割手密糖分性状利用进展与探讨

赵丽萍，覃伟，张静，任生林，昝逢刚，姚丽，吴才文，陈学宽，刘家勇

（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

甘蔗是世界主要糖料作物，全球食糖产量75%来源于甘蔗[1]。我国蔗糖产量占食糖总产量的90%左右。蔗糖分是甘蔗育种的重要目标性状，是提高糖厂出糖率，增加企业市场竟争力的核心问题[2-3]。糖分的改良几乎对所有甘蔗生产国制糖业的可持续发展起到了至关重要的作用。

然而甘蔗遗传背景复杂，育种周期长，高糖品种的选育进程相对缓慢。近百年来，甘蔗商业杂交亲本基因库的遗传总变异缩小，糖分遗传增益较小，导致多年来甘蔗蔗糖含量提高没有取得重大进展[1]。高糖育种似乎是近年来甘蔗育种面临的瓶颈，显然，解决遗传基础狭窄问题的途径是利用野生种质，引进和创制新的变异源，对野生种质携带着的优良基因聚合。甘蔗野生种质割手密（Saccharum spontaneumL.）在甘蔗杂交育种历史中发挥了开创性作用，割手密（2n=40～128）亦称细茎野生种，又名甜根子草，是世界上分布最广、类型最多，具有生势强、分蘖多、宿根性强、抗旱、耐寒、高锤度等优点。它不仅是基因类型最丰富的甘蔗属近缘野生种质[4]，也是最早被应用于甘蔗育种和育种成效最为显著的野生种质，是甘蔗品种改良的重要基因来源[5]。然而，以往对割手密的开发利用仅聚焦于利用其抗性、宿根性方面，对于如何提升甘蔗重要目标性状糖分的遗传改良，割手密无疑也是甘蔗育种者需要考虑和利用的优异种质。

1 甘蔗品种糖分改良现状

甘蔗品种的更替通常是由于育成或引进了比原有品种更优良的新品种[6]。国内外研究人员对几十年甘蔗品种改良的效果进行了研究，发现对甘蔗品种的糖分增益不大[2，7-10]，甘蔗的遗传增益在50 年内平均为40%，远低于其他作物，如玉米（160%）和油菜籽（240%）[7]。赵勇等[10]根据品种改良年代对67 份甘蔗早期育种使用的主要亲本划分为5个世代，李纯佳等[11]以云南甘蔗品种杂交选育常用16 份国外引进亲本为材料进行糖分分析，均反映出糖分增益不大（表1）。杨荣仲等[12]对广西“十三五”期间育成的10 个‘桂糖’品种进行分析，发现蔗糖分较对照（‘新台糖22号’）高0.33～1.13 个百分点。近百年来，糖分遗传增益缓慢，甘蔗蔗糖含量没有取得重大进展[13]。主要原因在于长期近亲繁殖，使甘蔗的遗传基础狭窄，亲本的异质性低，归根结底在于甘蔗的基础性杂交育种到育成商业品种的年限长，从而育种者选择少数几个已经创制的含割手密血缘亲本或商业品种间相互杂交，如‘Co’、‘CP’、‘POJ’和‘崖城’系列亲本[14]，导致甘蔗的遗传基础狭窄，仅最有利的糖分等位基因在当前品种中固定[13]。现有的杂交品系基本上都是20～30 年代育成的早期品种的近亲杂交后代[6]，导致糖分难于突破。

表1 甘蔗种质部分糖分结果Table 1 Some results on sugarcontent of generation

2 割手密锤度及其遗传多样性研究现状

SAKAIGAICHI等[15]对134份割手密进行锤度评价，结果表明材料间锤度的差异显著。黄忠兴等[16]对456份割手密资源评价结果表明，割手密在锤度等性状上都表现出较大的遗传变异。张革民等[17]对21 份广西高糖割手密无性系的遗传多样性研究结果表明，21份广西高糖割手密无性系间在DNA 水平上和主要性状的表型水平上均存在较为丰富的遗传多样性，高糖无性系间存在较丰富的等位基因位点变异。杨荣仲等[18]对59份四川割手密无性系进行分析，结果表明割手密材料间锤度变异非常丰富。齐永文等[19]研究表明，64份广东割手密无性系在锤度和糖分等性状上表现出明显的差异。段维兴等[20]对崇左市龙州县开展甘蔗野生种质资源的考察采集，共采集到21份资源材料（其中割手密14份），锤度变化范围在3.0°Bx～16.0°Bx；刘建乐等[21]对采自华南八省的43份割手密无性系评价表明，锤度也有较大的遗传变异。XU 等[14]对92份割手密研究表明，割手密锤度最大值为20.9%，糖分变异系数40.2%。周耀辉等[22-23]对海南甘蔗育种场150 份细茎野生蔗进行糖分与锤度研究表明，锤度平均（10.79 士0.18）%，最高16.16%，最低6.1%；对61 个细茎野生蔗进行研究表明，无性系之间蔗糖分差异较大，在基础杂交中选择高糖的无性系作亲本，后代出现高糖的频率较大。

