近年我國(guó)甘蔗品種的育種成就與發(fā)展趨勢(shì)

張躍彬, 趙培方,胡朝暉,闕友雄

(1.熱帶作物生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,昆明 650205; 2.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; 3.廣東省科學(xué)院南繁種業(yè)研究所/全國(guó)甘蔗糖業(yè)信息中心,廣州 510316)

0 引言

糖是我國(guó)重要的農(nóng)產(chǎn)品,以甘蔗為主的糖料作物占我國(guó)食糖產(chǎn)量的85%以上。種業(yè)是甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石,新品種不但能增加甘蔗的單產(chǎn)、產(chǎn)糖量、降低生產(chǎn)成本,還能提早開榨,延長(zhǎng)榨期,提高糖廠設(shè)備利用率,獲得最高的經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)產(chǎn)業(yè)的貢獻(xiàn)高達(dá)60%以上。歷史表明,只有不斷改良更新品種,使品種一代比一代好, 產(chǎn)量一代比一代高,才能不斷促進(jìn)糖料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。新中國(guó)成立以來(lái),我國(guó)甘蔗品種先后經(jīng)過(guò)了4代品種改良更新,先后經(jīng)歷了引種改良期(上世紀(jì)50年代至60年代),自育品種發(fā)展期(上世紀(jì)60年代至70年代),抗逆豐產(chǎn)品種期(上世紀(jì)80年代至90年代),到上世紀(jì)90年,隨著我國(guó)改革開放的促進(jìn)[1],一批高產(chǎn)高糖適應(yīng)性廣的臺(tái)糖品種從沿海地區(qū)進(jìn)入大陸蔗區(qū),到2007年,據(jù)調(diào)查,全國(guó)糖料甘蔗播種面積約146.6萬(wàn)公頃,引進(jìn)的‘新臺(tái)糖22號(hào)’、‘新臺(tái)糖20號(hào)’等臺(tái)糖系列品種面積約117.3萬(wàn)公頃,占據(jù)主產(chǎn)蔗區(qū)80%以上,實(shí)現(xiàn)了我國(guó)第四代甘蔗品種改良。但是,由于新臺(tái)糖品種長(zhǎng)期種植,特別是隨著我國(guó)蔗區(qū)生態(tài)的變化,新臺(tái)糖品種蔗糖分低,抗病蟲能力弱的情況日益暴露出來(lái),影響了國(guó)家食糖重要農(nóng)產(chǎn)品的保障安全和蔗糖產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,為此,“十一五”以來(lái),我國(guó)開啟了新一代甘蔗品種改良更新研究,全國(guó)育種機(jī)構(gòu)一盤棋,由國(guó)家糖料產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系牽頭,根據(jù)甘蔗生產(chǎn)對(duì)品種的科技需求,不斷收集利用優(yōu)異甘蔗種質(zhì)資源,攻克重要親本雜交技術(shù),創(chuàng)制甘蔗新種質(zhì),創(chuàng)新甘蔗育種技術(shù),成功育成了‘云蔗081609’、‘桂糖42號(hào)’、‘桂柳05136’、‘桂糖44號(hào)’、‘云蔗0551’等一批突破性高糖新品種,成功地實(shí)現(xiàn)了我國(guó)新一代甘蔗品種改良更新。

1 近年我國(guó)甘蔗品種的育種成就

1.1 甘蔗種質(zhì)資源收集

我國(guó)是世界甘蔗種質(zhì)資源原產(chǎn)地之一, 座落于云南的國(guó)家甘蔗種質(zhì)資源圃(開遠(yuǎn)),收集保存了來(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,甘蔗種質(zhì)資源總量達(dá)5 962份,其中已編目種質(zhì)資源4 152份,建立了世界上規(guī)模最大,屬種最齊全的國(guó)家級(jí)甘蔗種質(zhì)資源圃,種質(zhì)資源保存數(shù)量居全球第一。收集引進(jìn)特殊生境野生資源、原始稀有突變種S.edule填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)甘蔗屬種空白;引進(jìn)82份熱帶種彌補(bǔ)了我國(guó)長(zhǎng)期缺乏糖分供體資源的短板,為我國(guó)甘蔗資源發(fā)掘利用和品種改良貯備了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.2 甘蔗種質(zhì)創(chuàng)新和育種技術(shù)

