馬龍彪 ，吳則東 ，王茂芊 ，邳植 ，興旺

（1.黑龍江省普通高等學校甜菜遺傳育種重點實驗室，哈爾濱150080；2.中國農業(yè)科學院甜菜研究所/黑龍江大學農作物研究院，哈爾濱150080；3.中國農業(yè)科學院北方糖料作物資源與利用重點開放實驗室，哈爾濱150080）

甜菜作為世界上一種重要的糖料作物，發(fā)展歷史只有200多年，最初生產上使用的甜菜品種是多胚種，一粒種子可以發(fā)出幾個芽，后來為了適應減少人力的需求，發(fā)展了機械化單粒種。自從上個世紀80年代，甜菜品種由最初的機械化單粒種轉變?yōu)檫z傳單粒種后，每公頃的產糖量每年以幾乎1.5%的速度遞增[1]。甜菜育種的目標是創(chuàng)造穩(wěn)定、可靠的產質量不斷提高的品種，在一定的生產成本下創(chuàng)造單位面積內最高的產糖量，并且滿足環(huán)境、種植者以及糖廠的其他需求。這些目標主要通過選擇農藝和工藝性狀實現，這些選擇有些復雜，有些簡單。糖的產量是由含糖率和根產量的乘積所決定的，而根產和含糖之間總是負相關的，這兩個組分同時最大的表達很難實現。因此品種通常被分類為E型（重點在于根產），Z型（重點在于含糖率）和N型（標準型，介于二者之間）。近些年來，在品種的選擇上，有一種普遍選擇高含糖率品種的需要，但是對于任何一個特殊的地區(qū)，對于品種類型的選擇都要考慮到諸多因素的影響。糖廠提取白糖的效率也受到根中Na、K、α－氨基氮和甜菜堿濃度等的影響，這些成分大部分彼此相關而且和根產、含糖也有一定的關系。甜菜育種就是要結合高產糖量和雜質含量低主要因素。同時，為了獲得高而穩(wěn)定的產量，甜菜品種必須具有抗或耐重要的病害和蟲害等生物脅迫。為了應對未來幾年可能發(fā)生氣候變化的影響，育種者要培育出對干旱等氣候或土壤脅迫因素等非生物脅迫耐受的品種。甜菜作物的發(fā)展有賴于育種、栽培以及植保等多學科的共同發(fā)展，但品種選育是甜菜作物能夠持續(xù)發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)[1]。甜菜育種工作也從最初的系譜選擇、混合選擇發(fā)展到雜交育種以及現在利用生物技術育種，本文將簡要介紹一下甜菜育種的發(fā)展歷程以及未來育種工作的展望。

1 甜菜育種方法

1.1 傳統(tǒng)育種方法

古人講，欲善其事，必利其器。對于育種工作者而言，想要育成好的品種，就要有性狀表現優(yōu)良的多胚授粉系和盡可能多的成對單胚雄性不育系及保持系，只有擁有更多優(yōu)良性狀的種質資源，才可能從中組配、選育出生產上實用的品種。而育種家手里都會有各種各樣的甜菜種質資源，那么如何對現有的種質資源進行有效地選擇和利用，這就涉及到品系或品種的選擇方法。

1.1.1 混合選擇 按照一定的育種目標，從現有品種或育種材料中，選出一定數量外形近似的優(yōu)良個體，進行混合收獲、種植的一種育種方法。常用于品種改良和在良種繁育上保持品種純度。在甜菜中，混合選擇通常意味著在該區(qū)域對形態(tài)特征的表型選擇，其次是在實驗室中化學性質的選擇。這樣的混合選擇對形態(tài)性狀選擇的改善是有效的?；旌线x擇可能也對含糖率的選擇有效，并且這些質量性狀在很大程度上是由具有附加基因作用的可遺傳的基因控制的[2]?；旌线x擇是一項重要的技術，特別是在育種工作的前期，當原始材料可能不得不適應新的環(huán)境條件時?；旌线x擇具有適應新的農業(yè)氣候條件、改進甜菜的形態(tài)學特征（例如選擇根皮光滑、根溝較淺的甜菜），這樣的甜菜會附著土量少、選擇抗抽薹材料以及利用病圃選擇抗病性材料等。

1.1.2 系統(tǒng)選育 雜種第一次分離世代開始單株選擇，即系統(tǒng)，以后各世代均在優(yōu)良的系統(tǒng)中選育優(yōu)良單株，經過連續(xù)多代單株選擇直至株系的性狀穩(wěn)定一致，才將入選株系混收為新品系。系統(tǒng)選育是我國建國初期主要的育種方式，同時也是育種的基礎[3]。

