新時期甜菜種質資源的保存評價及創(chuàng)新

李滿紅，邵 科，銀 賽，趙玲玲，于 超

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)生物技術研究院；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)特色植物分子生物學重點實驗室，呼和浩特 010070；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，呼和浩特 010018))

0 前言

甜菜是我國兩大糖料作物(甘蔗、甜菜)之一，也是我國北方重要的經(jīng)濟作物。內(nèi)蒙古、新疆、黑龍江以及甘肅省河西走廊、河北省張家口北部等是主要的甜菜糖生產(chǎn)地區(qū)，甜菜種植也是當?shù)剞r(nóng)民脫貧致富的重要途徑之一。種子是最基本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，優(yōu)良品種在生產(chǎn)上的重要性越來越受到世人的廣泛關注，總體來說我國甜菜品種除了在含糖方面略有優(yōu)勢以外，和國外發(fā)達國家引進品種綜合比較還有很大差距。究其原因，與我國甜菜優(yōu)良種質資源數(shù)量匱乏，具有豐產(chǎn)、高糖、優(yōu)質、抗病等綜合性狀好的優(yōu)異種質資源奇缺有密切關系。新時期要想在育種上有所突破，必須從重視甜菜品種資源的保護和創(chuàng)新上做起，才有可能培育出綜合性狀優(yōu)良、適應不同生態(tài)區(qū)域種植的品種，為我國甜菜糖業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。

1 甜菜的起源及分類

1.1 甜菜的起源

關于甜菜的起源，說法不盡相同。但是大家比較普遍認同的是甜菜于公元前2000-1000年起源于底格拉斯河和幼發(fā)拉底河流域，大約公元10世紀左右傳到地中海沿岸各國，約12世紀前后傳到西歐。甜菜最早是被當做園藝植物進行栽培的，直到1747年德國化學家馬格拉夫發(fā)現(xiàn)甜菜中含有與甘蔗中一樣的蔗糖之后，特別他的學生阿恰德把甜菜中的含糖通過育種提高到了7%以上，并且育成了世界上第一個甜菜品種——“白色西里西亞”之后，引起了人們的廣泛重視。此后的200余年，甜菜分布世界各地，很多地方含糖提高到20%以上，甜菜制糖產(chǎn)業(yè)漸趨成熟，現(xiàn)已成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。

1.2 甜菜的分類

甜菜(Betavulgaris.L)屬于藜科(Chenopodiaceae)甜菜屬(Beta)。根據(jù)卓西莫維奇分類法，將甜菜屬分為三組15個種(14個野生種+1個栽培種)。栽培甜菜人們根據(jù)其用途通常分為4種類型，即葉用甜菜(俗稱厚皮菜)、食用甜菜又稱紅甜菜(俗稱火焰菜)、飼用甜菜和糖用甜菜。本文所討論的甜菜系指糖用甜菜。

2 我國的甜菜種質資源

2.1 我國引進的甜菜種質資源

上世紀初直至新中國成立之前，在我國東北及山東開始試種甜菜，并建立了為數(shù)不多的幾家糖廠，所用甜菜種子由波蘭、俄羅斯等國引進，沒有專門機構開展甜菜種子培育和研究。華北、西北只有零星種植，沒有建設糖廠。新中國成立之后，我國迎來了甜菜糖業(yè)的快速發(fā)展時期。上世紀五十年代起在東三省，內(nèi)蒙古、山西、寧夏、甘肅、新疆相繼新建糖廠，所用種子主要從前蘇聯(lián)及東歐國家引進。

上世紀五十年代中后期，國內(nèi)開始建立專門的甜菜研發(fā)機構，逐步開始了甜菜種質資源的收集研究工作。國內(nèi)的甜菜種質資源十分有限，只有少數(shù)的幾個地方品種；甜菜種質資源主要來自波蘭、前蘇聯(lián)、保加利亞、捷克斯洛伐克、羅馬尼亞、匈牙利、民主德國(東德)、美國及日本等20多個國家，引進資源約800份。這些材料有的曾直接用于生產(chǎn)，有的作為育種材料加以利用。改革開放之后，從美國、德國、法國、英國、瑞典、丹麥、荷蘭、比利時、日本等國引進甜菜品種比較多，還有一些育種材料；也通過交換方式引進了一些種質資源，包括一些珍貴的野生資源材料。

