朱根发，杨凤玺，吕复兵，李 佐，陈和明，高 洁，肖文芳，任 锐，魏永路，金建鹏，陆楚桥

（广东省农业科学院环境园艺研究所/广东省园林花卉种质创新综合利用重点实验室，广东 广州 510640）

兰花是兰科植物的总称，有5个亚科801属28 237种，是单子叶植物第一大科［1］，约占所有种子植物种类的10%。兰花花形奇特，属种差异大，花色丰富，不少兰花散发出沁人的幽香，深受世界各国人民喜爱。兰属（Cymbidium）小花型地生种，俗称国兰，在我国有悠久的栽培历史，是世界上最早栽培的兰花［2］。经过近150多年的研究和推广，已发展形成了7大商品化的兰花，除兰属外，这些商品化的兰花品种还包括蝴蝶兰属（Phalaenopsis）、石斛兰属（Dendrobium）、卡特兰属（Cattleya）、兜兰属（Paphiopedilum）、文心兰属（Oncidium）和万代兰属（Vanda）。随着全球兰花市场的繁荣和出口贸易的发展，对于兰花育种技术的突破以及产业化升级的需求不断增加。从品种到产业，其中涉及多方面的技术集成。兰花资源的收集、保存和鉴评是育种的基础和前提，兰花资源的保存技术研究主要包括活体保存、离体保存和花粉贮藏保存，几种保存方式互相补充、结合，以达到有效保护种质资源的目的。目前我国兰花品种的选育仍以传统育种方式为主，主要包括选择育种（野生资源驯化筛选）、杂交育种等，但鉴于传统育种存在的育种年限长、工作量大等实际问题，伴随着技术革新，出现了更多的育种方法，例如倍性育种法、体细胞无性系变异法，尤其是近几年依托遗传多样性和亲缘关系、功能基因分离和验证以及遗传连锁图谱的构建等研究形成的兰花分子育种方法，为兰花育种提供了更多可能。在现代分子育种技术迅速发展的同时，与之相应的新品种种苗高效繁育、设施栽培与标准化管理、花期精准调控以及病虫害防控等产业化配套技术的研发与应用成效显著。

1 兰花研究文献

通过主题和关键词Orchid（兰花）、Cymbidium（兰属）、Phalaenopsis（蝴蝶兰）、Dendrobium（石斛兰）、Paphiopedilum（兜兰）、Cattleya（卡特兰）、Oncidium（文心兰）和Vanda（万代兰）在中国知网总库进行检索，共获相关文献12 355篇，其中中文期刊占49.5%，外文期刊占33.6%，硕（博士）学位论文占9.6%，中外会议论文合4.2%（表1）。

根据搜索到的文献分析可以看出，兰花研究已受到越来越多的重视。“十三五”国家重点研发专项已将兰花列为重点支持的6大花卉种类之一，在国家自然科学基金共享服务网查到获得资助的兰花研究项目有194项，其中广东省农业科学环境园艺研究所（原花卉研究所，以下简称“环艺所”）获资助7项，包括面上项目3项、青年基金4项。近20年发表的兰花研究论文数量逐年增加（图1），占总发文量89.5%，其中近10年的发文量占64.0%，标注国家基金资助论文919篇（表1）。2002年起，石斛兰的每年发文量达50篇以上，且逐年增加，2009年起每年发文超过200篇，2017年发文量高达485篇。2003年起，蝴蝶兰的发文量每年达50篇以上，2010年高达119篇，此后每年保持在90篇左右。兰属的发文量从2005年起，每年达50篇以上，2010年高达126篇，此后略有下降。兜兰、文心兰、万代兰和卡特兰的研究相对较少，近10年平均每年发文量分别为24、22、10、6篇。