1.1.3 輪回選擇 輪回選擇最早從玉米開始，成為玉米育種中常用的方法[4]。輪回選擇一般按照育種目標，選擇優(yōu)良的基礎群體，群體間雜交產生后代，然后對后代進行鑒定,從中選出表現最優(yōu)株；把選擇出的最優(yōu)株相互雜交形成下一輪群體。輪回選擇就是通過不斷的選擇和重組，提高群體中目標性狀有利基因的頗率和群體內優(yōu)良個體的比例，從而提高性狀平均值，維持群體的遺傳變異。

1.1.4 自交 甜菜是強烈的自交不育作物，在嚴格隔離的條件下，僅產生少量或者沒有種子。攜帶SF基因一個或者一對通常會有95%～100%的自交種子。植物攜帶這個基因，在收獲時，它不接納其它資源的花粉，也會產生很多種子[5]。這個基因很大程度上被用來發(fā)展甜菜的自交系。

1.1.5 基因突變 基因突變包括化學誘變和物理誘變，凡是能引起生物體遺傳物質發(fā)生突然或根本的改變，使其基因突變或染色體畸變達到自然水平以上的物質，統(tǒng)稱為化學誘變劑。常用的化學誘變劑如EMS（甲基磺酸乙酯）。物理誘變劑主要有紫外線、X射線、γ射線、激光、微波以及離子束等。此外還有宇宙射線，常用于航天育種等。如中國農業(yè)科學院甜菜研究所于2014年育成的甜菜新品種航甜單0919[6]，就是利用航天育種衛(wèi)星搭載的甜菜單胚雄性不育系和二倍體品系，從材料中找到優(yōu)良的變異株,利用變異株配制了8個雜交組合，從中篩選出優(yōu)良雜交組合選育而成的。

1.1.6 多倍體育種 20世紀30年代末，許多甜菜育種家和研究工作者利用秋水仙堿生產同源四倍體甜菜。最初最大的希望是能夠得到產量大幅度增加的變異。但相反的是，根重和糖產量幾乎比它們的二倍體還要低。然而，很快又發(fā)現，二倍體和四倍體自由雜交產生的三倍體，產量總是超過它們的四倍體和二倍體。這一發(fā)現導致了多倍體品種的產生，更準確地說，是一種異倍性甜菜品種，是目前三倍體雜交品種的基礎。如中國農業(yè)科學院甜菜研究所上個世紀育成一個主推品種甜研309就是三倍體雜交種[7]。三倍體雜交品種曾經是歐洲國家主要使用的品種類型，曾經主導歐洲甜菜種子市場25年，但現在三倍體雜交種的比例急劇下降。

1.2 生物技術育種

其中分子標記技術應用較多，分子標記比常規(guī)遺傳標記的優(yōu)點在于：(1)直接以DNA的形式表現，在生物體的不同組織和發(fā)育階段均可檢測到，不受其它因素影響；(2)基因組DNA多態(tài)性極其豐富，標記可遍一切處，所有生物體的檢測程序相似；(3)許多標記表現為共顯性的特點，極易進行顯隱性狀的區(qū)分與選擇。

1.2.1 遺傳圖譜構建 分子標記技術在甜菜育種上得到了廣泛的應用，其中構建甜菜遺傳圖譜應用的分子標記技術有：RFLP[8]、RAPD[9]、AFLP[10-11]、SNP[11]、EST[12]、ISSR[13]、SRAP 和 SSR[14]等。

1.2.2 基因定位 利用QTL技術已經把抗叢根病[11，15]、褐斑病[16]、孢囊線蟲[17]及抽薹[18]等相關的基因在甜菜染色體上進行了定位或克隆。

1.2.3 創(chuàng)造新種質 利用組織培養(yǎng)產生體細胞無性系變異、原生質體培養(yǎng)以及未授粉胚珠或者花藥離體培養(yǎng)，創(chuàng)造新的種質。如中國農業(yè)科學院甜菜研究所培育的甜菜品種“中甜花培一號”[19]，就是利用未授粉胚珠培養(yǎng)獲得的二倍體純系，然后以此純系為父本，雜交而成[19]。另外利用野生資源，通過雜交等手段創(chuàng)造具有特定抗性的種質資源也是現在和未來發(fā)展的方向[20]。

1.2.4 基因工程 目前利用基因工程技術已經開展的有抗線蟲[21]、抗抽薹[22]、改變糖代謝途徑[23]、抗叢根病[24]以及抗除草劑[25-26]等研究。目前美國已經允許抗農達除草劑的甜菜品種在生產上大面積應用。

2 甜菜育種未來展望

甜菜未來的育種目標就是通過培育新品種，降低甜菜種植成本，提高、改善目標產量、品質及抗性。

2.1 未來育種方向

2.1.1 培育耐瘠抗旱甜菜品種（系），減少水肥投入 野生甜菜自然生長于貧瘠沙地，具有在低養(yǎng)分土壤中保持正常生長的潛力。因此，利用野生甜菜種質選育耐貧瘠、水肥需求量少的甜菜品種是可行的。同時，研究表明耐旱能力與塊根含糖具有相關性，干旱條件更有益于甜菜糖分積累[1]。

