中国特有能源植物文冠果的遗传学及产业化

毕泉鑫，蔡 龙，马兴华，杨洪晓，关文彬*

(1.北京林业大学自然保护区学院，北京100083;2.辽宁省干旱地区造林研究所，辽宁朝阳122400;3.青岛农业大学资源与环境学院，山东青岛266109)

文冠果(Xanthoceras sorbifolia Bge.)是中国特有能源植物，无患子科文冠果属，原产于中国黄土高原［1］。第三纪(约6500万年前)被子植物繁茂时期遗留下来的古老植物，由俄国著名植物学家Bunge命名。由于其产量很低，外加一些人为因素，导致文冠果种群经历了早期较小面积的野生状态、20世纪六七十年代全国大面积人工种植、20世纪末全国大面积被砍伐或破坏、“十一五”期间“三北”地区能源林再次推广种植几个过程。

1 文冠果生物学

1.1 形态与生境

文冠果为落叶灌木或小乔木。雌雄同株，花杂性，单性花为雄花，两性花雄蕊不育(图1A、B)。蒴果，开裂时分3～5瓣［2］(图1C)。花的结实率很低，具有“千花一果”之说。根的萌蘖能力强，以营养繁殖为主。文冠果对中国北方干旱贫瘠的环境条件具有很强的适应性，有抗旱、耐瘠薄和耐寒能力。

图1 文冠果花、果形态

1.2 地理分布

20世纪七八十年代，我国北方许多地区都曾大面积栽培。全国曾有文冠果林80万亩(1亩约为667 m2，包括10万亩野生林)，仅辽宁省种植面积在1976年达17万亩［3］;经过2006年调查研究，文冠果遍布包括北京、内蒙、辽宁、山东、安徽、宁夏、新疆、河北、河南、陕西、山西、甘肃、青海、西藏等14个省(市、区)，前7个省(市、区)为人工种植或栽培，其他地区为天然混交林。文冠果呈小面积块状零星分布，偶见有零星古树。天然林中文冠果的盖度不到20%，且多呈灌木状，因其价值增加，野生资源屡屡遭到破坏［4］，文冠果已进入濒危状态，亟待保护。

1.3 繁殖特性

文冠果的花分为两性花和单性花，两种花同时存在于一个植株上。两性花又称可孕花，雄蕊退化，表现在花丝较短，花药不开裂，花粉萌发力弱，而雌蕊正常，开花时迅速集中，凋落很少;单性花又称不孕花，雌蕊在花芽分化初正常，后子房退化，雄蕊正常，表现在花丝长，花药发育正常，可按时开裂并散出花粉，单性花起到雄花的作用，开花时缓慢，持续时间长，这样保证了两性花的授粉机会，但脱落比例很大。

两种花的比例因不同类型花序而不同。顶生花序两性花较多，占61.5% ～90.5%;侧生花序两性花仅占4%［5］，由此表明，文冠果侧生花序的花主要起产生和散布花粉的作用。

2 文冠果研究价值

2.1 文冠果是北方山区最有前景的高级能源植物

文冠果油在常温下为淡黄色，透明，具芳香，即是高级食用油，又可加工为高级润滑油;种仁含油量高达66.39%，高于核桃、大豆、茶籽、葵花和橄榄油等植物油，文冠果油脂的凝固点最低，可达－37℃［6］，油中非皂化部分中的甾醇可作液晶材料。因此，被誉为中国北方最有潜力的能源植物之一［7］。

2.2 文冠果是珍稀的药用树种

文冠果种仁可制取治疗心脏病、血管病、遗尿等病症的药物，其中的亚油酸是具有降压功能的中药“益寿宁”的主要成分［8］;以文冠果皂苷为主要成分研制出国家一类新药尿速停胶囊，该皂甙属奇敦甲烷型(OTS)三萜皂甙，有抗癌活性［3］;木材中具有抑制HIV蛋白酶活性的三萜类及鞣质类的化合物［9］;种皮中含有香豆素类化合物，具有抗HIV－1的活性［10］。

2.3 文冠果是优美的城市绿化树种和重要的绿化先锋树种

文冠果树姿优美，白色的花瓣基部具黄红斑晕，花期长达20～30 d。具有喜光、抗寒、耐碱、抗旱、耐寒、固沙、病虫害少等特点，被称为是荒山绿化和水土保持的重要树种［11］。在气温－41.4℃的哈尔滨可安全越冬，在年降水250 mm的干旱地多石山区能生长，在连续3个月无雨情况下栽植成活率达84.1%，创各树种之最。

