方靜平 闕友雄 陳如凱

摘 要 闡述了甘蔗起源、進(jìn)化、分子遺傳學(xué)在甘蔗與其近緣屬的進(jìn)化關(guān)系研究上的應(yīng)用，回答了甘蔗的起源中心、甘蔗屬及其近緣屬之間的進(jìn)化關(guān)系，以及當(dāng)前如何利用細(xì)胞學(xué)手段和分子標(biāo)記技術(shù)，從微觀分子的角度來(lái)研究和分析其遺傳多樣性、生活史進(jìn)化等生態(tài)和進(jìn)化問(wèn)題，最后對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了簡(jiǎn)要的探討。

關(guān)鍵詞 甘蔗屬；近緣屬；起源；進(jìn)化；遺傳多樣性

中圖分類(lèi)號(hào) S435.663 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

A Review of Saccharum Origin and its Evolutionary

Relationship with Related Genera

FANG Jingping， QUE Youxiong， CHEN Rukai *

Key Laboratory of Sugarcane Biology and Genetic Breeding（Fujian）， Ministry of Agriculture，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry

University / Sugarcane Research & Development Center， China Agriculture Research System， Fuzhou， Fujian 350002， China

Abstract The origin and evolution of sugarcane， as well as recent molecular genetics evidence for the phylogenetic relationship among sugarcane and its related taxa， were described. Considerable insight into the origin center of sugarcane， the evolutionary relationship among Saccharum and related genera along with how to utilize cytology and molecular markers for genetic diversity analysis and evolution study were discussed. Finally the prospect of cutting-edge technologies and research directions on sugarcane evolution issues were also discussed.

Key words Saccharum L.； Related genera； Origin； Evolution； Genetic diversity

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.04.034c

甘蔗（Saccharum spp.）是多年生宿根熱帶植物，分類(lèi)學(xué)上屬單子葉植物綱（Monocotyledoneae），穎花目（Glumiflorae），禾本科（Poaceae）黍亞科（Panicoideae）蜀黍族（Andropogoneae）甘蔗亞族（Saccharinae）甘蔗屬（Saccharum L.）。甘蔗原產(chǎn)于熱帶新幾內(nèi)亞或印度，后傳到馬來(lái)群島、中南半島、中國(guó)南方等東南亞地區(qū)，現(xiàn)廣泛種植于熱帶與亞熱帶地區(qū)，是喜溫、喜光的C4作物[1-2]。目前世界上甘蔗的水平分布在北緯33°和南緯30°之間，集中分布于南北緯25°之間。垂直分布范圍也較廣，在赤道附近可達(dá)1 500 m，在中國(guó)云南西南蔗區(qū)，如臨滄市，海拔高達(dá)1 600 m的地方還有甘蔗分布。甘蔗遺傳背景十分復(fù)雜，當(dāng)前世界主栽品種都為種間雜交復(fù)合體，屬異源非整倍性多倍體，具有豐富的遺傳多樣性、C4高光效特性和植株巨型性[1-2]。甘蔗同時(shí)也是全球重要的糖料與生物能源作物。一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，世界食糖產(chǎn)量從20世紀(jì)初期的300萬(wàn)t躍升為當(dāng)前的1.7億t，而甘蔗產(chǎn)糖量約占世界食糖總產(chǎn)的70%。近幾十年，隨著甘蔗育種水平的提高、栽培技術(shù)的發(fā)展和食糖需求量的持續(xù)增長(zhǎng)（2%的增長(zhǎng)速度），甘蔗種植面積逐步擴(kuò)大，產(chǎn)糖量正穩(wěn)步提高[1-2]。中國(guó)甘蔗種植面積位居世界第三位，位于巴西和印度之后，種植區(qū)域較為集中，主要分布在廣西、云南、廣東、海南、福建、四川和湖南等地，其中廣西和云南兩地的甘蔗種植面積超過(guò)全國(guó)的70%以上。但尤其值得注意的是，中國(guó)甘蔗產(chǎn)業(yè)存在較為嚴(yán)重的栽培品種單一化現(xiàn)象[3]，這在一定程度上制約了中國(guó)甘蔗產(chǎn)業(yè)的健康快速穩(wěn)定發(fā)展，引起生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)效益方面的眾多問(wèn)題。

甘蔗雜交育種可利用的甘蔗親本資源較為匱乏，血緣相近，遺傳基礎(chǔ)狹窄，雜種后代優(yōu)良率低，因而可利用甘蔗近緣屬抗逆耐瘠性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等特性，通過(guò)近緣屬雜交將這些優(yōu)良性狀應(yīng)用到高貴化育種中去[1-2]。另外，育種家還不斷嘗試遠(yuǎn)緣屬間雜交，也取得了一定的成績(jī)[1-2]。在甘蔗抗逆育種上常用的甘蔗遠(yuǎn)或近緣屬植物有高粱、玉米、竹屬、芒屬、蔗茅、斑茅等。隨著分子標(biāo)記輔助選擇和基因工程等分子生物學(xué)技術(shù)的日新月異，能夠在深入評(píng)價(jià)和挖掘甘蔗及其近緣屬種質(zhì)資源的遺傳多樣性的基礎(chǔ)上，了解其遺傳進(jìn)化關(guān)系，拓寬甘蔗雜交育種中親本的遺傳多樣性，實(shí)現(xiàn)中國(guó)蔗區(qū)甘蔗品種的多系布局，日漸成為中國(guó)甘蔗產(chǎn)業(yè)技術(shù)尋找突破、謀求發(fā)展的重要方向。

本文綜述了甘蔗屬及其近緣屬的遺傳特性以及它們之間的進(jìn)化關(guān)系，闡述了當(dāng)前如何利用細(xì)胞學(xué)和分子標(biāo)記技術(shù)等生物學(xué)手段輔助甘蔗雜交育種，并展望了單核苷酸多態(tài)性、高通量測(cè)序等分子生物學(xué)新技術(shù)在甘蔗研究中的應(yīng)用和發(fā)展前景。

