美国农业部甘蔗研究所科研动向与甘蔗种质资源保存概况

陆 鑫 ，朱建荣 ，周 会 ，蔡 青,3

（1.云南省农业科学院甘蔗研究所/云南省甘蔗遗传改良重点实验室，开远 661699；2.广西农业科学院甘蔗研究所，南宁 530007；3.云南省农业科学院生物技术与种质资源研究所，昆明 650223）

甘蔗是我国糖料作物中种植面积最大的[1],是一些地区财政收入的重要来源之一[2]。为提高甘蔗科技创新能力，促进蔗糖产业发展，加强国际间合作与交流，在云南省农业科学院资助下，笔者于2011年10月至2012年3月赴美国农业部南方研究中心甘蔗研究所（USDA-SRU）进行访问学习，对美国甘蔗种质资源保存和美国农业部甘蔗研究所科研动向等做了较全面的了解。

1 美国甘蔗生产现状

美国是世界上少数几个同时生产甘蔗糖和甜菜糖的国家之一。由于美国国土南北纵向跨度大，仅南部地区的气候条件能够满足甘蔗生长的需求，加之各州政府对产业结构的调整，现仅有4个州在进行甘蔗种植与蔗糖加工，分别是夏威夷州、德克萨斯州、路易斯安那州和佛罗里达州。2010—2011榨季，美国甘蔗种植面积为35.5万hm2，甘蔗平均单产为76.8t/hm2，蔗糖总产量为286.9万t。

从美国农业部公布的近30年甘蔗生产情况来看，各州甘蔗种植面积从大到小依次为路易斯安那州、佛罗里达州、德克萨斯州、夏威夷州。其中，在2001—2002榨季，美国甘蔗种植总面积达历史最高水平，为41.6万hm2，但在两年之后，4个州的植蔗面积均呈现大幅下滑，其中最为严重的是夏威夷州，由1980年的4.2万hm2降至2010年的0.7万hm2；从2006年开始，各州的甘蔗种植面积保持相对稳定。最近5年，美国甘蔗种植面积维持在35万hm2左右。

从各州甘蔗单产来看，夏威夷州单产最高，平均单产为197.7t/hm2，其中2003—2004榨季甘蔗单产为228.7t/hm2，为历史最高水平，其高产的原因在于该州甘蔗生长期较长，一般为24—36个月，其次为佛罗里达州（76.7t/hm2）、德克萨斯州（74.3t/hm2）、路州（58.7t/hm2）。最近 10 年，全美甘蔗单产平均降至 73.5t/hm2。各州年均蔗糖产量从高到低依次为佛罗里达州（149.6万t）、路易斯安那州（94.2万t）、夏威夷州（52.7万t）、德克萨斯州（11.2万t）。从最近10年的数据看，夏威夷州蔗糖产量下降最快，2010—2011榨季年产糖量仅为15.6万t，其余3个州的蔗糖产量均保持相对稳定（佛罗里达州：130.0万t；路易斯安那州：127.5万t；德克萨斯州：13.2万t）。

在美国，尽管甘蔗产业的规模与其创造的价值远低于甜菜糖，但美国政府仍然对南部地区的甘蔗产业进行政策性保护，如严格按国内需求缺口量对食糖的进口量加以控制；对食糖生产，实行配额管理；国家加大对能源甘蔗的研发力度和研究经费的投入等。因此，近年来美国甘蔗产业整体上呈现稳中有升的发展趋势。

2 美国农业部甘蔗研究所简介及其科研动向

美国农业部的甘蔗育种研究工作始于1919年。1924年美国甘蔗联盟向美国农业部捐赠土地，在路易斯安那州的荷马建立甘蔗研究实验室。1928年，实验室的研究重点从甘蔗病理学转向育种学。为确保备选品种能够得到充分测试以满足路州蔗糖产业发展的需要，美国农业部、路易斯安那州州立大学农业试验站和美国甘蔗联盟于1926年联合签署了一项三方甘蔗品种发展协议，该协议时至今日仍然有效，该协议通过对品种改良和栽培技术的改进，使路州甘蔗单位面积产糖量提高了4倍。

目前美国农业部甘蔗研究所拥有12名科学家和近40名实验技术人员及行政人员。该所的研究任务是为加强甘蔗作为生物燃料和食糖生产原料的可行性提供技术解决方案，通过各学科协作进行品种改良和制定环境友好型产品生产策略，保障制糖企业盈利、扩大甘蔗种植面积、抵御不断进化的病、虫、杂草等甘蔗有害生物。美国农业部甘蔗研究所代表性学科有：农艺学、遗传育种学、昆虫学、分子遗传学、病理学、土壤学及杂草防治等。目前，该所研究目标与方向如下[3]。

