甘蔗常用亲本产量和品质性状评价与聚类分析

李旭娟，字秋艳，徐超华，李纯佳，刘洪博，林秀琴，毛钧，覃伟，赵丽萍，刘新龙

（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，云南开远 661699）

0 引言

甘蔗属于重要的产糖和能源经济作物，靠腋芽进行无性繁殖[1-2]，但其品种的选育方式还是主要依靠亲本杂交，即通过亲本的诱导开花杂交，产生表型性状分离的杂交后代或基因型，然后从中筛选出符合育种目标的优良品种[3-5]，因此，甘蔗亲本是品种选育的重要物质基础。在实际杂交育种中，积极了解甘蔗亲本的遗传背景，并客观准确地评价其重要农艺性状表现，对于明确亲本利用方向，指导亲本杂交组合配制及最终的育种成效至关重要[6]。黄锦福等[7]对海南育种场71 份亲本开展了长达5年的花期数据调查，为亲本组合配制提供了重要参考。张琼等[8]根据系谱图对我国50 多年来育种计划中使用的21 份骨干亲本的血缘组成进行了分析，结果表明所有骨干亲本都含有POJ2878或POJ2725的血缘，其次有65.59%的亲本含F134血缘，揭示了我国甘蔗骨干亲本血缘基础狭窄的事实，急需拓宽。劳方业等[9-10]、敖俊华等[11]和刘新龙等[12]从DNA 层面研究表明，我国甘蔗亲本遗传多样性属于中等水平，引自国外的大部分亲本和一些老的亲本表现出较近的亲缘关系，而来自云南的创新亲本表现出较大的遗传差异，在育种计划中应给予更多的关注。为了评估亲本的育种潜力，吴才文等[13-14]、刘少谋等[15]、张革民等[16]、徐良年等[17]、王勤南等[18]、安汝东等[19-20]、郎荣斌等[21]、朱建荣等[22]、姚丽等[23]对我国引进亲本与创新亲本的遗传力、配合力及经济育种值开展了评价，相关研究结果为亲本的选择和组合配制提供了重要参考。为了筛选优良的亲本材料用于品种抗性改良，陈义强等[24]、陈双等[25]、胡鑫等[26]、李文凤等[27]、杨荣仲等[28]对甘蔗亲本材料的抗旱性、磷使用效率、抗黑穗病、抗锈病和抗花叶病进行了评价。

虽然研究者对我国亲本开展了较多的评价研究，但多集中在育种潜力和遗传多样性方面，对于亲本重要农艺性状的客观评价还较少，且评价的亲本数量十分有限。鉴于此，本研究通过3重复的完全随机区组试验对我国83份甘蔗常用的商业亲本和基础杂交亲本开展产量和品质性状评价。通过评价，筛选在产量和品质性状上表现优异的亲本，确定产量和品质性状之间的相关性，划分亲本类群，以期加深对亲本的了解，为亲本利用方向的确定和杂交组合的配制提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 材料

选择目前国内甘蔗育种计划中常用的亲本作为试验材料，其中国内亲本48份，国外引进亲本16份，原始种亲本19份（包含热带种4份、中国种5份、印度种5份、大茎野生种5份），合计83份。所有亲本的名称、用途详见表1。所有研究材料种茎由国家甘蔗种质资源圃提供。

表1 我国常用甘蔗亲本材料名单Table 1 The list of commonly used sugarcane parental clones in China

1.2 田间试验

所有亲本材料取中上部健康腋芽，砍成单芽段种植于大田。试验采用完全随机区组设计，每个小区面积为3.0 m2（行长3 m，行距1 m），每个小区间隔种植10 个芽段，所有材料设3 个重复，四周设保护行。于1 月22—23日种植后施底肥并盖膜，种植和后期管理都采用大田常规管理方法进行。

1.3 性状调查与测定

于3月20 日，调查出苗数；于6月2 日分蘖盛期调查分蘖苗数；于翌年1 月13日甘蔗成熟期调查每份亲本材料的株高、茎径，每个重复随机选取5株进行测量，同时调查每份材料每个重复的小区有效茎数和单茎重，根据二者计算小区理论产量；于1 月24 日，每个重复砍2 棵有效茎带回实验室使用美国Rudolph Autopol880全自动糖度分析仪，采用一次旋光法进行品质性状（改正锤度、蔗汁糖分、甘蔗糖分、简纯度、纤维分）的测定。所有产量和品质相关性状的测定方法参照《农作物种质资源鉴定技术规程-甘蔗》（NY/T 1488-2007）进行。