經(jīng)過(guò)多年糖分、產(chǎn)量、抗性的評(píng)價(jià),及創(chuàng)新利用,發(fā)掘或創(chuàng)制了‘CP81-1254’[2]、‘桂糖92-66’[3]、‘云蔗94-343’[4]等一批優(yōu)異育種親本在全國(guó)主要育種機(jī)構(gòu)雜交利用。攻克了甘蔗遠(yuǎn)緣雜交利用癥結(jié),創(chuàng)建甘蔗花期調(diào)控和雜交后代真實(shí)性鑒定相結(jié)合的遠(yuǎn)緣雜交技術(shù),實(shí)現(xiàn)了熱帶種與斑茅、滇蔗茅、大莖野生種等的遠(yuǎn)緣雜交利用,在我國(guó)海南和云南瑞麗兩個(gè)甘蔗雜交基地,實(shí)現(xiàn)甘蔗雜交育種花穗的批量化生產(chǎn);通過(guò)“集甘蔗家系評(píng)價(jià)、早期抗性鑒定、糖分高效選擇、理想株型選擇”為一體的高糖育種技術(shù)體系。

1.3 甘蔗重大品種創(chuàng)制

基于種質(zhì)創(chuàng)新和育種技術(shù)創(chuàng)新,全國(guó)育種機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān),近年來(lái),成功培育了‘桂糖42號(hào)’[5]、‘桂柳05136’[6]兩個(gè)年應(yīng)用面積在30萬(wàn)公頃以上的標(biāo)志性品種,以及‘云蔗081609’[7-8]、‘桂糖44號(hào)’[9]、‘桂糖55號(hào)’[10]、‘云蔗0551’[11]等一批重要潛力的新品種(表1),使我國(guó)主產(chǎn)蔗區(qū)的第五代新品種占蔗區(qū)面積的83.4%以上。

表1 2023年我國(guó)甘蔗品種種植情況Table 1 The planting situation of sugarcane varieties in China in 2023

我國(guó)新一代甘蔗品種,根據(jù)我國(guó)甘蔗生產(chǎn)的重大科技需求,創(chuàng)新形成高異質(zhì)復(fù)合高糖育種理論,形成高糖育種方法,培育高糖種質(zhì),攻克定向雜交技術(shù)難題;創(chuàng)立“家系評(píng)價(jià)、早期選擇;低氮脅迫、理想株型”為一體的高糖選種技術(shù),成功育成的‘桂糖42號(hào)’、‘桂柳05136’成為國(guó)家甘蔗區(qū)域化試驗(yàn)的統(tǒng)一對(duì)照品種;以‘云蔗081609’為代表的特高糖典型品種蔗糖分達(dá)20.3%,創(chuàng)造了國(guó)際上甘蔗糖分最高記錄。

2 近年我國(guó)品種改良應(yīng)用的效益

2.1 甘蔗新品種產(chǎn)量效益

甘蔗新品種的選育推廣應(yīng)用是蔗糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ),長(zhǎng)期以來(lái),我國(guó)甘蔗單產(chǎn)低于全球平均水平,從2013/2014榨季開始,隨新一代良種‘桂柳05136’、‘桂糖42號(hào)’、‘云蔗081609’、‘云蔗0551’等的快速推廣應(yīng)用,到2020/2021榨季,新臺(tái)糖品種占比由70.69%下降到2020/2021年榨季的23.30%,新一代品種由29.31%上升至76.70%[12],占比逐年提高后,我國(guó)甘蔗單產(chǎn)持續(xù)提高。近年來(lái)已高于全球平均水平,且呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖1)[13]。在全球9個(gè)甘蔗主產(chǎn)國(guó)(巴西、印度、泰國(guó)、中國(guó)、巴基斯坦、澳大利亞、古巴、菲律賓、南非)中,我國(guó)甘蔗公頃產(chǎn)量年遺傳增益為881.25 kg/hm2,處于領(lǐng)先水平(圖2)。通過(guò)新一代的推廣應(yīng)用,我國(guó)甘蔗平均單產(chǎn)由2011—2013年(平均)的68.12 t增加至2019—2021年(平均)的79.87 t。

圖1 2010—2021年中國(guó)與全球甘蔗單產(chǎn)對(duì)比(數(shù)據(jù)來(lái)源:FAO)Fig.1 Comparison of sugarcane yield between China and the world from 2010 to 2021 (Data source: FAO)

圖2 中國(guó)與全球甘蔗主產(chǎn)國(guó)公頃產(chǎn)量年遺傳增益對(duì)比(數(shù)據(jù)來(lái)源:FAO)Fig.2 Comparison of genetic gain for cane yield between China and other major sugarcane growing countries

