2.云南甘蔗遗传育种重点实验室, 开远, 661600
作者 通讯作者
《分子植物育种》网络版, 2011 年, 第 9 卷, 第 36 篇 doi: 10.5376/mpb.cn.2011.09.0036
收稿日期: 2010年11月18日 接受日期: 2011年02月28日 发表日期: 2011年03月31日
经艳芬等, 2011, 中国利用甘蔗细茎野生种培育创新亲本的主要进展, 分子植物育种 Vol.9 No.36 (doi: 10.5376/mpb.cn.2011.09.0036)
甘蔗细茎野生种是现代甘蔗栽培品种的抗逆基因源。利用甘蔗细茎野生种与栽培原种(热带种, 印度种)或品种间的杂交、回交,培育创新亲本,选育甘蔗新品种,是发掘利用甘蔗细茎野生种优良抗逆基因的有效途径。习惯上把最容易出品种、含甘蔗细茎野生种质血缘的回交二三代材料叫创新亲本。由于甘蔗为异源多倍体,其遗传背景尚不清楚,以及受甘蔗开花习性等诸多因素影响,利用甘蔗细茎野生种创新低代种质材料似乎不难,培育创新亲本则不容易;育成突破性的甘蔗新品种就更不容易了。20世纪初育成的含爪哇、印度甘蔗细茎野生种血缘的POJ2878、Co290等,不仅堪称划时代的品种,亦是成就了世界甘蔗育种"POJ"、"Co"两大亲本体系的优良创新亲本。在之后百年的甘蔗细茎野生种质利用研究中,世界各国均各有建树,但突破性的甘蔗品种并未出现。如何更有效的发掘利用甘蔗细茎野生种优良抗逆基因?最近三年的甘蔗细茎野生种利用为解决这一问题,提供了一些思路。本文对中国利用甘蔗细茎野生种培育创新亲本进行评述,展望最新一轮甘蔗细茎野生种无性系的利用,必将对拓宽中国甘蔗遗传基础、选育突破性新品种起到积极的推动作用。
甘蔗细茎野生种是在育种成效中最为显著的甘蔗属野生植物,目前世界各国的甘蔗杂交品种均含该种的血缘(骆君肃, 1992; 周可涌, 1984)。利用甘蔗细茎野生种培育创新亲本的研究始于爪哇、印度甘蔗细茎野生种的杂交利用,分别育成了具划时代意义的POJ2878、Co281、 Co290等甘蔗品种和亲本(骆君肃, 1992; 李奇伟等, 2000; 陈如凯等, 2003),推动了世界甘蔗杂交育种的发展;至20世纪中期,全球甘蔗品种依赖少数种质的事实成为甘蔗进一步改良的限制因素,于是开始了世界范围的搜集、评价、利用甘蔗种质资源的热潮,经过半个多世纪的研究,世界各国均各有建树,美国、印度、巴西等已从这些甘蔗资源中选取优良无性系,并同本国商业栽培种或热带种杂交获得了高糖分、高产量、抗逆性强或生物量、乙醇发酵量和纤维量较突出的回交一、二代(BC1, BC2) 材料,为甘蔗育种进一步利用打下良好的基础(张木清等, 2006)。美国路州利用耐寒性强的细茎野生种育出CP65-357等早熟高糖耐寒性强的品种(李奇伟等, 2000);澳大亚利用甘蔗细茎野生种血缘的创新亲本QN66-2008和LCP85-384杂交,育成了许多甘蔗新品种(Wang et al., 2008)。我国海南甘蔗育种场,成功利用崖城、陵水和云南的三个甘蔗细茎野生种无性系,并通过全国的甘蔗研究所育成了23个含中国本土甘蔗细茎野生种血缘的甘蔗品种(张琼等, 2009; 邓海华等, 2004);云南省农业科学院甘蔗研究所瑞丽站2006年审定了一个含云南蛮耗燥热气候生态型的甘蔗细茎野生种血缘新品种(安汝东等, 2007)。但是,突破性的甘蔗新品种并没有出现(Wang et al., 2008)。