浅谈甘蔗常规杂交育种的性状鉴定及分析方法

2015-01-22 17:34唐仕云王伦旺黄家雍杨荣仲李杨瑞谭芳李翔黄海荣经艳邓宇驰李鸣梁朝旭贤武黎焕光
中国糖料 2015年1期
关键词:甘蔗性状常规

唐仕云,王伦旺,黄家雍,杨荣仲,李杨瑞,谭芳,李翔,黄海荣,经艳,邓宇驰,李鸣,梁朝旭,贤武,黎焕光

(1.中国农业科学院甘蔗研究中心,广西南宁530007;2.广西农业科学院甘蔗研究所,南宁530007)

浅谈甘蔗常规杂交育种的性状鉴定及分析方法

唐仕云1,2,王伦旺1,2,黄家雍1,2,杨荣仲1,2,李杨瑞1,谭芳1,2,李翔1,2,黄海荣1,2,经艳1,2,邓宇驰1,2,李鸣1,2,梁朝旭1,2,贤武1,2,黎焕光1,2

(1.中国农业科学院甘蔗研究中心,广西南宁530007;2.广西农业科学院甘蔗研究所,南宁530007)

综述了甘蔗常规五圃制选育中甘蔗性状的鉴定及数据分析方法,对存在的问题进行了探讨与展望,旨在交流甘蔗常规育种技术,提高甘蔗育种的效率,选育和推广更多甘蔗优良新品种,更好地为甘蔗糖业产业服务。

甘蔗;常规育种;性状;鉴定;选择

甘蔗是一种起源和生长于热带、亚热带的高生物量作物,是世界上最重要的糖料作物,同时也是具有巨大发展潜力的能源作物。但由于甘蔗是高度复杂的多倍体,生产上使用的甘蔗品种,多为甘蔗属内3~5个种的种间杂种,减数分裂时染色体的分离紊乱,缺乏规律可循,目前对甘蔗性状的遗传规律知之甚少,给甘蔗的遗传育种带来了巨大困难,要取得甘蔗育种实质性的突破也非常缓慢与艰难[1]。甘蔗常规杂交育种,是以有性杂交和无性繁殖相结合的方法进行,实质上是将优势互补的亲本,选配具有强配合力的组合,将具有明显优势的优良个体所包含的加性遗传效应及非加性遗传效应通过无性繁殖的方式全部保留下来。甘蔗常规育种在性状发生疯狂分离的实生阶段,按单株选择法,将性状表现相对较好的株系入选,之后不断进行无性扩繁和遗传鉴定,不断地大量淘汰不良材料,逐级升入下一个高级圃试验,只有最优异的极少数育种材料才有机会参加甘蔗品种区域试验,待品种审定后,才能在生产上大面积推广使用。目前生产上使用的甘蔗良种,大多数是通过这种方法选育而来的[2-3]。从实生苗开始,一个新品种的育成,需要10年左右的时间,因而,杂交后代性状的遗传鉴定是一项非常耗时费力的事情,对无性系性状的鉴定,也是甘蔗常规杂交育种工作的主要内容。对育种材料的性状调查及对观察结果的数据整理,决定着育种材料的优劣分级及淘汰与否,是品种选育中关键的步骤,需要一个合理的品系评判模式,保证优异材料有较大的可能性被入选,不良材料能及时被发现并淘汰,以免造成时间、精力、土地、物力、财力等不必要的浪费,因此,加强甘蔗杂种后代性状的鉴定、分析和无性系选择方法的研究,是提高甘蔗育种效率的重要内容,有利于尽快选出和推广优良品种。本文基于广西农科院甘蔗研究所2008年部分自育甘蔗材料选育过程中积累的认识,交流和探讨甘蔗常规育种的性状鉴定和选择方法,旨在提高甘蔗育种的选择效率和选育出更多的优良甘蔗新品种。