1.4 数据分析

使用SPSS18.0 进行方差分析、相关性和Duncan多重比较分析；为了便于不同类型数据的综合聚类分析，使用SPSS18.0 软件对产量和品质性状数据进行标准化处理，然后使用HemI 1.0.3.7 软件基于欧式平方距离（Squared euclidean distance）绘制平均连接法（Average linkage）层次聚类（Hierarchical clustering）聚类热图。

2 结果与分析

2.1 变异幅度分析

对亲本性状的描述性统计表明，83 份甘蔗亲本在产量和品质性状数值上具有较大的变幅（见表2），其中出苗率平均值为67.76%，处于中等水平偏上，变幅在9.33%～93.33%；分蘖率平均值在267.78%，表明亲本一个主苗约可以产生2～3 棵分蘖苗，变幅在0.00%～968.78%；株高平均值为227.79 cm，变幅在139.43～314.77 cm；茎径平均值为2.65 cm，变幅在1.21～3.88 cm；小区有效茎数平均值为20.6 棵，变幅在2.0～50.0棵；单茎重平均值为1.11 kg，变幅在0.26～1.71 kg；小区理论产量平均值为23.04 kg，变幅在0.75～58.46 kg。

表2 甘蔗亲本产量和品质性状的描述性统计Table 2 The descriptive statistics of yield and quality traits of sugarcane parental clones

对于品质相关性状，改正锤度平均值为19.12%，变幅在13.15%～22.39%；蔗汁糖分平均值为15.32%，变幅在6.83%～19.07%；甘蔗糖分平均值在12.45%，变幅在4.82%～15.52%；简纯度平均值为79.36%，变幅在48.47%～89.19%；纤维分平均值在13.99%，变幅在7.20%～28.52%。

从各性状的变异系数来看，产量性状的变异要远大于品质性状，表明83份亲本具有较为丰富的产量性状变异；其中分蘖率呈现最大的离散度，变异系数为65.00%，其次为小区理论产量，变异系数为56.49%，变异最小的是株高，变异系数为14.16%。对于品质性状，变异系数最大的是纤维分，为26.38%，其次为甘蔗糖分（18.83%），最小的是改正锤度（9.94%）。

2.2 方差分析

方差分析结果（表3）表明出苗率、分蘖率、株高、茎径、有效茎数、单茎重、理论产量、改正锤度、蔗汁/甘蔗糖分、简纯度、纤维分在亲本之间的差异均达到极显著水平，说明不同亲本在产量和品质性状上存在着显著差异。为了筛选出在单个性状上表现优异的亲本，使用SPSS18.0 软件里的Duncan 多重比较方法进行两两比较，结果表明产量性状上，CP85-1308、Yunzhe06-407、Yuetang79-177 等64 份亲本出苗率上表现较好，数值在63.33%～93.33%，方差统计未表现出显著差异（P<0.05）（表4）；印度种Nagans在分蘖率上表现最好，分蘖率达968.78%，其次为NCo310和CP34-120，虽显著低于Nagans，但分蘖率也在600%左右；在株高上，表现最好的是“ROC”10、Fujiandaye 等6 份亲本，株高在275.33～314.77 cm；Vietnamniuzhe和Yuetang57-423 在茎径上表现最好，茎径为3.88 cm和3.66 cm；Nagans、CP34-120等5份亲本在小区有效茎数上表现最高，数量在39～50 条；在单茎重方面，Chuantang61-408、“ROC”16 等38 份亲本表现最好，数值范围在1.19～1.71 kg；小区理论产量有CP34-120、Yunzhe06-407等6份亲本表现最好，范围在42.67～58.46 kg。

表3 甘蔗亲本产量和品质性状的方差分析Table 3 ANOVAresults of yield and quality traits for sugarcane parental clones

表4 甘蔗产量和品质性状Duncan 多重比较最优亲本及排序Table 4 The rank of sugarcane parental clones in theoptimalgroup for yield andquality traits based on Duncan multiple comparison

