甘蔗是世界上主要糖料作物,据经济合作与发展组织（OECD）和联合国粮食与农业组织（FAO）统计,以甘蔗为原料的糖产量占全球糖供应总量的85%以上[1]。在我国,甘蔗作为原料的糖产量所占比例更高,2017/2018年榨季,全国甘蔗面积约116.8万hm2,产糖量约910万t,占我国食糖总产量的90%[2]。长期以来,我国食糖产量一直在900万~1200万t徘徊,年缺口量达到300万~600万t,自给率仅60%~80%。
目前,我国甘蔗种植主要分布在广西、云南、广东、海南等地区,其中广西和云南作为最大的蔗区,占全国总种植面积的90%以上,品种分布结构较单一,以新台糖22号为主,发生灾害性病虫的风险高,严重威胁我国的食糖生产安全[3]。全国甘蔗生产信息监测网监测数据统计显示[4],我国主栽品种ROC22种植面积依然最大,2018/19榨季种植面积靠前的品种依次为ROC22、桂柳05-136、桂糖42号、粤糖93-159、ROC25、粤糖00-236、粤糖94-128、粤糖86-368、粤糖55号、ROC79-29,随着新的自育种的不断推广,品种结构得到一定的改善。由于我国蔗区分布广、跨度大,生态类型多样化,气候环境和土壤类型存在较大差异,需要适应各种不同生态类型的品种,通过筛选优良的种质资源,利用杂交育种方法,选育宿根性强、高糖高产、抗逆性强、适应性好的糖料甘蔗新品种,可进一步改善品种分布结构,加强预防灾害性病虫害发生的风险能力,提高甘蔗生产力,增加蔗农和蔗糖企业的收益,增强我国蔗糖的国际市场竞争力,稳定蔗糖业的健康持续发展。粤糖06-233以宿根性强的粤糖94-128为母本,高糖品种粤糖93-159为父本,通过多年多点试验选育而成,2016年通过全国农业技术推广服务中心农作物品种鉴定,该品种早熟、糖分高、高产稳产、农艺性状优良和抗逆性较强。该品种的培育将有助于我国甘蔗品种种植结构的改善或利用其作为杂交亲本培育更多新品种。
1 材料与方法
1.1 亲本材料
1.2 选育方法
按照“五圃”制甘蔗常规杂交育种程序进行选育。品种在选育的各个阶段对植株的形态特征、生长特性、品质特征的调查检测有所不同,前期特别注重检测田间锤度、株高、茎径、有效茎数、病虫害发生、倒伏程度、空棉心情况、气根多少及着生高低、水裂、叶鞘57号毛群发达程度、侧芽萌动、叶鞘易削程度等的检测。进入品比阶段以后,主要注重以甘蔗的产量、蔗糖分、宿根性、抗性（如抗病虫、抗倒伏、抗旱性、抗寒性）等性状,以及各种生长特性项目：发芽率、分蘖率、宿根发株率、生长速度的测定。
区域试验按统一试验方案执行,实验设计选择地力分布均匀的地块,采用完全随机区组排列,每个品种3次重复,行距为1~1.2 m,下种量为3200~3800段双芽/667 m2,每个小区面积为33.33 m2, 以全国种植面积最大的品种ROC22为对照品种。
1.3 色体标本制备
选取成熟、健壮的粤糖06-233蔗茎切成单芽茎段栽种于20 L的白色塑料桶中,底部放少量珍珠岩,上面盖一层土,待其长出干净的根尖后,在晴朗的白天进行取样。选取颜色嫩黄、分裂旺盛的根尖,在距根尖顶端0.8 cm左右处用镊子掐断,置于0.002 mol/L 8-羟基喹啉中处理4 h,饱和对二甲苯中处理2 h,转入卡诺固定液（无水乙醇:冰乙酸=3:1）固定24 h,70%乙醇4 ℃冰箱保存备用。
1.4 核型分析
臂比(r)=长臂(L)/短臂(S);
染色体相对长度=染色体长度/染色体组总度×100%;
染色体相对长度指数(I.R.L)=染色体长度/全组染色体;
其中,I.R.L<0.76为短染色体(S),0.76≤I.R.L≤1.00为中短染色体(M1);1.01≤I.R.L≤1.25为中长染色体(M2);I.R.L≥1.26为长染色体(L)。
平均长度核型不对称系数(As. K. C)=长臂总长/全组染色体总长×100%。
2 结果与分析
2.1 选育过程
按照“五圃”制常规杂交育种程序（表1）,2006—2013年在广东省生物工程研究所（广州甘蔗糖业研究所）湛江甘蔗研究中心进行选育研究,2014—2015年参加第十轮国家甘蔗品种区试和国家甘蔗品种区域生产试验,国家区试点设广西崇左、百色、来宾、柳州、河池,云南开远、瑞丽、保山、临沧,广东遂溪、湛江,福建漳州、福州,海南临高5省14个试验点,国家区试设置2 a新植和1 a宿根试验,区域生产试验设置1 a新植试验。结果表明,该品种早熟、糖分高、高产稳产、农艺性状优良和抗逆性较强,2016年通过全国农业技术推广服务中心农作物品种鉴定。
表1 粤糖06-233选育程序Tab. 1 Breeding procedure of Yuetang 06-233 |
