甘蔗常用親本產量和品質性狀評價與聚類分析

李旭娟，字秋艷，徐超華，李純佳，劉洪博，林秀琴，毛鈞，覃偉，趙麗萍，劉新龍

（云南省農業(yè)科學院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室，云南開遠 661699）

0 引言

甘蔗屬于重要的產糖和能源經濟作物，靠腋芽進行無性繁殖[1-2]，但其品種的選育方式還是主要依靠親本雜交，即通過親本的誘導開花雜交，產生表型性狀分離的雜交后代或基因型，然后從中篩選出符合育種目標的優(yōu)良品種[3-5]，因此，甘蔗親本是品種選育的重要物質基礎。在實際雜交育種中，積極了解甘蔗親本的遺傳背景，并客觀準確地評價其重要農藝性狀表現，對于明確親本利用方向，指導親本雜交組合配制及最終的育種成效至關重要[6]。黃錦福等[7]對海南育種場71 份親本開展了長達5年的花期數據調查，為親本組合配制提供了重要參考。張瓊等[8]根據系譜圖對我國50 多年來育種計劃中使用的21 份骨干親本的血緣組成進行了分析，結果表明所有骨干親本都含有POJ2878或POJ2725的血緣，其次有65.59%的親本含F134血緣，揭示了我國甘蔗骨干親本血緣基礎狹窄的事實，急需拓寬。勞方業(yè)等[9-10]、敖俊華等[11]和劉新龍等[12]從DNA 層面研究表明，我國甘蔗親本遺傳多樣性屬于中等水平，引自國外的大部分親本和一些老的親本表現出較近的親緣關系，而來自云南的創(chuàng)新親本表現出較大的遺傳差異，在育種計劃中應給予更多的關注。為了評估親本的育種潛力，吳才文等[13-14]、劉少謀等[15]、張革民等[16]、徐良年等[17]、王勤南等[18]、安汝東等[19-20]、郎榮斌等[21]、朱建榮等[22]、姚麗等[23]對我國引進親本與創(chuàng)新親本的遺傳力、配合力及經濟育種值開展了評價，相關研究結果為親本的選擇和組合配制提供了重要參考。為了篩選優(yōu)良的親本材料用于品種抗性改良，陳義強等[24]、陳雙等[25]、胡鑫等[26]、李文鳳等[27]、楊榮仲等[28]對甘蔗親本材料的抗旱性、磷使用效率、抗黑穗病、抗銹病和抗花葉病進行了評價。

雖然研究者對我國親本開展了較多的評價研究，但多集中在育種潛力和遺傳多樣性方面，對于親本重要農藝性狀的客觀評價還較少，且評價的親本數量十分有限。鑒于此，本研究通過3重復的完全隨機區(qū)組試驗對我國83份甘蔗常用的商業(yè)親本和基礎雜交親本開展產量和品質性狀評價。通過評價，篩選在產量和品質性狀上表現優(yōu)異的親本，確定產量和品質性狀之間的相關性，劃分親本類群，以期加深對親本的了解，為親本利用方向的確定和雜交組合的配制提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 材料

選擇目前國內甘蔗育種計劃中常用的親本作為試驗材料，其中國內親本48份，國外引進親本16份，原始種親本19份（包含熱帶種4份、中國種5份、印度種5份、大莖野生種5份），合計83份。所有親本的名稱、用途詳見表1。所有研究材料種莖由國家甘蔗種質資源圃提供。

表1 我國常用甘蔗親本材料名單Table 1 The list of commonly used sugarcane parental clones in China

1.2 田間試驗

所有親本材料取中上部健康腋芽，砍成單芽段種植于大田。試驗采用完全隨機區(qū)組設計，每個小區(qū)面積為3.0 m2（行長3 m，行距1 m），每個小區(qū)間隔種植10 個芽段，所有材料設3 個重復，四周設保護行。于1 月22—23日種植后施底肥并蓋膜，種植和后期管理都采用大田常規(guī)管理方法進行。

1.3 性狀調查與測定

于3月20 日，調查出苗數；于6月2 日分蘗盛期調查分蘗苗數；于翌年1 月13日甘蔗成熟期調查每份親本材料的株高、莖徑，每個重復隨機選取5株進行測量，同時調查每份材料每個重復的小區(qū)有效莖數和單莖重，根據二者計算小區(qū)理論產量；于1 月24 日，每個重復砍2 棵有效莖帶回實驗室使用美國Rudolph Autopol880全自動糖度分析儀，采用一次旋光法進行品質性狀（改正錘度、蔗汁糖分、甘蔗糖分、簡純度、纖維分）的測定。所有產量和品質相關性狀的測定方法參照《農作物種質資源鑒定技術規(guī)程-甘蔗》（NY/T 1488-2007）進行。

