近年我国甘蔗品种的育种成就与发展趋势

张跃彬, 赵培方,胡朝晖,阙友雄

(1.热带作物生物育种全国重点实验室,昆明 650205; 2.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; 3.广东省科学院南繁种业研究所/全国甘蔗糖业信息中心,广州 510316)

0 引言

糖是我国重要的农产品,以甘蔗为主的糖料作物占我国食糖产量的85%以上。种业是甘蔗产业发展的基石,新品种不但能增加甘蔗的单产、产糖量、降低生产成本,还能提早开榨,延长榨期,提高糖厂设备利用率,获得最高的经济效益,对产业的贡献高达60%以上。历史表明,只有不断改良更新品种,使品种一代比一代好, 产量一代比一代高,才能不断促进糖料产业的发展。新中国成立以来,我国甘蔗品种先后经过了4代品种改良更新,先后经历了引种改良期(上世纪50年代至60年代),自育品种发展期(上世纪60年代至70年代),抗逆丰产品种期(上世纪80年代至90年代),到上世纪90年,随着我国改革开放的促进[1],一批高产高糖适应性广的台糖品种从沿海地区进入大陆蔗区,到2007年,据调查,全国糖料甘蔗播种面积约146.6万公顷,引进的‘新台糖22号’、‘新台糖20号’等台糖系列品种面积约117.3万公顷,占据主产蔗区80%以上,实现了我国第四代甘蔗品种改良。但是,由于新台糖品种长期种植,特别是随着我国蔗区生态的变化,新台糖品种蔗糖分低,抗病虫能力弱的情况日益暴露出来,影响了国家食糖重要农产品的保障安全和蔗糖产业的可持续发展,为此,“十一五”以来,我国开启了新一代甘蔗品种改良更新研究,全国育种机构一盘棋,由国家糖料产业技术体系牵头,根据甘蔗生产对品种的科技需求,不断收集利用优异甘蔗种质资源,攻克重要亲本杂交技术,创制甘蔗新种质,创新甘蔗育种技术,成功育成了‘云蔗081609’、‘桂糖42号’、‘桂柳05136’、‘桂糖44号’、‘云蔗0551’等一批突破性高糖新品种,成功地实现了我国新一代甘蔗品种改良更新。

1 近年我国甘蔗品种的育种成就

1.1 甘蔗种质资源收集

我国是世界甘蔗种质资源原产地之一, 座落于云南的国家甘蔗种质资源圃(开远),收集保存了来自34个国家和中国12个省区的6个属15个种,甘蔗种质资源总量达5 962份,其中已编目种质资源4 152份,建立了世界上规模最大,属种最齐全的国家级甘蔗种质资源圃,种质资源保存数量居全球第一。收集引进特殊生境野生资源、原始稀有突变种S.edule填补了国内甘蔗属种空白;引进82份热带种弥补了我国长期缺乏糖分供体资源的短板,为我国甘蔗资源发掘利用和品种改良贮备了良好的物质基础。

1.2 甘蔗种质创新和育种技术

经过多年糖分、产量、抗性的评价,及创新利用,发掘或创制了‘CP81-1254’[2]、‘桂糖92-66’[3]、‘云蔗94-343’[4]等一批优异育种亲本在全国主要育种机构杂交利用。攻克了甘蔗远缘杂交利用症结,创建甘蔗花期调控和杂交后代真实性鉴定相结合的远缘杂交技术,实现了热带种与斑茅、滇蔗茅、大茎野生种等的远缘杂交利用,在我国海南和云南瑞丽两个甘蔗杂交基地,实现甘蔗杂交育种花穗的批量化生产;通过“集甘蔗家系评价、早期抗性鉴定、糖分高效选择、理想株型选择”为一体的高糖育种技术体系。

1.3 甘蔗重大品种创制

基于种质创新和育种技术创新,全国育种机构联合攻关,近年来,成功培育了‘桂糖42号’[5]、‘桂柳05136’[6]两个年应用面积在30万公顷以上的标志性品种,以及‘云蔗081609’[7-8]、‘桂糖44号’[9]、‘桂糖55号’[10]、‘云蔗0551’[11]等一批重要潜力的新品种(表1),使我国主产蔗区的第五代新品种占蔗区面积的83.4%以上。

