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花卉所解玮佳“基于叶片经济学的杜鹃耐热机理研究”培训项目工作总结
发布:解玮佳   发布时间:2020-08-04   浏览次数:66    

“基于叶片经济学的杜鹃耐热机理研究”培训项目工作总结


1培训项目简介

培训项目名称:基于叶片经济学的杜鹃耐热机理研究(P192039001)

培训人员:解玮佳1人

培训国家:美国

培训单位:美国霍顿植物园/凯斯西储大学

霍顿植物园(Holden Arboretum)是美国杜鹃花收集及研究的重要机构,亦是美国杜鹃花协会的组织单位。2015年起,霍顿植物园启动了“杜鹃花育种计划”项目,将国际杜鹃花育种研究机构和专家联接在一起,共同开展杜鹃花的育种研究工作。霍顿植物园的Juliana Medeiros博士是国际杜鹃花研究专家,在杜鹃花叶片经济学谱研究上取得了一系列重要进展,已在权威期刊上发表研究论文多篇。

凯斯西储大学(Case Western Reserve University)是一所以独立研究闻名的顶级私立大学,美国一级国家级大学,同时也是美国大学协会的62所顶尖研究型大学中较早期的成员之一,在北美乃至世界范围都享有相当高的名望。凯斯西储大学生物学院的Jean H. Burns教授在植物生态功能研究上颇有造诣,善于数据的高级统计分析,在权威期刊上发表研究论文多篇。

项目计划起止时间:2019年11月19日-2020年11月17日(365天)

项目实际执行时间:2019年11月19日-2020年7月9日(234天)

二、培训内容

杜鹃花是世界著名的园林花卉,云南是杜鹃花属植物的主要分布和分化中心之一,资源极为丰富。但是,耐热性差已成为限制杜鹃,特别是高山杜鹃推广应用的重要因素。培训将针对杜鹃花叶片形态学指标构建与热胁迫环境相关模型方面进行科研技能培训,邀请方美国霍顿植物园/凯斯西储大学在杜鹃花叶相经济学谱研究方面处于全球领先水平,经验丰富。开展此次培训将在开展杜鹃花叶片经济学方面研究的同时开拓与国际同行专家的合作关系,一方面提升个人科研能力,一方面为后期国内相关研究提供技术支持和搭建起合作的桥梁,促进国内杜鹃自主耐热品种的选育及市场推广应用。

三、培训执行情况

本人自2019年11月19日如期达到美国,开始执行培训任务。2019年11月-2020年3月,主要开展了14种杜鹃种质离体叶片的冬季耐热性评价工作;2020年3月初,开始进行34种杜鹃种质的花器官耐热性评价工作。但是,自3月起,美国新型冠状病毒疫情日益严重,俄亥俄州从2020年3月9日起全州停工停学,霍顿植物园关闭停业,考虑到因新冠肺炎疫情对项目研究的实际影响以及个人身体健康的安全保障,本人于3月23日提出提前结束培训项目并回国的申请,并计划于4月8日乘坐南航CZ0328回国。然而,中国民航局从3月29日开始实施的“一家航空公司一个国家一条航线一周一班”的‘五个一’国际航班政策,致使原计划乘坐的航班被取消,同时也导致了回国机票异常难购。4月8日,本人购买到7月8日东航MU588自纽约至上海的机票(当时能买到的最早航班)。7月9日,本人按期顺利回国。根据以上实际情况,本人实际培训时间为2019年11月19日-2020年7月9日,共234天。

培训期间,本人主要进行了以下几个方面的工作,具体如下:

1、开展杜鹃花资源耐热性评价研究工作,获得杜鹃花叶片经济学研究相关技术。

杜鹃花是一种受欢迎的观赏植物,以其耐寒性而闻名,但是随着人为气候变化使全球温度升高,耐热性提高已成为杜鹃花育种者的重要目标。通常,无鳞杜鹃具有较大叶片,其芽的最低生存温度是-1,而有鳞杜鹃具有较小叶片,其芽的最低生存温度是1℃。叶片经济学理论表明,SLA(比叶面积)较低的叶片应比SLA较高的叶片具有更高的抗逆性,但在杜鹃上未做相关研究。为了解两种杜鹃叶片的耐热性区别,项目选择了14种杜鹃花种质(如图1),计划研究其秋季和夏季条件下的叶片热响应。截止项目完成前,完成了14种杜鹃花种质的秋季叶片热响应和比叶面积数据调查。从热处理后离体叶片相对电导率的测定结果看,具有较高SLA的物种在38 热处理后确实具有较高的REC损失百分比;在48°C,与SLA总体上呈正相关;从现有研究结果看,大白杜鹃(R. decorum)和牧野杜鹃(R. makinoi)具有最耐热的叶片。

