美國農(nóng)業(yè)部甘蔗研究所科研動(dòng)向與甘蔗種質(zhì)資源保存概況

陸 鑫 ，朱建榮 ，周 會(huì) ，蔡 青,3

（1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，開遠(yuǎn) 661699；2.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，南寧 530007；3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所，昆明 650223）

甘蔗是我國糖料作物中種植面積最大的[1],是一些地區(qū)財(cái)政收入的重要來源之一[2]。為提高甘蔗科技創(chuàng)新能力，促進(jìn)蔗糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加強(qiáng)國際間合作與交流，在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院資助下，筆者于2011年10月至2012年3月赴美國農(nóng)業(yè)部南方研究中心甘蔗研究所（USDA-SRU）進(jìn)行訪問學(xué)習(xí)，對(duì)美國甘蔗種質(zhì)資源保存和美國農(nóng)業(yè)部甘蔗研究所科研動(dòng)向等做了較全面的了解。

1 美國甘蔗生產(chǎn)現(xiàn)狀

美國是世界上少數(shù)幾個(gè)同時(shí)生產(chǎn)甘蔗糖和甜菜糖的國家之一。由于美國國土南北縱向跨度大，僅南部地區(qū)的氣候條件能夠滿足甘蔗生長的需求，加之各州政府對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，現(xiàn)僅有4個(gè)州在進(jìn)行甘蔗種植與蔗糖加工，分別是夏威夷州、德克薩斯州、路易斯安那州和佛羅里達(dá)州。2010—2011榨季，美國甘蔗種植面積為35.5萬hm2，甘蔗平均單產(chǎn)為76.8t/hm2，蔗糖總產(chǎn)量為286.9萬t。

從美國農(nóng)業(yè)部公布的近30年甘蔗生產(chǎn)情況來看，各州甘蔗種植面積從大到小依次為路易斯安那州、佛羅里達(dá)州、德克薩斯州、夏威夷州。其中，在2001—2002榨季，美國甘蔗種植總面積達(dá)歷史最高水平，為41.6萬hm2，但在兩年之后，4個(gè)州的植蔗面積均呈現(xiàn)大幅下滑，其中最為嚴(yán)重的是夏威夷州，由1980年的4.2萬hm2降至2010年的0.7萬hm2；從2006年開始，各州的甘蔗種植面積保持相對(duì)穩(wěn)定。最近5年，美國甘蔗種植面積維持在35萬hm2左右。

從各州甘蔗單產(chǎn)來看，夏威夷州單產(chǎn)最高，平均單產(chǎn)為197.7t/hm2，其中2003—2004榨季甘蔗單產(chǎn)為228.7t/hm2，為歷史最高水平，其高產(chǎn)的原因在于該州甘蔗生長期較長，一般為24—36個(gè)月，其次為佛羅里達(dá)州（76.7t/hm2）、德克薩斯州（74.3t/hm2）、路州（58.7t/hm2）。最近 10 年，全美甘蔗單產(chǎn)平均降至 73.5t/hm2。各州年均蔗糖產(chǎn)量從高到低依次為佛羅里達(dá)州（149.6萬t）、路易斯安那州（94.2萬t）、夏威夷州（52.7萬t）、德克薩斯州（11.2萬t）。從最近10年的數(shù)據(jù)看，夏威夷州蔗糖產(chǎn)量下降最快，2010—2011榨季年產(chǎn)糖量僅為15.6萬t，其余3個(gè)州的蔗糖產(chǎn)量均保持相對(duì)穩(wěn)定（佛羅里達(dá)州：130.0萬t；路易斯安那州：127.5萬t；德克薩斯州：13.2萬t）。

在美國，盡管甘蔗產(chǎn)業(yè)的規(guī)模與其創(chuàng)造的價(jià)值遠(yuǎn)低于甜菜糖，但美國政府仍然對(duì)南部地區(qū)的甘蔗產(chǎn)業(yè)進(jìn)行政策性保護(hù)，如嚴(yán)格按國內(nèi)需求缺口量對(duì)食糖的進(jìn)口量加以控制；對(duì)食糖生產(chǎn)，實(shí)行配額管理；國家加大對(duì)能源甘蔗的研發(fā)力度和研究經(jīng)費(fèi)的投入等。因此，近年來美國甘蔗產(chǎn)業(yè)整體上呈現(xiàn)穩(wěn)中有升的發(fā)展趨勢(shì)。