2.1 通过常规育种与分子生物技术相结合，进行甘蔗遗传改良

甘蔗品种改良由4部分内容组成，一是商业种选育，二是种质创新，三是轮回选择，四是分子辅助育种。商业种选育中，商业种和高代材料的杂交工作由荷马甘蔗研究所和佛罗里达州的运河点甘蔗试验站共同完成。荷马甘蔗研究所通过田间评价试验，从这些商业组合中筛选出具有商业应用潜力的品种并给予以“Ho”或“HoCP”开头的品种编号。路州大学农业中心同样也开展甘蔗杂交和选育工作，根据1926年三方联合签署的甘蔗品种发展协议，路州大学农业中心选育出的，选育编号以“L”开头的品种，将与“Ho”和“HoCP”型品种共同在整个路州蔗区进行品种区域试验，筛选种性表现稳定的品种并释放到整个蔗区进行产业化应用。

种质创新的作用在于拓宽甘蔗遗传基础，并为培育甘蔗新良种提供新型亲本。尽管低世代创新种质的糖分较低，但它们具备高生物量的潜力，并且这些F1、BC1、BC2本身具有低投入（种植管理成本）、高纤维分、耐寒、抗病虫性强的特点，因此荷马甘蔗研究所将这些材料作为能源甘蔗进行释放，并得到纤维素生物燃料行业的认可。目前，荷马甘蔗研究所的能源甘蔗品种已经开始在美国东南部地区开展评估工作。

轮回选择的重点是选择早熟、高糖，并具有抗甘蔗螟虫和墨西哥水稻螟的品种。分子辅助育种的重点是通过开发和利用DNA分子标记选择诸如抗病、抗虫、高糖等特殊性状的品种/材料，以提高甘蔗育种效率。

2.2 利用抗病性甘蔗种质，实现病害防控

路州蔗糖产业经济的可持续发展依赖于不断推广应用抗病抗逆性强的高产品种。病理学科的研究目标是通过持续选育抗病品种来降低病害对糖料蔗和能源蔗产量的影响。该学科对杂交亲本及该单位收集保育的甘蔗属及其近缘属种质的抗病性进行鉴定，适时监测甘蔗上出现的新的病原菌；利用分子标记的方法进行宿主与病原菌的遗传学研究，研究开发用于病害检测的与抗病基因紧密连锁的DNA分子标记。

2.3 开发杂草与虫害综合管理系统，促进甘蔗生产的高效可持续发展

通过品种选择、耕作方式、轮作、蔗叶还田管理和除草剂的使用，寻找降低杂草对甘蔗生产影响的最佳管理模式；评估新型化学除草剂对多年生杂草的防除潜力；研发非化学手段控制甘蔗螟虫的方法，例如从甘蔗野生种或其近缘属植物中寻找具有抗螟虫特性的资源，调查研究施用硅肥对提高甘蔗抗螟虫潜力的影响，利用捕食性昆虫和寄生生物进行生物防治的综合性虫害治理系统，以及品种对虫害和杀虫剂的耐受性；评估甘蔗蚜虫密度与产量损失之间的定量关系。

2.4 研发新型或改良现有的栽培技术，保护自然环境，保障甘蔗生产的可持续性

应用精准农业和遥感技术等手段发展作物栽培及土壤管理新技术，克服土壤养分限制，使甘蔗种植效益最大化；应用作物生理学方法，如测量植株光合速率、冠层分析、叶面积、株高、有效茎数、单茎重、生物量分配与产量构成要素，评价蔗叶还田和催熟剂的使用对甘蔗产量的影响。同时该学科还利用遥感技术识别甘蔗品种，监控病虫害发生情况，辅助预测收获前甘蔗的含糖分及其产量水平。

由于美国农业部甘蔗研究所在发展能源甘蔗品种方面取得的成功，以及美国东南部地区对能源甘蔗的需求，美国农业部农业研究服务中心（USDA-ARS）追加了额外的研究经费资助荷马甘蔗研究所设立新的研究项目，其目标是研发一种最佳的甘蔗田间栽培管理模式，实现甘蔗持续高产，保证制糖和生物质能源产业的原料蔗供应。该管理模式主要从以下几个方面开展研究：使用非传统肥料（如滤泥、碳灰和生物炭）；甘蔗固氮；深耕；收获期调整；蔗叶还田（减少土壤浸蚀、保持土壤水分和土壤肥力、维持土壤有机质）。

