甘蔗重要親本田間自然抗黑穗病測定

楊榮仲，周會，李文教，黃贊斌，唐仕云，雷敬超，劉昔輝，梁強，黃海榮

（1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部廣西甘蔗生物技術(shù)與遺傳改良重點實驗室/廣西甘蔗遺傳改良重點實驗室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究中心，南寧 530007；2.蔗糖產(chǎn)業(yè)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004；3.廣西百色市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，廣西百色 533612）

0 引言

抗黑穗病育種是國內(nèi)甘蔗抗病育種的主要育種目標之一，不論是早期的甘蔗新品種審（鑒）定，還是目前的甘蔗新品種注冊登記[1]，甘蔗新品種的抗黑穗病鑒定都是必不可少的測試工作。近年來，隨著甘蔗抗病育種工作的不斷加強，國內(nèi)外不少的甘蔗育種機構(gòu)或相關(guān)科研單位在黑穗病菌的病源物分離[2]、抗病接種方法、新品種與新材料抗性測定等方面開展了大量研究。建立了甘蔗品種抗黑穗病評價方法[3]，且注射接種發(fā)病潛伏期短、發(fā)病率高[4]；首次感染與最高溫度呈正相關(guān)，再次感染與濕度呈負相關(guān)[5]；發(fā)病將影響甘蔗宿根性[6]，延遲黑穗病菌侵染將減少對有效莖的侵害[7]；甘蔗品種[3-4,8]、育種材料[9]與雜交組合[10-11]的抗性存在差異，且云南近年來選育的新品系感病材料偏多；黑穗病季末廣義遺傳力高于季初[12]。這些研究成果為甘蔗抗黑穗病育種工作提供了有益的幫助；然而，從目前國內(nèi)甘蔗生產(chǎn)看，抗黑穗病育種工作仍然面臨著許多困難，國內(nèi)主產(chǎn)蔗區(qū)大面積推廣應(yīng)用的甘蔗品種仍面臨著黑穗病抗性有待加強的問題[13-14]。

為了解目前國內(nèi)甘蔗育種主要親本的黑穗病抗性表現(xiàn)，選擇在廣西黑穗病高發(fā)蔗區(qū)廣西百色市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗基地，對98個甘蔗親本進行了2次新植3次宿根共5季的黑穗病田間自然發(fā)病測試。在鑒定甘蔗親本抗黑穗病的同時，了解甘蔗黑穗病發(fā)生特點與規(guī)律，為甘蔗抗黑穗病鑒定及抗黑穗病育種的親本選配提供幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

根據(jù)廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所海南雜交基地2012—2016年雜交季甘蔗親本的使用頻率，選擇了98份甘蔗參試親本（詳見表5），其中，國外親本15 份，主要來自美國、澳大利亞和法國等國家；國內(nèi)親本83 份，其中，‘桂糖’親本58 份、‘粵糖’及‘崖城’親本11份，‘臺糖’親本4 份、‘云蔗’親本4份、國內(nèi)其它育種機構(gòu)親本6份。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計與處理

試驗于2017—2019 年在廣西百色市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗基地實施。2017 年的試驗蔗種取自廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所海南雜交基地，于2017 年2 月20 日種植，重復(fù)1 次，每個親本種植1 行，行長4.8 m，行寬1.2 m；新植收獲后保留宿根2 年。2018 年試驗的蔗種取自2017 年試驗，于2018 年2 月22 日種植，隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，1行小區(qū)，行長4.5 m，行寬1.2 m；新植收獲后保留宿根1年。下種量按105 000芽/hm2計。田間管理按當?shù)卣４筇锷a(chǎn)管理實施。

1.2.2 數(shù)據(jù)收集與分析

調(diào)查甘蔗出苗、分蘗、宿根蔗總苗數(shù)和小區(qū)甘蔗有效莖，2017、2018年成熟期調(diào)查10株甘蔗的株高、莖徑和錘度。

黑穗病發(fā)病率調(diào)查：2017 年新植5 月下旬調(diào)查；2018 年新植5 月下旬調(diào)查，2017 年試驗第一年宿根于4月下旬、5月下旬各調(diào)查一次；2019年一年宿根和二年宿根分別在6月中旬和10月下旬調(diào)查。后期調(diào)查時按MAGAREY[15]的方法進行黑穗病后期等級調(diào)查。

