云南對(duì)等雜交培育甘蔗新型獨(dú)立親本系統(tǒng)進(jìn)展

吳才文

（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,云南開遠(yuǎn) 661699）

0 引言

甘蔗育種是蔗糖生產(chǎn)的關(guān)鍵核心技術(shù)，培育、創(chuàng)制新品種是蔗糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展最經(jīng)濟(jì)有效的措施。親本是甘蔗育種的物質(zhì)基礎(chǔ)，只有親本的突破才能培育出種性突破的甘蔗新品種[1-9]。研究利用甘蔗種質(zhì)資源，源源不斷地選育滿足生產(chǎn)需要的優(yōu)良品種，進(jìn)行品種改良與更新是蔗糖產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的根本保證[4-12]。甘蔗有性雜交育種以來(lái)，全世界甘蔗育種遺傳基礎(chǔ)均可追溯到‘POJ’、‘Co’系統(tǒng)親本培育利用的8個(gè)熱帶種、1個(gè)印度種與2個(gè)細(xì)莖野生種，兩大親本系統(tǒng)的長(zhǎng)期大量高頻率使用，導(dǎo)致甘蔗親本遺傳基礎(chǔ)狹窄、網(wǎng)絡(luò)化、近親化現(xiàn)象嚴(yán)重[5-10]。云南建有我國(guó)唯一的國(guó)家甘蔗種質(zhì)資源圃，收集保存來(lái)自34 個(gè)國(guó)家和中國(guó)12 個(gè)省區(qū)的6 個(gè)屬15個(gè)種，已編目甘蔗種質(zhì)資源3 151份，種質(zhì)資源數(shù)量?jī)H次于世界最大的甘蔗種質(zhì)資源保育中心印度的5 143份[13]，是我國(guó)最大的甘蔗種質(zhì)資源保育中心，也是世界第二大甘蔗基因庫(kù)。為什么甘蔗種質(zhì)資源數(shù)量龐大，研究條件越來(lái)越好，但甘蔗遺傳基礎(chǔ)狹窄、血緣網(wǎng)絡(luò)化、近親化現(xiàn)象長(zhǎng)期困繞甘蔗界始終沒有解決？研究甘蔗種質(zhì)資源的雜交利用方式及效果發(fā)現(xiàn)，由于基礎(chǔ)雜交方式不同，對(duì)甘蔗育種的貢獻(xiàn)完全不同，差異巨大[5-8]。在“十四五”計(jì)劃開啟之年，認(rèn)真總結(jié)和分析對(duì)等雜交育種效果、‘POJ’和‘Co’兩大親本系統(tǒng)對(duì)世界甘蔗育種和蔗糖產(chǎn)業(yè)的貢獻(xiàn)、對(duì)等雜交培育新型獨(dú)立親本系統(tǒng)進(jìn)展、優(yōu)勢(shì)及存在問題，有利于把我國(guó)豐富的資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為育種優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)蔗糖產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量、綠色發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 對(duì)等雜交育種效果

