高产高糖强宿根性甘蔗新品种桂热2号的选育

吕 平,周全光,王友富,庞新华,黄 强,朱鹏锦,农泽梅,谭秦亮,欧克纬,卢业飞,程 琴,宋奇琦,李佳慧

(1.广西农业科学院广西亚热带作物研究所,南宁 530001;2.凉山彝族自治州林业草原科学研究院,四川西昌 615000)

0 引言

甘蔗(SaccharumofficenarumL.)属禾本科甘蔗属植物,是我国重要糖料作物和能源作物,中国的蔗糖90%来源于甘蔗[1-3]。2021/2022年榨季,全国甘蔗种植面积已超过100万hm2、产糖量800多万t,其中广西甘蔗种植面积超过70万hm2、产糖量600多万吨,其种植面积和蔗糖产量均占全国60%以上[4],广西蔗糖业持续稳定的发展对保障国家食糖安全供给具有重要的战略地位[5-6],而蔗糖业健康发展,关键在种业,种业是农业芯片,要求我们不断选育、推广品质优良的甘蔗新品种,减少生产成本,增加蔗农的收入,不断提高甘蔗产业的竞争力[7-8]。

目前,甘蔗新品种的选育主要通过品种或野生种间杂交创造变异,筛选综合性状优良的后代植株,进而育成新的品种[9-10],通过该方法在广西、云南、广东、福建等省(自治区)选育出许多优质新品种,育成的系列主要包括桂糖系列、云蔗系列、粤糖系列、福农系列等[11],到2022年7月,糖料甘蔗登记品种124个,其中广西登记49个、云南登记31个(包括合作单位),包括全国种植面积最大的‘桂糖42号’、‘桂柳05136’等甘蔗品种,有力保障推动广西乃至全国蔗糖业持续健康稳定的发展[12-13]。当前中国自育的主栽新品种占60%以上(广西达70%以上)[14-15],但新品种种植若干年后其抗逆性出现下降,特别是黑穗病危害严重,导致品质降低、产量下降。据报道,黑穗病危害可导致产量降低10%～20%[16]。应进一步选育抗病虫害强、宿根年限长、高产、高糖等综合性状优异的新品种,满足蔗区生产的需要。

本研究采用“五圃制”方法,选育出1个高产、高糖、抗逆性强、宿根年限长等综合性状优异的甘蔗新品种‘桂热2号’,该品种适应性广,尤其适合在土壤贫瘠的丘陵地带种植,可降低生产成本,提高种植者的经济效益。本文介绍了‘桂热2号’的选育经过及其主要性状表现,以期为该新品种的推广应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试品种:‘桂热2号’(GR2),广西壮族自治区亚热带作物研究所、凉山彝族自治州亚热带作物研究所(现为凉山彝族自治州林业草原科学研究院)共同选育;对照品种:‘川糖13号’、‘新台糖22号’。

1.2 试验方法

1.2.1 选育方法与过程

用‘粤糖91-976’为母本,‘新台糖20号’为父本,组配杂交组合,委托广州甘蔗糖业研究所海南甘蔗育种场进行杂交制种,获得杂交花穗1穗。‘粤糖91-976’是具有中大茎、高糖、分蘖强、成茎率高、抗黑穗病强、宿根性好的中晚熟种,是甘蔗育种中使用频率较高的优良亲本;‘新台糖20号’具有中茎、宿根性一般、易受螟虫为害的早熟种。

按照常规的“五圃制”法进行选育,选择标准参照王伦旺等人[17]。2002年组配杂交组合进行杂交。以‘川糖13号’为对照,2003年将花穗播种,培育实生苗,2004年实生苗宿根开始选拔;2003—2008年,在四川凉山彝族自治州亚热带作物研究所甘蔗基地依次进行杂种圃、选种圃、鉴定圃(1年新植、1年宿根)、预备品比圃(1年新植、1年宿根)试验;2010年广西壮族自治区亚热带作物研究所从四川凉山彝族自治州亚热带作物研究所引进该品系,2011—2012年进行种苗扩繁;2013—2015年在广西农垦国有金光农场(南宁市)甘蔗基地进行品种比较试验(1年新植、1年宿根);2015—2017年参加广西甘蔗品种区域试验(地点:南宁市、柳州市、河池市、百色市、崇左市,1年新植、2年宿根)。

