甘蔗诱变育种研究进展

许雯雯　龙松华　邱财生　郭媛　王慧　王玉富

摘 要 从甘蔗育种现状出发，阐述了甘蔗育种的主要方法，着重介绍甘蔗理化诱变育种的研究现状，并比较物理诱变、化学诱变的优劣及其在甘蔗育种中的应用，同时分析中国目前甘蔗诱变育种存在的问题，并提出相关建议，以期为培育高产、优质及综合性状优良的甘蔗新品种，促进甘蔗产业持续发展，提升地方经济提供有意义的参考。

关键词 甘蔗 ；育种 ；诱变育种 ；物理诱变 ；化学诱变

中图分类号 S156.6 文献标识码 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2017.08.014

Abstract The present situations and methods of sugarcane breeding were described with an emphasis on sugarcane mutation breeding. The advantages and disadvantages of physical and chemical mutation and their application in sugarcane breeding were compared. The current problems of sugarcane mutation breeding in China were also analyzed， based on which some suggestions were put forward to provide a reference for developing sugarcane varieties with high yield and high quality for sugarcane sustainable development and upgrading of the local economy.

Keywords sugarcane ； breeding ； mutation breeding ； physical mutation ； chemical mutation

甘蔗（Saccharum officenarum）屬于禾本科（Graminaeeae）甘蔗属（Saccharum），是原产于热带、亚热带地区的一年生或多年生宿根草本C4作物。现今种植的多为异源多倍体，遗传背景复杂[1-4]。甘蔗为喜温喜光作物，年积温要求5 500～8 500℃，日照时长大于1 195 h，所需年降水量一般为800～1 200 mm[5]，在广西、云南和海南等长江以南地区广泛种植。

甘蔗是高价值食品及生物能源，中国食糖总量的90%以上为蔗糖，甘蔗燃料乙醇产量约占世界生物燃料乙醇总产量的40%[6]。根据其用途，甘蔗分为糖（料）蔗和果蔗。糖蔗的蔗茎主要用于制糖，在制糖过程中产生的蔗渣、糖蜜和滤泥等废料，可进一步加工利用如燃料发电、造纸、生产饲料等[7]。在能源作物方面，每年的生物产量比其它作物高出1.17倍，而燃料乙醇的产量最高可达到4 900 L/hm2[8]。甘蔗乙醇是一种低碳可再生燃料，可减少超过50%的温室气体排放[9]，对大气环境的改善具有十分显著的作用。

中国甘蔗育种中存在着品种较单一、循环留种等问题，致使种性退化、品质劣化、经济效益降低等问题。在此条件下，应着重加强高产、高糖、综合性状优良的新品种选育与推广，建立良好的品种结构。目前甘蔗的育种方法包括杂交育种、转基因育种及诱变育种，其中诱变育种通过人工诱变产生突变，可以较快地从中筛选出具有优良性状的突变体，克服了杂交育种与转基因育种的不足，在甘蔗育种中发挥着重要的作用。

1 甘蔗的生产现状

世界上有一百多个国家生产甘蔗，栽培面积达2 400 hm2，相当于世界农业面积的0.5% ，每年食糖产量在1.21亿～1.40亿t[10]，其中栽培面积最大的是巴西，利用甘蔗生产生物能源已经取代该国47.6%左右的能源消耗[11]，种植面积的第二大国是印度，中国居第三位。20世纪50年代初期，中国在海南首次建立甘蔗育种场后，其他地区陆续展开甘蔗新品种选育的研究，迄今已育成140多个优良的甘蔗品种。但由于投入成本有限，科学研究不够深入，育种规模较小和筛选方式落后，使得中国培育的甘蔗品种在综合性状上与国外先进技术培育的品种相比有明显的差异[12]。新台糖系列约占中国甘蔗总种植面积的75%，其中‘新台糖22约占60%以上[13]。在栽培品种单一化的现状下，应该大力加强新品种选育与推广，比如通过理化诱变育种与分子育种相结合，获得具有有益性状的变异材料，加快育种进程，培育高产、优质、综合性状理想的甘蔗品种。

