不同基因型甘蔗種質遺傳特性分析

楊翠鳳， 張春雅， 滕 崢， 楊麗濤， 李楊瑞

(1.百色學院農業與食品工程學院，廣西百色 533000； 2.廣西大學農學院/亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室，廣西南寧 530005；3.中國農業科學院甘蔗研究中心/農業部廣西甘蔗生物技術與遺傳改良重點實驗室/廣西甘蔗遺傳改良重點實驗室，廣西南寧 530007；4.廣西南寧碧灣園林工程有限公司，廣西南寧 530024

甘蔗是重要的糖料作物，目前世界上消費的食糖中有75%以上是以甘蔗為原料加工制成的甘蔗糖(我國的達到90%左右)，甘蔗品種是甘蔗產業的動力之源[1]。在甘蔗有性雜交育種發展歷程中，由于甘蔗親本的高度雜合性，后代群體性狀分離廣，育種群體龐大、周期長，利用POJ2878、POJ213、Co281、Co290等親本進行品種間雜交，育成了一批優良品種，但由于遺傳基礎過于狹窄，其抗逆性和抗病性表現較差；而且，目前生產上使用的甘蔗品種大多來自POJ2878，甘蔗育種群體的遺傳變異不足，從而限制了品種生產力的提高[2-3]，制約了我國蔗糖產業的快速發展。

遺傳多樣性作為生物多樣性的重要組成部分，是生態系統多樣性和物種多樣性的基礎。由于表型和基因型之間存在著基因表達、調控、個體發育等復雜的中間環節，根據表型上的差異來反映基因型上的差異成為用形態學方法檢測遺傳多樣性的關鍵所在。所以，形態學或表型性狀是檢測遺傳多樣性最直接的、最基礎的方法。目前在花生、苜蓿、大豆、小麥等其他作物領域，針對工農藝表型性狀遺傳多樣性開展了較多研究[4-7]。甘蔗種質資源的利用在甘蔗育種以及品種改良上具有重要意義，也是影響育種效益的重要因素。甘蔗株高、莖徑、有效莖、單莖質量、蔗糖分、蔗莖產量、含糖量等數量性狀、品質性狀是品種種性的重要體現，與實際的品種選育和生產密切相關，因此，對以上性狀進行遺傳多樣性研究也是極其必要的。目前為止，國內外也開展了不少關于甘蔗種質資源、工農藝表型性狀遺傳多樣性方面的研究[8-10]。趙俊以甘蔗產量農藝性狀、工藝性狀及生物學形態性狀為依據，對從法國、澳大利亞、菲律賓等國家引進的品種進行田間評價篩選及遺傳多樣性研究[11]，提高了我國甘蔗種質資源利用效率，豐富了我國甘蔗親本儲備，拓寬了我國甘蔗血緣基礎，對加速高產高糖抗逆突破性甘蔗新品種選育具有重要意義；齊永文等對廣東割手密資源農藝性狀遺傳多樣性進行了評價[12]；張革民等對廣西高糖割手密進行遺傳多樣性分析，結果發現21份高糖割手密在萌芽率、分蘗率、株高、莖徑、單莖質量等表型性狀上變異較大[13]；劉新龍等從18個質量性狀和5個數量性狀對73份云南甘蔗品種和27份我國歷年主栽甘蔗品種進行遺傳變異、遺傳多樣性分析[14]。