3 美国甘蔗种质资源保育情况

美国国家甘蔗种质资源圃位于佛罗里达州迈阿密亚热带园艺作物研究工作站 （Subtropical Horticulture Research Station's,SHRS），是世界上规模最大、最早对甘蔗种质资源进行收集和保育的机构。从美国农业部2012年4月8日公布的保育情况看，该圃现今保育有来自61个国家或地区的21个甘蔗属或其近缘属的种，保育资源总数为2863 份[4]（详见表 1）。 而从资源收集入圃的时间来看，该圃的资源收集工作主要集中在20世纪80年代以前，在最近的近30年间，该圃几乎无新的甘蔗种质材料（包括杂交品种）入圃保育。该圃保育的415份杂交种质，尽管都属于一些老品种，但不乏一批高贵化中低代材料，这些材料值得我们引进并加以利用；美国甘蔗资源圃内保育的热带种数量较多，来源地较为丰富，共包括来自35个国家及地区的935份热带种，其中大部分来自新几内亚、印度、印度尼西亚等甘蔗起源地；其他如沙生蔗茅等野生种质可引进，以完善我国甘蔗种质资源圃保存的基因类型，使圃内保育的资源遗传多样性更为丰富。

表1 美国甘蔗种质资源保育情况

4 体会

在美国，蔗农协会每年都会拿出一笔资金提供给科学家用作研究经费，以解决当前甘蔗生产过程中存在的问题，这就使得所开展的科研工作更具针对性，与生产结合更为紧密，真正做到科研支撑生产，生产反哺科研；同时，各项科研工作均较注重对产业发展的高效性和持续性影响，重视对生态环境的保护；在品种布局上，实行多品种搭配种植制度，防止主栽品种突然退化给产业带来严重的经济损失；在田间试验操作上较为粗放，以尽可能地与生产实际相结合。

农作物种质资源是作物育种、生物科学研究和农业生产的物质基础，广泛收集种质资源是作物种质资源学科的基础和先行，只有广泛和不断地收集，才能获得农作物种质更丰富的多样性，并减少农作物种质资源的丢失，以便更好地保存、整理、研究和利用[5]。我国现有的甘蔗品种不仅细胞质源种类贫乏，且野生种血缘单一、遗传基础狭窄[6]，从国外引进植物种质资源包括新作物、新品种（系）、地方品种、遗传材料及作物野生近缘植物，可充实和丰富我国的作物种类和推广的优良品种以及作为育种的亲本材料。美国国家甘蔗种质资源圃保存的种质资源从数量上和来源地来看，均比我国丰富，热带种作为种质创新中的受体材料和高糖高产基因源，应作为我们今后引种的重点，并加以创新利用，以丰富我国甘蔗育种亲本的细胞质源，拓宽遗传基础。

此外，美国国家甘蔗种质资源圃对部分种质材料的眼斑病、梢腐病、锈病和黑穗病做了调查记录，并将这些材料的抗病性划分为0～9级，其中0级为高抗，9级为高感；在其公布的数据中，高抗眼斑病的材料有70份（69份热带种、1份割手密），高感眼斑病材料14份（13份热带种、1份大茎野生种）；1级抗梢腐病材料50份（全部为热带种），高感梢腐病材料4份（全部为热带种）；高抗锈病材料85份（82份热带种、2份大茎野生种、1份杂交品种）；高抗黑穗病材料8份（全部为热带种），高感黑穗病材料26份（全部为热带种）。这些信息可为今后引种提供参考，使引种工作更具针对性。从国外引种时，须严格按照《甘蔗进口种苗检疫方法》[7]开展检疫工作，防止可能造成的生态危害和环境危害。

与巴西、印度、澳大利亚等世界产糖国相比，美国既不是世界主要产糖国、也不是研究水平最高的国家，但美国在种质资源保护、育种研究与产业发展上仍极为重视，值得我们学习和借鉴。

致谢：衷心感谢美国农业部甘蔗研究所潘永保教授对笔者在美期间的学习和生活给予的关心和帮助！

[1]樊仙，刀静梅，崔雄维，等.云南省沧源县甘蔗生产现状调查[J].中国糖料，2011（4）：56-58.

[2]徐雪.中国食糖产业政策体系及建议[J].中国糖料，2011（2）：63-67.

[3]Edward Richard.USDA-ARS sugarcane research unit overview[J].Sugar Journal,2012（1）:8-11.

[4]Summary statistics of holdings as of 08 Apr 2012[EB/OL].http://www.ars-grin.gov/cgi-bin/npgs/html/stats/genus.pl?S*

[5]郑殿升，刘旭，卢新雄，等.农作物种质资源收集技术规程[M].北京:中国农业出版社，2007.

[6]陆鑫，毛钧，刘洪博，等.甘蔗野生种滇蔗茅种质创新利用研究Ⅰ.甘蔗与滇蔗茅远缘杂交F1群体构建与SSR分子标记鉴定[J].植物遗传资源学报,2012，13（2）：321-324.

[7]黄应昆，李文凤，范源洪，等.甘蔗进口种苗检疫方法[P].中国专利：2010201010230554.2.