趙麗萍，覃偉，張靜，任生林，昝逢剛，姚麗，吳才文，陳學(xué)寬，劉家勇

（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實驗室，云南開遠 661699）

0 引言

甘蔗是世界主要糖料作物，全球食糖產(chǎn)量75%來源于甘蔗[1]。我國蔗糖產(chǎn)量占食糖總產(chǎn)量的90%左右。蔗糖分是甘蔗育種的重要目標(biāo)性狀，是提高糖廠出糖率，增加企業(yè)市場竟?fàn)幜Φ暮诵膯栴}[2-3]。糖分的改良幾乎對所有甘蔗生產(chǎn)國制糖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

然而甘蔗遺傳背景復(fù)雜，育種周期長，高糖品種的選育進程相對緩慢。近百年來，甘蔗商業(yè)雜交親本基因庫的遺傳總變異縮小，糖分遺傳增益較小，導(dǎo)致多年來甘蔗蔗糖含量提高沒有取得重大進展[1]。高糖育種似乎是近年來甘蔗育種面臨的瓶頸，顯然，解決遺傳基礎(chǔ)狹窄問題的途徑是利用野生種質(zhì)，引進和創(chuàng)制新的變異源，對野生種質(zhì)攜帶著的優(yōu)良基因聚合。甘蔗野生種質(zhì)割手密（Saccharum spontaneumL.）在甘蔗雜交育種歷史中發(fā)揮了開創(chuàng)性作用，割手密（2n=40～128）亦稱細莖野生種，又名甜根子草，是世界上分布最廣、類型最多，具有生勢強、分蘗多、宿根性強、抗旱、耐寒、高錘度等優(yōu)點。它不僅是基因類型最豐富的甘蔗屬近緣野生種質(zhì)[4]，也是最早被應(yīng)用于甘蔗育種和育種成效最為顯著的野生種質(zhì)，是甘蔗品種改良的重要基因來源[5]。然而，以往對割手密的開發(fā)利用僅聚焦于利用其抗性、宿根性方面，對于如何提升甘蔗重要目標(biāo)性狀糖分的遺傳改良，割手密無疑也是甘蔗育種者需要考慮和利用的優(yōu)異種質(zhì)。

1 甘蔗品種糖分改良現(xiàn)狀

甘蔗品種的更替通常是由于育成或引進了比原有品種更優(yōu)良的新品種[6]。國內(nèi)外研究人員對幾十年甘蔗品種改良的效果進行了研究，發(fā)現(xiàn)對甘蔗品種的糖分增益不大[2，7-10]，甘蔗的遺傳增益在50 年內(nèi)平均為40%，遠低于其他作物，如玉米（160%）和油菜籽（240%）[7]。趙勇等[10]根據(jù)品種改良年代對67 份甘蔗早期育種使用的主要親本劃分為5個世代，李純佳等[11]以云南甘蔗品種雜交選育常用16 份國外引進親本為材料進行糖分分析，均反映出糖分增益不大（表1）。楊榮仲等[12]對廣西“十三五”期間育成的10 個‘桂糖’品種進行分析，發(fā)現(xiàn)蔗糖分較對照（‘新臺糖22號’）高0.33～1.13 個百分點。近百年來，糖分遺傳增益緩慢，甘蔗蔗糖含量沒有取得重大進展[13]。主要原因在于長期近親繁殖，使甘蔗的遺傳基礎(chǔ)狹窄，親本的異質(zhì)性低，歸根結(jié)底在于甘蔗的基礎(chǔ)性雜交育種到育成商業(yè)品種的年限長，從而育種者選擇少數(shù)幾個已經(jīng)創(chuàng)制的含割手密血緣親本或商業(yè)品種間相互雜交，如‘Co’、‘CP’、‘POJ’和‘崖城’系列親本[14]，導(dǎo)致甘蔗的遺傳基礎(chǔ)狹窄，僅最有利的糖分等位基因在當(dāng)前品種中固定[13]?，F(xiàn)有的雜交品系基本上都是20～30 年代育成的早期品種的近親雜交后代[6]，導(dǎo)致糖分難于突破。

