國內甘蔗種質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

關鍵詞：甘蔗；種質資源；表型性狀；遺傳多樣性

中圖分類號：S566.1 文獻標識碼：A

甘蔗（Saccharum spp. hybrid）是我國重要的糖料和生物能源作物，具有高度的非整倍體、復雜的基因組、極端的雜合性等特點，遺傳背景復雜[1]。當前，我國甘蔗品種遺傳基礎比較狹窄，遺傳關系相近，導致雜交育種中有利性狀的遺傳增量變小，影響甘蔗優良品種的選育。因此，充分利用我國豐富的甘蔗種質資源，擴大遺傳基礎，實現甘蔗高產高糖高抗育種的新突破，是甘蔗育種在相當長時間內的首要任務。甘蔗種質資源的鑒定評價是資源合理利用的前提，通過表型性狀可以直觀、便捷地鑒定出育種目標[2-3]。因此，國內外學者通過農藝性狀、品質及抗逆性等相關表型性狀對甘蔗種質資源進行了廣泛的研究報道。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]通過表型性狀的鑒定評價對國內外甘蔗品種資源進行遺傳多樣性分析、聚類分析。還有不少學者針對甘蔗野生近緣屬種質資源如斑茅、割手密、滇蔗茅等表型變異、多樣性及聚類關系進行分析。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價鑒定可廣泛用于甘蔗種質資源的遺傳多樣性研究。目前，廣西農業科學院甘蔗種質資源圃保存有國內外資源1337 份，前期已對大部分國外種質進行了表型多樣性分析，但對國內甘蔗種質資源的多樣性缺乏了解，影響了高糖高產高抗新品種的選育。本研究通過表型性狀的評價和鑒定對160 份國內甘蔗品種資源進行遺傳多樣性分析，以期了解國內甘蔗種質資源的遺傳多樣性，豐富我國甘蔗資源表型數據庫信息，從各類型甘蔗種質資源中挖掘出對育種性狀改良有益的親本，為甘蔗種質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

材料來源于廣西壯族自治區農業科學院甘蔗種質資源圃保育的160 份國內甘蔗種質資源，包括來自福建的23 份、廣東的43 份、云南的23 份、海南的27 份、臺灣的23 份、其他的21 份（江西的3 份、四川的8 份、來源不詳的10 份），具體材料信息見表1。

1.2 方法

本研究在廣西壯族自治區農業科學院甘蔗種質資源圃進行。材料于2017 年3 月種植，單行栽培，隨機排列，行長5 m，行寬1.2 m，每米下種量為12 芽，常規田間管理。參照《甘蔗種質資源描述規范和數據標準》的方法[21]，調查和檢測成熟期每份材料的6 個數量性狀（株高、莖徑、錘度、有效莖、節間長度及黑穗病田間自然發病率）和20個質量性狀（氣生根、莖形、節間形狀、曝光前節間顏色、曝光后節間顏色、蠟粉帶、木栓、生長裂縫、生長帶形狀、根點排列、芽形、芽位、芽溝、葉姿、脫葉性、57 號毛群、內葉耳、外葉耳、蒲心和空心）。

1.3 數據處理

各性狀的原始數據通過Microsoft Excel 2017軟件進行處理，計算各性狀的最大值、最小值、平均值、極差和變異系數。為了便于數量化和統計分析，將質量性狀予以賦值（表2），數量性狀按照隸屬函數進行分級，采用SPSS 18.0 軟件分析各性狀的Shannon-Wiener 多樣性指數，計算公式為：H′=–ΣP_ilnP_i，其中Pi 為某一性狀第i 個級別出現的概率（引用）。聚類分析參考吳建濤等[9]的方法使用DPS18.10 進行，利用模糊隸屬函數計算出數量性狀的隸屬函數值，采用UPGMA 法進行聚類分析。隸屬函數R（X_i）=（X_i–X_min）/（X_max–X_min），式中，X_i 為指標測定值；X_max、X_min為所有參試材料某一指標的最大值和最小值。

