董艷輝 王育川 溫 鑫 李亞莉 侯麗媛 趙 菁 曹秋芬 王 斌 吳慎杰 秦永軍

（1 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究中心，太原 030031；2 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究中心，太原 030031；3 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，太原 030031）

藜麥（Chenopodium quinoaWilld.）為莧科藜亞科藜屬植物，是喜冷涼和高海拔的作物，富含蛋白質(zhì)、維生素、礦物質(zhì)元素、氨基酸、纖維素等有益化合物和礦物質(zhì)元素，富含不飽和脂肪酸及類黃酮，膳食纖維素含量高達17%，具有極高的營養(yǎng)價值；同時還具有藥用價值，能夠預(yù)防心血管疾病、癌癥、骨質(zhì)疏松癥等疾病，預(yù)防和治療糖尿病，具有消炎、抗腫瘤和抗氧化功能，是廣受歡迎的藥食同源作物[1-3]。由于其全面的營養(yǎng)成分和抗逆性強等特性，藜麥?zhǔn)艿綐O大的關(guān)注，我國于20 世紀(jì)80 年代引進藜麥，2012 年以后開始大規(guī)模種植。

藜麥原產(chǎn)地為南美洲安第斯山脈，主要生產(chǎn)國是玻利維亞、秘魯和厄瓜多爾，其他地區(qū)如美國、阿根廷、加拿大、法國、英國、瑞典、丹麥、荷蘭和意大利等國家也有種植，近年來中國、印度等亞洲國家也開始種植。我國藜麥主要種植在山西、甘肅、內(nèi)蒙古、青海、西藏、河北等地區(qū)，藜麥適應(yīng)性強，具有耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿等特性，成為我國農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)農(nóng)民脫貧致富的重要作物[4]。但由于藜麥引進時間較短，種質(zhì)資源混雜，遺傳改良研究滯后，新品種選育進程緩慢，極大地限制了藜麥產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，因此，加強藜麥的種質(zhì)資源收集與創(chuàng)新、新品種選育尤為重要[1]。本文綜述了國內(nèi)外藜麥種質(zhì)資源收集與鑒定，育種技術(shù)及遺傳改良的研究進展，旨在為藜麥科研工作者提供參考，以便因地制宜，結(jié)合實際情況采用相應(yīng)的育種技術(shù)，加快藜麥新品種的選育。

1 藜麥種質(zhì)資源研究與利用

種質(zhì)資源是育種的重要基礎(chǔ)，能夠為品種改良帶來豐富的變異資源。藜麥原產(chǎn)地國家保存了大量的藜麥種質(zhì)資源，玻利維亞大約保存了5000 份藜麥材料，秘魯保存了5351 份藜麥材料，除了上述兩個國家外，厄瓜多爾也保存了大約642 份藜麥材料，美國農(nóng)業(yè)部國家植物種植體系（USDA-NPGS）也收集保存了164 份藜麥材料。中國的藜麥企業(yè)、科研機構(gòu)通過不同的途徑從國外引進了大量的藜麥種質(zhì)資源，并在不同的地區(qū)進行馴化和栽培，座落在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所的國家種質(zhì)庫保存了一定量的藜麥種質(zhì)資源。原產(chǎn)地國家由于種質(zhì)資源比較豐富，主要開展的是種質(zhì)資源的純化、整理和保存工作，其他國家資源有限，除了開展上述工作外，還通過各種手段進行資源應(yīng)用研究。

2 藜麥育種技術(shù)

藜麥為自花授粉作物，但是異花授粉率高達10%～15%，非嚴(yán)格意義的自花授粉作物。藜麥花小且花序緊湊，自身變異較大，給育種帶來了一定的難度。20 世紀(jì)80 年代，歐洲的英國、荷蘭、丹麥、瑞士等國家開始育種研究，主要目標(biāo)是為了適應(yīng)歐洲的氣候條件，同時改善產(chǎn)量、品質(zhì)、皂苷含量等農(nóng)藝性狀，丹麥和瑞典側(cè)重于飼草藜麥育種[5]。目前藜麥育種常用的手段有常規(guī)育種、雜交育種、誘變育種、分子輔助育種等，以達到高產(chǎn)、耐高溫、抗病、早熟、抗穗發(fā)芽、抗倒伏、低皂苷、高品質(zhì)等育種目的。