2.2 甘蔗糖分效益

新品種的大面積推廣應(yīng)用,我國(guó)甘蔗產(chǎn)糖率由2011/2012—2015/2016年5個(gè)榨季平均值的11.83%增加至2016/2017—2020/2021年5個(gè)榨季均值的12.59%,增漲0.76個(gè)百分點(diǎn)(絕對(duì)值),年遺傳增益為0.091個(gè)百分點(diǎn),在9個(gè)甘蔗生產(chǎn)大國(guó)中,甘蔗產(chǎn)糖率及其增幅和年遺傳增益均位列第一[12]。新一代甘蔗良種的推廣應(yīng)用顯著地促進(jìn)了我國(guó)糖料蔗生產(chǎn)的發(fā)展,提高了我國(guó)糖料蔗綜合生產(chǎn)能力,有力保障了我國(guó)食糖有效供給。2022/2023榨季,我國(guó)蔗糖產(chǎn)量達(dá)897.1萬(wàn)t,其中廣西食糖產(chǎn)量527.03萬(wàn)t,平均蔗糖分達(dá)14.38%,出糖率12.79%;云南食糖產(chǎn)量201.1萬(wàn)t,平均蔗糖分突破15.26%,出糖率13.28%。

3 當(dāng)前甘蔗品種改良還存在的主要問(wèn)題

近年來(lái),我國(guó)糖料甘蔗的品種改良和推廣應(yīng)用取得了顯著的成效,但面對(duì)新的甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì),特別是國(guó)外甘蔗新品種新技術(shù)的發(fā)展,我們還存在以下問(wèn)題。

3.1 適宜機(jī)械化作業(yè)的品種改良滯后

近年來(lái),甘蔗生產(chǎn)人工勞動(dòng)強(qiáng)度大,人工生產(chǎn)成本高,已成為甘蔗產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的最大障礙,推廣應(yīng)用甘蔗機(jī)械化特別是收獲機(jī)械化勢(shì)在必行。我國(guó)由于機(jī)收起步相對(duì)較晚,當(dāng)前大面積推廣應(yīng)用的新品種主要適宜人工作業(yè)為主,機(jī)收后普遍存在機(jī)收破蔸高,機(jī)收損失率高(7%～15%),含雜率高(7%～15%)[14]等問(wèn)題。因此,為適應(yīng)甘蔗機(jī)械化作業(yè)的發(fā)展趨勢(shì),應(yīng)及時(shí)調(diào)整育種方向,并加大甘蔗機(jī)械化品種的育、繁、推體系建設(shè),盡快選育宿根性強(qiáng),耐碾壓,植株韌性好,適宜機(jī)械化作業(yè)的高糖品種。

3.2 甘蔗生物育種進(jìn)展緩慢

多年來(lái),我國(guó)的甘蔗品種選育主要靠常規(guī)雜交育種的“五圃制”程序選育而來(lái),育種時(shí)間長(zhǎng),選育性狀不精確,特別是育成品種抗病蟲害不強(qiáng)。近年來(lái),主產(chǎn)蔗區(qū)鱗翅目的蔗螟、草地貪夜蛾發(fā)生嚴(yán)重,農(nóng)藥防治比較困難。為解決甘蔗病蟲害的問(wèn)題,巴西等蔗糖主產(chǎn)國(guó)已經(jīng)在10年前啟動(dòng)了BT轉(zhuǎn)基因育種,5年前就育成了一系列轉(zhuǎn)基因品種。為此,我們須加快甘蔗轉(zhuǎn)基因品種的選育,以目前我國(guó)主栽的‘桂糖42號(hào)’、‘桂柳05136’、‘云蔗081609’、‘云蔗0551’等高產(chǎn)高糖品種作為遺傳轉(zhuǎn)化體,加快具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因品種選育,加快國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)基因甘蔗品種的安全性評(píng)價(jià)、田間釋放,才能應(yīng)對(duì)國(guó)外轉(zhuǎn)基因品種的挑戰(zhàn)沖擊。

4 我國(guó)甘蔗品種發(fā)展的建議

針對(duì)今后我國(guó)蔗糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)新良種的需求,建議加強(qiáng)適宜機(jī)械化作業(yè)甘蔗新品種的選育和應(yīng)用,加強(qiáng)蔗糖的遺傳改良提高制糖效率,并突破轉(zhuǎn)基因甘蔗新品種的培育,特別是抗蟲轉(zhuǎn)基因品種的培育,促進(jìn)甘蔗生產(chǎn)節(jié)本增效,同時(shí),持續(xù)強(qiáng)化健康種苗的繁育應(yīng)用。

