國(guó)內(nèi)甘蔗種質(zhì)資源表型性狀的遺傳多樣性分析

周珊　黃玉新　段維興?　高軼靜　楊翠芳　周忠鳳　陸衫羽　張革民　張保青

關(guān)鍵詞：甘蔗；種質(zhì)資源；表型性狀；遺傳多樣性

中圖分類號(hào)：S566.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

甘蔗（Saccharum spp. hybrid）是我國(guó)重要的糖料和生物能源作物，具有高度的非整倍體、復(fù)雜的基因組、極端的雜合性等特點(diǎn)，遺傳背景復(fù)雜[1]。當(dāng)前，我國(guó)甘蔗品種遺傳基礎(chǔ)比較狹窄，遺傳關(guān)系相近，導(dǎo)致雜交育種中有利性狀的遺傳增量變小，影響甘蔗優(yōu)良品種的選育。因此，充分利用我國(guó)豐富的甘蔗種質(zhì)資源，擴(kuò)大遺傳基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)甘蔗高產(chǎn)高糖高抗育種的新突破，是甘蔗育種在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的首要任務(wù)。甘蔗種質(zhì)資源的鑒定評(píng)價(jià)是資源合理利用的前提，通過(guò)表型性狀可以直觀、便捷地鑒定出育種目標(biāo)[2-3]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)農(nóng)藝性狀、品質(zhì)及抗逆性等相關(guān)表型性狀對(duì)甘蔗種質(zhì)資源進(jìn)行了廣泛的研究報(bào)道。如劉新龍等[4]、昝逢剛等[5]、YANG 等[6]、唐仕云等[7]、TANG 等[8]、吳建濤等[9]、黃玉新等[10]、龐新華等[11]、謝靜等[12]通過(guò)表型性狀的鑒定評(píng)價(jià)對(duì)國(guó)內(nèi)外甘蔗品種資源進(jìn)行遺傳多樣性分析、聚類分析。還有不少學(xué)者針對(duì)甘蔗野生近緣屬種質(zhì)資源如斑茅、割手密、滇蔗茅等表型變異、多樣性及聚類關(guān)系進(jìn)行分析。如鄧念丹[13]、黃忠興等[14]、劉新龍等[15]、陸鑫等[16]、徐超華等[17]、XU 等[18]、黃玉新等[19]、WU 等[1]、王春芳等[20]。上述研究表明表型性狀的評(píng)價(jià)鑒定可廣泛用于甘蔗種質(zhì)資源的遺傳多樣性研究。目前，廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗種質(zhì)資源圃保存有國(guó)內(nèi)外資源1337 份，前期已對(duì)大部分國(guó)外種質(zhì)進(jìn)行了表型多樣性分析，但對(duì)國(guó)內(nèi)甘蔗種質(zhì)資源的多樣性缺乏了解，影響了高糖高產(chǎn)高抗新品種的選育。本研究通過(guò)表型性狀的評(píng)價(jià)和鑒定對(duì)160 份國(guó)內(nèi)甘蔗品種資源進(jìn)行遺傳多樣性分析，以期了解國(guó)內(nèi)甘蔗種質(zhì)資源的遺傳多樣性，豐富我國(guó)甘蔗資源表型數(shù)據(jù)庫(kù)信息，從各類型甘蔗種質(zhì)資源中挖掘出對(duì)育種性狀改良有益的親本，為甘蔗種質(zhì)資源的利用及品種選育等提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 材料

材料來(lái)源于廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗種質(zhì)資源圃保育的160 份國(guó)內(nèi)甘蔗種質(zhì)資源，包括來(lái)自福建的23 份、廣東的43 份、云南的23 份、海南的27 份、臺(tái)灣的23 份、其他的21 份（江西的3 份、四川的8 份、來(lái)源不詳?shù)?0 份），具體材料信息見(jiàn)表1。