2.1 常規(guī)育種技術(shù)（系統(tǒng)選育法Line breeding）系統(tǒng)選育法是直接從自然變異中進行選擇并通過比較試驗選育新品種的一種途徑，包括單株選擇法和混合選擇法，也是藜麥育種中應(yīng)用最廣泛的一種方法。楊發(fā)榮[6]采用系統(tǒng)育種和栽培馴化相結(jié)合的方法選育出藜麥新品種隴藜1 號，該品種生育期為128～140d，中晚熟，抗倒伏，抗病性強；沈?qū)氃频萚7-8]利用加拿大的藜麥品種Dave quinoa 通過單株選擇法選育出中早熟藜麥新品種條藜1 號，以及通過系統(tǒng)選育法選育出早熟品種條藜2 號；黃朝斌等[9]利用從南美引進的50 余份材料通過系統(tǒng)選育法選育出中早熟藜麥品種青藜1 號；通過該方法選育出的藜麥品種還有蒙藜1 號、隴藜2 號、隴藜3 號、隴藜4 號、條藜3 號以及早熟品種青藜2 號等。自20世紀(jì)80 年代至今，據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計，藜麥原產(chǎn)地秘魯通過系統(tǒng)選育法選育出了大量藜麥新品種，如國家農(nóng)業(yè)創(chuàng)新研究所（INIA）選育的高產(chǎn)品種YELLOW SACACA、QUILLAHUAMAN、YELLOW MARANGANí；矮化、零皂苷品種BLACK COLLANA、PASANKALLA；秘魯國立大學(xué)和秘魯中部國立大學(xué)安第斯作物中心（UNCP）分別培育出的中高新品種JUNIN WHITE 和HUALHUAS 以及其他科研人員選育出的高度矮化新品種JULI WHITE、KANKOLLA。

2.2 雜交育種技術(shù)藜麥?zhǔn)亲曰ㄊ诜壑参?，并且有許多錯綜復(fù)雜排列緊湊的小花，這使得雜交比其他作物更難。進行有效的雜交是了解和研究藜麥相關(guān)性狀遺傳基礎(chǔ)的關(guān)鍵步驟，同樣對藜麥育種也非常重要。藜麥雜交育種目標(biāo)主要為高產(chǎn)、抗?。ㄋ共〉龋?、低皂苷、抗穗發(fā)芽、早熟、耐旱性以及適應(yīng)不同生態(tài)區(qū)、加工等特殊需求。雖然經(jīng)過國內(nèi)外科研人員多年的努力，雜交育種技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于藜麥育種，并選育出了許多藜麥新品種，但是藜麥雜交育種技術(shù)總體進展還比較緩慢，無法滿足不同生態(tài)類型的品種需求。