1 甘蔗屬的起源和進(jìn)化

據(jù)史料記載，關(guān)于甘蔗屬的多樣性起源中心之說(shuō)，主要有3個(gè)說(shuō)法，一是印度東北部的阿薩姆邦至錫金，割手密和印度種原產(chǎn)于此，在這可以找到含有染色體數(shù)目最少的割手密（2n=40）；二是馬來(lái)西亞和巴布亞新幾內(nèi)亞一帶，熱帶種和大莖野生種原產(chǎn)于此；三是中國(guó)，中國(guó)種的原產(chǎn)地。公元前四世紀(jì)至公元前一世紀(jì)，很多古籍考究表明，中國(guó)的甘蔗制糖業(yè)已有一定規(guī)模[1，4]。

基于Brandes（1958）[5]的分類(lèi)方法，甘蔗屬可分為6個(gè)原始種，包括熱帶種（S. officinarum，2n=80）、細(xì)莖野生種/割手密（S. spontaneum，2n=54～112）、大莖野生種（S. robustum，2n=60或80）、中國(guó)種（S. sinense，2n=116～118）、印度種（S. barberi，2n=82～124）和食穗種（S.edule，2n=60，70或80）。割手密與大莖野生種的染色體基數(shù)分別為x=8和x=10，是甘蔗屬的最原始種[6-7]。由于染色體基數(shù)相同（x=10），高糖原始種熱帶種是從大莖野生種進(jìn)化而來(lái)，另外3個(gè)原始種（中國(guó)種、印度種、食穗種）都為前面3個(gè)原始種或與其近緣種屬的種間雜種。中國(guó)種和印度種是熱帶種和割手密的種間雜種[8]，食穗種被認(rèn)為很可能是熱帶種或者大莖野生種與一個(gè)近緣種屬的雜交種[9]，這一說(shuō)法可以用來(lái)解釋其敗育現(xiàn)象，但還有待進(jìn)一步的研究。隨著20世紀(jì)90年代分子標(biāo)記技術(shù)的興起，甘蔗復(fù)雜龐大的基因組的遺傳圖譜構(gòu)建和進(jìn)化研究初見(jiàn)端倪，但關(guān)于甘蔗6個(gè)原始種的爭(zhēng)議仍未停止，由于中國(guó)種、印度種和食穗種被認(rèn)為是種間雜種[8-9]，而且據(jù)考證，大莖野生種是熱帶種的原始種[7]，所以有研究者傾向于將甘蔗屬劃分為2個(gè)原始種。

大約1萬(wàn)年前，熱帶種（2n=80）在新幾內(nèi)亞被馴化，之后一段很長(zhǎng)的歷史中，一直是主栽品種，直至19世紀(jì)80年代，荷蘭人Sotwadel F. 和英國(guó)人Harrison J. B.與Bovell J. R. 相繼在爪哇和巴巴多斯發(fā)現(xiàn)了甘蔗實(shí)生苗，從此便掀開(kāi)了甘蔗雜交育種的新篇章[10]。隨著荷蘭甘蔗育種家Jeswiet J.的高貴化育種理論的產(chǎn)生和應(yīng)用，世界上第一個(gè)甘蔗商業(yè)品種POJ2878被培育而成，使甘蔗生產(chǎn)進(jìn)入了新的紀(jì)元[11]。高貴化育種即以高糖多汁的熱帶種為輪回親本，以抗逆性強(qiáng)、生活力旺盛的割手密野生種為供體親本，進(jìn)行雜交和回交。如今世界上的甘蔗栽培品種中，90%以上都含有POJ2878的血緣[1]。馴化后的甘蔗熱帶種蔗汁含糖量可以高達(dá)21%[12]，與之相比，大莖野生種蔗汁含糖量小于10%[13]，而割手密小于6%[14]。

2 甘蔗屬/近緣屬及其進(jìn)化關(guān)系

2.1 甘蔗近緣屬的分類(lèi)

甘蔗是禾本科蜀黍族甘蔗亞族甘蔗屬下的一種巨型生長(zhǎng)的植物。蜀黍族植物與禾本科其他植物的區(qū)別是，小穗成對(duì)排列，著生于脆的花序軸之上，基本上都是一個(gè)小穗無(wú)柄，一個(gè)小穗有柄。甘蔗亞族的主要特征是具有同性的形態(tài)相似的配對(duì)小穗，其中一個(gè)開(kāi)花，可明顯區(qū)分花穗軸和小花花梗，具有著生在一個(gè)主花軸上的復(fù)總狀花序；該亞族多是水生的，植株高大，分布在較溫暖的地區(qū)[1]。該甘蔗亞族有一些與甘蔗生長(zhǎng)緊密相關(guān)的，具有重要參考和利用價(jià)值的屬，包括有甘蔗屬、蔗茅屬（Erianthus Michx. sect. Ripidium Henrard，2n=20～90）、芒屬（Miscanthus Anderss. 2n=38）、硬穗茅屬[Sclerostachya（Hack）A. Camus，2n=30，34]和河八王屬（Narenga Bor. 2n=30）等屬，這些屬是親緣很靠近的一個(gè)群體，在野生情況下能相互雜交。Mukherjee（1957）將這些屬統(tǒng)稱(chēng)為“甘蔗復(fù)合群”（Saccharum complex）[15-16]。1975年，Daniels等人又把芒屬的雙藥芒組（Miscanthus sect. Diandra Keng）也包括到“甘蔗復(fù)合群”中去[15]（圖1）。

