甜菜育種的研究進(jìn)展及未來(lái)發(fā)展展望

馬龍彪 ，吳則東 ，王茂芊 ，邳植 ，興旺

（1.黑龍江省普通高等學(xué)校甜菜遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150080；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甜菜研究所/黑龍江大學(xué)農(nóng)作物研究院，哈爾濱150080；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北方糖料作物資源與利用重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150080）

甜菜作為世界上一種重要的糖料作物，發(fā)展歷史只有200多年，最初生產(chǎn)上使用的甜菜品種是多胚種，一粒種子可以發(fā)出幾個(gè)芽，后來(lái)為了適應(yīng)減少人力的需求，發(fā)展了機(jī)械化單粒種。自從上個(gè)世紀(jì)80年代，甜菜品種由最初的機(jī)械化單粒種轉(zhuǎn)變?yōu)檫z傳單粒種后，每公頃的產(chǎn)糖量每年以幾乎1.5%的速度遞增[1]。甜菜育種的目標(biāo)是創(chuàng)造穩(wěn)定、可靠的產(chǎn)質(zhì)量不斷提高的品種，在一定的生產(chǎn)成本下創(chuàng)造單位面積內(nèi)最高的產(chǎn)糖量，并且滿足環(huán)境、種植者以及糖廠的其他需求。這些目標(biāo)主要通過選擇農(nóng)藝和工藝性狀實(shí)現(xiàn)，這些選擇有些復(fù)雜，有些簡(jiǎn)單。糖的產(chǎn)量是由含糖率和根產(chǎn)量的乘積所決定的，而根產(chǎn)和含糖之間總是負(fù)相關(guān)的，這兩個(gè)組分同時(shí)最大的表達(dá)很難實(shí)現(xiàn)。因此品種通常被分類為E型（重點(diǎn)在于根產(chǎn)），Z型（重點(diǎn)在于含糖率）和N型（標(biāo)準(zhǔn)型，介于二者之間）。近些年來(lái)，在品種的選擇上，有一種普遍選擇高含糖率品種的需要，但是對(duì)于任何一個(gè)特殊的地區(qū)，對(duì)于品種類型的選擇都要考慮到諸多因素的影響。糖廠提取白糖的效率也受到根中Na、K、α－氨基氮和甜菜堿濃度等的影響，這些成分大部分彼此相關(guān)而且和根產(chǎn)、含糖也有一定的關(guān)系。甜菜育種就是要結(jié)合高產(chǎn)糖量和雜質(zhì)含量低主要因素。同時(shí)，為了獲得高而穩(wěn)定的產(chǎn)量，甜菜品種必須具有抗或耐重要的病害和蟲害等生物脅迫。為了應(yīng)對(duì)未來(lái)幾年可能發(fā)生氣候變化的影響，育種者要培育出對(duì)干旱等氣候或土壤脅迫因素等非生物脅迫耐受的品種。甜菜作物的發(fā)展有賴于育種、栽培以及植保等多學(xué)科的共同發(fā)展，但品種選育是甜菜作物能夠持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。甜菜育種工作也從最初的系譜選擇、混合選擇發(fā)展到雜交育種以及現(xiàn)在利用生物技術(shù)育種，本文將簡(jiǎn)要介紹一下甜菜育種的發(fā)展歷程以及未來(lái)育種工作的展望。

1 甜菜育種方法

1.1 傳統(tǒng)育種方法

古人講，欲善其事，必利其器。對(duì)于育種工作者而言，想要育成好的品種，就要有性狀表現(xiàn)優(yōu)良的多胚授粉系和盡可能多的成對(duì)單胚雄性不育系及保持系，只有擁有更多優(yōu)良性狀的種質(zhì)資源，才可能從中組配、選育出生產(chǎn)上實(shí)用的品種。而育種家手里都會(huì)有各種各樣的甜菜種質(zhì)資源，那么如何對(duì)現(xiàn)有的種質(zhì)資源進(jìn)行有效地選擇和利用，這就涉及到品系或品種的選擇方法。

