關(guān)注森林網(wǎng)

摘要：作為一種優(yōu)質(zhì)的林糧，澳洲堅果富含豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，口感風(fēng)味獨特，深受消費者喜愛，具有較高的商品價值。經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前我國種植面積已位居世界第1，產(chǎn)量躍居世界第2，澳洲堅果在鄉(xiāng)村振興、提升農(nóng)民收入等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。20世紀(jì)40—80年代間育成的品種在世界各地均有廣泛種植。近年來，澳大利亞研究人員從野生植株中培育出具有優(yōu)良產(chǎn)量性狀的新品種，我國也廣泛基于引種實生群體和后代植株進行品種選育。文中對澳洲堅果種質(zhì)起源和資源選育，特別是現(xiàn)有種質(zhì)遺傳結(jié)構(gòu)和主要栽培品種親緣關(guān)系、種質(zhì)鑒別和育種趨勢等方面進行總結(jié)分析，旨在為持續(xù)開發(fā)利用澳洲堅果遺傳資源、促進種質(zhì)創(chuàng)新和推動種植領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：澳洲堅果，遺傳多樣性，種質(zhì)資源，品種，選育

作者：李昊洋  吳疆翀  王麗娟  楊玉春  萬曉麗  白海東 石定宏  黃紹琨  楊庭泉   張林溪

引文格式：李昊洋,吳疆翀,王麗娟,等.澳洲堅果種質(zhì)遺傳結(jié)構(gòu)和親緣關(guān)系研究進展[J].世界林業(yè)研究,2024,37(03):22-27.

澳洲堅果又名夏威夷果，是山龍眼科（Proteaceae Juss.）澳洲堅果屬（Macadamia F. Muel.）的熱帶多年生林糧樹種。其果仁風(fēng)味獨特，富含脂質(zhì)（脂肪酸含量高達82%）、蛋白質(zhì)和多種微量營養(yǎng)元素，深受消費者青睞。隨著生產(chǎn)及供應(yīng)鏈的日益完善，澳洲堅果行業(yè)在全球市場的規(guī)模和地位不斷上升，需求量大幅提高。在該屬常見的4種堅果物種中，Macadamia integrifolia和M. tetraphylla及其雜交品種，因果仁優(yōu)質(zhì)可食用而在世界范圍內(nèi)廣泛種植。另外2種，M. ternifolia和M. jansenii，因果小、味苦且成熟果仁中含有高濃度的氰苷物質(zhì)而不具有食用性，目前尚未被繁育栽培。澳洲堅果的獨特之處在于僅經(jīng)過100年的引種馴化，就發(fā)展成為一種全球性的堅果作物，被譽為“世界堅果之王”。在我國澳洲堅果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，由于廣泛交叉引種等因素導(dǎo)致栽培品種間同名異物或同物異名現(xiàn)象時有發(fā)生，易加劇澳洲堅果產(chǎn)業(yè)目前面臨的諸如品種混亂、原料質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。分析厘清現(xiàn)有栽培品種間遺傳背景和親緣關(guān)系，是進行科學(xué)研究和栽培利用的基礎(chǔ)，并能減少因品種混淆而導(dǎo)致的育種者權(quán)益受侵犯現(xiàn)象。本文將就近年來國內(nèi)外學(xué)者在澳洲堅果種質(zhì)遺傳多樣性方面的相關(guān)研究進行回顧，在當(dāng)前澳洲堅果種植對于鄉(xiāng)村振興和豐富糧食供給等方面價值得到廣泛認(rèn)可之時，對合理擴大澳洲堅果栽培面積期間種質(zhì)資源收集和品種鑒別具有現(xiàn)實意義，以期減少無序擴張的風(fēng)險，為今后良種選育和品種改良過程中挖掘基因資源潛力提供依據(jù)。

1 澳洲堅果種質(zhì)資源分布及現(xiàn)狀

1.1 種質(zhì)起源及早期開發(fā)