芒屬植物水平分布和垂直分布都十分廣泛，在自然生境中，在山腰及溪邊形成密集的灌木叢。芒屬包括5個(gè)種，代表種是五節(jié)芒（M. Floridulus（Labill.）Warb. ex Schum. et Laut）[17-18]。1967年，Grassl已證實(shí)在新幾內(nèi)亞和太平洋群島區(qū)域，五節(jié)芒的基因已經(jīng)滲入了甘蔗屬的熱帶種和大莖野生種中[19]。蔗茅屬是多年生叢生草本，高大粗壯，約有50個(gè)種。中國(guó)約有8種，育種家利用較多的野生種質(zhì)有蔗茅（Erianthus rufipilus（Steud.）Griseb.）和斑茅（Erianthus arundinaceus（Retz.）Jeswiet. 2n=20～60）[1]。蔗茅抗旱耐寒、垂度高，常見(jiàn)生長(zhǎng)于1 300～2 400 m的山坡谷地[20]。斑茅具有抗逆性強(qiáng)、宿根性好、分蘗多生長(zhǎng)快、根系發(fā)達(dá)、叢生性好、競(jìng)爭(zhēng)性強(qiáng)和適應(yīng)性廣等眾多優(yōu)點(diǎn)，近十幾年來(lái)越來(lái)越受育種專(zhuān)家的青睞，在其生物學(xué)特性、遺傳多樣性評(píng)價(jià)、抗逆基因挖掘和功能鑒定等方面開(kāi)展了較多研究，希望通過(guò)甘蔗與斑茅的雜交將斑茅的優(yōu)良基因滲入到甘蔗栽培品種中[21-25]。但其雜交后代存在花粉可育性差、回交成功率低、作父本利用真雜種難育成、優(yōu)良性狀與不良性狀間連鎖難打破等弱點(diǎn)[26-27]。

硬穗茅屬是“甘蔗復(fù)合群”的中間類(lèi)型，與其他近緣屬的區(qū)別是其莖稈中空，沒(méi)有根眼，芽發(fā)育不全。一般來(lái)說(shuō)，硬穗茅屬的染色體數(shù)為2n=30[1]，但也有例外，在印度比哈爾邦發(fā)現(xiàn)染色體數(shù)2n=34的細(xì)胞型[28]。其在印度、緬甸、中國(guó)、馬來(lái)西亞均有廣泛的分布，在喜馬拉雅山脈的1 300 m高度也可覓其蹤影。河八王屬與硬穗茅屬親緣最近，這兩個(gè)屬與其他近緣屬的不同之處在于它們的成對(duì)小穗均有花梗，而其他近緣屬的小穗一個(gè)有花梗一個(gè)無(wú)花梗；硬穗茅屬的花梗都很明顯，但河八王屬其中一個(gè)花梗幾乎看不出來(lái)。該屬?gòu)V泛分布于印度北部和東南亞等熱帶地區(qū)[1]。

2.2 甘蔗屬及其近緣屬的遺傳進(jìn)化研究

在甘蔗雜交育種中，親本是最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒(méi)有好的親本，就無(wú)從談起育成好的甘蔗品種?，F(xiàn)今保育在中國(guó)“國(guó)家甘蔗種質(zhì)資源圃”的甘蔗屬及其近緣屬植物，以及通過(guò)遺傳改良獲得的甘蔗雜交品種、雜交親本和中間材料豐富多樣，可劃分為甘蔗栽培原種資源、野生種資源和雜交種資源，其數(shù)量高達(dá)2 300多份（截至2010年），保育在廣州甘蔗糖業(yè)研究所下屬的海南甘蔗育種場(chǎng)的甘蔗種質(zhì)資源目前也已經(jīng)達(dá)到2 200多份；而美國(guó)邁阿密和印度科恩巴托甘蔗育種研究所是世界上兩大甘蔗種質(zhì)資源保存中心，分別保育了3 900和5 650份種。世界上存在的甘蔗基因類(lèi)型種類(lèi)繁多，具有廣闊的遺傳多樣性，因此利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)研究龐大豐富的“甘蔗屬?gòu)?fù)合體”及其他可利用遠(yuǎn)緣屬種的遺傳背景、親緣關(guān)系和系統(tǒng)演化是十分必要的，這為進(jìn)一步進(jìn)行甘蔗遺傳學(xué)、基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)水平上的深入探究奠定了基礎(chǔ)，為種質(zhì)資源的遺傳多樣性評(píng)價(jià)、新種質(zhì)材料的發(fā)掘、甘蔗品種改良和加速育種進(jìn)程提供了重要的依據(jù)。

DNA分子標(biāo)記以其穩(wěn)定的遺傳特性、真實(shí)可靠的研究結(jié)果成為甘蔗近遠(yuǎn)緣屬遺傳多樣性及其種間進(jìn)化研究的首要選擇[29]，如RAPD（Random Amplified Polymorphic DNA）、RFLP（Restriction Fragment Length Polymorphism）、AFLP（Amplified Fragment Length Polymorphism）、SSR（Simple Sequence Repeat）、ISSR（Inter-Simple Sequence Repeat）等數(shù)十種分子標(biāo)記技術(shù)。Nair[30]用RAPD標(biāo)記對(duì)甘蔗“甘蔗屬?gòu)?fù)合體”4個(gè)屬9個(gè)種的遺傳多樣性和系統(tǒng)進(jìn)化研究表明，熱帶種、大莖野生種、割手密和蔗茅屬各自單獨(dú)成簇，中國(guó)種和印度種組成一簇，河八王屬和硬穗茅屬組成一簇，熱帶種的遺傳多樣性較狹窄而中國(guó)種相對(duì)廣闊，硬穗茅屬與甘蔗屬親緣較近而蔗茅屬與其他近緣屬相離較遠(yuǎn)，因而可利用蔗茅屬與甘蔗屬親緣較遠(yuǎn)的特性對(duì)甘蔗栽培品種進(jìn)行遺傳改良，該特性也通過(guò)利用AFLP構(gòu)建甘蔗屬與蔗茅屬的系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)[31]以及ISSR標(biāo)記[32]得以驗(yàn)證。同時(shí)，利用ISSR標(biāo)記驗(yàn)證甘蔗近緣屬間親緣關(guān)系也發(fā)現(xiàn)了五節(jié)芒、斑茅與甘蔗屬親緣關(guān)系較遠(yuǎn)[32]。其中五節(jié)芒最遠(yuǎn)，而同屬于蔗茅屬的斑茅與蔗茅親緣關(guān)系很接近，這也與周耀輝等[33]的形態(tài)學(xué)研究結(jié)果相吻合。結(jié)合SSR標(biāo)記和AFLP標(biāo)記對(duì)抗旱耐寒野生種滇蔗茅與其他蔗茅屬及“甘蔗屬?gòu)?fù)合體”的遺傳關(guān)系進(jìn)行初步評(píng)估，其相似性矩陣表明滇蔗茅不同于普通蔗茅屬和其他屬，其與蔗茅和兩個(gè)芒屬種聚集成群，并位于甘蔗屬群和蔗茅屬群之間[34-35]。徐榮[25]運(yùn)用ISSR分子標(biāo)記研究了92份甘蔗野生近緣種材料的遺傳多樣性和親屬關(guān)系，其聚類(lèi)結(jié)果同形態(tài)學(xué)分類(lèi)基本吻合，并發(fā)現(xiàn)同一類(lèi)群的遺傳相似系數(shù)與地理位置相關(guān)，而與生態(tài)環(huán)境關(guān)系不大。