2.2 我國的甜菜種質資源利用及研究成就

甜菜種質資源是甜菜科研和育種的重要物質基礎，是遺傳基因的載體。我國甜菜科研單位在有限的資源條件下，通過育種家們的不懈努力，在上世紀六十年代中期以后陸續(xù)培育出了適合當?shù)貧夂蚣霸耘鄺l件的品種，滿足了生產(chǎn)的急需。改革開放之后，甜菜科研及育種工作有了快速發(fā)展，各地培育出一大批優(yōu)良品種，品種的類型也呈現(xiàn)出多樣化的特點，如過去只是單一的二倍體系選品種，發(fā)展到了普通多倍體品種、雄性不育多倍體雜交種、雄性不育二倍體雜交種、單粒型雜交品種等，為我國制糖行業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了巨大的作用。各種類型品種收錄到《中國甜菜品種志》(1994年)中的國內(nèi)品種101個、國外引進品種17個(50-60年代)、地方品種及其他品種31個；收錄到《中國糖用甜菜品種》(1997年)中的甜菜種質資源497個；另據(jù)不完全統(tǒng)計1994年以來通過國家或省區(qū)審定的自育甜菜品種約有50余個。

長期以來，甜菜品種資源的研究受到了國家有關部門的重視，國家科技攻關連續(xù)4個五年計劃列項給予支持，甜菜產(chǎn)業(yè)體系包涵品種資源研究；上世紀九十年代原國家輕工業(yè)部也曾列項予以支持，各省區(qū)亦列項予以支持。通過這些項目的實施，各科研單位在全國范圍內(nèi)開展甜菜品種資源收集、鑒定、繁殖、保存、創(chuàng)新等工作；中國農(nóng)業(yè)科學院國家品種資源庫收集各地甜菜種質資源入庫?，F(xiàn)在我們可以在《中國作物種質資源信息網(wǎng)》數(shù)據(jù)查詢欄目“其他作物---甜菜”中快速查詢到收錄的資源；中國農(nóng)科院甜菜研究所研究確定了甜菜種質資源描述標準制定的原則和方法，編制出版了《甜菜種質資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》，規(guī)定了主要試驗鑒定技術參數(shù)指標和分級標準及數(shù)據(jù)質量控制規(guī)范。

3 新時期如何做好甜菜種質資源保存評價和創(chuàng)新

3.1 開展甜菜種質資源收集保存評價和創(chuàng)新的緊迫性

當前種質資源已成為世界范圍內(nèi)備受重視和矚目的資源，科學家認為21世紀種質資源是農(nóng)業(yè)的關鍵資源，是世界種業(yè)競爭的焦點。目前我國甜菜生產(chǎn)上存在的突出問題是，單產(chǎn)低、含糖率不高、抗逆性、抗病性差。除栽培技術、機械化、水利化等因素外，甜菜育種和國外的差距很大，種子資源匱乏是制約我國甜菜育種的關鍵因素之一。隨著我國農(nóng)業(yè)整體生產(chǎn)水平的提高、勞動力向城市轉移，甜菜機械化發(fā)展成為必然，這樣適合機械播種和紙筒育苗、無需人工間苗的單粒型種子備受農(nóng)民的歡迎。近年來，國外歐美大公司已占據(jù)我國甜菜生產(chǎn)用種的絕大部分市場。甜菜種子國產(chǎn)化已經(jīng)十分迫切，政府、企業(yè)、糖農(nóng)都在關注這項工作，希望盡快育成自己的適合機械化和紙筒育苗移栽的甜菜種子。因此，新時期如何開展甜菜種質資源收集保存評價和創(chuàng)新對于我國甜菜糖業(yè)的穩(wěn)步健康發(fā)展，促進農(nóng)民增收、加快貧困地區(qū)農(nóng)民脫貧致富步伐是擺在廣大科研人員面前十分必要和緊迫的任務。

3.2 液氮超低溫保存甜菜種質資源

種質資源的收集整理、保存、鑒定評價是一項長期而基礎性的工作?，F(xiàn)階段各育種單位收集到的甜菜種質資源大多已經(jīng)整理和保存，鑒定評價數(shù)據(jù)也基本完成。但是，進入國家種質資源庫的材料畢竟有限，還有很多種質材料需要各地科研單位自行保存。由于甜菜的胚乳較小，加之甜菜種子在常溫保存的時候會進行熵呼吸，因此在常規(guī)保存條件下，5年以后種子基本失去萌發(fā)活力，建立基因庫基本建設投資巨大，運行成本很高。因此，探索一種新的種子保存方法對甜菜種質資源的保存尤為必要。利用液氮超低溫對種質資源的保存是目前常用的方法之一，其優(yōu)點是種質保存時間極長，成本相對較低。但對于超低溫保存存在物種特異性，為此內(nèi)蒙古生物技術研究院將所收集并評價后的優(yōu)良種質資源利用液氮超低溫保存進行探索研究，為甜菜種質資源的保存提供一個新的方法。

3.3 應用GWAS進行甜菜種質資源評價

甜菜全基因組關聯(lián)分析及甜菜全基因組遺傳變異圖譜。全基因組關聯(lián)分析(Genome-wide association study;GWAS)是應用基因組中數(shù)以百萬計的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)為分子遺傳標記，進行全基因組水平上的對照分析或相關性分析，通過比較發(fā)現(xiàn)影響復雜性狀的基因變異的一種新策略。隨著基因組學研究以及基因芯片技術的發(fā)展，人們已通過GWAS方法發(fā)現(xiàn)并鑒定了大量與復雜性狀相關聯(lián)的遺傳變異。近年來，這種方法在農(nóng)業(yè)動物重要經(jīng)濟性狀主效基因的篩查和鑒定中得到了應用。