2 結果與分析

2.1 質量性狀遺傳多樣性分析

質量性狀的多樣性指數反映了性狀在不同級別上的分布情況，對160 份甘蔗種質資源的20 個質量性狀進行遺傳多樣性分析，如表3 所示。其遺傳多樣性指數變化范圍在0.07～1.40 之間，平均為0.84，芽型和內葉耳形狀的變異類型較為豐富，遺傳多樣性指數相對較高，分別為1.40 和1.39，其中芽型的多樣性指數最高（1.40），主要以卵圓形為主，頻率為52.50%，占到總材料數一半，有36.25%的材料內葉耳性狀為三角形。莖形的遺傳多樣性最小，僅為0.07，98.75%表現為直立莖形。

2.2 數量性狀遺傳多樣性分析

對供試的160 份甘蔗種質材料的5 個數量性狀（株高、莖徑、有效莖、錘度和節間長度）進行均值、極差、標準差、變異系數和遺傳多樣性指數（H′）的統計分析，結果見表4。多樣性指數分布在1.46～1.83 之間，平均多樣性指數值為1.64。其中株高的多樣性指數最高（1.83），其次是莖徑、錘度、節間長度、有效莖，多樣性指數值均大于1。

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

2.3 數量性狀變異系數分析

從表 5 可以看出，不同地區供試材料的平均變異系數為13.56%～22.33%，其中株高以海南的最大（10.15%），廣東的最?。?.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以海南的最大（13.52%），臺灣的最?。?5.00% ）； 有效莖數以海南的最大（48.06%），福建的最?。?4.21%）；節間長度以臺灣的最大（26.13%），云南的最?。?3.21%）。從各性狀變異系數的平均值來看，來自海南的品種群體的變異系數最大（22.33%），數量性狀的離散程度最大；來自福建地區的品種群體的變異系數最?。?3.56%）。因為數量性狀是作物品質的重要體現，品種選育的主要檢測指標，因此在實際的品種選育過程中，應對具有豐富數量性狀遺傳變異的品種群體進行優先評價和利用，如分子遺傳關系評價、優異數量性狀品種親本的篩選。

2.4 甘蔗種質資源優異性狀綜合分析

對供試的160 份甘蔗種質材料的5 個數量性狀（株高、莖徑、有效莖、錘度和節間長度）排名前十的材料進行統計分析，結果見表6。在各性狀篩選出的前10 份材料中可以看出，臺灣品種（系）的株高占比較高；廣東品種（系）莖徑較粗，占6 個，余下4 個均為臺灣品種（系）；錘度較高的為廣東和云南，各占3 個；有效莖數排名前五的均為海南品種（系），占5 個；在節間長度性狀方面，海南、廣東、云南、福建和臺灣品種（系）各占2 個。對各數量性狀篩選出的前10 份材料進行優異性狀綜合分析，有2 個性狀排名前10 的材料有6 個，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 個性狀排名前10 的材料有2 個，分別是粵糖91-976、臺98-1606，由此說明大部分材料難以兼顧產量和糖分，應根據育種目標選擇相應的材料作為育種親本。

2.5 甘蔗品種（系）間黑穗病發病情況

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

2.6 聚類分析

利用 DPS18.0 數據統計軟件，對160 份甘蔗種質資源的數量性狀進行聚類分析（圖1），在遺傳距離為3.25 處聚為7 大組群，不同組群甘蔗種質的表型性狀具有一定差異（表8）。

第 1 組群只包括1 份來自海南的崖城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。該種質資源錘度較低，主要做為抗性材料利用。

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

第 3 組群包含1 份材料，來自海南的崖城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；有效莖數少。主要作為中間材料來利用。

第 4 組群包含3 份材料，其中2 份材料是來自廣東的粵糖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；有效莖數中等。該類資源符合培育高產高糖的甘蔗品種。

