甜菜育种的研究进展及未来发展展望

马龙彪 ，吴则东 ，王茂芊 ，邳植 ，兴旺

（1.黑龙江省普通高等学校甜菜遗传育种重点实验室，哈尔滨150080；2.中国农业科学院甜菜研究所/黑龙江大学农作物研究院，哈尔滨150080；3.中国农业科学院北方糖料作物资源与利用重点开放实验室，哈尔滨150080）

甜菜作为世界上一种重要的糖料作物，发展历史只有200多年，最初生产上使用的甜菜品种是多胚种，一粒种子可以发出几个芽，后来为了适应减少人力的需求，发展了机械化单粒种。自从上个世纪80年代，甜菜品种由最初的机械化单粒种转变为遗传单粒种后，每公顷的产糖量每年以几乎1.5%的速度递增[1]。甜菜育种的目标是创造稳定、可靠的产质量不断提高的品种，在一定的生产成本下创造单位面积内最高的产糖量，并且满足环境、种植者以及糖厂的其他需求。这些目标主要通过选择农艺和工艺性状实现，这些选择有些复杂，有些简单。糖的产量是由含糖率和根产量的乘积所决定的，而根产和含糖之间总是负相关的，这两个组分同时最大的表达很难实现。因此品种通常被分类为E型（重点在于根产），Z型（重点在于含糖率）和N型（标准型，介于二者之间）。近些年来，在品种的选择上，有一种普遍选择高含糖率品种的需要，但是对于任何一个特殊的地区，对于品种类型的选择都要考虑到诸多因素的影响。糖厂提取白糖的效率也受到根中Na、K、α－氨基氮和甜菜碱浓度等的影响，这些成分大部分彼此相关而且和根产、含糖也有一定的关系。甜菜育种就是要结合高产糖量和杂质含量低主要因素。同时，为了获得高而稳定的产量，甜菜品种必须具有抗或耐重要的病害和虫害等生物胁迫。为了应对未来几年可能发生气候变化的影响，育种者要培育出对干旱等气候或土壤胁迫因素等非生物胁迫耐受的品种。甜菜作物的发展有赖于育种、栽培以及植保等多学科的共同发展，但品种选育是甜菜作物能够持续发展的关键环节[1]。甜菜育种工作也从最初的系谱选择、混合选择发展到杂交育种以及现在利用生物技术育种，本文将简要介绍一下甜菜育种的发展历程以及未来育种工作的展望。

1 甜菜育种方法

1.1 传统育种方法

古人讲，欲善其事，必利其器。对于育种工作者而言，想要育成好的品种，就要有性状表现优良的多胚授粉系和尽可能多的成对单胚雄性不育系及保持系，只有拥有更多优良性状的种质资源，才可能从中组配、选育出生产上实用的品种。而育种家手里都会有各种各样的甜菜种质资源，那么如何对现有的种质资源进行有效地选择和利用，这就涉及到品系或品种的选择方法。

1.1.1 混合选择 按照一定的育种目标，从现有品种或育种材料中，选出一定数量外形近似的优良个体，进行混合收获、种植的一种育种方法。常用于品种改良和在良种繁育上保持品种纯度。在甜菜中，混合选择通常意味着在该区域对形态特征的表型选择，其次是在实验室中化学性质的选择。这样的混合选择对形态性状选择的改善是有效的。混合选择可能也对含糖率的选择有效，并且这些质量性状在很大程度上是由具有附加基因作用的可遗传的基因控制的[2]。混合选择是一项重要的技术，特别是在育种工作的前期，当原始材料可能不得不适应新的环境条件时。混合选择具有适应新的农业气候条件、改进甜菜的形态学特征（例如选择根皮光滑、根沟较浅的甜菜），这样的甜菜会附着土量少、选择抗抽薹材料以及利用病圃选择抗病性材料等。

1.1.2 系统选育 杂种第一次分离世代开始单株选择，即系统，以后各世代均在优良的系统中选育优良单株，经过连续多代单株选择直至株系的性状稳定一致，才将入选株系混收为新品系。系统选育是我国建国初期主要的育种方式，同时也是育种的基础[3]。

1.1.3 轮回选择 轮回选择最早从玉米开始，成为玉米育种中常用的方法[4]。轮回选择一般按照育种目标，选择优良的基础群体，群体间杂交产生后代，然后对后代进行鉴定,从中选出表现最优株；把选择出的最优株相互杂交形成下一轮群体。轮回选择就是通过不断的选择和重组，提高群体中目标性状有利基因的颇率和群体内优良个体的比例，从而提高性状平均值，维持群体的遗传变异。

