云南对等杂交培育甘蔗新型独立亲本系统进展

吴才文

（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

甘蔗育种是蔗糖生产的关键核心技术，培育、创制新品种是蔗糖产业发展最经济有效的措施。亲本是甘蔗育种的物质基础，只有亲本的突破才能培育出种性突破的甘蔗新品种[1-9]。研究利用甘蔗种质资源，源源不断地选育满足生产需要的优良品种，进行品种改良与更新是蔗糖产业持续发展的根本保证[4-12]。甘蔗有性杂交育种以来，全世界甘蔗育种遗传基础均可追溯到‘POJ’、‘Co’系统亲本培育利用的8个热带种、1个印度种与2个细茎野生种，两大亲本系统的长期大量高频率使用，导致甘蔗亲本遗传基础狭窄、网络化、近亲化现象严重[5-10]。云南建有我国唯一的国家甘蔗种质资源圃，收集保存来自34 个国家和中国12 个省区的6 个属15个种，已编目甘蔗种质资源3 151份，种质资源数量仅次于世界最大的甘蔗种质资源保育中心印度的5 143份[13]，是我国最大的甘蔗种质资源保育中心，也是世界第二大甘蔗基因库。为什么甘蔗种质资源数量庞大，研究条件越来越好，但甘蔗遗传基础狭窄、血缘网络化、近亲化现象长期困绕甘蔗界始终没有解决？研究甘蔗种质资源的杂交利用方式及效果发现，由于基础杂交方式不同，对甘蔗育种的贡献完全不同，差异巨大[5-8]。在“十四五”计划开启之年，认真总结和分析对等杂交育种效果、‘POJ’和‘Co’两大亲本系统对世界甘蔗育种和蔗糖产业的贡献、对等杂交培育新型独立亲本系统进展、优势及存在问题，有利于把我国丰富的资源优势转化为育种优势和产业优势，为我国蔗糖产业高质量、绿色发展奠定坚实的基础。

1 对等杂交育种效果

对等杂交指杂交组合的父本和母本各自所含原种数量及其遗传代数完全相同的杂交，杂交方式为原种与原种间杂交产生的高贵化F1代种继续对等杂交，获得更高贵化的F2、F3或更高代种的杂交。甘蔗百年育种历史证明，亲本血缘上的突破，首先表现在亲本异质性和杂交对称性上的突破[6-8]。如爪哇甘蔗育种场利用2个热带原种‘拉海拉’（Lahaina）与‘斐济’（Fiji）杂交培育出了F1代种‘EK2’，又利用2 个热带种‘斑扎马新黑潭’（B.Hitan）与‘路打士’（Loethers）杂交培育出了F1代种‘POJ100’；以‘EK2’为母本与‘PO100’杂交，获得了F2代种‘EK28’，由于‘EK2’与‘POJ100’间没有血缘交叉（图1），获得的‘EK28’在产量和糖分上较4个原始亲本‘Lahaina’、‘Fiji’、‘B.Hitan’与‘Loethers’及2个F1代种‘EK2’和‘PO100’均有较大的优势，‘EK28’的育成和生产应用，对过渡时期的爪哇糖业作出了很大贡献[3,6-7]。又如爪哇甘蔗育种场利用热带种‘黑车里本’（B.Cheribon）与‘爪哇割手蜜’（S.spont/G）杂交，育出了F1代杂交种‘坎沙’（Kassoer）；然后用‘POJ100’作母本与‘Kassoer’杂交，育成了F2代杂交种‘POJ2364’；又利用‘B.Cheribon’与印度种‘春尼’（Chunnee）杂交，育成了F1代杂交种‘POJ213’。印度哥印巴托甘蔗育种场利用热带种‘卡路打布挺’（K.Boothan）与‘印度割手蜜’（S.spont/Co）杂交，培育出了F1代杂交种‘Co291’；然后利用‘Co291’作母本与‘POJ213’杂交育成了‘Co221’。由于‘POJ2364’的2个亲本‘POJ100’和‘Kassoer’间、‘Co221’的2个亲本‘Co291’与‘POJ213’间均没有血缘交叉（图1），杂交异质性大、杂交对称性强，杂交后代杂种优势强，加上野生种（‘S.spont/G’和‘S.spont/Co’）血缘的输入，‘POJ2364’和‘Co221’不仅种性较亲本表现优良，而且抗逆性和适应性得以大幅度提高[3,6-7]。亲本异质性大，整个系谱呈倒三角形，杂交对称性好，血缘清楚，后代杂种优势强，作为亲本利用培育出的品种多、种性突出、后代产生的蔗王多、对育种贡献大[6-8]。