1.4 數據分析

使用SPSS18.0 進行方差分析、相關性和Duncan多重比較分析；為了便于不同類型數據的綜合聚類分析，使用SPSS18.0 軟件對產量和品質性狀數據進行標準化處理，然后使用HemI 1.0.3.7 軟件基于歐式平方距離（Squared euclidean distance）繪制平均連接法（Average linkage）層次聚類（Hierarchical clustering）聚類熱圖。

2 結果與分析

2.1 變異幅度分析

對親本性狀的描述性統計表明，83 份甘蔗親本在產量和品質性狀數值上具有較大的變幅（見表2），其中出苗率平均值為67.76%，處于中等水平偏上，變幅在9.33%～93.33%；分蘗率平均值在267.78%，表明親本一個主苗約可以產生2～3 棵分蘗苗，變幅在0.00%～968.78%；株高平均值為227.79 cm，變幅在139.43～314.77 cm；莖徑平均值為2.65 cm，變幅在1.21～3.88 cm；小區(qū)有效莖數平均值為20.6 棵，變幅在2.0～50.0棵；單莖重平均值為1.11 kg，變幅在0.26～1.71 kg；小區(qū)理論產量平均值為23.04 kg，變幅在0.75～58.46 kg。

表2 甘蔗親本產量和品質性狀的描述性統計Table 2 The descriptive statistics of yield and quality traits of sugarcane parental clones

對于品質相關性狀，改正錘度平均值為19.12%，變幅在13.15%～22.39%；蔗汁糖分平均值為15.32%，變幅在6.83%～19.07%；甘蔗糖分平均值在12.45%，變幅在4.82%～15.52%；簡純度平均值為79.36%，變幅在48.47%～89.19%；纖維分平均值在13.99%，變幅在7.20%～28.52%。

從各性狀的變異系數來看，產量性狀的變異要遠大于品質性狀，表明83份親本具有較為豐富的產量性狀變異；其中分蘗率呈現最大的離散度，變異系數為65.00%，其次為小區(qū)理論產量，變異系數為56.49%，變異最小的是株高，變異系數為14.16%。對于品質性狀，變異系數最大的是纖維分，為26.38%，其次為甘蔗糖分（18.83%），最小的是改正錘度（9.94%）。

2.2 方差分析

方差分析結果（表3）表明出苗率、分蘗率、株高、莖徑、有效莖數、單莖重、理論產量、改正錘度、蔗汁/甘蔗糖分、簡純度、纖維分在親本之間的差異均達到極顯著水平，說明不同親本在產量和品質性狀上存在著顯著差異。為了篩選出在單個性狀上表現優(yōu)異的親本，使用SPSS18.0 軟件里的Duncan 多重比較方法進行兩兩比較，結果表明產量性狀上，CP85-1308、Yunzhe06-407、Yuetang79-177 等64 份親本出苗率上表現較好，數值在63.33%～93.33%，方差統計未表現出顯著差異（P<0.05）（表4）；印度種Nagans在分蘗率上表現最好，分蘗率達968.78%，其次為NCo310和CP34-120，雖顯著低于Nagans，但分蘗率也在600%左右；在株高上，表現最好的是“ROC”10、Fujiandaye 等6 份親本，株高在275.33～314.77 cm；Vietnamniuzhe和Yuetang57-423 在莖徑上表現最好，莖徑為3.88 cm和3.66 cm；Nagans、CP34-120等5份親本在小區(qū)有效莖數上表現最高，數量在39～50 條；在單莖重方面，Chuantang61-408、“ROC”16 等38 份親本表現最好，數值范圍在1.19～1.71 kg；小區(qū)理論產量有CP34-120、Yunzhe06-407等6份親本表現最好，范圍在42.67～58.46 kg。

表3 甘蔗親本產量和品質性狀的方差分析Table 3 ANOVAresults of yield and quality traits for sugarcane parental clones

表4 甘蔗產量和品質性狀Duncan 多重比較最優(yōu)親本及排序Table 4 The rank of sugarcane parental clones in theoptimalgroup for yield andquality traits based on Duncan multiple comparison