1.2.2 性状调查

主要调查测定甘蔗生长过程中的农艺性状(新植蔗萌芽率、宿根蔗发株率、植株高度、茎径、分蘖率、有效茎数等)、病虫害情况(螟害枯心率、黑穗病、稍腐病、花叶病、蓟马危害等)、田间锤度、蔗糖分和实际产量等指标。

1.2.3 抗旱、耐寒性的测试方法

内源激素(ABA、GA、IAA)采用酶联免疫试剂盒法[18];超氧化物歧化酶活性(SOD)采用氮蓝四唑光化还原法、过氧化物酶活性(POD)采用愈创木酚法、抗坏血酸过氧化物酶活性(APX)采用过氧化氢还原法、丙二醛含量(MDA)采用试剂盒法、可溶性蛋白含量(SP)采用考马斯亮蓝 G-250 比色法、可溶性糖含量(SS)采用蒽酮法[19];叶片光合色素含量采用分光光度法[20];叶绿素荧光采用Technologica公司生产的CF Imager叶绿素荧光仪测定[21];相对电导率采用浸泡法测定[22]。

1.2.4 SRAP指纹图谱鉴定

利用核心引物Me6/Em2(TGAGTCCAAACCGGTAA/GACTGCGTACGAATTTGC)对‘桂热2号’、‘新台糖22号’等35份甘蔗品种(品系)进行SRAP分子标记,采用Ntsyspc 2.1的UPGMA方法构建聚类图,构建DNA指纹图谱[23]。

1.2.5 数据分析

试验数据使用Microsoft Excel 2007和DPS7.05软件对数据进行相关的计算及差异性分析。

2 结果与分析

2.1 优良株系选择

2002年组配的亲本组合‘粤糖91-976’(♀)ב新台糖20号’(♂),2003年播种,杂种圃共种植260株,当年未选拔,2004年11月份对宿根蔗按照株高、茎径、茎数、生长势、剥叶难易及病虫害情况等进行初选并做好标记,成熟期(1—2月份)对已做好标记的植株进行复选,选拔植株较高、中茎或中大茎、茎数在2条以上、易脱叶、实心或空心蒲心程度较轻、无明显病害、锤度较高的单株进行下年的选种圃试验,从宿根蔗的实生苗复选出6个单株,入选率为2.31%;杂种圃入选的单株种植在选种圃中,年底进行株系筛选,选拔方法与杂种圃基本一致,复选时每个株系测定5～10株锤度,淘汰中空或蒲心、锤度低于对照‘川糖13号’、倒伏严重、病虫为害明显的株系,该圃复选出4个株系,入选率66.67%,入选的株系进入下一轮的鉴定圃试验;对鉴定圃的株系,进行日常管理、调查与选拔,选拔方法与选种圃一致。根据新植、宿根调查数据综合评价分析,获得1个较好的株系(编号:02-6),入选率为25.00%。从表1可以看出02-6在选种圃、鉴定圃的田间锤度都高于对照‘川糖13号’,在鉴定圃中蔗茎产量为165.75 t/hm2,比对照‘川糖13号’增产46.84%,增产明显。

2.2 品种比较试验

2007—2008年、2013—2015年分别在四川凉山彝族自治州亚热带作物研究所甘蔗基地、广西农垦国有金光农场甘蔗基地分别进行预备品种比较试验、品种比较试验。从表1结果可以看出,预备品比圃中,‘02-6’品系的蔗茎产量、蔗糖产量分别为163.28 t/hm2、23.40 t/hm2,比对照‘川糖13号’增产33.56%、增糖45.79%;品比圃试验中,‘02-6’品系的蔗茎产量、蔗糖产量分别为121.29 t/hm2、17.56 t/hm2,比对照‘新台糖22号’增产19.06%、增糖25.36%,亩含糖量为1.17 t。通过多年的新、宿品种比较试验,‘02-6’品系的4个月蔗糖分(每年11月至下一年的2月份)平均都超过14%以上,并达到每公顷15 t糖以上的目标。