图1 POJ2364、Co221和EK28 系谱图Fig. 1 The pedigree of POJ2364,Co221 and EK28

2 POJ和Co两大亲本系统对世界甘蔗育种和蔗糖产业的贡献

育成品种种性的突破依赖亲本血缘的突破，亲本创新的突破是甘蔗品种能否取得突破的关键[5-8]。甘蔗百年杂交育种培育的以‘POJ2878’和‘Co290’为代表的两大亲本系统为基础，培育出了大量突破性的甘蔗品种和亲本，如‘Co419’、‘F134’、‘CP49-50’和‘Nco310’等，为世界糖业的发展做出了重大贡献，促进了蔗糖业的巨大发展[1-10]。如‘POJ2878’的亲本为‘POJ2364’בEK28’，共有原种6 个，其父母本均含有‘B.Hitan’与‘Loethers’两个原种，其他4 个原种完全不同（图2），异质性为66.7%。又如‘Co290’的亲本为‘Co221’בD74’，也是6 个原种，且父母本中没有相同的原种，6 个原种完全不同（图2），异质性达100%。分析‘POJ2878’和‘Co290’的血缘成份，双方共有11 个原始亲本，其中热带种‘B.Cheribon’为双方共同的亲本，异质率为90.9%，他们之间正反交，培育出了‘Co419’和‘F134’等许多世界性品种及亲本[5-8]。奠定了世界甘蔗育种‘POJ’和‘Co’两大系统的基础，两大亲本系统的唯一缺陷在于‘POJ2878’原种中有33.3%的血本缘交叉，‘Co290’虽然原种的异质性达100%，但杂交血缘对称性稍差[7]。作为‘POJ2878’和‘Co290’正反交的后代，由于‘Co419’和‘F134’含有的原种数量多、优良基因来源广，且异质率高，因此‘Co419’和‘F134’比‘POJ2878’和‘Co290’具有更为优良的种性和适应力。分析这些世界性品种、亲本无一例外均表现出很强的异质性和杂交的对称性[7]。它们的血缘清楚，后代杂种优势强，作为生产品种种性优良，突破性大，推广面积大，对产业贡献大[3-10]。

图2 POJ2878和Co290系谱图Fig. 2 The pedigree of POJ2878 and Co290

3 云南对等杂交培育新型独立亲本系统进展

3.1 对等杂交培育独立亲本系统的思路

亲本是培育突破性甘蔗品种的物质基础[5-8]。多年来，我国乃至全球甘蔗杂交育种工作者在种质创新、亲本的利用上做了大量工作，选配了成千上万的杂交组合，也创制了大量的亲本，但由于始终没有脱离‘POJ’和‘Co’两大亲本系统，导致后来育成的甘蔗品种在种性上均没有重大突破[5-8]。为什么甘蔗种质资源一大堆，甘蔗亲本遗传基础狭窄、网络化、近亲化现象长期困绕甘蔗杂交育种界的问题始终没有解决？上世纪90年代以来国内甘蔗育种单位与全球主要甘蔗科研机构开展广泛科技合作，一批科技人员先后深入到世界主要蔗糖生产国家和机构进行考察、学习及合作研究，掌握了大量的甘蔗杂交育种的第一手资料[5-8]。在吸取国内外甘蔗杂交育种经验和教训的基础上，调整育种思路、创新育种方法，云南省农业科学院甘蔗研究所首次提出了通过对等杂交培育独立亲本系统，利用独立亲本系统培育突破性甘蔗品种的思路[6-8]。