對于品質性狀，有“ROC”20、Ganzhe75-65 等16 份親本在改正錘度上表現最好，數值在20.71%～22.39%；Ganzhe75-65、“ROC”20 等37 份親本在蔗汁糖分上表現最好，數值在16.44%～19.07%；在甘蔗糖分上，Ganzhe75-65、“ROC”20 等40 份親本表現最好，數值在13.26%～15.52%；在簡純度方面，CP84-1198、PT43-52 等61 份親本表現最高，數值在79.74%～89.19%；纖維分指標的好壞主要根據育種目標的不同有所差異，對于能源品種選育需要高纖維親本，4個大莖野生種（51NG3、NG77-004、Fujiandaye和57NG208）表現出較高的纖維分含量，而對于果蔗品種，需要低纖維親本，像Vietnamniuzhe、Black Cheribon等23份親本表現出較低的纖維分含量，數值在7.20%～12.13%。

2.3 相關性分析

使用SPSS18.0軟件對所有產量和品質性狀進行pearson相關系數分析（表5），結果表明產量性狀中，除出苗率與株高、分蘗率與莖徑、分蘗率與單莖重、株高與莖徑、有效莖數與單莖重沒有表現出顯著相關外，其它產量性狀之間都表現出顯著的正相關，出苗率、分蘗率、株高、莖徑、有效莖數和單莖重都與小區(qū)理論產量表現出顯著的正相關，其中有效莖數、單莖重與理論產量最為相關（相關系數分別為0.750 和0.612），其次為出苗率（0.539）和分蘗率（0.500）。品質性狀之間，纖維分與糖分性狀之間呈現顯著的負相關，而糖分性狀之間表現出顯著的正相關，其中蔗汁糖分與甘蔗糖分（0.982）、改正錘度與蔗汁糖分（0.945），改正錘度與甘蔗糖分（0.907）之間表現出較高的相關系數。

表5 甘蔗親本產量和品質性狀Pearson 相關性系數Table 5 Pearson correlations of yield and quality traits for sugarcane parental clones

產量性狀與品質性狀之間，出苗率、莖徑、單莖重、理論產量與改正錘度、蔗汁糖分、甘蔗糖分和簡純度之間都呈現顯著的正相關，與纖維分呈顯著的負相關，意味著高出苗率且較大莖的親本具有較高的糖分，但纖維分含量較低。分蘗率僅與改正錘度存在顯著相關性，但相關系數較小，對品質性狀影響不大；株高僅與纖維分呈顯著正相關，對糖分性狀無影響；有效莖數與改正錘度、蔗汁糖分和甘蔗糖分呈顯著正相關，僅對糖分性狀有影響。

2.4 聚類分析

使用HemI 1.0.3.7 軟件繪制了83 份親本產量和品質性狀的熱聚類圖，如圖1 和圖2 所示。從圖1 可以看出，83 份甘蔗親本依據產量性狀可以明顯地聚為6 個類群（A～F），其中A 類群只有1 份材料組成，為大莖野生種Nangans，與其它類群遺傳距離較大，其次為F 類群，該類群包含2 份大莖野生種親本51NG3 和NG77-004，B 類群、C類群、D 類群和E 類群遺傳距離相對較近。從熱圖來看，A 類群材料在7 個產量性狀之間差異較為明顯，在顏色上有數值較大的紅色，也有數值較小的藍色，表明該類群材料生勢較為明顯，但莖細；B和C類群材料在產量性狀上呈現黃綠色較多，表明它們在產量性狀上整體表現較好，其次為D類群；對于E和F類群，產量性狀呈現深綠色和藍色的較多，表明它們在產量性狀上整體表現較差。使用Duncan 多重比較方法比較各類群產量性狀差異，從表6可以明顯看出，在性狀表現優(yōu)劣上和熱圖呈現的情況基本一致，B和C類群在各性狀上表現較好，其次為D類群，F類群表現最差。

表6 甘蔗親本產量性狀聚類分組Duncan 多重比對分析Table 6 Duncan multiple comparative of yield traits between different groups for all sugarcane parental clones