2 甘蔗育种方法及成就

甘蔗育种方法的研究对促进甘蔗和相关产业的发展具有重要的作用。目前甘蔗育种的方法主要为常规杂交育种、转基因育种和诱变育种。

2.1 常规杂交育种

常规杂交育种是甘蔗种质改良和高产高糖抗逆性强新品种育成和推广最为主要、有效的途径[14]，并已育成几百个通过鉴定或审定的甘蔗品种。

广西是中国主要的甘蔗生产区，通过杂交育种育成的‘新台糖22在各主产蔗区广泛种植，部分地区种植面积高达95%以上[15]。江西省进行甘蔗有性杂交育种50多年，育成了赣蔗1号～18号等系列优良品种[16]。李瑞美等[17]通过常规杂交育种程序，选育出了‘闽糖97-301。‘福农38号是徐良年等[18]经11 a选育而成的甘蔗品种。潘方胤等[19]育成了农艺性状优良和抗逆性较强的‘粤糖05-267。经艳等[20]经杂交育种培育出性状优良的‘桂糖44号。

2.2 转基因育种

早在20世纪80年代就有甘蔗转基因研究的报道，Bower等[21]首次获得转基因甘蔗。在甘蔗的抗虫方面，Falco[22]获得了抗钻心虫甘蔗，Chen等[23]获得抗墨西哥螟虫甘蔗等。在抗病方面，Qualter等[24]获得了抗斐济病毒（FDV）的甘蔗，Birch等[25]获得的转基因甘蔗可抵抗由 X.albilineans引起的叶片灼伤病，罗遵喜[26]和郭莺等[27]获得的转化植株对甘蔗花叶病毒具有一定的抗性，顾丽红等[28]研究表明，转基因甘蔗增强了对黑穗病的抗性。在抗除草剂方面，Falco[29]、Leibbrandt[30]和王继华[31]等获得了抗除草剂甘蔗植株，Leibbrandt和Snyman等[32]获得了抗除草剂草丁膦的转基因甘蔗。在提高甘蔗含糖量方面，Mann[33]、黄东杰[34]、唐建平[35]等通过转基因降低甘蔗的转化酶活性提高蔗糖的积累，从而获得高糖含量的甘蔗品种。endprint

转基因为培育新品种开辟了新的技术路线。目前，针对转基因食品存在2种不同的看法，一些人认为转基因作物的开发和使用可以减少饥荒的发生[36-38]，而更多人则认为其不利于食品安全[39]。

2.3 诱变育种

植物诱变技术是通过物理、化学等手段提高物种的遗传变异率，有效缩短育种年限，最终为获得新材料、新品种创造条件[40]。自然条件下突变频率一般较低，而人工诱变技术具有高频率、广突变、周期短等特性。人工诱变开始于20世纪20年代，通过野生型基因损伤创造变异，目前已从170多个不同品种中获得了2 700多种突变体[41]。诱变方法通常分为物理诱变、化学诱变、空间技术诱变等。理化诱变在改变单基因控制的性状方面具有很大的优势，较为普遍地应用在甘蔗育种中[42]。

3 甘蔗诱变育种

在甘蔗诱变育种的进程中，育种工作者已经对甘蔗的抗褐锈病[43]、抗赤腐病[44]和耐鹽碱[45]等方面进行深入研究。中国利用辐射诱变技术，获得了一批已大面积种植的甘蔗品种，如‘桂辐80-29、‘云辐82-682等。近年来，不少研究人员利用EMS对甘蔗愈伤组织进行诱变，在耐高盐[46]、抗除草剂[47]、抗褐锈病[41]等方面已分别获得甘蔗突变体。

3.1 甘蔗物理诱变育种

3.1.1 以种芽为诱变材料

中国第一个利用辐射诱变技术育成的早熟、高糖品种‘桂辐80/29是何建兴等[48]以‘桂糖72/287作为供试材料，用80Gy的80Co-γ射线照射选育出来的。1992年杨冠英等[49]利用90Gy的60Co-γ对‘71-210品种的种芽进行辐射诱变，选育出优良突变体‘粤糖辐Ⅰ，再以‘粤糖辐Ⅰ为供试材料，分别以60Co-γ 3个不同剂量，和快中子3个不同的注量进行辐照，最终从4.0×1010中子/cm2的处理中选育出优良的变异株‘粤糖辐83-5。沈万宽等[50]以‘粤糖85-177为供体，通过70Gy的60Co-γ辐照供体种芽，从其突变体中选育出了含糖量高并适应中等肥力水田、水旱田种植的‘粤糖辐90-15。游建华等[51]利用80Gy的60Co-γ射线辐照‘新台糖1号甘蔗茎段，经过系统选育出‘桂糖22号，这是中国通过审定的第1个糖能兼用甘蔗品种。