1 育种目标与甘蔗性状鉴定

1.1 育种目标与甘蔗性状

甘蔗的育种目标,国内主要是以糖料甘蔗为主,同时也进行能源甘蔗[4-5]、饲料甘蔗[6-7]、果蔗[8]等新品种的选育。育种目标决定了品种选育时所需鉴定的性状和性状鉴定的方法,育种目标在不同的时期、区域环境、栽培技术条件下是不完全相同的,所需鉴定的性状也就不同[2,9-11]。有以提高经济遗传值为核心的甘蔗育种[12-13],有以提高蔗糖分为主的高糖育种,有以提高抗性为主的抗性育种,有以适应机械化栽培的品种选育,等等。目前,糖料甘蔗在国内品种审定时,都以含糖量超过对照品种为基本的依据。可见,含糖量在甘蔗育种过程中具有非常重要的决定性作用,但它是一个综合性指标,由甘蔗蔗茎产量和蔗糖分决定,而甘蔗蔗茎产量又由株高、茎粗、有效茎数、蔗茎密度等因素构成,蔗茎密度又与蔗茎形态、内容物充实与否等相关,含糖量的高低可以由以上构成性状之间多种不同方式搭配构成,因而,不同的育种家可能有相同或不同的选择策略。而在生产中,除含糖量高低外,还需考虑与糖厂和蔗农的经济利益息息相关的性状,如脱叶性良好,农民砍收蔗时将节省大量劳力;抗倒伏性好,有利于农事操作和保证后期糖分的积累和来年宿根的发株;抗病、虫、鼠、草等生物胁迫和抗低温、干旱、水渍等非生物胁迫,有利于产量的稳定及品种的大面积推广。这些性状,虽然不直接构成产量性状,但对优良品种的推广却有极大的影响,如有一个明显的不良特性,可能会使品种难以推广,因而这些性状也是常规育种选育时所需调查的重要内容。甘蔗的性状非常地多[14],但甘蔗常规育种中,观察鉴定的性状多以目测的形态学性状为主,如株高、茎径、条数多少、蔗茎与叶片的病虫害、脱叶性能、芽突、水裂、植株斜散等等,鉴定操作简单易行,有利于育种者利用性状独立淘汰法和综合性状评判法进行优劣淘汰。

1.2 甘蔗性状鉴定的时期和方法

在国内,一般将甘蔗常规育种分为5个时期(或五圃制),每个圃所需鉴定的性状是有所差异的,所利用的评判方法也有所不同,应分别具体展开进行,前期阶段的杂种圃、选种圃和鉴定圃,一般以性状的独立淘汰法为主,预备品比、品比等高级圃阶段以综合性状评判法为主。目前一般以“年”作为甘蔗育种的时间周期单位,每个圃都需种植新植1年,有的还需留宿根1年或多年,新植甘蔗在1年内,又可分为出苗期、幼苗期、分蘖期、伸长期和成熟期等几个时期,每个时期鉴定的性状都有所不同,如出苗期调查出苗率,分蘖期调查分蘖率,伸长期调查生长速度,成熟期调查产量与甘蔗品质相关的性状。生长前期性状是后期性状的基础,前期观察结果与后期的调查数据之间可以相互印证,生长前期性状的调查有利于生长后期性状的分析。生长前期性状的鉴定多是对含糖量这个重要指标的间接测定,在后期甘蔗倒伏等情况下,后期性状的数据不易获得或环境影响非常大时,往往以间接鉴定的前期性状数据作为评判品系优劣的依据,但在后期的性状遗传力高时,淘汰过程中起决定性作用的是后期直接测定的性状,如果前期性状表现较好,但后期性状鉴定时表现不好,也不得不淘汰,如有很多材料生长前期生势很好,但后期糖分低或空蒲心大或易早开花等性状,也将淘汰。

1.2.1 实生苗阶段甘蔗实生苗阶段,由有性杂交获得真实种子播种而来,每个单株就是一个独立的基因型,在之后的无性繁殖过程中,每个单株扩繁出的各个体的性状相对比较稳定,因而,甘蔗的选择方法以单株选择为主,在实生阶段时,将花费大量人力物力逐一对每个株系进行鉴定选拔。林木育种上认为,无性系选择往往是在家系和家系内选择的基础上进行的选择,充分利用了多层次变异,从选择的程序上看,属高层次的选择[15]。甘蔗也是如此,常规育种的做法往往是基于历年各组合实生苗的表现,选配优良组合,实质上也是先进行家系选择,再在家系选择的基础上进行家系内单株选择。目前很多育种单位除种植甘蔗常规育种材料外,还进行家系评价试验,严格按照试验设计进行组合、亲本、家系的综合评价。在实生苗阶段,进行家系选择和单株选择相结合的方法,可以提高选择的效果[16]。

