張躍彬, 趙培方,胡朝暉,闕友雄

(1.熱帶作物生物育種全國重點實驗室,昆明 650205; 2.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; 3.廣東省科學院南繁種業(yè)研究所/全國甘蔗糖業(yè)信息中心,廣州 510316)

0 引言

糖是我國重要的農產品,以甘蔗為主的糖料作物占我國食糖產量的85%以上。種業(yè)是甘蔗產業(yè)發(fā)展的基石,新品種不但能增加甘蔗的單產、產糖量、降低生產成本,還能提早開榨,延長榨期,提高糖廠設備利用率,獲得最高的經濟效益,對產業(yè)的貢獻高達60%以上。歷史表明,只有不斷改良更新品種,使品種一代比一代好, 產量一代比一代高,才能不斷促進糖料產業(yè)的發(fā)展。新中國成立以來,我國甘蔗品種先后經過了4代品種改良更新,先后經歷了引種改良期(上世紀50年代至60年代),自育品種發(fā)展期(上世紀60年代至70年代),抗逆豐產品種期(上世紀80年代至90年代),到上世紀90年,隨著我國改革開放的促進[1],一批高產高糖適應性廣的臺糖品種從沿海地區(qū)進入大陸蔗區(qū),到2007年,據(jù)調查,全國糖料甘蔗播種面積約146.6萬公頃,引進的‘新臺糖22號’、‘新臺糖20號’等臺糖系列品種面積約117.3萬公頃,占據(jù)主產蔗區(qū)80%以上,實現(xiàn)了我國第四代甘蔗品種改良。但是,由于新臺糖品種長期種植,特別是隨著我國蔗區(qū)生態(tài)的變化,新臺糖品種蔗糖分低,抗病蟲能力弱的情況日益暴露出來,影響了國家食糖重要農產品的保障安全和蔗糖產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,為此,“十一五”以來,我國開啟了新一代甘蔗品種改良更新研究,全國育種機構一盤棋,由國家糖料產業(yè)技術體系牽頭,根據(jù)甘蔗生產對品種的科技需求,不斷收集利用優(yōu)異甘蔗種質資源,攻克重要親本雜交技術,創(chuàng)制甘蔗新種質,創(chuàng)新甘蔗育種技術,成功育成了‘云蔗081609’、‘桂糖42號’、‘桂柳05136’、‘桂糖44號’、‘云蔗0551’等一批突破性高糖新品種,成功地實現(xiàn)了我國新一代甘蔗品種改良更新。

1 近年我國甘蔗品種的育種成就

1.1 甘蔗種質資源收集

我國是世界甘蔗種質資源原產地之一, 座落于云南的國家甘蔗種質資源圃(開遠),收集保存了來自34個國家和中國12個省區(qū)的6個屬15個種,甘蔗種質資源總量達5 962份,其中已編目種質資源4 152份,建立了世界上規(guī)模最大,屬種最齊全的國家級甘蔗種質資源圃,種質資源保存數(shù)量居全球第一。收集引進特殊生境野生資源、原始稀有突變種S.edule填補了國內甘蔗屬種空白;引進82份熱帶種彌補了我國長期缺乏糖分供體資源的短板,為我國甘蔗資源發(fā)掘利用和品種改良貯備了良好的物質基礎。

1.2 甘蔗種質創(chuàng)新和育種技術

經過多年糖分、產量、抗性的評價,及創(chuàng)新利用,發(fā)掘或創(chuàng)制了‘CP81-1254’[2]、‘桂糖92-66’[3]、‘云蔗94-343’[4]等一批優(yōu)異育種親本在全國主要育種機構雜交利用。攻克了甘蔗遠緣雜交利用癥結,創(chuàng)建甘蔗花期調控和雜交后代真實性鑒定相結合的遠緣雜交技術,實現(xiàn)了熱帶種與斑茅、滇蔗茅、大莖野生種等的遠緣雜交利用,在我國海南和云南瑞麗兩個甘蔗雜交基地,實現(xiàn)甘蔗雜交育種花穗的批量化生產;通過“集甘蔗家系評價、早期抗性鑒定、糖分高效選擇、理想株型選擇”為一體的高糖育種技術體系。

1.3 甘蔗重大品種創(chuàng)制

基于種質創(chuàng)新和育種技術創(chuàng)新,全國育種機構聯(lián)合攻關,近年來,成功培育了‘桂糖42號’[5]、‘桂柳05136’[6]兩個年應用面積在30萬公頃以上的標志性品種,以及‘云蔗081609’[7-8]、‘桂糖44號’[9]、‘桂糖55號’[10]、‘云蔗0551’[11]等一批重要潛力的新品種(表1),使我國主產蔗區(qū)的第五代新品種占蔗區(qū)面積的83.4%以上。