表1 兰花研究相关文献检索结果Table 1 Related literature of orchid research

图1 2000年以来发表的兰花文献数量Fig. 1 Orchid literatures published since 2000

环艺所自1984年成立以来，一直致力于兰花研究和产业推广应用，共承担了各级科研项目200余项，发表论文300余篇，其中发表兰属研究论文42篇，5篇［4-8］居被引频次前50位；蝴蝶兰论文88篇，2篇［9-10］居被引频次前50位，王怀宇［9］发表的《蝴蝶兰快速无性繁殖》是被引次数最多的蝴蝶兰文献；石斛兰论文33篇；兜兰论文9篇，3篇［11-13］居被引频次前50位；文心兰论文10篇，5篇［14-18］居被引频次前50位。出版著作17部；在英国皇家园艺学会（RHS）上登录兰花杂交种99个，选育出40个兰花新品种通过广东省农作物品种审定，8个新品种获得国家植物品种权证书；获国家授权发明专利15件，软件著作权11件；制定国家农业行业标准1项；获各级科技成果奖励22项，其中国家科技进步二等奖1项、省科学技术一等奖2项，总体研究水平处于国内前列。此外，还发起成立中国兰花协会（后更名为中国花卉协会兰花分会），创办中国兰花博览会、《中国兰花》杂志、中国兰花品种注册登记、中国兰花产业发展论坛等，对推动中国兰花产业发展做出了重要贡献。

2 兰花育种研究

2.1 资源收集、保存与鉴评

种质资源是育种和产业发展的基础。兰花资源已受到越来越多单位的重视，我国科学院系统的植物园大多设有兰科植物专类园或者保存温室，并开展了兰科植物的迁地保护工作；在中国花卉协会批准建设的两批69家国家花卉种质资源库中，兰花资源库10家。环艺所从20世纪80年代初就开展了兰花种质资源收集与研究，在有关政府部门的大力支持下，建有国家蝴蝶兰、墨兰种质资源库和广东省名优花卉种质资源圃，收集保存各类兰花资源1 365份，并广泛开展了资源鉴评研究，利用染色体压片技术或流式细胞仪检测技术对69份蝴蝶兰［3］、56 份大花蕙兰［4］、20 份墨兰［5］、78份石斛兰［6］、34 份兜兰［7-8］、12 份文心兰［9］等进行种质资源的倍性鉴定或核型分析；采用AFLP或RAPD、SRAP和SSR分子标记对54份大花蕙兰［10-11］、42 份墨兰［12］、84 份莲瓣兰［13］、100份石斛兰［14］等开展了遗传多样性与亲缘关系分析或杂种后代的鉴定，并利用表型数据与SSR分子标记构建了蝴蝶兰核心种质库［15］。

2.2 基因组与功能基因挖掘

随着新一代大规模测序技术的迅速发展，兰科植物中已有小兰屿蝴蝶兰（Phalaenopsis equestris）［16］、铁皮石斛（Dendrobium of ficinale）［17］、深圳拟兰（Apostasia shenzhenica）［18］和白花蝴蝶兰（Phalaenopsis aphrodite）［19］等 4个物种先后完成了高质量的参考基因组测序与组装。研究发现，兰科植物在白垩纪/ 古近纪的分界线附近发生一次特异性WGD事件，随即在短期内通过基因的丢失或扩张，分化为5个亚科。其中，拟兰亚科丢失的基因最多，树兰亚科最少；通过不同兰科植物及其外围物种的基因组的比较发现，M β MADS-box基因的丢失，致使现有兰科植物的种子无胚乳；拟兰亚科丢失了B-AP3 和E类旁系同源基因，导致它们的花返祖到原始状态；而树兰亚科丢失了MIKC*类的P-亚类基因，致花粉凝结成花粉块［31］。此外，AGL12基因的丢失和ANR1基因的收缩使兰科植物能够成功附生在树木或岩石上，花粉块和附生习性的形成都提升了兰科植物的适应性［20-21］。

随着遗传和物理图谱构建技术以及多组学技术结合新型的分子生物学手段的应用，越来越多的兰科植物特异和功能性基因资源被发掘。台湾成功大学热带植物研究所建立了OrchidBase3.0［22］，收集了包括兰科5个亚科的10 种兰花，包括拟兰亚科的深圳拟兰（A. shenzhenica）和麻栗坡三蕊兰（Neuwiedia malipoensis）、香荚兰亚科的深圳香荚兰（Vanilla shenzhenica）和山珊瑚（Galeolafaberi）、杓兰亚科的兜兰（Paphiopedilum spp）和杓兰（Cypripedium spp）、兰亚科的厚瓣玉凤兰（Habenaria delavayi）和长距舌喙兰（Hemipiliaforrestii）、树兰亚科的墨兰（Cymbidium sinense）和小兰屿蝴蝶兰（Phalaenopsis equestris）的花器官转录组数据，用户可以通过关键词或同源搜索，高效便捷找到目标基因。环艺所兰花研究团队已完成180多个转录组测序，开展重要农艺性状关键基因资源挖掘［23-31］，这些基因组和转录组信息在NCBI 和OrchidBase等开放数据库中都可自主下载，为现代育种学家提供便利。

