yabo官网春夏之交,走进国家植物园(南园)的牡丹园,200余个品种的千余株牡丹争相开放。“唯有牡丹真国色,花开时节动京城”,提起牡丹,唐代诗人刘禹锡所作的《赏牡丹》是最脍炙人口的名篇之一。历代文人墨客也偏爱牡丹,据不完全统计,吟诵牡丹的诗词有超过3000首流传至今。牡丹是芍药科芍药属植物的典型代表,作为我国特有的民族资源植物,在观赏、药用、油用、饲用等方面都有极高的价值。中国科学院植物研究所研究员舒庆艳带领团队成员,聚焦牡丹研究近20年,培育出一批高产优质、集观赏和油用于一体的牡丹新品系。她期待通过团队建立的油用牡丹产业关键技术,持续提升牡丹种子亩产量,降低我国食用油原料的对外依赖度,“希望通过我们的努力,让大家家中的油瓶子都装满‘中国油’。”
舒庆艳的老家在河北迁西,那里漫山遍野种着板栗树。她常常回忆起,年少时骑行在上学的路上,春风拂面,大路两旁的板栗枝头染上了清新的绿意,“这个场景莫名地给了我很多力量,让我动力十足。”
1995年,高考后的舒庆艳坚定地在志愿表上填下了林学专业,并顺利走进了西北林学院(现为西北农林科技大学)的校园。除了在课堂上学习栽培嫁接、土壤学、气象学等基础知识,作为林学专业的学生,每年长达40天左右的野外学习也是雷打不动。“学习林学最重要的就是认植物,每种植物都长着一张不一样的脸。”舒庆艳回忆起上学时走进秦岭大山的经历——天刚拂晓,老师就带着学生们一起穿越原始山林,有时一天要在山中徒步走上十几公里。
背上几个馒头,就是一天的口粮。现成的路自然是没有的,不仅要披荆斩棘,还少不了“连滚带爬”,同时还得妥善保护好采集到的植物样本。下山的路更难走,大家干脆放低重心滑下去,带着满身的泥泞回到住处,他们还要挑灯夜战,及时整理好植物标本,一天的工作才算结束。但比起野外工作的苦,舒庆艳更多记起的还是其中的甜,“现在我还能想起当时在山间采到的悬钩子,这是一种树莓,味道酸酸甜甜的。”
从本科到博士,经过十年求学路,舒庆艳成了中国科学院植物研究所的一员。也是从这时起,她与牡丹的故事开始书写。
在牡丹科研领域,研究人员常与蜜蜂作伴,舒庆艳也把自己和团队成员比作田间的“小蜜蜂”,“只要牡丹花一开,我们这些‘小蜜蜂’就要从实验室转战田间。”每年,舒庆艳团队都要依据牡丹的花期,从南到北走上一趟,哪里有盛开的牡丹花,哪里就有她们工作的身影。
一年时间里,半年在野外,是植物研究工作者的常态。河南洛阳、山东菏泽等全国很多地方都以牡丹栽培而闻名,也几乎是舒庆艳每年必去的研究点位。牡丹的花期并不长,一场风雨就可能催得花落,她和团队成员必须与时间、与气候赛跑。“一出野外就是从早忙到晚,只要天没有彻底黑下来,就得在地里测数据、做杂交。”舒庆艳把她的科研工作概括为“数数”,除了常规的为植株“量身高”等生长性状外,每朵花的数百片花瓣、数百根花蕊,以及心皮数、胚珠数等数据都要一一数清、记录。
连续多年,舒庆艳团队围绕300多个牡丹品种的27个性状开展了持续调查。这些数据如同蜜蜂采集花粉回巢,由团队成员从田间带回实验室,成了酿出科研成果的“蜜源”。
作为我国十大传统名花之一,牡丹素有“国色天香、花中之王”的美称。春夏之交正是牡丹盛放的季节,国家植物园(南园)牡丹园每年都会在此时举办牡丹科技文化展等活动。园内的200余个牡丹品种,是历经三代科研工作者努力收集培育而成的。
“我们植物所的洪德元院士,从上世纪80年代就开始研究芍药科芍药属植物的分类,牡丹就是芍药属的重要部分。”在牡丹园内的科普展示中心,讲起科研前辈的故事,舒庆艳的语气中带着敬意。野生的牡丹、芍药分布地往往在高海拔地区,环境比较凶险。“但是,‘有牡丹芍药的地方就有洪德元’,他专注于芍药科芍药属植物的分类研究。芍药科芍药属的34个野生种,33个他都实地考察过,并确认牡丹的9个野生种全部在中国。”
园外不远处,就是舒庆艳团队建起的一片牡丹资源圃,苗圃内的400多株牡丹正在绽放。它们是团队历经10年培育而成的,前后经历过水灾、移栽等多次坎坷,终于“落户”北京。