表1 2023年我国甘蔗品种种植情况Table 1 The planting situation of sugarcane varieties in China in 2023

我国新一代甘蔗品种,根据我国甘蔗生产的重大科技需求,创新形成高异质复合高糖育种理论,形成高糖育种方法,培育高糖种质,攻克定向杂交技术难题;创立“家系评价、早期选择;低氮胁迫、理想株型”为一体的高糖选种技术,成功育成的‘桂糖42号’、‘桂柳05136’成为国家甘蔗区域化试验的统一对照品种;以‘云蔗081609’为代表的特高糖典型品种蔗糖分达20.3%,创造了国际上甘蔗糖分最高记录。

2 近年我国品种改良应用的效益

2.1 甘蔗新品种产量效益

甘蔗新品种的选育推广应用是蔗糖产业发展的重要基础,长期以来,我国甘蔗单产低于全球平均水平,从2013/2014榨季开始,随新一代良种‘桂柳05136’、‘桂糖42号’、‘云蔗081609’、‘云蔗0551’等的快速推广应用,到2020/2021榨季,新台糖品种占比由70.69%下降到2020/2021年榨季的23.30%,新一代品种由29.31%上升至76.70%[12],占比逐年提高后,我国甘蔗单产持续提高。近年来已高于全球平均水平,且呈现持续增长趋势(图1)[13]。在全球9个甘蔗主产国(巴西、印度、泰国、中国、巴基斯坦、澳大利亚、古巴、菲律宾、南非)中,我国甘蔗公顷产量年遗传增益为881.25 kg/hm2,处于领先水平(图2)。通过新一代的推广应用,我国甘蔗平均单产由2011—2013年(平均)的68.12 t增加至2019—2021年(平均)的79.87 t。

图1 2010—2021年中国与全球甘蔗单产对比(数据来源:FAO)Fig.1 Comparison of sugarcane yield between China and the world from 2010 to 2021 (Data source: FAO)

图2 中国与全球甘蔗主产国公顷产量年遗传增益对比(数据来源:FAO)Fig.2 Comparison of genetic gain for cane yield between China and other major sugarcane growing countries

2.2 甘蔗糖分效益

新品种的大面积推广应用,我国甘蔗产糖率由2011/2012—2015/2016年5个榨季平均值的11.83%增加至2016/2017—2020/2021年5个榨季均值的12.59%,增涨0.76个百分点(绝对值),年遗传增益为0.091个百分点,在9个甘蔗生产大国中,甘蔗产糖率及其增幅和年遗传增益均位列第一[12]。新一代甘蔗良种的推广应用显著地促进了我国糖料蔗生产的发展,提高了我国糖料蔗综合生产能力,有力保障了我国食糖有效供给。2022/2023榨季,我国蔗糖产量达897.1万t,其中广西食糖产量527.03万t,平均蔗糖分达14.38%,出糖率12.79%;云南食糖产量201.1万t,平均蔗糖分突破15.26%,出糖率13.28%。

3 当前甘蔗品种改良还存在的主要问题

近年来,我国糖料甘蔗的品种改良和推广应用取得了显著的成效,但面对新的甘蔗产业发展形势,特别是国外甘蔗新品种新技术的发展,我们还存在以下问题。

3.1 适宜机械化作业的品种改良滞后

近年来,甘蔗生产人工劳动强度大,人工生产成本高,已成为甘蔗产业持续发展的最大障碍,推广应用甘蔗机械化特别是收获机械化势在必行。我国由于机收起步相对较晚,当前大面积推广应用的新品种主要适宜人工作业为主,机收后普遍存在机收破蔸高,机收损失率高(7%～15%),含杂率高(7%～15%)[14]等问题。因此,为适应甘蔗机械化作业的发展趋势,应及时调整育种方向,并加大甘蔗机械化品种的育、繁、推体系建设,尽快选育宿根性强,耐碾压,植株韧性好,适宜机械化作业的高糖品种。

