李滿紅，邵 科，銀 賽，趙玲玲，于 超

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)生物技術(shù)研究院；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)特色植物分子生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010070；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010018))

0 前言

甜菜是我國兩大糖料作物(甘蔗、甜菜)之一，也是我國北方重要的經(jīng)濟(jì)作物。內(nèi)蒙古、新疆、黑龍江以及甘肅省河西走廊、河北省張家口北部等是主要的甜菜糖生產(chǎn)地區(qū)，甜菜種植也是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民脫貧致富的重要途徑之一。種子是最基本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，優(yōu)良品種在生產(chǎn)上的重要性越來越受到世人的廣泛關(guān)注，總體來說我國甜菜品種除了在含糖方面略有優(yōu)勢(shì)以外，和國外發(fā)達(dá)國家引進(jìn)品種綜合比較還有很大差距。究其原因，與我國甜菜優(yōu)良種質(zhì)資源數(shù)量匱乏，具有豐產(chǎn)、高糖、優(yōu)質(zhì)、抗病等綜合性狀好的優(yōu)異種質(zhì)資源奇缺有密切關(guān)系。新時(shí)期要想在育種上有所突破，必須從重視甜菜品種資源的保護(hù)和創(chuàng)新上做起，才有可能培育出綜合性狀優(yōu)良、適應(yīng)不同生態(tài)區(qū)域種植的品種，為我國甜菜糖業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。

1 甜菜的起源及分類

1.1 甜菜的起源

關(guān)于甜菜的起源，說法不盡相同。但是大家比較普遍認(rèn)同的是甜菜于公元前2000-1000年起源于底格拉斯河和幼發(fā)拉底河流域，大約公元10世紀(jì)左右傳到地中海沿岸各國，約12世紀(jì)前后傳到西歐。甜菜最早是被當(dāng)做園藝植物進(jìn)行栽培的，直到1747年德國化學(xué)家馬格拉夫發(fā)現(xiàn)甜菜中含有與甘蔗中一樣的蔗糖之后，特別他的學(xué)生阿恰德把甜菜中的含糖通過育種提高到了7%以上，并且育成了世界上第一個(gè)甜菜品種——“白色西里西亞”之后，引起了人們的廣泛重視。此后的200余年，甜菜分布世界各地，很多地方含糖提高到20%以上，甜菜制糖產(chǎn)業(yè)漸趨成熟，現(xiàn)已成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。

1.2 甜菜的分類

甜菜(Betavulgaris.L)屬于藜科(Chenopodiaceae)甜菜屬(Beta)。根據(jù)卓西莫維奇分類法，將甜菜屬分為三組15個(gè)種(14個(gè)野生種+1個(gè)栽培種)。栽培甜菜人們根據(jù)其用途通常分為4種類型，即葉用甜菜(俗稱厚皮菜)、食用甜菜又稱紅甜菜(俗稱火焰菜)、飼用甜菜和糖用甜菜。本文所討論的甜菜系指糖用甜菜。

2 我國的甜菜種質(zhì)資源

2.1 我國引進(jìn)的甜菜種質(zhì)資源

上世紀(jì)初直至新中國成立之前，在我國東北及山東開始試種甜菜，并建立了為數(shù)不多的幾家糖廠，所用甜菜種子由波蘭、俄羅斯等國引進(jìn)，沒有專門機(jī)構(gòu)開展甜菜種子培育和研究。華北、西北只有零星種植，沒有建設(shè)糖廠。新中國成立之后，我國迎來了甜菜糖業(yè)的快速發(fā)展時(shí)期。上世紀(jì)五十年代起在東三省，內(nèi)蒙古、山西、寧夏、甘肅、新疆相繼新建糖廠，所用種子主要從前蘇聯(lián)及東歐國家引進(jìn)。

