光明网：如何解锁甘蔗育种“甜蜜密码”
作者：孔冉
来源：南亚热带作物研究所
日期：2025-01-10
甘蔗是我国主要的糖料作物，在我国农业经济发展和保障食糖供应方面发挥着重要作用。我国甘蔗种植面积约1800万亩，仅次于巴西、印度和泰国，是世界第四大甘蔗种植国和产糖国。近年来，世界各国在甘蔗优异种质资源保护与利用、种质创新、优良新品种培育和甘蔗生物育种技术研发及应用等方面取得一系列创新性研究成果，促进了甘蔗育种领域的迅速发展。
一、甘蔗杂交育种不断取得新成果
甘蔗杂交育种历程已有100多年。1887年soltwedel、harrison和bovell分别在印度尼西亚爪哇岛和巴巴多斯发现甘蔗可以通过杂交产生种子，揭开了甘蔗有性杂交育种史的序幕。1953年以前，中国大陆主栽品种主要来源于印度和中国台湾，1953年起，以海南甘蔗杂交育种场起步，科研单位陆续开始对甘蔗进行选育和推广研究。70年来，我国甘蔗品种不断更新换代，现有甘蔗育成品种约有250余个，对我国甘蔗种业的可持续发展作出了重大贡献。近年来，国内各科研单位加大育种规模，自主选育的甘蔗品种占主产区种植面积的95%以上。中国热带农业科学院南亚热带作物研究所育出的“热甘”和“华糖”系列品种，兼具高产稳产、宜机化、抗病抗旱性强等优点。
图1 甘蔗新品种的常规杂交选育流程
图2 热甘1号在品比试验中的表现
二、诱变育种有效缩短甘蔗育种年限
诱变育种可产生许多重要农艺性状的突变，具有高频率、广突变、周期短等特性，可以有效缩短育种年限，创制稀有新种质。国内最早报道甘蔗诱变育种的研究是朱鹤健(1959年)和许书昌(1962年)使用60coγ射线辐射f134。桂辐80-29、粤糖辐83-5。粤糖辐90-15以及桂糖22号等品种均是通过60coy射线辐射甘蔗种茎种芽经诱变选育成的代表性品种。桂辐90-10、桂辐97-18等品种则是采用理化结合的诱变方法对愈伤组织进行诱变处理并经多代筛选育成的优良诱变品种，用甲基磺酸乙酯(ems)对甘蔗愈伤组织进行诱变，获得了耐高盐、耐水渍、抗黑穗病、耐除草剂等方面提升的甘蔗突变体。中国热带农业科学院热带生物技术研究所通过太空诱变，选育出优良品种“中辐1号”，2022年获得非主要农作物品种登记授权。
图3 “中辐1号”甘蔗种苗
三、分子标记辅助选择育种提高甘蔗育种效率
分子标记辅助育种在甘蔗育种上得到了一定程度的应用，具有省时省力、效率高的特点，目前其应用的分子标记类型主要包括rflp、ssr、和snp。rflp和扩增片段长度多态性(aflp)分子标记完成了甘蔗野生种割手密ses208、栽培种r570等多个甘蔗遗传图谱的构建, 定位了甘蔗重要性状如蔗茎产量(株高、茎粗、茎重、有效茎数)、糖分、纤维分等相关qtl及抗褐锈病主效基因bru1。2016年，澳大利亚aitken开发了首张甘蔗snp芯片(345k)。福建农林大学与佛罗里达大学研究团队合作开发了axiom甘蔗100ksnp芯片, 构建了割手密ind81-146、热带种green german、cp80-1827的高质量遗传图谱。
四、甘蔗全基因组选择育种精准高效
甘蔗全基因组育种是利用甘蔗基因型和表型构建特定的gs模型，估计分子标记的效应值或个体育种值来评估亲本的遗传价值，优化最佳亲本基因组来聚合优势等位基因。与传统育种技术相比，具有定向、高效、精准等优点。gouy等人利用1499个dart标记, 对两组167份甘蔗材料采用4种gs模型, 对10个性状进行全基因组预测, 其预测精度在0.11-0.62之间。
图片由ai生成
五、基因编辑育种定向改良甘蔗性状
近年来, 甘蔗也开始基因编辑研究,已报道有类转录激活因子效应物核酸酶（talens）和rna介导的规律成簇间隔短回文重复序列及其关联（crispr/cas) 2种基因编辑技术应用于甘蔗。2016年, jung和altpeter首次报道利用talens基因编辑技术成功敲除甘蔗木质素生物合成咖啡酸-o-甲基转移酶基因, 降低了甘蔗中木质素的含量。中国热带农业科学院热带生物技术研究所甘蔗研究团队于2020年申请并授权“ 构建了一种针对甘蔗的crispr/cas9载体及其构建方法和应用”的专利, 为crispr/cas9系统在甘蔗育种中的应用奠定基础。
六、基因工程育种是弥补甘蔗传统杂交育种性状缺陷和加快遗传改良重要手段
利用现代基因工程技术方法对现有的甘蔗栽培种进行遗传改良是进一步提高甘蔗产量和抗逆性的主要措施。1992年bower和brich建立了基因枪介导的以胚性愈伤组织为受体材料和以nptii基因为筛选标记的甘蔗转基因技术体系, 获得了全球第一株外源基因稳定整合的甘蔗转基因植株。2000年, 中国热带农业科学院热带生物技术研究所成功获得海藻糖合酶转基因甘蔗。随后转基因技术在甘蔗抗虫、抗除草剂、抗病和抗非生物胁迫等相关性状的遗传改良中发挥了重要的作用。
参考文献:
1.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
2.张树珍, 郑学勤, 林俊芳, 等. 海藻糖合酶基因的克隆及转化甘蔗的研究. 农业生物技术学报, 2000,8:385-388
3.王俊刚, 王文治, 赵婷婷, 等. 一种针对甘蔗的crispr/cas9载体及其构建方法和应用.中国专利. cn202010439028.0[p].cn111718953a. 2020
4.张跃彬, 赵培方, 胡朝晖, 等. 近年我国甘蔗品种的育种成就与发展趋势. 中国糖料, 2024, 46: 87-92
5.da silva j, honeycutt r j, burnquist w, et al. saccharum spontaneum l. ‘ses 208’ genetic linkage map combining rflp- and pcr-based markers. mol breed, 1995, 1: 165-179
6.gouy m, rousselle y, bastianelli d, et al. experimental assessment of the accuracy of genomic selection in sugarcane. theor appl genet, 2013,126: 2575-2586
7.purankar m v, nikam a a, devarumath r m, et al. radiation induced mutagenesis, physio-biochemical profiling and field evaluation of mutants in sugarcane cv. com 0265. int j radiat biol, 2022, 98: 1261-1276
8.wang w, wang j, feng x, et al. breeding of virus-resistant transgenic sugarcane by the integration of the pac1 gene. front sustain food syst,2022, 6: 925839
9.bower r, birch r g. transgenic sugarcane plants via microprojectile bombardment. plant j, 1992, 2: 409-416
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