1.1.1 混合選擇 按照一定的育種目標(biāo)，從現(xiàn)有品種或育種材料中，選出一定數(shù)量外形近似的優(yōu)良個(gè)體，進(jìn)行混合收獲、種植的一種育種方法。常用于品種改良和在良種繁育上保持品種純度。在甜菜中，混合選擇通常意味著在該區(qū)域?qū)π螒B(tài)特征的表型選擇，其次是在實(shí)驗(yàn)室中化學(xué)性質(zhì)的選擇。這樣的混合選擇對(duì)形態(tài)性狀選擇的改善是有效的?；旌线x擇可能也對(duì)含糖率的選擇有效，并且這些質(zhì)量性狀在很大程度上是由具有附加基因作用的可遺傳的基因控制的[2]?；旌线x擇是一項(xiàng)重要的技術(shù)，特別是在育種工作的前期，當(dāng)原始材料可能不得不適應(yīng)新的環(huán)境條件時(shí)?；旌线x擇具有適應(yīng)新的農(nóng)業(yè)氣候條件、改進(jìn)甜菜的形態(tài)學(xué)特征（例如選擇根皮光滑、根溝較淺的甜菜），這樣的甜菜會(huì)附著土量少、選擇抗抽薹材料以及利用病圃選擇抗病性材料等。

1.1.2 系統(tǒng)選育 雜種第一次分離世代開始單株選擇，即系統(tǒng)，以后各世代均在優(yōu)良的系統(tǒng)中選育優(yōu)良單株，經(jīng)過連續(xù)多代單株選擇直至株系的性狀穩(wěn)定一致，才將入選株系混收為新品系。系統(tǒng)選育是我國(guó)建國(guó)初期主要的育種方式，同時(shí)也是育種的基礎(chǔ)[3]。

1.1.3 輪回選擇 輪回選擇最早從玉米開始，成為玉米育種中常用的方法[4]。輪回選擇一般按照育種目標(biāo)，選擇優(yōu)良的基礎(chǔ)群體，群體間雜交產(chǎn)生后代，然后對(duì)后代進(jìn)行鑒定,從中選出表現(xiàn)最優(yōu)株；把選擇出的最優(yōu)株相互雜交形成下一輪群體。輪回選擇就是通過不斷的選擇和重組，提高群體中目標(biāo)性狀有利基因的頗率和群體內(nèi)優(yōu)良個(gè)體的比例，從而提高性狀平均值，維持群體的遺傳變異。

1.1.4 自交 甜菜是強(qiáng)烈的自交不育作物，在嚴(yán)格隔離的條件下，僅產(chǎn)生少量或者沒有種子。攜帶SF基因一個(gè)或者一對(duì)通常會(huì)有95%～100%的自交種子。植物攜帶這個(gè)基因，在收獲時(shí)，它不接納其它資源的花粉，也會(huì)產(chǎn)生很多種子[5]。這個(gè)基因很大程度上被用來(lái)發(fā)展甜菜的自交系。

1.1.5 基因突變 基因突變包括化學(xué)誘變和物理誘變，凡是能引起生物體遺傳物質(zhì)發(fā)生突然或根本的改變，使其基因突變或染色體畸變達(dá)到自然水平以上的物質(zhì)，統(tǒng)稱為化學(xué)誘變劑。常用的化學(xué)誘變劑如EMS（甲基磺酸乙酯）。物理誘變劑主要有紫外線、X射線、γ射線、激光、微波以及離子束等。此外還有宇宙射線，常用于航天育種等。如中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甜菜研究所于2014年育成的甜菜新品種航甜單0919[6]，就是利用航天育種衛(wèi)星搭載的甜菜單胚雄性不育系和二倍體品系，從材料中找到優(yōu)良的變異株,利用變異株配制了8個(gè)雜交組合，從中篩選出優(yōu)良雜交組合選育而成的。

1.1.6 多倍體育種 20世紀(jì)30年代末，許多甜菜育種家和研究工作者利用秋水仙堿生產(chǎn)同源四倍體甜菜。最初最大的希望是能夠得到產(chǎn)量大幅度增加的變異。但相反的是，根重和糖產(chǎn)量幾乎比它們的二倍體還要低。然而，很快又發(fā)現(xiàn)，二倍體和四倍體自由雜交產(chǎn)生的三倍體，產(chǎn)量總是超過它們的四倍體和二倍體。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了多倍體品種的產(chǎn)生，更準(zhǔn)確地說(shuō)，是一種異倍性甜菜品種，是目前三倍體雜交品種的基礎(chǔ)。如中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甜菜研究所上個(gè)世紀(jì)育成一個(gè)主推品種甜研309就是三倍體雜交種[7]。三倍體雜交品種曾經(jīng)是歐洲國(guó)家主要使用的品種類型，曾經(jīng)主導(dǎo)歐洲甜菜種子市場(chǎng)25年，但現(xiàn)在三倍體雜交種的比例急劇下降。

1.2 生物技術(shù)育種

其中分子標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用較多，分子標(biāo)記比常規(guī)遺傳標(biāo)記的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)直接以DNA的形式表現(xiàn)，在生物體的不同組織和發(fā)育階段均可檢測(cè)到，不受其它因素影響；(2)基因組DNA多態(tài)性極其豐富，標(biāo)記可遍一切處，所有生物體的檢測(cè)程序相似；(3)許多標(biāo)記表現(xiàn)為共顯性的特點(diǎn)，極易進(jìn)行顯隱性狀的區(qū)分與選擇。