3.1.2 以细胞团为诱变材料

何建兴等[52]采取理化结合的诱变方法对细胞团进行处理，用30Gy、40Gy 2种不同剂量的60Co-γ射线辐射后，再分别接到加有A号15%、20% 2种不同浓度的化学诱变剂的MS培养基中，最终选育出88/16和88/20 2个早熟、高糖品种。曾慧等[53]利用30Gy～40Gy的60Co-γ射线作诱变剂和10%高蔗糖浓度作胁迫剂，处理‘桂糖A号的细胞团，筛选出具有优良性状的‘桂辐90-10。‘桂辐97-18是曾慧等[54]通过80Gy的60Co-γ对‘新台糖1号辐射选育而成。李松等[55]用40Gy60Coγ射线辐照优良常规杂交中间材料‘桂糖91-131的叶鞘，经过多年的选育获得‘桂辐98-296品种。Maria等[41]利用10～20Gy的60Co-γ射线辐射愈伤组织，另外，利用0.003% NaN3浸泡愈伤组织30 min，用0.1%的NaN3浸泡甘蔗芽30 min，最终从11 167株植株中筛选出5种突变材料。Nikam等[56]研究利用10～80Gy的γ射线诱变愈伤组织并筛选耐盐性甘蔗，最终确定了最适宜的诱变剂量为20Gy，研究结果表明，辐射诱变提供了一条增加甘蔗遗传变异的有效途径。

国内外甘蔗物理诱变育种研究中，以60Co-γ诱变效果最为显著，其他的物理诱变剂效果不明显[57]。主要诱变的部位为细胞团，也有以种芽及幼苗为诱变材料的报道。

3.2 甘蔗化学诱变育种

化学诱变是诱变育种的主要育种途径[58]，其操作方便，诱变效果好，成本比较低廉。

甲基磺酸乙酯（EMS）是一种最常见的烷化剂，是目前使用最为广泛、诱变效率最高的诱变剂之一[59]。1990年，中国利用0.1%EMS诱变‘桂糖1号的细胞团首次育成了甘蔗品种‘80-30[60]。Koch等[61]通过对甘蔗诱变及耐灭草烟的研究，采用8 mmol/L、16 mmol/LEMS处理甘蔗体细胞，选育出对灭草烟具有抗性的甘蔗品种。Suriyan等[62]分别对6种通过γ-射线以及EMS诱变获得的突变体进行抗盐性比较，获得抗性较好的诱变材料。Tendekai等[63]将愈伤组织转移到32 mmol/L EMS溶液中处理4 h后，筛选出抗甘蔗镰孢菌的突变体。Sri Hutami等[64]为解决高铝及低pH土壤对作物生长发育的抑制作用，采用0.1%、0.3%、0.5%不同剂量的EMS分别处理30、60、120 min，结果显示，愈伤组织浸泡在EMS的时间长短比EMS浓度对再生植株影响更大。何慧怡等[65]以‘新台糖22和‘粤糖93-159的分生组织为材料，研究不同浓度的EMS在不同时间的情况下对茎尖分生组织的影响，确定了‘新台糖22的适宜诱变方法为48 μmol/L处理2 h或24 μmol/L处理4 h；‘粤糖93-159为72 μmol/L处理2 h或48 μmol/L处理4 h。

在甘蔗化学诱变育种的研究中，利用EMS诱变甘蔗的报道较多，使用其他试剂的研究还比较少，且大多为化学诱变与离体培养相结合，诱变其他部位的报道鲜有报道[65]。这些研究为甘蔗育种提供了有效的途径，但是忽视了愈伤组织自身潜在的不定性及变异性。

