不同基因型甘蔗種質(zhì)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(nóng)業(yè)與食品工程學院，廣西百色 533000； 2.廣西大學農(nóng)學院/亞熱帶農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究中心/農(nóng)業(yè)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(chǎn)業(yè)的動力之源[1]。在甘蔗有性雜交育種發(fā)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(yōu)良品種，但由于遺傳基礎過于狹窄，其抗逆性和抗病性表現(xiàn)較差；而且，目前生產(chǎn)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(chǎn)力的提高[2-3]，制約了我國蔗糖產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

遺傳多樣性作為生物多樣性的重要組成部分，是生態(tài)系統(tǒng)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(diào)控、個體發(fā)育等復雜的中間環(huán)節(jié)，根據(jù)表型上的差異來反映基因型上的差異成為用形態(tài)學方法檢測遺傳多樣性的關鍵所在。所以，形態(tài)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(nóng)藝表型性狀遺傳多樣性開展了較多研究[4-7]。甘蔗種質(zhì)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(zhì)量、蔗糖分、蔗莖產(chǎn)量、含糖量等數(shù)量性狀、品質(zhì)性狀是品種種性的重要體現(xiàn)，與實際的品種選育和生產(chǎn)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(nèi)外也開展了不少關于甘蔗種質(zhì)資源、工農(nóng)藝表型性狀遺傳多樣性方面的研究[8-10]。趙俊以甘蔗產(chǎn)量農(nóng)藝性狀、工藝性狀及生物學形態(tài)性狀為依據(jù)，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(zhì)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(chǎn)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(nóng)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(fā)現(xiàn)21份高糖割手密在萌芽率、分蘗率、株高、莖徑、單莖質(zhì)量等表型性狀上變異較大[13]；劉新龍等從18個質(zhì)量性狀和5個數(shù)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(shù)創(chuàng)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(zhì)資源，拓寬現(xiàn)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(zhì)資源的遺傳育種工作具有重要的指導意義。本研究擬從產(chǎn)量農(nóng)藝性狀和品質(zhì)工藝性狀對18份甘蔗種質(zhì)進行遺傳多樣性分析以及聚類分析，從中篩選出部分優(yōu)良種質(zhì)資源，為今后開發(fā)和挖掘甘蔗種質(zhì)資源的優(yōu)良性狀提供參考依據(jù)。

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(zhì)名稱見表1。參試種質(zhì)種植于廣西大學甘蔗研究所資源圃內(nèi)，大田設計采用隨機區(qū)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(chǎn)相同。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 產(chǎn)量農(nóng)藝性狀的測定 選用葉長、葉寬、葉長/葉寬、節(jié)數(shù)、株高、莖徑和單莖質(zhì)量7個農(nóng)藝性狀進行遺傳特性評價，測定的數(shù)據(jù)參照《甘蔗種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》、《農(nóng)作物種質(zhì)資源鑒定技術規(guī)程 甘蔗》進行規(guī)范和標準化整理[15-16]。采用數(shù)量性狀的變異系數(shù)(coefficient of variance，CV)來估算群體內(nèi)均度，變異系數(shù)越大，該性狀離散程度越大。

變異系數(shù)：CV=σ/μ。

式中：σ代表標準差；μ代表平均值[17]。

1.2.2 品質(zhì)工藝性狀的測定 每個參試種質(zhì)取6株甘蔗成熟期的蔗莖，采用一次旋光法進行甘蔗品質(zhì)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(shù)據(jù)處理與分析

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

2 結果與分析

2.1 產(chǎn)量農(nóng)藝性狀遺傳變異分析

由表2可知，參試種質(zhì)在葉長、葉寬、葉長/葉寬、節(jié)數(shù)、株高、莖徑、單莖質(zhì)量7個農(nóng)藝性狀存在不同程度上的遺傳變異，表現(xiàn)出不同程度的遺傳分化。其中，單莖質(zhì)量的變異系數(shù)最大，為31.09%；其次為莖徑、葉長/葉寬、葉寬、葉長、節(jié)數(shù)，遺傳變異系數(shù)分別為28.71%、16.57%、15.01%、12.77%、11.81%；株高的遺傳變異系數(shù)最低，僅為9.39%。在參試種質(zhì)中，大島再來的單莖質(zhì)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(shù)，參試材料的單莖質(zhì)量、莖徑、葉長/葉寬、葉寬變異明顯，而株高、節(jié)數(shù)、葉長變異相對較弱，可見這18份甘蔗種質(zhì)在數(shù)量性狀的遺傳改良中有較大利用潛力。

