我国林木遗传育种技术现状与发展趋势

作者:查重猫     发表时间:2021-04-28 02:20:47   浏览次数:26



  摘要:以我国林木遗传育种技术的任务和作用为切入点,利用目前较为流行的SWOT分析法对我国林木遗传育种技术现状进行了深入分析,得出了林木遗传育种在技术生产上的优势与劣势、今后发展的机遇与挑战等主要影响因子,并通过上述分析结论对我国林木遗传育种技术的发展趋势进行了预测和判断,以期为同行提供借鉴和参考。

  关键词:林木;遗传育种;现状;发展趋势

  0引言

  林业遗传育种技术起源于20世纪70年代,技术的兴起得益于生物科技与基因技术的出现,近年来生物科技与基因技术在研究深度和研究成果上取得了突破性进展。我国林业遗传育种工作通过不断向国外先进国家学习,并充分发挥我国在植物基因测绘上的优势,已选育出了部分具有代表性的林木品种,如抗病虫害的苹果、梨等果树品种,在提高林业生产效益和推动我国生态环境建设中发挥了积极的作用[1]。

  1任务和作用

  1.1提升林木抗病虫害能力

  针对目前林业发展过程中大量林木饱受各类病虫害问题的困扰,通过遗传育种可使得林木在被各类食叶昆虫啃食枝叶的过程中,将植物体所具有的对昆虫体有害的病毒转移到昆虫体内,从而造成其死亡。通过遗传育种还能选育出部分能够散发害虫不适应的植物挥发物,从而间接起到防御林木虫害的目的。

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  同时,通过遗传育种技术还能提升林木尤其是部分经济类果树抗病害的能力,如国外部分研究机构将采自玉米的叶片色素基因Lc移植到苹果树的基因序列中,从而使其获得了抗火疫病和抗疥癣的转基因苹果。

  1.2提升树木抗性

  由于各类树木所适应生长的环境条件各不相同,尤其是针对耐寒耐热、耐干旱、耐盐碱以及耐各类污染源的能力有着显著的差异性。通过遗传育种工作可进一步提高林木应对某种耐受性的能力,从而使其能够在更为恶劣的环境因子中生长,如通过表达乌头叶虹豆的吡咯啉合成途径中的限速酶基因—吡咯-5-羧酸合成酶基因,可以提高吡咯啉在植物组织的表达水平,从而增加黑杨、柳叶桉等植物对寒冷、盐分和冰冻的耐受性能[2]。

  1.3提高木材的成材速率和木材质量

  通过遗传育种大幅降低木材本身木质素的含量,从而使其在加工过程中所需消耗的化学试剂量更少,起到降低木材生产加工成本与保护环境的双重功效。同时,国内外相关试验研究表明,通过在毛果杨过表达谷氨酞氨合成酶GS能够增加生长量,GS是氮同化的关键酶,利用上述遗传技术可大大提高树木本身对于氮的转化率,从而起到促进植物生长的目的[3]。

  1.4缩短林木产果期

  由于果树的生产与普通的农作物生产有着较大的区别,其在从幼苗到能够具备结果能力所需耗费的时间远远大于一般农作物,如苹果树需要5~10年,柑橘树需要15~20年。而通过遗传育种可以大大缩短部分果树的童期,一方面提高了果树种植户的实际经济效益,另一方面也缩短了各类名优果树品种的选育时间。

  1.5生态环境修复

  通过对部分林木进行遗传育种方面的改造,使其新的植株能够具备吸收、贮存和隔离部分重金属与杀虫剂等污染物资,并使其对相应的污染物拥有更强的抗性和适应性,从而能够在污染物密度较高的区域进行种植和生长。如通过部分遗传育种后的白杨能够吸收汞、铜、镉和砷等工业生产过程中较为常见的重金属物资,同时其所散发的气味对于杀虫剂与其他有毒的芳烃类物质有着良好的解毒作用。

  另外,部分遗传育种所选育出含有ScYCFI基因的灰杨能够更好地适应在高浓度的重金属物质的土壤中生存,使得其满足我国部分矿区绿化或尾矿、矿渣等生态修复之用[4]。

  2SWOT分析

  2.1优势

  我国作为一个幅员辽阔的国家,疆域横跨经度与纬度范围广,具有极其丰富的树种资源,据相关资料统计,我国境内共有乔灌藤等各类树种9000余种,在所有北半球国家内无论在林木种类还是在林木分布面积上都是首屈一指。同时,我国又是拥有悠久农业生产和建筑加工历史的文明古国,历来注重对于各类经济林木和建筑及加工业用材林木品种的培育工作,目前仅用材和经济林木数量就到1000余种,另外林业部门统计报告显示,我国还拥有各类珍稀濒危树种388种,我国特有孑遗种260余种。如此丰富的林业树种资源,为我国林木遗传育种工作的开展奠定了良好的种源基础。