澳洲堅果原始分布于澳大利亞新南威爾士州北部和昆士蘭東南部的狹窄地帶。最近有學(xué)者對澳洲堅果栽培品種選育品系和野生品系共計112個基因組重新測序，得出部分夏威夷栽培品種起源于澳大利亞昆士蘭州東南部包爾山。澳洲堅果中最主要的4個物種M. integrifolia、M. ternifolia、M. jansenii和M. tetraphyll的分布范圍各不相同，主要生長在亞熱帶雨林低地以及沿海山谷和山麓地帶，部分分布區(qū)重疊，物種之間存在自然雜交現(xiàn)象，尤其是M. integrifolia和M. tetraphylla之間。M. ternifolia的分布范圍從桑福德山谷（澳大利亞布里斯班北部）向北延伸，與M. integrifolia重疊。M. jansenii是澳洲原始分布最北的物種，已知僅于Bulburin國家公園內(nèi)存在一個約60株的種群，距離最近的M. integrifolia種群約150 km。

夏威夷農(nóng)業(yè)試驗站（HAES）在19世紀(jì)末從澳大利亞引進澳洲堅果，開啟了全球商業(yè)化種植的歷程。在20世紀(jì)30年代，由于嫁接技術(shù)獲得了成功，克隆育種項目得以迅速發(fā)展。夏威夷植物育種中心對澳洲堅果品種的選擇主要考慮了果仁重量、大小和產(chǎn)量等特征，以滿足不同氣候帶的需求。由于M. tetraphylla產(chǎn)量不穩(wěn)定，果仁質(zhì)量通常也低于標(biāo)準(zhǔn)。因此，夏威夷許多選育品種中都含有M. integrifolia的基因。澳大利亞的官方選育工作始于20世紀(jì)50年代中期，而到70年代從夏威夷引入的商業(yè)澳洲堅果品種開始在澳大利亞種植，一些品種還被用作新雜交品種的親本材料。野生遺傳資源是該物種主要的基因庫，這些資源的很大一部分尚未開發(fā)，目前夏威夷和其他地區(qū)的大部分商業(yè)品種與其在澳大利亞的野生祖先僅相差2～4代。因此，在進行選擇性育種時尚有未開發(fā)的野生種質(zhì)可供利用。

1.2 種質(zhì)資源現(xiàn)狀

全球大部分澳洲堅果生產(chǎn)依靠“夏威夷育種計劃”所選育出的品種。如今，HAES采用的優(yōu)良品種和澳大利亞早期選育項目的成果已被引種至全球各地，為各地的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了支持。在1948—1981年間育成的‘246’、‘294’、‘344’、‘741’、‘788’等品種在澳大利亞、中國、南非、美國（夏威夷和加利福尼亞）、巴西等地均有廣泛種植。夏威夷選育品種占澳大利亞栽培品種的80%以上，其中3大主栽品種為‘344’、‘741’和‘246’；南非的主栽品種為‘695’占51%、‘A4’占21%、‘816’占12%。近年來，澳大利亞研究人員經(jīng)野生植株培育出具有優(yōu)良產(chǎn)量性狀的新品種‘MCT1’，其出仁率達42%～50%，自2017年開始由澳大利亞和南非的授權(quán)苗圃商業(yè)化育苗，至2023年7月已售出‘MCT1’苗木約55萬株。

從20世紀(jì)80年代末我國開始了澳洲堅果的商業(yè)化種植，目前已收集和保存了比較豐富的澳洲堅果種質(zhì)資源，經(jīng)審定的引種馴化良種有‘246’、‘294’、‘344’、‘508’、‘660’、‘741’、‘788’、‘800’、‘A4’、‘A16’、‘H2’、‘OC’等。并且廣泛基于引種實生群體和后代植株，從中進行了品種選育。截至2023年12月，經(jīng)審定的有‘桂熱1號’、‘南亞1號’和‘南亞3號’等；在認(rèn)定有效期內(nèi)的良種和優(yōu)良無性系有‘迪思1號’、‘臨堅47號’、‘正成1號’等，新品種有‘JW’等。在種植規(guī)模方面，至2022年末我國澳洲堅果栽培面積達30萬hm2，收獲面積每年以2萬hm2的速度遞增，主要分布在云南25個縣市、廣西26個縣市、貴州9個縣市及廣東18個縣市等，占世界種植總面積的70%以上。目前，經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國澳洲堅果種植面積已位居世界第1位，2023年產(chǎn)量躍居世界第2位，僅次于南非。

