18個(gè)粵糖系列甘蔗品種系譜分析及育種建議

羅青文，潘方胤，敖俊華，齊永文，吳嘉云，彭立沖，梁啟如，文明富

（廣東省科學(xué)院生物工程研究所，廣東 廣州 510316）

【研究意義】甘蔗（Saccharumspp.）屬于典型高光效、高生物量、高糖分的一年或多年生草本植物，廣泛分布于熱帶亞熱帶廣大地區(qū)［1-4］，是人類賴以生存的重要糖料作物。據(jù)聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，以甘蔗為原料生產(chǎn)的食糖量占全球食糖供應(yīng)總量85%以上。自1858年發(fā)現(xiàn)甘蔗可以結(jié)實(shí)并在種內(nèi)進(jìn)行雜交選育品種［5-6］開始，甘蔗育種發(fā)展史大概分為5個(gè)階段［7］：（1）利用熱帶種選育時(shí)期；（2）利用“高貴化”過程選育高貴化品種時(shí)期［8-10］；（3）利用高貴化品種培育雜交后代時(shí)期；（4）利用高貴化雜交后代選育現(xiàn)代品種時(shí)期；（5）拓寬品種遺傳組成源選育種時(shí)期?；仡?60多年的甘蔗育種史，突破性甘蔗新品種的成功選育，實(shí)則是一個(gè)不斷增加擴(kuò)寬甘蔗遺傳組成源來選育新品種的過程［11］。隨著甘蔗現(xiàn)代育種技術(shù)的不斷進(jìn)步，親本或原始育種材料的遺傳基礎(chǔ)已成為有效提高育種效率的關(guān)鍵。因此，分析選育甘蔗品種的遺傳組成、理清世代親系，在甘蔗育種上對正確選擇骨干親本或原始育種材料、提高育種效率具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】我國甘蔗新品種選育始于20世紀(jì)50年代，甘蔗親本的更替大致可分為3個(gè)階段［12］。第1階段以早期引進(jìn)品種作親本為主要標(biāo)志，如 POJ2878、POJ2725、F134、F108、CP49-50、Nco310、Co419、Co290等，這些親本于20世紀(jì)50年代初引進(jìn)使用。第2階段形成了以自育品種為主的親本結(jié)構(gòu)利用為主要標(biāo)志，主要自育品種親本包括粵糖57-423、粵糖59-65、華南56-12、川蔗2號、云蔗65-225等，這些親本主要使用于20世紀(jì)60—70年代。第3階段主要由20世紀(jì)80年代開始選育和引進(jìn)的品種（系）作為雜交親本為主，如粵糖85-177、粵糖91-976、粵糖92-1287、粵糖93-159、粵糖00-236、崖城71-374、粵農(nóng)73-204、桂糖92-66、桂糖96-211、桂 糖 00-122、ROC1、ROC16、ROC22、CP72-1210、CP84-1198、CP94-1100、HoCP95-988等。在第3階段使用的親本中，新引進(jìn)的美國CP系列和臺(tái)灣ROC系列品種的使用，對擴(kuò)大選育品種的遺傳基礎(chǔ)、提高蔗莖產(chǎn)量和蔗糖分等都起到了重要作用?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前我國共有10余家科研單位及高校從事甘蔗育種研究，品種主要以粵糖系列、桂糖系列、云蔗系列、福農(nóng)系列等系列為主，大陸自育品種種植面積占全國總種植面積的50%以上，而粵糖系列品種推廣應(yīng)用為我國甘蔗種植做出了重要貢獻(xiàn)，因此，對粵糖系列甘蔗品種系譜研究具有重要的意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過對2002—2017年來育成的粵糖系列甘蔗品種及其系譜來源分析，了解粵糖系列育成甘蔗品種的遺傳基礎(chǔ)及其親緣關(guān)系，為今后育種工作者在親本制定雜交組合親本選擇時(shí)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試甘蔗品種為廣東省生物工程研究所（廣州甘蔗糖業(yè)研究所）選育的通過全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心鑒定或廣東省農(nóng)作物品種審定的18個(gè)粵糖系列優(yōu)良品種（表1）。

1.2 系譜分析

供試甘蔗品種以其世代親系逐代進(jìn)行尋根追溯分析，繪制系譜圖［13］。細(xì)胞質(zhì)源分析以品種的母本追溯分析，直至查出原始母本，即細(xì)胞質(zhì)源。遺傳組成源的分析則以品種的父母本同時(shí)追溯分析，直至查出所含的全部基礎(chǔ)種質(zhì)，即遺傳組成源，然后進(jìn)行綜合確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘蔗品種的親本來源分析