近年来,随着分子辅助育种技术的发展,有关甘蔗细茎野生种的评价、以及杂交利用研究时有报道(Pan, 2004; 2006; 王丽萍等, 2006; 张革民等, 2007; Wang, 2008; 齐永文等, 2009; 刘洪博等, 2010),这些研究能否给甘蔗新品种选育带来新的突破,关键在于能否坚持实现从种质材料创新到新型亲本培育,进而育成甘蔗新品种。本文就中国利用甘蔗细茎野生种培育创新亲本的研究进行评述,把中国利用甘蔗细茎野生种创新种质、培育的崖城、云瑞系列部分创新亲本及其相关研究做简要介绍,展望新一轮的中国甘蔗细茎野生种质资源创新利用研究,必将为丰富创新亲本遗传基础,改良甘蔗品种抗逆性,增强其适应性,进而提高中国甘蔗品种自主创新能力,起到积极的推动作用。
1甘蔗细茎野生种的起源
甘蔗细茎野生种(Saccharum Spontaneum L.)是单子叶植物纲(Monocotyledoneae),颖花目(Glumiflorae),禾本科(Gramineae),甘蔗属(Saccharum) 的一个野生种,又叫割手密或甜根子草,具有种类繁多,地理分布广泛,耐旱、耐寒、抗逆性和适应性强等特点。无论是干旱的沙漠、淹水的沼泽,还是海边的盐碱地均可见到它的身影,是现代栽培甘蔗的抗逆基因种源(张木清等, 2006)。其起源有不同的说法,有些学者认为起源于印度半岛东南沿海孟加拉湾至锡金一带(骆君肃, 1992),而有些学者则认为除印度外,还存在一个起源中心,即中国——越南——缅甸一带(周可涌, 1984; 彭绍光, 1990)。何顺长(1997)、范源洪等(2001)、陈辉等(2001)的研究,支持了中国是甘蔗细茎野生种起源演化中心之一的观点。
2甘蔗细茎野生种的遗传多样性
甘蔗种质资源多样性一是指种质数量的多样性,二是指种质类型的多样性。目前拥有甘蔗种质资源较多的国家有:美国5 020份、巴西4 506份、印度3 979份、中国2 000多份(张木清等, 2006)。中国的甘蔗种质资源保存于云南省农业科学院甘蔗研究所的国家甘蔗种质资源圃,这些种质分属于甘蔗及其近缘属的5个属15个种,其中甘蔗细茎野生种有几百个无性系,这是甘蔗创新亲本培育的一级基因库。
甘蔗细茎野生种生长于南纬8°至北纬40°的热带亚热带蔗区。它的分布范围从日本和印尼/新几内亚经印度次大陆一直延伸到地中海的非洲。植株从矮小、无茎、丛生到大茎,茎径变化范围从0.3 cm-1.5 cm,体细胞染色体数2n=40-128,共29种类型(张木清等, 2006; 杨清辉等, 1996; 蔡青等, 2002)。细茎野生种在我国从低纬度的海南黄流(北纬18°20')到高纬度的四川阆中(北纬30°30'),从海拔5 m的福建东山到云南的高黎贡山(2 380 m)都有广泛的分布(蔡青等, 2002)。
我国的研究者对细茎野生种的染色体进行了大量的研究(杨清辉等, 1996; 蔡青等, 2002; Chen, 1982; 文建成等, 2001; 王子琳, 2002),从细胞水平上证明了我国的甘蔗细茎野生种具有丰富的遗传多样性。其中,蔡青等(2002)鉴定了来自我国9个省的247份割手密的染色体数目,得到2n=60、64、70、72、76、78、80、92、96、104、108等11种类型,又以2n=80、64两种类型出现的频率最高。陈能武等(1996)、杨清辉(1996)、何顺长(1997)、王水琦等(2002)、张革民等(2007)、齐永文等(2009)分别研究了本土采集细茎野生种的农艺性状、染色体与地理分布、高糖与农艺性状的遗传关系等,各自证明了本省区的细茎野生种具有丰富的遗传多样性。