利用其他分子生物學(xué)技術(shù)手段如對(duì)5 S rRNA基因間隔區(qū)核酸序列進(jìn)行PCR擴(kuò)增也發(fā)現(xiàn)了甘蔗屬野生種與近緣屬蔗茅、芒屬及遠(yuǎn)緣屬加州紅杉、高粱和玉米的多態(tài)性[36]。該多態(tài)性不僅體現(xiàn)在序列片段大小上，也體現(xiàn)在單核酸水平上。系統(tǒng)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，甘蔗近緣屬種蔗茅與甘蔗遠(yuǎn)緣屬種加州紅杉、芒屬品種、高粱和玉米聚集成簇，而甘蔗屬熱帶種和栽培種各自獨(dú)立，但都與割手密簇緊密相關(guān)。利用核糖體DNA的內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)ITS序列、質(zhì)粒內(nèi)含子trnL序列和基因間間隔區(qū)trnL-F序列對(duì)甘蔗屬與芒屬等其他近緣屬之間系統(tǒng)演化關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)甘蔗屬與芒屬是多元起源的，甘蔗屬的熱帶種和割手密分支與芒屬分支相鄰，但沒(méi)有證據(jù)表明蔗茅屬和河八王屬是由甘蔗屬野生種分化而成的，研究表明滇蔗茅和河八王與來(lái)源于喜馬拉雅山脈和非洲的芒屬更為接近[37]。通過(guò)對(duì)“甘蔗屬?gòu)?fù)合體”屬內(nèi)和屬間進(jìn)行系統(tǒng)分類(lèi)和親緣關(guān)系分析，能夠較準(zhǔn)確評(píng)估各個(gè)近緣種的分類(lèi)地位和及其遺傳多樣性水平。

隨著高通量測(cè)序技術(shù)的高速發(fā)展和比較基因組學(xué)的廣泛應(yīng)用，甘蔗與遠(yuǎn)緣屬種間的進(jìn)化關(guān)系也取得了突破性進(jìn)展?；诟吡坏幕蚪M較?。s30Mb），已完全測(cè)序，與甘蔗共線性好，染色體重排情況較少[38]，在甘蔗比較基因組學(xué)分析上，普遍用高粱作為甘蔗的參照模型[39]。通過(guò)一個(gè)禾本科中研究較為透徹的高度保守的基因Adh1（高粱，玉米，水稻和甘蔗都有）不僅可以推斷甘蔗和高粱的進(jìn)化分支時(shí)間，也可以推斷出甘蔗屬不同原始種之間的進(jìn)化分支時(shí)間。該研究發(fā)現(xiàn)甘蔗與高粱的分化時(shí)間大約在800～900萬(wàn)年前，而熱帶種和割手密的分化時(shí)間大約在150～200萬(wàn)年前[40]。而在現(xiàn)代甘蔗栽培品種R570的BAC（Bacterial Artificial Chromosome）測(cè)序文庫(kù)與高粱基因組的比較分析中，進(jìn)一步精確了甘蔗與高粱的分化時(shí)間，約為770萬(wàn)年前[39]。

3 甘蔗屬內(nèi)遺傳進(jìn)化的現(xiàn)代細(xì)胞遺傳學(xué)和分子標(biāo)記研究

遺傳多樣性研究常常用以衡量物種（間）進(jìn)化和親緣關(guān)系。遺傳多樣性分析方法隨生物學(xué)，尤其是遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展而不斷提高和完善[41-42]?，F(xiàn)代甘蔗栽培品種是高度雜合的種間雜交種，是迄今為止作物研究領(lǐng)域遺傳背景最復(fù)雜的作物之一，在傳統(tǒng)分類(lèi)學(xué)上，常常用形態(tài)學(xué)、染色體數(shù)目和地理分布等方法來(lái)對(duì)甘蔗屬進(jìn)行系統(tǒng)分類(lèi)，但基于細(xì)胞學(xué)手段和DNA分子標(biāo)記技術(shù)分析甘蔗屬不同種間或種內(nèi)親緣關(guān)系及種質(zhì)鑒定是最行之有效的途徑[1]。

3.1 細(xì)胞學(xué)研究

不同于大部分作物，甘蔗種質(zhì)間（內(nèi)）染色體數(shù)目變化很大，傳統(tǒng)細(xì)胞遺傳學(xué)分析已表明，現(xiàn)代甘蔗栽培品種是通過(guò)甘蔗屬及近緣屬的種間（種內(nèi)）雜交或回交而形成的，并對(duì)原始種的染色體數(shù)提出了各種假說(shuō)。熱帶種的染色體數(shù)為2n=80，大莖野生種的染色體數(shù)為2n=60～200，其最常見(jiàn)的細(xì)胞型為2n=60或80[43-44]。大莖野生種被公認(rèn)為是熱帶種的祖先，它們的染色體基數(shù)相同，都為x=10[45]?，F(xiàn)代甘蔗栽培品種的抗逆基因主要源自于原始種割手密，其染色體數(shù)目為2n=36～128，有5個(gè)主要的細(xì)胞型：2n=64，80，96，112，或120，染色體基數(shù)為x=8[46]。