小區(qū)蔗莖產(chǎn)量計算公式：小區(qū)蔗莖產(chǎn)量=0.785 4×莖徑2×(株高-20)×有效莖數(shù)

應(yīng)用R 軟件的AAfun、asreml、agricolae和psych程序包進行數(shù)據(jù)分析；方差分解時對甘蔗黑穗病發(fā)病率進行反正弦轉(zhuǎn)換，按Aitken的方法[16]計算廣義遺傳力；按闕友雄等的方法[3]確定參試親本黑穗病抗性等級。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同年度、不同時期甘蔗黑穗發(fā)生情況

不同年度、不同作物季調(diào)查的黑穗病發(fā)生情況表明（表1），甘蔗黑穗病發(fā)生在新植與宿根之間存在較大差異，同一年不同時期也存在明顯差異。兩輪試驗的新植數(shù)據(jù)都表明，測試親本材料黑穗病發(fā)病率和發(fā)病材料平均發(fā)病率都明顯偏低，因此即使在黑穗發(fā)病較重的蔗區(qū)，也不宜用新植蔗田間自然發(fā)病情況來評價親本的黑穗病抗性，其結(jié)果與國內(nèi)其他研究人員報道的田間自然測試結(jié)果是一致的[4,8]。

表1 不同年度時期甘蔗黑穗發(fā)生情況Table 1 Incidence of sugarcane smut in different times

不同時期調(diào)查的試驗數(shù)據(jù)表明，上半年調(diào)查的發(fā)病情況明顯較下半年低；不論是第一年宿根試驗還第二年宿根試驗，2019年上半年調(diào)查的發(fā)病率較下半年低一倍左右，發(fā)病率超過10%的材料數(shù)也大致如此，因此選用下半年的試驗數(shù)據(jù)評價親本抗性表現(xiàn)將更有利于篩選抗性親本。在上半年調(diào)查的數(shù)據(jù)中，6 月的發(fā)病率高于5月，5月的發(fā)病率高于4月。

2017 年新植試驗還表明，隨著宿根年限的延長，黑穗病的發(fā)病情況是逐年加重的，第二年宿根蔗的發(fā)病率明顯較第一年宿根蔗高，而第一年宿根蔗又明顯較新植蔗高。與2018 年新植試驗比較，2017年試驗的第二年宿根蔗的材料發(fā)病率與發(fā)病材料平均發(fā)病率都接近或略低于2018年試驗的第一年宿根，表明在黑穗病高發(fā)區(qū)進行田間自然發(fā)病測試，蔗種來源對黑穗病發(fā)生有著明顯的影響，如果蔗種來源于黑穗病發(fā)生相對較輕的蔗區(qū)，第一年宿根蔗的黑穗發(fā)病率還是相對較輕，不宜用于抗性評價；第二年宿根蔗進一步加重，基本上可以用于抗黑穗病評價。對發(fā)病率高于10%的材料數(shù)而言，似乎來自黑穗病高發(fā)區(qū)蔗種的第一年宿根蔗比來自非黑穗病高區(qū)蔗種的第二年宿根蔗更多，表明對于甘蔗黑穗病田間自然抗性測試，選用黑穗病高發(fā)區(qū)蔗種的宿根試驗進行抗病評價，其結(jié)果將會更好。

不同年度、不同時期黑穗病田間自然發(fā)病情況分析表明，新植蔗不宜用于黑穗病抗性評價，選用宿根蔗進行抗性評價時宜選用下半年試驗數(shù)據(jù)；如果試驗蔗種來自非黑穗病發(fā)病蔗區(qū)，宜選用第二年宿根試驗進行抗性評價；條件允許時，也可用發(fā)病蔗區(qū)蔗種的第二年宿根試驗進行評價。