2 美國農(nóng)業(yè)部甘蔗研究所簡介及其科研動(dòng)向

美國農(nóng)業(yè)部的甘蔗育種研究工作始于1919年。1924年美國甘蔗聯(lián)盟向美國農(nóng)業(yè)部捐贈(zèng)土地，在路易斯安那州的荷馬建立甘蔗研究實(shí)驗(yàn)室。1928年，實(shí)驗(yàn)室的研究重點(diǎn)從甘蔗病理學(xué)轉(zhuǎn)向育種學(xué)。為確保備選品種能夠得到充分測(cè)試以滿足路州蔗糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，美國農(nóng)業(yè)部、路易斯安那州州立大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站和美國甘蔗聯(lián)盟于1926年聯(lián)合簽署了一項(xiàng)三方甘蔗品種發(fā)展協(xié)議，該協(xié)議時(shí)至今日仍然有效，該協(xié)議通過對(duì)品種改良和栽培技術(shù)的改進(jìn)，使路州甘蔗單位面積產(chǎn)糖量提高了4倍。

目前美國農(nóng)業(yè)部甘蔗研究所擁有12名科學(xué)家和近40名實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員及行政人員。該所的研究任務(wù)是為加強(qiáng)甘蔗作為生物燃料和食糖生產(chǎn)原料的可行性提供技術(shù)解決方案，通過各學(xué)科協(xié)作進(jìn)行品種改良和制定環(huán)境友好型產(chǎn)品生產(chǎn)策略，保障制糖企業(yè)盈利、擴(kuò)大甘蔗種植面積、抵御不斷進(jìn)化的病、蟲、雜草等甘蔗有害生物。美國農(nóng)業(yè)部甘蔗研究所代表性學(xué)科有：農(nóng)藝學(xué)、遺傳育種學(xué)、昆蟲學(xué)、分子遺傳學(xué)、病理學(xué)、土壤學(xué)及雜草防治等。目前，該所研究目標(biāo)與方向如下[3]。

2.1 通過常規(guī)育種與分子生物技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行甘蔗遺傳改良

甘蔗品種改良由4部分內(nèi)容組成，一是商業(yè)種選育，二是種質(zhì)創(chuàng)新，三是輪回選擇，四是分子輔助育種。商業(yè)種選育中，商業(yè)種和高代材料的雜交工作由荷馬甘蔗研究所和佛羅里達(dá)州的運(yùn)河點(diǎn)甘蔗試驗(yàn)站共同完成。荷馬甘蔗研究所通過田間評(píng)價(jià)試驗(yàn)，從這些商業(yè)組合中篩選出具有商業(yè)應(yīng)用潛力的品種并給予以“Ho”或“HoCP”開頭的品種編號(hào)。路州大學(xué)農(nóng)業(yè)中心同樣也開展甘蔗雜交和選育工作，根據(jù)1926年三方聯(lián)合簽署的甘蔗品種發(fā)展協(xié)議，路州大學(xué)農(nóng)業(yè)中心選育出的，選育編號(hào)以“L”開頭的品種，將與“Ho”和“HoCP”型品種共同在整個(gè)路州蔗區(qū)進(jìn)行品種區(qū)域試驗(yàn)，篩選種性表現(xiàn)穩(wěn)定的品種并釋放到整個(gè)蔗區(qū)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

種質(zhì)創(chuàng)新的作用在于拓寬甘蔗遺傳基礎(chǔ)，并為培育甘蔗新良種提供新型親本。盡管低世代創(chuàng)新種質(zhì)的糖分較低，但它們具備高生物量的潛力，并且這些F1、BC1、BC2本身具有低投入（種植管理成本）、高纖維分、耐寒、抗病蟲性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此荷馬甘蔗研究所將這些材料作為能源甘蔗進(jìn)行釋放，并得到纖維素生物燃料行業(yè)的認(rèn)可。目前，荷馬甘蔗研究所的能源甘蔗品種已經(jīng)開始在美國東南部地區(qū)開展評(píng)估工作。

輪回選擇的重點(diǎn)是選擇早熟、高糖，并具有抗甘蔗螟蟲和墨西哥水稻螟的品種。分子輔助育種的重點(diǎn)是通過開發(fā)和利用DNA分子標(biāo)記選擇諸如抗病、抗蟲、高糖等特殊性狀的品種/材料，以提高甘蔗育種效率。

2.2 利用抗病性甘蔗種質(zhì)，實(shí)現(xiàn)病害防控

路州蔗糖產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展依賴于不斷推廣應(yīng)用抗病抗逆性強(qiáng)的高產(chǎn)品種。病理學(xué)科的研究目標(biāo)是通過持續(xù)選育抗病品種來降低病害對(duì)糖料蔗和能源蔗產(chǎn)量的影響。該學(xué)科對(duì)雜交親本及該單位收集保育的甘蔗屬及其近緣屬種質(zhì)的抗病性進(jìn)行鑒定，適時(shí)監(jiān)測(cè)甘蔗上出現(xiàn)的新的病原菌；利用分子標(biāo)記的方法進(jìn)行宿主與病原菌的遺傳學(xué)研究，研究開發(fā)用于病害檢測(cè)的與抗病基因緊密連鎖的DNA分子標(biāo)記。