2 澳洲堅果種質(zhì)資源間遺傳關(guān)系

迄今為止的研究分析得出M. tetraphylla與M. integrifolia是基因分離的物種，但是兩者間能夠發(fā)生種間雜交。因此，種質(zhì)遺傳主要考慮物種的組成情況，通過分析雜交中間體的遺傳成分比例來確定栽培品種與親本的遺傳關(guān)系。而部分夏威夷早期品種在引入澳大利亞和南非后生長和座果表現(xiàn)不佳，也促成了更多雜交品種的出現(xiàn)。

2.1 野生種質(zhì)遺傳結(jié)構(gòu)與栽培品種間的遺傳關(guān)系

了解種質(zhì)資源遺傳多樣性的程度和結(jié)構(gòu)，有助于闡明栽培品種與野生個體之間的關(guān)系。而厘清馴化種質(zhì)與野生種質(zhì)的遺傳背景，對于指導(dǎo)將新型遺傳資源引入選擇性育種種群以及優(yōu)先保護未來可能有用的新型野生種質(zhì)非常重要。

Nock等對于野生和栽培種質(zhì)的葉綠體基因組測序研究表明，目前主要的夏威夷澳洲堅果品種都有單一的葉綠體，可能種質(zhì)來源是一個小樣本，來自同一個地點。2020年Mai等對澳洲堅果野生種質(zhì)資源的遺傳結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，M. tetraphylla與M. integrifolia的遺傳距離要小于M. ternifolia或M. jansenii與M. integrifolia的遺傳距離，這表明M. tetraphylla與M. integrifolia之間可能具有更為相似的基因組成；該研究還表明物種內(nèi)的遺傳變異大于物種間的遺傳變異。說明在這些物種間存在一定程度的基因交流，或者演化過程中保持了一定程度的遺傳相似性；而在同一物種內(nèi)的遺傳多樣性水平較高，這對于物種的生存和繁衍具有積極意義。此外，該研究同時利用Structure、Mantel等檢驗分析群體結(jié)構(gòu)，將種質(zhì)分為3個不同的聚類，M. jansenii和M. ternifolia的材料聚集在一起，其間較為緊密的親緣關(guān)系得到了先前分子研究的支持；而在M. intergrifolia的分布區(qū)域中，遺傳距離與地理距離之間存在顯著的相關(guān)性。針對目前全球許多主要栽培品種都基于夏威夷選育品種這一事實，未來可以有機會利用多樣化的野生遺傳資源進行遺傳改良。

2.2 主要栽培品種間的親緣關(guān)系

目前夏威夷的幾個栽培品種是從早期栽培的澳洲堅果開放授粉后代中選育出來的高世代品種。例如，‘Keaau’（‘HAES660’）和‘Mauka’（‘HAES741’）分別于1966年和1977年發(fā)布，在世界各地的澳洲堅果果園中廣泛使用，商業(yè)上被視為不同品種，但其形態(tài)特征表明2個品種之間的表型差異有限，先前的分子證據(jù)也表明這2個品種之間具有非常緊密的遺傳關(guān)系。2002年，Peace等利用RAF標(biāo)記，提出夏威夷選育出的品種‘741u’是‘HAES741’、‘741s’是‘HAES800’，鑒定出‘HAES783’和‘HAES828’為‘Keauhou’的后代，并對這些品種的錯誤命名進行了修改。相似地，2019年Alam等回顧了現(xiàn)有的分子和表型證據(jù)，最終研究結(jié)果顯示，‘HAES660’和‘HAES741’來自同一個果園，品種間具有很強的遺傳相似性，表型差異非常小，這項研究為這2個品種是否來自同一植株、是否為等位基因或近等位基因提供了證據(jù)。在澳大利亞，除了昆士蘭農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)部在20世紀(jì)50年代進行品種選育之外，諾姆·格雷伯開展的澳洲堅果品種選育則構(gòu)成了另一個主要群體，文獻記錄表明，‘Own Choice’（即‘OC’）、‘NRG’和‘Greber’選種來自同一批野生M. integrifolia種群，而在此后的隱谷種植園中，栽培品種‘A4’和‘A16’都是‘Renown’的開放授粉后代，花粉親本則是‘OC’。