对于品质性状，有“ROC”20、Ganzhe75-65 等16 份亲本在改正锤度上表现最好，数值在20.71%～22.39%；Ganzhe75-65、“ROC”20 等37 份亲本在蔗汁糖分上表现最好，数值在16.44%～19.07%；在甘蔗糖分上，Ganzhe75-65、“ROC”20 等40 份亲本表现最好，数值在13.26%～15.52%；在简纯度方面，CP84-1198、PT43-52 等61 份亲本表现最高，数值在79.74%～89.19%；纤维分指标的好坏主要根据育种目标的不同有所差异，对于能源品种选育需要高纤维亲本，4个大茎野生种（51NG3、NG77-004、Fujiandaye和57NG208）表现出较高的纤维分含量，而对于果蔗品种，需要低纤维亲本，像Vietnamniuzhe、Black Cheribon等23份亲本表现出较低的纤维分含量，数值在7.20%～12.13%。

2.3 相关性分析

使用SPSS18.0软件对所有产量和品质性状进行pearson相关系数分析（表5），结果表明产量性状中，除出苗率与株高、分蘖率与茎径、分蘖率与单茎重、株高与茎径、有效茎数与单茎重没有表现出显著相关外，其它产量性状之间都表现出显著的正相关，出苗率、分蘖率、株高、茎径、有效茎数和单茎重都与小区理论产量表现出显著的正相关，其中有效茎数、单茎重与理论产量最为相关（相关系数分别为0.750 和0.612），其次为出苗率（0.539）和分蘖率（0.500）。品质性状之间，纤维分与糖分性状之间呈现显著的负相关，而糖分性状之间表现出显著的正相关，其中蔗汁糖分与甘蔗糖分（0.982）、改正锤度与蔗汁糖分（0.945），改正锤度与甘蔗糖分（0.907）之间表现出较高的相关系数。

表5 甘蔗亲本产量和品质性状Pearson 相关性系数Table 5 Pearson correlations of yield and quality traits for sugarcane parental clones

产量性状与品质性状之间，出苗率、茎径、单茎重、理论产量与改正锤度、蔗汁糖分、甘蔗糖分和简纯度之间都呈现显著的正相关，与纤维分呈显著的负相关，意味着高出苗率且较大茎的亲本具有较高的糖分，但纤维分含量较低。分蘖率仅与改正锤度存在显著相关性，但相关系数较小，对品质性状影响不大；株高仅与纤维分呈显著正相关，对糖分性状无影响；有效茎数与改正锤度、蔗汁糖分和甘蔗糖分呈显著正相关，仅对糖分性状有影响。

2.4 聚类分析

使用HemI 1.0.3.7 软件绘制了83 份亲本产量和品质性状的热聚类图，如图1 和图2 所示。从图1 可以看出，83 份甘蔗亲本依据产量性状可以明显地聚为6 个类群（A～F），其中A 类群只有1 份材料组成，为大茎野生种Nangans，与其它类群遗传距离较大，其次为F 类群，该类群包含2 份大茎野生种亲本51NG3 和NG77-004，B 类群、C类群、D 类群和E 类群遗传距离相对较近。从热图来看，A 类群材料在7 个产量性状之间差异较为明显，在颜色上有数值较大的红色，也有数值较小的蓝色，表明该类群材料生势较为明显，但茎细；B和C类群材料在产量性状上呈现黄绿色较多，表明它们在产量性状上整体表现较好，其次为D类群；对于E和F类群，产量性状呈现深绿色和蓝色的较多，表明它们在产量性状上整体表现较差。使用Duncan 多重比较方法比较各类群产量性状差异，从表6可以明显看出，在性状表现优劣上和热图呈现的情况基本一致，B和C类群在各性状上表现较好，其次为D类群，F类群表现最差。

表6 甘蔗亲本产量性状聚类分组Duncan 多重比对分析Table 6 Duncan multiple comparative of yield traits between different groups for all sugarcane parental clones