2.2.1 種內(nèi)雜交種內(nèi)雜交是藜麥雜交育種技術(shù)中應(yīng)用比較廣泛的一種方法。根據(jù)不同的育種目標(biāo)選擇不同的親本類型是雜交育種關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。親本的選擇除了要考慮目標(biāo)基因型，還要考慮基因型的可用性以及雜交后代的育性，同時為了驗證成功雜交，通過選擇具有顯性性狀的親本作為父本和具有隱性性狀的親本作為母本，可以將成功雜交的F1和母本自花授粉獲得的F1分開。目前可以利用的易于識別的形態(tài)特征有種子顏色、花序顏色、植株顏色和植株腋窩的色素沉著等。Adam 等[10]把花序顏色作為主要生物學(xué)性狀，用人工去雄的方法將橘黃色（Bio-bio）和粉紅色（Temuco）品種進行雜交后，獲得的F1后代中表現(xiàn)出顯性的粉紅色花序顏色以及處于中間狀態(tài)的葉片形態(tài)。Van Loo 等利用雜交技術(shù)獲得了3 個適宜在歐洲種植的新品種Atlas、Pasto、Rio bamba，這些品種具有生育期短、皂苷含量極低等優(yōu)點，極大地刺激了藜麥在歐洲的推廣種植和商業(yè)化[11]。秘魯國家農(nóng)業(yè)創(chuàng)新研究所（INIA）研究人員通過雜交后群體譜系的方法獲得了系列新品 種[12]，如Illpa（Sajama x Juli White）、SALCEDO（Royal x Sajama）、Altiplano（Illpa x Salcedo）等，這些品種生育期較長，皂苷含量低，是秘魯主要的商業(yè)化品種。León[13]將藜麥品種Pasankalla 與Salcedo和Choclo 品種進行雜交，其中Pasankalla×Salcedo的雜交F1（Pacholeo）穗長較親本有了很大的改觀，Pasankalla×Choclo 的雜交F1（Pasaleo）的生育期較親本縮短，低于144d，但是由于遺傳穩(wěn)定性的原因，隨著代數(shù)的增加，有些優(yōu)良后代的基因可能會消失，因此要開展進一步的深入研究；奚玉銀等[14]將山西常規(guī)藜麥分別與安第斯奎寧藜麥和桑多發(fā)爾藜麥進行雜交，通過后代選育獲得中抗和高抗倒伏藜麥新品種冀藜1 號和冀藜2 號。藜麥種內(nèi)雜交是獲得藜麥新種質(zhì)較快的一種技術(shù)，能夠通過連續(xù)回交等手段將優(yōu)良基因和目標(biāo)基因?qū)?，從而獲得具有特定特性的新材料，難點是雜交后代分離嚴(yán)重，純化需要的時間周期也比較長。

2.2.2 種間雜交種間雜交是一種常見的植物演化過程中的持續(xù)事件，具有許多重要的進化后果，種間的雜交后代（通常與基因組重復(fù)相關(guān)）可以成為遺傳和新的表型來源，最終導(dǎo)致新物種的形成（即雜種物種形成）。該方法的主要目的是合并遠距離基因庫，從而拓寬遺傳變異性。20 世紀(jì)90 年代，Ward 等[15]發(fā)現(xiàn)藜麥品種Apelawa 攜帶有正常和雄性不育的細胞質(zhì)，具有雄性不育細胞質(zhì)的藜麥植株產(chǎn)生的花完全沒有花藥并且柱頭突出外露，將攜帶有雄性不育基因的藜麥品種Apelawa 與雜草資源Chenopodium berlandieri 進行種間雜交，所得的雜交后代中有部分可以恢復(fù)育性，但是與其他藜麥品種進行種內(nèi)雜交則后代全部為不育。隨著研究的深入，Ward[16]在美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用技術(shù)研究所（USDA-ARS）登記的編號為PI 510536 的藜麥材料中又發(fā)現(xiàn)了正常的雌雄同體和雄性不育植株，在細胞質(zhì)的控制下，其特征是花藥萎縮和沒有花粉，但是PI 510536 雄性不育細胞質(zhì)與先前報道的不同，比較穩(wěn)定且易于恢復(fù)。目前，藜麥種間雜交應(yīng)用還比較少，除了雜交技術(shù)層面的限制外，種間雜交不親和也是育種需要突破的瓶頸之一。

2.3 誘變育種誘變育種是利用物理、化學(xué)因素誘導(dǎo)動植物的遺傳特性發(fā)生變異，再從變異群體中選擇符合人們某種要求的單株或個體，進而培育成新的品種或種質(zhì)的育種方法，它是繼選擇育種和雜交育種之后發(fā)展起來的一種現(xiàn)代育種技術(shù)。根據(jù)國際原子能機構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，有超過170 種不同物種的突變品種超過2500 種，藜麥作為一種古老的作物，被人們忽視了數(shù)十年，是迄今為止人為進行遺傳改良最少的作物，因此，采用誘變技術(shù)也是獲得藜麥新種質(zhì)的一種有效途徑。