由于長期利用少數創新親本進行遺傳育種，從而導致了甘蔗品種間遺傳關系相近，遺傳基礎過于狹窄，因此有必要引入新的種質資源，拓寬現有品種的遺傳基礎。因此，研究原種和土著種的遺傳特性對種質資源的遺傳育種工作具有重要的指導意義。本研究擬從產量農藝性狀和品質工藝性狀對18份甘蔗種質進行遺傳多樣性分析以及聚類分析，從中篩選出部分優良種質資源，為今后開發和挖掘甘蔗種質資源的優良性狀提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以7份甘蔗原種和11份土著種為研究對象，各種質名稱見表1。參試種質種植于廣西大學甘蔗研究所資源圃內，大田設計采用隨機區組設計，每個參試材料種植3行，行長 5 m，行距1.2 m，3次重復，其他栽培管理措施與大田生產相同。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 產量農藝性狀的測定 選用葉長、葉寬、葉長/葉寬、節數、株高、莖徑和單莖質量7個農藝性狀進行遺傳特性評價，測定的數據參照《甘蔗種質資源描述規范和數據標準》、《農作物種質資源鑒定技術規程 甘蔗》進行規范和標準化整理[15-16]。采用數量性狀的變異系數(coefficient of variance，CV)來估算群體內均度，變異系數越大，該性狀離散程度越大。

變異系數：CV=σ/μ。

式中：σ代表標準差；μ代表平均值[17]。

1.2.2 品質工藝性狀的測定 每個參試種質取6株甘蔗成熟期的蔗莖，采用一次旋光法進行甘蔗品質的檢測，檢測指標包括甘蔗錘度、甘蔗蔗糖分、纖維分、甘蔗出汁率、蔗渣水分、還原糖分、重力純度、蔗渣轉光度和蔗汁蔗糖分。參照《甘蔗栽培學》的方法[17]進行測定。

1.3 數據處理與分析

采用Excel 2007軟件計算變異系數；聚類分析使用SPSS 15.0軟件。

2 結果與分析

2.1 產量農藝性狀遺傳變異分析

由表2可知，參試種質在葉長、葉寬、葉長/葉寬、節數、株高、莖徑、單莖質量7個農藝性狀存在不同程度上的遺傳變異，表現出不同程度的遺傳分化。其中，單莖質量的變異系數最大，為31.09%；其次為莖徑、葉長/葉寬、葉寬、葉長、節數，遺傳變異系數分別為28.71%、16.57%、15.01%、12.77%、11.81%；株高的遺傳變異系數最低，僅為9.39%。在參試種質中，大島再來的單莖質量最大，為2.30 kg，比嘉谷島(0.49 kg)增加1.81 kg；大島再來的莖徑最大，為29.37 mm，比蘆蔗(9.66 mm)大19.71 mm；Sampana的株高最高，為344.00 mm，托江紅的最矮，為234.10 mm，變幅為 109.90 mm。綜合性狀的平均值、變幅和變異系數，參試材料的單莖質量、莖徑、葉長/葉寬、葉寬變異明顯，而株高、節數、葉長變異相對較弱，可見這18份甘蔗種質在數量性狀的遺傳改良中有較大利用潛力。

表2 產量農藝性狀遺傳變異情況

注：“*”表示數據來源于參考文獻[18]。表3同。

2.2 品質工藝性狀遺傳變異分析

從表3可以看出，參試種質間還原糖分、甘蔗纖維分含量差異明顯，變異系數分別為74.50%、34.07%，還原糖分含量平均值為0.87%，最大值達2.67%，最小值僅為0.14%，纖維分含量平均值2.10%，最大值可達3.58%，最小值僅為 1.24%；而甘蔗出汁率、蔗渣水分差異不顯著，遺傳變異系數分別為6.70%、6.87%。其次，在這些參試種質中，只有5份種質甘蔗蔗糖分高于13.00%，僅占27.78%，有6份種質甘蔗蔗糖分低于10.00%，占33.33%。綜合各參試品種的各品質性狀的平均值、變幅及變異系數，表明參試品種在甘蔗出汁率、蔗渣水分、重力純度3個性狀變異不明顯，綜合表現優良；而還原糖分、甘蔗纖維分含量存在明顯的變異。因此，在對參試種質進行高糖種質的評價時，應該加強對甘蔗還原糖分、纖維分等相關指標的要求，為培育高糖、高產、穩產優質種質提供依據。