图1. 1. 实验大棚;2. 实验材料采集;3. 部分种质的叶片;4. 相对电导率测定实验;

由于疫情,很遗憾无法按计划完成研究中的夏季实验部分。但是,利用比叶片面积和相对电导率测定进行耐热性评价的技术方法,对于今后杜鹃花杂交后代的抗热性确实是个很好的思路。

2、了解美国霍顿植物园的高山杜鹃抗热抗病育种工作,获得相关育种思路与方法。

培训期间,对美国霍顿植物园的高山杜鹃育种技术,特别是抗热抗病育种技术有了深入的了解。美国霍顿树木园的高山杜鹃杂交种子采用现采现播,其播种育苗工作一般于每年9~10月在位于柯特兰的霍顿树木园研究中心的温室内进行(图2-1,2),到翌年的4~5月再将杂交种苗移至大卫·林奇研究站。大卫·林奇研究站内的高山杜鹃育种区域大致分为1~2年生种苗的温室培育区(图2-3)、2~3年生种苗的露天苗床种植区(图2-4)、3年生及以上种苗的地栽评选区(图2-5)以及优良植株展示区(图2-6),其中地栽区再根据杂交年份或筛选目的(比如抗病性)等条件而划分出不同区域。

图2. 1. 杂交种子播种;2. 幼苗移栽;3. 1~2年生种苗培育; 4. 2~3年生种苗露天苗床区;5. 3年生以上种苗地栽评选区;6. 优良植株展示区。

结合美国杜鹃花的市场需求,美国霍顿植物园的高山杜鹃育种目标主要集中在耐寒、抗热、耐碱和抗病等抗性育种上,以改善高山杜鹃的景观庭院适应性。近20年来,霍顿树木园重点开展高山杜鹃的抗热和抗根腐病育种。疫霉菌(Pytophthora cinnamomi)是杜鹃花根腐病的主要病原菌。通过攻击感病植株的根系,土传性的疫霉菌破坏根和芽之间输送水和养分的微管系统,继而导致病株顶梢突然出现不可逆枯萎。为了提高高山杜鹃对根腐病的抗性,从2005年开始,南湖杜鹃(Rhododendron hyperythrum)这个原产台湾的杜鹃花物种被引入了霍顿树木园的高山杜鹃育种计划,希望将南湖杜鹃的耐热性和抗病性导入高山杜鹃的新杂交种中,以期打开美国高山杜鹃的南方市场(气温偏高),改变目前高山杜鹃仅限于美国北部较凉爽的气候带种植的现状。2019年,霍顿植物园终于从中选育出了耐热抗病的新品种‘辉煌’(R. Splendor™)。

图3. 1. 与外导Juliana S. Medeiros合影;2. 杂交后代耐寒性评价;3. 与杜鹃育种组负责人Corner一起检测嫁接扦插情况;4. 与杜鹃育种组技术王晶一起做田间评价;4. 杂交后代株系的抗病性评价;5. 杂交后代开花性状评价。

从美国霍顿树木园的高山杜鹃育种工作来看,其高山杜鹃的育种工作已历时七十余年,可谓厚积薄发。而国内的高山杜鹃育种工作不过短短二三十年时间,且欠缺延续性。要想我国的高山杜鹃育种工作有所突破,无疑需要几代人前赴后继地努力坚持。再者,学习植物园的高山杜鹃抗热、抗病育种,深刻认识高山杜鹃的育种特点,早日确定育种目标,做到有的放矢颇为关键。此次,特异资源评价在育种中具有重要价值,国内野生杜鹃花资源丰富,但对其园艺特性的了解还有待深入。最后,现有国内引种的欧美品种大多具有强耐寒性而缺乏抗热性,较难适应我国大部分地区的夏季高温天气,而这也是限制我国高山杜鹃推广应用的主要问题。为此,在今后的高山杜鹃育种中,可将抗热育种作为我国高山杜鹃的一个重点育种目标来开展工作。相关结果撰写了考察报告《美国霍顿树木园高山杜鹃抗性育种研究》(中国花卉园艺,2020年第14期,p30-31);