18個(gè)粵糖系列甘蔗品種均由全國甘蔗雜交制種基地海南甘蔗育種場生產(chǎn)的雜交花穗選育，所有供試品種共使用了18個(gè)親本（有10個(gè)作為母本，有9個(gè)作為父本，表1），其中廣東育成品種（系）10個(gè)（粵糖系列、湛蔗系列和粵農(nóng)系列），占所用親本比例最高（55.56%），廣西育成品種（系）1個(gè)（桂糖系列），臺(tái)灣育成品種4個(gè)（ROC系列），國外引進(jìn)品種（系）3個(gè)（HoCP系列、CP系列和Co系列）。按照使用次數(shù)統(tǒng)計(jì)，CP72-1210使用頻率最高，使用次數(shù)達(dá)6次（全作為父本），其次是粵糖93-159和粵農(nóng)73-204，直接作親本次數(shù)各達(dá)5次。18個(gè)品種中有13個(gè)由CP72-1210、粵糖93-159和粵農(nóng)73-204作親本，占72.22%。對這18個(gè)親本血緣進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，供試18個(gè)品種全部含POJ2878或其姐妹系POJ2725以及F134的血緣，由此可見，粵糖系列甘蔗品種遺傳基礎(chǔ)狹窄問題比較突出。

表1 粵糖系列18個(gè)甘蔗品種信息Table 1 Information of eighteen Yuetang series of sugarcane varieties

2.2 甘蔗品種系譜比較分析

從18個(gè)甘蔗品種的系譜（圖1～圖3）可以看出，它們共包含21個(gè)不同的遺傳組成源，其中熱帶種有11個(gè)，占總遺傳組成源的52.38%，所占比例最高，包括黑車?yán)锉荆˙lack Cheribon）、班扎馬新黑潭（B. Hitam）、灰毛里求斯（A.mauritius）、有紋毛里求斯（S.mauritius）、克里斯他林那（Crystalina）、路打士（Loethers）、卡路打不挺（K.Boothan）、維來伊（Vellai）、斐濟(jì)（Fiji）、拔地拉（Badila）和拉海那（Lahaina）；割手密種有3個(gè)，占總遺傳組成源的14.29%，包括印度割手密（Co.spont）、爪哇割手密（Glagah）和崖城割手密（Saccharum spontaneumL.of Yacheng）；中國種3個(gè)，占總遺傳組成源的14.29%，包括中國種（O.Tekcha）、中國種（品種名未詳）和夏威夷育巴（H.uba）；印度種有2個(gè)，分別是春尼（Chunnee）和甘沙（Kansar），占總遺傳組成源的9.52%；大莖野生種（S.robustum）和高粱〔Sorghum bicolor（L.）Moench〕各1個(gè)，各占總遺傳組成源的4.76%。不同類型遺傳組成源所占比例從高至低依次為熱帶種、割手密種、中國種、印度種、大莖野生種和高粱。

2.3 甘蔗品種的細(xì)胞質(zhì)源和遺傳組成源分析

通過追溯分析，18個(gè)品種的細(xì)胞質(zhì)源均為班扎馬新黑潭，其遺傳組成源數(shù)量為13～18個(gè)不等（表2）。其中，粵糖05-267、粵糖03-393和粵糖03-373遺傳組成源數(shù)量最多（18個(gè)），粵糖06-233、粵甘43號、粵甘47號、粵糖04-245和粵糖04-252等5個(gè)品種的遺傳組成源數(shù)為16個(gè)，粵糖07-516、粵糖00-236、粵糖99-66和粵糖93-159等4個(gè)品種的遺傳組成源數(shù)為15個(gè)，粵糖95-168和粵糖96-835的遺傳組成源數(shù)量為14個(gè)，粵糖08-172、粵糖02-305、粵糖96-86和粵糖94-128等4個(gè)品種遺傳組成源數(shù)最少、為13個(gè)；18個(gè)品種均含有割手密種、印度種、熱帶種和中國種的血緣，割手密種、印度種和熱帶種是所有品種最主要的遺傳組成源，其中所有品種均含有爪哇割手密和印度割手密，印度種春尼，熱帶種班扎馬新黑潭、黑車?yán)锉尽⒙反蚴?、拉海那和斐?jì)。在所有供試品種中，粵甘47、粵糖05-267、粵糖03-373、粵糖03-393和粵糖95-168等5個(gè)品種含有大莖野生種血緣，粵糖96-86、粵糖95-168、粵糖96-835和粵糖94-128不含高粱血緣。