但傳統(tǒng)細(xì)胞遺傳學(xué)方法具有顯帶技術(shù)分辨率低、只能分析中期分裂相細(xì)胞、染色體核型分析困難等局限性。隨著近20年分子細(xì)胞遺傳學(xué)的快速發(fā)展，甘蔗細(xì)胞遺傳學(xué)有了突破性進(jìn)展，特別是在染色體數(shù)目、染色體配對(duì)和基因組結(jié)構(gòu)研究上，對(duì)傳統(tǒng)細(xì)胞遺傳學(xué)提出的關(guān)于染色體數(shù)目和染色體交換重組等各種假說(shuō)給出了實(shí)質(zhì)性的驗(yàn)證。DHont等[6-7，47]利用染色體熒光原位雜交（Fluorescent in situ hybridization，F(xiàn)ISH）技術(shù)對(duì)熱帶種2個(gè)無(wú)性系和大莖野生種3個(gè)無(wú)性系的rRNA和5 S基因進(jìn)行定位，驗(yàn)證了熱帶種與大莖野生種x=10以及割手密x=8的說(shuō)法。傳統(tǒng)細(xì)胞遺傳學(xué)認(rèn)為熱帶種和割手密之間沒(méi)有任何染色體的交換重組事件發(fā)生[41-43]，但FISH技術(shù)的應(yīng)用讓這一說(shuō)法不攻自破。據(jù)DHont[47]研究，在栽培品種R570中，10%源自于割手密，80%源自于熱帶種，還有10%源自于前兩者的重組染色體。后續(xù)對(duì)7個(gè)不同現(xiàn)代栽培品種的染色體研究表明，栽培品種10%～23%源自于割手密，5%～17%為割手密與熱帶種的重組染色體[24，48-49]。育種中常常希望能把甘蔗近緣屬芒屬、蔗茅屬等的優(yōu)良基因引入甘蔗栽培品種中，然而，其雜交后代不僅存在子代難育成的問(wèn)題，而且僅通過(guò)傳統(tǒng)細(xì)胞遺傳學(xué)方法難以鑒定真雜種。DNA分子標(biāo)記和FISH等現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)可用來(lái)解決真雜種難鑒定這一問(wèn)題，在種苗階段便可鑒定出真雜種，另外，這些技術(shù)還可用于滲入基因的檢測(cè)[21，49-53]。利用FISH技術(shù)可以在雜交種F1、BC1和BC2染色體中觀察到滲入的近緣種基因的變化動(dòng)態(tài)[49，52]。Alix[50-51]分別克隆芒屬和蔗茅屬的幾段特異重復(fù)序列，并觀察它們?cè)谌旧w上的分布情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)端?；蚣易澹粋€(gè)著絲?；蚣易搴鸵粋€(gè)分布于整個(gè)基因組的基因家族。熱帶種與斑茅的雜交BC1（F1×熱帶種）或BC2（BC1×熱帶種）無(wú)性系染色體中存在斑茅染色體缺失現(xiàn)象，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)熱帶種與斑茅的重組染色體[24，49，52]。

3.2 分子標(biāo)記研究

分子標(biāo)記常應(yīng)用于群體結(jié)構(gòu)、進(jìn)化關(guān)系以及植物全基因組水平遺傳結(jié)構(gòu)的探究[54]。各種基于分子標(biāo)記方法的遺傳多樣性分析研究都表明，在甘蔗屬6個(gè)原始種中，大莖野生種和熱帶種親緣關(guān)系最近，中國(guó)種與印度種親緣關(guān)系最近，割手密與甘蔗屬內(nèi)其他原始種親緣關(guān)系最遠(yuǎn)[30-31，55-63]。

RFLP是最早應(yīng)用在甘蔗屬內(nèi)不同種之間的遺傳多樣性研究的分子標(biāo)記手段?；诩?xì)胞核遺傳物質(zhì)的RFLP分析發(fā)現(xiàn)，割手密無(wú)性系間的遺傳變異度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他5個(gè)原始種無(wú)性系內(nèi)遺傳差異[30，57，59-60]，表明熱帶種、大莖野生種、中國(guó)種、印度種、食穗種親緣關(guān)系較近，割手密與其他甘蔗屬原始種親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。隨后研究者們通過(guò)其他標(biāo)記方法如RAPD[30]、SSR[61]和AFLP[31]等都支持了這一論點(diǎn)。Singh等[62]用SSR標(biāo)記分析比較了割手密和印度種無(wú)性系，也發(fā)現(xiàn)割手密具有更為廣闊的遺傳變異度。通過(guò)靶位區(qū)域擴(kuò)增多態(tài)性（Target Region Amplification Polymorphism，TRAP）標(biāo)記對(duì)甘蔗屬種進(jìn)行研究并進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示具有高抗低糖特性的原始種割手密自成一簇，而其他五個(gè)原始種都有相互重疊的區(qū)域[55]。利用相關(guān)序列擴(kuò)增多態(tài)性（Sequence-related Amplified Polymorphism，SRAP）標(biāo)記分析發(fā)現(xiàn)大莖野生種、中國(guó)種或印度種都可以與熱帶種歸類(lèi)為一個(gè)獨(dú)立的亞群[63]。另外，用SSR標(biāo)記分析印度種、熱帶種、大莖野生種、中國(guó)種和割手密的親緣關(guān)系發(fā)現(xiàn)，大莖野生種很可能就是熱帶種的祖先[56]。

基于細(xì)胞器遺傳物質(zhì)的分子標(biāo)記研究層出不窮。DHont[58]發(fā)現(xiàn)甘蔗熱帶種與大莖野生種親緣關(guān)系最近，甘蔗熱帶種、印度種、中國(guó)種和食穗種間遺傳變異度最小，但相對(duì)而言，割手密與甘蔗屬內(nèi)其他原始種親緣關(guān)系最遠(yuǎn)，這與基于細(xì)胞核遺傳物質(zhì)遺傳多樣性分析結(jié)果一致。限制性?xún)?nèi)切酶位點(diǎn)分析[64]和基于葉綠體基因組序列的分析[65]也證明了這一論點(diǎn)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了中國(guó)種和印度種之間的遺傳相似性[65]，這點(diǎn)印證了早前的RFLP分析結(jié)論[57，59，66]，即中國(guó)種和印度種很可能是熱帶種與割手密的自然雜交種分化而來(lái)。隨后，DHont[8]通過(guò)原位雜交技術(shù)（GISH）證實(shí)了這一觀點(diǎn)。