1.2 方法

本研究在廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗種質(zhì)資源圃進(jìn)行。材料于2017 年3 月種植，單行栽培，隨機(jī)排列，行長(zhǎng)5 m，行寬1.2 m，每米下種量為12 芽，常規(guī)田間管理。參照《甘蔗種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》的方法[21]，調(diào)查和檢測(cè)成熟期每份材料的6 個(gè)數(shù)量性狀（株高、莖徑、錘度、有效莖、節(jié)間長(zhǎng)度及黑穗病田間自然發(fā)病率）和20個(gè)質(zhì)量性狀（氣生根、莖形、節(jié)間形狀、曝光前節(jié)間顏色、曝光后節(jié)間顏色、蠟粉帶、木栓、生長(zhǎng)裂縫、生長(zhǎng)帶形狀、根點(diǎn)排列、芽形、芽位、芽溝、葉姿、脫葉性、57 號(hào)毛群、內(nèi)葉耳、外葉耳、蒲心和空心）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

各性狀的原始數(shù)據(jù)通過(guò)Microsoft Excel 2017軟件進(jìn)行處理，計(jì)算各性狀的最大值、最小值、平均值、極差和變異系數(shù)。為了便于數(shù)量化和統(tǒng)計(jì)分析，將質(zhì)量性狀予以賦值（表2），數(shù)量性狀按照隸屬函數(shù)進(jìn)行分級(jí)，采用SPSS 18.0 軟件分析各性狀的Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)，計(jì)算公式為：H′=–ΣP_ilnP_i，其中Pi 為某一性狀第i 個(gè)級(jí)別出現(xiàn)的概率（引用）。聚類分析參考吳建濤等[9]的方法使用DPS18.10 進(jìn)行，利用模糊隸屬函數(shù)計(jì)算出數(shù)量性狀的隸屬函數(shù)值，采用UPGMA 法進(jìn)行聚類分析。隸屬函數(shù)R（X_i）=（X_i–X_min）/（X_max–X_min），式中，X_i 為指標(biāo)測(cè)定值；X_max、X_min為所有參試材料某一指標(biāo)的最大值和最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量性狀遺傳多樣性分析

質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)反映了性狀在不同級(jí)別上的分布情況，對(duì)160 份甘蔗種質(zhì)資源的20 個(gè)質(zhì)量性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析，如表3 所示。其遺傳多樣性指數(shù)變化范圍在0.07～1.40 之間，平均為0.84，芽型和內(nèi)葉耳形狀的變異類型較為豐富，遺傳多樣性指數(shù)相對(duì)較高，分別為1.40 和1.39，其中芽型的多樣性指數(shù)最高（1.40），主要以卵圓形為主，頻率為52.50%，占到總材料數(shù)一半，有36.25%的材料內(nèi)葉耳性狀為三角形。莖形的遺傳多樣性最小，僅為0.07，98.75%表現(xiàn)為直立莖形。

2.2 數(shù)量性狀遺傳多樣性分析

對(duì)供試的160 份甘蔗種質(zhì)材料的5 個(gè)數(shù)量性狀（株高、莖徑、有效莖、錘度和節(jié)間長(zhǎng)度）進(jìn)行均值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和遺傳多樣性指數(shù)（H′）的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表4。多樣性指數(shù)分布在1.46～1.83 之間，平均多樣性指數(shù)值為1.64。其中株高的多樣性指數(shù)最高（1.83），其次是莖徑、錘度、節(jié)間長(zhǎng)度、有效莖，多樣性指數(shù)值均大于1。

觀察 5 個(gè)數(shù)量性狀的變異系數(shù)可發(fā)現(xiàn)，160份供試材料存在不同程度的變異，變異系數(shù)在8.74%～38.26%之間，平均為17.69%，其中有效莖、莖徑和節(jié)間長(zhǎng)度具有較大的離散程度，有效莖的變異系數(shù)最大（38.26%），其他性狀的變異系數(shù)較小、變異程度較低，變異程度最小的性狀為株高（8.74%）。綜合各數(shù)量性狀的極差、變異系數(shù)、多樣性指數(shù)，數(shù)量性狀中有效莖呈現(xiàn)出明顯的遺傳差異。