  建国以来,国家十分重视对于林业人才的培养和教育工作,无数专家学者或从事科学研究不断为我国培育出新的林木品种,或扎根林业基地直接指导农户进行生产培育,或执掌教鞭为国家培养新一代遗传育种的接班人。在一代代林业育种人的努力之下,我国建成了一大批拥有先进设备的林业遗传育种基地和现代化苗圃,从而进一步加快了我国林业遗传育种的发展速度。

  2.2劣势

  首先,虽然我国林业种源资源丰富,但是也存在良种使用率较低,针叶林种植面积较大而阔叶林及灌木良种资源不足等问题。为了应对全国用材数量的激增,我国近年来对于用材树种的良种选育工作开展较好,但其他诸如经济树种、生态防护树种和能源树种等其他用途的良种选育工作开展水平较低。另外,在我国遗传育种工作还存在严重的地区差异,具体而言我国东部沿海地区遗传育种工作开展较好,生产和研发工作稳定,林木品种结构趋向合理;但在西部及北部地区由于受到当地经济和科技水平的制约,生产和研发工作进展缓慢。

  其次,由于受到基地设备条件和研究人员专业技术水平的制约,我国遗传育种所选育的林木良种品质上还是与发达国家存在较大差距。同时,我国不少遗传育种基地尚处于初级试验阶段,并未建立起完善的子代测定林,难以大规模和高效率地对良种资源进行更新换代。另外,还受到遗传育种基地管理体制的限制,林木良种推广范围无法确定,基地发展潜力有限。

  最后,作为林业遗传育种工作的基础,各类林木种质资源的保护工作力度不够,尤其是对于良种资源的调查工作开展及其缓慢,除了个别省份外我国大部分省份的林业部门尚不能定期公布优质种源的目录清单,从而造成了科研工作的严重滞后。

  2.3机遇

  首先,近年来我国加快建设生态文明的社会呼声越来越强烈,政府也提出了“绿水青山便是金山银山”的宏伟战略目标,在山川复绿的过程中对于林木种类和数量的需求也会越来越大,随着植树造林工作的不断推进,造林工作的立地条件也会越来越差,在未来的数年内将会面临更多的盐碱地、贫瘠地和干旱地的造林任务,为此通过遗传育种优化林木耐受性将成为未来林木业重要的工作任务。

  其次,目前兴起的乡村体验式旅游业对于各类名特优新果树的需求激增,不少基本农田较少的山村通过发展果树种植业来促进乡村旅游业的发展,并伴随着各种复合式种植技术,积极开拓林下经济市场,为山村农户脱贫致富开辟了一条新的道路。

  最后,随着我国农村经济体制改革的不断深化,林场所有人的众多农户更加迫切地希望通过调整林场内林木的品种结构来创造更多的经济利益。遗传育种为各类林场提供林木良种,不仅有利于提高造林复绿的质量,而且对农户的增产增收起到了至关重要的作用。

  2.4挑战

  首先,鉴于目前我国林业生产和建设中所需要的各类良种林木种类越来越多,这与我国飞速发展的国民经济有着紧密的关系,这对于遗传育种研发工作提出了更高的要求,不仅仅体现在林木品种的数量上,更多的体现在对于研发时间和林木种苗质量的要求,而这对于我国目前遗传育种领域是一项严峻的挑战。

  其次,为了满足国家生态建设需求,更多地将造林区域向边远地区发展,尤其是原本森林覆盖率较低的西北、西部等各省份,在盐碱、干旱地区进行造林更需要大量通过遗传育种技术所选育的适应性和耐受性强的林木品种。

  最后,由于我国大量林场的林木品种已经出现老化的问题,急需补充大量经济性强、生长性好的品种进行更新,为此持续稳定地提供各类林场生产所需的各类林木种苗也成为了目前我国林业遗传育种工作所需面对的另一重大挑战。

  3发展趋势

  相对于传统的林业种苗培育通过杂交、倍培和诱变等手段进行优良品种的选育工作,新型的遗传育种工作不仅在工作量、种苗性状的预见性以及研发时间上均具有无可比拟的优势。同时,以转基因工程为核心技术的遗传育种还能保证林木的某一特定性状发生人为的改变,而其他林木本身所具备的特性能够继续得以完美的体现。针对林业产业发展的趋势和需求,对我国林业遗传育种技术的发展趋势进行了设想,并将其进行如下归纳。