圖1 甘蔗品種粵糖93-159、粵糖94-128、粵糖99-66、粵糖00-236、粵糖04-245、粵糖04-252，粵糖06-233和粵甘43系譜圖Fig. 1 Pedigree diagram of Yuetang93-159, Yuetang94-128, Yuetang99-66, Yuetang00-236, Yuetang04-245, Yuetang04-252, Yuetang06-233 andYuegan43

圖2 甘蔗品種粵糖96-86、粵糖02-305、粵糖03-373、粵糖03-393、粵糖05-267 和粵甘47 系譜圖Fig. 2 Pedigree diagram of Yuetang96-86, Yuetang02-305, Yuetang03-373, Yuetang03-393, Yuetang05-267 and Yuegan47

圖3 甘蔗品種粵糖95-168、粵糖96-835、粵糖07-516和粵糖08-172系譜圖Fig. 3 Pedigree diagram of Yuetang95-168, Yuetang96-835, Yuetang07-516 andYuetang08-172

表2 粵糖系列18個(gè)甘蔗品種的遺傳組成源Table 2 Genetic composition of 18 Yuetang series of sugarcane varieties

2.4 甘蔗品種核心種質(zhì)利用分析

通過對18個(gè)品種的世代系譜分析發(fā)現(xiàn)，所有品種都含有我國早期引進(jìn)品種的血緣，包括POJ2878、POJ2725、F134、F108、CP49-50、Co290等，這些品種屬于早期甘蔗種間雜交第二代或第三代選育出的優(yōu)良品種，含有各種不同優(yōu)良性狀相關(guān)基因，屬于早期核心種質(zhì)，為甘蔗育種奠定了重要基礎(chǔ)。另外，大部分供試品種含有粵糖57-423、粵糖93-159、粵農(nóng)73-204、CP72-1210等，這些品種屬于我國自育或新引進(jìn)的核心種質(zhì)，其中CP72-1210引進(jìn)于美國，曾是美國佛羅里達(dá)州推廣種植面積最大的品種，具有高糖、高產(chǎn)、抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，也是一個(gè)我國大陸甘蔗育種上親本利用效果較好的種質(zhì)資源［14-15］；粵糖57-423、粵糖93-159和粵農(nóng)73-204屬于我國大陸自育品種，這些核心種質(zhì)為我國甘蔗育種作出了主要貢獻(xiàn)，特別是粵糖93-159，該品種高糖、高產(chǎn)、大莖，不僅是一個(gè)優(yōu)良親本，還是我國蔗區(qū)主導(dǎo)種植品種之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用粵糖93-159作為親本培育的品種有20個(gè)以上［16］，而且在蔗區(qū)年推廣種植面積達(dá)6.7萬hm2，是我國大陸自育品種推廣速度最快且長期作為主栽品種的優(yōu)良甘蔗品種。

3 討論與建議

3.1 挖掘新種質(zhì)資源，拓寬遺傳基礎(chǔ)，選育新的優(yōu)良核心親本

當(dāng)前，我國培育的甘蔗品種遺傳背景比較狹窄，多數(shù)商業(yè)栽培種的祖代親本可追溯到少數(shù)熱帶種和細(xì)莖野生種，這些品系最初是由爪哇和印度的育種工作者利用的［17-18］。栽培甘蔗品種的種性（蔗產(chǎn)量、蔗糖分、抗病性等）在育種過程中不斷改良，經(jīng)過數(shù)十年不斷篩選，優(yōu)良等位基因組合被選擇并固定下來，優(yōu)良基因頻率提高而不良基因頻率降低，甘蔗種質(zhì)基因庫的遺傳總變異縮小。因此，雜交育種中有利性狀的遺傳增量變小，或者可能達(dá)到了某種形式的極限。

縱觀甘蔗育種史，突破性甘蔗新品種的成功選育，實(shí)則是一個(gè)不斷增加擴(kuò)寬甘蔗遺傳組成源來選育新品種的過程。比較成功的例子有臺(tái)灣80年代利用芒種質(zhì)提高生物產(chǎn)量或纖維含量，美國路州60年代利用熱帶種種質(zhì)提高含糖量，以及近年來美國佛羅里達(dá)州利用割手密種質(zhì)提高抗寒力等［17］。我國擁有大量的斑茅［19］、滇蔗茅［20］、河八王［21］等甘蔗近遠(yuǎn)緣野生資源，特別是斑茅具有特別強(qiáng)的抗旱性、抗病性和抗逆性，生長旺盛，增產(chǎn)潛力大。加強(qiáng)挖掘利用這些優(yōu)良新種質(zhì)資源，有望在近年內(nèi)育成一批具有斑茅及野生甘蔗血緣優(yōu)良基因的新品種。