3.2 甘蔗生物育种进展缓慢

多年来,我国的甘蔗品种选育主要靠常规杂交育种的“五圃制”程序选育而来,育种时间长,选育性状不精确,特别是育成品种抗病虫害不强。近年来,主产蔗区鳞翅目的蔗螟、草地贪夜蛾发生严重,农药防治比较困难。为解决甘蔗病虫害的问题,巴西等蔗糖主产国已经在10年前启动了BT转基因育种,5年前就育成了一系列转基因品种。为此,我们须加快甘蔗转基因品种的选育,以目前我国主栽的‘桂糖42号’、‘桂柳05136’、‘云蔗081609’、‘云蔗0551’等高产高糖品种作为遗传转化体,加快具有自主知识产权的转基因品种选育,加快国产转基因甘蔗品种的安全性评价、田间释放,才能应对国外转基因品种的挑战冲击。

4 我国甘蔗品种发展的建议

针对今后我国蔗糖产业发展对新良种的需求,建议加强适宜机械化作业甘蔗新品种的选育和应用,加强蔗糖的遗传改良提高制糖效率,并突破转基因甘蔗新品种的培育,特别是抗虫转基因品种的培育,促进甘蔗生产节本增效,同时,持续强化健康种苗的繁育应用。

4.1 以机械化应用为目标主攻宿根性强、分蘖力强的品种

根据国外蔗糖主产国机械化应用的育种经验,适宜机械化生产的甘蔗品种必须具有萌芽能力强、出苗率高、分蘖力强、生长整齐、抗倒伏、砍收不破裂、机械收获后宿根发株率高、对除草剂不敏感等特性。适宜机械化生产的品种不仅要满足传统的良种评价目标要求,亦即高产、高糖、抗逆(病、虫、旱、寒、风、盐、瘠)、强宿根,还应注意适宜机械作业的形态学特征。

(1)对机械化种植:要求芽体不暴凸,生长带不过分鼓胀,芽体陷入芽沟,芽翼等保护蔗芽避免机械损伤的有益性状。

(2)对机械化中耕管理:要求分蘖性强,先促蘖,后伸长,主茎、分蘖整齐均匀的品种,避免使用主茎伸长较早,分蘖出生较晚的品种,以保证中耕培土的作业适期和作业质量。

(3)对机械收获:要求甘蔗品种具备抗倒伏、易脱叶等特性,抗倒伏可降低机收损失率和对蔗蔸的损伤,脱叶性好可降低机收含杂率。

4.2 以高糖性状为主要目标进行改良

甘蔗属单子叶植物,要通过不断增加蔗茎的粗度来提高产量是一件比较困难的事情。国内外多年甘蔗品种改良实践证明,近30多年来,甘蔗品种改良与其它作物相比,单株的单产改良效果不佳。为此,需要调整甘蔗育种的方向,从传统育种注重单茎重,改变为主攻甘蔗有效茎和甘蔗蔗糖分含量,蔗糖分的广义遗传力为 90.21%[15],在所有性状指标上是最高的。为此,在选用高糖亲本的同时,要将甘蔗品种蔗糖分选育作为最主要的指标。

4.3 加快开展甘蔗生物育种

传统杂交育种是甘蔗遗传改良的主要方法,一直支撑了甘蔗糖业的发展。然而,传统“五圃制”甘蔗杂交育种方法,培育一个新品种需要耗时8—10年,育种周期长。现代分子生物技术为甘蔗遗传改良提供了新的途径,以转基因技术为主的现代分子生物技术,一是可避免品种杂交导致的大量基因重组;二是可通过导入其他生物体中的外源基因进行定向改良;三是可大幅度缩短育种周期。世界主产国巴西5年前已培育含BT基因抗螟虫危害的甘蔗新品种,2021年发展种植面积达6.67万公顷,我国要加快甘蔗基因工程育种。

4.4 加强良繁基地建设,加速脱毒种苗大规模应用

良繁基地建设是推广糖料蔗脱毒种苗,提供优质种苗来源的关键,要新建、改扩建一批种茎加工厂,加大糖料蔗脱毒种苗推广力度,同时积极引入社会资本、财政补贴和金融支持等形式,对已建成的甘蔗种茎加工厂进行升级改造,建设标准化种茎加工厂,实现脱毒种苗的大规模应用。