3.2 基础杂交新原种利用情况

云南是全国第二大蔗糖生产基地，是世界甘蔗野生资源最丰富的地区之一[14-18]。为促进甘蔗种质资源的收集和创新利用，20 世纪80 年代以来相继在云南建立了国家甘蔗种质资源圃和瑞丽内陆杂交育种基地，至“十三五”末，依托国家甘蔗种质资源圃，云南省农业科学院甘蔗所建立了我国编目甘蔗资源种类最多、资源数量最大、数据最全的甘蔗种质资源数据库系统，编目6个属15 个种的甘蔗资源材料达3 151 份。利用表型性状结合分子生物技术，探索发掘出了一批甘蔗糖分、产量、抗病及抗旱等性状优异的基因材料；在种质资源创新利用上根据培育新型独立亲本系统的思路，大规模地通过资源的抗性评价、开花特性及光周期诱导研究，先后利用新原种（含热带种、中国种、印度种、地方品种、细茎野生种、大茎野生种）21 个（表1），开展新的原原种间基础性杂交，创制了一批优良的F1代基础杂交性种质，为新独立亲本系统培育奠定了坚实的基础[19-24]。

表1 云南对等杂交方式培育新型独立亲本使用新原种汇总Table 1 New original species used in breeding new independent parents of sugarcane by the peer-to-peer hybridization in Yunnan

3.3 对等杂交方式培育新型独立亲本系统的进展及优势分析

为了把优良性状更多遗传到后代，杂交过程中，通过新原原种间基础杂交、对等杂交加代，在培育新独立亲本系统、打破现有甘蔗品种血缘基础狭窄、亲本血缘网络化、近亲化方面获得了较大突破，创制了一批F1代优良创新种质[19-24]，通过继续对等杂交获得了‘云瑞13-47’、‘云瑞14-211’、‘云瑞15-55’、‘云瑞17-82’及‘云瑞18-188’等一批全新、种性有较大突破的F2～F3代亲本[25-32]，部分创新亲本血缘图谱见图3。与‘POJ2878’和‘Co290’亲本系统比较，新亲本系统的优势主要表现为所有基础杂交使用的原种均为新原种，使用新原种的数量达21个，已超过‘POJ’和‘Co’两大亲本系统原种数量11个的总和；同时克服了‘POJ2878’血缘交叉的问题，也避免了‘Co290’杂交对称性差的缺陷。通过田间试验观察和杂交后代初步表现，这批亲本不仅产量高、糖分高、宿根性好、抗病性强，适应性广，而且主要特性遗传特性好，作为亲本与现有‘POJ2878’和‘Co290’亲本系统及后代衍生品种选配杂交组合由于没有血缘交叉，相互杂交后代杂种优势强，将有望成为我国乃至世界培育突破性甘蔗品种的主要来源。第一批含F2代独立血缘的新亲本已于2019年提供海南甘蔗育种场，具体名称见表2。通过开花特性研究，下一步将有望逐步向全国甘蔗育种单位提供新型杂交花穗。

