【种业论坛】藜麦育种技术研究进展

作者：董艳辉 王育川 温 鑫 李亚莉 侯丽媛 赵 菁 曹秋芬 王 斌 吴慎杰 秦永军 

单位：山西省农业科学院生物技术研究中心/山西省农业科学院旱地农业研究中心/山西省农业科学院农业环境与资源研究所

本文刊登于《中国种业》2020年第1期8-12页，转载请注明

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藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）为苋科藜亚科藜属植物，是喜冷凉和高海拔的作物，富含蛋白质、维生素、矿物质元素、氨基酸、纤维素等有益化合物和矿物质元素，富含不饱和脂肪酸及类黄酮，膳食纤维素含量高达 17%，具有极高的营养价值；同时还具有药用价值，能够预防心血管疾病、癌症、骨质疏松症等疾病，预防和治疗糖尿病，具有消炎、抗肿瘤和抗氧化功能，是广受欢迎的药食同源作物。由于其全面的营养成分和抗逆性强等特性，藜麦受到极大的关注，我国于20世纪80年代引进藜麦，2012年以后开始大规模种植。藜麦原产地为南美洲安第斯山脉，主要生产国是玻利维亚、秘鲁和厄瓜多尔，其他地区如美国、阿根廷、加拿大、法国、英国、瑞典、丹麦、荷兰和意大利等国家也有种植，近年来中国、印度等亚洲国家也开始种植。我国藜麦主要种植在山西、甘肃、内蒙古、青海、西藏、河北等地区，藜麦适应性强，具有耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐盐碱等特性，成为我国农业供给侧改革种植结构调整和经济欠发达地区农民脱贫致富的重要作物。但由于藜麦引进时间较短，种质资源混杂，遗传改良研究滞后，新品种选育进程缓慢，极大地限制了藜麦产业的健康可持续发展，因此，加强藜麦的种质资源收集与创新、新品种选育尤为重要。本文综述了国内外藜麦种质资源收集与鉴定，育种技术及遗传改良的研究进展，旨在为藜麦科研工作者提供参考，以便因地制宜，结合实际情况采用相应的育种技术，加快藜麦新品种的选育。

 01 藜麦种质资源研究与利用

种质资源是育种的重要基础，能够为品种改良带来丰富的变异资源。藜麦原产地国家保存了大量的藜麦种质资源，玻利维亚大约保存了 5000 份藜麦材料，秘鲁保存了 5351 份藜麦材料，除了上述两个国家外，厄瓜多尔也保存了大约642 份藜麦材料，美国农业部国家植物种植体系（USDA-NPGS）也收集保存了 164 份藜麦材料。中国的藜麦企业、科研机构通过不同的途径从国外引进了大量的藜麦种质资源，并在不同的地区进行驯化和栽培，坐落在中国农业科学院作物科学研究所的国家种质库保存了一定量的藜麦种质资源。原产地国家由于种质资源比较丰富，主要开展的是种质资源的纯化、整理和保存工作，其他国家资源有限，除了开展上述工作外，还通过各种手段进行资源应用研究。

02 藜麦育种技术

藜麦为自花授粉作物，但是异花授粉率高达10%~15%，非严格意义的自花授粉作物。藜麦花小且花序紧凑，自身变异较大，给育种带来了一定的难度。20世纪 80年代，欧洲的英国、荷兰、丹麦、瑞士等国家开始育种研究，主要目标是为了适应欧洲的气候条件，同时改善产量、品质、皂苷含量等农艺性状，丹麦和瑞典侧重于饲草藜麦育种。目前藜麦育种常用的手段有常规育种、杂交育种、诱变育种、分子辅助育种等，以达到高产、耐高温、抗病、早熟、抗穗发芽、抗倒伏、低皂苷、高品质等育种目的。

2.1  常规育种技术（系统选育法）

系统选育法（Line breeding）是直接从自然变异中进行选择并通过比较试验选育新品种的一种途径，包括单株选择法和混合选择法，也是藜麦育种中应用最广泛的一种方法。

