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中国杓兰亚科植物的生态适应及繁殖生物学研究——中国科学院昆明植物研究所胡虹课题组成果

2017-03-21

杓兰亚科(Cypripedioideae)是世界著名的观赏植物和云南颇具市场前景的野生观赏植物之一,包含杓兰属(Cypripedium)、兜兰属(Paphiopedilum)、美洲兜兰属(Phragmipedilum)、墨西哥兜兰属(Mexipedium)和碗兰属(Selenipedium)五个属,其中后三个属分布于中、南美洲。中国只产杓兰属和兜兰属,在云南地区物种尤为丰富。在地理分布上,杓兰属分布于北半球的温带及亚热带高山地区,兜兰属主产于亚洲至太平洋岛屿的热带和亚热带地区。在小生境方面,兜兰属为常绿植物,大部分种类生于树上或岩缝中;杓兰属所有种类都生长在较深厚的土壤里,冬季落叶休眠。这些暗示着兜兰属和杓兰属植物所能利用的资源和环境适应存在明显差异。

由于杓兰亚科植物的人工繁育和栽培较为困难,从原生地采集野生种群是满足市场需求的主要途径,这也导致近年来该植物类群的种质资源遭到了严重破坏,因此及时保护并合理开发这一珍稀资源尤为重要。中国科学院昆明植物研究所胡虹研究员和张石宝研究员多年来致力于解决兰科植物的品种选育及产业化开发等应用基础问题,杓兰属和兜兰属植物是课题组重点研究的类群。经过十余年的工作积累,已对上述两属植物的种质资源收集评价、品种选育、种子萌发及组织培养、生理生态学特性、与共生菌根的关系及开花生理等多个方面有了较全面系统的认识。相关研究成果阐释了中国杓兰亚科植物的生态适应和繁殖生物学表现以及影响这些表现的生物、非生物因素,为资源的保护与利用提供了科学依据。课题在兜兰的新品种选育及产业化方面取得了实质性突破,具备了产业化推广的基础,兜兰新品种已经向企业进行了成果转化。在课题的推动下,兜兰研究被列入国家科技支撑计划项目“云南特色花卉高效生产技术集成创新与示范”。“兜兰的新品种选育及产业化开发”成果获2016年云南省农业科技创新成果转化暨招商大会“优秀成果奖”。

一、主要研究成果

1.兜兰属和杓兰属植物具有明显分异的环境需求和适应策略。与杓兰属相比,兜兰属植物对光强和氮的需求更低、耐旱性更强,但对零上低温更敏感,资源利用策略更保守。两属植物的叶片功能性状及生理行为受系统发育和环境的共同影响。这些结果为杓兰亚科植物的栽培奠定了理论基础。

2.杓兰亚科植物与共生真菌关系中存在“优势共生真菌”。该亚科植物的菌根真菌为胶膜菌科真菌,专一性强。每种兜兰或杓兰都有一种或两种优势菌根菌,同一生境中的不同杓兰或兜兰会有相同的菌根菌,但优势菌不同。植物决定了优势菌的种类,环境的影响次之。一些分离到的共生真菌能促进幼苗的矿质营养吸收和生长。

3.揭示了兜兰属和杓兰属植物为适应不同生境而形成的各异的花芽发育规律。黄花杓兰成年植株由芽形成到开花需年,第1年6—7月产生的小芽要到第3年5—6月才能开花。杏黄兜兰由芽形成到开花仅需10个月,5月产生的小芽于次年3—4月开花。