图3 云瑞17-82和云瑞18-188系谱图Fig. 3 The pedigree of YR17-82 and YE18-188

表2 2019 年提供海南育种场亲本名单Table 2 List of parents in Hainan breeding farm in 2019

4 对等杂交培育甘蔗独立亲本系统存在的问题

甘蔗有性杂交育种的过程实际上就是利用杂种优势的过程，杂种优势是指两个不同性状的亲本杂交产生的F1代杂种，在产量、品质、抗病性、适应性等方面明显优于双亲[6-8]。双亲优良性状多、血缘交叉少、异质性强、配合力强，后代就越优良，就越容易培育出突破性的品种[6-8]。实践证明，具独立血缘的亲本遗传特性好，超亲优势突出，后代易于培育出突破性的甘蔗品种[6-8]。云南通过对等杂交培育新的甘蔗独立血缘的亲本系统目前存在的主要问题是：（1）甘蔗最重要的大茎、多汁、纤维少、糖分和抗黑穗病等特性的供体为热带种，热带种起源中心在太平洋的印尼东部和新几内亚一带[3-10]，保存在国家甘蔗种质资源圃内的热带原种少，热带原种资源十分缺乏；（2）国家甘蔗种质资源圃收集的其它栽培原种（含中国种、印度种和地方种）数量少，且种性表现优良的原种数量并不多；（3）原种开花难，花期相遇难，杂交成功率低，创制新独立亲本时难于做到理想中所有原种都能有效利用、同一个亲本原种不重复、选配组合时性状完全互补等，如‘云瑞17-82’亲本中热带种‘Bawilspt’就用了两次，同时还含‘云割82-114’、‘云割82-59’两个细茎野生种血缘（图3），导致野种血缘高达25%；（4）部分亲本含有‘斑茅’血缘[21-22]，‘斑茅’作为甘蔗的近缘属植物，国内外杂交利用数十年目前还没有育成优良品种，改良甘蔗品种的效果有待进一步验证；（5）理论上培育一个优良的新独立血缘F3代亲本需要8个原种，其中能作母本的栽培原种（含热带种、中国种、印度种和地方种）至少7个，目前已利用的栽培原种数量仅16 个，最多能创制2 个血缘完全不同的亲本系统，因此不同亲本间血缘交叉难以避免，如‘云瑞17-82’及‘云瑞18-188’相对于‘POJ’和‘Co’两大独立亲本系统原种完全没有重复，但两者间就有‘百眉蔗’、‘云割82-114’、‘Barwilspt’和‘Zopilata’四个原种相同（图3）。

5 培育和利用新独立亲本的建议

5.1 加大新优良热带原种的引进和利用力度

甘蔗（SaccharumL.）原产于热带和亚热带，栽培适应分布也以这一区域为主，分布区域主要在南北纬10～30°，而生产最集中、产量较高的是南北纬23.5°左右，即南、北回归线两侧。但随着野生资源的不断成功杂交和回交利用，目前甘蔗种植区域已延伸到北纬38°（如西班牙）和南纬33°（如澳大利亚），我国也达到北纬的33°（陕西汉中），接近北界的边缘[10]。甘蔗的垂直分布，也在不断挑战新高，云南省的元江、双江和石屏等县，有不少蔗区分布在海拔1 400～1 600 m的高原地带，个别蔗区甚至到达2 000 m，在这些高海拔蔗区，甘蔗仍表现良好[10]。但由于优良的新热带种数量不足，利用得少，导致产量、糖分等重要工农艺性状在甘蔗品种改良中的速度远低于其它作物。种性优良的热带种数量、质量和利用情况，是能否成功创制更为优良的新型独立亲本系统、利用独立亲本系统培育突破性品种的关键。

5.2 高度重视地方种的利用

在杂交利用过程中，还需借助现代分子生物技术的手段，分析地方种与栽培原种间的亲缘关系[6-8]。若地方种是热带种，则按照对等杂交培育独立亲本系统的思路加以利用；若地方种为栽培原种的直接杂交后代，并且与现有‘POJ’和‘Co’两大独立亲本系统间不存在血缘交叉，在培育新亲本的过程中则可与原原种的F1代种杂交，按照对等杂交的思路进行加代用于培育新独立亲本系统[6-8]；若虽与现有‘POJ’和‘Co’两大独立亲本系统存在血缘交叉，但由于未杂交利用的时间长，经过长期的风土驯化，适应性、抗病性以及工农艺性状已为生产所接受，作为改良型亲本利用，也可能培育出“次突破性”的品种[6-8]。

5.3 正确使用含新独立血缘系统的优良亲本

现有的‘POJ’和‘Co’系统亲本经过100 余年的长期高频率使用，优良特性已发掘殆尽，要培育出更好的品种难度加大、育种周期加长[6-8]。含新独立血缘系统的优良亲本与现有‘POJ’和‘Co’系统的亲本间，没有血缘交叉，异质性强，杂种优势明显，易于培育出突破性大的品种，建议加大新独立血缘系统优良亲本与现有亲本系统选配杂交组合的力度[6-8]。但在具体选配组合时，需要认真分析其血缘组成，慎用含‘斑茅’血缘的亲本培育新品种，毕竟国内外还没有成功培育出含‘斑茅’血缘的优良品种；不要轻易选配新独立血缘亲本间的杂交组合，由于原种数量限制，易于造成新的血缘交叉。