吳才文

（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

甘蔗育種是蔗糖生產的關鍵核心技術，培育、創(chuàng)制新品種是蔗糖產業(yè)發(fā)展最經濟有效的措施。親本是甘蔗育種的物質基礎，只有親本的突破才能培育出種性突破的甘蔗新品種[1-9]。研究利用甘蔗種質資源，源源不斷地選育滿足生產需要的優(yōu)良品種，進行品種改良與更新是蔗糖產業(yè)持續(xù)發(fā)展的根本保證[4-12]。甘蔗有性雜交育種以來，全世界甘蔗育種遺傳基礎均可追溯到‘POJ’、‘Co’系統(tǒng)親本培育利用的8個熱帶種、1個印度種與2個細莖野生種，兩大親本系統(tǒng)的長期大量高頻率使用，導致甘蔗親本遺傳基礎狹窄、網絡化、近親化現象嚴重[5-10]。云南建有我國唯一的國家甘蔗種質資源圃，收集保存來自34 個國家和中國12 個省區(qū)的6 個屬15個種，已編目甘蔗種質資源3 151份，種質資源數量僅次于世界最大的甘蔗種質資源保育中心印度的5 143份[13]，是我國最大的甘蔗種質資源保育中心，也是世界第二大甘蔗基因庫。為什么甘蔗種質資源數量龐大，研究條件越來越好，但甘蔗遺傳基礎狹窄、血緣網絡化、近親化現象長期困繞甘蔗界始終沒有解決？研究甘蔗種質資源的雜交利用方式及效果發(fā)現，由于基礎雜交方式不同，對甘蔗育種的貢獻完全不同，差異巨大[5-8]。在“十四五”計劃開啟之年，認真總結和分析對等雜交育種效果、‘POJ’和‘Co’兩大親本系統(tǒng)對世界甘蔗育種和蔗糖產業(yè)的貢獻、對等雜交培育新型獨立親本系統(tǒng)進展、優(yōu)勢及存在問題，有利于把我國豐富的資源優(yōu)勢轉化為育種優(yōu)勢和產業(yè)優(yōu)勢，為我國蔗糖產業(yè)高質量、綠色發(fā)展奠定堅實的基礎。

1 對等雜交育種效果

對等雜交指雜交組合的父本和母本各自所含原種數量及其遺傳代數完全相同的雜交，雜交方式為原種與原種間雜交產生的高貴化F1代種繼續(xù)對等雜交，獲得更高貴化的F2、F3或更高代種的雜交。甘蔗百年育種歷史證明，親本血緣上的突破，首先表現在親本異質性和雜交對稱性上的突破[6-8]。如爪哇甘蔗育種場利用2個熱帶原種‘拉海拉’（Lahaina）與‘斐濟’（Fiji）雜交培育出了F1代種‘EK2’，又利用2 個熱帶種‘斑扎馬新黑潭’（B.Hitan）與‘路打士’（Loethers）雜交培育出了F1代種‘POJ100’；以‘EK2’為母本與‘PO100’雜交，獲得了F2代種‘EK28’，由于‘EK2’與‘POJ100’間沒有血緣交叉（圖1），獲得的‘EK28’在產量和糖分上較4個原始親本‘Lahaina’、‘Fiji’、‘B.Hitan’與‘Loethers’及2個F1代種‘EK2’和‘PO100’均有較大的優(yōu)勢，‘EK28’的育成和生產應用，對過渡時期的爪哇糖業(yè)作出了很大貢獻[3,6-7]。又如爪哇甘蔗育種場利用熱帶種‘黑車里本’（B.Cheribon）與‘爪哇割手蜜’（S.spont/G）雜交，育出了F1代雜交種‘坎沙’（Kassoer）；然后用‘POJ100’作母本與‘Kassoer’雜交，育成了F2代雜交種‘POJ2364’；又利用‘B.Cheribon’與印度種‘春尼’（Chunnee）雜交，育成了F1代雜交種‘POJ213’。印度哥印巴托甘蔗育種場利用熱帶種‘卡路打布挺’（K.Boothan）與‘印度割手蜜’（S.spont/Co）雜交，培育出了F1代雜交種‘Co291’；然后利用‘Co291’作母本與‘POJ213’雜交育成了‘Co221’。由于‘POJ2364’的2個親本‘POJ100’和‘Kassoer’間、‘Co221’的2個親本‘Co291’與‘POJ213’間均沒有血緣交叉（圖1），雜交異質性大、雜交對稱性強，雜交后代雜種優(yōu)勢強，加上野生種（‘S.spont/G’和‘S.spont/Co’）血緣的輸入，‘POJ2364’和‘Co221’不僅種性較親本表現優(yōu)良，而且抗逆性和適應性得以大幅度提高[3,6-7]。親本異質性大，整個系譜呈倒三角形，雜交對稱性好，血緣清楚，后代雜種優(yōu)勢強，作為親本利用培育出的品種多、種性突出、后代產生的蔗王多、對育種貢獻大[6-8]。

