我國煙草種質(zhì)資源收集、鑒定及在育種上的應(yīng)用

焦芳嬋，吳興富，陳學(xué)軍，許美玲，李永平

云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，昆明市圓通街33 號 650021

種質(zhì)資源是重要的自然資源，由自然演化和人工創(chuàng)造而成，是新品種選育的物質(zhì)基礎(chǔ)［1］。目前，我國煙草種質(zhì)資源保存數(shù)量位居世界前列［2］。只有深入挖掘煙草種質(zhì)資源，才能更好地選育出優(yōu)質(zhì)品種，滿足煙草工業(yè)的需求。

1 煙草種質(zhì)資源概述

1.1 煙草的發(fā)展及現(xiàn)狀

煙草是茄科植物的第5 大家族，早期分成60個種。隨著煙草新種質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新、分類研究的不斷深入，以及分子生物學(xué)在分類中的廣泛應(yīng)用，Knapp 等［3］將煙屬劃分為76 個種。其中只有普通煙草（Nicotiana tabacum L.）和黃花煙草（Nicotiana rustica L.）可直接栽培利用［4］。煙草主要分布在北緯45°到南緯30°之間，產(chǎn)地以亞洲為中心，遍及亞洲、南美洲、北美洲、非洲及歐洲［2,5-6］。

在我國，煙草的發(fā)展經(jīng)歷了5 個階段［7-8］。第1階段，晾曬煙的傳入；第2 階段，黃花煙的傳入；第3 階段，烤煙的傳入；第4 階段，建國前后至改革開放初期，香料煙、白肋煙的引進(jìn)；第5 階段，改革開放后，隨著我國社會主義市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煙草在類型、規(guī)模、質(zhì)量方面都有大幅度的提升。從1990年開始，煙葉布局出現(xiàn)“北煙南移”現(xiàn)象。黃淮煙區(qū)（豫、魯、皖）的種植面積日趨減少，而西南煙區(qū)（云、黔）的種植面積逐步增加［9］。

1.2 煙草種質(zhì)資源的收集、保存

一直以來，美國煙草育種家十分重視煙草種質(zhì)資源的收集，曾于1913 年先后兩次派考察隊到煙草起源中心搜集古老類型的煙草種質(zhì)和野生種，例如：高抗青枯病的TI44A 和高抗線蟲病的TI706 等具有特殊使用價值的煙草種質(zhì)［6］。日本也一直在收集國外煙草種質(zhì)資源，現(xiàn)已擁有1 900份煙草種質(zhì)資源［10］，煙草野生種—川上煙草就是1960—1970 年間到南美洲考察時發(fā)現(xiàn)的。前蘇聯(lián)于1920 年從世界50 多個國家收集了包括煙草資源在內(nèi)的13 萬多份植物種質(zhì)資源［10］。

我國煙草種質(zhì)資源收集起步較晚。20 世紀(jì)50年代初，進(jìn)行了第1 次煙草種質(zhì)收集，共收集煙草資源3 000 多份。20 世紀(jì)70 年代末至今，在湖北、四川、海南、廣西、云南等地區(qū)進(jìn)行了煙草品種資源的補(bǔ)充征集［2］，并每年陸續(xù)從國外引進(jìn)一些使用價值較高的優(yōu)良種質(zhì)。自2006 年我國煙草種質(zhì)資源平臺正式啟動以來，煙草種質(zhì)資源在各個層面取得了較大進(jìn)展。但與美國等國家仍然存在較大的差距：①對種質(zhì)資源鑒定不夠全面；②對優(yōu)異（或特異）種質(zhì)資源挖掘不夠深入；③基礎(chǔ)研究相對薄弱。因此，加強(qiáng)我國煙草種質(zhì)資源收集、鑒定以及在育種中的利用，對我國煙葉生產(chǎn)具有重要作用。

2 我國煙草種質(zhì)資源的研究進(jìn)展

2.1 我國煙草種質(zhì)資源的分類

到2017 年底，我國已保存煙屬種質(zhì)資源5 767份，多樣性豐富，保存數(shù)量位居世界第一［11］。栽培煙草有兩個種，即普通煙草和黃花煙草。煙草種質(zhì)資源又可分為烤煙、曬晾煙、白肋煙、雪茄煙、香料煙、黃花煙和野生煙等類型［12］。