上世紀(jì)五十年代中后期，國內(nèi)開始建立專門的甜菜研發(fā)機(jī)構(gòu)，逐步開始了甜菜種質(zhì)資源的收集研究工作。國內(nèi)的甜菜種質(zhì)資源十分有限，只有少數(shù)的幾個(gè)地方品種；甜菜種質(zhì)資源主要來自波蘭、前蘇聯(lián)、保加利亞、捷克斯洛伐克、羅馬尼亞、匈牙利、民主德國(東德)、美國及日本等20多個(gè)國家，引進(jìn)資源約800份。這些材料有的曾直接用于生產(chǎn)，有的作為育種材料加以利用。改革開放之后，從美國、德國、法國、英國、瑞典、丹麥、荷蘭、比利時(shí)、日本等國引進(jìn)甜菜品種比較多，還有一些育種材料；也通過交換方式引進(jìn)了一些種質(zhì)資源，包括一些珍貴的野生資源材料。

2.2 我國的甜菜種質(zhì)資源利用及研究成就

甜菜種質(zhì)資源是甜菜科研和育種的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是遺傳基因的載體。我國甜菜科研單位在有限的資源條件下，通過育種家們的不懈努力，在上世紀(jì)六十年代中期以后陸續(xù)培育出了適合當(dāng)?shù)貧夂蚣霸耘鄺l件的品種，滿足了生產(chǎn)的急需。改革開放之后，甜菜科研及育種工作有了快速發(fā)展，各地培育出一大批優(yōu)良品種，品種的類型也呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)，如過去只是單一的二倍體系選品種，發(fā)展到了普通多倍體品種、雄性不育多倍體雜交種、雄性不育二倍體雜交種、單粒型雜交品種等，為我國制糖行業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了巨大的作用。各種類型品種收錄到《中國甜菜品種志》(1994年)中的國內(nèi)品種101個(gè)、國外引進(jìn)品種17個(gè)(50-60年代)、地方品種及其他品種31個(gè)；收錄到《中國糖用甜菜品種》(1997年)中的甜菜種質(zhì)資源497個(gè)；另據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)1994年以來通過國家或省區(qū)審定的自育甜菜品種約有50余個(gè)。

長(zhǎng)期以來，甜菜品種資源的研究受到了國家有關(guān)部門的重視，國家科技攻關(guān)連續(xù)4個(gè)五年計(jì)劃列項(xiàng)給予支持，甜菜產(chǎn)業(yè)體系包涵品種資源研究；上世紀(jì)九十年代原國家輕工業(yè)部也曾列項(xiàng)予以支持，各省區(qū)亦列項(xiàng)予以支持。通過這些項(xiàng)目的實(shí)施，各科研單位在全國范圍內(nèi)開展甜菜品種資源收集、鑒定、繁殖、保存、創(chuàng)新等工作；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家品種資源庫收集各地甜菜種質(zhì)資源入庫。現(xiàn)在我們可以在《中國作物種質(zhì)資源信息網(wǎng)》數(shù)據(jù)查詢欄目“其他作物---甜菜”中快速查詢到收錄的資源；中國農(nóng)科院甜菜研究所研究確定了甜菜種質(zhì)資源描述標(biāo)準(zhǔn)制定的原則和方法，編制出版了《甜菜種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定了主要試驗(yàn)鑒定技術(shù)參數(shù)指標(biāo)和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)范。

3 新時(shí)期如何做好甜菜種質(zhì)資源保存評(píng)價(jià)和創(chuàng)新

3.1 開展甜菜種質(zhì)資源收集保存評(píng)價(jià)和創(chuàng)新的緊迫性

當(dāng)前種質(zhì)資源已成為世界范圍內(nèi)備受重視和矚目的資源，科學(xué)家認(rèn)為21世紀(jì)種質(zhì)資源是農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵資源，是世界種業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。目前我國甜菜生產(chǎn)上存在的突出問題是，單產(chǎn)低、含糖率不高、抗逆性、抗病性差。除栽培技術(shù)、機(jī)械化、水利化等因素外，甜菜育種和國外的差距很大，種子資源匱乏是制約我國甜菜育種的關(guān)鍵因素之一。隨著我國農(nóng)業(yè)整體生產(chǎn)水平的提高、勞動(dòng)力向城市轉(zhuǎn)移，甜菜機(jī)械化發(fā)展成為必然，這樣適合機(jī)械播種和紙筒育苗、無需人工間苗的單粒型種子備受農(nóng)民的歡迎。近年來，國外歐美大公司已占據(jù)我國甜菜生產(chǎn)用種的絕大部分市場(chǎng)。甜菜種子國產(chǎn)化已經(jīng)十分迫切，政府、企業(yè)、糖農(nóng)都在關(guān)注這項(xiàng)工作，希望盡快育成自己的適合機(jī)械化和紙筒育苗移栽的甜菜種子。因此，新時(shí)期如何開展甜菜種質(zhì)資源收集保存評(píng)價(jià)和創(chuàng)新對(duì)于我國甜菜糖業(yè)的穩(wěn)步健康發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)民增收、加快貧困地區(qū)農(nóng)民脫貧致富步伐是擺在廣大科研人員面前十分必要和緊迫的任務(wù)。