杨清辉(1998)进行了甘蔗细茎野生种的指纹图谱分析,结果原生地为云南泸水的染色体数2n=60、64、80,以及原生地为西藏察隅的染色体数2n=54、 64的细茎野生种,在根据RAPD指纹图谱构建的UPGMA树状图中,分别分属于不同的类群。范源洪等(2001)对甘蔗细茎野生种云南不同生态型的 RAPD分析表明:云南不同生态型的甘蔗细茎野生种可分为8个不同类群,且呈现出明显的地理分布特点,不同生态类型的云南甘蔗细茎野生种群体的遗传差异大,具有丰富的遗传多样性。Pan等(2004)研究了采自世界各地的甘蔗细茎野生种33个无性系的分子标记及其聚类分析,结果这33个无性系可分属于8 个独立的类群;Mary等(2006)分析了印度四个地理生态型的细茎野生种,不同地理生态型的甘蔗细茎野生种呈现出了丰富的遗传多样性。以上研究均证明不同或同一地理生态型的甘蔗细茎野生种均具有丰富的遗传多样性。尤其是云南不同生态型的甘蔗细茎野生种。因此,增加甘蔗细茎野生种无性系的利用数量,对于拓宽甘蔗育种遗传基础是有意义的。
3甘蔗细茎野生种的杂交利用
3.1利用甘蔗细茎野生种创新种质材料
甘蔗细茎野生种的杂交利用始于19世纪末20世纪初,这一时期利用爪哇、印度的甘蔗细茎野生种与热带种、印度种杂交、回交,育成了POJ2878、 Co281、Co290等全球性的甘蔗栽培品种和亲本,奠定了世界甘蔗杂交育种的种质及技术基础(陈如凯等, 2003)。至20世纪中期,随着回交代数的增加,在POJ、Co种质血缘基础上培育的甘蔗品种的宿根性与抗逆性逐渐下降,甘蔗品种依赖少数种质的事实成为甘蔗进一步改良的限制因素,国际甘蔗技师协会先后四次组织科学家到巴布亚新几内亚和中国、泰国、缅甸搜集了大量新的热带种、细茎野生种和大茎野生种,保存于两大世界甘蔗种源中心(美国, 印度)。开始了新一轮世界范围的甘蔗细茎野生种评价、鉴定与杂交利用研究(张木清等, 2006; Pan and Burner., 2004; Tai et al., 1994; 1995; Miller and Tai., 1992; Naidu et al., 1987; Roach, 1972; Roach, 1978; Roach, 1984; Walker, 1972),美国、印度、巴西已从这些资源中选取优良无性系同本国商业栽培种或热带种杂交获得了高糖分、高产量、抗逆性强或生物量、酒精发酵量和纤维量突出的回交一、二代,为甘蔗育种进一步利用打下很好的基础(张木清等, 2006; Pan, 2004)。中国甘蔗细茎野生种的杂交利用始于1958年,海南甘蔗育种场利用崖城、陵水、云南的甘蔗细茎野生种,先后育成了崖城58-47、崖城79- 290、崖城82-108 (张木清等, 2006)等种质材料;20世纪90年代以来,周耀辉等(1996; 1997)对海南育种场保存的种质资源进行了开花习性、抗旱、抗寒、抗病性等全面研究,在此基础上,进行了较大规模的利用甘蔗野生种的基础杂交研究,育成了一批优良种质材料(周耀辉等, 1997; 1999);广西(诸葛莹等, 1996)、福建(王水琦等, 2002)、云南(桃联安等, 1997; 桃联安等, 2006; 桃联安等, 2009; 楚连璧等, 2000; 王丽萍等, 2006; 王丽萍等, 2007; 王丽萍等, 2008; 吴才文, 2009; 张革民等, 2009; 刘新龙, 2010; 刘洪博等, 2010)先后报道了利用中国本土甘蔗细茎野生种创新种质材料的研究。这些结果表明,似乎利用甘蔗细茎野生种创新种质材料并不困难。