杨发荣采用系统育种和栽培驯化相结合的方法选育出藜麦新品种陇藜1号，该品种生育期为128~140d，中晚熟，抗倒伏，抗病性强；沈宝云等利用加拿大的藜麦品种Dave quinoa 通过单株选择法选育出中早熟藜麦新品种条藜1号，以及通过系统选育法选育出早熟品种条藜2号；黄朝斌等利用从南美引进的 50 余份材料通过系统选育法选育出中早熟藜麦品种青藜1号；通过该方法选育出的藜麦品种还有蒙藜1号、陇藜2号、陇藜3号、陇藜4号、条藜3号以及早熟品种青藜2号等。自20世纪80年代至今，据联合国粮农组织（FAO）统计，藜麦原产地秘鲁通过系统选育法选育出了大量藜麦新品种，如国家农业创新研究所（INIA）选育的高产品种YELLOW SACACA、QUILLAHUAMAN、YELLOW MARANGANÍ ；矮化、零皂苷品种 BLACK COLLANA、PASANKALLA ；秘鲁国立大学和秘鲁中部国立大学安第斯作物中心（UNCP）分别培育出的中高新品种JUNIN WHITE 和 HUALHUAS 以及其他科研人员选育出的高度矮化新品种 JULI WHITE、KANKOLLA。

2.2  杂交育种技术

藜麦是自花授粉植物，并且有许多错综复杂排列紧凑的小花，这使得杂交比其他作物更难。进行有效的杂交是了解和研究藜麦相关性状遗传基础的关键步骤，同样对藜麦育种也非常重要。藜麦杂交育种目标主要为高产、抗病（霜霉病等）、低皂苷、抗穗发芽、早熟、耐旱性以及适应不同生态区、加工等特殊需求。虽然经过国内外科研人员多年的努力，杂交育种技术已经应用于藜麦育种，并选育出了许多藜麦新品种，但是藜麦杂交育种技术总体进展还比较缓慢，无法满足不同生态类型的品种需求。2.2.1　种内杂交　

种内杂交是藜麦杂交育种技术中应用比较广泛的一种方法。根据不同的育种目标选择不同的亲本类型是杂交育种关键的一个环节。亲本的选择除了要考虑目标基因型，还要考虑基因型的可用性以及杂交后代的育性，同时为了验证成功杂交，通过选择具有显性性状的亲本作为父本和具有隐性性状的亲本作为母本，可以将成功杂交的 F1和母本自花授粉获得的F1分开。目前可以利用的易于识别的形态特征有种子颜色、花序颜色、植株颜色和植株腋窝的色素沉着等。

Adam 等把花序颜色作为主要生物学性状，用人工去雄的方法将橘黄色（Bio-bio）和粉红色（Temuco）品种进行杂交后，获得的 F1后代中表现出显性的粉红色花序颜色以及处于中间状态的叶片形态。Van Loo 等利用杂交技术获得了3个适宜在欧洲种植的新品种 Atlas、Pasto、Riobamba，这些品种具有生育期短、皂苷含量极低等优点，极大地刺激了藜麦在欧洲的推广种植和商业化。秘鲁国家农业创新研究所（INIA）研究人员通过杂交后群体谱系的方法获得了系列新品种，如 Illpa（Sajama x Juli White）、SALCEDO（Royal x Sajama）、Altiplano（Illpa x Salcedo）等，这些品种生育期较长，皂苷含量低，是秘鲁主要的商业化品种。León 将藜麦品种 Pasankalla 与 Salcedo和 Choclo 品种进行杂交，其中 Pasankalla×Salcedo的杂交 F1（Pacholeo）穗长较亲本有了很大的改观，Pasankalla×Choclo 的杂交 F1（Pasaleo）的生育期较亲本缩短，低于 144d，但是由于遗传稳定性的原因，随着代数的增加，有些优良后代的基因可能会消失，因此要开展进一步的深入研究；奚玉银等将山西常规藜麦分别与安第斯奎宁藜麦和桑多发尔藜麦进行杂交，通过后代选育获得中抗和高抗倒伏藜麦新品种冀藜1号和冀藜2号。藜麦种内杂交是获得藜麦新种质较快的一种技术，能够通过连续回交等手段将优良基因和目标基因导入，从而获得具有特定特性的新材料，难点是杂交后代分离严重，纯化需要的时间周期也比较长。2.2.2　种间杂交　