杨清辉等[24]对采自不同纬度、不同海拔的割手密无性系进行了RAPD 分析，结果表明野生割手密资源具有非常丰富的多态性。CHANG 等[25]利用SRAP 标记对9 个割手密材料进行了遗传多样性分析，研究表明割手密种质资源在物种水平上存在较大的遗传多样性。割手密的高遗传变异为甘蔗品种糖分改良提供了良好的遗传基础。

3 割手密的杂交利用现状及问题

我国建国以来育成的近百个甘蔗品种的原始亲本仅18 个左右，其中10个为热带种，而野生种及甘蔗近缘属植物利用十分有限[26]。长期以来，相对于数量十分丰富的割手密，我们不但对割手密的开发利用数量极其有限，而且对割手密的利用更多聚焦于适应性和抗逆性，在甘蔗糖分遗传改良中的作用未获得足够重视[27]。刘家勇等[28]对我国大陆常用的20 个骨干亲本以及生产上大面积推广应用的甘蔗高糖品种‘粤糖93-159’、‘云蔗05-51’、‘桂糖42 号’、‘云蔗08-1609’割手密的利用数量进行统计分析表明，被利用的割手密仅为7 个。邓海华等[29]对我国大陆“九五”以来自育的47 个甘蔗品种原始亲本共22个进行分析，结果原始亲本仅含有4个割手密，我国现有的商业品种中含有国内割手密血缘的较少。“九五”和“十五”期间，共使用了7个含本土割手密血缘的‘崖城’系列亲本，育成17个品种[30]。

近年来，云南育种机构使用十倍体的‘蛮耗割手密’，培育出‘云瑞’系列亲本，目前己提供全国育种机构杂交利用。云南瑞丽育种站使用‘POJ3016’作为母本与云南野生割手密种杂交，获得表现高糖性状超亲优势且含有较多割手密血缘的具优良抗逆性状的杂种‘F193/2418’[31]。王丽萍等[32]利用割手密和甘蔗杂交、回交手段，获得了高糖后代。郭育强等[33]利用割手密‘云南82-116’作为母本与父本‘桂糖05-3595’进行杂交，后代遗传差异较大，用以改良甘蔗血缘，提高育种效率。据报道，美国国家资源圃保存的割手密709份，我国国家甘蔗种质资源圃截至2020年收集保存的割手密961份[28]，虽然割手密的开发利用取得一定的进展，但相对于数量丰富的割手密，其利用还很有限，尚有巨大的空间利用潜力有待开发和创新利用。

4 割手密用于糖分改良的潜力

割手密不仅在株高、茎径等表型[16-17，21，33-34]以及抗性[35-39]上存在广泛的遗传变异，割手密也是糖分含量较高的野生种[4]，在锤度性状上（锤度与蔗糖分高度正相关[40]）也拥有十分丰富的遗传变异，是拓宽甘蔗遗传基础最有价值的野生种质资源。

在割手密的利用上，早在20 世纪初荷兰甘蔗育种家JESWEL 成功将爪哇割手密（2n＝112）的血缘导入甘蔗栽培原种血缘中，培育出‘POJ’系列品种，其中蔗王‘POJ2878’一度成为世界范围内广泛栽培和推广的甘蔗品种[41]。1922年，印度人将印度割手密（2n＝64）的血缘渗入到甘蔗品种中，选育出抗病、高产、高糖在印度大面积种植的‘CO281’、‘CO290’和‘CO213’等品种[42]；美国以热带种、割手密、印度种和中国种杂交，育成‘H32-8560’等优良品种；20 世纪中后期，我国台湾育种家开发利用台湾割手密，选育出了‘新台糖16 号’、‘新台糖23号’、‘新台糖24 号’等优良‘新台糖’品种[43]。这些品种的大面积种植，极大地提高了甘蔗的单产和出糖率，为世界甘蔗产业的发展做出了重要贡献。上个世纪中叶，我国育种家利用采自海南的十倍体割手密和采自云南的八倍体割手密培育出一系列的‘崖城’亲本，在扩大甘蔗遗传基础方面取得了一定的进展，为我国甘蔗产业的发展做出了重要贡献。