4 研究展望

多倍體現(xiàn)象，或稱(chēng)為全基因組復(fù)制（Genome wide duplication，GWD）現(xiàn)象在被子植物中是十分常見(jiàn)的，這也是被子植物進(jìn)化的原動(dòng)力[67]。但相信給予足夠的時(shí)間，多倍體植物都會(huì)經(jīng)歷二倍化的過(guò)程，最終回歸為二倍體植物[68]。大約100～200萬(wàn)年前，甘蔗經(jīng)歷了兩輪的全基因組復(fù)制最后才形成我們所知道的同源多倍體原始種[40]。盡管甘蔗分子標(biāo)記技術(shù)發(fā)展迅速，與水稻、玉米、高粱等作物的研究進(jìn)展相比，甘蔗遺傳背景復(fù)雜、基礎(chǔ)生物學(xué)研究相對(duì)薄弱，再加上甘蔗育種可利用種質(zhì)資源較為狹窄，育種遭受瓶頸，因此想繼續(xù)為甘蔗產(chǎn)業(yè)提供具有豐富遺傳多樣性、廣泛生態(tài)適應(yīng)性、高產(chǎn)高糖高蓄能的環(huán)境友好型的糖能兼用系列新品種，任重而道遠(yuǎn)，需要尋求新的技術(shù)突破口。從甘蔗屬起源及其與近緣屬進(jìn)化關(guān)系角度發(fā)掘甘蔗新育種種質(zhì)是解決育種瓶頸的突破點(diǎn)。近年來(lái)，單核苷酸多態(tài)性技術(shù)（Single nucleotide polymorphisms，SNP）受到了廣泛關(guān)注[69]，由于個(gè)體間核苷酸序列的差異性極大，其具有其他標(biāo)記無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，已在模式植物和重要作物中取得可喜的進(jìn)展，具有很高的發(fā)展?jié)摿?。與同源多倍體相比，異源多倍體的SNP開(kāi)發(fā)較為復(fù)雜，需熟練掌握生物信息學(xué)和分子生物學(xué)的知識(shí)，主要采用擴(kuò)增子測(cè)序的方法[70]。另外，高通量測(cè)序技術(shù)（High-throughput sequencing），也稱(chēng)為“二代”測(cè)序技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，使得對(duì)一個(gè)物種的轉(zhuǎn)錄組和基因組進(jìn)行細(xì)致全貌的深度分析成為可能。全基因組測(cè)序可獲得物種的基因組序列圖譜，通過(guò)對(duì)基因組序列的系統(tǒng)研究，不僅可以闡述物種的起源、進(jìn)化歷史、發(fā)育過(guò)程和生理機(jī)制，還可以挖掘有用基因，為今后的分子遺傳和育種研究領(lǐng)域奠定重要的科學(xué)基礎(chǔ)，提供一個(gè)嶄新的跨越式的發(fā)展平臺(tái)[71]。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳如凱. 現(xiàn)代甘蔗遺傳育種[M]. 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社， 2011.

[2] 張 華， 陳如凱. 提升中國(guó)甘蔗核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力的研究[J]. 甘蔗， 2003， 10（3）： 49-54.

[3] 陳如凱. 甘蔗產(chǎn)業(yè)與科技發(fā)展戰(zhàn)略研究[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 2011.

[4] Daniels J， Smith P， Paton N. The origin of sugarcanes and centres of genetic diversity in Saccharum[J]. South East Asian Plant Genetic Resources Proceeding， 1975： 20-22.

[5] Brandes E. Origin， classification and characteristics[J]. Sugarcane， 1958： 1-35.

[6] D'Hont A， Ison D， Alix K， et al. Determination of basic chromosome numbers in the genus Saccharum by physical mapping of ribosomal RNA genes[J]. Genome， 1998， 41（2）： 221-225.

[7] Ha S， Moore P H， Heinz D， et al. Quantitative chromosome map of the polyploid Saccharum spontaneum by multicolor fluorescence in situ hybridization and imaging methods[J]. Plant molecular biology， 1999， 39（6）： 1 165-1 173.

[8] D'Hont A， Paulet F， Glaszmann J C. Oligoclonal interspecific origin of ‘North Indian and ‘Chinese sugarcanes[J]. Chromosome Research， 2002， 10（3）： 253-262.

[9] Daniels J， Roach B T. Taxonomy and evolution[M]. Sugarcane improvement through breeding Elsevier， Amsterdam， 1987， 7-84.

[10] Harrison J. Seedlings of Sugar Cane at Barbados.（Saccharum officinarum L.）[J]. Bulletin of Miscellaneous Information（Royal Gardens， Kew）， 1888， 1888（24）： 294-296.

[11] Jeswiet J. The development of selection and breeding of the sugar cane in Java[C]. proceedings of the Proc Congr Intern Soc Sugar Cane Techn， F， 1930.

[12] Sreenivasan T， Nair N. Catalogue on Sugarcane Genetic Resources-III Saccharum officinarum L[M]. Sugarcane Breeding Institute， Coimbatore， India， 1991.

[13] Subba Rao N， Tilak K， Singh C. Synergistic effect of vesicular-arbuscular mycorrhizas and Azospirillum brasilense on the growth of barley in pots[J]. Soil biology & biochemistry， 1985， 17（1）： 119-121.

[14] Bull T， Glasziou K. The evolutionary significance of sugar accumulation in Saccharum[J]. Australian Journal of Biological Sciences， 1963， 16（4）： 737-742.

[15] Daniels J， Roach B. A taxonomic listing of Saccharum and related genera[J]. Sugar Cane Spring Suppl， 1987： 16-20.