圖1 POJ2364、Co221和EK28 系譜圖Fig. 1 The pedigree of POJ2364,Co221 and EK28

2 POJ和Co兩大親本系統(tǒng)對世界甘蔗育種和蔗糖產業(yè)的貢獻

育成品種種性的突破依賴親本血緣的突破，親本創(chuàng)新的突破是甘蔗品種能否取得突破的關鍵[5-8]。甘蔗百年雜交育種培育的以‘POJ2878’和‘Co290’為代表的兩大親本系統(tǒng)為基礎，培育出了大量突破性的甘蔗品種和親本，如‘Co419’、‘F134’、‘CP49-50’和‘Nco310’等，為世界糖業(yè)的發(fā)展做出了重大貢獻，促進了蔗糖業(yè)的巨大發(fā)展[1-10]。如‘POJ2878’的親本為‘POJ2364’בEK28’，共有原種6 個，其父母本均含有‘B.Hitan’與‘Loethers’兩個原種，其他4 個原種完全不同（圖2），異質性為66.7%。又如‘Co290’的親本為‘Co221’בD74’，也是6 個原種，且父母本中沒有相同的原種，6 個原種完全不同（圖2），異質性達100%。分析‘POJ2878’和‘Co290’的血緣成份，雙方共有11 個原始親本，其中熱帶種‘B.Cheribon’為雙方共同的親本，異質率為90.9%，他們之間正反交，培育出了‘Co419’和‘F134’等許多世界性品種及親本[5-8]。奠定了世界甘蔗育種‘POJ’和‘Co’兩大系統(tǒng)的基礎，兩大親本系統(tǒng)的唯一缺陷在于‘POJ2878’原種中有33.3%的血本緣交叉，‘Co290’雖然原種的異質性達100%，但雜交血緣對稱性稍差[7]。作為‘POJ2878’和‘Co290’正反交的后代，由于‘Co419’和‘F134’含有的原種數量多、優(yōu)良基因來源廣，且異質率高，因此‘Co419’和‘F134’比‘POJ2878’和‘Co290’具有更為優(yōu)良的種性和適應力。分析這些世界性品種、親本無一例外均表現出很強的異質性和雜交的對稱性[7]。它們的血緣清楚，后代雜種優(yōu)勢強，作為生產品種種性優(yōu)良，突破性大，推廣面積大，對產業(yè)貢獻大[3-10]。

圖2 POJ2878和Co290系譜圖Fig. 2 The pedigree of POJ2878 and Co290

3 云南對等雜交培育新型獨立親本系統(tǒng)進展

3.1 對等雜交培育獨立親本系統(tǒng)的思路

親本是培育突破性甘蔗品種的物質基礎[5-8]。多年來，我國乃至全球甘蔗雜交育種工作者在種質創(chuàng)新、親本的利用上做了大量工作，選配了成千上萬的雜交組合，也創(chuàng)制了大量的親本，但由于始終沒有脫離‘POJ’和‘Co’兩大親本系統(tǒng)，導致后來育成的甘蔗品種在種性上均沒有重大突破[5-8]。為什么甘蔗種質資源一大堆，甘蔗親本遺傳基礎狹窄、網絡化、近親化現象長期困繞甘蔗雜交育種界的問題始終沒有解決？上世紀90年代以來國內甘蔗育種單位與全球主要甘蔗科研機構開展廣泛科技合作，一批科技人員先后深入到世界主要蔗糖生產國家和機構進行考察、學習及合作研究，掌握了大量的甘蔗雜交育種的第一手資料[5-8]。在吸取國內外甘蔗雜交育種經驗和教訓的基礎上，調整育種思路、創(chuàng)新育種方法，云南省農業(yè)科學院甘蔗研究所首次提出了通過對等雜交培育獨立親本系統(tǒng)，利用獨立親本系統(tǒng)培育突破性甘蔗品種的思路[6-8]。