种间杂交是一种常见的植物演化过程中的持续事件，具有许多重要的进化后果，种间的杂交后代（通常与基因组重复相关）可以成为遗传和新的表型来源，最终导致新物种的形成（即杂种物种形成）。该方法的主要目的是合并远距离基因库，从而拓宽遗传变异性。

20 世纪 90 年代，Ward 等发现藜麦品种Apelawa 携带有正常和雄性不育的细胞质，具有雄性不育细胞质的藜麦植株产生的花完全没有花药并且柱头突出外露，将携带有雄性不育基因的藜麦品种 Apelawa 与杂草资源Chenopodium berlandieri 进行种间杂交，所得的杂交后代中有部分可以恢复育性，但是与其他藜麦品种进行种内杂交则后代全部为不育。随着研究的深入，Ward 在美国农业部农业工程应用技术研究所（USDA-ARS）登记的编号为 PI 510536 的藜麦材料中又发现了正常的雌雄同体和雄性不育植株，在细胞质的控制下，其特征是花药萎缩和没有花粉，但是PI 510536 雄性不育细胞质与先前报道的不同，比较稳定且易于恢复。目前，藜麦种间杂交应用还比较少，除了杂交技术层面的限制外，种间杂交不亲和也是育种需要突破的瓶颈之一。

2.3  诱变育种

诱变育种是利用物理、化学因素诱导动植物的遗传特性发生变异，再从变异群体中选择符合人们某种要求的单株或个体，进而培育成新的品种或种质的育种方法，它是继选择育种和杂交育种之后发展起来的一种现代育种技术。根据国际原子能机构的数据库，有超过 170 种不同物种的突变品种超过 2500 种，藜麦作为一种古老的作物，被人们忽视了数十年，是迄今为止人为进行遗传改良最少的作物，因此，采用诱变技术也是获得藜麦新种质的一种有效途径。2.3.1　辐射诱变育种　

辐射诱变育种通常是利用γ 射线、激光、离子束、空间诱变等方式对植物或者种子进行诱变，从而产生遗传变异。辐射诱变育种能够缩短育种年限，已经成为现代育种技术的重要途径之一。

Gomez-Pando 等利用 0Gy、150Gy、250Gy、350Gy 剂量的 γ 射线处理藜麦干种子，在M1代中，随着辐射剂量的增加，萌发过程延迟，在250Gy 和 350Gy 剂量下幼苗高度、根长和叶片发育降低最多，两种剂量的植株在分枝数、花梗长度、株高、生命周期持续时间、茎和叶色以及叶形态上均有变化，通过 M2、M3 代的观察获得了一定的有益突变体。随后，Gomez-Pando 等用 150Gy 和 250Gy剂量照射藜麦 LM89 品系，对存活下来的突变体进行隔离种植观察，通过选择正向突变体，在 M6 代获得了高产品系 MQLM89-149、生育期缩短品系MQLM89-134、矮化品系MQLM89-155以及高蛋白、籽粒大、低皂苷品系。目前，虽然国内多家科研单位和企业也开展了 γ 射线诱变研究和空间诱变研究，但都处在突变后代的观察记录时期，还没有公开报道。以上研究表明，通过选择合适的剂量对藜麦进行辐射诱变，在后代中是可以获得有益的突变体，但由于辐射诱变突变的不确定性，应该增加处理的种子量来增加获得有益突变的概率。2.3.2　化学诱变

除了辐射诱变，化学诱变也是比较常用且效果较好的诱变方法之一。化学诱变剂对基因组的损伤小，诱变剂量容易控制，并且诱变频率较辐射诱变高，更多的是引起分子水平上的变化，突变后代个体稳定性好。