對(duì)等雜交指雜交組合的父本和母本各自所含原種數(shù)量及其遺傳代數(shù)完全相同的雜交，雜交方式為原種與原種間雜交產(chǎn)生的高貴化F1代種繼續(xù)對(duì)等雜交，獲得更高貴化的F2、F3或更高代種的雜交。甘蔗百年育種歷史證明，親本血緣上的突破，首先表現(xiàn)在親本異質(zhì)性和雜交對(duì)稱性上的突破[6-8]。如爪哇甘蔗育種場(chǎng)利用2個(gè)熱帶原種‘拉海拉’（Lahaina）與‘斐濟(jì)’（Fiji）雜交培育出了F1代種‘EK2’，又利用2 個(gè)熱帶種‘斑扎馬新黑潭’（B.Hitan）與‘路打士’（Loethers）雜交培育出了F1代種‘POJ100’；以‘EK2’為母本與‘PO100’雜交，獲得了F2代種‘EK28’，由于‘EK2’與‘POJ100’間沒有血緣交叉（圖1），獲得的‘EK28’在產(chǎn)量和糖分上較4個(gè)原始親本‘Lahaina’、‘Fiji’、‘B.Hitan’與‘Loethers’及2個(gè)F1代種‘EK2’和‘PO100’均有較大的優(yōu)勢(shì)，‘EK28’的育成和生產(chǎn)應(yīng)用，對(duì)過(guò)渡時(shí)期的爪哇糖業(yè)作出了很大貢獻(xiàn)[3,6-7]。又如爪哇甘蔗育種場(chǎng)利用熱帶種‘黑車?yán)锉尽˙.Cheribon）與‘爪哇割手蜜’（S.spont/G）雜交，育出了F1代雜交種‘坎沙’（Kassoer）；然后用‘POJ100’作母本與‘Kassoer’雜交，育成了F2代雜交種‘POJ2364’；又利用‘B.Cheribon’與印度種‘春尼’（Chunnee）雜交，育成了F1代雜交種‘POJ213’。印度哥印巴托甘蔗育種場(chǎng)利用熱帶種‘卡路打布挺’（K.Boothan）與‘印度割手蜜’（S.spont/Co）雜交，培育出了F1代雜交種‘Co291’；然后利用‘Co291’作母本與‘POJ213’雜交育成了‘Co221’。由于‘POJ2364’的2個(gè)親本‘POJ100’和‘Kassoer’間、‘Co221’的2個(gè)親本‘Co291’與‘POJ213’間均沒有血緣交叉（圖1），雜交異質(zhì)性大、雜交對(duì)稱性強(qiáng)，雜交后代雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)，加上野生種（‘S.spont/G’和‘S.spont/Co’）血緣的輸入，‘POJ2364’和‘Co221’不僅種性較親本表現(xiàn)優(yōu)良，而且抗逆性和適應(yīng)性得以大幅度提高[3,6-7]。親本異質(zhì)性大，整個(gè)系譜呈倒三角形，雜交對(duì)稱性好，血緣清楚，后代雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)，作為親本利用培育出的品種多、種性突出、后代產(chǎn)生的蔗王多、對(duì)育種貢獻(xiàn)大[6-8]。

圖1 POJ2364、Co221和EK28 系譜圖Fig. 1 The pedigree of POJ2364,Co221 and EK28

2 POJ和Co兩大親本系統(tǒng)對(duì)世界甘蔗育種和蔗糖產(chǎn)業(yè)的貢獻(xiàn)

育成品種種性的突破依賴親本血緣的突破，親本創(chuàng)新的突破是甘蔗品種能否取得突破的關(guān)鍵[5-8]。甘蔗百年雜交育種培育的以‘POJ2878’和‘Co290’為代表的兩大親本系統(tǒng)為基礎(chǔ)，培育出了大量突破性的甘蔗品種和親本，如‘Co419’、‘F134’、‘CP49-50’和‘Nco310’等，為世界糖業(yè)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，促進(jìn)了蔗糖業(yè)的巨大發(fā)展[1-10]。如‘POJ2878’的親本為‘POJ2364’בEK28’，共有原種6 個(gè)，其父母本均含有‘B.Hitan’與‘Loethers’兩個(gè)原種，其他4 個(gè)原種完全不同（圖2），異質(zhì)性為66.7%。又如‘Co290’的親本為‘Co221’בD74’，也是6 個(gè)原種，且父母本中沒有相同的原種，6 個(gè)原種完全不同（圖2），異質(zhì)性達(dá)100%。分析‘POJ2878’和‘Co290’的血緣成份，雙方共有11 個(gè)原始親本，其中熱帶種‘B.Cheribon’為雙方共同的親本，異質(zhì)率為90.9%，他們之間正反交，培育出了‘Co419’和‘F134’等許多世界性品種及親本[5-8]。奠定了世界甘蔗育種‘POJ’和‘Co’兩大系統(tǒng)的基礎(chǔ)，兩大親本系統(tǒng)的唯一缺陷在于‘POJ2878’原種中有33.3%的血本緣交叉，‘Co290’雖然原種的異質(zhì)性達(dá)100%，但雜交血緣對(duì)稱性稍差[7]。作為‘POJ2878’和‘Co290’正反交的后代，由于‘Co419’和‘F134’含有的原種數(shù)量多、優(yōu)良基因來(lái)源廣，且異質(zhì)率高，因此‘Co419’和‘F134’比‘POJ2878’和‘Co290’具有更為優(yōu)良的種性和適應(yīng)力。分析這些世界性品種、親本無(wú)一例外均表現(xiàn)出很強(qiáng)的異質(zhì)性和雜交的對(duì)稱性[7]。它們的血緣清楚，后代雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)，作為生產(chǎn)品種種性優(yōu)良，突破性大，推廣面積大，對(duì)產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)大[3-10]。