| 年份Year | 试验圃Testing stage | 植期Type of planting | 主要试验结果及规模Main test results and scale |
|---|---|---|---|
| 2006 | 杂种圃 | 新植 | 播种86个组合花穗,定植实生苗54 600株,共入选972个优良单株,入选率达1.78% |
| 2007 | 选种圃 | 新植 | 种植972个单株,入选213个优良品系 |
| 2008—2009 | 鉴定圃 | 新植及宿根 | 种植213个品系,入选56个优良品系 |
| 2009—2010 | 预备品比圃 | 新植及宿根 | 参试品系56个,入选26个进入品种比较试验 |
| 2010—2011 | 品比试验圃 | 新植及宿根 | 参试品系26个,入选12个进入品种表证试验 |
| 2011—2012 | 表证试验 | 新植及宿根 | 参试品系13个（含1个对照）,入选粤糖06-233（粤甘43）等品系进入第十轮国家甘蔗品种区域试验 |
| 2014—2015 | 第十轮国家甘蔗品种区域试验 | 新植及宿根 | 参试品系11个（含1个对照）,进入第十轮国家甘蔗品种区域生产试验品系8个 |
| 2015 | 第十轮国家甘蔗品种区域生产试验 | 新植 | 参试品系9个（含1个对照）,其中粤甘43综合表现较好 |
2.2 主要特征特性
植株直立整齐、均匀、节间长度中等;芽体卵形,芽沟浅,芽翼较小,芽基离叶痕,芽尖超出生长带;叶色浅绿,叶片长度、宽度中等,心叶直立,叶姿挺直,叶鞘长度中等,叶鞘黄绿色;茎圆筒形,节间颜色曝光后黄绿色,曝光前浅黄白色;茎表皮光滑,蜡粉中厚,蔗茎实心,中大茎,极易脱叶,内叶耳长枪形,外叶耳缺如,无57号毛群。
2.3 主要工农艺性状
2.3.1 农艺性状 2014—2015年在广西、云南、广东、福建和海南5省14个试验点表明（表2）,粤糖06-233萌芽快、齐,平均出苗率达62.9%,与对照ROC22相当。分蘖强力强,分蘖率为146.7%,比对照高出62.4%。植株生长较快,株高（279.5 cm）比ROC22矮14.6 cm,但其成茎率高,单位面积有效茎数多,每公顷达70 136条,有效蔗茎数比对照ROC22每公顷多2126条,而且茎径比ROC22号粗,蔗茎均匀。成熟期单茎重可达1.71 kg,比对照ROC22重0.04 kg。宿根性强,宿根发株数多,蔗苗整齐,分布均匀,发株率比对照高出11.2%。
表2 粤糖06-233与对照种在国家区域试验和生产示范中的主要农艺性状Tab. 2 Major agronomic character performance of Yuetang 06-233 and its comparatives in the national regional and production test |
| 年份 Year | 试验阶段 Testing stage | 品种 Variety | 出苗率 Germination rate/% | 分蘖率 Tilling rate/% | 发株率 Shooting rate/% | 株高 Plant height/cm | 茎径 Stalk diameter/cm | 茎长 Stalk length/cm | 单茎重 Single stalk weight/kg | 有效茎数 Stalk number /(stems∙hm-2) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2014—2015 | 国家区域试验 （2 a新植） | 粤糖06-233 | 65.1 | 149.6 | — | 272.9 | 2.86 | 265.59 | 1.68 | 66 305 |
| ROC22(CK) | 62.9 | 81.4 | — | 277.5 | 2.75 | 294.85 | 1.72 | 64 191 | ||
| 国家区域试验 （1 a宿根） | 粤糖06-233 | — | — | 154.4 | 286.1 | 2.92 | 279.98 | 1.83 | 69 450 | |
| ROC22(CK) | — | — | 143.2 | 308.4 | 2.68 | 305.86 | 1.69 | 68 237 | ||
| 2015 | 国家生产示范 （1 a新植） | 粤糖06-233 | 60.6 | 143.7 | — | 279.5 | 2.76 | 288.29 | 1.62 | 74 655 |