2.3 開發(fā)雜草與蟲害綜合管理系統(tǒng)，促進(jìn)甘蔗生產(chǎn)的高效可持續(xù)發(fā)展

通過品種選擇、耕作方式、輪作、蔗葉還田管理和除草劑的使用，尋找降低雜草對(duì)甘蔗生產(chǎn)影響的最佳管理模式；評(píng)估新型化學(xué)除草劑對(duì)多年生雜草的防除潛力；研發(fā)非化學(xué)手段控制甘蔗螟蟲的方法，例如從甘蔗野生種或其近緣屬植物中尋找具有抗螟蟲特性的資源，調(diào)查研究施用硅肥對(duì)提高甘蔗抗螟蟲潛力的影響，利用捕食性昆蟲和寄生生物進(jìn)行生物防治的綜合性蟲害治理系統(tǒng)，以及品種對(duì)蟲害和殺蟲劑的耐受性；評(píng)估甘蔗蚜蟲密度與產(chǎn)量損失之間的定量關(guān)系。

2.4 研發(fā)新型或改良現(xiàn)有的栽培技術(shù)，保護(hù)自然環(huán)境，保障甘蔗生產(chǎn)的可持續(xù)性

應(yīng)用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和遙感技術(shù)等手段發(fā)展作物栽培及土壤管理新技術(shù)，克服土壤養(yǎng)分限制，使甘蔗種植效益最大化；應(yīng)用作物生理學(xué)方法，如測(cè)量植株光合速率、冠層分析、葉面積、株高、有效莖數(shù)、單莖重、生物量分配與產(chǎn)量構(gòu)成要素，評(píng)價(jià)蔗葉還田和催熟劑的使用對(duì)甘蔗產(chǎn)量的影響。同時(shí)該學(xué)科還利用遙感技術(shù)識(shí)別甘蔗品種，監(jiān)控病蟲害發(fā)生情況，輔助預(yù)測(cè)收獲前甘蔗的含糖分及其產(chǎn)量水平。

由于美國農(nóng)業(yè)部甘蔗研究所在發(fā)展能源甘蔗品種方面取得的成功，以及美國東南部地區(qū)對(duì)能源甘蔗的需求，美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)中心（USDA-ARS）追加了額外的研究經(jīng)費(fèi)資助荷馬甘蔗研究所設(shè)立新的研究項(xiàng)目，其目標(biāo)是研發(fā)一種最佳的甘蔗田間栽培管理模式，實(shí)現(xiàn)甘蔗持續(xù)高產(chǎn)，保證制糖和生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的原料蔗供應(yīng)。該管理模式主要從以下幾個(gè)方面開展研究：使用非傳統(tǒng)肥料（如濾泥、碳灰和生物炭）；甘蔗固氮；深耕；收獲期調(diào)整；蔗葉還田（減少土壤浸蝕、保持土壤水分和土壤肥力、維持土壤有機(jī)質(zhì)）。

3 美國甘蔗種質(zhì)資源保育情況

美國國家甘蔗種質(zhì)資源圃位于佛羅里達(dá)州邁阿密亞熱帶園藝作物研究工作站 （Subtropical Horticulture Research Station's,SHRS），是世界上規(guī)模最大、最早對(duì)甘蔗種質(zhì)資源進(jìn)行收集和保育的機(jī)構(gòu)。從美國農(nóng)業(yè)部2012年4月8日公布的保育情況看，該圃現(xiàn)今保育有來自61個(gè)國家或地區(qū)的21個(gè)甘蔗屬或其近緣屬的種，保育資源總數(shù)為2863 份[4]（詳見表 1）。 而從資源收集入圃的時(shí)間來看，該圃的資源收集工作主要集中在20世紀(jì)80年代以前，在最近的近30年間，該圃幾乎無新的甘蔗種質(zhì)材料（包括雜交品種）入圃保育。該圃保育的415份雜交種質(zhì)，盡管都屬于一些老品種，但不乏一批高貴化中低代材料，這些材料值得我們引進(jìn)并加以利用；美國甘蔗資源圃內(nèi)保育的熱帶種數(shù)量較多，來源地較為豐富，共包括來自35個(gè)國家及地區(qū)的935份熱帶種，其中大部分來自新幾內(nèi)亞、印度、印度尼西亞等甘蔗起源地；其他如沙生蔗茅等野生種質(zhì)可引進(jìn)，以完善我國甘蔗種質(zhì)資源圃保存的基因類型，使圃內(nèi)保育的資源遺傳多樣性更為豐富。

表1 美國甘蔗種質(zhì)資源保育情況

4 體會(huì)