现代甘蔗栽培品种几乎都含有割手密血缘[2]，约10%～25%的染色体来自割手密[3]。HUANG 等[44]对14种现代甘蔗品种的细胞学分析表明，11.9%～40.9%的染色体来自割手密。几乎所有突破性甘蔗品种的育成都与割手密血缘的渗入息息相关，割手密可能是甘蔗品种糖分改良的重要基因来源[4]。在甘蔗高贵化育种中，2n+n的染色体传递方式有利于高糖基因的累加，因此选择此杂交后代将显著提高甘蔗育种效率[45]。福建农林大学张积森教授团队从基因组学揭示了糖分代谢途径十分重要的糖转运蛋白基因家族的串联复制和扩张是甘蔗高糖的遗传基础，其中，割手密中有53.23%糖转运蛋白基因发生了这样的扩张[46-47]。甘蔗细茎野生种对甘蔗锤度改良具有较高潜力[38]。吴才文等[48]利用甘蔗品种‘Co419’与野生种割手密‘云南75-1-2’远缘杂交，‘新台糖25 号’与远缘杂交后代‘云野02-356’进行回交，分别获得F1和BC1群体，F1蔗糖分性状劣于商业亲本，BC1蔗糖分介于双亲之间，且2 个群体蔗汁糖分分布范围较大。李奇伟等[49]研究发现在利用割手密进行杂交前，对其糖分进行选择有利于提高其杂交后代的蔗糖分。甘蔗磷酸合成酶（Sucrose phosphate synthase,SPS）是高等植物中糖分代谢中的重要调控基因，研究发现在割手密种中含有5 个SPS 基因[50]。MARY 等[51]采用ISSR 和RAPD 标记技术分析了采自印度4 个不同居群的21 份割手密的遗传多样性，结果表明阿鲁纳恰尔邦材料遗传多样性最丰富，在甘蔗育种方面具有极大的潜力。

综上所述，割手密丰富的糖分遗传变异及后代的遗传多样性，已育成的重要骨干亲本的系谱表明，割手密在糖分改良上尚有巨大的利用潜力和开发价值。

5 割手密用于糖分改良技术路线探讨

现在栽培种的祖代亲本仅可追溯到少数几个热带种和割手密，经过数十年的选择，优良等位基因被固定下来，现在有的杂交品系基本上都是早期品种的近亲杂交后代，因此，杂交育种中遗传增量可能达到了极限，显然，要选育突破性品种必须解决现有亲本基因库狭窄问题，而根本途径就是要引入新的血缘。

当今甘蔗糖分要取得新的突破必须拓宽遗传基础、增加新血缘、扩大异质性和多样性。从现有割手密的锤度遗传多样性以及分子手段的研究表明，割手密确实拥有丰富的蔗糖分基因遗传变异，但是在“高贵化”育种技术路线中，在开发利用一个割手密资源时，需要多次利用热带种与割手密及其杂交后代进行杂交才能完成高贵化进程。耗时长，而且热带种不易开花，因而影响资源丰富的割手密的开发利用，导致割手密在育种上的运用却很少[32]，从现有的利用方式看，我们现在利用的割手密是自然选择的结果，利用的是不同生态类型的割手密蔗糖分遗传潜力[17]。

如果先创制性状优良且糖分高的割手密种质，在一个高贵化进程中导入多个割手密资源，则可提高宝贵的开花的热带种花穗的利用效果，扩大甘蔗的异质性，增加基因的多样性，挖掘割手密的育种潜力，或许可以为目前高糖甘蔗品种改良所面临的瓶颈找到新的突破。因此，对割手密的利用提出以下建议：首先，高贵化前对割手密糖分进行人工选择，将筛选出糖分较高的材料用于高贵化育种；其次，对割手密进行系统改良，即将性状优良的多个割手密血缘聚合到一个割手密材料，创制高糖割手密材料，将创制的高糖割手密材料再一次自交增加基因型的纯合度，提高其后代的糖分及纯度[52]，选用创制的高糖割手密材料和热带种及现有生产上大面推广运用的高糖品种进行高贵化育种，通过几代的杂交利用或许会育成突破性的高糖甘蔗品种。