单位面积含糖量在甘蔗育种过程中具有非常重要的决定性作用,但单位面积含糖量是一个综合性指标,直接测定需要大量的时间、劳力和经费,不易进行,目前在低级圃阶段还多用间接测定,实生苗阶段,由于材料多,如2008年广西农科院甘蔗研究所实生苗总数达到35万左右,工作量巨大,除家系组合评价试验之外,多采用简单易行的目测方法,凭育种者的育种经验,利用性状的独立淘汰法,一般只要有一个性状有明显缺陷的材料,就不再入选,此阶段采用质量性状鉴定比数量性状鉴定的结果可靠性高,如水裂、包叶等性状。一般对形态学鉴定后的单株,还进行锤度测定,但此时获得的锤度数据并不能与单株对应,因为此时单株还没编号。考虑到工作量、土地、经费使用等问题,一般要求严格控制入选率。

实生苗阶段,如果是按照家系评价试验,一般将组合按3次或以上重复随机区组设计,借助一定的遗传设计,通过特定的分析软件,如R软件,可以获得很多重要的遗传参数,综合评价亲本、组合和家系的育种价值[16-18]。而甘蔗常规育种过程中,实生苗按组合种植,一般不设重复,对单株进行选择,收获时将入选株系以组合为单位进行收获,性状考察时多以组合为单位,一般只对组合进行综合评价,获得组合的综合表现以及组合入选率等结果,可作为今后配制组合的依据,而对入选个体的性状不做详细记录。

1.2.2 选种圃阶段选种圃阶段是从实生苗圃选育出来,第一次进行无性扩繁的试验阶段,种植管理上已经接近生产实际,种植时对入选株系仍按组合为单位连片种植,一般蔗茎种子可种植1m左右,每个无性系的下种量尽量保持一致,无重复,由于株系在种植时仍未命名,故前期性状观察仍多以组合为单位,根据组合的长势,初步确定哪些组合可能会有较多的优良品系,在年底选拔时,以目测的形态学鉴定为基础,同时进行锤度测定,有条件的分初选和复选重复测定两次。这个圃入选的材料,可以命名一个永久的编号,方便之后对无性系进行跟踪调查。此阶段可以获得入选无性系个数、组合的入选率等数据。由于工作量大,遗传力低,对产量性状的株高、茎粗不直接测量,多采用目测,对易进行的有效茎数进行调查,同时测定锤度。此时获得的数据,可按组合和按无性系的编号两种格式整理,有利于观察组合和入选无性系的情况,数据也可作为高级圃评价无性系的依据,有利于育种及管理人员的查阅和参考。

1.2.3 鉴定圃阶段鉴定圃阶段每个无性系都有固定的编号,种植时以无性系为单位随机种植,由于蔗茎种子较多,一般都有1行以上,不做重复,常采用对比试验,每隔20行左右种植1个对照,由于试验小区面积小,非常容易丢失优异材料,因而是观察和评价单个无性系最重要的一个阶段。从无性系总数来说,数量上少于杂种圃和鉴定圃,但需调查的性状远比前2个圃多,需要更深入更细致的观察和调查,一般将生长前期的间接鉴定与生长后期的产量品质性状的直接测定相结合,下种后要及时调查出苗率、分蘖率,调查苗期的螟虫枯心率、黑穗病率、花叶病率、梢腐病率等常见的病虫害,6—10月伸长期间每个月月底观察长势和发病情况,对甘蔗的生长快慢、茎粗大小、病虫害发生情况以及管理情况都有一定的了解和记录,10月份左右进行产量性状的株高、茎粗、有效茎数的调查,一般要进行两次以上的锤度调查,有条件的也可对入选后的少量材料进行糖分化验和甘蔗实产调查。此时数据主要按无性系编号进行整理,有利于下一步试验的参考和利用。