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2.3 区域试验情况

2.3.1 主要农艺性状表现

对‘GR2’进行2015—2017年度广西区域试验,结果见表2。多年多点试验表明‘GR2’萌芽率较好,为71.70%,蔗茎较耐储藏,后续的试验表明蔗茎存放30天种植仍有较高的萌芽率(另文发表);宿根发株率高,平均为150.50%,比对照‘新台糖22号’平均提高41.2%;分蘖一般;前期生长较快,拔节较早,伸长期长势旺盛,植株生长后劲足,植株较高,平均为315 cm ,易脱叶,茎径中等,平均为2.59 cm,与对照相当,生长较均匀整齐;成茎率高,有效茎条数多,平均为73 430 条/hm2,比对照‘新台糖22号’多15 980条/hm2,增加27.82%。

表2 桂热2号主要农艺性状表现(2015—2017年广西区域试验)Table 2 Performance of main agronomic characters of ‘Guire 2’ (Guangxi regional test in 2015—2017)

2.3.2 田间主要病虫为害情况

‘GR2’抗病特别是抗黑穗病能力强,从表3可以看出,‘GR2’田间黑穗病自然发病率平均仅为0.97%,达到高抗水平,比对照‘新台糖22号’抗黑穗病降低4.24个百分点;新植宿根枯心苗率平均为3.37%,稍低于对照‘新台糖22号’;新植宿根蔗田间稍腐病自然发病率平均为3.11%,达到中抗水平,比对照‘新台糖22号’发病高;蓟马危害轻微,比对照‘新台糖22号’好;抗花叶病能力比对照‘新台糖22号’强;抗倒伏能力与对照‘新台糖22号’均为中等。

表3 桂热2号田间主要病虫害与抗倒伏能力表现Table 3 Performance of main diseases and insect pests and lodging resistance in the field of Guire 2

2.3.3 蔗茎产量、蔗糖分和蔗糖产量

2015—2017年广西区域试验中,‘GR2’新植蔗茎产量为112.52 t/hm2,比对照‘新台糖22号’增产9.30%;宿根第1年、第2年蔗茎产量分别为113.63 t/hm2、122.28 t/hm2,比对照‘新台糖22号’分别增产42.18%、55.45%;3年(1年新植、2年宿根)蔗茎总平均产量为116.14 t/hm2,比对照‘新台糖22号’增产33.22%,增产显著(见表4)。

表4 桂热2号蔗茎产量、蔗糖分含量和蔗糖产量表现(2015—2017年广西区域试验)Table 4 Performance of cane yield, sucrose content and sucrose yield of Guire 2 (Guangxi regional trial from 2015 to 2017)

2015—2017年广西区域试验中,‘GR2’蔗糖分总体上比对照‘新台糖22号’低,3年总平均比对照‘新台糖22号’低0.75个百分点,对比‘GR2’、‘新台糖22号’不同月份蔗糖分含量发现,‘GR2’在11—12月份与对照‘新台糖22号’相差较大,而在1—3月份蔗糖分相差较少,其主要的原因是‘GR2’品种熟期偏晚,中晚熟种;‘GR2’新植蔗糖产量为14.16 t/hm2,比对照‘新台糖22号’增糖6.07%;宿根蔗第1年、第2年蔗糖产量分别为16.20 t/hm2、16.11 t/hm2,比对照‘新台糖22号’分别增糖32.68%、67.29%;3年蔗糖产量总平均为15.49 t/hm2,比对照‘新台糖22号’增糖32.05%,增糖显著(见表4)。

区域试验中‘GR2’在5个不同基地的蔗糖产量表现不同,3年的平均蔗糖产量为12.08～18.46 t/hm2,其中百色试验基地蔗糖产量最高,为18.46 t/hm2,可能是该品种更适合当地气候、土壤环境条件,将进一步深入研究。