在美國，蔗農(nóng)協(xié)會(huì)每年都會(huì)拿出一筆資金提供給科學(xué)家用作研究經(jīng)費(fèi)，以解決當(dāng)前甘蔗生產(chǎn)過程中存在的問題，這就使得所開展的科研工作更具針對(duì)性，與生產(chǎn)結(jié)合更為緊密，真正做到科研支撐生產(chǎn)，生產(chǎn)反哺科研；同時(shí)，各項(xiàng)科研工作均較注重對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高效性和持續(xù)性影響，重視對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)；在品種布局上，實(shí)行多品種搭配種植制度，防止主栽品種突然退化給產(chǎn)業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失；在田間試驗(yàn)操作上較為粗放，以盡可能地與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合。

農(nóng)作物種質(zhì)資源是作物育種、生物科學(xué)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，廣泛收集種質(zhì)資源是作物種質(zhì)資源學(xué)科的基礎(chǔ)和先行，只有廣泛和不斷地收集，才能獲得農(nóng)作物種質(zhì)更豐富的多樣性，并減少農(nóng)作物種質(zhì)資源的丟失，以便更好地保存、整理、研究和利用[5]。我國現(xiàn)有的甘蔗品種不僅細(xì)胞質(zhì)源種類貧乏，且野生種血緣單一、遺傳基礎(chǔ)狹窄[6]，從國外引進(jìn)植物種質(zhì)資源包括新作物、新品種（系）、地方品種、遺傳材料及作物野生近緣植物，可充實(shí)和豐富我國的作物種類和推廣的優(yōu)良品種以及作為育種的親本材料。美國國家甘蔗種質(zhì)資源圃保存的種質(zhì)資源從數(shù)量上和來源地來看，均比我國豐富，熱帶種作為種質(zhì)創(chuàng)新中的受體材料和高糖高產(chǎn)基因源，應(yīng)作為我們今后引種的重點(diǎn)，并加以創(chuàng)新利用，以豐富我國甘蔗育種親本的細(xì)胞質(zhì)源，拓寬遺傳基礎(chǔ)。

此外，美國國家甘蔗種質(zhì)資源圃對(duì)部分種質(zhì)材料的眼斑病、梢腐病、銹病和黑穗病做了調(diào)查記錄，并將這些材料的抗病性劃分為0～9級(jí)，其中0級(jí)為高抗，9級(jí)為高感；在其公布的數(shù)據(jù)中，高抗眼斑病的材料有70份（69份熱帶種、1份割手密），高感眼斑病材料14份（13份熱帶種、1份大莖野生種）；1級(jí)抗梢腐病材料50份（全部為熱帶種），高感梢腐病材料4份（全部為熱帶種）；高抗銹病材料85份（82份熱帶種、2份大莖野生種、1份雜交品種）；高抗黑穗病材料8份（全部為熱帶種），高感黑穗病材料26份（全部為熱帶種）。這些信息可為今后引種提供參考，使引種工作更具針對(duì)性。從國外引種時(shí)，須嚴(yán)格按照《甘蔗進(jìn)口種苗檢疫方法》[7]開展檢疫工作，防止可能造成的生態(tài)危害和環(huán)境危害。

與巴西、印度、澳大利亞等世界產(chǎn)糖國相比，美國既不是世界主要產(chǎn)糖國、也不是研究水平最高的國家，但美國在種質(zhì)資源保護(hù)、育種研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展上仍極為重視，值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。

致謝：衷心感謝美國農(nóng)業(yè)部甘蔗研究所潘永保教授對(duì)筆者在美期間的學(xué)習(xí)和生活給予的關(guān)心和幫助！

[1]樊仙，刀靜梅，崔雄維，等.云南省滄源縣甘蔗生產(chǎn)現(xiàn)狀調(diào)查[J].中國糖料，2011（4）：56-58.

[2]徐雪.中國食糖產(chǎn)業(yè)政策體系及建議[J].中國糖料，2011（2）：63-67.

[3]Edward Richard.USDA-ARS sugarcane research unit overview[J].Sugar Journal,2012（1）:8-11.

[4]Summary statistics of holdings as of 08 Apr 2012[EB/OL].http://www.ars-grin.gov/cgi-bin/npgs/html/stats/genus.pl?S*

[5]鄭殿升，劉旭，盧新雄，等.農(nóng)作物種質(zhì)資源收集技術(shù)規(guī)程[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2007.

[6]陸鑫，毛鈞，劉洪博，等.甘蔗野生種滇蔗茅種質(zhì)創(chuàng)新利用研究Ⅰ.甘蔗與滇蔗茅遠(yuǎn)緣雜交F1群體構(gòu)建與SSR分子標(biāo)記鑒定[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào),2012，13（2）：321-324.

[7]黃應(yīng)昆，李文鳳，范源洪，等.甘蔗進(jìn)口種苗檢疫方法[P].中國專利：2010201010230554.2.