“每株牡丹我们都要拍照,测量株高、叶片、花瓣等数据,用仪器记录花色,为它们建档立卡。”舒庆艳的研究生孔凡、吴尚蔚整天都在田里忙碌,“这两天正是花期,我们测量的速度都快赶不上花开的速度了,今天已经测了30多株。”舒庆艳也和学生们一起忙碌着,干劲儿满满。
这样的场景每年都会出现。一次,在甘肃的野外调查结束后,研究团队回到住处,当地人为她们端上了牡丹花苞腌制的咸菜,“可能是因为我们又累又饿吧,觉得那盘小菜太好吃了,这么多年都忘不了。”在田间,她们也会一饱口福,一些品种的牡丹花瓣入口清甜,用清水一煮就能食用;用牡丹花瓣和面,再用油一煎,就是一道别具风味的小吃。
在我国,牡丹的培育和应用历史长达2000余年。从颜色上看,牡丹分为紫色、红色、白色等9大色系,形态则分为单瓣、半重瓣和重瓣,若再加入株高、香气、叶片等特征,品种就更为多样。
然而,要通过常规的杂交手段选育一个牡丹品种,至少需要花上10年工夫。牡丹的生长特征与大部分植物不同,它要在秋天播种,整整一个冬天,种子就藏在地下扎根。“地面上啥也看不到,即使到了开春,天气转暖,也只是很羞涩地冒个头,之后的一整年就只长几厘米高。”舒庆艳细数牡丹的习性,虽然茎叶长得慢,地下的根系却铆足了劲生长。如此反复三五年,一株牡丹才算成年,开始开花、结果。这时,科研工作者开始采收它的种子,开展繁殖或育种工作,几代后性状稳定,才能进入植物新品种的申请程序。
漫长的育种过程充满了不确定性。几年前,舒庆艳团队在甘肃基地开展杂交实验,因特殊原因没能及时收获种子。基地工作人员虽答应代为收集,但由于不了解实验情况,撕掉了种苗上记录父本、母本和杂交时间等情况的袋子。“最终由于记录缺失,外加气候因素影响,这批杂交的小苗存活无几。意外情况总是会有的,这些艰辛也是育种过程中的必然。”
亲缘关系较远的亲本杂交后代,通常具有杂种优势,更容易产生新的性状。因此,牡丹远缘杂交品种的培育,成为研究团队重点关注的方向之一。
十几年前,在昌平的一处苗圃中,茫茫花海里盛开着一株特别的“芍药”,这引起了团队成员、中国科学院植物研究所研究员刘政安的注意。它的叶片光亮、花蕾稍尖,花瓣的根部有黑紫斑。基于丰富的育种经验,刘政安初步判断,这是一株牡丹与芍药的远缘杂交种。
在引种过程中,团队就发现其根部与芍药有着明显的差异,他们重点关照了这株特殊的“芍药”,将它的茎、叶、花、果等部位,分别与典型的牡丹、芍药品种对比——它们看起来既像,又不像。该植株兼具明显的牡丹和芍药特征,根部特征很像牡丹,但生长习性更像是芍药。因此,团队初步推断,它是牡丹与芍药的远缘杂交种,并将其命名为“和谐”。
“但要证实这个结论,我们必须找到更明确的证据。”舒庆艳说,要证实它的亲缘关系,就要从遗传物质的分子标记层面展开实验。“蓝海银波”牡丹、“粉玉奴”芍药等29个栽培品种成了对照。运用聚合酶链式反应(PCR)技术,不同品种的植株显现出各自的遗传物质“指纹”图谱,在“和谐”杂交种中,既有牡丹、芍药共有的基因位点,也有分别来自牡丹或芍药的基因位点——这就在遗传物质分子水平上证实了研究团队的猜测。
第二年春天,“和谐”在种质资源圃中茁壮生长,并成功开花。“这在我国芍药属植物育种史上是一个重要突破!”舒庆艳说,此前,国内一直没有出现过能开花的牡丹芍药组间杂交种,“和谐”的发现填补了这一空白。
“和谐”的杂种优势十分显著,它生长旺盛,病虫害少,在北京地区的花期介于牡丹和芍药之间,有较高的应用价值。自此,我国对芍药科芍药属植物的育种有了新方向,近十几年来,牡丹与芍药的国产“混血”品种越来越多。
在舒庆艳团队的试验田里,部分牡丹来自同一对“父母”,但放眼望去,田间白色、粉色、紫色的花色交杂。由于野生品种牡丹的基因高度杂合,其杂交后代变异概率很高,且方向不定。但随着前期工作的经验积累,在定向育种方面,团队已取得了初步成效。通过选择典型的父本和母本,他们能定向培育出具有特定形态、颜色、高产的子代,提高了育种效率,目前已经成功培育出10多个牡丹新品种。