2.4 桂热2号宿根表现情况

‘GR2’宿根蔗发株率高、宿根性好、茎径较粗壮,宿根年限长。该品种于2013年种植在广西农垦国有昌菱农场(防城港市)甘蔗基地,1年新植、8年宿根。从表5可以看出,‘GR2’新植蔗产量为110.25 t/hm2,比对照‘新台糖22号’增产10.36%;宿根第1、2、5、7、8年的产量分别为118.05、121.05、122.40、129.00、147.75 t/hm2,比对照‘新台糖22号’分别增产39.54%、45.41%、38.54%、49.05、103.93%;‘GR2’宿根蔗产量比对照‘新台糖22号’增产明显,该品种宿根能多年种植,可降低生产成本,提高经济效益,是一个宿根能力很强的甘蔗新品种。

表5 ‘桂热2号’多年宿根产量表现情况Table 5 Performance of perennial root yield of Guire 2

2.5 机械化收获对桂热2号宿根影响

‘GR2’在广西农垦国有金光农场甘蔗基地进行了机械化收获试验、示范。从表6可以看出,‘GR2’机械收获区的宿根发株率、植株高度、蔗茎大小、有效茎条数和蔗茎田间实际产量与人工收获区相比,在5%显著水平下差异不显著;机收时的田间损失率、含杂率分别为0.67%、8.10%,含杂率稍微偏高,机械收获情况下含杂率在5%或以下比较理想。结果表明‘GR2’采用中小型收获机收获后,下一年宿根的发株、株高、产量等农艺性状受收获机影响较小,是一个比较适合机械化收获的品种。

表6 机械化收获对桂热2号宿根的影响Table 6 Effect of mechanized harvesting on perennial roots of Guire 2

2.6 抗旱、耐寒性

‘GR2’与对照品种‘新台糖22号’于2020年在广西壮族自治区亚热带作物研究所甘蔗种质圃智能温室大棚内进行桶栽(基质为土壤)抗旱试验,对苗期叶片(种植90天后进行干旱处理) 的内源激素含量、抗氧化酶活性及渗透调节物质含量等进行测定分析,结果表明[24]:在干旱胁迫条件下‘GR2’的抗旱性比对照品种‘新台糖22号’更强。2017年对‘GR2’与‘新台糖22号’的幼苗(2叶1心)进行低温胁迫(4 ℃)耐寒试验,通过测定叶片光合色素、叶绿素荧光、相对电导率、MDA含量和抗氧化酶活性等生理指标,结果表明[25-26]:‘GR2’的耐寒性更好。

在2013、2014年对‘GR2’、‘新台糖22号’进行抗旱与耐寒的田间试验监测,大田调查结果与实验室结果基本一致[27],表明‘GR2’有较强的抗旱、耐寒能力,可忍受较长时间干旱或低温天气,且在干旱或低温过后,恢复生长快。

2.7 指纹图谱鉴定

利用SRAP分子标记技术对组成的112对引物组合进行筛选,最终选出4对核心引物组合[23],利用其中1对核心组合Me6/Em2对35份甘蔗种质资源进行遗传多样性分析,包含‘GR2’(编号5)、‘新台糖22号’(编号30),通过使用UPGMA方法,构建DNA指纹图谱(见图1),可用于对这35份甘蔗材料进行鉴定,每个材料具有唯一DNA指纹图谱。

图1 利用Me6/Em2核心引物组合构建的DNA指纹图谱(白色表示无条带,黑色表示有条带)Fig.1 DNA fingerprint constructed by using core primer combination Me6/Em2(The white charts represents no target fragments; the black charts represents target fragments)

2.8 ‘桂热2号’品种主要特征特性

‘GR2’植株较高,中大茎,节间类似圆筒形,蔗茎剥叶前为浅淡绿色,剥叶熟期为淡绿色,阳光暴晒后呈黄色;蜡粉层稀薄;无生长裂缝及木栓斑块,芽沟不明显;生长带轻微凸起。芽大,呈椭圆形;芽基部着生于叶痕之上,芽孔着生于芽顶。叶片翠绿,叶宽中等,叶身长;幼叶鞘呈青紫色,无57号毛群,生长后期易脱落。萌芽快而整齐,分蘖旺盛,生育期生长势优,成茎率高,不易抽穗,抗病特别抵抗黑穗病能力强,宿根萌芽优良,宿根能力强;中晚熟品种。