表1 甘蔗種質(zhì)部分糖分結(jié)果Table 1 Some results on sugarcontent of generation

2 割手密錘度及其遺傳多樣性研究現(xiàn)狀

SAKAIGAICHI等[15]對134份割手密進行錘度評價，結(jié)果表明材料間錘度的差異顯著。黃忠興等[16]對456份割手密資源評價結(jié)果表明，割手密在錘度等性狀上都表現(xiàn)出較大的遺傳變異。張革民等[17]對21 份廣西高糖割手密無性系的遺傳多樣性研究結(jié)果表明，21份廣西高糖割手密無性系間在DNA 水平上和主要性狀的表型水平上均存在較為豐富的遺傳多樣性，高糖無性系間存在較豐富的等位基因位點變異。楊榮仲等[18]對59份四川割手密無性系進行分析，結(jié)果表明割手密材料間錘度變異非常豐富。齊永文等[19]研究表明，64份廣東割手密無性系在錘度和糖分等性狀上表現(xiàn)出明顯的差異。段維興等[20]對崇左市龍州縣開展甘蔗野生種質(zhì)資源的考察采集，共采集到21份資源材料（其中割手密14份），錘度變化范圍在3.0°Bx～16.0°Bx；劉建樂等[21]對采自華南八省的43份割手密無性系評價表明，錘度也有較大的遺傳變異。XU 等[14]對92份割手密研究表明，割手密錘度最大值為20.9%，糖分變異系數(shù)40.2%。周耀輝等[22-23]對海南甘蔗育種場150 份細莖野生蔗進行糖分與錘度研究表明，錘度平均（10.79 士0.18）%，最高16.16%，最低6.1%；對61 個細莖野生蔗進行研究表明，無性系之間蔗糖分差異較大，在基礎(chǔ)雜交中選擇高糖的無性系作親本，后代出現(xiàn)高糖的頻率較大。

楊清輝等[24]對采自不同緯度、不同海拔的割手密無性系進行了RAPD 分析，結(jié)果表明野生割手密資源具有非常豐富的多態(tài)性。CHANG 等[25]利用SRAP 標(biāo)記對9 個割手密材料進行了遺傳多樣性分析，研究表明割手密種質(zhì)資源在物種水平上存在較大的遺傳多樣性。割手密的高遺傳變異為甘蔗品種糖分改良提供了良好的遺傳基礎(chǔ)。

3 割手密的雜交利用現(xiàn)狀及問題

我國建國以來育成的近百個甘蔗品種的原始親本僅18 個左右，其中10個為熱帶種，而野生種及甘蔗近緣屬植物利用十分有限[26]。長期以來，相對于數(shù)量十分豐富的割手密，我們不但對割手密的開發(fā)利用數(shù)量極其有限，而且對割手密的利用更多聚焦于適應(yīng)性和抗逆性，在甘蔗糖分遺傳改良中的作用未獲得足夠重視[27]。劉家勇等[28]對我國大陸常用的20 個骨干親本以及生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用的甘蔗高糖品種‘粵糖93-159’、‘云蔗05-51’、‘桂糖42 號’、‘云蔗08-1609’割手密的利用數(shù)量進行統(tǒng)計分析表明，被利用的割手密僅為7 個。鄧海華等[29]對我國大陸“九五”以來自育的47 個甘蔗品種原始親本共22個進行分析，結(jié)果原始親本僅含有4個割手密，我國現(xiàn)有的商業(yè)品種中含有國內(nèi)割手密血緣的較少?！熬盼濉焙汀笆濉逼陂g，共使用了7個含本土割手密血緣的‘崖城’系列親本，育成17個品種[30]。