2.2 我國煙草種質(zhì)資源評價與鑒定

大部分煙屬植物農(nóng)藝性狀和植物學(xué)性狀的評價與鑒定已完成，篩選出一批優(yōu)質(zhì)的煙草種質(zhì)資源。截至2009 年，已完成927 份煙草品種的外觀質(zhì)量評價，1 787 份煙葉的化學(xué)成分分析，987 份原煙的香吃味評價。在抗性鑒定方面，從6 327 份煙草種質(zhì)資源中篩選出NC82、巖煙97、G-168 等400多份抗煙草黑脛病、青枯病、根結(jié)線蟲病等病害的種質(zhì)；從2 300 份煙草種質(zhì)資源中篩選出100 多份抗普通花葉病毒病和黃瓜花葉病毒病的種質(zhì)；從786份煙草種質(zhì)資源中篩選出一些抗蚜蟲的種質(zhì)［13］。

2.3 煙草種質(zhì)遺傳多樣性

煙草遺傳多樣性的研究不僅與煙草種質(zhì)資源的收集、保存和更新密切相關(guān)，還是煙草種質(zhì)資源創(chuàng)新和品種改良的基礎(chǔ)。在煙草種質(zhì)遺傳多樣性的研究方面，我國取得了豐碩的成績。近10 年來，通過分子標(biāo)記技術(shù)（ISSR、SSR、AFLP、TRAP、MFLP、SRAP、SNP 等）對煙草種質(zhì)遺傳多樣性進(jìn)行研究，主要集中在國內(nèi)廣泛種植的烤煙類型上。例如，分別利用ISSR［14］、AFLP［15］、SSR［16］和MFLP［17］技術(shù)對特定地域品牌卷煙的主體煙葉原料或當(dāng)時全國主栽的烤煙品種進(jìn)行遺傳多樣性分析。結(jié)果表明，被研究的國內(nèi)主栽烤煙品種間親緣關(guān)系較近、遺傳基礎(chǔ)狹窄、遺傳多樣性較低，原因可能與被研究的烤煙品種均衍生自極少數(shù)的美國優(yōu)質(zhì)烤煙骨干親本相關(guān)，此結(jié)果同時也證實了國內(nèi)目前主栽烤煙與美國優(yōu)質(zhì)烤煙之間具有極高的遺傳相似性。此外，在研究烤煙種質(zhì)遺傳多樣性的同時加入一定數(shù)量的其他煙草類型，例如白肋煙、雪茄煙、香料煙、地方晾曬煙等［18-24］。結(jié)果表明，在DNA 分子水平上其他類型煙草種質(zhì)的遺傳多樣性較豐富、親緣關(guān)系相對較遠(yuǎn)。原因可能是其他類型煙草種質(zhì)在我國的需求及栽培面積相對較少，導(dǎo)致這些類型的煙草資源受到人為選擇（育種）的壓力較小，而使其能盡可能地保留了各自豐富的遺傳多樣性和地域差異性。該結(jié)果也在利用SSR［19］和SRAP［22］技術(shù)對地方晾曬煙種質(zhì)的遺傳多樣性研究中得到了進(jìn)一步的證實。

2.4 煙草種質(zhì)創(chuàng)新

2.4.1 遠(yuǎn)緣雜交

我國在煙草遠(yuǎn)緣雜交創(chuàng)造新種質(zhì)方面取得了一些研究成果。云煙4 號是從紅花大金元×玉米的雜交后代中選育出的煙草新品系［25-26］。利用細(xì)胞工程技術(shù)（LB 技術(shù)）實現(xiàn)了大圓葉菠菜與普通煙草品種柳葉煙草間的遠(yuǎn)緣雜交［27-29］。藥用植物（紫蘇、羅勒、曼陀羅、薄荷、土人參、黃芪等）與煙葉通過嫁接（無性繁殖）和有性雜交相結(jié)合的方法進(jìn)行科、屬間的遠(yuǎn)緣雜交，選育出穩(wěn)定的藥用種質(zhì)，最終將藥用成分轉(zhuǎn)移到煙草中［30-33］。利用該方法將普通煙草龍煙2 號與曼陀羅進(jìn)行屬間遠(yuǎn)緣雜交，培育出含阿托品及莨菪烷的新型煙草［32］；將煙草與羅勒進(jìn)行科間遠(yuǎn)緣雜交，培育出具有藥物香氣的煙草新種質(zhì)［33］。