近年来，基于多组学数据的分析，已在国兰重要性状相关基因的挖掘取得重要进展。新发现受低温抑制的CgSVP基因可直接与AP1、SOC1、SEP蛋白互作，存在与模式植物显著差异的花芽低温响应机制，揭示了国兰低温开花调控途径［23］。发现建兰MADS-box基因家族中E类基因缺失和A类基因的表达区域扩张造成树丫花型的变异，并通过不同花器官的转录组测序和表达谱分析，构建基于MADS-box基因的国兰特异性唇瓣分化和重瓣化分子调控网络［24-27］。建立了高效的墨兰原生质体分离及瞬时表达体系，并成功运用于墨兰开花相关基因的亚细胞定位、BiFC蛋白互作和表达调控分析［28-29］。发现叶绿体发育缺陷、叶绿素过量降解导致其体内叶绿素含量降低是墨兰叶艺性状的直接生理原因，CsERF2基因和乙烯信号途径参与了墨兰叶色变异的调控［30-31］，并采用UPLC-MS/MS为基础的靶向（类黄酮类物质）代谢组学解析了墨兰红太阳叶色从红变黄，最后变为绿色过程中代谢物的变化，发现28种代谢物的含量在叶色转绿后下降为0，有15种花色素苷类代谢物呈现下降趋势［32］。

2.3 新品种选育

2.3.1 选择育种 通过野生资源的驯化筛选是兰花育种的常用手段。1993年以来，采用选择育种的方法培育出通过中国兰花品种注册登记的国兰铭品596个（中国花卉协会兰花分会内部资料）。国兰在种植、分株繁殖过程中容易产生变异，如达摩墨兰、金太阳墨兰等，出现了20多种不同叶色的变异类型。环艺所与广东远东国兰有限公司选育出通过省农作物品种审（评）定的墨兰新品种2个、建兰新品种3个。

2.3.2 杂交育种 杂交育种是兰花育种中最普遍、有效的方法之一。兰花种间甚至有些属间杂交较容易成功，但由于兰花种子无胚乳、胚发育不全，需依赖共生真菌才能少量萌发，早期的杂交育种非常困难，难以获得杂种后代植株。1 854年，RHS创立了兰花杂交种的国际登录制度，第一个登录的兰花杂交种是虾脊兰Calanthedominyi（Cal.furcata×Cal. masuca）。Bemared［33］以眉兰（Ophrys）的块茎配制培养基，使卡特兰与蕾丽亚兰（Laelia）杂交种的种子成功萌发，开创了非共生萌发的先例。Knudson［34］发现糖类能代替真菌促进种子萌发，建立了无菌播种（胚培养）技术，兰花新杂交种的登录呈现爆发式增长（图2），目前已登录的兰花杂交种超过14万个，最近10年平均每年登录的杂交种数达3 464个。

图2 兰花杂交种登录趋势Fig. 2 Trend of orchid hybrids registration in RHS

环艺所自20世纪90年代开始开展兰花杂交育种，建立了蝴蝶兰、大花蕙兰、石斛兰等兰花的杂交育种技术，目前已在RHS上登录兰花杂交种99个，选育出40个兰花新品种通过广东省农作物品种审定，8个兰花新品种获得国家植物品种权证书。其中在RHS上登录蝴蝶兰新杂交种49个，审定蝴蝶兰新品种23个，获国家植物品种权证书蝴蝶兰品种5个；在RHS上登录兰属新杂交种20个，审定的大花蕙兰新品种6个，获国家植物品种权证书兰属杂交品种1个；在RHS上登录石斛兰新杂交种22个，审定新品种5个，获国家植物品种权证书2个；在RHS上登录树兰新杂交种1个，卡特兰杂交种1个，万代兰、火焰兰、钻喙兰等与蝴蝶兰等属间杂交种6个，兰花杂交育种处于国内领先地位。