圖2 POJ2878和Co290系譜圖Fig. 2 The pedigree of POJ2878 and Co290

3 云南對(duì)等雜交培育新型獨(dú)立親本系統(tǒng)進(jìn)展

3.1 對(duì)等雜交培育獨(dú)立親本系統(tǒng)的思路

親本是培育突破性甘蔗品種的物質(zhì)基礎(chǔ)[5-8]。多年來(lái)，我國(guó)乃至全球甘蔗雜交育種工作者在種質(zhì)創(chuàng)新、親本的利用上做了大量工作，選配了成千上萬(wàn)的雜交組合，也創(chuàng)制了大量的親本，但由于始終沒有脫離‘POJ’和‘Co’兩大親本系統(tǒng)，導(dǎo)致后來(lái)育成的甘蔗品種在種性上均沒有重大突破[5-8]。為什么甘蔗種質(zhì)資源一大堆，甘蔗親本遺傳基礎(chǔ)狹窄、網(wǎng)絡(luò)化、近親化現(xiàn)象長(zhǎng)期困繞甘蔗雜交育種界的問題始終沒有解決？上世紀(jì)90年代以來(lái)國(guó)內(nèi)甘蔗育種單位與全球主要甘蔗科研機(jī)構(gòu)開展廣泛科技合作，一批科技人員先后深入到世界主要蔗糖生產(chǎn)國(guó)家和機(jī)構(gòu)進(jìn)行考察、學(xué)習(xí)及合作研究，掌握了大量的甘蔗雜交育種的第一手資料[5-8]。在吸取國(guó)內(nèi)外甘蔗雜交育種經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，調(diào)整育種思路、創(chuàng)新育種方法，云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所首次提出了通過(guò)對(duì)等雜交培育獨(dú)立親本系統(tǒng)，利用獨(dú)立親本系統(tǒng)培育突破性甘蔗品種的思路[6-8]。

3.2 基礎(chǔ)雜交新原種利用情況

云南是全國(guó)第二大蔗糖生產(chǎn)基地，是世界甘蔗野生資源最豐富的地區(qū)之一[14-18]。為促進(jìn)甘蔗種質(zhì)資源的收集和創(chuàng)新利用，20 世紀(jì)80 年代以來(lái)相繼在云南建立了國(guó)家甘蔗種質(zhì)資源圃和瑞麗內(nèi)陸雜交育種基地，至“十三五”末，依托國(guó)家甘蔗種質(zhì)資源圃，云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗所建立了我國(guó)編目甘蔗資源種類最多、資源數(shù)量最大、數(shù)據(jù)最全的甘蔗種質(zhì)資源數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，編目6個(gè)屬15 個(gè)種的甘蔗資源材料達(dá)3 151 份。利用表型性狀結(jié)合分子生物技術(shù)，探索發(fā)掘出了一批甘蔗糖分、產(chǎn)量、抗病及抗旱等性狀優(yōu)異的基因材料；在種質(zhì)資源創(chuàng)新利用上根據(jù)培育新型獨(dú)立親本系統(tǒng)的思路，大規(guī)模地通過(guò)資源的抗性評(píng)價(jià)、開花特性及光周期誘導(dǎo)研究，先后利用新原種（含熱帶種、中國(guó)種、印度種、地方品種、細(xì)莖野生種、大莖野生種）21 個(gè)（表1），開展新的原原種間基礎(chǔ)性雜交，創(chuàng)制了一批優(yōu)良的F1代基礎(chǔ)雜交性種質(zhì)，為新獨(dú)立親本系統(tǒng)培育奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[19-24]。

表1 云南對(duì)等雜交方式培育新型獨(dú)立親本使用新原種匯總Table 1 New original species used in breeding new independent parents of sugarcane by the peer-to-peer hybridization in Yunnan