依据品质性状，可将83份亲本分为7个明显的类群（Ⅰ～Ⅶ)，4个大茎野生种形成了2个类群（Ⅰ、Ⅶ)，与其它类群之间表现出较大的遗传距离，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ五个类群之间遗传距离较近。从热图来看，Ⅰ和Ⅶ在糖分相关性状上呈现出蓝色，具有较低的值，但在纤维分上表现为棕黄和红色，表现4 个大茎野生种糖分较低，但纤维分含量较高；在品质性状上整体表现较好的是Ⅳ和Ⅴ类群，大部分品质性状呈现综黄色至黄绿色，表明两个类群亲本材料具有较高的糖分和中等的纤维分含量；其次为Ⅲ和Ⅵ类群，品质性状处于中等水平，而Ⅱ在糖分性状上呈现绿和深绿，但纤维分呈现棕黄和黄绿，说明该类群亲本糖分性状中等偏下，但纤维分含量较高。使用Duncan 多重比较方法比较各类群品质性状差异，从表7可以看出，基本与热图表现一致，在糖分性状上，Ⅳ和Ⅴ类群表现最高，其次为Ⅵ类群和Ⅲ类群，表现最差的是Ⅰ和Ⅶ类群；对于纤维分性状，与糖分性状呈现相反的趋势。

表7 甘蔗亲本品质性状聚类分组Duncan 多重比对分析Table 7 Duncan multiple comparison of quality traits between different groups for all sugarcane parental clones

3 讨论与结论

甘蔗属于无性繁殖经济作物，依靠茎秆作为收获产品，并以茎秆中所含的糖分作为最终的产品输出，因此甘蔗的主要产量相关性状反映的是茎秆及茎秆上腋芽的发育生物学特征，而品质相关性状主要反映的是茎秆内部关键组分的含量情况。基于以上认识，可以看出，产量性状和品质性状是评价甘蔗亲本资源育种价值或育种效益最为有效和直接的指标参数。亲本资源是甘蔗遗传育种重要的物质基础，如实客观地评价这类资源的产量和品质性状，对于了解亲本本身遗传背景，评价其育种价值或潜力都具有重要的作用。在本研究中，共有83 份中国常用的甘蔗亲本资源被选择用于产量和品质性状评价，既包含了用于基础杂交的甘蔗栽培原种和大茎野生种，也包含了用于商业杂交组合的常规亲本，按照正规的统计实验进行，通过在统一的试验背景和统计条件下，可以更为客观真实地反映亲本资源在产量和品质性状上的优劣。

数量性状的变异系数反映了性状的离散程度，离散程度越大，意味着遗传变异越丰富[29]。本文83 份甘蔗亲本在产量性状上具有较大的变异系数，表现出较大的遗传变异，而品质性状除了纤维分，其它性状变异系数较小，这与刘新龙等[30]对云南甘蔗品种和黎焕光等[31]对广西2001—2002 年甘蔗杂交品系的农艺和品质性状研究基本一致。以上研究可能表明产量性状相关调控基因拥有更为丰富的遗传变异，而品质性状尤其糖分性状相对保守。

从各性状的相关性来看，83 份甘蔗亲本产量性状之间或品质性状中的糖分性状之间表现出明显的正相关，这与前人的研究结果基本相符[31-33]。在产量性状与糖分性状之间，出苗率、茎径、小区有效茎数、单茎重和小区理论产量与改正锤度、蔗汁糖分、甘蔗糖分呈现显著的正相关，这与黄家雍等[34]对9 个甘蔗品种农艺性状的相关性检测结果有所不同，他们检测到锤度与公顷有效茎数和茎径呈负相关，这可能与该研究的材料数较少有关；从育种实际来看，在人为选择驯化下亲本兼具了高产和高糖的优势，因此在产量和糖分性状上表现出明显的正相关。对于纤维分性状，与大部分的产量和所有的糖分性状都呈现负相关，但与株高呈正相关，这在何启钧等[35]和黎焕光等[21]的研究中也得到证实，因此在以糖料蔗为选育目标的亲本配制中高纤维分的亲本尽量少用，而以能源蔗为选育目标的育种计划，既追求高纤维，也追求高生物量，在亲本选择上要注重二者平衡点的把握。本研究，通过聚类手段将所有参试亲本分成了不同的类群，各类群在产量和品质性状上都表现出一定的显著性差异，且性状表现较为一致的亲本材料聚在一类，这些研究结果都有助于育种家将亲本进行合理的分类和有效的利用。

综合本研究结果，可以得出中国常用亲本产量性状比品质性状拥有更为丰富的遗传变异基础，产量性状和糖分性状呈显著正相关，纤维分会对糖分和产量性状产生一定程度的不利影响，利用中应注意均衡地把握，高产高糖杂交组合配制应选择性状表现较好的类群。