4 讨论

理化诱变育种创造了基因突变的机会，扩大了遗传范围，增加了选择的机会，不但克服了杂交育种年限较长的弊端，而且避免了舆论对转基因育种的担忧，在甘蔗育种中占据着较为重要的地位。但是，甘蔗理化诱变育种中产生的突变具有随机性及不确定性，且处理后的甘蔗突变体中，有利变异较少。理化诱变育种虽然在早熟性、抗病等方面的突变频率较高，但诱发有益突变的频率较低。因此，在诱变育种的进程中要积极探讨多种育种途径相结合，拓宽种质资源，扩大育种规模，增加诱变后代的群体数量，加强区域试验，加快种质资源更新，提高获得有益变异的机会。endprint

综上所述，要想提高甘蔗诱变育种的效率，首先要扩大突变群体的数量，增加选择机会，提高育种效率。其次，诱变的方法要多元化，如诱变与分子标记辅助选择技术相结合等。

参考文献

[1] 梁士钟. 甘蔗育种学[M]. 广州：广东高教出版社，1986.

[2] 彭绍光. 甘蔗育种学[M]. 北京：农业出版社，1990.

[3] 陈如凯，林彦铨，张木清，等. 现代甘蔗育种的理论与实践[M]. 北京：中国农业出版社，2003.

[4] 李奇伟，陈子云，梁 洪. 现代甘蔗改良技术[M]. 广州：华南理工大学出版社，2000.

[5] 易芬远，赖开平，叶一强，等. 甘蔗的营养生理与肥料施用研究现况[M]. 化工技术与开发，2014（2）：25-28.

[6] 陈月桂，吴建涛，杨俊贤，等. 广东省甘蔗产业发展战略研究[J]. 广东农业科学，2012（5）：165-168.

[7] 周 林，郭祀远，蔡妙颜，等. 蔗渣的生物利用[J]. 中国糖料，2004（2）：40-43.

[8] 方中达. 植物研究方法（第三版）[M]. 北京：中国农业出版社，1998：60-100.

[9] Paulo S， Brazil. EPA reaffirms sugarcane biofuel is advanced low-emission renewable fuel[J]. Bio Fuel Dairy， 2010（2）： 22-29.

[10] 贺贵柏. 试论广西蔗糖产业可持续发展战略[J]. 甘蔗糖业，2012（4）：54-57.

[11] Hofsetz K， Silva M A. Brazilian sugarcane bagasse： Energy and non-energy consumption[J]. Biomass and Bioenergy， 2012（46）： 564-573.

[12] 林彦铨，陈如凯. 甘蔗育种发展和今后研究方向[J]. 甘蔗，1999（4）：39-45.

[13] 李奇伟，邓海华. 当前我国甘蔗品种选育与推广中存在的突出问题及对策[J]. 甘蔗糖业，2011（4）：70-76.

[14] Erwin D C， Bartnick-Garcia S， Tsao P H. Phytophthora： Its Biology， Taxonomy，Ecology and Pathology[M]. A P S Press， St PaulMN， 1983： 50-151.

[15] 李廷化，王伦旺，李 翔，等. 3个桂糖系列甘蔗新品种的种性和丰产性分析[J]. 广东农业科学，2013（15）：21-23.

[16] 刘 毅，李祖莹. 江西省甘蔗有性杂交50 年育种实践与体会[J]. 中国糖料，2009（2）：37-40.

[17] 李瑞美，张树河，李海明，等. 甘蔗新品种（系）闽糖97-301的選育与种性分析[J]. 福建农业学报，2015（2）：121-124.

[18] 徐良年，邓祖湖，林彦铨，等. 甘蔗新品种福农38号的选育与评价[J]. 中国糖料，2014（2）：4-6.

[19] 潘方胤，文明富，吴文龙，等. 甘蔗新品种粤糖05-267选育及栽培技术[J]. 甘蔗糖业，2016（2）：1-6.

[20] 经 艳，王伦旺，唐仕云，等. 甘蔗新品种桂糖44号的选育及高产栽培技术[J]. 亚热带农业研究，2015（4）：231-235.

[21] Bower R， Birch R G. Transgenic sugarcane plants via microprojectile bombardment[J]. The Plant Journal， 1992（2）： 409-416.

[22] Falco M C， Silva M C. Expression of soybean proteinase inhibitors in transgenic sugarcane plants：effects on natural defense against Diatraea saccharalis[J]. Plant Physiology and Biochemistry， 2003， 41（8）： 761-766.

[23] Chen P H， Lin M J， Xue Z P， et al. A study on genetic transformation of GNA gene in sugarcane[J]. Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensi， 2004， 26（5）： 740-748.