3.2 液氮超低溫保存甜菜種質(zhì)資源

種質(zhì)資源的收集整理、保存、鑒定評(píng)價(jià)是一項(xiàng)長(zhǎng)期而基礎(chǔ)性的工作?，F(xiàn)階段各育種單位收集到的甜菜種質(zhì)資源大多已經(jīng)整理和保存，鑒定評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)也基本完成。但是，進(jìn)入國家種質(zhì)資源庫的材料畢竟有限，還有很多種質(zhì)材料需要各地科研單位自行保存。由于甜菜的胚乳較小，加之甜菜種子在常溫保存的時(shí)候會(huì)進(jìn)行熵呼吸，因此在常規(guī)保存條件下，5年以后種子基本失去萌發(fā)活力，建立基因庫基本建設(shè)投資巨大，運(yùn)行成本很高。因此，探索一種新的種子保存方法對(duì)甜菜種質(zhì)資源的保存尤為必要。利用液氮超低溫對(duì)種質(zhì)資源的保存是目前常用的方法之一，其優(yōu)點(diǎn)是種質(zhì)保存時(shí)間極長(zhǎng)，成本相對(duì)較低。但對(duì)于超低溫保存存在物種特異性，為此內(nèi)蒙古生物技術(shù)研究院將所收集并評(píng)價(jià)后的優(yōu)良種質(zhì)資源利用液氮超低溫保存進(jìn)行探索研究，為甜菜種質(zhì)資源的保存提供一個(gè)新的方法。

3.3 應(yīng)用GWAS進(jìn)行甜菜種質(zhì)資源評(píng)價(jià)

甜菜全基因組關(guān)聯(lián)分析及甜菜全基因組遺傳變異圖譜。全基因組關(guān)聯(lián)分析(Genome-wide association study;GWAS)是應(yīng)用基因組中數(shù)以百萬計(jì)的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)為分子遺傳標(biāo)記，進(jìn)行全基因組水平上的對(duì)照分析或相關(guān)性分析，通過比較發(fā)現(xiàn)影響復(fù)雜性狀的基因變異的一種新策略。隨著基因組學(xué)研究以及基因芯片技術(shù)的發(fā)展，人們已通過GWAS方法發(fā)現(xiàn)并鑒定了大量與復(fù)雜性狀相關(guān)聯(lián)的遺傳變異。近年來，這種方法在農(nóng)業(yè)動(dòng)物重要經(jīng)濟(jì)性狀主效基因的篩查和鑒定中得到了應(yīng)用。

重要經(jīng)濟(jì)性狀即復(fù)雜性狀GWAS分析方法的原理是，借助于SNP分子遺傳標(biāo)記，進(jìn)行總體關(guān)聯(lián)分析，在全基因組范圍內(nèi)選擇遺傳變異進(jìn)行基因分型，比較異常和對(duì)照組之間每個(gè)遺傳變異及其頻率的差異，統(tǒng)計(jì)分析每個(gè)變異與目標(biāo)性狀之間的關(guān)聯(lián)性大小，選出最相關(guān)的遺傳變異進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果最終確認(rèn)其與目標(biāo)性狀之間的相關(guān)性。甜菜全基因組已于2013年發(fā)布，故應(yīng)用基因組重測(cè)序的方法可以更為準(zhǔn)確、更加高效的挖掘出甜菜特異功能基因，并進(jìn)一步構(gòu)建甜菜全基因組遺傳圖譜。近兩年，內(nèi)蒙古生物技術(shù)研究院與國內(nèi)專業(yè)單位合作對(duì)收集到的200余份材料進(jìn)行GWAS分析，目前數(shù)據(jù)已下線。

3.4 利用航天育種手段創(chuàng)新甜菜種質(zhì)