4.1 以機(jī)械化應(yīng)用為目標(biāo)主攻宿根性強(qiáng)、分蘗力強(qiáng)的品種

根據(jù)國(guó)外蔗糖主產(chǎn)國(guó)機(jī)械化應(yīng)用的育種經(jīng)驗(yàn),適宜機(jī)械化生產(chǎn)的甘蔗品種必須具有萌芽能力強(qiáng)、出苗率高、分蘗力強(qiáng)、生長(zhǎng)整齊、抗倒伏、砍收不破裂、機(jī)械收獲后宿根發(fā)株率高、對(duì)除草劑不敏感等特性。適宜機(jī)械化生產(chǎn)的品種不僅要滿足傳統(tǒng)的良種評(píng)價(jià)目標(biāo)要求,亦即高產(chǎn)、高糖、抗逆(病、蟲、旱、寒、風(fēng)、鹽、瘠)、強(qiáng)宿根,還應(yīng)注意適宜機(jī)械作業(yè)的形態(tài)學(xué)特征。

(1)對(duì)機(jī)械化種植:要求芽體不暴凸,生長(zhǎng)帶不過(guò)分鼓脹,芽體陷入芽溝,芽翼等保護(hù)蔗芽避免機(jī)械損傷的有益性狀。

(2)對(duì)機(jī)械化中耕管理:要求分蘗性強(qiáng),先促蘗,后伸長(zhǎng),主莖、分蘗整齊均勻的品種,避免使用主莖伸長(zhǎng)較早,分蘗出生較晚的品種,以保證中耕培土的作業(yè)適期和作業(yè)質(zhì)量。

(3)對(duì)機(jī)械收獲:要求甘蔗品種具備抗倒伏、易脫葉等特性,抗倒伏可降低機(jī)收損失率和對(duì)蔗蔸的損傷,脫葉性好可降低機(jī)收含雜率。

4.2 以高糖性狀為主要目標(biāo)進(jìn)行改良

甘蔗屬單子葉植物,要通過(guò)不斷增加蔗莖的粗度來(lái)提高產(chǎn)量是一件比較困難的事情。國(guó)內(nèi)外多年甘蔗品種改良實(shí)踐證明,近30多年來(lái),甘蔗品種改良與其它作物相比,單株的單產(chǎn)改良效果不佳。為此,需要調(diào)整甘蔗育種的方向,從傳統(tǒng)育種注重單莖重,改變?yōu)橹鞴ジ收嵊行o和甘蔗蔗糖分含量,蔗糖分的廣義遺傳力為 90.21%[15],在所有性狀指標(biāo)上是最高的。為此,在選用高糖親本的同時(shí),要將甘蔗品種蔗糖分選育作為最主要的指標(biāo)。

4.3 加快開展甘蔗生物育種

傳統(tǒng)雜交育種是甘蔗遺傳改良的主要方法,一直支撐了甘蔗糖業(yè)的發(fā)展。然而,傳統(tǒng)“五圃制”甘蔗雜交育種方法,培育一個(gè)新品種需要耗時(shí)8—10年,育種周期長(zhǎng)?，F(xiàn)代分子生物技術(shù)為甘蔗遺傳改良提供了新的途徑,以轉(zhuǎn)基因技術(shù)為主的現(xiàn)代分子生物技術(shù),一是可避免品種雜交導(dǎo)致的大量基因重組;二是可通過(guò)導(dǎo)入其他生物體中的外源基因進(jìn)行定向改良;三是可大幅度縮短育種周期。世界主產(chǎn)國(guó)巴西5年前已培育含BT基因抗螟蟲危害的甘蔗新品種,2021年發(fā)展種植面積達(dá)6.67萬(wàn)公頃,我國(guó)要加快甘蔗基因工程育種。

4.4 加強(qiáng)良繁基地建設(shè),加速脫毒種苗大規(guī)模應(yīng)用

良繁基地建設(shè)是推廣糖料蔗脫毒種苗,提供優(yōu)質(zhì)種苗來(lái)源的關(guān)鍵,要新建、改擴(kuò)建一批種莖加工廠,加大糖料蔗脫毒種苗推廣力度,同時(shí)積極引入社會(huì)資本、財(cái)政補(bǔ)貼和金融支持等形式,對(duì)已建成的甘蔗種莖加工廠進(jìn)行升級(jí)改造,建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化種莖加工廠,實(shí)現(xiàn)脫毒種苗的大規(guī)模應(yīng)用。