表1 2023年我國甘蔗品種種植情況Table 1 The planting situation of sugarcane varieties in China in 2023

我國新一代甘蔗品種,根據(jù)我國甘蔗生產的重大科技需求,創(chuàng)新形成高異質復合高糖育種理論,形成高糖育種方法,培育高糖種質,攻克定向雜交技術難題;創(chuàng)立“家系評價、早期選擇;低氮脅迫、理想株型”為一體的高糖選種技術,成功育成的‘桂糖42號’、‘桂柳05136’成為國家甘蔗區(qū)域化試驗的統(tǒng)一對照品種;以‘云蔗081609’為代表的特高糖典型品種蔗糖分達20.3%,創(chuàng)造了國際上甘蔗糖分最高記錄。

2 近年我國品種改良應用的效益

2.1 甘蔗新品種產量效益

甘蔗新品種的選育推廣應用是蔗糖產業(yè)發(fā)展的重要基礎,長期以來,我國甘蔗單產低于全球平均水平,從2013/2014榨季開始,隨新一代良種‘桂柳05136’、‘桂糖42號’、‘云蔗081609’、‘云蔗0551’等的快速推廣應用,到2020/2021榨季,新臺糖品種占比由70.69%下降到2020/2021年榨季的23.30%,新一代品種由29.31%上升至76.70%[12],占比逐年提高后,我國甘蔗單產持續(xù)提高。近年來已高于全球平均水平,且呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢(圖1)[13]。在全球9個甘蔗主產國(巴西、印度、泰國、中國、巴基斯坦、澳大利亞、古巴、菲律賓、南非)中,我國甘蔗公頃產量年遺傳增益為881.25 kg/hm2,處于領先水平(圖2)。通過新一代的推廣應用,我國甘蔗平均單產由2011—2013年(平均)的68.12 t增加至2019—2021年(平均)的79.87 t。

圖1 2010—2021年中國與全球甘蔗單產對比(數(shù)據(jù)來源:FAO)Fig.1 Comparison of sugarcane yield between China and the world from 2010 to 2021 (Data source: FAO)

圖2 中國與全球甘蔗主產國公頃產量年遺傳增益對比(數(shù)據(jù)來源:FAO)Fig.2 Comparison of genetic gain for cane yield between China and other major sugarcane growing countries

2.2 甘蔗糖分效益

新品種的大面積推廣應用,我國甘蔗產糖率由2011/2012—2015/2016年5個榨季平均值的11.83%增加至2016/2017—2020/2021年5個榨季均值的12.59%,增漲0.76個百分點(絕對值),年遺傳增益為0.091個百分點,在9個甘蔗生產大國中,甘蔗產糖率及其增幅和年遺傳增益均位列第一[12]。新一代甘蔗良種的推廣應用顯著地促進了我國糖料蔗生產的發(fā)展,提高了我國糖料蔗綜合生產能力,有力保障了我國食糖有效供給。2022/2023榨季,我國蔗糖產量達897.1萬t,其中廣西食糖產量527.03萬t,平均蔗糖分達14.38%,出糖率12.79%;云南食糖產量201.1萬t,平均蔗糖分突破15.26%,出糖率13.28%。

3 當前甘蔗品種改良還存在的主要問題

近年來,我國糖料甘蔗的品種改良和推廣應用取得了顯著的成效,但面對新的甘蔗產業(yè)發(fā)展形勢,特別是國外甘蔗新品種新技術的發(fā)展,我們還存在以下問題。

3.1 適宜機械化作業(yè)的品種改良滯后

近年來,甘蔗生產人工勞動強度大,人工生產成本高,已成為甘蔗產業(yè)持續(xù)發(fā)展的最大障礙,推廣應用甘蔗機械化特別是收獲機械化勢在必行。我國由于機收起步相對較晚,當前大面積推廣應用的新品種主要適宜人工作業(yè)為主,機收后普遍存在機收破蔸高,機收損失率高(7%～15%),含雜率高(7%～15%)[14]等問題。因此,為適應甘蔗機械化作業(yè)的發(fā)展趨勢,應及時調整育種方向,并加大甘蔗機械化品種的育、繁、推體系建設,盡快選育宿根性強,耐碾壓,植株韌性好,適宜機械化作業(yè)的高糖品種。

