园艺爱好者及育种家参与了牡丹的杂交育种,培育出了大量新品种。目前,除了紫牡丹和黄牡丹、日本栽培品种、中国栽培品种外,大花黄牡丹、四川牡丹、杨山牡丹、矮牡丹及紫斑牡丹也逐渐应用于杂交育种工作中来,并获得少量的成功[39]。

表8 国外亚组间远缘杂交育成部分品种及其花色

Table 8 Flower color of sub-group hybrids in foreign countries

我国牡丹品种的花色长期徘徊在白色、粉红色、紫红(包括墨紫色、紫褐色)色系范围内,真正的黄色系品种一直难以育成。20世纪90年代末,我国牡丹花色育种终于取得突破。这一突破来自我国牡丹亚组间远缘杂交的首次成功。陈德忠利用黄牡丹与西北牡丹品种培育出两个亚组间远缘杂种‘炎黄金梦’和‘华夏金龙’。何丽霞用黄牡丹、紫牡丹与紫斑牡丹、杨山牡丹、四川牡丹及部分栽培品种杂交,培育出多个黄色、橙色、复色等新品种。王莲英等人引种成功多种野生牡丹,并与栽培品种进行了大量远缘杂交,将我国牡丹花色育种推向新的高峰。如利用黄牡丹与白色的日本品种‘白神’杂交,获得纯黄色的品种‘华夏一品黄’;黄牡丹与紫红色品种‘日月锦’、‘百园红霞’杂交,获得橙色系‘香妃’、‘笑颜’及红黄复色的‘彩虹’;等等[14]。表9为国内远缘杂交获得的牡丹新品种及其花色。

 

 

 

表9 国内亚组间远缘杂交新品种一览表

Table 9 Flower color of sub-group hybrids in China

由国内外的育种成果可以看出,亚组间远缘杂交为原有栽培品种群引入了肉质花盘亚组的基因资源。其中,黄牡丹在黄色花育种中的作用尤为突出。此外,紫牡丹、大花黄牡丹等野生种在花色育种中也将发挥重要的作用,远缘杂交育种为牡丹花色育种开辟出一个广阔的新天地。

5.2.3 组间远缘杂交—伊藤杂种

芍药属的野生类群和绝大多数栽培品种的染色体数目都是2n=10,从遗传学上讲牡丹组与芍药组的杂交存在可行性。组间杂交分三种类型:①芍药×牡丹(正交:herbaccous peony×tree peony);②牡丹×芍药(反交:tree peony×herbaceous peony);③牡丹或芍药×北美芍药或其反交。其中,①类是最早获得成功的组间杂交类型。

约在 1948 年,伊藤(Itoh-Smirnow)用芍药品种‘花香殿’P. lactiflora‘Kakoden’(白色)与牡丹品种‘金晃’ P.×lemoine‘Alice Harding’(黄色)杂交,首次得到牡丹芍药组间杂种后代,且为纯黄色。这类后代被命名为伊藤杂种(Itoh hybrids)。之后,美国育种家R.Anderson、W.Seidle、D.Hoilingsworth和D.smith等人也开始进行组间杂交育种,组间杂交逐渐发展成为牡丹芍药育种的新领域。目前,在美国牡丹芍药协会(APS)登录的伊藤杂种的注册时间主要集中在1974、1984、1986、1989、1999、2001-2006和2010年间。

据D.Smith统计至2010年10月在APS登录的伊藤杂种共计119个,其中绝大多数都是①类正交的后代,如‘Bartzella’、‘Court Jester’、‘Garden Treasure’、‘Scarlet Heaven’等等[2]。此外,还登录了3个②类反交品种:‘Momo Taro’、‘Impossible Dream’和‘Reverse Magic’。

