【大國糧策】如何解鎖甘蔗育種“甜蜜密碼”

甘蔗是我國主要的糖料作物，在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展和保障食糖供應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。我國甘蔗種植面積約1800萬畝，僅次于巴西、印度和泰國，是世界第四大甘蔗種植國和產(chǎn)糖國。近年來，世界各國在甘蔗優(yōu)異種質(zhì)資源保護與利用、種質(zhì)創(chuàng)新、優(yōu)良新品種培育和甘蔗生物育種技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用等方面取得一系列創(chuàng)新性研究成果，促進了甘蔗育種領(lǐng)域的迅速發(fā)展。

一、甘蔗雜交育種不斷取得新成果

甘蔗雜交育種歷程已有100多年。1887年Soltwedel、Harrison和Bovell分別在印度尼西亞爪哇島和巴巴多斯發(fā)現(xiàn)甘蔗可以通過雜交產(chǎn)生種子，揭開了甘蔗有性雜交育種史的序幕。1953年以前，中國大陸主栽品種主要來源于印度和中國臺灣，1953年起，以海南甘蔗雜交育種場起步，科研單位陸續(xù)開始對甘蔗進行選育和推廣研究。70年來，我國甘蔗品種不斷更新?lián)Q代，現(xiàn)有甘蔗育成品種約有250余個，對我國甘蔗種業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出了重大貢獻。近年來，國內(nèi)各科研單位加大育種規(guī)模，自主選育的甘蔗品種占主產(chǎn)區(qū)種植面積的95%以上。中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所育出的“熱甘”和“華糖”系列品種，兼具高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、宜機化、抗病抗旱性強等優(yōu)點。

圖1 甘蔗新品種的常規(guī)雜交選育流程

圖2 熱甘1號在品比試驗中的表現(xiàn)

二、誘變育種有效縮短甘蔗育種年限

誘變育種可產(chǎn)生許多重要農(nóng)藝性狀的突變，具有高頻率、廣突變、周期短等特性，可以有效縮短育種年限，創(chuàng)制稀有新種質(zhì)。國內(nèi)最早報道甘蔗誘變育種的研究是朱鶴健(1959年)和許書昌(1962年)使用60Coγ射線輻射F134。桂輻80-29、粵糖輻83-5?；浱禽?0-15以及桂糖22號等品種均是通過60Coy射線輻射甘蔗種莖種芽經(jīng)誘變選育成的代表性品種。桂輻90-10、桂輻97-18等品種則是采用理化結(jié)合的誘變方法對愈傷組織進行誘變處理并經(jīng)多代篩選育成的優(yōu)良誘變品種，用甲基磺酸乙酯(EMS)對甘蔗愈傷組織進行誘變，獲得了耐高鹽、耐水漬、抗黑穗病、耐除草劑等方面提升的甘蔗突變體。中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所通過太空誘變，選育出優(yōu)良品種“中輻1號”，2022年獲得非主要農(nóng)作物品種登記授權(quán)。

圖3 “中輻1號”甘蔗種苗

三、分子標(biāo)記輔助選擇育種提高甘蔗育種效率

分子標(biāo)記輔助育種在甘蔗育種上得到了一定程度的應(yīng)用，具有省時省力、效率高的特點，目前其應(yīng)用的分子標(biāo)記類型主要包括RFLP、SSR、和SNP。RFLP和擴增片段長度多態(tài)性(AFLP)分子標(biāo)記完成了甘蔗野生種割手密SES208、栽培種R570等多個甘蔗遺傳圖譜的構(gòu)建, 定位了甘蔗重要性狀如蔗莖產(chǎn)量(株高、莖粗、莖重、有效莖數(shù))、糖分、纖維分等相關(guān)QTL及抗褐銹病主效基因Bru1。2016年，澳大利亞Aitken開發(fā)了首張甘蔗SNP芯片(345K)。福建農(nóng)林大學(xué)與佛羅里達(dá)大學(xué)研究團隊合作開發(fā)了Axiom甘蔗100KSNP芯片, 構(gòu)建了割手密IND81-146、熱帶種Green German、CP80-1827的高質(zhì)量遺傳圖譜。

四、甘蔗全基因組選擇育種精準(zhǔn)高效

甘蔗全基因組育種是利用甘蔗基因型和表型構(gòu)建特定的GS模型，估計分子標(biāo)記的效應(yīng)值或個體育種值來評估親本的遺傳價值，優(yōu)化最佳親本基因組來聚合優(yōu)勢等位基因。與傳統(tǒng)育種技術(shù)相比，具有定向、高效、精準(zhǔn)等優(yōu)點。Gouy等人利用1499個DArT標(biāo)記, 對兩組167份甘蔗材料采用4種GS模型, 對10個性狀進行全基因組預(yù)測, 其預(yù)測精度在0.11-0.62之間。

圖片由AI生成

五、基因編輯育種定向改良甘蔗性狀

近年來, 甘蔗也開始基因編輯研究,已報道有類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶（TALENs）和RNA介導(dǎo)的規(guī)律成簇間隔短回文重復(fù)序列及其關(guān)聯(lián)（CRISPR/Cas) 2種基因編輯技術(shù)應(yīng)用于甘蔗。2016年, Jung和Altpeter首次報道利用TALENs基因編輯技術(shù)成功敲除甘蔗木質(zhì)素生物合成咖啡酸-O-甲基轉(zhuǎn)移酶基因, 降低了甘蔗中木質(zhì)素的含量。中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所甘蔗研究團隊于2020年申請并授權(quán)“ 構(gòu)建了一種針對甘蔗的CRISPR/Cas9載體及其構(gòu)建方法和應(yīng)用”的專利, 為CRISPR/Cas9系統(tǒng)在甘蔗育種中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

六、基因工程育種是彌補甘蔗傳統(tǒng)雜交育種性狀缺陷和加快遺傳改良重要手段

利用現(xiàn)代基因工程技術(shù)方法對現(xiàn)有的甘蔗栽培種進行遺傳改良是進一步提高甘蔗產(chǎn)量和抗逆性的主要措施。1992年Bower和Brich建立了基因槍介導(dǎo)的以胚性愈傷組織為受體材料和以NPTII基因為篩選標(biāo)記的甘蔗轉(zhuǎn)基因技術(shù)體系, 獲得了全球第一株外源基因穩(wěn)定整合的甘蔗轉(zhuǎn)基因植株。2000年, 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶生物技術(shù)研究所成功獲得海藻糖合酶轉(zhuǎn)基因甘蔗。隨后轉(zhuǎn)基因技術(shù)在甘蔗抗蟲、抗除草劑、抗病和抗非生物脅迫等相關(guān)性狀的遺傳改良中發(fā)揮了重要的作用。

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作者：孔冉（中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所助理研究員）

策劃：武玥彤 謝蕓

統(tǒng)籌：黃炳鈺

審核專家：蘇俊波（中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所副研究員）

支持單位：中國熱帶作物學(xué)會園藝專業(yè)委員會，廣東省南亞熱帶作物種質(zhì)資源圃，國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（糖料）湛江綜合試驗站