創(chuàng)新種質(zhì)的方法有很多，如人們熟知的β、γ射線照射、化學(xué)試劑誘變、花粉培養(yǎng)、未授粉胚珠培養(yǎng)等等，也取得了一些成績(jī)。這里著重討論航天誘變手段，因?yàn)槲覈悄壳笆澜缟险莆蘸教炱?衛(wèi)星、飛船)返回技術(shù)的三個(gè)國家之一。航天誘變育種(簡(jiǎn)稱航天育種)技術(shù)是利用返回式航天器將植物種子帶到太空，利用宇宙空間特殊的環(huán)境(微重力、高真空、宇宙射線、重粒子、交變磁場(chǎng)等因素)對(duì)植物種子的誘變作用來產(chǎn)生變異，再返回地面選育新種質(zhì)、新材料，培育新品種的作物育種新技術(shù)。這一技術(shù)的突出特點(diǎn)是：有益變異多、變異幅度大、穩(wěn)定快，是培育高產(chǎn)、質(zhì)優(yōu)、早熟、抗病農(nóng)作物新品種、新種質(zhì)資源的有效快捷途徑。

我國于1987首次航天搭載農(nóng)作物種子，2006年發(fā)射“實(shí)踐八號(hào)”衛(wèi)星專門為農(nóng)作物育種提供搭載；三十多年來成功地利用返回式航天器進(jìn)行了植物種子、微生物、枝芽、細(xì)胞組織的搭載，共搭載了糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜、花卉、草木、微生物菌株等千余品種。經(jīng)科研和生產(chǎn)單位的育種專家和科技工作者歷時(shí)30多年的地面選育試驗(yàn)，取得了可喜的成績(jī)，受到國內(nèi)外的關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2018年，全國通過航天育種方法培育的新品種超過200個(gè)，推廣面積達(dá)240萬公頃，總產(chǎn)量13億千克。2018年12月，由中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會(huì)、國家植物航天育種工程技術(shù)研究中心、中國科學(xué)院、中國農(nóng)科院、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國林業(yè)大學(xué)等14家發(fā)起單位、首批26個(gè)成員單位在北京成立航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟，召開了第一次聯(lián)盟大會(huì)并舉辦主題為“航天育種助力未來農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)”——航天育種2018北京論壇。內(nèi)蒙古生物技術(shù)研究院成為首批成員單位。2019年3月1日航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟與內(nèi)蒙古自治區(qū)生物技術(shù)研究院簽署《共同推進(jìn)航天育種產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，圍繞航天新品種示范、新品種聯(lián)合開發(fā)、技術(shù)服務(wù)、特色生產(chǎn)基地建設(shè)等方面開展戰(zhàn)略合作。

2008年原內(nèi)蒙古甜菜制糖工業(yè)研究所(2012年經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)編辦批準(zhǔn)更名為內(nèi)蒙古自治區(qū)生物技術(shù)研究院)與中國航天科技集團(tuán)公司航天育種研究中心簽訂協(xié)議，選擇兩份甜菜品系HT97005(2x)和HT984001(4x)種子搭載。提供搭載服務(wù)的是返回式科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，2008年10月經(jīng)過17天的軌道運(yùn)行，衛(wèi)星返回艙成功回收著陸。從2009年開始對(duì)這兩份搭載材料進(jìn)行試驗(yàn)和選育工作。采用單株和集團(tuán)選擇相結(jié)合的方法，有的經(jīng)過3代、有的經(jīng)過4代定向選擇、繁殖獲得新材料20多份，在經(jīng)濟(jì)性狀表現(xiàn)上差異明顯，有的豐產(chǎn)性提高、有的含糖率提高。之后于2016年6月發(fā)射的長(zhǎng)征7號(hào)火箭搭載了1份紅甜菜種子，目前在后續(xù)選育中。據(jù)報(bào)道中國農(nóng)科院甜菜研究所于2006年“實(shí)踐八號(hào)”曾搭載甜菜種子，進(jìn)行了試驗(yàn)研究。未來要探索將航天育種和常規(guī)育種、雜交育種、分子定向育種有機(jī)地結(jié)合，培育出豐產(chǎn)、高糖、抗病、抗逆性好的甜菜新品種，滿足甜菜生產(chǎn)需要。