3.2利用甘蔗细茎野生种培育甘蔗新品种
追溯世界甘蔗育种百年史,自1893年Moquette和Wakker获得Black cheribon与Kassoer的杂种,直到1921年Jeswiet育成全球性的甘蔗新品种POJ2878,历时28年时间。同样的我国的海南甘蔗育种场自1958年获得崖城58-47,进而育成崖城71-374,直到今天崖城71-374通过实践检验、科学评价,成为甘蔗优良创新亲本(陈如凯等, 2003),历时30~40年的时间。我国海南甘蔗育种场,成功利用了崖城、陵水和云南的三个甘蔗细茎野生种无性系,通过全国的甘蔗研究所育成了23个含中国本土甘蔗细茎野生种血缘的品种(张琼等, 2009; 邓海华等, 2004);云南省农业科学院甘蔗研究所瑞丽站,自1988年开始利用含云南蛮耗甘蔗细茎野生种血缘的云割F180系列创新种质材料回交栽培品种,直到育成99系列甘蔗新品系(经艳芬等, 2008),于2006年审定了第一个含云南蛮耗燥热气候生态型的细茎野生种血缘甘蔗新品种(安汝东等, 2007),从杂交一代种质材料到获得回交三代新品种,历时11年。美国、中国、巴巴多斯、阿根廷等近十年来利用创新种质育成的甘蔗新品种,大多数成为了本国的栽培品种,但是并未产生在世界广泛推广应用的商业品种(Wang et al., 2008)。
以上研究结果表明:中国利用甘蔗细茎野生种育成甘蔗新品种的成果,较利用甘蔗细茎野生种创新种质材料要少得多。完成了利用甘蔗细茎野生种创新种质材料的基础杂交,并不一定能育成生产应用的栽培品种,即使能育成甘蔗新品种也需要时间。育成突破性甘蔗新品种则更为困难。
3.3利用甘蔗细茎野生种培育创新亲本
甘蔗创新亲本是指在原有种质基础上导入了新种质血缘,遗传基础得到拓展或利用有别于传统亲本体系的栽培原种(热带种, 印度种, 中国种)和野生种间杂交后代,可用于配制商业性杂交组合的亲本材料、品系和品种。本文中创新亲本特指含有别于POJ、Co体系的甘蔗细茎野生种血缘的回交二至四代亲本材料、品系和品种。其直接来源是甘蔗栽培原种或品种与甘蔗细茎野生种杂交、回交后代。
甘蔗是异源多倍体植物,在杂交过程中,往往会出现染色体缺失、重组以及优、劣基因连锁遗传;在亚热带甘蔗栽培原种或品种不开花、难开花或晚开花,与甘蔗细茎野生种花期难遇,致使其杂交利用困难;以及对杂交后代的筛选,往往把对糖分、产量性状的作为第一要素,而忽视利用野生种的真正目的——利用其抗逆性;加上创新亲本的价值是潜在的,必须通过其育成品种产生的效益才得以体现;因此,利用甘蔗细茎野生种无性系数量少,甘蔗亲本遗传基础狭窄,育种成效不显著。针对这一问题,中国对利用本土甘蔗细茎野生种与栽培原种或品种杂交,创新种质材料、培育创新亲本、选育甘蔗新品种进行了大量的研究,并取得了有益的进展。
海南甘蔗育种场利用崖城甘蔗细茎野生种育成的崖城71-374,育成审定品种23个,已成为我国甘蔗育种成效最显著的优良创新亲本(张琼等, 2009; 邓海华等, 2004),为中国甘蔗品种的改良作出了重要贡献。云南省农业科学院甘蔗研究所瑞丽站,利用云南蛮耗燥热生态型的甘蔗细茎野生种,育成审定了第一个生产品种云蔗99-155 (安汝东等, 2007)、以及一批含云南的甘蔗细茎野生种血缘的优良品系(经艳芬等, 2008)、创新亲本材料(桃联安等, 2009; 楚连璧, 经艳芬, 孙有芳, 桃联安, 姚育刚, 杨李和, 董立华, 安汝东, 吴才文, 岳建强, 陈学宽, 周清明, 段惠芬, 2009, 云南蛮耗甘蔗细茎野生种种质创新研究及其应用, 国家科技成果,云科奖鉴字[2009]064号),成为继海南甘蔗育种场之后,又一个为中国甘蔗育种提供甘蔗杂交花穗种子的育种机构。中国大陆部分创新亲本材料详见表1。