同時(shí)，甘蔗育種也是眾多有利基因的聚合過程，選育核心親本過程中不僅注重增加遺傳組成源，還要考慮通過目標(biāo)性狀種質(zhì)資源的選配、組合、聚合選擇培育核心親本，保障創(chuàng)新的親本種質(zhì)在多個(gè)目標(biāo)性狀間較能兼顧。

因此，根據(jù)我國蔗區(qū)多樣化生態(tài)條件和氣候環(huán)境有利條件，充分挖掘利用甘蔗近遠(yuǎn)緣野生資源優(yōu)異種質(zhì)，拓寬現(xiàn)有甘蔗遺傳基礎(chǔ)，有針對性地逐步培育聚合多種優(yōu)良性狀的核心親本，為今后甘蔗育種服務(wù)。

3.2 利用新種質(zhì)資源，明確育種目標(biāo)，選育優(yōu)良的甘蔗新品種

甘蔗育種就是根據(jù)不同需要，制定育種目標(biāo)，對各種種質(zhì)資源進(jìn)行重新整合。甘蔗育種發(fā)展歷程實(shí)踐表明［11］，任何具有特殊性狀的甘蔗品種選育都離不開種質(zhì)資源這個(gè)基礎(chǔ)。只有通過不同種質(zhì)資源相互組合雜交，將某些或某個(gè)育種目標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)移利用，進(jìn)而選育出所需要的優(yōu)良新品種。

隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，甘蔗育種面臨著新的目標(biāo)和挑戰(zhàn)，隨著甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展與升級，今后甘蔗育種目標(biāo)宜多元化，除了高糖、高產(chǎn)外，也更加注重宿根性、抗逆性、耐壓性、營養(yǎng)高效，適宜全程機(jī)械化等。

3.3 利用現(xiàn)代生物技術(shù)手段，加快分子育種技術(shù)體系的構(gòu)建，縮短育種進(jìn)程

分子育種技術(shù)作為常規(guī)育種有效的輔助手段，已經(jīng)在多種作物中得到了充分的利用，目標(biāo)性強(qiáng)、效率高，效果非常明顯，也是今后作物育種的主要發(fā)展方向。有關(guān)甘蔗分子育種研究方面，國內(nèi)外已經(jīng)取得一定的進(jìn)展。目前已經(jīng)利用RFLP［22］、AFLP［23］、TRAP［23］、SSR［22,24］、EST-SSR［25］、SNP［26］等多種分子標(biāo)記針對不同遺傳群體構(gòu)建20余張甘蔗分子遺傳連鎖圖譜，并對糖分、產(chǎn)量、抗病性等數(shù)量性狀位點(diǎn)進(jìn)行了定位。轉(zhuǎn)基因技術(shù)主要集中在蔗糖合成與運(yùn)輸［27-29］、抗旱耐鹽［30］、抗?。?1-33］等相關(guān)基因方面的研究。然而甘蔗屬于異源多倍體、基因組龐大、遺傳背景復(fù)雜，導(dǎo)致在遺傳轉(zhuǎn)化過程中，表現(xiàn)出轉(zhuǎn)化效率低、轉(zhuǎn)基因失活、體細(xì)胞克隆變異和回交困難等問題［34］。

隨著測序技術(shù)的不斷更新發(fā)展及應(yīng)用，使得測序成本不斷降低，測序通量不斷提高，精度更加準(zhǔn)確，特別是甘蔗割手密種（Saccharum spontaneumL.）基因組的破譯［35］，各類測序數(shù)據(jù)將不斷獲得，加大甘蔗基因組測序信息挖掘力度，利用基因組信息，結(jié)合分子技術(shù)方法不斷拓寬甘蔗品種遺傳背景、創(chuàng)制骨干育種材料、構(gòu)建快速有效的育種技術(shù)方法和性狀篩選體系，最終通過分子設(shè)計(jì)育種，培育綜合性狀具有突破性的新品種，縮短育種年限。

4 結(jié)論

18個(gè)供試甘蔗品種選育共使用了18個(gè)親本，這些親本中使用頻率最高的親本分別是CP72-1210、粵糖93-159和粵農(nóng)73-204，在18個(gè)供試材料中，由這3個(gè)親本共育成了13個(gè)品種，占被統(tǒng)計(jì)品種數(shù)的72.22%。18個(gè)供試甘蔗品種的細(xì)胞質(zhì)源均為班扎馬新黑潭，其遺傳組成源由熱帶種、割手密種、印度種、中國種、大莖野生種及高粱組成。所有品種是在引進(jìn)品種的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，都含有POJ2878或其姐妹系POJ2725以及F134的血緣，遺傳基礎(chǔ)比較狹窄。