3.2 甘蔗生物育種進展緩慢

多年來,我國的甘蔗品種選育主要靠常規(guī)雜交育種的“五圃制”程序選育而來,育種時間長,選育性狀不精確,特別是育成品種抗病蟲害不強。近年來,主產蔗區(qū)鱗翅目的蔗螟、草地貪夜蛾發(fā)生嚴重,農藥防治比較困難。為解決甘蔗病蟲害的問題,巴西等蔗糖主產國已經在10年前啟動了BT轉基因育種,5年前就育成了一系列轉基因品種。為此,我們須加快甘蔗轉基因品種的選育,以目前我國主栽的‘桂糖42號’、‘桂柳05136’、‘云蔗081609’、‘云蔗0551’等高產高糖品種作為遺傳轉化體,加快具有自主知識產權的轉基因品種選育,加快國產轉基因甘蔗品種的安全性評價、田間釋放,才能應對國外轉基因品種的挑戰(zhàn)沖擊。

4 我國甘蔗品種發(fā)展的建議

針對今后我國蔗糖產業(yè)發(fā)展對新良種的需求,建議加強適宜機械化作業(yè)甘蔗新品種的選育和應用,加強蔗糖的遺傳改良提高制糖效率,并突破轉基因甘蔗新品種的培育,特別是抗蟲轉基因品種的培育,促進甘蔗生產節(jié)本增效,同時,持續(xù)強化健康種苗的繁育應用。

4.1 以機械化應用為目標主攻宿根性強、分蘗力強的品種

根據(jù)國外蔗糖主產國機械化應用的育種經驗,適宜機械化生產的甘蔗品種必須具有萌芽能力強、出苗率高、分蘗力強、生長整齊、抗倒伏、砍收不破裂、機械收獲后宿根發(fā)株率高、對除草劑不敏感等特性。適宜機械化生產的品種不僅要滿足傳統(tǒng)的良種評價目標要求,亦即高產、高糖、抗逆(病、蟲、旱、寒、風、鹽、瘠)、強宿根,還應注意適宜機械作業(yè)的形態(tài)學特征。

(1)對機械化種植:要求芽體不暴凸,生長帶不過分鼓脹,芽體陷入芽溝,芽翼等保護蔗芽避免機械損傷的有益性狀。

(2)對機械化中耕管理:要求分蘗性強,先促蘗,后伸長,主莖、分蘗整齊均勻的品種,避免使用主莖伸長較早,分蘗出生較晚的品種,以保證中耕培土的作業(yè)適期和作業(yè)質量。

(3)對機械收獲:要求甘蔗品種具備抗倒伏、易脫葉等特性,抗倒伏可降低機收損失率和對蔗蔸的損傷,脫葉性好可降低機收含雜率。

4.2 以高糖性狀為主要目標進行改良

甘蔗屬單子葉植物,要通過不斷增加蔗莖的粗度來提高產量是一件比較困難的事情。國內外多年甘蔗品種改良實踐證明,近30多年來,甘蔗品種改良與其它作物相比,單株的單產改良效果不佳。為此,需要調整甘蔗育種的方向,從傳統(tǒng)育種注重單莖重,改變?yōu)橹鞴ジ收嵊行o和甘蔗蔗糖分含量,蔗糖分的廣義遺傳力為 90.21%[15],在所有性狀指標上是最高的。為此,在選用高糖親本的同時,要將甘蔗品種蔗糖分選育作為最主要的指標。

4.3 加快開展甘蔗生物育種

傳統(tǒng)雜交育種是甘蔗遺傳改良的主要方法,一直支撐了甘蔗糖業(yè)的發(fā)展。然而,傳統(tǒng)“五圃制”甘蔗雜交育種方法,培育一個新品種需要耗時8—10年,育種周期長。現(xiàn)代分子生物技術為甘蔗遺傳改良提供了新的途徑,以轉基因技術為主的現(xiàn)代分子生物技術,一是可避免品種雜交導致的大量基因重組;二是可通過導入其他生物體中的外源基因進行定向改良;三是可大幅度縮短育種周期。世界主產國巴西5年前已培育含BT基因抗螟蟲危害的甘蔗新品種,2021年發(fā)展種植面積達6.67萬公頃,我國要加快甘蔗基因工程育種。

4.4 加強良繁基地建設,加速脫毒種苗大規(guī)模應用

良繁基地建設是推廣糖料蔗脫毒種苗,提供優(yōu)質種苗來源的關鍵,要新建、改擴建一批種莖加工廠,加大糖料蔗脫毒種苗推廣力度,同時積極引入社會資本、財政補貼和金融支持等形式,對已建成的甘蔗種莖加工廠進行升級改造,建設標準化種莖加工廠,實現(xiàn)脫毒種苗的大規(guī)模應用。