2.2 抗黑穗病廣義遺傳力分析

為了進一步明確不同年度、不同時期調(diào)查結(jié)果是否可靠，對收集的試驗數(shù)據(jù)進行了黑穗病發(fā)病率的方差分析與廣義遺傳力計算。

2018新植試驗數(shù)據(jù)方差分解發(fā)現(xiàn)（表2），新植親本方差不存在，其親本方差占比和廣義遺傳力都為0；從選擇的角度看，無法對親本的黑穗病抗性進行有效選擇。說明即使在黑穗病高發(fā)蔗區(qū)，也不能用新植蔗田間自然發(fā)病進行抗性評價。2019 年宿根調(diào)查的數(shù)據(jù)中，不論是上半年調(diào)查數(shù)據(jù)還是下半年調(diào)查數(shù)據(jù)，其廣義遺傳力值均在69%以上，屬高遺傳力性狀；然而從親本方差占比與廣義遺傳力值看，上半年的都較下半年低，其結(jié)果與南非的研究一致[12]，表明用下半年的試驗數(shù)據(jù)評價親本黑穗病抗性將會更好。進行不同時期數(shù)據(jù)合并分析時發(fā)現(xiàn)，不論使用何種方式進行合并分析，親本方差占比都明顯下降，廣義遺傳力也隨之下降，而不同時期的方差占比明顯高于親本方差占比，一方面說明進行黑穗病抗病評價分析時不宜選用不同年度或不同時期的數(shù)據(jù)進行合并分析，另一方面也表明對于甘蔗黑穗病抗性評價，選擇適宜的調(diào)查時期尤為重要。

表2 甘蔗黑穗病發(fā)病率廣義遺傳力分析Table 2 Analysis of broad sense heritability of sugarcane smut incidence

2017 年新植試驗沒有重復(fù)，因此對不同時期的調(diào)查數(shù)據(jù)進行合并分析。從親本方差占比看，較高的分別是2018年和2019年同一年度不同時期數(shù)據(jù)合并分析，其方差占比分別為42.3%和25.1%，其它方式的數(shù)據(jù)合并分析的方差占比都低于同一年度數(shù)據(jù)合并分析。除個別數(shù)據(jù)合并分析外，時期的方差占比均略低于親本方差占比。從廣義遺傳力值看，不論何種方式的數(shù)據(jù)合并分析，均屬中低遺傳力性狀；說明進行田間抗黑穗病自然測定，設(shè)置重復(fù)將有利于提高鑒定效率。

親本抗黑穗病廣義遺傳力分析表明，黑穗病抗性屬高遺傳力性狀，進行抗黑穗病田間自然測定時設(shè)置重復(fù)將有利于提高鑒定效率。

2.3 抗黑穗病評價影響因素

黑穗病發(fā)生情況及遺傳力分析都發(fā)現(xiàn)，黑穗病發(fā)生受到多種因素的影響，為確定哪些因素顯著影響黑穗病發(fā)生，對所有調(diào)查數(shù)據(jù)合并進行隨機最佳建模分析。結(jié)果表明（表3），在方差顯著的變異來源中，年度對黑穗病發(fā)生影響最大，方差占比為25.44%；其次是作物季和親本，其方差占比分別占3.07%和1.32%；試驗類型和重復(fù)差異不顯著。在不同因子間互作中，除親本×試驗類型外，其它類型的互作都是不存在的；親本×試驗類型的方差占比為2.32%，高于親本，表明雖然蔗種來源對黑穗病的發(fā)生沒有直接影響，但將通過與親本互作間接地影響黑穗病的發(fā)生。計算的親本廣義遺傳力僅為7.28%，說明進行合并分析確實無法對親本的黑穗病抗性進行有效選擇。

表3 甘蔗黑穗病方差分析Table 3 Analysis of variance of sugarcane smut

最佳隨機模型計算的預(yù)測值表明，不同年度中最高的是2019 年，2018 年與2017 年相差不大；不同作物季中，新植最低、第一年宿根最高、第二年宿根居中。試驗類型的主效應(yīng)不存在，其作用主要通過與親本互作呈現(xiàn)，計算的親本×試驗類型的預(yù)測值表明，2017 試驗即使包括了第二年宿根蔗試驗，其黑穗病發(fā)病率的預(yù)測值仍略低于2018試驗。