2.3 聚類分析

對18份不同甘蔗種質采用歐式平方距離法進行系統聚類， 通過此方法獲得的聚類關系圖能夠比較清楚地表明不同種質之間的遺傳聚類關系，為甘蔗雜交育種親本的選擇提供較可靠的參考依據。由圖1可知，在歐式平方距離為20時切割，可將這18份種質分成兩大類群，Ⅰ類群由嘉谷島、托江紅組成，較早地與另外16份種質組成的Ⅱ類群分開。Ⅱ類群在歐式平方距離為10的時候切割，可以分成2個類群，即A、B類群；A類群較小，由河口青皮、蘆蔗組成；B類群最大，由合慶草甘蔗、古芝蔗、大島再來等14份種質組成。2個類群之間，A最先分開。

表3 品質工藝性狀遺傳變異情況

為了更好地闡明大類群內種質之間的遺傳關系，本研究將較大的類群，即B類群再進行細劃。B大類群在歐式平方距離為5時切割，又可以分為B1、B2、B33個類群，B1由坦桑尼亞、大莖野生種、洛古蔗、桂林竹蔗、Sampana、大島再來組成；B2由甜疙瘩、芒戈組成；B3由合慶草甘蔗、古芝蔗、森拜納、路打士、紅皮S17、春尼組成。

由表4、表5可知，Ⅰ類屬于高葉長/葉寬、高田間錘度、高還原糖分甘蔗種質，包括嘉谷島、托江紅。嘉谷島的葉長/葉寬為40.69，比托江紅(24.25)大，說明嘉谷島種質葉片較細長；嘉谷島的田間錘度(19.33%)比托江紅(17.93%)大，表明嘉谷島比托江紅早熟；從還原糖分看，嘉谷島(1.57%)小于托江紅(1.64%)。比較嘉谷島和托江紅可知，嘉谷島種質比托江紅早熟、高糖。在這18份甘蔗種質中，Ⅰ類種質屬于早熟低糖種質。

Ⅱ類分為A、B兩大類。A類種質的甘蔗節數、蔗渣水分、甘蔗纖維分比較高，包括河口青皮、蘆蔗，河口青皮的節數、蔗渣水分、甘蔗纖維分均比蘆蔗的高，是優良的高纖維種質。B類包括14份種質，該類種質葉長、葉寬較大，株高、莖徑、單莖質量大，甘蔗出汁率、甘蔗蔗糖分都較高，是優良的種質。但B類種質在各性狀上也有一定的差異性，B類又分為B1、B2、B33個類群。B1由坦桑尼亞、大莖野生種、洛古蔗、桂林竹蔗、Sampana、大島再來組成，該類種質有著較大的株高、莖徑、單莖質量和甘蔗出汁率，是高產材料改良育種的目標。B2由甜疙瘩、芒戈組成，該類種質甘蔗的葉片長寬都較大，同時有著高甘蔗錘度、重力純度、蔗渣轉光度、蔗汁蔗糖分、甘蔗蔗糖分，是高糖早熟種質。B3由合慶草甘蔗、古芝蔗、森拜納、路打士、紅皮S17、春尼組成，此類種質除甘蔗出汁率和蔗渣水分較高外，其他幾乎都屬于中間水平。

表4 各類甘蔗種質的聚類情況

表5 不同類群種質各工農藝性狀平均值

3 討論與結論

3.1 遺傳多樣性分析

遺傳多樣性是生物多樣性的重要組成部分，也是生物攜帶遺傳信息的總和，對遺傳多樣性的研究具有重要的理論意義和實際意義[12]。

目前，作物品種資源評價選用的數據主要有質量性狀、數量性狀、分子標記、生化標記等[19-24]，其中，分子標記能夠比較準確客觀地反映生物的遺傳多樣性狀況，應用十分廣泛，這是因為DNA是遺傳信息的載體，既穩定又攜有豐富的遺傳信息；且質量性狀受環境影響較小，比較穩定可靠，能夠起到遺傳基因標記作用，也能較真實地反映群體的遺傳多樣性水平和親緣關系；數量性狀受多基因控制，受環境影響較大，利用其研究品種的遺傳多樣性并不是十分可靠，但可在一定程度上反映群體內部的離散程度和品種品質[25]。