| ROC22(CK) | 62.2 | 87.1 | — | 296.5 | 2.58 | 312.27 | 1.60 | 71 602 | ||
| 平均 | 3 a新植1 a宿根 | 粤糖06-233 | 62.9 | 146.7 | 154.4 | 279.5 | 2.85 | 277.95 | 1.71 | 70 136 |
| ROC22(CK) | 62.5 | 84.3 | 143.2 | 294.1 | 2.67 | 304.33 | 1.67 | 68 010 | ||
| 与CK的差值 | 0.4 | 62.4 | 11.2 | -14.6 | 0.18 | -26.38 | 0.04 | 2 126 |
2.3.2 蔗茎产量 2014—2015年在国家区域试验表明,粤糖06-233新植平均蔗茎产量111 392.40 kg/hm2,宿根蔗蔗茎产量127 093.50 kg/hm2,产量分别比对照ROC22增产983.88、11 772.97 kg/hm2。2015年全国生产性示范试验表明,其新植平均蔗茎产量120 941.10 kg/hm2,比对照ROC22增产6377.90 kg/hm2（表3）。而2014—2015年在国家区域试验及生产示范试验14个点新宿试验（3新1宿）结果表明,粤糖06-233平均蔗茎产量为119 932.56 kg/hm2,比ROC22增产6502.21 kg/hm2,说明粤糖06-233蔗茎高产稳产,适应性强。
表3 粤糖06-233与对照种在国家区域试验和生产示范中的纤维分、蔗糖分和糖产量Tab. 3 Fiber content, sucrose content, sugar yield of Yuetang 06-233 variety and comparing varieties in the national regional and production test |
| 年份 Year | 试验阶段 Testing stage | 品种 Variety | 纤维分 Fiber content/% | 蔗茎产量 Cane yield/ (kg∙hm-2) | 蔗糖分Sucrose content/% | 含糖量 Sugar yield/ (kg∙hm-2) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 11月 | 12月 | 1月 | 2月 | 3月 | 平均 Average | ||||||
| 2014—2015 | 国家区域试验 （2 a新植） | 粤糖06- 233 | 11.11 | 111392.40 | 14.07 | 14.53 | 14.78 | 15.50 | 16.22 | 15.02 | 16 731.40 |
| ROC22(CK) | 11.44 | 110408.52 | 13.55 | 14.14 | 15.18 | 15.28 | 15.80 | 14.79 | 16 329.42 | ||
| 国家区域试验 （1 a宿根） | 粤糖06-233 | 11.20 | 127093.50 | 14.13 | 15.06 | 15.36 | — | — | 14.85 | 18 873.38 | |
| ROC22(CK) | 11.56 | 115320.53 | 14.55 | 15.31 | 15.65 | — | — | 15.17 | 17 494.12 | ||
| 2015 | 国家生产示范 （1 a新植） | 粤糖06-233 | 11.36 | 120941.10 | 14.26 | 14.76 | 14.89 | — | — | 14.64 | 17 705.78 |
| ROC22(CK) | 11.64 | 114563.20 | 13.24 | 14.25 | 14.94 | — | — | 14.14 | 16 199.24 | ||
| 平均 | 3 a新植1 a宿根 | 粤糖06- 233 | 11.23 | 119932.56 | 14.15 | 14.78 | 15.01 | 15.50 | 16.22 | 15.13 | 18 145.79 |
| ROC22(CK) | 11.55 | 113430.35 | 13.78 | 14.57 | 15.26 | 15.28 | 15.80 | 14.70 | 16 674.26 | ||