伊藤杂种的花色丰富,包括白色、粉红色、淡紫色、红色、紫红色到橘黄色、黄色等。表10为国际上登录的伊藤杂种花色分类,从中可以看出,黄色品种最多,包括浅黄、深黄、杏黄、奶黄、以及黄色与粉色的复色等颜色。其中具有多个纯黄色品种,如R.Anderson育出的‘Saffron Innocence’、‘Sequestered Sunshine’;D.Hoilingsworth育出的‘Prairie Sunshine’;D.smith育出的‘Golden Extra’等。粉色品种中,多为粉色与黄色或奶油色混合,且多个品种花朵盛开后易褪色,变为黄色或奶油色,如D.smith育出的品种‘Maximus Glorious’初开为浅粉色,后变为亮黄色;‘Reverse Magic’初开为浅黄与粉色,盛开后变为奶油色,边缘浅粉色。值得注意的是,一些品种由粉色与黄色复合而成,呈现出橙色,但这种橙色常常不稳定,随着花朵开放过程中色素的降解,橙色极易消失,如D.smith育出的‘Singing in the Rain’花蕾时为粉色,初开时为黄色具粉色晕,远看呈现橙色,后花色逐渐变为深黄;‘Starburst symphony’初开为奶黄色具粉色晕使花色呈现橙色,盛开后花色变为浅黄色,稍有粉色晕。红色品种包括鲜红、深红、砖红和玫瑰红。紫色品种包括粉紫色、紫红色、深紫色和浅紫色,其中粉紫色品种较多。白色品种中花瓣中部常有紫色或深红色斑块。伊藤杂种中也有多个复色以及变色品种。其中复色品种多为红黄复色,如‘Al’s Choice’黄色花具红色条纹、‘Lollipop’粉紫色花具黄色条纹。此外也存在少量其他复色现象,如‘Lemon Dream’黄色花,常有1至2朵一半紫一半黄;‘Morning Lilac’紫红色,有紫黑色与白色条纹;‘Scrumdidleyum ptious’奶油色,边缘粉色。

变色品种中,除‘Royal Blush’在开放过程中花色加深外(花苞期为婴儿粉,盛花期为桃红色),其他品种颜色均逐渐变浅。从色素上分析,‘Royal Blush’花色加深的可能原因是花蕾或初花期时,花色素以类黄酮为主,盛花时由类黄酮合成花青素,使花色加深。花色逐渐变浅的变化包括以下几种情况:桃红色变至奶油色、粉色变至黄色、黄色变至奶油色、黄色变至白色、玫瑰黄色变至纯黄色。花色变浅可能原因是由于花青素和黄酮在花朵开放过程中的降解或者其合成速率比花瓣生长速率慢,导致花瓣单位面积上色素含量的降低。

伊藤杂种中应用最多的母本为芍药品种‘Martha Washington’及其实生苗,父本主要为‘Golden Era’、‘Alice Harding’以及一些未命名的黄牡丹杂种后代。由此可见,伊藤杂种中大部分具有黄牡丹的基因,这可能是造成伊藤杂种中黄色品种最多的原因,但仍需进一步的实验分析。

亲本的组合中杂交亲和性较高的组合包括‘Martha Washington’בGolden Era’、‘Kakoden’בAlice Harding’、‘Martha Washington’בSmith’s Yellow’等[40]。这些组合所杂交出来的后代花色变异丰富,包括白色、黄色、红色、粉色、紫色以及复色和变色品种。

表10 伊藤杂种花色统计

Table 10 flower color of Itoh hybrids 

郝青等在北京昌平首次发现一株芍药牡丹杂交后代,命名为‘和谐’,花浅紫红色,基部具黑紫色斑块。这是国内第一株伊藤杂种[41]。成仿云利用牡丹品种‘金帝’与芍药品种‘粉云飞荷’杂交,培育出5个伊藤杂种[42];王莲英等人在2004年利用黄牡丹与芍药品种1号‘班克海尔’杂交,培育出一株花色纯黄且花量较大的小花品种,命名为‘金月’。现将统计的国内外部分伊藤杂种杂交组合及其花色列于表11.

 

 

表11 部分伊藤杂种亲本及新品种花色表

Table 11 Flower color of several Itoh hybrids and thire parents

5.2.4 空间诱变育种

空间诱变育种(space mutation breeding) (以下简称空间育种) ,是利用卫星、飞船等返回式航天器将植物的种子、组织、器官或生命个体等搭载到宇宙空间,在太空诱变因子作用下,使植物材料发生有益遗传变异,经地面繁殖、栽培、测定试验,筛选出新种质、新材料,培育新品种的育种技术。自1987 年以来,我国已成功进行了20 多次空间搭载育种研究,相继进入空间的植物品种数以千计。与常规的诱变育种方法相比,空间育种具有以下特点:①变异幅度大,变异频率高,有益突变多。传统辐射诱变的有益变异频率仅为1 ‰~5 ‰,而太空辐射诱变的有益变异频率却高达1 %~5 %。②生理损伤轻,致死性变异少,诱变效率高。③变异性状稳定较快。④出现一些其它理化因素处理较少出现的特殊的变异类型。通过太空育种,牡丹将可能出现奇特花色,如蓝色或复色等。