近年來，云南育種機構(gòu)使用十倍體的‘蠻耗割手密’，培育出‘云瑞’系列親本，目前己提供全國育種機構(gòu)雜交利用。云南瑞麗育種站使用‘POJ3016’作為母本與云南野生割手密種雜交，獲得表現(xiàn)高糖性狀超親優(yōu)勢且含有較多割手密血緣的具優(yōu)良抗逆性狀的雜種‘F193/2418’[31]。王麗萍等[32]利用割手密和甘蔗雜交、回交手段，獲得了高糖后代。郭育強等[33]利用割手密‘云南82-116’作為母本與父本‘桂糖05-3595’進行雜交，后代遺傳差異較大，用以改良甘蔗血緣，提高育種效率。據(jù)報道，美國國家資源圃保存的割手密709份，我國國家甘蔗種質(zhì)資源圃截至2020年收集保存的割手密961份[28]，雖然割手密的開發(fā)利用取得一定的進展，但相對于數(shù)量豐富的割手密，其利用還很有限，尚有巨大的空間利用潛力有待開發(fā)和創(chuàng)新利用。

4 割手密用于糖分改良的潛力

割手密不僅在株高、莖徑等表型[16-17，21，33-34]以及抗性[35-39]上存在廣泛的遺傳變異，割手密也是糖分含量較高的野生種[4]，在錘度性狀上（錘度與蔗糖分高度正相關(guān)[40]）也擁有十分豐富的遺傳變異，是拓寬甘蔗遺傳基礎(chǔ)最有價值的野生種質(zhì)資源。

在割手密的利用上，早在20 世紀初荷蘭甘蔗育種家JESWEL 成功將爪哇割手密（2n＝112）的血緣導(dǎo)入甘蔗栽培原種血緣中，培育出‘POJ’系列品種，其中蔗王‘POJ2878’一度成為世界范圍內(nèi)廣泛栽培和推廣的甘蔗品種[41]。1922年，印度人將印度割手密（2n＝64）的血緣滲入到甘蔗品種中，選育出抗病、高產(chǎn)、高糖在印度大面積種植的‘CO281’、‘CO290’和‘CO213’等品種[42]；美國以熱帶種、割手密、印度種和中國種雜交，育成‘H32-8560’等優(yōu)良品種；20 世紀中后期，我國臺灣育種家開發(fā)利用臺灣割手密，選育出了‘新臺糖16 號’、‘新臺糖23號’、‘新臺糖24 號’等優(yōu)良‘新臺糖’品種[43]。這些品種的大面積種植，極大地提高了甘蔗的單產(chǎn)和出糖率，為世界甘蔗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻。上個世紀中葉，我國育種家利用采自海南的十倍體割手密和采自云南的八倍體割手密培育出一系列的‘崖城’親本，在擴大甘蔗遺傳基礎(chǔ)方面取得了一定的進展，為我國甘蔗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻。