| 与CK的差值 | -2.2 | 6502.21 | 0.37 | 0.21 | -0.25 | 0.22 | 0.42 | 0.43 | 1 471.53 | ||
2.3.3 蔗糖分和含糖量 粤糖06-233在国家区域试验2 a,新植平均蔗糖分为15.02%,而对照ROC22为14.79%（表3）;国家区域试验和生产示范试验14个点3新1宿平均蔗糖分为15.13%,比对照种ROC22高0.43%,且蔗糖分高于15%,属于高糖品种。粤糖06-233甘蔗品种11月份甘蔗蔗糖分平均为14.15%（大于13.0%）,翌年3月（成熟高峰期）平均蔗糖分为16.22%（大于14.0%）,且蔗茎上下部分节间锤度的比值达0.9以上,达到工艺成熟期,表明其为早熟品种。含糖量在全国多年多点试验中平均达到18 145.79 kg/hm2,比ROC22增产糖1471.53 kg/hm2,证明粤糖06-233单位面积产糖量高,属于高糖品种。
2.3.4 抗病性 由表4可看出,人工接种黑穗病发病率显示,粤糖06-233黑穗病发病率为9.66%,对黑穗病的抗性级别为2级,抗性反应型为抗型,而对照ROC22号发病率达53.03%,抗性反应型为感型;人工接种花叶病发病率为48.82%,与对照ROC22号相当,两者对花叶病的抗性级别都为4级,抗性反应型为感型。
表4 粤糖06-233在国家区域试验和生产示范中的抗病性表现Tab. 4 Disease resistance of Yuetang 06-233 in the national regional and production test |
| 品种 Variety | 黑穗病 Sugarcane sumt | 花叶病 Sugarcane mosaic virus | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 人工接种发病率 Incidence of artificial vaccination/% | 抗病等级 Resistance level | 抗病反应类型 Type of disease resistance response | 人工接种发病率 Incidence of artificial vaccination/% | 抗病等级 Resistance level | 抗病反应类型 Type of disease resistance response | |
| 粤糖06-233 | 9.66 | 2级 | 抗型 | 48.82 | 4级 | 感型 |
| ROC22(CK) | 53.03 | 7级 | 感型 | 55.19 | 4级 | 感型 |
2.4 核型分析
表5 粤糖06-233核型分析参数Tab. 5 Karyotype parameter of Yuetang 06-233 |
| 品种名称 Variety | 核型公式 Karyotype formula | 染色体相对长度 （系数组成） Type of I.R.L | 染色体相对长度范围 I.R.L | 臂比>2的比率 Percentage of Arm ratio/% | 染色体长度比 Ratio of chromosome length | 核型类型 Karyotype type | 具中部着丝粒染色体的百分比 Percentage of homologous chromosomes | 核型不对称系数 Asymmetry index |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 粤糖06-233 | 2n=88=6sm+82m | 14L+22M2+ 28M1+24S | 0.46%~ 1.98% | 4.54 | 4.33 | 2C | 93.18 | 56.31 |
图2 粤糖06-233染色体中期分裂相和核型图Fig. 2 Photomicrograph of metaphase chromosomes and karyotype of Yuetang 06-233 |
一般来讲,甘蔗不仅染色体数目多,就是同一品种在不同组织或不同生育期,观察到的染色体数目也不尽相同[15]。本实验中,粤糖06-233的核型公式K(2n)=88=82m+6sm,其中第3、9及32对染色体为近中部着丝点染色体（sm）,其余为中部着丝点染色体（m）,具中部着丝粒染色体的百分比为93.18%。染色体大部分是中长和中短染色体,相对长度范围为0.46%~1.98%,臂比大于2的染色体比例为4.54%,最长与最短染色体的比值为4.33,核型不对称系数为56.31%,染色体相对长度组成为14L+22M2+28M1+24S,核型类型为2C,进化程度相对较高。