“堪笑牡丹如斗大,不成一事又空枝”,在宋代诗人王溥的笔下,牡丹在花谢后只剩下空空的枝条,不如枣树能结果子、桑叶能养蚕吐丝。“大家欣赏牡丹,往往只看到它的花,但其实牡丹浑身都是宝!”舒庆艳的办公桌上摆着一个玻璃瓶,里面满满地装着不起眼的“小黑豆”,但在她的眼中,这是一瓶“金豆子”。
作为我国特有的资源植物,牡丹的根可以入药,籽可以榨油,花瓣、花粉、种子等部位也富含有益成分。早在2011年,牡丹籽油就获批成为新资源食品,走上了大众的餐桌。这瓶“小黑豆”就是牡丹的籽,它藏在一种特殊的结构中——聚合蓇葖果,它由花的心皮部位发育而成,成熟后外形像是一组小豆荚,坚硬的外皮包裹着种子。
牡丹种子的含油量可达20%以上,用其榨出的食用油中不饱和脂肪酸占比90%以上,且油酸、亚油酸、α-亚麻酸的比例能达到1∶1∶1.5的“黄金比例”。其中,具有预防心血管病、降血脂、抗炎等功效的α-亚麻酸含量超过40%,相比之下,橄榄油中仅含有0.7%的α-亚麻酸。
我国的食用油原料高度依赖进口。舒庆艳表示,牡丹作为木本植物,种子通常能连续收获超过30年;作为油料作物,它也不像大豆等作物需要与主粮争地,可以在寒冷、干旱、瘠薄的边际土地上种植,稳产后的平均亩产也远超大豆。“像林间空地、绿化区域、撂荒地等地块,牡丹都能生长,春天开花装点环境,秋天丰收提供油料,一举两得。”
不同品种的牡丹,其心皮数差异很大,从两三个到十几个不等;在一定程度上,心皮数越少,聚合蓇葖果的长度则越长,包裹的种子越多。此消彼长之下,究竟多少心皮的牡丹种子产量最高?为了解答这个问题,舒庆艳又和团队一起“数数”,广泛统计后发现,拥有7个心皮的牡丹,单株结出的种子总数最多。
选用种子产量更高的牡丹品种,搭配牡丹专用的微生物肥、授粉器、地膜等12项种植技术,这些优势全部集成在一块位于河南的试验田上。经过数年的种植照护,舒庆艳团队种植的油用牡丹在这里获得了大丰收,牡丹种子的平均亩产达到了287.7公斤,产量提升了40%以上,“最多的一株凤丹,单株就结出了800克左右的种子。”在全国多地,与果树套种的油用牡丹在集成的种植模式下,长势良好,绿叶白花相间,扮靓了黄土地;光伏板下,牡丹半喜阴的特性得到了最大发挥,地上架光伏、地面种油用牡丹,成片的牡丹花开得正艳,带动了当地经济的绿色发展。
现在,油用牡丹已经在河南、山东、江苏等多地扎根,推广种植近10万亩。由于全国不同产区的水土特点迥异,产出的牡丹种子品质自然存在差异。“地形、气候、种植技术等因素,都会影响种子的品质,要保证最终产出的牡丹籽油质量,就需要建立统一的评价标准,找到哪些生化指标对产品的影响最大。”于是,舒庆艳团队下起了笨功夫,她们跑遍了11个主要的油用牡丹产区,围绕53项品质指标进行层层筛选。
仔细剥开种皮,研磨种仁提取油脂,开展气质联用色谱检测……“那段时间,团队里的每个人睁眼闭眼,看见的都是一粒粒的牡丹种子。”舒庆艳笑道。最终,经过她们的筛选,53项指标精简到了6项——皮壳率、α-亚麻酸、粗蛋白、总酚、含水量、维生素E,一套完整的牡丹种子品质评价标准建立起来。“现在,人们只需要检测这6项关键指标,即可判断牡丹种子的质量优劣,简单快捷。”
围绕牡丹籽油中关键的产物α-亚麻酸,舒庆艳团队找到了牡丹体内促进该产物合成的关键基因ABI5-FAD3模块,阐明了合成调控机理。她们还与天津大学科研团队合作,采用熔融结晶法开展分离提纯,通过一系列的加工,单次就能结晶出50%至70%含量的α-亚麻酸产品。目前,该项目已经完成了工业化中试。
育成高产、优质、高抗的牡丹新品种,是舒庆艳近20年来围绕牡丹深耕的不变目标。培育花油兼用品种,种出七彩高产牡丹田;研究牡丹果实发育的分子机理,缩短育种周期;建立更全面的芍药科芍药属植物种质资源圃……舒庆艳说,她和团队将继续发掘牡丹的价值,努力建立牡丹繁育和栽培技术体系。“科学研究最终都是要面向国家和产业的需求,在牡丹研究领域,仍有许多技术难题等待去攻克,我和团队将继续努力,将科研成果写在祖国大地上。”