1.2.4 预备品比阶段预备品比圃阶段蔗种种子已经较多,一般都能保证种植3行以上,并且可以保证每行的下种量一致,可做1~3次重复,但多数材料不够3次重复,此时试验设计仍然以对比试验为主,蔗种数量多的可按随机区组设计或增广随机区组设计进行[19]。由于小区面积和重复数都比鉴定圃有所增加,试验的准确性和性状的遗传力都较低级圃高,因而,此时也是鉴定无性系优劣的重要时期,除严格按照鉴定圃的调查方法进行性状鉴定外,还可对产量品质等重要性状进行直接测定,并且还要结合选种圃、鉴定圃的观察数据,对材料的观察结果进行综合评价,在淘汰品系时要进行适度的调整修改,如有些材料可能受到蔗种质量问题或田间地域环境的特殊影响,当年的产量性状表现并不很好,但历年表现较好,这种材料往往不能直接淘汰,仍需保留少量蔗种,或在宿根时观察,以进一步确认是否优劣。此时所获得的数据,按无性系编号整理,可适当应用统计方法,提高选择的准确性。

1.2.5 品比阶段品比阶段是五圃制育种的高级阶段,种植时可以严格按照试验设计进行,一般按随机区组设计,4~6行区,重复3次以上,进行1新1宿试验,严格按照品种区域试验的调查方法进行详细的调查,获得的结果数据可以进行方差分析,也可以获得一些数量遗传的参数如遗传力、重复力和遗传相关等,以供育种者对观察的群体进行更准确的判断。近年来,由于育种规模的扩大,能参与进入区域试验的数量名额非常有限,往往品比试验要在相同或不同试验地点进行2轮以上,优异材料才有机会进入区试,这对材料的评价来说更准确,也有利于观察新材料的稳定性。

2 常规育种中的数据整理及分析方法

对甘蔗常规育种而言,由于蔗种数量的限制,很难进行较高级别的试验设计,获得的数据往往是多种效应的综合,很难用统计的方法区别出品种的遗传效应,一般只做每个圃的无性系与对照品种之间平均数的简单对比,数据的收集也非常不易,除需要漫长的等待,还需消耗大量的劳力和财力,因而要及时收集整理与分析所获得的有限数据。数据一般按年份(或圃)整理,每个圃的新植、宿根都要有详细的总结,无论在哪个圃,每调查1次,都要及时整理数据,如果性状有明显缺陷的,应该应用性状的独立淘汰法及时淘汰,做到及时观察,及时整理,及时选择。由于低级圃一般是不设重复的对比试验,因而,难做方差分析,也没办法从数据上区分品种和环境的效应,评价结果的可靠性,在很大程度上取决于试验地的均匀一致性、生产管理的精细和育种者辛勤细心的观察及育种经验,而在预备品比圃和品比圃时,可以进行有部分重复的试验设计,也可以进行效应分析,选择时具有较强的准确性。

甘蔗常规育种的第二年开始以无性繁殖方式进行,从整个甘蔗品种的选育过程来看,无性系从低级圃到高级圃,基因型基本保持稳定,性状也是相对一致的。在无性系的鉴定选择中,每年都要对无性系进行观察鉴定和评价,因而各个圃的结果可以看成是无性系的多年多点试验的结果,从选种圃到品比圃,在锤度等性状上,可以获得多年多次的试验数据,在评判一个品种的优劣时,可以结合多年观察的数据结果进行综合评判,选择的效果相对只看当年数据的结果较好一些,但与区域试验的多年多点的试验设计是不相同的,首先是低级圃一般没有重复,其次是每年每个圃的试验材料是不完全相同的,从低级圃到高级圃是一个优胜劣汰的过程,低级圃中包含了大量的应淘汰材料,入选材料的评价结果会受到淘汰材料的干扰。因而,不能按照多年多点的统计方法,将品种、年份、地点、种植类型等效应区分开来,所观察的品种的优劣是多种效应的综合结果,因而给育种者的判断带来很大的干扰,目前育种者多靠育种的经验来评判。从整个育种过程来看,甘蔗育种的调查数据,符合非平衡数据的条件,在统计上可以尝试新的非参数检验[20-22],对多年多次试验结果进行综合分析。同时,无性系在各个圃的选育中,历经了不同时期或不同地点,也可结合品种稳定性分析方法[23-25],对新品系的稳定性做初步的分析。