2.3 數(shù)量性狀變異系數(shù)分析

從表 5 可以看出，不同地區(qū)供試材料的平均變異系數(shù)為13.56%～22.33%，其中株高以海南的最大（10.15%），廣東的最小（7.26%）；莖徑以海南的最大（14.50%），福建的最?。?.17%）；田間錘度的變異系數(shù)以海南的最大（13.52%），臺(tái)灣的最小（ 5.00% ）； 有效莖數(shù)以海南的最大（48.06%），福建的最?。?4.21%）；節(jié)間長(zhǎng)度以臺(tái)灣的最大（26.13%），云南的最小（13.21%）。從各性狀變異系數(shù)的平均值來(lái)看，來(lái)自海南的品種群體的變異系數(shù)最大（22.33%），數(shù)量性狀的離散程度最大；來(lái)自福建地區(qū)的品種群體的變異系數(shù)最?。?3.56%）。因?yàn)閿?shù)量性狀是作物品質(zhì)的重要體現(xiàn)，品種選育的主要檢測(cè)指標(biāo)，因此在實(shí)際的品種選育過(guò)程中，應(yīng)對(duì)具有豐富數(shù)量性狀遺傳變異的品種群體進(jìn)行優(yōu)先評(píng)價(jià)和利用，如分子遺傳關(guān)系評(píng)價(jià)、優(yōu)異數(shù)量性狀品種親本的篩選。

2.4 甘蔗種質(zhì)資源優(yōu)異性狀綜合分析

對(duì)供試的160 份甘蔗種質(zhì)材料的5 個(gè)數(shù)量性狀（株高、莖徑、有效莖、錘度和節(jié)間長(zhǎng)度）排名前十的材料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表6。在各性狀篩選出的前10 份材料中可以看出，臺(tái)灣品種（系）的株高占比較高；廣東品種（系）莖徑較粗，占6 個(gè)，余下4 個(gè)均為臺(tái)灣品種（系）；錘度較高的為廣東和云南，各占3 個(gè)；有效莖數(shù)排名前五的均為海南品種（系），占5 個(gè)；在節(jié)間長(zhǎng)度性狀方面，海南、廣東、云南、福建和臺(tái)灣品種（系）各占2 個(gè)。對(duì)各數(shù)量性狀篩選出的前10 份材料進(jìn)行優(yōu)異性狀綜合分析，有2 個(gè)性狀排名前10 的材料有6 個(gè)，分別是崖城90-95、崖城76-186、云野07-70、云蔗68-154、粵糖89-240、珠江57-32；有3 個(gè)性狀排名前10 的材料有2 個(gè)，分別是粵糖91-976、臺(tái)98-1606，由此說(shuō)明大部分材料難以兼顧產(chǎn)量和糖分，應(yīng)根據(jù)育種目標(biāo)選擇相應(yīng)的材料作為育種親本。

2.5 甘蔗品種（系）間黑穗病發(fā)病情況

從 160 份甘蔗品種（系）中檢測(cè)到共有40 份材料感染黑穗?。ū?）。其中，福建品種（系）發(fā)病材料占比數(shù)最高，占其參試品種（系）的43.48%；廣東品種（系）發(fā)病材料占比數(shù)最小，為16.28%。臺(tái)灣品種（系）黑穗病平均發(fā)病率最高，為8.73%，說(shuō)明臺(tái)灣品種（系）最易感染黑穗病。其余大部分品種（系）抗性較好，黑穗病平均發(fā)病率范圍在5.07%～8.73%之間，其中，海南品種（系）對(duì)黑穗病的抵抗能力最強(qiáng)，平均發(fā)病率為5.07%。