2011年“神州八号”宇宙飞船搭载了牡丹芍药种子300克进行空间育种,返回地球后在洛阳进行分批播种[43],但尚未有育种结果报道。

6 花色育种展望

我国现有牡丹品种中较缺乏真正的黄、绿、蓝和鲜红色品种,远缘杂交、分子育种等是丰富牡丹花色的重要手段。无论野生种还是栽培品种,牡丹的遗传变异和多样性均极高。国外一些育种学家引种我国部分野生资源并用于牡丹育种,培育出了大量优良的牡丹新品种。可喜的是,近年我国牡丹的花色育种中,野生牡丹的价值开始得以体现,可以期待的是这些野生资源,一旦大量用于育种中,将极大地促进新花色品种的培育。

6.1 黄色花育种

牡丹黄色花的育种可通过远缘杂交以及分子育种的途径开展。欧美一些育种家以及我国陈德忠、何丽霞、王莲英等人利用野生黄牡丹与栽培品种杂交,均已培育出多个纯黄色品种。因此在黄色花育种中,黄牡丹具有巨大的应用价值。已有研究表明,牡丹黄色品种中色素主要为黄酮类色素,不含或仅含少量的花青素类色素,因此,黄色花的育种应尽量选黄酮含量高、花青素含量低或无的品种为亲本。Hao[44]等人将美国品种‘海黄’与一系列日本品种进行杂交,其中,与白色品种‘Seppakuzan’的杂交培育出一个黄色新品种,而与红色、紫色、粉色等品种的杂交未育出黄色品种。Zhang [6]等通过对35个西北牡丹品种进行花色素分析发现,开白色花的冰山雪莲花瓣中不含任何花色素苷,可作为黄牡丹杂交选育的理想亲本。

实现黄色花分子育种的可能途径为,以查尔酮等类黄酮生物合成途径中的关键基因为突破口,通过基因工程调控类黄酮的合成方向,抑制花青素的合成和促进类黄酮的积累。周琳[25,45]等人的研究发现黄牡丹花瓣中不含花青苷,而含有大量查耳酮类化合物ISP。因此可通过向目标植株中导入黄牡丹的ISP合成关键基因THC2'GT,并同时抑制其内源花青苷合成相关基因的表达,促进花瓣内查耳酮的积累,进而实现牡丹黄色花分子育种。目前,THC2'GT的cDNA 克隆已从香石竹中得到分离,并通过表达该基因使矮牵牛花瓣中ISP含量增加[46]。

6.2 蓝色花育种

由于牡丹花瓣中缺少使花色呈蓝色的飞燕草素Dp,因此缺乏真正的蓝色花,传统的杂交育种方法很难实现蓝色花的育种,可利用分子育种手段将合成Dp的关键基因F3’5’H导入牡丹中产生Dp糖苷,Dp糖苷还可以和牡丹花中原有的类黄酮形成辅助着色效应, 将有希望育成更纯、更稳定的蓝色花[29,30]。

6.3 红色花育种

Hosoki[28]等分析中国牡丹缺少鲜红色的原因是缺少Pg3G,而且牡丹花瓣中的主要助色素Ap、Km、Lu降低了中国牡丹红色系品种的红色化程度。因此在利用杂交育种手段培育鲜红色花色品种时,应选取富含Pg3G且助色素化指数低的品种做亲本[30]。

6.4 橙色花育种

Verne Grant通过研究2种酸沟浆属植物的花色素组成发现,橙色的花色可以由黄色和粉色的色素结合形成,D.Smith认为这一机理有可能在牡丹的橙色花育种中实现[47]。若这一机理能在牡丹中实现,那在橙色花育种中应尽量选择亲本同时具有红色和黄色色素,且控制红黄色素的基因在F1代中均能够表达。因此,D.Smith认为橙色花育种应尽量选择近似橙色的品种作为亲本进行杂交育种[47]。因为橙色品种可能同时具有红色和黄色色素基因且都能正常表达,则其杂交后代具有红黄色色素基因且均能表达的可能性将更高。