4.阐明了杓兰亚科植物的繁殖策略以及种子发育与萌发的关系。兜兰属和杓兰属植物均存在繁殖阈值和繁殖补偿,种子萌发具有窗口期。

二、新品种选育及规模化栽培

课题组建立了专类种质资源圃,多年来收集了杓兰属、兜兰属、兰属(Cymbidium)、石斛属(Dendrobium)和独蒜兰属(Pleione)等各类兰科植物百余种,其中收集有国内外的兜兰属植物50余种。通过人工杂交选育,登记注册兜兰新品种5个(滇原. 金玉良缘;滇原. 粉玲珑;滇原. 夜光杯;滇原. 玉女;滇原. 金童 ),铁皮石斛新品种1个(昆植1号)。获得国家发明专利“调节硬叶兜兰花期的方法”(专利号:ZL201110129170.6)、“调控杏黄兜兰开花期的方法”(专利号:ZL200910094804.1)、“调控杏黄兜兰生长繁殖的方法”(专利号:ZL201010211608.0)、“杏黄兜兰的繁殖方法”(专利号:ZL201210118941.6)、“一种促进铁皮石斛光合作用和多糖积累的方法”(专利号:ZL201010278074.3)、“黄花杓兰种子制备与快速筛选方法”(专利号:ZL200410040180.2)”。其中“黄花杓兰种子制备与快速筛选方法”于2011年实现了技术转让。

兜兰种子细小,无胚乳,主要通过种子无菌萌发繁殖。目前课题组已掌握了20余种兜兰种子无菌萌发技术,其中杏黄兜兰、硬叶兜兰、紫纹兜兰等8种已形成产业化种苗繁育技术体系,年生产能力可达20万株。

课题组已掌握兜兰和石斛的人工栽培技术,并开展了规模化栽培中试。在环境适应性和菌根真菌研究的基础上,优化了栽培基质和种植技术。在云南普洱建立了石斛选育及种植实验基地,突破了铁皮石斛种子无菌萌发及无性系种苗繁育技术,形成年产铁皮石斛优质种苗100万株的生产能力;成功培育出多糖含量高、纤维含量低、杆红、商品性好的铁皮石斛优良新品种“昆植1号”。2016年1月,基地成功通过了南京国环有机产品认证中心的有机认证,成为云南省为数不多的几家能生产有机铁皮石斛的生产基地,所形成的关键技术将为铁皮石斛的有机种植提供技术示范和支撑。

在花发育及开花生理研究的基础上,形成了兜兰的花期调控技术,杏黄兜兰(金童)、硬叶兜兰(玉女)等品种已实现春节、元旦批量开花,从而形成了完整的商业生产与销售模式,即种苗栽培(普洱)-花芽诱导-消费地开花或者电商销售。

 三、成果转化情况

目前,兜兰新品种已经向企业进行了实质性成果转化。“滇原·夜光杯”等3个兜兰新品种向思茅区五彩花木种植专业合作社进行了转化;与黔西南绿缘动植物科技开发有限公司合作,开展了兜兰的产业化生产,昆明植物所负责新品种、种苗繁育、开花调控及栽培技术的研发与集成,企业提供场地和资金进行产品和技术的放大中试,并开拓消费市场。

专家简介

胡虹,女,中国科学院昆明植物研究所研究员、博士生导师。中国植物学会兰花分会副理事长。1982年本科毕业于云南大学生物系,之后进入中国科学院昆明植物研究所工作,1990—1991年在法国国家科学中心工作进修植物分子生物学,1995年在中国科技大学获硕士学位。主要从事植物生理生态及资源植物的保护开发研究。2002年和2007年获云南省有突出贡献专家荣誉,2010年获得“国家西部大开发突出贡献个人”荣誉称号,2014年获得云南省“五一劳动奖章”。

张石宝,中国科学院昆明植物研究所研究员、博士生导师。《植物科学学报》《植物分类与资源学报》编委。1990年7月毕业后进入中科院昆明植物研究所工作,1999年师从胡虹研究员攻读硕士学位,2002年毕业后师从周浙昆研究员攻读博士学位(2005年获博士学位),2008—2012年曾在中国科学院西双版纳热带植物园任副研究员、研究员。主要研究领域为兰科植物生物学、植物生态适应与进化。在Global Ecology and Biogeography等期刊发表论文数十篇。2011年获“中国科学院王宽诚西部学者突出贡献奖”。