1.1.4 自交 甜菜是强烈的自交不育作物，在严格隔离的条件下，仅产生少量或者没有种子。携带SF基因一个或者一对通常会有95%～100%的自交种子。植物携带这个基因，在收获时，它不接纳其它资源的花粉，也会产生很多种子[5]。这个基因很大程度上被用来发展甜菜的自交系。

1.1.5 基因突变 基因突变包括化学诱变和物理诱变，凡是能引起生物体遗传物质发生突然或根本的改变，使其基因突变或染色体畸变达到自然水平以上的物质，统称为化学诱变剂。常用的化学诱变剂如EMS（甲基磺酸乙酯）。物理诱变剂主要有紫外线、X射线、γ射线、激光、微波以及离子束等。此外还有宇宙射线，常用于航天育种等。如中国农业科学院甜菜研究所于2014年育成的甜菜新品种航甜单0919[6]，就是利用航天育种卫星搭载的甜菜单胚雄性不育系和二倍体品系，从材料中找到优良的变异株,利用变异株配制了8个杂交组合，从中筛选出优良杂交组合选育而成的。

1.1.6 多倍体育种 20世纪30年代末，许多甜菜育种家和研究工作者利用秋水仙碱生产同源四倍体甜菜。最初最大的希望是能够得到产量大幅度增加的变异。但相反的是，根重和糖产量几乎比它们的二倍体还要低。然而，很快又发现，二倍体和四倍体自由杂交产生的三倍体，产量总是超过它们的四倍体和二倍体。这一发现导致了多倍体品种的产生，更准确地说，是一种异倍性甜菜品种，是目前三倍体杂交品种的基础。如中国农业科学院甜菜研究所上个世纪育成一个主推品种甜研309就是三倍体杂交种[7]。三倍体杂交品种曾经是欧洲国家主要使用的品种类型，曾经主导欧洲甜菜种子市场25年，但现在三倍体杂交种的比例急剧下降。

1.2 生物技术育种

其中分子标记技术应用较多，分子标记比常规遗传标记的优点在于：(1)直接以DNA的形式表现，在生物体的不同组织和发育阶段均可检测到，不受其它因素影响；(2)基因组DNA多态性极其丰富，标记可遍一切处，所有生物体的检测程序相似；(3)许多标记表现为共显性的特点，极易进行显隐性状的区分与选择。

1.2.1 遗传图谱构建 分子标记技术在甜菜育种上得到了广泛的应用，其中构建甜菜遗传图谱应用的分子标记技术有：RFLP[8]、RAPD[9]、AFLP[10-11]、SNP[11]、EST[12]、ISSR[13]、SRAP 和 SSR[14]等。

1.2.2 基因定位 利用QTL技术已经把抗丛根病[11，15]、褐斑病[16]、孢囊线虫[17]及抽薹[18]等相关的基因在甜菜染色体上进行了定位或克隆。

1.2.3 创造新种质 利用组织培养产生体细胞无性系变异、原生质体培养以及未授粉胚珠或者花药离体培养，创造新的种质。如中国农业科学院甜菜研究所培育的甜菜品种“中甜花培一号”[19]，就是利用未授粉胚珠培养获得的二倍体纯系，然后以此纯系为父本，杂交而成[19]。另外利用野生资源，通过杂交等手段创造具有特定抗性的种质资源也是现在和未来发展的方向[20]。

1.2.4 基因工程 目前利用基因工程技术已经开展的有抗线虫[21]、抗抽薹[22]、改变糖代谢途径[23]、抗丛根病[24]以及抗除草剂[25-26]等研究。目前美国已经允许抗农达除草剂的甜菜品种在生产上大面积应用。

2 甜菜育种未来展望

甜菜未来的育种目标就是通过培育新品种，降低甜菜种植成本，提高、改善目标产量、品质及抗性。

2.1 未来育种方向

2.1.1 培育耐瘠抗旱甜菜品种（系），减少水肥投入 野生甜菜自然生长于贫瘠沙地，具有在低养分土壤中保持正常生长的潜力。因此，利用野生甜菜种质选育耐贫瘠、水肥需求量少的甜菜品种是可行的。同时，研究表明耐旱能力与块根含糖具有相关性，干旱条件更有益于甜菜糖分积累[1]。