[24] Mc QualterR B，DaleJ L，Harding R M，et al. Production and evaluation of transgenic sugarcane containing a Fiji disease virus（FDV） genome segment S9-derived synthetic resistance gene[J]. Australian Journal of Agricultural Research， 2004， 55（2）： 139-145.

[25] Birch R G， Bower R， Elliott A， et al. Regulation of transgene expression： progress towards practical development in sugarcane， and implications for other plant species[J]. Developments in Plant Genetics and Breeding， 2000（5）： 118-125.endprint

[26] 罗遵喜，杨志才，吕苏珊，等. 美洲商陆抗病毒蛋白基因遗传转化甘蔗的研究[J]. 热带作物学报，2009，30（11）：1 646-1 650.

[27] 郭 莺，阮妙鸿，姚 伟，等. CP基因遗传转化甘蔗品种Badila与福农91-4621的抗病性差异分析[J]. 福建农林大学学报（自然科学版），2008，37（1）：7-12.

[28] 顾丽红，张树珍，杨本鹏，等. 几丁质酶和β-1，3-葡聚糖酶基因导入甘蔗[J]. 分子植物育种，2008，6（2）：277-280.

[29] Falco M C， Tulmann N A， Ulian E C. Transformation and expression of a gene for herbicide resistant in a Brazilian sugarcane[J]. Plant Cell Reports， 2000， 19（12）： 301-304.

[30] Leibbrandt N B， Snyman S J. Stability of gene expression and agronomic performance of a transgenic herbicide-resistant sugarcane line in South Africa[J]. Crop Science， 2003， 43（2）： 671-677.

[31] 王继华，张木清，曹 干. 抗除草剂转基因甘蔗农艺性状调查[J]. 广东农业科学，2011，38（9）：23.

[32] Leibbrandt N B， Snyman S J. Stability of gene expression and agronomic performance of a transgenic herbicide-resistant sugarcane line in South Africa[J]. Crop Science， 2003， 43（2）： 671-677.

[33] Mann A P S， Sachdeva M， Batta S K， et al. Purification and characterization of proteinaceous invertase inhibitor from sugarbeet roots and its interaction with sugarcane invertase[J]. Sugar Cane International， 2003， 9（10）： 25-29

[34] 黄东杰. 无机焦磷酸化酶基因遗传转化甘蔗的研究[D]. 儋州：华南热带农业大学，2007.

[35] 唐建平，蔡文伟，王俊刚，等. 农杆菌介导蔗糖：蔗糖果糖基转移酶基阂转化甘蔗[J]. 分子植物育种，2009，7（3）：579-582.

[36] Borlaug N. The promise of biotechnology and the threat of antiscience zealotry[J]. Plant Physiology，2000（2）： 487-490.

[37] Trewavas A. The ethics of food，a reader for the twenty-first century[M]. Lanham：The Ethics of Food，Rowman & Littlefield， 2002： 148-155.

[38] Juma C. Preventing hunger： biotechnology is key[J]. Nature， 2011（479）： 471-472.

[39] Shiva V， Barker D， Wendell B， et al. The GMO emperor has no clothes[R/OL][N]. Italy：Navdanya International， 2014-03-27.

[40] 郝愛平，詹亚光，尚 洁. 诱变技术在植物育种中的研究进展[J]. 生物技术通报，2004（6）：30-34

[41] Maria l， Oloriz. Selection and characterisation of sugarcane mutants with improved resistance to brown rust obtained by induced mutation[J]. Crop and Pasture Science， 2011（2）： 1 037-1 044.

[42] 潘家驹. 作物育种学总论[M]. 北京：中国农业出版社，1994（1）：105-124.

[43] Oloriz M I，Gil V，Rojas L，et al. Selection and characterisation of sugarcane mutants with improved resistance to brown rust obtained by induced mutation[J]. Crop&Pasture Science， 2011（12）： 1 037-1 044.

[44] Aamir Ali， Shagufta Naz， Sarwar Alam S， et al. In vitro induced mutation for screening of red rot （Colletotrichum falcatum）resistance in sugarcane （Saccharum officinarum）[J]. Pakistan journal of botany，2007（39）： 1 979-1 994.endprint

[45] Patade V Y， Suprasanna P， Bapat V A. Gamma irradiation of embryogenic callus cultures and in vitro selection for salt tolerance in sugarcane （Saccharum officinarum L. ）[J]. Journal of Integarative Agriculture， 2008（9）： 1 147-1 152.