3.2 基礎雜交新原種利用情況

云南是全國第二大蔗糖生產基地，是世界甘蔗野生資源最豐富的地區(qū)之一[14-18]。為促進甘蔗種質資源的收集和創(chuàng)新利用，20 世紀80 年代以來相繼在云南建立了國家甘蔗種質資源圃和瑞麗內陸雜交育種基地，至“十三五”末，依托國家甘蔗種質資源圃，云南省農業(yè)科學院甘蔗所建立了我國編目甘蔗資源種類最多、資源數量最大、數據最全的甘蔗種質資源數據庫系統(tǒng)，編目6個屬15 個種的甘蔗資源材料達3 151 份。利用表型性狀結合分子生物技術，探索發(fā)掘出了一批甘蔗糖分、產量、抗病及抗旱等性狀優(yōu)異的基因材料；在種質資源創(chuàng)新利用上根據培育新型獨立親本系統(tǒng)的思路，大規(guī)模地通過資源的抗性評價、開花特性及光周期誘導研究，先后利用新原種（含熱帶種、中國種、印度種、地方品種、細莖野生種、大莖野生種）21 個（表1），開展新的原原種間基礎性雜交，創(chuàng)制了一批優(yōu)良的F1代基礎雜交性種質，為新獨立親本系統(tǒng)培育奠定了堅實的基礎[19-24]。

表1 云南對等雜交方式培育新型獨立親本使用新原種匯總Table 1 New original species used in breeding new independent parents of sugarcane by the peer-to-peer hybridization in Yunnan

3.3 對等雜交方式培育新型獨立親本系統(tǒng)的進展及優(yōu)勢分析

為了把優(yōu)良性狀更多遺傳到后代，雜交過程中，通過新原原種間基礎雜交、對等雜交加代，在培育新獨立親本系統(tǒng)、打破現有甘蔗品種血緣基礎狹窄、親本血緣網絡化、近親化方面獲得了較大突破，創(chuàng)制了一批F1代優(yōu)良創(chuàng)新種質[19-24]，通過繼續(xù)對等雜交獲得了‘云瑞13-47’、‘云瑞14-211’、‘云瑞15-55’、‘云瑞17-82’及‘云瑞18-188’等一批全新、種性有較大突破的F2～F3代親本[25-32]，部分創(chuàng)新親本血緣圖譜見圖3。與‘POJ2878’和‘Co290’親本系統(tǒng)比較，新親本系統(tǒng)的優(yōu)勢主要表現為所有基礎雜交使用的原種均為新原種，使用新原種的數量達21個，已超過‘POJ’和‘Co’兩大親本系統(tǒng)原種數量11個的總和；同時克服了‘POJ2878’血緣交叉的問題，也避免了‘Co290’雜交對稱性差的缺陷。通過田間試驗觀察和雜交后代初步表現，這批親本不僅產量高、糖分高、宿根性好、抗病性強，適應性廣，而且主要特性遺傳特性好，作為親本與現有‘POJ2878’和‘Co290’親本系統(tǒng)及后代衍生品種選配雜交組合由于沒有血緣交叉，相互雜交后代雜種優(yōu)勢強，將有望成為我國乃至世界培育突破性甘蔗品種的主要來源。第一批含F2代獨立血緣的新親本已于2019年提供海南甘蔗育種場，具體名稱見表2。通過開花特性研究，下一步將有望逐步向全國甘蔗育種單位提供新型雜交花穗。