2.3.1 輻射誘變育種輻射誘變育種通常是利用γ 射線、激光、離子束、空間誘變等方式對植物或者種子進行誘變，從而產(chǎn)生遺傳變異。輻射誘變育種能夠縮短育種年限，已經(jīng)成為現(xiàn)代育種技術(shù)的重要途徑之一。Gomez-Pando 等[17]利用0Gy、150Gy、250Gy、350Gy 劑量的γ 射線處理藜麥干種子，在M1 代中，隨著輻射劑量的增加，萌發(fā)過程延遲，在250Gy 和350Gy 劑量下幼苗高度、根長和葉片發(fā)育降低最多，兩種劑量的植株在分枝數(shù)、花梗長度、株高、生命周期持續(xù)時間、莖和葉色以及葉形態(tài)上均有變化，通過M2、M3 代的觀察獲得了一定的有益突變體。隨后，Gomez-Pando 等[18]用150Gy 和250Gy劑量照射藜麥LM89 品系，對存活下來的突變體進行隔離種植觀察，通過選擇正向突變體，在M6 代獲得了高產(chǎn)品系MQLM89-149、生育期縮短品系MQLM89-134、矮化品系MQLM89-155 以及高蛋白、籽粒大、低皂苷品系。目前，雖然國內(nèi)多家科研單位和企業(yè)也開展了γ 射線誘變研究和空間誘變研究，但都處在突變后代的觀察記錄時期，還沒有公開報道。以上研究表明，通過選擇合適的劑量對藜麥進行輻射誘變，在后代中是可以獲得有益的突變體，但由于輻射誘變突變的不確定性，應(yīng)該增加處理的種子量來增加獲得有益突變的概率。

2.3.2 化學(xué)誘變除了輻射誘變，化學(xué)誘變也是比較常用且效果較好的誘變方法之一。化學(xué)誘變劑對基因組的損傷小，誘變劑量容易控制，并且誘變頻率較輻射誘變高，更多的是引起分子水平上的變化，突變后代個體穩(wěn)定性好[19]。目前常用的化學(xué)誘變劑主要有甲磺酸乙酯（EMS）、疊氮化鈉（NaN3）、秋水仙素（C22H25O6N）以及亞硝酸鈉（NaNO2）等，其中EMS 誘變技術(shù)已經(jīng)作為一種有效的手段廣泛應(yīng)用于植物新品質(zhì)改良與品種選育上，并且已經(jīng)在玉米、高粱、麥類作物、大豆、谷子等作物中獲得了大量具有高產(chǎn)、矮稈、優(yōu)質(zhì)、早熟、抗病等農(nóng)藝性狀的新材料和新品種[20]。在藜麥化學(xué)誘變方面國外報道的比較少，國內(nèi)還沒有公開報道相關(guān)方面的研究，但是已有相關(guān)單位正在開展藜麥的EMS 誘變研究。日本的科研人員委托橫濱的一家公司進行藜麥誘變試驗并獲得了大約2000 個誘變種子，在M3 代觀察到了下胚軸色素沉著的突變體，但是沒有公開具體的誘變條件[21]。Tropa-Castillo[22]利用1%和2%的甲基磺酸乙酯（EMS）處理藜麥品種Regalona-Baer 超過8h，獲得了抗咪唑啉酮和不同植株高度的高代材料。Arias-Montero[23]利用化學(xué)誘變劑疊氮化鈉（NaN3）對藜麥品種La Molina 89（LM 89）在室溫下處理30min，獲得了皂苷和蛋白質(zhì)含量都增高的突變體類型。