3 讨论
优良新品种的选育与应用是提高作物产量和品质最经济最有效的手段。甘蔗作为重要的糖料作物,随着品种糖分和产量的不断提高,推动着蔗糖业逐步向前发展。甘蔗育种发展至今,可以将发展进程大概分为5个阶段[16]：（1）利用热带种选育时期;（2）利用“高贵化”过程选育高贵化品种时期;（3）利用高贵化品种培育杂交后代时期;（4）利用高贵化杂交后代选育现代品种时期;（5）拓宽品种遗传组成源选育种时期。在育种发展进程中,形成了一个独特的遗传模式,即它是由多倍体原种热带种（Saccharum officinarum L. 2n=80,X=10）作母本,多倍体细茎野生种（Saccharum spontaneum L. 2n=40~128,X=8）作父本,经过一系列杂交形成的异源多倍体作物,染色体75%~85%来源于热带种,15%~25%来源于细茎野生种,在第1次和第2次（热带种作母本,F1作父本）杂交过程中,染色体按照2n+n的特有方式传递,杂交后代的糖分、产量等农艺性状得以快速恢复稳定,这个过程被称为甘蔗“高贵化”过程[17,18,19]。通过这种独特的遗传模式形成了异源多倍体作物,从而加大了甘蔗品种遗传改良的困难。因此,一直以来,甘蔗品种改良一直依赖于常规杂交育种,然而,随着现代生物技术的迅速发展,特别是甘蔗割手密种（Saccharum spontaneum L.）基因组的破译[20]及全基因组简化测序[21,22]等技术的发展应用,可以利用新的生物技术手段,开发生物基因芯片（含各种性状等位基因信息）,通过在种子实生苗时期进行芯片检测与定向选择,减少实生苗定植量,降低品种选育工作量和科技成本,提高工作效率,缩短育种年限。
回顾150多年的甘蔗育种史,突破性甘蔗新品种的育成,是一个不断扩宽甘蔗遗传组成来源选育新品种的过程,也是种质创新的结果[23]。当前生产栽培种大多含有甘蔗属的热带种（Saccharum officinarum）、割手密种（Saccharum spontaneum）、印度种（Saccharum barberi）或中国种（Saccharum sinense）等3种以上的血缘,造成了遗传基础狭窄,甘蔗亲本基因库不够丰富,长期以血缘相近的材料为亲本进行杂交,造成后代异质性低,很难选育出有突破性的甘蔗新品种[24,25,26]。因此,需要不断寻找可利用的新的种质资源,通过远缘杂交向甘蔗导入新种质,以拓宽现代甘蔗的遗传基础。蔗茅属的斑茅（Saccharum arundinaceum Retz.）[27]、蔗茅[Erianthus rufipilus (Steud.) Griseb.][28,29]、滇蔗茅（Erianthus rockii Keng.）[30]为甘蔗的近缘属植物,具有很多优异性状（强宿根性、抗逆性好等）,受到国内外的育种家重视。另外,河八王属的河八王[Narenga porphyrocoma (hance) Bor]是甘蔗的一个野生种,具有耐旱、耐贫瘠、分蘖力强等优良性状[31]。通过创新利用这些甘蔗近缘属种质资源,拓宽甘蔗遗传组成源,可培育突破性的甘蔗新品种。
植物染色体是遗传信息的载体,控制遗传变异,支配生长发育。核型分析主要通过研究其染色体数目及染色体形态特征来反映不同物种或品种之间存在的细胞学差异,不但能研究种间的遗传变异、系统演化以及亲缘关系,还可以为杂交育种选育以及杂种后代鉴定等提供理论依据。通过对粤糖06-233的核型分析结果可以看出,其核型分类属于2C型,洪德元[32]认为着丝粒位于中部的染色体是最对称的同时也是最原始的。植物染色体进化方向是由对称向不对称发展,因此,具有中部着丝点的染色体的百分比越小和核型不对称系数越大,则植物的染色体核型越不对称,也越进化。同时,黄东益等[33]对甘蔗3个主要祖亲种即印度种（春尼）、割手密种（印度割手密）和热带种（黑车里本）的研究显示中部着丝点的染色体的百分比分别为100%、97.2%和95%,而粤糖06-233的中部着丝点染色体所占比例为93.18%。可见,该品种的中部着丝点染色体所占比例明显低于野生种或原始栽培种。另外,Stebbins[34]将植物染色体核型按对称性程度的高低分为12种类型（1A、2A、3A、4A;1B、2B、3B、4B;1C、2C、3C、4C）,认为核型对称性程度越高的生物,其染色体变异越小,进化程度也越低;而非对称性程度越高的生物,其染色体变异越大,进化程度越高。因此,粤糖06-233属于进化程度相对较高的品种,也符合进化的基本趋势。