3 问题与探讨

3.1 注重常规育种性状鉴定的持续性和综合性

甘蔗的选育种是一个漫长的过程,育种周期长是育种者面临的最大问题。由于育种周期长,给育种管理也带来很多问题。在国内,甘蔗育种管理模式大体上可分为两种,一种是由具体的某位育种者,从实生圃到品比圃全部负责,这种育种管理模式,有利于充分发挥个人的积极性,也能对某个组合或品系材料进行多年的跟踪观察,有利于多年多次数据的综合分析利用。另一种模式是每个圃都有一个具体负责人,每个人只负责这个圃,这样的育种程序就相当于流水线生产。由于甘蔗育种的长期性、所需劳动量的巨大性和所需经费支持的持续性,常规育种必须以团队的形式完成,需要各育种者对负责的育种材料进行认真的观察鉴定,并及时归纳整理,以利于做好育种材料的选拔工作。同时需要有专门的部门或人员,收集整理和分析多年的鉴定数据,有利于综合评价一个品系的优劣。

3.2 加强性状鉴定结果的合理性

对甘蔗常规育种而言,科学与艺术仍需完美的结合。除开展数量性状的数据测量外,有很多性状和试验效应很难获得有用的数据来支持,往往是多次观察或间接选择效果更好,育种者调查获得的数据,未必能完全体现出一个品种的优劣,结合多次认真观察的结果综合评定品种的优劣更合理。如蔗种的质量好坏对品种的评价影响是非常大的,由于天气等不可避免的因素造成蔗种堆放时间过久,对不同品种的产量就会有严重影响,尤其是当前的对照品种新台糖22会产生较大的减产,因而,从一年鉴定的数据上来判断品系的好坏,往往比较片面。如果要很好地评价品种、蔗种质量及其互作,需要一个二因素的试验设计,但常规育种由于材料多,土地、经费有限,很难直接按试验设计进行试验,只能很粗略地在不同年份或地点观察其表现,进行鉴定评价。有些性状虽然不构成产量性状,但在特定条件下,能使一个品种的优良性得不到充分表现。因而,有些从数据上看是很优良的良种,由于存在某些没有调查到的缺陷,在生产实际中表现并不优良。提高鉴定结果的合理性需要育种者认真的观察,同时需加强田间试验的管理及试验尽可能要与生产实际接近。

3.3 协调甘蔗产量和蔗糖分的矛盾,建立科学合理的综合评判模式

甘蔗常规杂交育种经历了100多年的历史,已经积累了很多丰富的经验,新的环境条件和生产方式需要育种者不断创新。目前在甘蔗糖业的产业中,农民利益与糖厂利益是相对独立的,农民只注重甘蔗蔗茎的实际产量,而糖厂更注重原料蔗蔗糖分的高低,这又给育种者留下了一个非常困难的抉择,育种者育出的品种,必须在甘蔗蔗茎产量和蔗糖分都能超越对照品种的情况下,才能获得农民和糖厂的双方认可,只要有一个性状低于对照,即使含糖量能超过对照品种,也非常难以大面积推广。目前广西甘蔗品种审定时,审定的标准除考虑含糖量外,同时非常注重糖分性状,因此对育种者而言,在品种选育时,新品系具有含糖量超过对照品种的潜力,但甘蔗产量和糖分不能同时超过对照品种时,略偏向高产类型或高糖类型,是个非常困难的选择。今后需要借鉴国外分糖制的方法[12],建立科学合理的评判模式进行综合评定。

