美国高产高糖多抗甘蔗育种技术培训总结

赵培方

（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）

美国高产高糖多抗甘蔗育种技术培训总结

赵培方

（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）

笔者于2013年11月至2014年5月在美国农业部运河点甘蔗育种站开展了为期180d的访问学者工作，重点就甘蔗实生苗大田移栽前黑穗病、宿根矮化病和锈病接种胁迫开展了合作研究。同时，全程参与了对方杂交组合选配，杂交种子生产，家系评价，多个试验圃品系筛选，主要病害抗性鉴定工作。现将开展的合作研究工作进行总结，供同行参考。

甘蔗；早期选择；育种技术

甘蔗是我国最主要的糖料作物，蔗糖产量占食糖产量的91.7%。回顾过去，只有1995/1996、2002/2003和2007/2008三个榨季食糖生产实现了自足，其他榨季均保持200万t左右的进口量。且我国食糖人均消费正以约6.2%的速度增长，而食糖产量的增速仅保持在2.8%左右。高产高糖多抗甘蔗新品种的选育并推广应用，是在相同土地资源生产更多糖料的有效措施。甘蔗新品种选育是一项长期且需持续开展的研究工作。通过积极开展国际合作，借鉴国外甘蔗育种机构先进经验和引进优良种质资源，将有利于促进甘蔗育种技术创新，提高甘蔗育种效率。

美国农业部运河点甘蔗育种站（USDA ARS Sugarcane Field Station at Canal Point）建于1920年，主要职责为向路易斯安那州和德克萨斯州提供杂交花穗和为佛罗里达州选育甘蔗新品种。通过与佛罗里达大学和佛罗里达甘蔗联盟联合选育的CP型甘蔗品种不仅占佛罗里达州种植面积的83%，且在国际上具有较高的知名度。CP型品种在哥斯达黎加、萨尔瓦多、危地马拉、洪都拉斯、尼加拉瓜、巴拿马和塞内加尔分别占25%、70%、65%、60%、66%、15%和50%的种植面积（数据由Jack C.Comstock提供）。在中国，约100个甘蔗品种均来自CP系列亲本。该机构不仅在高产高糖育种方面积累了较为丰富的材料基础和技术储备，且在抗病育种方面具有较强的专业团队，其负责人Jack C.Comstock是甘蔗病害研究方面的知名专家。为了加强云南与美国甘蔗科技合作，2012年5月12—17日，美国农业部运河点甘蔗育种站负责人Jack C.Comstock博士和美国佛罗里达大学Richard Rald教授应邀前来云南省农业科学院甘蔗研究所进行了为期6d的学术访问与交流，双方签订了人才培养和科技交流方面的协议，为此次出访执行境外培训计划奠定了良好的前期基础。

另外，该培训计划执行人通过执行2009年度国家外专局中长期境外培训计划“泰国强宿根甘蔗育种技术培训”，引进了泰国强宿根甘蔗早期选择技术，并在团队成员的共同努力下进行集成创新，初步形成了集宿根性测试[1]、黑穗病[2]、宿根矮化病[3]和花叶病[4]接种胁迫的甘蔗早期选择技术，已在约20万实生苗上应用。但在病害接种技术和评价方法方面有待进一步完善。通过执行此次培训计划，实地交流和参与对方科研工作，借鉴美国农业部运河点甘蔗育种站在高产高糖多抗甘蔗新品种选育方面的经验和做法，以期进一步完善我所的甘蔗早期选择技术。现将培训期间开展的研究工作及学习收获总结如下，供同行参考。