2.1.2 培育多抗性甜菜品种，减少杀虫剂和抗菌剂的施用 已在抗丛根病、褐斑病、曲顶病以及立枯病等方面取得了一些进展。在大部分市场，抗病虫品种能够很大程度上降低病虫害带来的经济损失，同时避免杀虫剂和抗菌剂施用对农业环境带来的破坏。未来的工作重点主要是通过将不同抗病基因进行重组和定向筛选微效基因培育具有多种抗病性的甜菜品种。

2.1.3 新型抗除草剂品种 利用除草剂控制杂草，是保证甜菜高产的先决条件。迫于土壤中杂草的生长，除草剂费用在甜菜种植成本中占有较大比重。如今已经培育出抗除草剂的甜菜品种[27]，今后的研究重点将集中于新型除草剂以及相应施用体系的研发。

2.1.4 加工成本降低 每年甜菜糖产量平均增长约1.5%，约为甘蔗糖增长量的两倍。其中，因种质创新导致的糖产量增长每年约为1%，从理论上这种增长仍将持续数年。高含糖率不仅降低了生产单位重量甜菜糖的运输成本，而且还能够有效地减少甜菜糖杂质含量和增加提取率，从而减少甜菜糖的加工成本[1]。

2.1.5 平衡甜菜含糖率和根产量 如今，高糖型和丰产型甜菜品种已经非常丰富，下一阶段的重心在于将这些具有单一优良性状的甜菜种质进行重组，从中选育具有最优产糖量的甜菜品种。目前包括光合作用、糖分运输、糖分积累等代谢过程的分子机制已经取得了一定程度的进展[28－30]。通过基因编辑技术[31]，对这些代谢相关基因进行过表达或敲除，最终达到增强甜菜糖分积累的目的已经成为可能。

2.1.6 低杂质 “低杂质”是指甜菜根不易附着土壤。这些低杂质品种相较一般品种可减少附土5%～30%。

2.2 育种方法

未来育种方法主要涉及：一是分子标记被开发用于鉴定特异基因型或基因；二是新基因克隆和转化成为创造遗传变异的新工具；三是组学技术用于高通量检测基因和蛋白质序列测定和动态表达变化。

2.2.1 分子标记 通过分子辅助选择标记检测，将基因型与表型相结合，应用于育种各个阶段的筛选和鉴定，可以显著提高育种选择工作的准确性，提高育种研究的效率。经过近20年的发展，分子标记体系由早期几个影响下胚轴颜色的基因，逐渐发展出同工酶、RFLP、AFLP、微卫星和SNP等多种类型的分子标记。当直接导致某一表型的基因被鉴定后，该表型的育种将由只从表型进行挑选或重组向结合分子标记以反映基因变异的方式转变。利用分子标记技术，育种将不仅是挑选或重组某一性状表型，还包括相应基因型品种的鉴定。通过分子克隆鉴定杂交后代，最终获得最优组合的阳性植株。利用分子标记技术可以将多个抗性基因聚合到一起，实现聚合育种[32]。

2.2.2 基因工程技术 利用基因工程技术实现新基因转化是培育新品种另一有效手段。今后基因转化将不仅局限于将基因导入基因组中，还将通过编辑基因启动子、基因修饰等方式调控基因在特异亚细胞器内表达，从而实现更精准、更高效的育种。此外，转座子插入、CRISPR/Cas9[33]等技术也可以用于构建突变体库，开展新品种的选育。

2.2.3 组学技术 2013年12月18日由德国比勒费尔德大学、西班牙基因组调控中心（CRG）、马克思普朗克分子遗传学研究所人员在Nature期刊中发表甜菜高质量参考基因组序列及四种繁殖系的综合基因组，甜菜育种进入组学时代[34]。利用高通量测序平台不仅可以对甜菜整个基因组基因表达进行检测，同时可以针对不同性状甜菜个体进行重测序，进行QTL分析及SNP分子标记挖掘[35]。

蛋白质是基因功能的执行者，蛋白质丰度的变化直接反映作物代谢过程。通过蛋白质组学技术高通量检测蛋白质动态变化可以有效挖掘参与目标性状的关键蛋白质。已广泛用于植物生长发育、胁迫应答分子机制的研究，发现的关键基因可以直接用于甜菜分子标记构建和遗传转化育种。

德国哥廷根大学的Hoffmann等人[36]认为甜菜潜在的产糖量为24 t/hm2，当产量达到较高水平时，育种的进展对未来的产量是至关重要的。因此未来甜菜糖业的发展，甜菜育种技术的发展尤为重要。