3.4 完善常规杂交育种中的抗性鉴定

病虫害、干旱、低温、杂草、除草剂等逆境胁迫,在室内模拟条件下,可以获得详细的数据,鉴定的效果好,有说服力,但育种过程中,由于品系数量巨多,往往在育种初期是很难进行的。在漫长的品种选育过程中,除主要对产量和品质等主要目标性状进行直接鉴定和观察外,对病虫害等抗性鉴定也需要观察记录,如新植蔗出苗期的螟虫发病率,宿根蔗时的黑穗病率,也可获得详细的数据,往往在发病年份之间的重复性也很高。抗旱性在甘蔗苗期或生长后期干旱天气达到一定天数,鉴定效果也很明显,抗寒性在有霜冻的天气或低温阴雨天数较长时期,鉴定效果也很好。但在育种初期的选种圃和鉴定圃,由于小区面积小,品种的群体较少,品系数量非常多,受地块区域环境影响大,往往对抗性的鉴定不很全面,较难获得详细的抗性数据,一般只是对存在有明显缺陷的材料进行直接淘汰,而在育种的高级圃时,随着小区的面积增大和重复数的增多,往往更容易发现新材料的抗性,很多产量品质性状优良的材料,由于抗性太差,也不得不在此时淘汰。因而,对育种者而言,如何能在初期发现抗性较差材料,及早淘汰抗性太差的材料,也是个急需改进的问题,如何在育种过程中,对抗性数据的收集和整理利用,也是今后育种者需探讨的一个重要方向。

3.5 结合甘蔗本身习性创新甘蔗常规育种的性状鉴定和分析方法

由于甘蔗开花习性的特殊性,不是所有亲本都能年年开花,因而,很多育种方案的制定受到限制,多种遗传交配设计无法实现,且甘蔗是多倍体或非整倍体植物,适用于二倍体的经典遗传学上的遗传交配设计及统计方法在甘蔗育种上并不能直接应用,因而,需要甘蔗育种者开发适合甘蔗的特殊试验设计与统计方法。

从甘蔗的选育过程来看,发生遗传分离的时期只在实生苗圃,而后各圃只是无性繁殖的一个阶段,因而实生苗圃是进行亲本、组合、家系评价的最重要时期,而后各圃可以看成是同一材料在不同年份和/或在不同地点的多年一点或多点试验,但由于育种前期阶段,育种材料的种苗少,工作量大,由选种圃到预备品比,一般只是试验小区的增大,很难设置重复,并且由低级圃到高级圃是一个淘汰的过程,材料数量的变化是一个由多到少的过程,每个圃的参试材料数不会相同,因而,不能利用多年一点或多点试验的统计方法,统计出品种、年份、地点、种植类型及品种与年份、地点、种植类型及其互作等各种效应。目前缺乏一个理想的数学模型,给育种者在综合评判材料优劣时提供理论依据,仍需甘蔗育种者开发一套适应于甘蔗育种的统计方法与软件,例如可尝试考虑非平衡数据的非参数的统计方法,在高级圃时结合前面低级圃的数据做综合判断,可能更有利于评价一个品系的优劣。

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Discussion on Character Identification and Analysis M ethod in Sugarcane Conventional Breeding

TANG Shi-yun1,2,WANG Lun-wang1,2,HUANG Jia-yong1,2,YANGRong-zhong1,2,LIYang-rui1,TAN Fang1,2,etal
(1.Sugarcane Research Center of Chinese Academy of Agricultural Sciences,Nanning 530007; 2.Sugarcane Research Institute,Guangxi Academy of Agricultural Sciences,Nanning 530007)

Character identification and analysismethod for sugarcane hybrid progeny in conventional breeding program were summarized,and the problemsof selective breedingwere also discussed in thispaper.The aim was to exchange the experience of sugarcane for conventional breeding,improving the efficiency of sugarcane breeding.

sugarcane;conventional breeding;character;identification;selection

S566.103

B

1007-2624(2015)01-0055-04

10.13570/j.cnki.scc.2015.01.023

2014-06-03

广西自然科学基金项目(2013GXNSFBA019055);广西农业科学院基本科研业务专项(桂农科2013YQ08)。

唐仕云(1978-),男,广西资源县人,副研究员,研究方向:甘蔗常规育种。Email:tangshiyunok@163.com

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