1 杂交组合选配及杂交种子生产

1.1 杂交花穗生产概况

甘蔗是高度杂合的异源多倍体植物，任何双亲间的杂交均产生极为广泛的分离，然而，综合性状优良的分离极少。世界主要甘蔗育种机构均采取大规模生产杂交种子的方式，以获得更多优良的基因型供选择。佛罗里达州运河点具有优良的自然开花条件和完善的杂交设施，为路易斯安那州和德克萨斯州生产杂交花穗是其主要任务之一。培训期间，全程参与了2013/2014杂交季双亲杂交和多元杂交花穗生产，部分杂交组合选配和甘蔗实生苗培育等工作。本杂交季共计选配杂交组合1631个，生产杂交种子约200万粒，其中向外提供约130万粒，运河点保留70万粒，使用甘蔗亲本296个。

1.2 杂交组合选配

运河点甘蔗育种站杂交组合选配主要由负责育种的科学家完成。负责其他研究方向的研究人员将杂交亲本的所有信息汇总反馈，供杂交组合选配参考。包含亲本的蔗糖分、产量、有效茎、家系试验的配合力以及病害抗性鉴定结果。杂交组合的选配主要依据双亲开花情况和性状互补。锈病是佛罗里达州最主要病害，病理学团队完成了几乎所有亲本褐锈病抗性的分子标记鉴定和黄锈病抗性的人工鉴定供育种参考。杂交组合选配过程中，此为参考最多的信息之一。通过参与杂交组合选配，掌握了含抗褐锈病性基因Bru1和Bru2的CP型甘蔗亲本及其分子标记抗性鉴定方法，掌握了主要CP型亲本对宿根矮化病的抗性等级。因我国大量使用CP型亲本开展杂交育种，这些病害抗性信息将可直接用于CP型亲本的选配。

1.3 亲本类型

在杂交亲本的选择方面，国内较为重视亲本的多样性，而运河点甘蔗育种站使用最多的为美国本土自育的高产高糖甘蔗亲本。主要原因为对自育亲本掌握的信息量较为丰富，且蔗区及甘蔗生产模式长期较为一致，形成了长期一致的高产高糖多抗适宜机械化收割的育种目标。不同类型亲本的杂交次数百分比依次为：CP型（36%），HoCP型（20%），Ho型（19%）；编号US的亲本为割手密后代，占5%；CPCL型占3%；多元杂交占6%。对综合性状优良的亲本进行大量杂交，如CP01-2390、Ho07-613、HoCP09-814、CP05-1616、CP07-2547、CP84-1198、HoCP04-852、CP06-2897、CP08-1553和HoCP96-540这10个亲本的杂交次数均在50次以上。另外，运河点对亲本的更新较快，所使用的亲本主要为较新的品种（系），编号2000年以后的亲本占总杂交亲本的84%，其中，09至11型亲本比例高达50%，2000年以前的亲本仅占约16%。

1.4 严格控制自交

控制自交，是提高杂交组合选配预期效果和家系试验亲本评价信息准确性的有效措施。运河点甘蔗育种站在杂交之前，先对亲本开花情况进行观察，无花粉的亲本作为母本杂交，若使用有花粉的亲本作为母本杂交，则在杂交之前进行温水杀雄。采用50℃温水处理花穗5min，此方法与巴西CTC甘蔗育种公司的做法一致。无论作为商业育种，还是亲本创新的杂交种子生产，均应对有花粉的母本进行杀雄。

2 高产高糖多抗甘蔗品种选育

2.1 甘蔗实生苗的培育及种植

实生苗是甘蔗品种选育最基础的工作之一。2014年共计培育实生苗13万株，实生苗的管理由专人负责。因实生苗大田移栽为机械种植，因此，所使用的假植盘在设计上较好地配合大田移栽机械。在实生苗种植方面，其种植株距较大，约50cm，以降低单株间的竞争，促进种性的充分发挥。实生苗的选择一般由两个科技人员同时对1个杂交组合进行筛选，因此，各杂交组合种植2行，筛选时各对1行进行选择，选择完后对杂交组合的产量性状、病虫害抗性进行分级，为杂交组合的选配提供参考。