2.6 聚類分析

利用 DPS18.0 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件，對(duì)160 份甘蔗種質(zhì)資源的數(shù)量性狀進(jìn)行聚類分析（圖1），在遺傳距離為3.25 處聚為7 大組群，不同組群甘蔗種質(zhì)的表型性狀具有一定差異（表8）。

第 1 組群只包括1 份來(lái)自海南的崖城96-45。其主要特征是株高較高，莖徑粗，有效莖中等，但錘度最低，為10.0。該種質(zhì)資源錘度較低，主要做為抗性材料利用。

第 2 組群包含1 個(gè)材料，來(lái)自廣東的粵糖57-423。其主要特征是株高中等，莖徑最粗，錘度中等，有效莖數(shù)最少。這一類群的資源可作為增加莖徑育種目標(biāo)選育的雜交親本。

第 3 組群包含1 份材料，來(lái)自海南的崖城71-119。其各方面性狀相比較其他類群的甘蔗品種（系）差，株高最矮，為184.0 cm；莖徑中等；錘度中等；有效莖數(shù)少。主要作為中間材料來(lái)利用。

第 4 組群包含3 份材料，其中2 份材料是來(lái)自廣東的粵糖96-794 和粵糖56-568，1 份為福建的閩糖86-877。這一類資源株高平均值最高，莖徑較粗，但錘度較低，平均值為15.44；有效莖數(shù)少。該類甘蔗可作為選育外形高大的甘蔗親本。

第 5 組群材料最多（145 份），占90.62%，包括廣東102 份，四川53 份，海南39 份，江西2份，福建60 份，云南20 份，四川1 份，其他地區(qū)7 份。其主要特征為：大部分株高較高，莖徑較粗，錘度平均值最高；有效莖數(shù)中等。該類資源符合培育高產(chǎn)高糖的甘蔗品種。

第 6 組群包含8 份材料，其中來(lái)源于海南4份，來(lái)源于福建2 份，來(lái)源于廣東1 份，來(lái)源于四川1 份。主要表現(xiàn)為株高較高，莖徑平均值最低；錘度中等；有效莖數(shù)較多。此類材料可作為株高和有效莖數(shù)育種目標(biāo)的親本。

第 7 組群包含1 份材料，來(lái)源于海南的崖城58-21。主要表現(xiàn)為有效莖數(shù)最多，株高、莖徑和錘度表現(xiàn)中等。該品種含野生種質(zhì)資源割手密的血緣，因此有效莖數(shù)多達(dá)123 條。此類材料可以作為增加有效莖數(shù)育種目標(biāo)的親本。

3 討論

植物表型性狀的多樣性是遺傳多樣性與環(huán)境多樣性的綜合體現(xiàn)，對(duì)表型性狀的研究可以從整體上了解研究對(duì)象的多樣性程度。近年來(lái)隨著育種進(jìn)程的加快，使得甘蔗雜交育種主要集中在少數(shù)性狀優(yōu)良的親本上，導(dǎo)致甘蔗種質(zhì)基因的遺傳總變異縮小，大部分新育成品種的有利性狀的變異幅度減小，甚至可能達(dá)到了某種形式的極限。育種工作者已深刻認(rèn)識(shí)到要繼續(xù)提高甘蔗的育種水平，必須提高育種基礎(chǔ)材料的遺傳多樣性。因此，調(diào)查和分析甘蔗種質(zhì)資源的表型性狀，既是種質(zhì)資源研究的首要工作，也是甘蔗育種的基礎(chǔ)工作，同時(shí)也是一種簡(jiǎn)便有效的方法。本研究從表型性狀的角度對(duì)160 份甘蔗種質(zhì)資源進(jìn)行系統(tǒng)分析，為現(xiàn)有甘蔗資源的有效利用提供理論依據(jù)。分析甘蔗遺傳多樣性的指標(biāo)包括變異系數(shù)和多樣性指數(shù)。多樣性指數(shù)不僅能夠反映變異范圍的大小，而且還能反映出基因型頻率的分布，在形態(tài)多樣性的研究中，多樣性指數(shù)越高，表明形態(tài)性狀的多樣性越豐富，Shannon-Weiner 多樣性指數(shù)被廣泛應(yīng)用于表型性狀中質(zhì)量性狀的多樣性評(píng)價(jià)[22]。本研究分別利用變異系數(shù)和多樣性指數(shù)對(duì)現(xiàn)有的甘蔗資源進(jìn)行系統(tǒng)的遺傳多樣性分析，通過(guò)表型變異簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)地對(duì)甘蔗的遺傳多樣性做出了評(píng)價(jià)。