在國內(nèi)，賀熙勇等對64份云南栽培品種進行了遺傳聚類分析，結(jié)果也表明‘HAES660g’和‘HAES741g’品種間親緣關(guān)系較近。該研究將這些種質(zhì)聚為2類：第1類僅包含1份種質(zhì)，即栽培種M. integrifolia的近緣種M. tetraphylla。第2類可分為3個亞類，即‘695’、‘900’和‘廣9’等為一個亞類，為粗殼種和光殼種的雜交種；‘A4’和‘A16’為一個亞類；剩下的品種都為光殼種的后代。2023年李志強等對引種澳洲堅果種質(zhì)資源的研究發(fā)現(xiàn)，品種‘246’與‘333’、‘A4’和‘A16’在遺傳聚類中劃分在一起，親緣關(guān)系較近。

3 新技術(shù)在澳洲堅果種質(zhì)鑒別中的應(yīng)用

經(jīng)濟植物種質(zhì)改良是一個持續(xù)的過程，就澳洲堅果而言，其品種選育在全球范圍內(nèi)也只進行了80余年，相對于核桃、板栗等其他栽培悠久的林糧作物而言栽培歷史仍顯年輕。因此，種質(zhì)改良仍有提升空間，特別是最近5～10年來，對表型和基因?qū)用婕右哉J(rèn)知的一些新技術(shù)和手段在準(zhǔn)確性增強的同時應(yīng)用門檻有所降低，對改進和提升選育工作頗有助益。

3.1 基因組測序技術(shù)

除早期的常規(guī)分子標(biāo)記手段識別種質(zhì)親緣關(guān)系外，基因組學(xué)在植物育種中的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，近年來關(guān)于澳洲堅果基因組的研究取得了長足發(fā)展?；蚪M學(xué)研究顯示，澳洲堅果植株是二倍體，基因組大小在758~896兆比（Mb）之間。自2016年以來，國內(nèi)外多個實驗室使用了不同的高通量測序平臺，例如Illumina、PacBio和Oxford Nanopore等，完成了包括M. integrifolia、M. jansenii、M. tetraphylla和M. ternifolia等多個澳洲堅果品種的基因組組裝和染色體級別上的重建。其中，M. integrifolia是獲得基因組信息最為豐富的品種。例如，夏威夷第1代澳洲堅果栽培品種‘HAES 344’（‘Kau’）基因組大小為890 Mb，且基因組分析顯示，在4 680萬年前發(fā)生了一次全基因組復(fù)制事件。此外，M. integrifolia、M. tetraphylla和M. ternifolia的葉綠體和線粒體基因組也已經(jīng)完成了組裝和全面注釋。

隨著測序技術(shù)的發(fā)展，許多植物的基因組數(shù)據(jù)不斷增加，如何整合和管理這些數(shù)據(jù)變得越來越重要。因此，一些經(jīng)濟作物的基因組數(shù)據(jù)庫應(yīng)運而生，如柑橘基因組數(shù)據(jù)庫、水稻基因組中心等。在這一背景下，首個澳洲堅果種質(zhì)和功能基因組綜合數(shù)據(jù)庫（MacadamiaGGD）被正式開發(fā)出來，可提供種質(zhì)數(shù)據(jù)、基因組資源、轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)、分子標(biāo)記信息和遺傳連鎖圖譜信息，以及多種生物信息學(xué)工具，以助力澳洲堅果的分子育種和科學(xué)研究，并且這些基因組研究為澳洲堅果的遺傳育種提供了基礎(chǔ)和新穎的見解。