2.4 文冠果是优良食品与特种用材树种

文冠果是优质的蜜源植物;嫩果既可生食，又可加工，可作特菜推上餐桌［12］;榨油后饼粕含蛋白质高，可加工食品［13］;果皮含糠醛 12.2%，是提取糠醛的最好原料;种壳可制活性炭，木材色泽暗红，纹理致密，是制作工艺家具的优质材料，根系是根雕的材料［14］。

3 文冠果低产机制探索

受新的能源危机威胁，依赖能源植物制备生物质燃料油等石油替代产品，已被世界各国认为是战胜这场危机的重要措施之一［7］。发展能源林也是国家实现CO2消减，增加生物能源的战略抉择。我国“十一五”期间，文冠果被国家林业局列为北方唯一的能源林树种，因此开展文冠果研究，具有重要的应用价值。

虽然文冠果对我国北方环境具有很强的适应性，但是座果率和果实产量很低，“千花一果”现象仍然存在，没有得到根本解决。总结前人的研究，有以下几个低产因素。

3.1 营养不足，落花落果

文冠果多生长在我国北方干旱地区，水分和肥料都供给不足。文冠果生长状况尤其是树体内有机物的积累状况，对花芽分化及花性分化有直接影响［15］。营养不足导致雌花不能正常授粉或幼果停止生长甚至脱落［16］。

关于文冠果的落果机理主要有两种解释:树体营养限制论和有性生殖退化论。洛阳地区林研所和哲里木盟林业科研所认为导致落果的原因是树体内的营养物质不能满足全部幼果的发育，所以必然造成部分幼果提前脱落。有性繁殖退化论则认为，从文冠果的系统发育过程来看，如果它的营养繁殖能力增强了，那么其有性繁殖受到的定向选择压力就会减轻，其结果势必造成有性繁殖的退化［17］。上述解释分别从个体发育和系统发育的角度探讨了文冠果的落果机理，都有一定道理，但缺乏强有力的证据。

从文冠果果仁组成分析，脂肪含量占60%以上，蛋白质占30%，糖类占约10%［18］，种子所含高能量营养物质需要充足的营养才能生成。因此，营养不足是文冠果低产的必然因素。

3.2 雄性不育和雌性不育

国内部分研究人员认为文冠果低产与文冠果可孕花的雄性不育和不可孕花的雌性不育有关，并对此做了很多研究工作。

关于文冠果雌花雄性不育的研究工作，通过研究文冠果的花芽分化和成花过程，发现两性花中的雄蕊形似正常实为不育［19］。随后研究了文冠果两性花花粉败育的原因，认为花粉败育与生理生化代谢障碍和营养匮乏有关［20］。后来，发现，败育花粉的唇细胞通常不能正常开裂，且绒毡层细胞解体缓慢，影响花粉细胞的正常发育［21］。至于导致文冠果两性花雄性不育的分子机理，还有待继续研究。

关于文冠果雄花雌性不育，在组织细胞水平上，雄花雌蕊的选择性败育发生于大孢子母细胞减数分裂Ⅰ的双线期。后期发育中雌蕊的胎座部位、心皮隔膜及子房璧的薄壁细胞出现不同程度的液泡化现象，结构破坏［22］。

3.3 近交衰退

近交衰退是交配系统研究的核心内容［23］，生境片段化后，邻近个体之间的基因交流，使隐性致死基因、有害基因组合的机率提高，后代缺乏杂合优势，导致近交衰退(Inbreeding depression)［24］。近交衰退是影响交配系统进化的重要机制，它对植物的进化有着直接的作用［25］，濒危物种的遗传多样性可能会由于遗传漂变、近交的作用而丧失［26］。

目前大部分文冠果种群是20世纪人工种植的，种子调配相对较为集中，造成中国文冠果种群间和种群内个体间亲缘关系很近，严重影响个体间授粉和种群间的基因交流，使得座果率很低;随着优树选择取得阶段性成果，科研成果推广到中国很多省市，使得很多地区文冠果类型单一化，选优工作忽略了暂时“表现”不佳的文冠果类型，所以优树选择也是造成种群基因变窄、亲缘关系近的另一个重要原因。后期的大量砍伐又使文冠果种群处于片段化状态，使得其原有的遗传多样性丧失，种群的基因进一步变窄。因此，近交衰退是目前中国文冠果低产的重要因素。