2.2 家系试验和杂种圃

我国自2006年开展甘蔗家系试验以来，进行了大量的探索和研究，形成了以调查产量性状兼顾糖分、病害自然发生情况等为手段的家系评价技术。培训期间，参与了运河点家系评价试验田间调查和锤度检测样品采集等工作。运河点甘蔗育种站家系试验评价采取对生势、病害、倒伏、开花进行分级的简化方法，为降低人为误差，家系分级通常由5人共同完成。成熟期取样测量混合锤度和单茎重，结合有效茎数计算家系产量和含糖量。家系试验的田间调查量相对国内较少，得出的结果为综合性分级评价结果。

实生苗的选择为田间选择的第一阶段，选择的准确性将直接关系到后期品种选育效率。培训期间，参与了运河点甘蔗育种站实生苗的选择。丛有效茎、株高、病害发生情况及空蒲心为主要选择指标。因杂交亲本选配中大量采用多代回交的高产高糖亲本，参试实生苗中蒲心实生苗的比例极低。在入选率方面，尽管采用50cm的种植株距，科技人员仍认为需保持较高的入选率以降低错选和漏选的几率。一般保持高达25%的入选率，国内甘蔗育种机构为降低后期试验土地及资金的投入，通常保持约5%的入选率。在实生苗入选材料繁殖方面，国内采取全部蔗茎繁殖的方式，而运河点甘蔗育种站仅采用1条蔗茎进行繁殖，即在保持较高入选率和后期相同试验资源投入的情况下，可对更多品系进行筛选，此为值得鉴借的经验。

2.3 品系筛选

在美国农业部运河点甘蔗育种站传统品种选育程序中，仅实生苗，选种圃和鉴定圃在站内开展，其他两个选育阶段通过与制糖企业和佛罗里达大学联合，在站外约10个试验点进行，试验一般保留2年宿根。但经过大量研究，沙土和淤泥土条件下筛选具有较大差异，因此，近年已同时在沙土和淤泥土壤上开展品种选育。培训期间，参与了对方站外试验产量、主要病害抗性评价，所有性状均为分级评价法，调查方法极为简化，但参与调查的人员均为各单位甘蔗育种、病害研究及农艺研究方面的专家。调查结果将作为品种审定的重要依据。

2.4 品系抗病性鉴定及筛选

培训期间，通过参与病害研究团队开展的工作。了解了对方在锈病、黑穗病、宿根矮化病等主要甘蔗病害方面开展的研究工作。运河点甘蔗育种站病害研究的主要任务是为甘蔗品种选育提供参考。自品种选育的第二阶段，相当于我国甘蔗“五圃制”选育的鉴定圃，对所有品系进行黑穗病、锈病和宿根矮化病等主要病害进行人工接种鉴定。经过多次抗性鉴定，入选至最后阶段的品系均表现较强的抗病性。抗病性强的品系，再次作为亲本杂交利用。我国在甘蔗品种选育过程中，通常至品种选育的最后阶段才进行主要病害的抗性鉴定，被鉴定为感病的品系弃之可惜，留之难于被生产接受。

3 甘蔗早期选择技术研究

甘蔗是无性繁殖作物，自杂交完成后，获得实生苗后的筛选均为无性繁殖，即在基因型不变的情况下筛选。在实生苗移栽大田之前，若能采取一定措施，对实生苗进行病害胁迫，促进实生苗在大田移栽前表现出对主要病害的抗感特性，将有利于在早期阶段淘汰感病单株，或在早期选择阶段淘汰表现感病的品系。执行人通过执行国家外专局境外培训计划“泰国强宿根甘蔗育种技术培训”，集团队力量开展技术创新，已初步形成甘蔗实生苗大田移栽前发株测试、黑穗病、花叶病和宿根矮化病接种胁迫的早期选择技术。但在病害接种及评价方面还需进一步完善。此次培训期间，借鉴运河点甘蔗育种站在甘蔗病害研究方面的经验，开展了宿根矮化病、黑穗病和锈病的大田移栽前接种胁迫研究。