[16] Daniels J， Roach B， Daniels C， et al. The taxonomic status of Saccharum barberi Jeswiet and S. sinense Roxb[J]. Sugar Cane， 1991： 11-16.

[17] 刁 英， 余作平， 胡中立. 芒屬植物研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2011， （2）： 265-268.

[18] 梁緒振， 陳太祥， 白史且， 等. 芒屬（Miscanthus）植物種質(zhì)資源研究進(jìn)展[J]. 草業(yè)與畜牧， 2010， （10）： 1-5.

[19] Grassl C. Introgression between Saccharum and Miscanthus in N. Guinea & Pacific[M]. Miscanthus， 1967.

[20] 吳征鎰. 西藏植物志（第5卷）[M]. 北京： 科學(xué)出版社， 1987.

[21] Cai Q， Aitken K， Deng H， et al. Verification of the introgression of Erianthus arundinaceus germplasm into sugarcane using molecular markers[J]. Plant Breeding， 2005， 124（4）： 322-328.

[22] Lee D， Berding N， Jackes B， et al. Isozyme markers in Saccharum spp. hybrids and Erianthus arundinaceus（Retz.）Jeswiet[J]. Australian Journal of Agricultural Research， 1998， 49： 915-921.

[23] Nair N V， Praneetha M. Cyto-morphological studies on three Erianthus arundinaceus（Retz.）Jeswiet accessions from the Andaman-Nicobar Islands， India[J]. Cytologia， 2006， 71（2）： 107-109.

[24] Piperidis G， Piperidis N， D'Hont A. Molecular cytogenetic investigation of chromosome composition and transmission in sugarcane[J]. Molecular Genetics and Genomics， 2010， 284（1）： 65-73.

[25] 徐 榮. 甘蔗野生近緣種遺傳關(guān)系的ISSR標(biāo)記分析[D]. 昆明： 西南林業(yè)大學(xué)， 2009.

[26] 刀志學(xué)， 白史且， 陳智華， 等. 斑茅種質(zhì)資源研究進(jìn)展[J]. 草業(yè)科學(xué)， 2013， 30（1）： 125-130.

[27] 劉少謀， 符 成， 陳勇生. 近十年海南甘蔗育種場(chǎng)斑茅后代回交利用研究[J]. 甘蔗糖業(yè)， 2007， （2）： 1-6， 17.

[28] Sreenivasan J， Sreenivasan T. In vitro propagation of a Saccharum officinarum（L.）and Sclerostachya fusca（Roxb.）A. Camus hybrid[J]. Theoretical and Applied Genetics， 1984， 67（2-3）： 171-174.

[29] 周延清. DNA分子標(biāo)記技術(shù)在植物研究中的應(yīng)用[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2005.

[30] Nair N V， Nair S， Sreenivasan T， et al. Analysis of genetic diversity and phylogeny in Saccharum and related genera using RAPD markers[J]. Genetic Resources and Crop Evolution， 1999， 46（1）： 73-79.

[31] Selvi A， Nair N， Noyer J， et al. AFLP analysis of the phenetic organization and genetic diversity in the sugarcane complex， Saccharum and Erianthus[J]. Genetic Resources and Crop Evolution， 2006， 53（4）： 831-842.

[32] 余愛(ài)麗， 張木清， 陳如凱. ISSR分子標(biāo)記在甘蔗及其近緣屬分類(lèi)上的應(yīng)用[J]. 福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2002， 31（4）： 484-489.

[33] 周耀輝. 斑茅分類(lèi)地位的研究[M]. 甘蔗糖業(yè)， 1989： 4-6.

[34] Cai Q， Aitken K， Fan Y， et al. A preliminary assessment of the genetic relationship between Erianthus rockii and the “Saccharum complex” using microsatellite（SSR）and AFLP markers[J]. Plant Science， 2005， 169（5）： 976-984.

[35] 蔡 青， 范源洪. 利用AFLP進(jìn)行 “甘蔗屬?gòu)?fù)合體” 系統(tǒng)演化和親緣關(guān)系研究[J]. 作物學(xué)報(bào)， 2005， 31（5）： 551-559.

[36] Pan Y B， Burner D， Legendre B. An assessment of the phylogenetic relationship among sugarcane and related taxa based on the nucleotide sequence of 5S rRNA intergenic spacers[J]. Genetica， 2000， 108（3）： 285-295.

[37] Hodkinson T R， Chase M W， Lledó D M， et al. Phylogenetics of Miscanthus， Saccharum and related genera（Saccharinae， Andropogoneae， Poaceae）based on DNA sequences from ITS nuclear ribosomal DNA and plastid trnL intron and trnL-F intergenic spacers[J]. Journal of Plant Research， 2002， 115（5）： 381-392.

[38] Ming R， Liu S C， Lin Y R， et al. Detailed alignment of Saccharum and Sorghum chromosomes： comparative organization of closely related diploid and polyploid genomes[J]. Genetics， 1998， 150（4）： 1 663-1 682.

[39] Wang J， Roe B， Macmil S， et al. Microcollinearity between autopolyploid sugarcane and diploid sorghum genomes[J]. BMC genomics， 2010， 11（1）： 261.

[40] Jannoo N， Grivet L， Chantret N， et al. Orthologous comparison in a gene-rich region among grasses reveals stability in the sugarcane polyploid genome[J]. The Plant Journal， 2007， 50（4）： 574-585.

[41] 馬克平. 試論生物多樣性的概念[J]. 生物多樣性， 1993， 1（1）： 20-22.

[42] 沈 浩， 劉登義. 遺傳多樣性概述[J]. 生物學(xué)雜志， 2001， 18（3）： 5-7.

[43] Heinz D J. Sugarcane improvement through breeding[M]. Elsevier， 1987.

[44] Sreenivasan T， Ahloowalia B. Cytogenetics In： Sugarcane Improvement Through Breeding. Don Heinz[M]. Elsevier， Amsterdan， 1987.

[45] Bremer G. Problems in breeding and cytology of sugar cane[J]. Euphytica， 1961， 10（1）： 59-78.