現(xiàn)代甘蔗栽培品種幾乎都含有割手密血緣[2]，約10%～25%的染色體來自割手密[3]。HUANG 等[44]對14種現(xiàn)代甘蔗品種的細胞學(xué)分析表明，11.9%～40.9%的染色體來自割手密。幾乎所有突破性甘蔗品種的育成都與割手密血緣的滲入息息相關(guān)，割手密可能是甘蔗品種糖分改良的重要基因來源[4]。在甘蔗高貴化育種中，2n+n的染色體傳遞方式有利于高糖基因的累加，因此選擇此雜交后代將顯著提高甘蔗育種效率[45]。福建農(nóng)林大學(xué)張積森教授團隊從基因組學(xué)揭示了糖分代謝途徑十分重要的糖轉(zhuǎn)運蛋白基因家族的串聯(lián)復(fù)制和擴張是甘蔗高糖的遺傳基礎(chǔ)，其中，割手密中有53.23%糖轉(zhuǎn)運蛋白基因發(fā)生了這樣的擴張[46-47]。甘蔗細莖野生種對甘蔗錘度改良具有較高潛力[38]。吳才文等[48]利用甘蔗品種‘Co419’與野生種割手密‘云南75-1-2’遠緣雜交，‘新臺糖25 號’與遠緣雜交后代‘云野02-356’進行回交，分別獲得F1和BC1群體，F(xiàn)1蔗糖分性狀劣于商業(yè)親本，BC1蔗糖分介于雙親之間，且2 個群體蔗汁糖分分布范圍較大。李奇?zhèn)サ萚49]研究發(fā)現(xiàn)在利用割手密進行雜交前，對其糖分進行選擇有利于提高其雜交后代的蔗糖分。甘蔗磷酸合成酶（Sucrose phosphate synthase,SPS）是高等植物中糖分代謝中的重要調(diào)控基因，研究發(fā)現(xiàn)在割手密種中含有5 個SPS 基因[50]。MARY 等[51]采用ISSR 和RAPD 標(biāo)記技術(shù)分析了采自印度4 個不同居群的21 份割手密的遺傳多樣性，結(jié)果表明阿魯納恰爾邦材料遺傳多樣性最豐富，在甘蔗育種方面具有極大的潛力。

綜上所述，割手密豐富的糖分遺傳變異及后代的遺傳多樣性，已育成的重要骨干親本的系譜表明，割手密在糖分改良上尚有巨大的利用潛力和開發(fā)價值。

5 割手密用于糖分改良技術(shù)路線探討

現(xiàn)在栽培種的祖代親本僅可追溯到少數(shù)幾個熱帶種和割手密，經(jīng)過數(shù)十年的選擇，優(yōu)良等位基因被固定下來，現(xiàn)在有的雜交品系基本上都是早期品種的近親雜交后代，因此，雜交育種中遺傳增量可能達到了極限，顯然，要選育突破性品種必須解決現(xiàn)有親本基因庫狹窄問題，而根本途徑就是要引入新的血緣。

當(dāng)今甘蔗糖分要取得新的突破必須拓寬遺傳基礎(chǔ)、增加新血緣、擴大異質(zhì)性和多樣性。從現(xiàn)有割手密的錘度遺傳多樣性以及分子手段的研究表明，割手密確實擁有豐富的蔗糖分基因遺傳變異，但是在“高貴化”育種技術(shù)路線中，在開發(fā)利用一個割手密資源時，需要多次利用熱帶種與割手密及其雜交后代進行雜交才能完成高貴化進程。耗時長，而且熱帶種不易開花，因而影響資源豐富的割手密的開發(fā)利用，導(dǎo)致割手密在育種上的運用卻很少[32]，從現(xiàn)有的利用方式看，我們現(xiàn)在利用的割手密是自然選擇的結(jié)果，利用的是不同生態(tài)類型的割手密蔗糖分遺傳潛力[17]。

如果先創(chuàng)制性狀優(yōu)良且糖分高的割手密種質(zhì)，在一個高貴化進程中導(dǎo)入多個割手密資源，則可提高寶貴的開花的熱帶種花穗的利用效果，擴大甘蔗的異質(zhì)性，增加基因的多樣性，挖掘割手密的育種潛力，或許可以為目前高糖甘蔗品種改良所面臨的瓶頸找到新的突破。因此，對割手密的利用提出以下建議：首先，高貴化前對割手密糖分進行人工選擇，將篩選出糖分較高的材料用于高貴化育種；其次，對割手密進行系統(tǒng)改良，即將性狀優(yōu)良的多個割手密血緣聚合到一個割手密材料，創(chuàng)制高糖割手密材料，將創(chuàng)制的高糖割手密材料再一次自交增加基因型的純合度，提高其后代的糖分及純度[52]，選用創(chuàng)制的高糖割手密材料和熱帶種及現(xiàn)有生產(chǎn)上大面推廣運用的高糖品種進行高貴化育種，通過幾代的雜交利用或許會育成突破性的高糖甘蔗品種。