1.2.1 遺傳圖譜構(gòu)建 分子標(biāo)記技術(shù)在甜菜育種上得到了廣泛的應(yīng)用，其中構(gòu)建甜菜遺傳圖譜應(yīng)用的分子標(biāo)記技術(shù)有：RFLP[8]、RAPD[9]、AFLP[10-11]、SNP[11]、EST[12]、ISSR[13]、SRAP 和 SSR[14]等。

1.2.2 基因定位 利用QTL技術(shù)已經(jīng)把抗叢根病[11，15]、褐斑病[16]、孢囊線蟲[17]及抽薹[18]等相關(guān)的基因在甜菜染色體上進(jìn)行了定位或克隆。

1.2.3 創(chuàng)造新種質(zhì) 利用組織培養(yǎng)產(chǎn)生體細(xì)胞無(wú)性系變異、原生質(zhì)體培養(yǎng)以及未授粉胚珠或者花藥離體培養(yǎng)，創(chuàng)造新的種質(zhì)。如中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甜菜研究所培育的甜菜品種“中甜花培一號(hào)”[19]，就是利用未授粉胚珠培養(yǎng)獲得的二倍體純系，然后以此純系為父本，雜交而成[19]。另外利用野生資源，通過雜交等手段創(chuàng)造具有特定抗性的種質(zhì)資源也是現(xiàn)在和未來(lái)發(fā)展的方向[20]。

1.2.4 基因工程 目前利用基因工程技術(shù)已經(jīng)開展的有抗線蟲[21]、抗抽薹[22]、改變糖代謝途徑[23]、抗叢根病[24]以及抗除草劑[25-26]等研究。目前美國(guó)已經(jīng)允許抗農(nóng)達(dá)除草劑的甜菜品種在生產(chǎn)上大面積應(yīng)用。

2 甜菜育種未來(lái)展望

甜菜未來(lái)的育種目標(biāo)就是通過培育新品種，降低甜菜種植成本，提高、改善目標(biāo)產(chǎn)量、品質(zhì)及抗性。

2.1 未來(lái)育種方向

2.1.1 培育耐瘠抗旱甜菜品種（系），減少水肥投入 野生甜菜自然生長(zhǎng)于貧瘠沙地，具有在低養(yǎng)分土壤中保持正常生長(zhǎng)的潛力。因此，利用野生甜菜種質(zhì)選育耐貧瘠、水肥需求量少的甜菜品種是可行的。同時(shí)，研究表明耐旱能力與塊根含糖具有相關(guān)性，干旱條件更有益于甜菜糖分積累[1]。

2.1.2 培育多抗性甜菜品種，減少殺蟲劑和抗菌劑的施用 已在抗叢根病、褐斑病、曲頂病以及立枯病等方面取得了一些進(jìn)展。在大部分市場(chǎng)，抗病蟲品種能夠很大程度上降低病蟲害帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)避免殺蟲劑和抗菌劑施用對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境帶來(lái)的破壞。未來(lái)的工作重點(diǎn)主要是通過將不同抗病基因進(jìn)行重組和定向篩選微效基因培育具有多種抗病性的甜菜品種。

2.1.3 新型抗除草劑品種 利用除草劑控制雜草，是保證甜菜高產(chǎn)的先決條件。迫于土壤中雜草的生長(zhǎng)，除草劑費(fèi)用在甜菜種植成本中占有較大比重。如今已經(jīng)培育出抗除草劑的甜菜品種[27]，今后的研究重點(diǎn)將集中于新型除草劑以及相應(yīng)施用體系的研發(fā)。

2.1.4 加工成本降低 每年甜菜糖產(chǎn)量平均增長(zhǎng)約1.5%，約為甘蔗糖增長(zhǎng)量的兩倍。其中，因種質(zhì)創(chuàng)新導(dǎo)致的糖產(chǎn)量增長(zhǎng)每年約為1%，從理論上這種增長(zhǎng)仍將持續(xù)數(shù)年。高含糖率不僅降低了生產(chǎn)單位重量甜菜糖的運(yùn)輸成本，而且還能夠有效地減少甜菜糖雜質(zhì)含量和增加提取率，從而減少甜菜糖的加工成本[1]。