表2 產(chǎn)量農(nóng)藝性狀遺傳變異情況

注：“*”表示數(shù)據(jù)來源于參考文獻[18]。表3同。

2.2 品質(zhì)工藝性狀遺傳變異分析

從表3可以看出，參試種質(zhì)間還原糖分、甘蔗纖維分含量差異明顯，變異系數(shù)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(shù)分別為6.70%、6.87%。其次，在這些參試種質(zhì)中，只有5份種質(zhì)甘蔗蔗糖分高于13.00%，僅占27.78%，有6份種質(zhì)甘蔗蔗糖分低于10.00%，占33.33%。綜合各參試品種的各品質(zhì)性狀的平均值、變幅及變異系數(shù)，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(xiàn)優(yōu)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(zhì)進行高糖種質(zhì)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(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種質(zhì)提供依據(jù)。

2.3 聚類分析

對18份不同甘蔗種質(zhì)采用歐式平方距離法進行系統(tǒng)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(zhì)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(jù)。由圖1可知，在歐式平方距離為20時切割，可將這18份種質(zhì)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(zhì)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(zhì)組成。2個類群之間，A最先分開。

表3 品質(zhì)工藝性狀遺傳變異情況

為了更好地闡明大類群內(nèi)種質(zhì)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(zhì)，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(zhì)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(zhì)比托江紅早熟、高糖。在這18份甘蔗種質(zhì)中，Ⅰ類種質(zhì)屬于早熟低糖種質(zhì)。

Ⅱ類分為A、B兩大類。A類種質(zhì)的甘蔗節(jié)數(shù)、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(jié)數(shù)、蔗渣水分、甘蔗纖維分均比蘆蔗的高，是優(yōu)良的高纖維種質(zhì)。B類包括14份種質(zhì)，該類種質(zhì)葉長、葉寬較大，株高、莖徑、單莖質(zhì)量大，甘蔗出汁率、甘蔗蔗糖分都較高，是優(yōu)良的種質(zhì)。但B類種質(zhì)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(zhì)有著較大的株高、莖徑、單莖質(zhì)量和甘蔗出汁率，是高產(chǎn)材料改良育種的目標。B2由甜疙瘩、芒戈組成，該類種質(zhì)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(zhì)。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(zhì)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(zhì)的聚類情況

表5 不同類群種質(zhì)各工農(nóng)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(shù)據(jù)主要有質(zhì)量性狀、數(shù)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(wěn)定又攜有豐富的遺傳信息；且質(zhì)量性狀受環(huán)境影響較小，比較穩(wěn)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(shù)量性狀受多基因控制，受環(huán)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(nèi)部的離散程度和品種品質(zhì)[25]。

通過工農(nóng)藝數(shù)據(jù)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(nóng)藝性狀和品質(zhì)工藝性狀數(shù)據(jù)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(chǎn)量農(nóng)藝性狀遺傳變異分析 本研究甘蔗種質(zhì)在葉長、葉寬、葉長/葉寬、節(jié)數(shù)、株高、莖徑、單莖質(zhì)量7個農(nóng)藝性狀存在著不同程度上的遺傳變異，表現(xiàn)出不同程度的遺傳分化。其中，數(shù)量性狀的遺傳變異主要來自單莖質(zhì)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(jié)數(shù)(11.81%)等性狀。而對于數(shù)量性狀遺傳變異，劉新龍等的研究結果表明，數(shù)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(shù)量性狀遺傳變異主要來自宿根率、分蘗率、有效莖、單莖質(zhì)量[11]。

3.1.2 品質(zhì)工藝性狀遺傳變異分析 參試種質(zhì)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(shù)最大，為74.50%，其次是甘蔗纖維分，為 34.07%，表明參試種質(zhì)中不乏高纖維分含量種質(zhì)；而甘蔗出汁率(6.70%)、蔗渣水分(6.87%)2個品質(zhì)性狀遺傳變異不明顯。在品質(zhì)性狀上，趙俊的研究結果顯示，品質(zhì)性狀遺傳變異主要來自含糖量、蔗產(chǎn)量[11]。

3.2 聚類結果分析

本研究利用株高、莖徑、單莖質(zhì)量等16個工農(nóng)藝性狀進行聚類分析，聚類結果表明，18份甘蔗種質(zhì)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(zhì)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(zhì)之間的遺傳關系，為該類種質(zhì)資源之間的雜交利用提供重要的參考依據(jù)。

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(zhì)進行雜交；而那些處于不同類群、分離較早的種質(zhì)，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(yōu)良種質(zhì)資源，包括具有應用潛力的優(yōu)良甘蔗育種親本或中間材料，如株高、莖徑、單莖質(zhì)量、蔗糖分等工農(nóng)藝產(chǎn)量性狀均表現(xiàn)優(yōu)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(zhì)，如甜疙瘩、芒戈；高纖維甘蔗種質(zhì)，如河口青皮、蘆蔗。而對于優(yōu)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(zhì)進行雜交，從聚類結果看，優(yōu)良雜交親本組合是嘉谷島和合慶草甘蔗、托江紅和古芝蔗。