3.3 對(duì)等雜交方式培育新型獨(dú)立親本系統(tǒng)的進(jìn)展及優(yōu)勢(shì)分析

為了把優(yōu)良性狀更多遺傳到后代，雜交過(guò)程中，通過(guò)新原原種間基礎(chǔ)雜交、對(duì)等雜交加代，在培育新獨(dú)立親本系統(tǒng)、打破現(xiàn)有甘蔗品種血緣基礎(chǔ)狹窄、親本血緣網(wǎng)絡(luò)化、近親化方面獲得了較大突破，創(chuàng)制了一批F1代優(yōu)良創(chuàng)新種質(zhì)[19-24]，通過(guò)繼續(xù)對(duì)等雜交獲得了‘云瑞13-47’、‘云瑞14-211’、‘云瑞15-55’、‘云瑞17-82’及‘云瑞18-188’等一批全新、種性有較大突破的F2～F3代親本[25-32]，部分創(chuàng)新親本血緣圖譜見圖3。與‘POJ2878’和‘Co290’親本系統(tǒng)比較，新親本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為所有基礎(chǔ)雜交使用的原種均為新原種，使用新原種的數(shù)量達(dá)21個(gè)，已超過(guò)‘POJ’和‘Co’兩大親本系統(tǒng)原種數(shù)量11個(gè)的總和；同時(shí)克服了‘POJ2878’血緣交叉的問題，也避免了‘Co290’雜交對(duì)稱性差的缺陷。通過(guò)田間試驗(yàn)觀察和雜交后代初步表現(xiàn)，這批親本不僅產(chǎn)量高、糖分高、宿根性好、抗病性強(qiáng)，適應(yīng)性廣，而且主要特性遺傳特性好，作為親本與現(xiàn)有‘POJ2878’和‘Co290’親本系統(tǒng)及后代衍生品種選配雜交組合由于沒有血緣交叉，相互雜交后代雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)，將有望成為我國(guó)乃至世界培育突破性甘蔗品種的主要來(lái)源。第一批含F(xiàn)2代獨(dú)立血緣的新親本已于2019年提供海南甘蔗育種場(chǎng)，具體名稱見表2。通過(guò)開花特性研究，下一步將有望逐步向全國(guó)甘蔗育種單位提供新型雜交花穗。

圖3 云瑞17-82和云瑞18-188系譜圖Fig. 3 The pedigree of YR17-82 and YE18-188

表2 2019 年提供海南育種場(chǎng)親本名單Table 2 List of parents in Hainan breeding farm in 2019

4 對(duì)等雜交培育甘蔗獨(dú)立親本系統(tǒng)存在的問題

甘蔗有性雜交育種的過(guò)程實(shí)際上就是利用雜種優(yōu)勢(shì)的過(guò)程，雜種優(yōu)勢(shì)是指兩個(gè)不同性狀的親本雜交產(chǎn)生的F1代雜種，在產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病性、適應(yīng)性等方面明顯優(yōu)于雙親[6-8]。雙親優(yōu)良性狀多、血緣交叉少、異質(zhì)性強(qiáng)、配合力強(qiáng)，后代就越優(yōu)良，就越容易培育出突破性的品種[6-8]。實(shí)踐證明，具獨(dú)立血緣的親本遺傳特性好，超親優(yōu)勢(shì)突出，后代易于培育出突破性的甘蔗品種[6-8]。云南通過(guò)對(duì)等雜交培育新的甘蔗獨(dú)立血緣的親本系統(tǒng)目前存在的主要問題是：（1）甘蔗最重要的大莖、多汁、纖維少、糖分和抗黑穗病等特性的供體為熱帶種，熱帶種起源中心在太平洋的印尼東部和新幾內(nèi)亞一帶[3-10]，保存在國(guó)家甘蔗種質(zhì)資源圃內(nèi)的熱帶原種少，熱帶原種資源十分缺乏；（2）國(guó)家甘蔗種質(zhì)資源圃收集的其它栽培原種（含中國(guó)種、印度種和地方種）數(shù)量少，且種性表現(xiàn)優(yōu)良的原種數(shù)量并不多；（3）原種開花難，花期相遇難，雜交成功率低，創(chuàng)制新獨(dú)立親本時(shí)難于做到理想中所有原種都能有效利用、同一個(gè)親本原種不重復(fù)、選配組合時(shí)性狀完全互補(bǔ)等，如‘云瑞17-82’親本中熱帶種‘Bawilspt’就用了兩次，同時(shí)還含‘云割82-114’、‘云割82-59’兩個(gè)細(xì)莖野生種血緣（圖3），導(dǎo)致野種血緣高達(dá)25%；（4）部分親本含有‘斑茅’血緣[21-22]，‘斑茅’作為甘蔗的近緣屬植物，國(guó)內(nèi)外雜交利用數(shù)十年目前還沒有育成優(yōu)良品種，改良甘蔗品種的效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證；（5）理論上培育一個(gè)優(yōu)良的新獨(dú)立血緣F3代親本需要8個(gè)原種，其中能作母本的栽培原種（含熱帶種、中國(guó)種、印度種和地方種）至少7個(gè)，目前已利用的栽培原種數(shù)量?jī)H16 個(gè)，最多能創(chuàng)制2 個(gè)血緣完全不同的親本系統(tǒng)，因此不同親本間血緣交叉難以避免，如‘云瑞17-82’及‘云瑞18-188’相對(duì)于‘POJ’和‘Co’兩大獨(dú)立親本系統(tǒng)原種完全沒有重復(fù)，但兩者間就有‘百眉蔗’、‘云割82-114’、‘Barwilspt’和‘Zopilata’四個(gè)原種相同（圖3）。