3.1 甘蔗種質(zhì)資源性狀的遺傳多樣性分析

在農(nóng)藝性狀中株高、莖徑、有效莖數(shù)、節(jié)間長(zhǎng)度這4 項(xiàng)指標(biāo)是培育甘蔗高產(chǎn)品種的首要考量指標(biāo)，變異系數(shù)大的性狀說(shuō)明從該群體中選出具有該性狀的優(yōu)良個(gè)體的幾率大[23]。本研究表明，數(shù)量性狀變異系數(shù)大小順序?yàn)橛行o＞節(jié)間長(zhǎng)度＞莖徑＞株高，群體中有效莖的離散程度最大；質(zhì)量性狀的遺傳變異主要來(lái)自芽型、芽位、曝光前后節(jié)間顏色、內(nèi)外葉耳形狀、57 號(hào)毛群7 個(gè)性狀，其多樣性指數(shù)都大于1，這些性狀可作為甘蔗育種親本評(píng)價(jià)和選擇的主要形態(tài)指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，變異系數(shù)最大的性狀有效莖數(shù)（38.26%），其遺傳多樣性指數(shù)最低，為1.46；而株高的變異系數(shù)最小，僅有8.74%，但其遺傳多樣性指數(shù)最大，為1.83。變異系數(shù)與遺傳多樣性指數(shù)之間變化趨勢(shì)不一致，不存在相關(guān)關(guān)系，可能的原因是數(shù)量性狀受多基因控制，易受到環(huán)境影響，而質(zhì)量性狀的遺傳受環(huán)境影響較小，比較穩(wěn)定。如有效莖受非加性基因效應(yīng)所制約，株高受父母本加性基因效應(yīng)和非加性基因效應(yīng)所制約，莖徑受母本加性基因效應(yīng)和非加性基因效應(yīng)所制約[24]。

本研究對(duì)來(lái)自8 個(gè)不同來(lái)源地的甘蔗資源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)不同來(lái)源地資源之間差異不大，變異系數(shù)范圍為13.56%～22.33%。其中來(lái)自海南的品種資源遺傳變異系數(shù)最大，和前人研究結(jié)論一致[25]。因此可以考慮多從海南品種資源中選取適合的品種（系）作為甘蔗育種親本。

3.2 病害分析

甘蔗黑穗病是一種世界性的重要真菌病害，嚴(yán)重影響甘蔗的產(chǎn)量和品質(zhì)，可使甘蔗產(chǎn)量損失10%～50%，糖分下降0.5～1 個(gè)百分點(diǎn)，威脅到甘蔗產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定和發(fā)展[26]。隨著黑穗病的發(fā)生呈日趨加重的勢(shì)態(tài)，特別在宿根蔗地上更為嚴(yán)重，抗黑穗病品種的選育尤為重要。本研究對(duì)供試的160份材料進(jìn)行了黑穗病調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有40 份材料發(fā)病，發(fā)病率為5.07%～8.73%，對(duì)照ROC22 自然發(fā)病率為18%，福建地區(qū)來(lái)源的品種（系）發(fā)病材料比例最高，廣東品種（系）感病材料比例最低。前人研究發(fā)現(xiàn)：ROC22 高感黑穗病，ROC20、粵糖00-236、粵糖93-159、云蔗03-258 未感染黑穗病[27-29]。本研究中，ROC20、粵糖00-236、粵糖93-159 均未感染黑穗病，云蔗03-258 感染黑穗病，發(fā)病率為7.25%，與前人研究結(jié)果略有差異。有研究表明黑穗病發(fā)生受到年度、作物季、親本和親本×試驗(yàn)類型等因素的顯著影響[30]，因此，對(duì)黑穗病的評(píng)價(jià)應(yīng)多年多點(diǎn)進(jìn)行。目前，我國(guó)在抗病育種方面還比較落后，甘蔗抗黑穗病親本相對(duì)較少，需加強(qiáng)抗病育種材料（野生資源）的收集、抗性評(píng)價(jià)和利用工作。有研究表明，不同的甘蔗病害之間互相影響[30]，因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，應(yīng)全面開(kāi)展雜交親本材料以及主栽品種的各類病害抗性評(píng)價(jià)。此外，開(kāi)展抗病連鎖分子標(biāo)記研究，將常規(guī)育種和生物技術(shù)育種相結(jié)合，有利于縮短育種周期。