3 讨论与结论

广西是全国最大的甘蔗种植和加工基地,蔗糖业的发展涉及到广西2 000多万人切身利益,甘蔗新品种的选育,常规杂交育种是最常用的方法[28],通过组配优良亲本进行杂交,已选育出许多优良的新品种(品系),如生产上主栽品种‘桂糖42号’、‘桂柳05136’在2022/2023年榨季广西种植面积超过60%以上。甘蔗是一种无性繁殖作物,生产上蔗农常自留蔗茎作为下一年的蔗种,多年种植后病虫为害加剧[29]。因此,进一步选育高产、高糖、抗逆性强特别是抗黑穗病等综合性状优异的甘蔗新品种仍然是甘蔗产业中需要解决的关键问题。针对甘蔗产业面临的问题,本研究团队长期开展甘蔗杂交育种研究工作,以‘粤糖91-976’为母本、‘新台糖20号’为父本组配组合进行杂交,按照甘蔗的育种目标要求,采用“五圃制”方法对后代植株(品系)进行筛选,经多年试验,选育出1个综合性状表现优良的甘蔗新品种‘GR2’。

‘GR2’在2015—2017年广西区域试验5个甘蔗基地3年的总平均蔗茎产量、蔗糖含量分别为116.14 t/hm2、15.49 t/hm2,比对照‘新台糖22号’分别提高33.22%、32.05%,达到亩产1 t以上蔗糖产量的育种目标。在甘蔗新品种的育种中,蔗糖产量是一个很重要的指标,关系到制糖企业加工的经济效益。‘GR2’实现了高产、高糖的育种目标,抗病虫害特别是抵抗黑穗病能力强,田间黑穗病自然发病率仅为0.97%,达到高抗水平。当前,生产上主栽的甘蔗品种,由于多年的种植、品种布局、留种方式方法等多方面因素的影响,抗病虫特别是黑穗病能力明显下降,产量逐年降低,宿根年限宿短,加上近年来化肥农药价格不断上涨,生产成本提高,甘蔗经济效益持续下降,极大地影响蔗农种蔗的积极性[30,31]。因此,加快甘蔗新品种的选育,合理布局品种结构,不断提高蔗农、糖企的经济效益是我们甘蔗育种科技者的一项长期重要的任务。

‘GR2’在广西农垦国有昌菱农场甘蔗基地的8年宿根试验结果表明,宿根蔗茎产量比对照‘新台糖22号’增产39.54%～103.93%,增产明显。宿根蔗种植可减少生产成本(如降低人工、蔗种等费用),提高蔗农的收入。随着人工的短缺,劳动力成本不断的提高,特别是2020年以来受新冠肺炎疫情的影响,显得尤为突出,全程机械化尤其是机械化收获将是未来发展的趋势,目前在播种、施肥、培土和病害防治可实现机械化作业,但机械化收获任重道远,2019/2020年榨季甘蔗机收率在2%以内[32-35],而实现机械化收获最为关键的因素之一就是品种,特别是宿根性好、耐碾压能力强的新品种。2016—2017年在广西农垦国有金光农场甘蔗基地开展‘GR2’机械化收获试验,结果表明在1.2米的种植行距下,采用日本松原收获机(机型15EW)进行收获时,机收区的宿根蔗茎产量比人收区稍低,但差异不显著,田间蔗茎损失较少,表明‘GR2’是一个比较耐碾压、适合中小型收获机收获的品种,可对该品种进行全程机械化作业。

‘GR2’是一个高产、高糖、抗逆性好尤其抗黑穗病能力强、宿根年限长(宿根可留3～5年)、适合机械化生产的甘蔗新品种,适宜在广西、四川等地特别是丘陵坡地上种植。