2.1.2 培育多抗性甜菜品種，減少殺蟲劑和抗菌劑的施用 已在抗叢根病、褐斑病、曲頂病以及立枯病等方面取得了一些進展。在大部分市場，抗病蟲品種能夠很大程度上降低病蟲害帶來的經濟損失，同時避免殺蟲劑和抗菌劑施用對農業(yè)環(huán)境帶來的破壞。未來的工作重點主要是通過將不同抗病基因進行重組和定向篩選微效基因培育具有多種抗病性的甜菜品種。

2.1.3 新型抗除草劑品種 利用除草劑控制雜草，是保證甜菜高產的先決條件。迫于土壤中雜草的生長，除草劑費用在甜菜種植成本中占有較大比重。如今已經培育出抗除草劑的甜菜品種[27]，今后的研究重點將集中于新型除草劑以及相應施用體系的研發(fā)。

2.1.4 加工成本降低 每年甜菜糖產量平均增長約1.5%，約為甘蔗糖增長量的兩倍。其中，因種質創(chuàng)新導致的糖產量增長每年約為1%，從理論上這種增長仍將持續(xù)數年。高含糖率不僅降低了生產單位重量甜菜糖的運輸成本，而且還能夠有效地減少甜菜糖雜質含量和增加提取率，從而減少甜菜糖的加工成本[1]。

2.1.5 平衡甜菜含糖率和根產量 如今，高糖型和豐產型甜菜品種已經非常豐富，下一階段的重心在于將這些具有單一優(yōu)良性狀的甜菜種質進行重組，從中選育具有最優(yōu)產糖量的甜菜品種。目前包括光合作用、糖分運輸、糖分積累等代謝過程的分子機制已經取得了一定程度的進展[28－30]。通過基因編輯技術[31]，對這些代謝相關基因進行過表達或敲除，最終達到增強甜菜糖分積累的目的已經成為可能。

2.1.6 低雜質 “低雜質”是指甜菜根不易附著土壤。這些低雜質品種相較一般品種可減少附土5%～30%。

2.2 育種方法

未來育種方法主要涉及：一是分子標記被開發(fā)用于鑒定特異基因型或基因；二是新基因克隆和轉化成為創(chuàng)造遺傳變異的新工具；三是組學技術用于高通量檢測基因和蛋白質序列測定和動態(tài)表達變化。

2.2.1 分子標記 通過分子輔助選擇標記檢測，將基因型與表型相結合，應用于育種各個階段的篩選和鑒定，可以顯著提高育種選擇工作的準確性，提高育種研究的效率。經過近20年的發(fā)展，分子標記體系由早期幾個影響下胚軸顏色的基因，逐漸發(fā)展出同工酶、RFLP、AFLP、微衛(wèi)星和SNP等多種類型的分子標記。當直接導致某一表型的基因被鑒定后，該表型的育種將由只從表型進行挑選或重組向結合分子標記以反映基因變異的方式轉變。利用分子標記技術，育種將不僅是挑選或重組某一性狀表型，還包括相應基因型品種的鑒定。通過分子克隆鑒定雜交后代，最終獲得最優(yōu)組合的陽性植株。利用分子標記技術可以將多個抗性基因聚合到一起，實現聚合育種[32]。

2.2.2 基因工程技術 利用基因工程技術實現新基因轉化是培育新品種另一有效手段。今后基因轉化將不僅局限于將基因導入基因組中，還將通過編輯基因啟動子、基因修飾等方式調控基因在特異亞細胞器內表達，從而實現更精準、更高效的育種。此外，轉座子插入、CRISPR/Cas9[33]等技術也可以用于構建突變體庫，開展新品種的選育。

2.2.3 組學技術 2013年12月18日由德國比勒費爾德大學、西班牙基因組調控中心（CRG）、馬克思普朗克分子遺傳學研究所人員在Nature期刊中發(fā)表甜菜高質量參考基因組序列及四種繁殖系的綜合基因組，甜菜育種進入組學時代[34]。利用高通量測序平臺不僅可以對甜菜整個基因組基因表達進行檢測，同時可以針對不同性狀甜菜個體進行重測序，進行QTL分析及SNP分子標記挖掘[35]。

蛋白質是基因功能的執(zhí)行者，蛋白質豐度的變化直接反映作物代謝過程。通過蛋白質組學技術高通量檢測蛋白質動態(tài)變化可以有效挖掘參與目標性狀的關鍵蛋白質。已廣泛用于植物生長發(fā)育、脅迫應答分子機制的研究，發(fā)現的關鍵基因可以直接用于甜菜分子標記構建和遺傳轉化育種。

德國哥廷根大學的Hoffmann等人[36]認為甜菜潛在的產糖量為24 t/hm2，當產量達到較高水平時，育種的進展對未來的產量是至關重要的。因此未來甜菜糖業(yè)的發(fā)展，甜菜育種技術的發(fā)展尤為重要。