2.3.3 倍性育种 兰花在减数分裂过程中容易产生2n配子，从而导致杂交后代多倍体化。蝴蝶兰育种的超级亲本Phal. Doris和Phal. Zada都是杂交产生的四倍体，在已登录的蝴蝶兰杂交种中，90.2%具有Phal. Doris血统，43.5%具有Phal. Zada血统［35］。我们在对引进的大花蕙兰系谱分析以及利用大花蕙兰与墨兰杂交中，发现1个容易产生2n配子的亲本材料，并提出了大花蕙兰杂交多倍体化的途径，培育出20个新杂交种在RHS上登录，6个新品种通过省级审定。

2.3.4 体细胞无性系变异 兰花组织培养中，通过愈伤组织或原球茎方式繁殖易产生变异，在蝴蝶兰、大花蕙兰、万代兰、兜兰中都有报道。蝴蝶兰属于较易变异的种类，变异率5.6%～47.9%［36］。研究表明，具有Phal.equestris血统的中小形红花品种以及具有Phal.pulcherrima血统的红花品种，如Phal. Formosa Rose、Phal. King Shiang's Beauty、Phal. King Shiang's Rose 等，在组培繁殖中很容易产生三唇瓣的花型变异；斑点花、黄花、红花等蜡质花种类也易产生变异；而大白花品种较不易产生变异。 因此体细胞无性系变异是选育蝴蝶兰新品种的有效途径之一。我们从小飞象蝴蝶兰组培繁殖过程中发现一些叶色变异类型，从中选育出具大金边的叶色变异品种金象蝴蝶兰。

2.3.5 分子育种 分子标记辅助育种在农作物育种中得到广泛应用，但在兰花育种上研究报道不多，仍然缺乏与目标性状紧密连锁的分子标记。功能基因的育种应用是近年来兰科植物研究的热点方向［37-41］。目前建立的兰科植物基因遗传转化技术包括基因枪法、农杆菌法、子房注射法等［37］。新加坡国立大学的于浩教授研究团队已成功建立石斛兰基因遗传转化体系，有望进行分子育种和品质定向改良［38-39］。最近利用CRISPR/Cas9基因编辑技术体系，成功获得铁皮石斛C3H、C4H基因点突变株系［40］和蝴蝶兰 MADS44、MADS36、MADS8的突变株系［41］。

3 兰花产业化技术研究

3.1 种苗繁育

种苗繁育技术一直是各类兰花的研究重点，发表的研究论文最多。蝴蝶兰、大花蕙兰、石斛兰、卡特兰、文心兰、竹叶兰等热带兰花，种胚以原球茎方式萌发，均已建立了成熟的高效无菌播种技术。地生种的国兰、兜兰，种子无菌萌发技术虽然取得较大进展，但萌发效率还有待进一步提高。

Rotor［42］于1949年首次报道了利用蝴蝶兰花梗腋芽繁殖蝴蝶兰的方法，花梗腋芽成为蝴蝶兰组培快繁的常用外植体，促进了蝴蝶兰组培苗的规模化生产。Morel［43］利用大花蕙兰的茎尖诱导形成原球茎，培养出完整的小植株，茎尖成为大部分兰科植物组培繁殖的主要外植体。大花蕙兰、石斛兰、文心兰、卡特兰、竹叶兰以类原球茎方式增殖，属易繁殖的种类；蝴蝶兰由于类原球茎繁殖容易产生变异，生产上多采用侧芽直接诱导丛生芽方式繁殖，属中等难度繁殖的种类，繁殖系数因品种而异；国兰和兜兰仍属于难繁殖的种类，前者以根状茎方式繁殖，周期长且出苗率有待提高，后者较难诱导出类原球茎或丛生芽，除少数品种外，大部分品种的组培快繁殖技术仍有待攻克［44］。朱根发等［45］发现建兰×纹瓣兰杂种胚的萌发具有杂种优势，介于大花蕙兰与国兰之间，萌发快且出苗率高。研究发现不同LED光质对兰花类原球茎、根状茎增殖，壮苗生根有显著影响，红蓝光合理配比，可显著提高增殖和生根效率［46-47］。兰花在组织培养中有试管开花的现象，已在18个属37个种（品种）中有报道［48］。