D.Smith分析了Daphnis、Henry和Lemoine的部分杂交育种工作,分析了黄牡丹为母本,一些日本牡丹品种做父本的杂交组合,发现其F1代花色变化丰富,但未发现橙色花品种[47]。王莲英等人将黄牡丹与紫牡丹、‘日月锦’、‘层中笑’、‘红辉狮子’等红色牡丹进行杂交,培育出了多个橙色品种[14]。因此,当亲本分别含有红色和黄色色素基因时,也可以产生橙色花后代,也就是说黄色品种与红色品种同样可以用于橙色花育种。这些橙色品种的育成是否符合D.Smith的假设仍需进一步的研究证实。但至少可以说明,黄牡丹在橙色花育种中存在很大的潜能,并且证实了黄色花与红色花杂交能够产生橙色品种。甘肃何丽霞等人用紫牡丹与紫斑牡丹杂交也培育出了橙色品种。其可能原因是由于紫牡丹和紫斑牡丹花瓣中均含有红色和黄色色素,杂交后代同时具有红色和黄色色素,因此能够产生橙色花后代。

橙色的形成有两种可能:一是不同色素在同一细胞内混合后形成橙色;二是黄色的色素与红色的色素在不同花瓣细胞中存在,细胞叠加后通过光线照射呈现出橙色。若为第一种情况,橙色花品种的颜色可能更均匀,花色更接近真正的橙色,若为第二种情况,则有可能因为不同细胞中色素分布的差别造成花瓣颜色不纯正,橙色深浅不一致,或者随着花朵的开展花瓣细胞的生长扩散造成开花过程中花色的变化。其具体的呈色机理仍需进一步研究。

6.5 扩大育种亲本范围

目前肉质花盘亚组牡丹的黄牡丹、紫牡丹和大花黄牡丹是牡丹花色改良和育种最受“热捧”的亲本,而对革质花盘亚组的四川牡丹和卵叶牡丹的利用明显不够;日本品种普遍花色纯正、艳丽,花粉萌发力高且耐储存[48],含有使花色呈现鲜红色的Pg系色素,而国内品种几乎不含Pg系色素,这正是国内品种缺乏鲜红色的原因,因此日本品种是培育鲜红色品种潜力较大的育种亲本,如‘岛赤’、‘花王’‘太阳’等均为鲜红色品种; 欧美也有花色鲜艳、花头挺值且抗性强的牡丹、芍药品种,如‘La Lorraine’(金黄色)、‘Banquet’(红色)、‘Anna Marie’(淡紫色)等牡丹品种,P.mlokosewitschi(黄色)、P.wittmanniana(黄色)、P.anomala(红色)、P.bakeri(紫色)及其系列芍药品种[16],其中一些芍药品种已为我国引种,如‘Buckeye Belle’(朱红色)、‘Coral Sunset’(珊瑚色)、‘Pink Hawaiian coral’(珊瑚粉色)、‘Red Charm’(鲜红色)等[49]。这些资源都是我国牡丹花色育种及改良中可以利用的亲本。在扩大育种亲本范围的同时,要有针对性地选配亲本组合,以体现育种的定向性和高效性,国内外已经选出和排除一些杂交中高效或无效的组合,其成功模式和失败教训可供借鉴[53]。

6.6 丰富育种方法

除现阶段应用的杂交等育种方法外,一些现代育种方法和技术可以尝试用于牡丹的花色育种中,包括:多倍体育种、单倍体育种、诱变育种、分子育种等。目前,这些现代育种技术已经应用于多种作物及观赏植物的育种中,但在牡丹花色育种中尚未见报道

多倍体植物具有花色浓艳、抗性增强、品质和观赏价值提高、克服远缘杂交的不结实等优点,为花卉育种提供了新的思路[50]。牡丹染色体大型且数目少,目前,除发现一个品种‘首案红’为三倍体(2n=3x=15)外,野生种与文献报道的栽培品种均为二倍体(2n=2x=10)。D.Reath和成仿云都曾用秋水仙素诱导多倍体,但至今未见成功报道[51]。

单倍体育种是利用花粉和花药的离体培养, 获得单倍体植株, 再加倍成纯系的育种方法。单倍体育种在克服杂种分离、缩短育种年限、提高选择效率、研究有利突变、克服远缘杂种不育性和不稳定性等方面表现出强大的优势 [50],目前虽然获得牡丹纯系难度较大,但它是研究牡丹花色、花型等性状遗传规律非常有价值的理想材料。

诱变育种可以明显提高基因的突变率,扩大变异范围,能在较短的时间内有效地提高花色的突变率。其中,辐射诱变是目前新花色培育与花色改良的重要手段之一,如利用电离辐射可促进杜鹃花产生嵌合型花色变异,比利时近些年用此法每年获得数千万花色变异植株[50]。辐射处理种子可以拓宽实生苗的花色变异范围。若将辐射处理和有性杂交结合,应用于牡丹花色育种中, 将有希望扩大F1 代的分离范围,培育出奇特的新花色品种[50]。

 

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