依據品質性狀，可將83份親本分為7個明顯的類群（Ⅰ～Ⅶ)，4個大莖野生種形成了2個類群（Ⅰ、Ⅶ)，與其它類群之間表現出較大的遺傳距離，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ五個類群之間遺傳距離較近。從熱圖來看，Ⅰ和Ⅶ在糖分相關性狀上呈現出藍色，具有較低的值，但在纖維分上表現為棕黃和紅色，表現4 個大莖野生種糖分較低，但纖維分含量較高；在品質性狀上整體表現較好的是Ⅳ和Ⅴ類群，大部分品質性狀呈現綜黃色至黃綠色，表明兩個類群親本材料具有較高的糖分和中等的纖維分含量；其次為Ⅲ和Ⅵ類群，品質性狀處于中等水平，而Ⅱ在糖分性狀上呈現綠和深綠，但纖維分呈現棕黃和黃綠，說明該類群親本糖分性狀中等偏下，但纖維分含量較高。使用Duncan 多重比較方法比較各類群品質性狀差異，從表7可以看出，基本與熱圖表現一致，在糖分性狀上，Ⅳ和Ⅴ類群表現最高，其次為Ⅵ類群和Ⅲ類群，表現最差的是Ⅰ和Ⅶ類群；對于纖維分性狀，與糖分性狀呈現相反的趨勢。

表7 甘蔗親本品質性狀聚類分組Duncan 多重比對分析Table 7 Duncan multiple comparison of quality traits between different groups for all sugarcane parental clones

3 討論與結論

甘蔗屬于無性繁殖經濟作物，依靠莖稈作為收獲產品，并以莖稈中所含的糖分作為最終的產品輸出，因此甘蔗的主要產量相關性狀反映的是莖稈及莖稈上腋芽的發(fā)育生物學特征，而品質相關性狀主要反映的是莖稈內部關鍵組分的含量情況?；谝陨险J識，可以看出，產量性狀和品質性狀是評價甘蔗親本資源育種價值或育種效益最為有效和直接的指標參數。親本資源是甘蔗遺傳育種重要的物質基礎，如實客觀地評價這類資源的產量和品質性狀，對于了解親本本身遺傳背景，評價其育種價值或潛力都具有重要的作用。在本研究中，共有83 份中國常用的甘蔗親本資源被選擇用于產量和品質性狀評價，既包含了用于基礎雜交的甘蔗栽培原種和大莖野生種，也包含了用于商業(yè)雜交組合的常規(guī)親本，按照正規(guī)的統計實驗進行，通過在統一的試驗背景和統計條件下，可以更為客觀真實地反映親本資源在產量和品質性狀上的優(yōu)劣。

數量性狀的變異系數反映了性狀的離散程度，離散程度越大，意味著遺傳變異越豐富[29]。本文83 份甘蔗親本在產量性狀上具有較大的變異系數，表現出較大的遺傳變異，而品質性狀除了纖維分，其它性狀變異系數較小，這與劉新龍等[30]對云南甘蔗品種和黎煥光等[31]對廣西2001—2002 年甘蔗雜交品系的農藝和品質性狀研究基本一致。以上研究可能表明產量性狀相關調控基因擁有更為豐富的遺傳變異，而品質性狀尤其糖分性狀相對保守。

從各性狀的相關性來看，83 份甘蔗親本產量性狀之間或品質性狀中的糖分性狀之間表現出明顯的正相關，這與前人的研究結果基本相符[31-33]。在產量性狀與糖分性狀之間，出苗率、莖徑、小區(qū)有效莖數、單莖重和小區(qū)理論產量與改正錘度、蔗汁糖分、甘蔗糖分呈現顯著的正相關，這與黃家雍等[34]對9 個甘蔗品種農藝性狀的相關性檢測結果有所不同，他們檢測到錘度與公頃有效莖數和莖徑呈負相關，這可能與該研究的材料數較少有關；從育種實際來看，在人為選擇馴化下親本兼具了高產和高糖的優(yōu)勢，因此在產量和糖分性狀上表現出明顯的正相關。對于纖維分性狀，與大部分的產量和所有的糖分性狀都呈現負相關，但與株高呈正相關，這在何啟鈞等[35]和黎煥光等[21]的研究中也得到證實，因此在以糖料蔗為選育目標的親本配制中高纖維分的親本盡量少用，而以能源蔗為選育目標的育種計劃，既追求高纖維，也追求高生物量，在親本選擇上要注重二者平衡點的把握。本研究，通過聚類手段將所有參試親本分成了不同的類群，各類群在產量和品質性狀上都表現出一定的顯著性差異，且性狀表現較為一致的親本材料聚在一類，這些研究結果都有助于育種家將親本進行合理的分類和有效的利用。

綜合本研究結果，可以得出中國常用親本產量性狀比品質性狀擁有更為豐富的遺傳變異基礎，產量性狀和糖分性狀呈顯著正相關，纖維分會對糖分和產量性狀產生一定程度的不利影響，利用中應注意均衡地把握，高產高糖雜交組合配制應選擇性狀表現較好的類群。