5 培育和利用新獨(dú)立親本的建議

5.1 加大新優(yōu)良熱帶原種的引進(jìn)和利用力度

甘蔗（SaccharumL.）原產(chǎn)于熱帶和亞熱帶，栽培適應(yīng)分布也以這一區(qū)域?yàn)橹鳎植紖^(qū)域主要在南北緯10～30°，而生產(chǎn)最集中、產(chǎn)量較高的是南北緯23.5°左右，即南、北回歸線兩側(cè)。但隨著野生資源的不斷成功雜交和回交利用，目前甘蔗種植區(qū)域已延伸到北緯38°（如西班牙）和南緯33°（如澳大利亞），我國(guó)也達(dá)到北緯的33°（陜西漢中），接近北界的邊緣[10]。甘蔗的垂直分布，也在不斷挑戰(zhàn)新高，云南省的元江、雙江和石屏等縣，有不少蔗區(qū)分布在海拔1 400～1 600 m的高原地帶，個(gè)別蔗區(qū)甚至到達(dá)2 000 m，在這些高海拔蔗區(qū)，甘蔗仍表現(xiàn)良好[10]。但由于優(yōu)良的新熱帶種數(shù)量不足，利用得少，導(dǎo)致產(chǎn)量、糖分等重要工農(nóng)藝性狀在甘蔗品種改良中的速度遠(yuǎn)低于其它作物。種性優(yōu)良的熱帶種數(shù)量、質(zhì)量和利用情況，是能否成功創(chuàng)制更為優(yōu)良的新型獨(dú)立親本系統(tǒng)、利用獨(dú)立親本系統(tǒng)培育突破性品種的關(guān)鍵。

5.2 高度重視地方種的利用

在雜交利用過(guò)程中，還需借助現(xiàn)代分子生物技術(shù)的手段，分析地方種與栽培原種間的親緣關(guān)系[6-8]。若地方種是熱帶種，則按照對(duì)等雜交培育獨(dú)立親本系統(tǒng)的思路加以利用；若地方種為栽培原種的直接雜交后代，并且與現(xiàn)有‘POJ’和‘Co’兩大獨(dú)立親本系統(tǒng)間不存在血緣交叉，在培育新親本的過(guò)程中則可與原原種的F1代種雜交，按照對(duì)等雜交的思路進(jìn)行加代用于培育新獨(dú)立親本系統(tǒng)[6-8]；若雖與現(xiàn)有‘POJ’和‘Co’兩大獨(dú)立親本系統(tǒng)存在血緣交叉，但由于未雜交利用的時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的風(fēng)土馴化，適應(yīng)性、抗病性以及工農(nóng)藝性狀已為生產(chǎn)所接受，作為改良型親本利用，也可能培育出“次突破性”的品種[6-8]。

5.3 正確使用含新獨(dú)立血緣系統(tǒng)的優(yōu)良親本

現(xiàn)有的‘POJ’和‘Co’系統(tǒng)親本經(jīng)過(guò)100 余年的長(zhǎng)期高頻率使用，優(yōu)良特性已發(fā)掘殆盡，要培育出更好的品種難度加大、育種周期加長(zhǎng)[6-8]。含新獨(dú)立血緣系統(tǒng)的優(yōu)良親本與現(xiàn)有‘POJ’和‘Co’系統(tǒng)的親本間，沒有血緣交叉，異質(zhì)性強(qiáng)，雜種優(yōu)勢(shì)明顯，易于培育出突破性大的品種，建議加大新獨(dú)立血緣系統(tǒng)優(yōu)良親本與現(xiàn)有親本系統(tǒng)選配雜交組合的力度[6-8]。但在具體選配組合時(shí)，需要認(rèn)真分析其血緣組成，慎用含‘斑茅’血緣的親本培育新品種，畢竟國(guó)內(nèi)外還沒有成功培育出含‘斑茅’血緣的優(yōu)良品種；不要輕易選配新獨(dú)立血緣親本間的雜交組合，由于原種數(shù)量限制，易于造成新的血緣交叉。