2.4 分子育種技術(shù)傳統(tǒng)的植物育種主要是依賴于育種家依據(jù)經(jīng)驗對植物表型的選擇，由于植物表型受多種外界因素的影響，育種效率比較低，周期長。近年來，隨著分子生物學(xué)和基因組學(xué)的發(fā)展，由于具有快速、準(zhǔn)確、不受環(huán)境條件干擾的優(yōu)點，分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）和全基因組選擇（GS）逐漸應(yīng)用到植物育種上來[24]。藜麥有著5000～7000 多年的種植歷史，也是所知唯一純自然繁育很少被人為干擾遺傳信息的稀有安全農(nóng)作物物種，近年隨著藜麥在全球范圍內(nèi)的快速發(fā)展，受到的關(guān)注也越來越多，傳統(tǒng)育種已經(jīng)無法滿足產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，分子育種技術(shù)被提上日程。2004 年，Maughan 等[25]最早對藜麥開展了遺傳連鎖圖譜構(gòu)建，利用秘魯沿海生態(tài)類型的藜麥材料Ku-2（♀）和智利高原生態(tài)類型藜麥材料0654（♂）及其后代80 個F2植株作為作圖群體，該圖譜由230 個擴增長度多態(tài)性（AFLP）、19 個簡單重復(fù)序列（SSR）和6 個隨機擴增的多態(tài)性DNA 標(biāo)記組成，向藜麥抗性農(nóng)藝性狀的遺傳鑒定和下一步的分子輔助育種（MAS）研究邁出了重要一步。2005 年，Vargas 等[26]從3 個微衛(wèi)星（CA、ATT、ATG）富集的文庫獲得1276 個克隆，其中457（36%）個克隆含有獨特的微衛(wèi)星序列，通過對來自南美洲主要種植區(qū)的31 個藜麥栽培種和1 個單一種類（C.berlandieri Moq）進行驗證發(fā)現(xiàn)：280（52%）個微衛(wèi)星標(biāo)記在藜麥種質(zhì)中是多態(tài)的，67 個微衛(wèi)星標(biāo)記（32%）是高度多態(tài)性的（H 0.70），這些微衛(wèi)星標(biāo)記可以用來進行藜麥種質(zhì)資源鑒定、性狀作圖和標(biāo)記輔助育種。2008 年，Jarvis 等[27]開發(fā)了216 個新的藜麥SSR 標(biāo)記并構(gòu)建了第1 個以SSR 標(biāo)記為基礎(chǔ)的藜麥遺傳連鎖圖譜。2014 年，Raney 等[28]對藜麥品種Ingapirca（山谷生態(tài)型）和Ollague（高原Salares 生態(tài)型）進行水脅迫處理，生理指標(biāo)檢測表明Ollague 比Ingapirca 對水分脅迫的耐受性更強；Illumina Hi-Seq 技術(shù)對處理樣品的根組織進行RNA-seq 測序并對數(shù)據(jù)差異分析獲得了包括響應(yīng)于水脅迫的根組織差異表達在內(nèi)的27 個基因產(chǎn)物，BLAST 搜索和基因本體分析表明該干旱脅迫機制與其他非生物脅迫機制存在重疊。2016 年，Yasui等[29]使用Illumina Hi-Seq2500 的短讀取和PacBio RSII 的長讀取生成了藜麥基因組的匯編草稿，組裝成藜麥基因組，大小為1.087Gb（>25% missing）；該項研究為藜麥?zhǔn)讉€基因組草圖，通過NCBI NR數(shù)據(jù)庫的BLAST 分析注釋了62512 個蛋白編碼區(qū)（CDS）的 功 能。2017 年，Jarvis 等[30]采 用PacBio三代測序、Bionano 光學(xué)圖譜、Hi-C 技術(shù)對藜麥A 基因組二倍體C.pallidicaule 和B 基因組二倍體C.suecicum 進行了測序、組裝和注釋，結(jié)合遺傳圖譜組裝的高質(zhì)量染色體級別的藜麥參考基因組序列大小為1.39Gb（4.56% missing），并獲得了2668694個藜麥特異的SNP，找到了可以調(diào)控藜麥皂苷含量的基因。隨后，Zou 等[31]采用第二代、第三代測序技術(shù)（HiSeq2500、Illumina、PacBio）對來自玻利維亞的藜麥品種real 進行測序，對測序結(jié)果數(shù)據(jù)進行混合拼裝獲得了總長度為1.34Gb 的藜麥基因組序列，通過注釋獲得54438 個蛋白質(zhì)編碼基因，192 個微RNA（miRNA）基因，1310 個核糖體RNA（rRNA）基因，2934 個轉(zhuǎn)移RNA（tRNA）基因和5922 個小核RNA（snRNA）基因；同時解釋了藜麥高營養(yǎng)和耐鹽的分子機制。Zhang 等[32]對11 份藜麥材料進行了重測序研究，共開發(fā)441022 個SNP 標(biāo)記和842783 個InDel 標(biāo)記，基于組裝數(shù)據(jù)，對藜麥的二態(tài)InDel 標(biāo)記預(yù)測和驗證，這些InDel 標(biāo)記可以用于異源四倍體藜麥的精確基因分型，同時使用這些標(biāo)記可以將129 份藜麥聚合為兩個主要的藜麥群，即安第斯高原類型和智利沿海類型。安第斯高原型進一步分類為北部高地組和南部高地亞組。Maughan等[33]利用113 份藜麥材料通過KASP 技術(shù)開發(fā)了511 個與藜麥密切相關(guān)的功能性SNP 分子標(biāo)記，其中包括與藜麥霜霉病抗性相關(guān)的SNP 分子標(biāo)記。