目前常用的化学诱变剂主要有甲磺酸乙酯（EMS）、叠氮化钠（NaN3）、秋水仙素（C22H25O6N）以及亚硝酸钠（NaNO2）等，其中 EMS 诱变技术已经作为一种有效的手段广泛应用于植物新品质改良与品种选育上，并且已经在玉米、高粱、麦类作物、大豆、谷子等作物中获得了大量具有高产、矮秆、优质、早熟、抗病等农艺性状的新材料和新品种。在藜麦化学诱变方面国外报道的比较少，国内还没有公开报道相关方面的研究，但是已有相关单位正在开展藜麦的EMS诱变研究。日本的科研人员委托横滨的一家公司进行藜麦诱变试验并获得了大约2000个诱变种子，在M3代观察到了下胚轴色素沉着的突变体，但是没有公开具体的诱变条件。Tropa-Castillo利用1%和2%的甲基磺酸乙酯（EMS）处理藜麦品种 Regalona-Baer超过8h，获得了抗咪唑啉酮和不同植株高度的高代材料。Arias-Montero利用化学诱变剂叠氮化钠（NaN3）对藜麦品种 La Molina89（LM 89）在室温下处理 30min，获得了皂苷和蛋白质含量都增高的突变体类型。

2.4  分子育种技术

传统的植物育种主要是依赖于育种家依据经验对植物表型的选择，由于植物表型受多种外界因素的影响，育种效率比较低，周期长。近年来，随着分子生物学和基因组学的发展，由于具有快速、准确、不受环境条件干扰的优点，分子标记辅助选择（MAS）和全基因组选择（GS）逐渐应用到植物育种上来。藜麦有着5000~7000多年的种植历史，也是所知唯一纯自然繁育很少被人为干扰遗传信息的稀有安全农作物物种，近年随着藜麦在全球范围内的快速发展，受到的关注也越来越多，传统育种已经无法满足产业的发展，分子育种技术被提上日程。

2004 年，Maughan 等最早对藜麦开展了遗传连锁图谱构建，利用秘鲁沿海生态类型的藜麦材料Ku-2（♀）和智利高原生态类型藜麦材料0654（♂）及其后代 80 个 F2 植株作为作图群体，该图谱由230个扩增长度多态性（AFLP）、19个简单重复序列（SSR）和6个随机扩增的多态性 DNA 标记组成，向藜麦抗性农艺性状的遗传鉴定和下一步的分子辅助育种（MAS）研究迈出了重要一步。2005 年，Vargas 等从3个微卫星（CA、ATT、ATG）富集的文库获得1276个克隆，其中457（36%）个克隆含有独特的微卫星序列，通过对来自南美洲主要种植区的31个藜麦栽培种和1个单一种类（C.berlandieri Moq）进行验证发现：280（52%）个微卫星标记在藜麦种质中是多态的，67 个微卫星标记（32%）是高度多态性的（H0.70），这些微卫星标记可以用来进行藜麦种质资源鉴定、性状作图和标记辅助育种。2008年，Jarvis 等开发了 216 个新的藜麦SSR标记并构建了第1个以SSR 标记为基础的藜麦遗传连锁图谱。2014年，Raney 等对藜麦品种 Ingapirca（山谷生态型）和Ollague（高原 Salares 生态型）进行水胁迫处理，生理指标检测表明 Ollague 比 Ingapirca 对水分胁迫的耐受性更强；Illumina Hi-Seq 技术对处理样品的根组织进行RNA-seq 测序并对数据差异分析获得了包括响应于水胁迫的根组织差异表达在内的 27 个基因产物，BLAST 搜索和基因本体分析表明该干旱胁迫机制与其他非生物胁迫机制存在重叠。2016年，Yasui等使用 Illumina Hi-Seq2500 的短读取和 PacBioRSII 的长读取生成了藜麦基因组的汇编草稿，组装成藜麦基因组，大小为1.087Gb（>25% missing）；该项研究为藜麦首个基因组草图，通过 NCBI NR数据库的 BLAST 分析注释了 62512 个蛋白编码区（CDS）的 功 能。2017年，Jarvis 等采 用PacBio三代测序、Bionano 光学图谱、Hi-C 技术对藜麦A 基因组二倍体 C.pallidicaule 和 B 基因组二倍体C. suecicum 进行了测序、组装和注释，结合遗传图谱组装的高质量染色体级别的藜麦参考基因组序列大小为 1.39Gb（4.56% missing），并获得了 2668694个藜麦特异的 SNP，找到了可以调控藜麦皂苷含量的基因。随后，Zou 等采用第二代、第三代测序技术（HiSeq2500、Illumina、PacBio）对来自玻利维亚的藜麦品种 real 进行测序，对测序结果数据进行混合拼装获得了总长度为 1.34Gb 的藜麦基因组序列，通过注释获得 54438 个蛋白质编码基因，192 个微 RNA（miRNA）基因，1310 个核糖体 RNA（rRNA）基因，2934 个转移 RNA（tRNA）基因和 5922 个小核 RNA（snRNA）基因；同时解释了藜麦高营养和耐盐的分子机制。Zhang 等对 11 份藜麦材料进行了重测序研究，共开发 441022 个 SNP 标记和842783个 InDel 标记，基于组装数据，对藜麦的二态 InDel 标记预测和验证，这些 InDel 标记可以用于异源四倍体藜麦的精确基因分型，同时使用这些标记可以将 129 份藜麦聚合为两个主要的藜麦群，即安第斯高原类型和智利沿海类型。安第斯高原型进一步分类为北部高地组和南部高地亚组。Maughan等利用 113 份藜麦材料通过 KASP 技术开发了511 个与藜麦密切相关的功能性 SNP 分子标记，其中包括与藜麦霜霉病抗性相关的 SNP 分子标记。