3.2 新興品種輔助識別手段

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用最廣泛的計算機算法模型之一，具有較強的特征提取和模型構(gòu)建能力。借助該技術(shù)，對澳洲堅果不同種質(zhì)的特征進行收集，設(shè)計卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，進行多次迭代調(diào)整并結(jié)合測試評估，通過優(yōu)化模型性能，有助于大大提升澳洲堅果相關(guān)特征的鑒別效率。2018年，于慧伶等建立了雙邊卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下的植物葉片識別模型，該模型能夠避免葉片邊緣對卷積層過度作用產(chǎn)生的影響。近些年，杜劍等將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和光譜分析方法結(jié)合起來對澳洲堅果進行品質(zhì)鑒別，建立了充分有效的模型對澳洲堅果進行分類。目前植物圖像識別大多只能識別出某種植物類別，但不能識別出種類下的具體品種。朱駿宇等對基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識別技術(shù)分析進行了闡述。同年，付雪婷等借助卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用不同方法成功提高了月季品種的識別準(zhǔn)確率。這些新型得研究方法為澳洲堅果的品種鑒別提供了新的借鑒。

3.3 全基因組關(guān)聯(lián)研究

基因組測序技術(shù)和全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）之間有密切關(guān)系，全基因組關(guān)聯(lián)研究將特定的表型特征與基因組中的一系列單核苷酸多態(tài)性進行比較，來找出與之相關(guān)的SNP位點。通過識別與關(guān)鍵性狀相關(guān)的遺傳標(biāo)記來縮短評估和遺傳周期，有可能通過標(biāo)記輔助選擇（MAS）實現(xiàn)優(yōu)良品種的早期篩選。然而，GWAS需要大量的基因組信息，在一些稀有的SNPs檢測不到的情況下，需要使用高通量基因組測序技術(shù)來獲取更全面的數(shù)據(jù)。包括二代測序技術(shù)（如Illumina測序）和三代測序技術(shù)（如單分子實時測序），在極短的時間內(nèi)測定大量的序列數(shù)據(jù)，有效地對全基因組進行深度測序。例如，2020年Connor等對澳洲堅果育種群體的產(chǎn)量性狀進行了全基因組關(guān)聯(lián)研究，通過將GWAS檢測到的標(biāo)記—性狀關(guān)聯(lián)與MAS相結(jié)合，在MAS中篩選候選目標(biāo)標(biāo)記物，并根據(jù)這些預(yù)測進行相關(guān)選擇。這項研究可以通過減少對堅果重要經(jīng)濟性狀的選擇時間來增加遺傳增益，促進了對澳洲堅果組成性狀遺傳控制的認(rèn)識。目前，基因組測序技術(shù)提供了全基因組關(guān)聯(lián)研究需要的龐大和詳細(xì)數(shù)據(jù)，是全基因組關(guān)聯(lián)研究能夠進行的關(guān)鍵技術(shù)支持。同時，隨著測序成本的降低和數(shù)據(jù)處理能力的提高，期待基因組測序和全基因組關(guān)聯(lián)研究的結(jié)合在澳洲堅果分子育種中的應(yīng)用越來越廣泛。

4 研究展望

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對澳洲堅果遺傳多樣性的相關(guān)問題開展了研究，并取得一些成果。隨著科技的發(fā)展，研究方法也從20世紀(jì)使用較多的同工酶、SSR、ISSR標(biāo)記，到如今大量使用的SNP等現(xiàn)代分子遺傳標(biāo)記，對部分種質(zhì)也基于全基因組測序水平進行了研究。這些相關(guān)研究在澳洲堅果相似或相近品種親緣關(guān)系的鑒定、品種的優(yōu)化和改良、地理種群遺傳結(jié)構(gòu)研究等方面具有重要意義。為進一步提升澳洲堅果育種效率及品種品質(zhì)，還將從以下幾個重點領(lǐng)域展開研究。