  3.1遗传育种方向由单一目标向多目标转变

  目前,我国的林业遗传育种工作已经取得了一定的成绩,也相继研发出了符合我国各地区林业生产实际情况的大量林业良种资源。伴随着我国社会经济形势的不断变化和造林范围的不断扩大,除对林木适应性和耐受性上有着严格的要求外,还对通过在边缘地区进行植树造林来提高当地农户、林户收入提出了更高要求。这就要求我国林业遗传育种人员在不断改良和提高林木耐受性的同时,还要在林业种苗蓄材率、产果率和产果品质上具有新的突破。

  3.2分子标记技术在林木育种中的应用

  在诸多林业遗传育种技术之中,我国研究较为深入和应用较为广泛的技术莫过于分子标记技术,其具有育种环境条件适应性强、育种种类对象丰富和技术灵活简便的特点,其具体还可分为RELP标记技术、SSR标记技术和AFLP标记技术3大类[5]。

  RELP标记技术是由美国专家首先发明,其主要利用植物体内的部分DNA片段,使用先进的显影技术来判断林木杂交育种的结果,从而使得在林木品种研发的过程中免去了试种试播的环节,极大地提高了研发效率。虽然RELP标记技术对于研发技术装备和研发人员素养上相对于其他技术有着更高的要求,但鉴于其在研发效率上的显著优势,我国遗传育种人员可将其应用于部分成材或成果类经济林木的育种工作中。在上述类型苗木的选育过程中,育种人员仅仅只需对杂交后的不同类型后代基因进行测试,并于林木母本的遗传基因进行比对便可较早地判断定向选育工作的成败,极大地提高了各类名特优新果树的选育工作。

  SSR标记技术通过再增加林木遗传物质分子重复序列,使得林木在正常生长发育以及特性表现不会受任何的影响,达到部分特殊性质指标的改善。其优点是重复表现性好,对林木遗传物质的要求比较低,试验研究和分析中对DNA要求低并且在数量上要求少,同时准确性相对比较高。

  AFLP标记技术是指采用较为特殊的生物酶对林木的DNA进行有针对性的筛选,并将其重新“焊接”到新的植物体细胞中,从而使其展现出新的特性。AFLP标记技术的特点就是可在未知的植物体细胞DNA系列的状态下,通过判断“焊接处”原有遗传物质的特性来检验其是否能够体现出希望筛选的植物特性。

  3.3生物技术在林木育种中的应用

  生物技术有别于普通的杂交育种技术,其通过将远源植物的基因甚至是不同品种植物之间的基因进行插入,从而人为地创造出一种全新的林木品种,其实现了早期林木育种学者不可企及的境界。如通过生物技术在母本中插入具有抗干旱、抗病虫害和丰产提质等内容的基因序列,使其植株能够体现出上述各项优势性能并能够在今后的繁殖过程中进行稳定的传递。

  生物技术还能进一步打破不同类型植物的限制,甚至能够将原本体现在动物、微生物体内的部分基因融入到现有的植物之中,使得林木具备更多符合人类生产和生活需求的性能品质。如将亲水性较强的酵母菌部分基因插入林木中,从而使其具备更强的抗水涝能力,这对于我国部分易受各类洪涝灾害影响的地区进行林业生产十分必要;将多花色相结合的基因导入蔷薇之中,便能够使其显出颜色更加丰富、遗传性状更为稳定的造景植物。因此,生物技术将成为今后我国遗传育种技术发展的主要方向。

  4结束语

  鉴于遗传育种技术对于提高我国林业生产建设的重要性,必须更好完善地做好我国各类优势种质资源的调查和保护工作,通过各类现场调查工作的推进,进一步挖掘我国林木种质资源,为今后的遗传育种工作提供宝贵的原始资料。同时,打破各自为政的遗传育种工作现状,建立起较为统一的基因资源库,全力集合我国林木遗传育种领域的优势,从而形成合力共同参与各项研发工作,做到资源与研究成果的真正共享。

  随着我国林业遗传育种工作的不断推进,充分发挥我国在林木种质资源上的优势,将传统的育种技术与现代的遗传育种技术相结合,从而研发出满足我国林业生产和建设实际需求的各类苗木。通过各项遗传育种技术不仅在林木研发选育时间上进行大幅度的提速,并在保留母本的优势基因特性的同时完成多种定性因子的育种工作。在不久的未来,各类采用遗传育种技术选育的优良林木将在矿区生态修复、防风固沙、盐碱地驯化和贫瘠地区果树生产中发挥重要的生态性和经济性作用。——论文作者:高璇

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