[46] Kenganal M， Hanchinal R R， Nadaf H L. Ethyl methanesulfonate（EMS） induced mutation and selection for salt tolerance in sugarcane in vitro[J]. Indian Journal of Plant Physiolgy， 2008（13）： 405-410.

[47] Koch Aimée C， Ramgareeb Sumita， Rutherford R Stuart， et al. An in vitro mutagenesis protocol for the production of sugarcane tolerant to the herbicide imazapyr[J]. In Vitro Cellular & Devlopmental Biology-Plant， 2012（48）： 417-427.

[48] 何建兴，何新民. 甘蔗新品种桂辐80/29的选育[J]. 甘蔗糖业，1989（2）：8-10.

[49] 杨冠英，苏德智，唐明德，等. 甘蔗辐射诱变新品种粤糖辐83-5选育及其种性分析[J]. 甘蔗糖业，1992（5）：3-8.

[50] 沈万宽，许玉娘，陈仲华，等. 甘蔗新品种粤糖辐90-15选育与栽培技术[J]. 中国糖业，2002（4）：6-23.

[51] 游建华，李 松，何为中，等. Co60γ辐射诱变育成甘蔗新品种桂糖22号[J]. 核农学报，2006（20）：95-98.

[52] 何建兴，杨秀琴. 甘蔗细胞物理诱变与化学诱变相结合育种研究初报[J]. 甘蔗糖业，1995（3）：1-4.

[53] 曾 慧，何新民，何建兴，等. 甘蔗突变新品系桂辐90/10选育初报[J]. 广西农业科学，1996（5）：220-222.

[54] 曾 慧，游建华，何为中，等. 糖能兼用型甘蔗新品系桂辐97-18的选育[J]. 中国糖料，2004（4）：1-3.

[55] 李 松，游建华，余坤兴，等. 甘蔗新品种桂辐98-296的选育[J]. 核农学报，2010（24）：1 177-1 181.

[56] Ashok A. Nikam， Rachayya M. Devarumath， et al. Radiation-induced in vitro mutagenesis system for salt tolerance and other agronomic characters in sugarcane （Saccharum officinarum L.）[J]. The Crop Journal，2015（3）：46-56.

[57] 陆耀邦. 辐射甘蔗愈伤组织的诱变效应[J]. 核农学报，1990，4（2）：65-70.

[58] 安学丽，蔡一林，王久光，等. 化学诱变及其在农作物育种上应用[J]. 核农学报，2003（17）：239-242.

[59] Gerrne E A，Codomo C A. Spectrum of chemically induced mutations from a large-scale reverse-genetic screen in Ara bidopsis[J]. Genetics， 2003（164）： 731-740.

[60] 王伦旺. 广西甘蔗理化诱变育种研究回顾与展望[J]. 广西蔗糖，2002（2）：7-9.

[61] A C Koch， S Ramgareeb， S J Snyman， et al. Pursuing imazapyr herbicide tolerance in sugarcane：Screening plants produced in vitro through somaclonal variation and mutagenesis[J]. South african iournal of boany， 2010（72）： 396.

[62] Suriyan Cha-um，Satjaporn Chantawong，et al. Field Screening of Sugarcane （Saccharum spp.） Mutant and Commercial Genotypes for Salt Tolerance[J]. Not Bot Horti Agrobo， 2013（41）： 286-293 .

[63] Tendekai Mahlanza R， Stuart Rutherford Sandy J，Snyman M. heneration of somaclonal variant plants of sugarcane for tolerance to Fusarium sacchari[J]. Plant Cell Rep， 2013（32）： 249-262.

[64] Purnamaningsih R， Sri Hutami. Increasing Al-Tolerance of Sugarcane Using Ethyl Methane Sulphonate and In Vitro Selection in the Low pH Media[J]. Hayati Journal of Biosciences， 2016： 1-6.

[65] 何慧怡，樊麗娜，齐永文，等. EMS诱变甘蔗茎尖分生组织的初步研究[J]. 中国农学通报，2016，32（5）：55-60.endprint