重要經(jīng)濟性狀即復雜性狀GWAS分析方法的原理是，借助于SNP分子遺傳標記，進行總體關聯(lián)分析，在全基因組范圍內(nèi)選擇遺傳變異進行基因分型，比較異常和對照組之間每個遺傳變異及其頻率的差異，統(tǒng)計分析每個變異與目標性狀之間的關聯(lián)性大小，選出最相關的遺傳變異進行驗證，并根據(jù)驗證結果最終確認其與目標性狀之間的相關性。甜菜全基因組已于2013年發(fā)布，故應用基因組重測序的方法可以更為準確、更加高效的挖掘出甜菜特異功能基因，并進一步構建甜菜全基因組遺傳圖譜。近兩年，內(nèi)蒙古生物技術研究院與國內(nèi)專業(yè)單位合作對收集到的200余份材料進行GWAS分析，目前數(shù)據(jù)已下線。

3.4 利用航天育種手段創(chuàng)新甜菜種質

創(chuàng)新種質的方法有很多，如人們熟知的β、γ射線照射、化學試劑誘變、花粉培養(yǎng)、未授粉胚珠培養(yǎng)等等，也取得了一些成績。這里著重討論航天誘變手段，因為我國是目前世界上掌握航天器(衛(wèi)星、飛船)返回技術的三個國家之一。航天誘變育種(簡稱航天育種)技術是利用返回式航天器將植物種子帶到太空，利用宇宙空間特殊的環(huán)境(微重力、高真空、宇宙射線、重粒子、交變磁場等因素)對植物種子的誘變作用來產(chǎn)生變異，再返回地面選育新種質、新材料，培育新品種的作物育種新技術。這一技術的突出特點是：有益變異多、變異幅度大、穩(wěn)定快，是培育高產(chǎn)、質優(yōu)、早熟、抗病農(nóng)作物新品種、新種質資源的有效快捷途徑。

我國于1987首次航天搭載農(nóng)作物種子，2006年發(fā)射“實踐八號”衛(wèi)星專門為農(nóng)作物育種提供搭載；三十多年來成功地利用返回式航天器進行了植物種子、微生物、枝芽、細胞組織的搭載，共搭載了糧食作物、經(jīng)濟作物、蔬菜、花卉、草木、微生物菌株等千余品種。經(jīng)科研和生產(chǎn)單位的育種專家和科技工作者歷時30多年的地面選育試驗，取得了可喜的成績，受到國內(nèi)外的關注。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2018年，全國通過航天育種方法培育的新品種超過200個，推廣面積達240萬公頃，總產(chǎn)量13億千克。2018年12月，由中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會、國家植物航天育種工程技術研究中心、中國科學院、中國農(nóng)科院、中國農(nóng)業(yè)大學、中國林業(yè)大學等14家發(fā)起單位、首批26個成員單位在北京成立航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟，召開了第一次聯(lián)盟大會并舉辦主題為“航天育種助力未來農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設”——航天育種2018北京論壇。內(nèi)蒙古生物技術研究院成為首批成員單位。2019年3月1日航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟與內(nèi)蒙古自治區(qū)生物技術研究院簽署《共同推進航天育種產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，圍繞航天新品種示范、新品種聯(lián)合開發(fā)、技術服務、特色生產(chǎn)基地建設等方面開展戰(zhàn)略合作。

2008年原內(nèi)蒙古甜菜制糖工業(yè)研究所(2012年經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)編辦批準更名為內(nèi)蒙古自治區(qū)生物技術研究院)與中國航天科技集團公司航天育種研究中心簽訂協(xié)議，選擇兩份甜菜品系HT97005(2x)和HT984001(4x)種子搭載。提供搭載服務的是返回式科學技術試驗衛(wèi)星，2008年10月經(jīng)過17天的軌道運行，衛(wèi)星返回艙成功回收著陸。從2009年開始對這兩份搭載材料進行試驗和選育工作。采用單株和集團選擇相結合的方法，有的經(jīng)過3代、有的經(jīng)過4代定向選擇、繁殖獲得新材料20多份，在經(jīng)濟性狀表現(xiàn)上差異明顯，有的豐產(chǎn)性提高、有的含糖率提高。之后于2016年6月發(fā)射的長征7號火箭搭載了1份紅甜菜種子，目前在后續(xù)選育中。據(jù)報道中國農(nóng)科院甜菜研究所于2006年“實踐八號”曾搭載甜菜種子，進行了試驗研究。未來要探索將航天育種和常規(guī)育種、雜交育種、分子定向育種有機地結合，培育出豐產(chǎn)、高糖、抗病、抗逆性好的甜菜新品種，滿足甜菜生產(chǎn)需要。