3 展望

藜麥雖然有數(shù)千年的種植歷史，但是其相關(guān)研究的開展時間卻不長。隨著在全球范圍的研究熱度持續(xù)攀升，藜麥研究相關(guān)數(shù)據(jù)正在豐富，育種技術(shù)也在快速前進，獲得低皂苷含量、籽粒大、產(chǎn)量高、抗性強的材料是目前主要的育種目標(biāo)，今后可以通過以下技術(shù)來攻克藜麥育種技術(shù)瓶頸。

3.1 單倍體育種技術(shù)單倍體育種能夠使植株快速純合，使隱性基因表達，并且在形成單倍體過程中能夠產(chǎn)生新的性狀，創(chuàng)新種質(zhì)資源，通過加倍后獲得新的品系。由于藜麥種質(zhì)資源極其豐富且其雜合度比較高，后代分離純化代數(shù)較多，育種周期比較長，因此開展藜麥花藥培養(yǎng)獲得單倍體后通過秋水仙素對其進行加倍，能夠快速獲得優(yōu)良藜麥材料的純合資源，通過在不同的生態(tài)類型進行篩選和生態(tài)適應(yīng)性研究，即可快速獲得優(yōu)良的藜麥材料，可以大大節(jié)省純化時間，加速藜麥育種進程。但由于目前沒有藜麥花藥培養(yǎng)培養(yǎng)基成分以及加倍技術(shù)等相關(guān)參考文獻數(shù)據(jù)，需要科研工作者根據(jù)其特性進行摸索研究，這也是開展藜麥花藥培養(yǎng)的一大難題。

3.2 EMS 誘變技術(shù)EMS 是一種常用的化學(xué)誘變劑，能誘發(fā)產(chǎn)生高頻率的基因和染色體突變，是目前最為有效的植物化學(xué)誘變技術(shù)方法之一，在小麥、玉米、谷子、高粱、馬鈴薯等作物中獲得較多的新品種。藜麥作為一種雜糧作物，目前報道的利用化學(xué)誘變劑進行誘變的較少，國內(nèi)目前還沒有正式報道，但已經(jīng)有多家單位正在開展相關(guān)誘變研究，后代突變體也正在觀察中。由于藜麥抗逆性強，白、黑、紅等不同顏色的材料對EMS 誘變的響應(yīng)可能不同，在進行誘變時需要針對不同的材料進行專門的誘變研究，獲得最佳的誘變濃度。

3.3 高通量測序和基因編輯技術(shù)近幾年，高通量測序技術(shù)和基因編輯技術(shù)發(fā)展比較迅速，能夠提高作物育種的效率和精準(zhǔn)度。高通量測序技術(shù)在藜麥中已經(jīng)開始進行初步的研究，但是基因編輯技術(shù)在藜麥育種中還未見報道，由于基因編輯能夠定向獲得所需要的目標(biāo)性狀，具有精準(zhǔn)和高效的特點，所以可以作為藜麥精準(zhǔn)育種的發(fā)展方向之一。但是基因編輯技術(shù)需要建立穩(wěn)定的遺傳轉(zhuǎn)化體系，藜麥作為小眾作物且為大家熟知的時間較短，還沒有建立起穩(wěn)定的遺傳轉(zhuǎn)化體系。因此，構(gòu)建高效、穩(wěn)定的藜麥遺傳轉(zhuǎn)化體系是開展基因編輯技術(shù)的前提。