黑穗病隨機最佳建模分析表明黑穗病發(fā)生受到年度、作物季、親本和親本×試驗類型等因素的顯著影響，不受作物季、重復(fù)及其它類型互作的影響。

2.4 黑穗病相關(guān)分析

為了解甘蔗黑穗病發(fā)生是否影響甘蔗其它性狀，對收集到的數(shù)據(jù)進行了相關(guān)分析（表4），發(fā)現(xiàn)黑穗病的發(fā)生與甘蔗主要農(nóng)藝性狀總苗數(shù)、株高、莖徑、單莖重、蔗產(chǎn)量和錘度等不存在顯著相關(guān)。然而與甘蔗有效莖的相關(guān)性則較為復(fù)雜，不論是2017 年試驗還是2018年試驗，雖然與新植、第一年宿根呈弱負相關(guān)，但都不顯著，因此對甘蔗產(chǎn)量沒有顯著影響；第二年宿根則明顯不同，黑穗病與甘蔗有效莖呈極顯著負相關(guān)，說明甘蔗黑穗病對有效莖的不利影響在第二年宿根才會明顯出現(xiàn)，因此第二年宿根的黑穗病發(fā)生將影響甘蔗產(chǎn)量。

表4 黑穗病發(fā)病率與其它性狀相關(guān)Table 4 Correlation among smut incidence and other traits

黑穗病發(fā)生與后期等級、抗性等級相關(guān)分析表明，他們之間是高度正相關(guān)的。親本的抗性等級與黑穗病發(fā)生的相關(guān)系數(shù)值都在0.94 以上；雖然黑穗病與后期等級存在極顯著正相關(guān)，但不同調(diào)查時期之間差異較大，如果病害發(fā)生重且兩者間調(diào)查時間不一致時則相關(guān)系數(shù)值將較低，如2019/6的數(shù)據(jù)；如果兩者調(diào)查時間一致則相關(guān)程較高，如2019/10的數(shù)據(jù)；表明后期等級是可以用于甘蔗親本抗黑穗病評價的。

甘蔗黑穗病相關(guān)分析表明，黑穗病發(fā)生對新植和第一年宿根的甘蔗農(nóng)藝性狀沒有顯著影響，然而隨著宿根年限的延長，黑穗病發(fā)生將顯著降低第二年宿根蔗有效莖而導(dǎo)致甘蔗減產(chǎn)；參照MAGAREY方法[15]調(diào)查的后期等級是可以用于甘蔗黑穗病抗性評價的。

2.5 親本黑穗病抗性評價

結(jié)合遺傳力分析、隨機建模分析，同時考慮2017 年試驗第二年宿根試驗中出現(xiàn)‘GT04-1023’、‘GT05-839’、‘YC89-7’、‘ROC25’和‘YZ03-422’等親本缺失，選用2018年試驗在2019年10月所調(diào)查的數(shù)據(jù)進行親本黑穗病抗性評價（表5）。結(jié)果表明，評價為1 級高抗的有‘YC89-7’和‘YZ06-80’等8 個親本，占測試親本的8.16%；評價為2 級抗病的有‘GT91-116’和‘GT09-1065’等9 個親本，占測試親本的9.18%；評價為3 級抗病的有‘ROC10’和‘YT92-4’等12 個親本，占測試親本的12.24%；評價為4 級中抗的有‘FR97-53’和‘GT10-2018’等6個親本，占測試親本的6.12%；評價為5級中感的有‘GT08-120’和‘GT02-833’等18個親本，占測試親本的18.37%；評價為6 級感病的有‘GT87-7’和‘GT05-955’等11 個親本，占測試親本的11.22%；評價為7級感病的有‘LC03-296’和‘GT06-178’等25 個親本，占測試親本的25.51%；評價為8 級高感的有‘CP07-1618’和‘GT05-ym3’等8個親本，占測試親本的8.16%；僅有‘GT06-1238’的抗性等級為9級高感。

表5 親本黑穗病抗性評價Table 5 Resistance to smut in evaluated parents

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 甘蔗黑穗病高發(fā)區(qū)田間自然鑒定

在甘蔗生產(chǎn)中，不同蔗區(qū)的黑穗病發(fā)病率是存在明顯差異的[12,14]，進行甘蔗黑穗病田間自然鑒定時，選擇黑穗病高發(fā)區(qū)進行試驗是必不可少的前提條件。將本試驗與本所海南雜交基地黑穗病抗性評價結(jié)果[17]相比，發(fā)現(xiàn)兩者間共有89個相同親本，海南評價的抗性等級較百色低2.99級，表明在海南評價獲得的抗病親本中仍有許多親本是感病的。事實上，在海南評價為抗病的73個親本中，在百色只有29個被評價為抗病親本，因此，超過60%的感病親本被誤判為抗病親本，所以選擇黑穗病高發(fā)區(qū)進行測試將有利于篩選甘蔗抗病親本。