3.1 黑穗病

甘蔗黑穗病是我国主要的甘蔗病害之一，对该病害最有效的防治方法为推广抗黑穗病甘蔗品种。培训期间，选用高产高糖感黑穗病亲本CP01-2390与其他亲本选配的12个杂交家系为研究材料，获得杂交种子后播种获得实生苗，在实生苗约4片叶龄时，进行假植。假植之前，配制黑穗病孢子悬浮液，将实生苗根部浸泡在孢子浓度为1×105的悬浮液中30min。因黑穗病孢子在悬浮液中4h内萌发，因此，接种应在4h内完成，若进行大规模接种，应多次配制孢子悬浮液。假植后置于温度28℃的温室中过夜培养。因黑穗病症状在甘蔗拔节前才可见，而试验时间相对较短，目前仍未表现症状。但从接种方法上，相对我们所开展的室外接种，此为可控温操作，且在悬浮液配制方面，无需收集大量黑穗病孢子。对完善我所实生苗大田移栽前黑穗病接种技术具有较好参考价值。

3.2 宿根矮化病

甘蔗宿根矮化病为我省最主要的甘蔗病害之一，感病品种在种植后宿根发株差、蔗茎变细及节间变短而导致产量损失。其传染主要通过种茎刀口传播，我所结合实生苗去顶进行宿根矮化病接种。试验假设在实生苗假植过程中，对根部的损伤亦可导致侵染。培训期间，采用对宿根矮化病不同抗感水平的9个亲本选配9个自交群体，播种获得实生苗后，采用根部浸泡的方式进行宿根矮化病接种胁迫，病原收集于高感宿根矮化病品系CP53-1，接种过程控制蔗汁温度在20℃以下。宿根矮化病从表型症状上较难判断，但抗性差的实生苗感病后在品系筛选过程中将因产量表现较差被逐渐淘汰。试验结果有待实生苗成茎后取样进行组织印迹检测。

3.3 锈病

锈病是世界性的甘蔗病害，锈病的防治及抗锈病品种选育是运河点甘蔗育种站当前最主要的研究任务之一。锈病可通过农药来防治，但成本较高。最经济有效的措施为种植抗锈病品种。培训期间，采用14个自交家系实生苗为研究对象，各家系分别接种黄锈病和褐锈病。在实生苗4片叶龄时，采用1×104～5×104孢子浓度进行喷雾接种，接种后放置于温度18.3℃的温室中，加湿过夜。接种后200倍显微镜下观察可见附于叶片上的锈病孢子。黄锈病在接种15d后可表现症状，褐锈病在接种7d后可表现症状。

各实生苗的抗感病情况采用0～4级分级评价，0为高抗，4为高感。结果表明，仅约7%的实生苗高抗黄锈病，7%的实生苗抗黄锈病；3个亲本CP00-1825、CP92-1167和TCP87-3388的自交群体中，高抗黄锈病的实生苗比例分别为30%、22%和21%；对于褐锈病，仅约2%的实生苗表现高抗，33%的实生苗表现为抗；CP94-1100和CL88-2747的自交群体中，高抗的实生苗百分比均为13%。若仅入选抗的实生苗，86%的实生苗可因感黄锈病在大田移栽前被淘汰，65%的实生苗可因感褐锈病在大田移栽前被淘汰。锈病是较容易接种且发病症状容易在大田移栽前可观测的病害之一，可作为抗锈病甘蔗育种的主要技术方法。

S566.5

B

1007-2624（2015）03-0075-04

10.13570/j.cnki.scc.2015.03.028

2014-10-29

国家外专局审出国（境）培训计划“美国高产高糖多抗甘蔗育种技术培训”（CG2013530001）；国家甘蔗产业技术体系（CARS-20-1-1）；国际科技合作与交流专项子项目“国外甘蔗种质资源引进与繁殖鉴定”（2010DFB33340-6）。

赵培方（1981-），男，云南省石林县人，主要从事甘蔗遗传育种研究，电子邮箱：hnzpf@163.com