3、了解美国的杜鹃花产业发展情况,把握世界产业发展脉搏。

了解美国杜鹃花产业情况可以为今后我国的杜鹃花产业提供借鉴,因此,通过收集相关数据,对美国的杜鹃花产业进行了分析。从美国的各州看,涉及杜鹃花和高山杜鹃经营的州共有36个,其中,涉及杜鹃花经营的州有35个,涉及高山杜鹃经营的州有24个。位列杜鹃花经营额前三的州分别为阿拉巴马州、佛罗里达州和北卡罗来纳州,而位列高山杜鹃经营额前三的州则分别为康涅狄格州、俄勒冈州和新泽西州。总体来看,美国的杜鹃花消费区集中在阿拉巴马州、康乃狄各州、俄勒冈州、佛罗里达州和北卡罗来纳5个州。同时,将美国11个州在2009年和2014年的杜鹃花营业额进行比较后发现,除了纽约州、俄勒冈州这2个州的营业额有大幅减少以外,其他9个州的营业额均为大幅增加。从数据分析结果来看,美国的杜鹃花产业处于快速发展的态势,并形成以阿拉巴马州和佛罗里达州为中心的杜鹃花消费区和以康涅狄格州和俄勒冈州为中心的高山杜鹃消费区。相关研究结果完成了科技报道《国际杜鹃花产业发展形势浅析—以美国、德国和比利时三国为例》(中国花卉园艺,2020年第6期,p14-16)。

四、项目成果

1、撰写并发表调查报告2篇,将本次培训结果进行了推广介绍,以期促进我国的杜鹃花产业发展;

《国际杜鹃花产业发展形势浅析—以美国、德国和比利时三国为例》(中国花卉园艺,2020年第6期,p14-16);

《美国霍顿树木园高山杜鹃抗性育种研究》(中国花卉园艺,2020年第14期,p30-31);

2、完成1篇科技论文《Effects of ancestry and leaf economics on heat tolerance of Rhododendron》初稿,后续还需要和培训方进行沟通、补充完成;

3、获得杜鹃花种质资源相关专著《The Encyclopedia of Rhododendron species》,对今后杜鹃花育种工作具有很好参考价值;

4、与美国杜鹃花研究团队建立了联系,具体人员信息如下:

Juliana Medeiros 生物学家,霍顿植物园,生理组负责人,电话:+01 440 602 3819, 邮箱:jmedeiros@holdenfg.org

Jean H. Burns教授,凯斯西储大学生物学院,电话:+01 216-368-4288, 邮箱:jbm122@case.edu

Connor Ryan 霍顿植物园,杜鹃育种组负责人,电话:228.344. 8298, 邮箱: cryan@holdenfg.org

5体会

1双方研究和开发水平比较

霍顿植物园杜鹃花育种工作已有70余年的历史,历时2代人,在研究和育种技术上居世界前列,特别是在抗疫霉病育种技术上,其定向育种的目标明确,技术精湛。相比之下,本所杜鹃花育种工作处于起始阶段,至今仅有10余年,仍处于育种技术积累阶段。今后在育种技术和思路上,可以多参考借鉴霍顿植物园的研究工作。

2管理体制、运行机制

霍顿植物园的管理运行体制为岗位负责制,依岗设人。各科室的人员组成为1名研究员加1名实验技术员,研究工作主要靠志愿者(退休老人,年纪多在60以上)和实习生(博士、硕士和本科生,少数高中生)完成。科研经费按研究人员数量分拨,基本保证了研究工作的持续性。实行年度考核制,1名研究员1年1篇科技论文(无影响因子限制),外加其他的社会工作。

霍顿植物园科研经费的分拨方式有效保证了科研工作的持续性,值得借鉴。另外,我国现已为老龄化社会,志愿者协助研究的方式或许可以参考借鉴。

3进一步合作领域及建议

霍顿植物园的杜鹃花育种工作历史久远,在抗性育种上技术领先,同时拥有众多的杜鹃花新品种,未来可以考虑申请技术、新品种引进和推广方面的科技合作。同时,霍顿植物园是美国杜鹃花协会杜鹃花研究国际基金项目的负责机构,未来或许可以尝试合作申请杜鹃花研究项目。

目前,与和外导Juliana S. Medeiros博士达成了进一步开展科技合作的共识,计划待疫情过去,Juliana S. Medeiros博士拟来本所合作开展研究工作。

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