[46] Panje R， Babu C. Studies in Saccharum spontaneum distribution and geographical association of chromosome numbers[J]. Cytologia， 1960， 25： 152-172.

[47] DHont A， Grivet L， Feldmann P， et al. Characterisation of the double genome structure of modern sugarcane cultivars（Saccharum spp.）by molecular cytogenetics[J]. Molecular and General Genetics MGG， 1996， 250（4）： 405-413.

[48] Cuadrado A， Acevedo R， de la Espina S M D， et al. Genome remodelling in three modern S. officinarum × S. spontaneum sugarcane cultivars[J]. Journal of experimental botany， 2004， 55（398）： 847-854.

[49] Piperidis G， Dhont A. Chromosome composition analysis of various Saccharum interspecific hybrids by genomic in situ hybridisation（GISH）； proceedings of the International Society of Sugar Cane Technologists Proceedings of the XXIV Congress， Brisbane， Australia， 17-21 September 2001 Volume 2， F， 2001[C]. Australian Society of Sugar Cane Technologists.

[50] Alix K， Baurens F C， Paulet F， et al. Isolation and characterization of a satellite DNA family in the Saccharum complex[J]. Genome， 1998， 41（6）： 854-864.

[51] Alix K， Paulet F， Glaszmann J C， et al. Inter-Alu-like species-specific sequences in the Saccharum complex[J]. Theoretical and Applied Genetics， 1999， 99（6）： 962-968.

[52] D'hont A， Rao P， Feldmann P， et al. Identification and characterisation of sugarcane intergeneric hybrids， Saccharum officinarum × Erianthus arundinaceus， with molecular markers and DNA in situ hybridisation[J]. Theoretical and Applied Genetics， 1995， 91（2）： 320-326.

[53] Jing Y F， Tao L A， Liu X L， et al. Use of simple sequence repeats for authentication of sugarcane hybrids generated from Yunnan Erianthus rockii[J]. Sugar Tech， 2009， 11（3）： 296-299.

[54] Bomblies K， Weigel D. Arabidopsis-a model genus for speciation[J]. Current opinion in genetics & development， 2007， 17（6）： 500-504.

[55] Alwala S， Suman A， Arro J A， et al. Target region amplification polymorphism（TRAP）for assessing genetic diversity in sugarcane germplasm collections[J]. Crop Science， 2006， 46（1）： 448-455.

[56] Brown J S， Schnell R， Power E， et al. Analysis of clonal germplasm from five Saccharum species： S. barberi， S. robustum， S. officinarum， S. sinense and S. spontaneum. A study of inter-and intra species relationships using microsatellite markers[J]. Genetic Resources and Crop Evolution， 2007， 54（3）： 627-648.

[57] Burnquist W， Sorrelles M， Tanksley S. Characterization of genetic variability in Saccharum germplasm by means of restriction fragment length polymorphism（RFLP）analysis[C]. proceedings of the Proceedings XXI Congress of ISSCT， Bangkok（Thailand）， 5-14 Mar 1992， F， 1995.

[58] DHont A， Lu Y， Feldmann P. Cytoplasmic diversity in sugar cane revealed by heterologous probes[J]. Sugar Cane， 1993， 12-15.

[59] Glaszmann J， Lu Y， Lanaud C. Variation of nuclear ribosomal DNA in sugarcane[J]. Journal of Genetics & Breeding， 1990， 44（3）： 191-197.

[60] Lu Y， DHont A， Walker D， et al. Relationships among ancestral species of sugarcane revealed with RFLP using single copy maize nuclear probes[J]. Euphytica， 1994， 78（1-2）： 7-18.

[61] Selvi A， Nair N， Balasundaram N， et al. Evaluation of maize microsatellite markers for genetic diversity analysis and fingerprinting in sugarcane[J]. Genome， 2003， 46（3）： 394-403.

[62] Singh R， Mishra S K， Singh S P， et al. Evaluation of microsatellite markers for genetic diversity analysis among sugarcane species and commercial hybrids[J]. Aust J Crop Sci， 2010， 4： 116-125.

[63] Suman A， Kimbeng C A， Edmé S J， et al. Sequence-related amplified polymorphism（SRAP）markers for assessing genetic relationships and diversity in sugarcane germplasm collections[J]. Plant Genetic Resources： Characterization and Utilization， 2008， 6（3）： 222-231.

[64] Sobral B， Braga D， LaHood E， et al. Phylogenetic analysis of chloroplast restriction enzyme site mutations in the Saccharinae Griseb. subtribe of the Andropogoneae Dumort. tribe[J]. Theoretical and Applied Genetics， 1994， 87（7）： 843-853.

[65] Takahashi S， Furukawa T， Asano T， et al. Very close relationship of the chloroplast genomes among Saccharum species[J]. Theoretical and Applied Genetics， 2005， 110（8）： 1 523-1 529.

[66] Lu Y， DHont A， Paulet F， et al. Molecular diversity and genome structure in modern sugarcane varieties[J]. Euphytica， 1994， 78（3）： 217-226.

[67] Jiao Y， Wickett N J， Ayyampalayam S， et al. Ancestral polyploidy in seed plants and angiosperms[J]. Nature， 2011， 473（7345）： 97-100.

[68] 楊 繼. 植物多倍體基因組的形成與進(jìn)化[J]. 植物分類(lèi)學(xué)報(bào)， 2001， 39（4）： 357-371.

[69] Shi J， Wang Y， Huang W. Development and application of genotyping technologies[J]. Science in China Series C： Life Sciences， 2009， 52（1）： 17-23.

[70] 洪彥斌， 李杏瑜， 梁炫強(qiáng). 植物SNP的開(kāi)發(fā)研究進(jìn)展[J]. 分子植物育種（網(wǎng)絡(luò)版）， 2011， 9： 1 807-1 817.

[71] 岳桂東， 高 強(qiáng)， 羅龍海， 等. 高通量測(cè)序技術(shù)在動(dòng)植物研究領(lǐng)域中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)科學(xué)， 2012， 42（2）： 107-124.