3.2 设施栽培与开花调控

经过近30年的引进、消化和创新，蝴蝶兰的栽培技术日益完善，设施装备更加自动化和智能化，已建立了完善的以温度为主的开花调控技术［49-50］，实现了周年开花和应节标准化生产的目标，代表了目前设施农业的最高发展水平。大花蕙兰（杂交兰）、春石斛兰和兜兰作为盆花，文心兰和秋石斛兰作为切花，实现了适地适种的区域布局，实现了规模化的高效生产。墨兰、建兰、春兰、春剑、莲瓣兰等国兰的部分品种实现了产业化。因此，兰花作为高产值经济作物，是农业现代化、产业化和工厂化的典范。

3.3 病虫害防控

危害兰花的病虫害种类较多，病虫害鉴定与防控技术也是各类兰花研究的重点，其中细菌性茎腐病、软腐病和病毒病是兰花生产中防控的难点。可侵染兰花的病毒多达30 种，主要包括建兰花叶病毒（CymMV）、齿兰环斑病毒（ORSV）、黄瓜花叶病毒（CMV）、烟草花叶病毒（TMV）、辣椒褪绿病毒（CaCV）、落葵皱纹花叶病毒（BaRMV），杆状病毒（Rhabdovirus）、马铃薯Y 病毒（Potyvirus）和番茄斑萎病毒（Tospoviruses）等，且有逐年增加的趋势［51］，通过茎尖培养培育无病毒种苗是病毒病防控的主要途径［52］。

4 展望

兰花具有独特的花器官（花形），丰富的花色，多变的株型、叶形、叶色，复杂的生长习性（附生、地生、腐生），多样的繁殖方式（根状茎、类原球茎、丛生芽），不同的光合途径（C3、CAM途径）和开花特性。其假鳞茎多样（单茎类、复茎类）、属（种）界限不严、有性杂交多倍化、子房后熟、胚胎发育不全（无胚乳）、共生菌依赖、童年期长、物种濒危、药效成分及其作用机制等众多问题有待开展园艺学、生物学、遗传学、传粉学、胚胎学、微生物学、分子生物学、生物化学、中药学等深入研究。

兰花是高产值的花卉，在已商品化的兰花上，育种目标将更加多样化，观赏点更加多元化，在分子标记辅助、转基因、基因编辑和分子设计育种技术取得突破的条件下，不论是国兰还是热带兰，都将更加追求幽香、叶花双艺或多艺的育种目标。随着数字化、信息化农业的发展，将推动兰花资源、育种、生理、栽培、设施装备、农业经济的研究更加系统，兰花产业规模将进一步扩大。

而已开发的商品化兰花，除上述7属外，树兰属（Epidendrum）、火焰兰属（Renanthera）、章鱼兰属（Prosthechea）、风兰属（Neofinetia）、指甲兰属（Aerides）、颚唇兰属（Maxillaria）、围柱兰属（Encyclia）的部分种以及药用的金线莲属（Anoectochilus）、白及属（Bletilla）、竹叶兰属（Arundina）等已开发为新商品性兰花，开始有规模化的人工繁殖和商品生产，但仍有大量的具观赏或药用价值的兰科植物尚未开发，如石豆兰属（Bulbophyllum，1 789种）、树兰属（Epidnedium，1 125种）、玉凤花属（Habenaria，848种）、颚唇兰属（Maxillaria，552种）、尾萼兰属（Masdevallia，507种）、羊耳蒜属（Liparis，418种）、毛兰属（Eria, 404种）、虾脊兰属（Calanthe，187种）、贝母兰属（Coelogyne，182种）、小龙兰属（Dracula，111种）、章鱼兰属（Prosthechea，93种）、杓兰属（Cypripedium，50种）、薄叶兰属（Lycaste，50种）、鹤顶兰属（Phaius，48种）、鹅颈兰属（Cycnoches，33种）、剑叶文心兰属（Tolumnia，31种）、指甲兰属（Aerides，25种）、独蒜兰属（Pleione，20种）、火焰兰属（Renanthera，17种）、埃利兰属（Erycina，7种）、钻喙兰属 （Rhynchostylis，3种）、风兰属（Neofinetia，2种）等［53］，是新商品花卉开发的重要来源。