通過工農藝數據評價作物品種資源特性和遺傳關系依然是品種評價的重要研究手段。鑒于此，利用多年的農藝性狀和品質工藝性狀數據開展甘蔗品種遺傳多樣性研究，能夠幫助育種工作者快速地掌握有價值的遺傳信息，目標明確地開展雜交育種工作。

3.1.1 產量農藝性狀遺傳變異分析 本研究甘蔗種質在葉長、葉寬、葉長/葉寬、節數、株高、莖徑、單莖質量7個農藝性狀存在著不同程度上的遺傳變異，表現出不同程度的遺傳分化。其中，數量性狀的遺傳變異主要來自單莖質量(31.09%)，其次為莖徑(28.71%)、葉長/葉寬(16.57%)、葉寬(15.01%)、葉長(12.77%)、節數(11.81%)等性狀。而對于數量性狀遺傳變異，劉新龍等的研究結果表明，數量性狀遺傳變異主要來自葉片寬度和株高[19]；趙俊的研究結果表明，數量性狀遺傳變異主要來自宿根率、分蘗率、有效莖、單莖質量[11]。

3.1.2 品質工藝性狀遺傳變異分析 參試種質間在甘蔗錘度、甘蔗出汁率、蔗渣水分、還原糖分、重力錘度、蔗渣轉光度、蔗汁蔗糖分、甘蔗蔗糖分、甘蔗纖維分等9個工藝性狀上的遺傳變異主要來自還原糖分、甘蔗纖維分含量，其中還原糖分含量的變異系數最大，為74.50%，其次是甘蔗纖維分，為 34.07%，表明參試種質中不乏高纖維分含量種質；而甘蔗出汁率(6.70%)、蔗渣水分(6.87%)2個品質性狀遺傳變異不明顯。在品質性狀上，趙俊的研究結果顯示，品質性狀遺傳變異主要來自含糖量、蔗產量[11]。

3.2 聚類結果分析

本研究利用株高、莖徑、單莖質量等16個工農藝性狀進行聚類分析，聚類結果表明，18份甘蔗種質分成兩大類，Ⅰ類和Ⅱ類；2個亞類群A類和B類；3個小類群B1、B2、B3。合慶草甘蔗、古芝蔗、大島再來等14份甘蔗種質歸為一個大類，即B類；坦桑尼亞、大莖野生種、洛古蔗、桂林竹蔗、Sampana、大島再來歸為一類(B1)，表明其遺傳關系相近，甜疙瘩、芒戈歸為B2，合慶草甘蔗、古芝蔗、森拜納、路打士、紅皮S17、春尼歸為B3。以上結果充分揭示了這18份甘蔗種質之間的遺傳關系，為該類種質資源之間的雜交利用提供重要的參考依據。

在實際的雜交育種工作中為避免近親繁殖，應該盡量避免遺傳相近且處于同一小類群的種質進行雜交；而那些處于不同類群、分離較早的種質，例如本研究中的嘉谷島、托江紅和合慶草甘蔗等，這些品種分離較早、聚類關系較遠，可進行相互雜交。

3.3 結論

綜上所述，通過對7份甘蔗原種和11份土著種進行遺傳多樣性分析、聚類分析，從中篩選出了部分優良種質資源，包括具有應用潛力的優良甘蔗育種親本或中間材料，如株高、莖徑、單莖質量、蔗糖分等工農藝產量性狀均表現優良的甘蔗原種和土著種，如大島再來、Sampana、桂林竹蔗、洛古蔗、坦桑尼亞、大莖野生種等；高糖、高錘度甘蔗種質，如甜疙瘩、芒戈；高纖維甘蔗種質，如河口青皮、蘆蔗。而對于優良雜交親本的選擇，應盡量避免近親繁殖，避免遺傳相近且處于同一小類群的種質進行雜交，從聚類結果看，優良雜交親本組合是嘉谷島和合慶草甘蔗、托江紅和古芝蔗。