然而，即使在黑穗病高發(fā)區(qū)測試，某些親本的評價結(jié)果仍可能存在抗性等級低偏的問題，如本試驗中‘ROC10’[18]等親本；觀察這些親本相關(guān)性狀發(fā)現(xiàn)，他們的脫葉性都相對較差，在試驗過程中蔗芽受到葉鞘有效保護，降低了蔗芽接觸黑穗病孢子的機率，導(dǎo)致其發(fā)病率較低。因此對于甘蔗黑穗病田間自然鑒定，脫葉性較差的品種其抗性評價等級仍可能存在偏低的問題。

3.1.2 甘蔗抗黑穗病育種

相對甘蔗抗花葉病育種[19]，黑穗病的抗病育種進展較為緩慢，與20 多年前相比[20]，雖然出現(xiàn)了8.16%的高抗親本，但是抗病親本的占有率并沒有提高，60%左右的感病親本現(xiàn)狀將為甘蔗抗黑穗病育種親本選配帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。分析其原因可能與下面一些因素有關(guān)，一是與2 新1 宿的區(qū)試方法有關(guān)，由于黑穗病的發(fā)生只有在第二年宿根才會對甘蔗有效莖造成極顯著的不利影響，因此2018 年前實行的2 新1 宿的區(qū)試方法是無法有效去除感黑穗病試驗材料的，因此作親本成為抗病親本的機率不高；事實上，實施1 新2 宿區(qū)試方法后，進行國家區(qū)試和廣西區(qū)試田間評估時發(fā)現(xiàn)，當試驗進入第二年宿根時，感病材料的黑穗病發(fā)生在黑穗病高發(fā)試驗區(qū)明顯增加。二是受早期試驗經(jīng)費的影響，開展黑穗病抗性接種鑒定的機會不多，即使近年來開展抗性鑒定工作，可能受試驗地點、病源物來源[21]等因素的影響，鑒定評價等級出現(xiàn)較大差異，導(dǎo)致育種者不易接受而影響了抗黑穗病育種工作的推進。三是，與澳大利亞相比，國內(nèi)抗黑穗育種進展緩慢還可能與鑒定時對照種設(shè)定有關(guān)。如果對抗性進行5級分類，原則上每個等級都應(yīng)有1～2個對照品種，一方面可以通過對照判斷試驗結(jié)果是否可靠，另一方面也可以在一定程度上克服因試驗發(fā)病程度不同而引起的抗性等級變化帶來的問題[22]。因此國內(nèi)進行甘蔗黑穗病抗性鑒定，應(yīng)建立一套與甘蔗生產(chǎn)相適應(yīng)的對照組試驗材料。

從甘蔗抗黑穗病育種的角度看，確定蔗區(qū)黑穗病抗性適應(yīng)等級對甘蔗新品種推廣應(yīng)用具有極為重要的意義。不同蔗區(qū)的黑穗病發(fā)生程度不同，對黑穗病發(fā)病相對較輕或無黑穗病蔗區(qū)應(yīng)推廣應(yīng)用與其黑穗病抗性等級相適應(yīng)的甘蔗新品種，有利于蔗區(qū)的甘蔗品種多樣化，實現(xiàn)甘蔗抗黑穗病分區(qū)育種，提高甘蔗抗黑穗病育種效率。

3.2 結(jié)論

試驗結(jié)果表明田間自然黑穗病發(fā)生在不同年度、不同時期存在較大差異，宿根蔗下半年的發(fā)病率相對較高，新植蔗不宜用于黑穗病抗性評價。黑穗病發(fā)病率屬較高遺傳力性狀，受到試驗?zāi)甓取⒆魑锛?、親本和親本×試驗類型互作等因素的影響；隨著甘蔗宿根年限的延長，甘蔗黑穗病發(fā)生將明顯降低第二年宿根蔗有效莖而導(dǎo)致甘蔗減產(chǎn)?？剐栽u價表明98 個測試親本中，有‘YC89-7’和‘YZ06-80’等29 個為抗病親本，占29.59%；有‘FR97-53’和‘GT10-2018’等6 個中抗親本，占6.12%；有‘GT08-120’和‘GT02-833’等18 個中感親本，占18.37%；有‘GT87-7’和‘GT05-955’等36個感病親本，占36.74%；有‘CP07-1618’和‘GT05-ym3’等9個高感親本，占9.18%。