2.4.2 細(xì)胞工程

細(xì)胞工程是克服遠(yuǎn)緣雜交不親和的重要手段之一。20 世紀(jì)70 年代初，我國開始了煙草花藥培養(yǎng)的研究與應(yīng)用，利用該技術(shù)選育出單育1 號、單育2號、單育3 號、“3002”、“3041”等烤煙新品系［34］。此外，我國學(xué)者在煙草體細(xì)胞雜交方面取得了顯著成績［34-37］。卜鍋章等［35］將普通煙草栽培品種革新1 號和黃花煙草品種“黑老虎”原生質(zhì)體融合獲得雜種單株TR13 后，用大白筋599 和NC82 連續(xù)多年回交改良，選育出生物學(xué)性狀優(yōu)良、遺傳性狀穩(wěn)定的新品系。孫玉合等［34］從革新1 號和粉藍(lán)煙草體細(xì)胞雜種（代號TG）中篩選出TG-7、TG-13、TG-32 等植株，其對黑脛病均表現(xiàn)極高的抗性，同時獲得體細(xì)胞雜種TG-8，用烤煙品種G-28 回交4代，選育出煙草新胞質(zhì)雄性不育系86-6。楊其光等［36］將普通煙草G140 和野生種波葉煙草體細(xì)胞融合獲得雜交材料Z14，隨后黃文川［37］鑒定了該材料的性狀，發(fā)現(xiàn)其主要農(nóng)藝性狀優(yōu)良，產(chǎn)量較高，內(nèi)在化學(xué)成分協(xié)調(diào)，高抗CMV 和TMV。

2.4.3 轉(zhuǎn)基因技術(shù)

煙草可通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)擺脫物種間的限制。我國在利用該技術(shù)提高煙草抗病蟲、抗逆和品質(zhì)等方面取得大量的研究結(jié)果。

在抗病研究方面。主要有兩種途徑來提高煙草的抗病性：①外緣抗病基因的導(dǎo)入，如將外源抗病基因hrpZPsg12［38］、Bchi［39］、TaPIM1［40］及CaSn［41］導(dǎo)入到煙草，分別提高煙草對TMV 和PVY、真菌性病害、青枯病及南方根結(jié)線蟲的抗性；②針對煙草病毒病，通過導(dǎo)入或RNAi 技術(shù)來提高煙草對病毒病的抗性。例如，將PVY、TMV 及CMV 病毒的外殼蛋白基因?qū)氲綗煵?，獲得穩(wěn)定、多抗PVY、TMV 及CMV 的轉(zhuǎn)基因煙草［42］；將馬鈴薯X 病毒運動蛋白基因PVX-p25 導(dǎo)入到煙草，獲得對PVX有較強(qiáng)抗性的煙草［43］；馬鈴薯Y 病毒復(fù)制酶基因Nib 不同序列的轉(zhuǎn)基因植株對PVY 表現(xiàn)出不同抗性［44］；應(yīng)用RNAi 技術(shù)下調(diào)TMV 病毒的MP 基因和CMV 病毒的Rep 基因，獲得同時抗TMV 和CMV的轉(zhuǎn)基因煙草［45］。

在抗蟲研究方面。主要的抗蟲基因有蘇云金桿菌（Bt）毒蛋白基因，蛋白酶抑制劑基因及外源凝集素基因等。例如，將Bt 基因cry8Ca、人工改造的Bt 基因cry1Ac、cry1Ie 單獨或同時導(dǎo)入煙草后，可分別提高煙草對金龜子、棉鈴蟲的抗性［46-47］；將蠟梅胰蛋白抑制劑基因CpKTI、半胱氨酸蛋白酶抑制劑基因CaCP 轉(zhuǎn)入煙草，可分別提高煙草對斜紋夜蛾幼蟲、蚜蟲的抗性［48-49］；轉(zhuǎn)大豆凝集素基因lec-s 能提高煙草對甜菜夜蛾的抗性［50］。

在抗逆性研究方面。將果聚糖合成酶基因6-SFT 導(dǎo)入到煙草，可提高煙草對干旱和寒冷脅迫的抗性［51］；過量表達(dá)棉花鋅指蛋白基因GhSAP1 可顯著提高轉(zhuǎn)基因煙草的耐鹽能力［52］；轉(zhuǎn)入檉柳和星星草雙價金屬硫蛋白基因后，可提高轉(zhuǎn)基因煙草對Cd2+和Cu2+的抗性［53］。

在品質(zhì)研究方面。主要涉及煙草鉀含量、光合作用及氮代謝等。例如，將鉀轉(zhuǎn)運體蛋白基因HAK1轉(zhuǎn)入到煙草后，可顯著提高煙草的富鉀能力［54］；將擬南芥BAS1 基因?qū)氲綗煵葜?，能提高煙草凈光合速率、煙葉總?cè)~綠素含量［55］；苧麻谷氨酰胺合成酶基因BnGS1-2 在煙草體內(nèi)超量表達(dá)后，能促進(jìn)轉(zhuǎn)基因煙草對氮素的吸收利用，從而提高氮代謝效率［56］。

3 煙草種質(zhì)在育種上的應(yīng)用

3.1 常規(guī)雜交育種

雜交育種是通過有性雜交將不同品種的優(yōu)良性狀整合到一起，再從后代群體中選擇滿足育種目標(biāo)要求的植株，是種質(zhì)創(chuàng)新的基本手段，也是目前和今后相當(dāng)一段時間內(nèi)新品種創(chuàng)制的主要方式［57］。自2000 年以來，我國通過常規(guī)育種手段育成了多個品種（表1）。由表1 可知，我國煙草育種主要集中在烤煙上，占育成品種總數(shù)的80.90%，其次為白肋煙，占17.60%。