2.1.5 平衡甜菜含糖率和根產(chǎn)量 如今，高糖型和豐產(chǎn)型甜菜品種已經(jīng)非常豐富，下一階段的重心在于將這些具有單一優(yōu)良性狀的甜菜種質(zhì)進(jìn)行重組，從中選育具有最優(yōu)產(chǎn)糖量的甜菜品種。目前包括光合作用、糖分運(yùn)輸、糖分積累等代謝過程的分子機(jī)制已經(jīng)取得了一定程度的進(jìn)展[28－30]。通過基因編輯技術(shù)[31]，對(duì)這些代謝相關(guān)基因進(jìn)行過表達(dá)或敲除，最終達(dá)到增強(qiáng)甜菜糖分積累的目的已經(jīng)成為可能。

2.1.6 低雜質(zhì) “低雜質(zhì)”是指甜菜根不易附著土壤。這些低雜質(zhì)品種相較一般品種可減少附土5%～30%。

2.2 育種方法

未來(lái)育種方法主要涉及：一是分子標(biāo)記被開發(fā)用于鑒定特異基因型或基因；二是新基因克隆和轉(zhuǎn)化成為創(chuàng)造遺傳變異的新工具；三是組學(xué)技術(shù)用于高通量檢測(cè)基因和蛋白質(zhì)序列測(cè)定和動(dòng)態(tài)表達(dá)變化。

2.2.1 分子標(biāo)記 通過分子輔助選擇標(biāo)記檢測(cè)，將基因型與表型相結(jié)合，應(yīng)用于育種各個(gè)階段的篩選和鑒定，可以顯著提高育種選擇工作的準(zhǔn)確性，提高育種研究的效率。經(jīng)過近20年的發(fā)展，分子標(biāo)記體系由早期幾個(gè)影響下胚軸顏色的基因，逐漸發(fā)展出同工酶、RFLP、AFLP、微衛(wèi)星和SNP等多種類型的分子標(biāo)記。當(dāng)直接導(dǎo)致某一表型的基因被鑒定后，該表型的育種將由只從表型進(jìn)行挑選或重組向結(jié)合分子標(biāo)記以反映基因變異的方式轉(zhuǎn)變。利用分子標(biāo)記技術(shù)，育種將不僅是挑選或重組某一性狀表型，還包括相應(yīng)基因型品種的鑒定。通過分子克隆鑒定雜交后代，最終獲得最優(yōu)組合的陽(yáng)性植株。利用分子標(biāo)記技術(shù)可以將多個(gè)抗性基因聚合到一起，實(shí)現(xiàn)聚合育種[32]。

2.2.2 基因工程技術(shù) 利用基因工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)新基因轉(zhuǎn)化是培育新品種另一有效手段。今后基因轉(zhuǎn)化將不僅局限于將基因?qū)牖蚪M中，還將通過編輯基因啟動(dòng)子、基因修飾等方式調(diào)控基因在特異亞細(xì)胞器內(nèi)表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、更高效的育種。此外，轉(zhuǎn)座子插入、CRISPR/Cas9[33]等技術(shù)也可以用于構(gòu)建突變體庫(kù)，開展新品種的選育。

2.2.3 組學(xué)技術(shù) 2013年12月18日由德國(guó)比勒費(fèi)爾德大學(xué)、西班牙基因組調(diào)控中心（CRG）、馬克思普朗克分子遺傳學(xué)研究所人員在Nature期刊中發(fā)表甜菜高質(zhì)量參考基因組序列及四種繁殖系的綜合基因組，甜菜育種進(jìn)入組學(xué)時(shí)代[34]。利用高通量測(cè)序平臺(tái)不僅可以對(duì)甜菜整個(gè)基因組基因表達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)可以針對(duì)不同性狀甜菜個(gè)體進(jìn)行重測(cè)序，進(jìn)行QTL分析及SNP分子標(biāo)記挖掘[35]。

蛋白質(zhì)是基因功能的執(zhí)行者，蛋白質(zhì)豐度的變化直接反映作物代謝過程。通過蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)高通量檢測(cè)蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)變化可以有效挖掘參與目標(biāo)性狀的關(guān)鍵蛋白質(zhì)。已廣泛用于植物生長(zhǎng)發(fā)育、脅迫應(yīng)答分子機(jī)制的研究，發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵基因可以直接用于甜菜分子標(biāo)記構(gòu)建和遺傳轉(zhuǎn)化育種。

德國(guó)哥廷根大學(xué)的Hoffmann等人[36]認(rèn)為甜菜潛在的產(chǎn)糖量為24 t/hm2，當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到較高水平時(shí)，育種的進(jìn)展對(duì)未來(lái)的產(chǎn)量是至關(guān)重要的。因此未來(lái)甜菜糖業(yè)的發(fā)展，甜菜育種技術(shù)的發(fā)展尤為重要。