3.3 聚類分析

本研究借助于聚類分析方法，依據(jù)5 個(gè)數(shù)量性狀（株高、莖徑、有效莖、錘度和節(jié)間長(zhǎng)度）對(duì)160 份甘蔗品種（系）進(jìn)行了聚類分析，使其性狀相近的聚為一類，從而克服了僅以個(gè)別性狀進(jìn)行直觀、經(jīng)驗(yàn)性分類的弊端。該方法是甘蔗種質(zhì)資源分類的有效方法。通過(guò)聚類分析，明確了甘蔗種質(zhì)資源的不同類型，根據(jù)育種目標(biāo)可以選擇性狀互補(bǔ)的親本配制組合，使甘蔗育種中親本的選配更趨合理。本研究把160 份甘蔗種質(zhì)資源分為7 大類，第1 類群糖分低，不易用作高糖親本，第2 類群為培育大莖育種目標(biāo)的親本，第3類群的有益性狀不明顯，第4 類群為培育高大型育種目標(biāo)的親本，第5 類群為高糖高產(chǎn)育種目標(biāo)的親本，第6 類群為選育株高和有效莖數(shù)多的育種目標(biāo)的親本，第7 類群為增加有效莖育種目標(biāo)的親本。從聚類結(jié)果來(lái)看，90.62%的種質(zhì)聚集在第5 類群，間接反映了我國(guó)甘蔗種質(zhì)資源的遺傳基礎(chǔ)較為狹窄。隨著甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展與升級(jí)，甘蔗育種目標(biāo)將呈現(xiàn)出多元化趨勢(shì)，除了高糖、高產(chǎn)外，也更加注重宿根性、抗病性、抗逆性、耐壓性、營(yíng)養(yǎng)高效，適宜全程機(jī)械化等。根據(jù)當(dāng)前甘蔗育種目標(biāo)的需要，采用最佳方案，從聚類結(jié)果中選擇相應(yīng)的親本材料進(jìn)行種質(zhì)資源的優(yōu)化組合，選育出具有不同利用價(jià)值的甘蔗品種。由于農(nóng)藝性狀易受自然環(huán)境和人為因素的影響，并且反映的信息有限，以致于根據(jù)農(nóng)藝性狀來(lái)分析種質(zhì)資源間的遺傳變異，難以詳細(xì)、準(zhǔn)確地闡明其遺傳變異情況。因此，應(yīng)針對(duì)現(xiàn)有甘蔗種質(zhì)資源的表型多態(tài)性，對(duì)其進(jìn)行更深入的鑒定，充分利用各種細(xì)胞生物學(xué)及分子生物學(xué)方法，從甘蔗種質(zhì)資源中發(fā)掘有利基因，進(jìn)行基因推導(dǎo)定位，并與常規(guī)育種相結(jié)合，挖掘和利用其育種潛力，為促進(jìn)甘蔗性狀的遺傳改良提供更可靠的依據(jù)。