1）加強種質(zhì)資源的保護與利用。澳洲堅果野生遺傳資源可為育種親本選擇提供理想的性狀，如矮株、薄殼、對生物和非生物因素的抗性和耐受性等，探索野生種質(zhì)的遺傳潛力將有助于進一步利用這些資源進行性狀改良。目前，在我國海南建設(shè)全球動植物種質(zhì)資源引進中轉(zhuǎn)基地的政策機遇下，以此為契機，重點面向“一帶一路”沿線國家和澳洲堅果起源中心開展種質(zhì)資源交流交換和合作研究，同時建立良好的澳洲堅果保存體系，進行資源圃布局并強化資源保存技術(shù)。此外，還需開展澳洲堅果種質(zhì)資源表型與基因型精準(zhǔn)鑒定評價，強化基因組測序、等位基因規(guī)?；诰虻雀咄糠肿予b定技術(shù)應(yīng)用，構(gòu)建表型與基因型數(shù)據(jù)庫、分子指紋圖譜庫，以此確定澳洲堅果資源保護的優(yōu)先順序、重點性狀和利用方向。

2）進一步構(gòu)建高質(zhì)量性狀位點圖譜。綜合考慮單個基因上多個SNP位點以及基因集（即代謝通路水平上）的關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，來闡明該基因和基因集與品質(zhì)和產(chǎn)量等經(jīng)濟性狀的相關(guān)程度。通過定位關(guān)鍵表型性狀關(guān)聯(lián)基因在染色體上的位置，開發(fā)選擇性標(biāo)記來提高育種效率。2020年，Langdon等通過最大化全同胞、雙親和自花授粉后代之間的分離模式，經(jīng)綜合比對分析生成的遺傳連鎖圖譜成功地用于基因組支架的錨定和定向，并構(gòu)建了第1個澳洲堅果假染色體規(guī)模的組裝，提升了對澳洲堅果基因組的理解。將來還需要基于已知基因組骨架序列繼續(xù)解析更多的澳洲堅果經(jīng)濟性狀相關(guān)位點，為高質(zhì)高效育種打下基礎(chǔ)。

3）結(jié)合計算機深度學(xué)習(xí)開展數(shù)字育種管理。針對我國澳洲堅果林間可能出現(xiàn)的基地建設(shè)粗放、品種混亂等問題，可利用數(shù)字農(nóng)業(yè)進行輔助管理。首先通過高通量測序、圖像識別等機器學(xué)習(xí)技術(shù)收集澳洲堅果環(huán)境、基因組和相關(guān)表型數(shù)據(jù)，再進行數(shù)據(jù)分析和模型構(gòu)建，包括基因組選擇、遺傳標(biāo)記分析和環(huán)境互作分析，預(yù)測并優(yōu)化澳洲堅果的目標(biāo)性狀，以期顯著提高育種效率和精度，滿足快速變化的市場和環(huán)境需求。

4）種質(zhì)創(chuàng)新和品牌建設(shè)。澳洲堅果產(chǎn)業(yè)未來的方向是多元化和差異化。我國在種植面積和產(chǎn)量位居世界前列的同時，需進一步提升澳洲堅果的品質(zhì)和附加值，通過優(yōu)良品質(zhì)和特色口感來滿足消費者不斷增長的需求類型。通過定向育種進行種質(zhì)創(chuàng)新，綜合系統(tǒng)性地開展種質(zhì)資源研究與利用、適應(yīng)性栽培、新品種審定等相關(guān)工作。同時，還應(yīng)該加強我國澳洲堅果的品牌建設(shè)，提高商品的知名度和影響力，拓展市場份額，進一步提升農(nóng)民收入和生活水平。當(dāng)前，澳洲堅果的開發(fā)和利用已經(jīng)成為我國西南地區(qū)新興的特色生物產(chǎn)業(yè)，其栽培規(guī)模將從2021年至未來10年內(nèi)快速增長。澳洲堅果種質(zhì)資源存在豐富的遺傳多樣性，充分了解其種質(zhì)的個體差異、遺傳背景和親緣關(guān)系，不但可以為現(xiàn)有栽培資源的保護利用和管理提供科學(xué)依據(jù)，還可以對后續(xù)交叉引種和新選育種質(zhì)開展準(zhǔn)確高效的遺傳鑒別，推動我國澳洲堅果種質(zhì)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。

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