圖3 云瑞17-82和云瑞18-188系譜圖Fig. 3 The pedigree of YR17-82 and YE18-188

表2 2019 年提供海南育種場親本名單Table 2 List of parents in Hainan breeding farm in 2019

4 對等雜交培育甘蔗獨立親本系統(tǒng)存在的問題

甘蔗有性雜交育種的過程實際上就是利用雜種優(yōu)勢的過程，雜種優(yōu)勢是指兩個不同性狀的親本雜交產生的F1代雜種，在產量、品質、抗病性、適應性等方面明顯優(yōu)于雙親[6-8]。雙親優(yōu)良性狀多、血緣交叉少、異質性強、配合力強，后代就越優(yōu)良，就越容易培育出突破性的品種[6-8]。實踐證明，具獨立血緣的親本遺傳特性好，超親優(yōu)勢突出，后代易于培育出突破性的甘蔗品種[6-8]。云南通過對等雜交培育新的甘蔗獨立血緣的親本系統(tǒng)目前存在的主要問題是：（1）甘蔗最重要的大莖、多汁、纖維少、糖分和抗黑穗病等特性的供體為熱帶種，熱帶種起源中心在太平洋的印尼東部和新幾內亞一帶[3-10]，保存在國家甘蔗種質資源圃內的熱帶原種少，熱帶原種資源十分缺乏；（2）國家甘蔗種質資源圃收集的其它栽培原種（含中國種、印度種和地方種）數量少，且種性表現優(yōu)良的原種數量并不多；（3）原種開花難，花期相遇難，雜交成功率低，創(chuàng)制新獨立親本時難于做到理想中所有原種都能有效利用、同一個親本原種不重復、選配組合時性狀完全互補等，如‘云瑞17-82’親本中熱帶種‘Bawilspt’就用了兩次，同時還含‘云割82-114’、‘云割82-59’兩個細莖野生種血緣（圖3），導致野種血緣高達25%；（4）部分親本含有‘斑茅’血緣[21-22]，‘斑茅’作為甘蔗的近緣屬植物，國內外雜交利用數十年目前還沒有育成優(yōu)良品種，改良甘蔗品種的效果有待進一步驗證；（5）理論上培育一個優(yōu)良的新獨立血緣F3代親本需要8個原種，其中能作母本的栽培原種（含熱帶種、中國種、印度種和地方種）至少7個，目前已利用的栽培原種數量僅16 個，最多能創(chuàng)制2 個血緣完全不同的親本系統(tǒng)，因此不同親本間血緣交叉難以避免，如‘云瑞17-82’及‘云瑞18-188’相對于‘POJ’和‘Co’兩大獨立親本系統(tǒng)原種完全沒有重復，但兩者間就有‘百眉蔗’、‘云割82-114’、‘Barwilspt’和‘Zopilata’四個原種相同（圖3）。

5 培育和利用新獨立親本的建議

5.1 加大新優(yōu)良熱帶原種的引進和利用力度

甘蔗（SaccharumL.）原產于熱帶和亞熱帶，栽培適應分布也以這一區(qū)域為主，分布區(qū)域主要在南北緯10～30°，而生產最集中、產量較高的是南北緯23.5°左右，即南、北回歸線兩側。但隨著野生資源的不斷成功雜交和回交利用，目前甘蔗種植區(qū)域已延伸到北緯38°（如西班牙）和南緯33°（如澳大利亞），我國也達到北緯的33°（陜西漢中），接近北界的邊緣[10]。甘蔗的垂直分布，也在不斷挑戰(zhàn)新高，云南省的元江、雙江和石屏等縣，有不少蔗區(qū)分布在海拔1 400～1 600 m的高原地帶，個別蔗區(qū)甚至到達2 000 m，在這些高海拔蔗區(qū)，甘蔗仍表現良好[10]。但由于優(yōu)良的新熱帶種數量不足，利用得少，導致產量、糖分等重要工農藝性狀在甘蔗品種改良中的速度遠低于其它作物。種性優(yōu)良的熱帶種數量、質量和利用情況，是能否成功創(chuàng)制更為優(yōu)良的新型獨立親本系統(tǒng)、利用獨立親本系統(tǒng)培育突破性品種的關鍵。

5.2 高度重視地方種的利用

在雜交利用過程中，還需借助現代分子生物技術的手段，分析地方種與栽培原種間的親緣關系[6-8]。若地方種是熱帶種，則按照對等雜交培育獨立親本系統(tǒng)的思路加以利用；若地方種為栽培原種的直接雜交后代，并且與現有‘POJ’和‘Co’兩大獨立親本系統(tǒng)間不存在血緣交叉，在培育新親本的過程中則可與原原種的F1代種雜交，按照對等雜交的思路進行加代用于培育新獨立親本系統(tǒng)[6-8]；若雖與現有‘POJ’和‘Co’兩大獨立親本系統(tǒng)存在血緣交叉，但由于未雜交利用的時間長，經過長期的風土馴化，適應性、抗病性以及工農藝性狀已為生產所接受，作為改良型親本利用，也可能培育出“次突破性”的品種[6-8]。

5.3 正確使用含新獨立血緣系統(tǒng)的優(yōu)良親本

現有的‘POJ’和‘Co’系統(tǒng)親本經過100 余年的長期高頻率使用，優(yōu)良特性已發(fā)掘殆盡，要培育出更好的品種難度加大、育種周期加長[6-8]。含新獨立血緣系統(tǒng)的優(yōu)良親本與現有‘POJ’和‘Co’系統(tǒng)的親本間，沒有血緣交叉，異質性強，雜種優(yōu)勢明顯，易于培育出突破性大的品種，建議加大新獨立血緣系統(tǒng)優(yōu)良親本與現有親本系統(tǒng)選配雜交組合的力度[6-8]。但在具體選配組合時，需要認真分析其血緣組成，慎用含‘斑茅’血緣的親本培育新品種，畢竟國內外還沒有成功培育出含‘斑茅’血緣的優(yōu)良品種；不要輕易選配新獨立血緣親本間的雜交組合，由于原種數量限制，易于造成新的血緣交叉。