3.4 种质

种子是高等植物基因信息的综合体，种子质量从根本上决定该物种适应环境能力和结实水平。通过调查一定范围种群产量的单株构成，研究发现三分之一到母树产量构成了总产量的60%，称为丰产型，其中有一半连续三年丰产，表现突出;三分之一的母树基本达到总产量的平均水平，称为平产型，产量不多或者有明显大小年现象;另外三分之一结果很少甚至不结果，称为低产型［27］。因此种质是决定文冠果是否低产的关键因素。

3.5 粗放管理

文冠果多分布在我国北方的山地，本身管理难度很大，不能及时灌溉和施肥，同时由于文冠果长期低产，经济效益不佳，使得人们疏忽对文冠果的栽培管理。到20世纪末，文冠果经济林很大部分或全部遭到严重砍伐，取而代之的是一些当时经济效益较好的果树园。因此，管理不当是文冠果相对低产的一个基本因素。

4 文冠果低产应对措施

4.1 优树选择与无性系建立

我国从20世纪60年代后期到70年代中期大面积栽培文冠果，科技人员在80年代开展了早期选育优树选择等方面进行的研究，选出7个遗传力强、遗传增益和生产力高的优良无性系，并在辽宁西部山区建立了一个采穗圃［28］后又开展了关于文冠果栽培技术的研究，已开发出增产的果园管理技术［29］;但这些选优仅从表型选择进行的［11］，尚未达到优良类型选择的水平［30］。由于文冠果长期处于粗放型的管理以及大量被砍伐，使得20世纪科技工作者选出的优良无性系几乎无从查起，因此文冠果的选育工作已迫在眉睫。

4.2 栽培技术与管理

我国从20世纪60年代后期陆续推广大面积的文冠果栽培工作，与此同时也开展了早期的文冠果栽培技术与管理等研究工作，以辽宁省干旱地区造林研究所和内蒙古林学院为代表的研究机构，在文冠果引种栽培方面积累了较完整经验。干旱地区造林研究所代表我国与朝鲜开展合作引种到朝鲜的两江道、平安南道、黄海北道、慈江道、江原道等地并取得成功［31］。

进入20世纪80年代，已开发出育苗、定植技术，保花、保果、增产的果园管理技术［29］。近几年体细胞胚胎的发生等取得成功［32］，建立的体细胞胚胎发生和快速成苗的悬浮培养体系，解决了繁殖系数低、不能满足生产中对苗木培育需要的问题。但是，这些研究成果并未从根本上解决文冠果无性繁殖中存在的嫁接成活率扦插生根率的问题以及组织培养中繁殖系数与难生根的问题。

4.3 品系搭配与种园建立

文冠果种群经历了人工栽培，无性系的推广，大面积砍伐等一系列过程后，物种的多样性日益缩减，生境日益片段化，亟需提高种质资源和种质多样性。寻找全国分布区不同类型的文冠果，把不同类型的文冠果搭配建园，最终找到高产的最佳搭配系列。并建立文冠果种质资源库，增加种质的多样性水平。目前这一工作正在进行中，已取得阶段性成果。

5 展望

文冠果作为我国特有植物，是珍贵的资源植物，具有十分重要的研究价值。在文冠果野生资源被严重破坏和遗传背景不清的情况下，认为在以下几个方面值得进行深入研究:(1)采用分子标记进行文冠果的类型分类研究，指导生产实践，有针对性的选择优树;(2)分析不同地区不同种龄的文冠果种群的遗传结构，研究种群内和种群间的亲缘关系，分析是否存在“近交衰退”现象;(3)研究文冠果种群存在的致危机理，探讨解决濒危措施和保护其生物多样性及维持机制;(4)分析文冠果杂性花中花芽分化机理以及花性别分化的调控机理，尝试调节花的性别比例，在了解文冠果基因背景的基础上，通过基因工程方法如“基因靶向”技术精确定向改变雄花表达基因，使其失去活性，并激活两性花基因表达;(5)从全国分布区收集野生文冠果枝条和种子，建立我国第一个文冠果种质园;(6)重新选择优树，建立新的无性系，在基因背景没有研究清楚前，开展选优是提高产量形成产业的最佳途径，使得栽培良种化，良种品种化;(7)研究如何搭配树种建立高产种子园的技术，以及相关的育苗栽培管理。

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