表1 中国大陆利用甘蔗细茎野生种培育的部分创新亲本材料 Table 1 Partial of creative parents in using S.spontaneum derived from mainland of China in sugarcane |
4展望
回顾世界甘蔗育种百年史,就是一部甘蔗细茎野生种利用的历史。对甘蔗细茎野生种的利用,可分为三个阶段:第一阶段是上世纪20-50年代,爪哇、印度甘蔗细茎野生种的利用,育成了POJ2878、Co281、Co290等划时代的品种和全球性的亲本,不仅成就了POJ、Co两大世界甘蔗亲本体系,而且成就了世界蔗糖业发展的辉煌历史;第二阶段自上世纪60年代开始的世界范围的甘蔗野生种质资源利用,世界各国均各有建树,中国亦在这一时期完成了从利用甘蔗细茎野生种创新种质、培育创新亲本到育成甘蔗生产品种全过程,这个阶段培育的甘蔗新品种,大多成为了本国商业栽培品种,但是突破性的甘蔗新品种并未出现。近三年来,甘蔗细茎野生种杂交利用(Wang et al., 2008; 张革民, 2009; 吴才文等, 2009; 桃联安等, 2009; 刘新龙等, 2010; 刘洪博等, 2010)的特点,一是大大增加了甘蔗细茎野生种无性系的利用数量;二是对野生种质无性系血缘的鉴定,不是停留在依靠组合后代的表现,而是更加注重血缘真实性的分子标记鉴定;三是组合类型呈现出了甘蔗栽培原种、品种、近缘野生种与甘蔗细茎野生种间的多样性等。这些研究为甘蔗细茎野生种优良新基因的发掘提供了新的思路,似乎预示着甘蔗细茎野生种杂交利用全新时期的开始。
甘蔗细茎野生种在其长期的起源演化过程中,分化出了丰富的遗传多样性,随着甘蔗细茎野生种无性系利用数量的增加,给其强宿根性、抗旱、耐寒、抗病性及其广泛的适应性等优良新基因的挖掘,提供了无限的可能性,这不仅为糖料甘蔗育种奠定了雄厚的种质基础,亦为生产清洁能源(Kaith et al., 2009; Chandel et al., 2009; Kaith et al., 2010)、环保塑料和建材、新型糖基表面活化剂等化工产品,以及延伸产业链(张木清等, 2006)提供了原材料来源。对丰富甘蔗创新亲本的遗传基因库,提升中国甘蔗品种自主创新能力及多元化育种均具有重要的意义。
作者贡献
经艳芬是本研究的实验设计和实验研究的执行人;朱建荣,桃联安,董立华及安汝东完成数据分析,论文初稿的写作;杨李和,周清明和段惠芬参与实验设计,试验结果分析;经艳芬是项目的构思者及负责人,指导实验设计,数据分析,论文写作与修改。全体作者都阅读并同意最终的文本。
致谢
本研究由农业部行业专项(nyhyzx07-019)、科技支撑计划(2007BAD30B02)、国家863计划(2007AA100701)、农林动植物育种工程项目(2006BAD01A06-4-1)和云南省面上基金(2007C236)共同资助。
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