從2002 年開始，我國自主選育的烤煙品種種植面積和比例開始超過國外引進(jìn)品種。經(jīng)“十五”“十一五”“十二五”3 個階段的發(fā)展，我國植煙生態(tài)區(qū)中基本上都有1～2 個主栽烤煙品種，2～3 個烤煙品種搭配種植，布局相對合理。目前，生產(chǎn)上種植面積超過66.67 km2的烤煙品種有云煙87、K326、云煙85、紅大、云煙97、中煙100、翠碧1 號、云煙99、云煙100、龍江911、粵煙97、NC55、云煙105、秦?zé)?6 等，其中云煙87 自2000 年通過審定以來，種植面積一直呈上升趨勢，到2018 年其種植面積占全國烤煙種植總面積的50.30%。

3.2 系統(tǒng)選育

系統(tǒng)選育是在現(xiàn)有品種群體中選擇優(yōu)良的自然變異，通過比較鑒定而培育出新品種。我國植煙區(qū)域生態(tài)條件差異巨大，為地方特色煙草品種的選育提供了廣闊空間。自2000 年以來，我國通過系統(tǒng)選育獲得的煙草新品種見表2。由表2 可知，曬煙、香料煙品種主要通過系統(tǒng)選育獲得。從育成新品種的數(shù)量上看，雜交育種遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)選育。目前，系統(tǒng)選育的烤煙品種除畢納1 號在貴州省有一定的種植面積外［58-59］，其余的烤煙品種基本上都是作為育種材料加以利用。

表1 煙草種質(zhì)資源在常規(guī)雜交育種中的應(yīng)用Tab.1 Application of tobacco germplasm resources in conventional cross breeding

表1 （續(xù)）

表2 煙草種質(zhì)資源在常規(guī)系統(tǒng)選育中的應(yīng)用Tab.2 Application of tobacco germplasm resources in conventional system breeding

4 展望

我國在煙草種質(zhì)資源搜集與保存、鑒定評價、種質(zhì)創(chuàng)新等方面雖取得了較快發(fā)展，但目前搜集保存的煙草種質(zhì)資源仍存在國內(nèi)資源多而國外資源少、野生資源搜集不完整等問題［60］。在挖掘及利用方面，目前仍停留在田間農(nóng)藝性狀和植物學(xué)性狀的鑒定、煙葉常規(guī)化學(xué)成分的分析等方面［61］，而未利用先進(jìn)技術(shù)（如生物技術(shù)等）深入挖掘種質(zhì)資源的潛在優(yōu)勢，與發(fā)達(dá)國家還存在差距。因此，煙草種質(zhì)資源的搜集與保存、挖掘與創(chuàng)新仍有待加強(qiáng)。

目前，從國外引入的煙草種質(zhì)資源的數(shù)量只占我國種質(zhì)資源總數(shù)的15.00%。但在利用次數(shù)最多的27 份種質(zhì)中，國外種質(zhì)資源的利用率達(dá)到66.52%［60］。我國雖不是煙草的起源地，但由于多樣性的生態(tài)環(huán)境及較長的傳播、馴化歷史，已使我國具有較豐富的煙草種質(zhì)資源。但目前我國煙草資源的利用率不足3.00%，且主要集中在烤煙和白肋煙，其他類型煙草種質(zhì)資源的利用率極低，遠(yuǎn)未發(fā)揮出我國種質(zhì)資源豐富的優(yōu)勢。

針對我國煙草種質(zhì)資源應(yīng)用中存在的不足，建議：①除大力發(fā)掘、搶救、搜集本國煙草種質(zhì)資源外，還需主動走出去，積極引進(jìn)國外優(yōu)質(zhì)煙草種質(zhì)資源和發(fā)掘國內(nèi)未知種質(zhì)，以豐富、完善我國煙草種質(zhì)資源庫；②充分利用基因組學(xué)的最新研究成果，對煙草種質(zhì)資源進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究，挖掘種質(zhì)資源的潛力，同時充分利用現(xiàn)有的技術(shù)手段（如誘變技術(shù)）創(chuàng)造新種質(zhì)；③將生物技術(shù)與傳統(tǒng)育種方法相結(jié)合，以提高煙草資源的利用率。只有做到以上3 點，才能不斷豐富煙草種質(zhì)資源、縮短育種周期，進(jìn)而極大地提高煙草育種效率，保持我國煙葉生產(chǎn)的發(fā)展。