03 展   望

藜麦虽然有数千年的种植历史，但是其相关研究的开展时间却不长。随着在全球范围的研究热度持续攀升，藜麦研究相关数据正在丰富，育种技术也在快速前进，获得低皂苷含量、籽粒大、产量高、抗性强的材料是目前主要的育种目标，今后可以通过以下技术来攻克藜麦育种技术瓶颈。

3.1 单倍体育种技术

单倍体育种能够使植株快速纯合，使隐性基因表达，并且在形成单倍体过程中能够产生新的性状，创新种质资源，通过加倍后获得新的品系。由于藜麦种质资源极其丰富且其杂合度比较高，后代分离纯化代数较多，育种周期比较长，因此开展藜麦花药培养获得单倍体后通过秋水仙素对其进行加倍，能够快速获得优良藜麦材料的纯合资源，通过在不同的生态类型进行筛选和生态适应性研究，即可快速获得优良的藜麦材料，可以大大节省纯化时间，加速藜麦育种进程。但由于目前没有藜麦花药培养培养基成分以及加倍技术等相关参考文献数据，需要科研工作者根据其特性进行摸索研究，这也是开展藜麦花药培养的一大难题。

3.2 EMS 诱变技术

EMS 是一种常用的化学诱变剂，能诱发产生高频率的基因和染色体突变，是目前最为有效的植物化学诱变技术方法之一，在小麦、玉米、谷子、高粱、马铃薯等作物中获得较多的新品种。藜麦作为一种杂粮作物，目前报道的利用化学诱变剂进行诱变的较少，国内目前还没有正式报道，但已经有多家单位正在开展相关诱变研究，后代突变体也正在观察中。由于藜麦抗逆性强，白、黑、红等不同颜色的材料对 EMS 诱变的响应可能不同，在进行诱变时需要针对不同的材料进行专门的诱变研究，获得最佳的诱变浓度。

3.3 高通量测序和基因编辑技术

近几年，高通量测序技术和基因编辑技术发展比较迅速，能够提高作物育种的效率和精准度。高通量测序技术在藜麦中已经开始进行初步的研究，但是基因编辑技术在藜麦育种中还未见报道，由于基因编辑能够定向获得所需要的目标性状，具有精准和高效的特点，所以可以作为藜麦精准育种的发展方向之一。但是基因编辑技术需要建立稳定的遗传转化体系，藜麦作为小众作物且为大家熟知的时间较短，还没有建立起稳定的遗传转化体系。因此，构建高效、稳定的藜麦遗传转化体系是开展基因编辑技术的前提。

封面图片来源：网络

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