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

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

3 討論

植物表型性狀的多樣性是遺傳多樣性與環境多樣性的綜合體現，對表型性狀的研究可以從整體上了解研究對象的多樣性程度。近年來隨著育種進程的加快，使得甘蔗雜交育種主要集中在少數性狀優良的親本上，導致甘蔗種質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，甚至可能達到了某種形式的極限。育種工作者已深刻認識到要繼續提高甘蔗的育種水平，必須提高育種基礎材料的遺傳多樣性。因此，調查和分析甘蔗種質資源的表型性狀，既是種質資源研究的首要工作，也是甘蔗育種的基礎工作，同時也是一種簡便有效的方法。本研究從表型性狀的角度對160 份甘蔗種質資源進行系統分析，為現有甘蔗資源的有效利用提供理論依據。分析甘蔗遺傳多樣性的指標包括變異系數和多樣性指數。多樣性指數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，在形態多樣性的研究中，多樣性指數越高，表明形態性狀的多樣性越豐富，Shannon-Weiner 多樣性指數被廣泛應用于表型性狀中質量性狀的多樣性評價[22]。本研究分別利用變異系數和多樣性指數對現有的甘蔗資源進行系統的遺傳多樣性分析，通過表型變異簡便經濟地對甘蔗的遺傳多樣性做出了評價。

3.1 甘蔗種質資源性狀的遺傳多樣性分析

在農藝性狀中株高、莖徑、有效莖數、節間長度這4 項指標是培育甘蔗高產品種的首要考量指標，變異系數大的性狀說明從該群體中選出具有該性狀的優良個體的幾率大[23]。本研究表明，數量性狀變異系數大小順序為有效莖＞節間長度＞莖徑＞株高，群體中有效莖的離散程度最大；質量性狀的遺傳變異主要來自芽型、芽位、曝光前后節間顏色、內外葉耳形狀、57 號毛群7 個性狀，其多樣性指數都大于1，這些性狀可作為甘蔗育種親本評價和選擇的主要形態指標。本研究發現，變異系數最大的性狀有效莖數（38.26%），其遺傳多樣性指數最低，為1.46；而株高的變異系數最小，僅有8.74%，但其遺傳多樣性指數最大，為1.83。變異系數與遺傳多樣性指數之間變化趨勢不一致，不存在相關關系，可能的原因是數量性狀受多基因控制，易受到環境影響，而質量性狀的遺傳受環境影響較小，比較穩定。如有效莖受非加性基因效應所制約，株高受父母本加性基因效應和非加性基因效應所制約，莖徑受母本加性基因效應和非加性基因效應所制約[24]。

本研究對來自8 個不同來源地的甘蔗資源進行統計分析，發現不同來源地資源之間差異不大，變異系數范圍為13.56%～22.33%。其中來自海南的品種資源遺傳變異系數最大，和前人研究結論一致[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，嚴重影響甘蔗的產量和品質，可使甘蔗產量損失10%～50%，糖分下降0.5～1 個百分點，威脅到甘蔗產業的穩定和發展[26]。隨著黑穗病的發生呈日趨加重的勢態，特別在宿根蔗地上更為嚴重，抗黑穗病品種的選育尤為重要。本研究對供試的160份材料進行了黑穗病調查，結果發現有40 份材料發病，發病率為5.07%～8.73%，對照ROC22 自然發病率為18%，福建地區來源的品種（系）發病材料比例最高，廣東品種（系）感病材料比例最低。前人研究發現：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，發病率為7.25%，與前人研究結果略有差異。有研究表明黑穗病發生受到年度、作物季、親本和親本×試驗類型等因素的顯著影響[30]，因此，對黑穗病的評價應多年多點進行。目前，我國在抗病育種方面還比較落后，甘蔗抗黑穗病親本相對較少，需加強抗病育種材料（野生資源）的收集、抗性評價和利用工作。有研究表明，不同的甘蔗病害之間互相影響[30]，因此，從長遠來看，應全面開展雜交親本材料以及主栽品種的各類病害抗性評價。此外，開展抗病連鎖分子標記研究，將常規育種和生物技術育種相結合，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5 個數量性狀（株高、莖徑、有效莖、錘度和節間長度）對160 份甘蔗品種（系）進行了聚類分析，使其性狀相近的聚為一類，從而克服了僅以個別性狀進行直觀、經驗性分類的弊端。該方法是甘蔗種質資源分類的有效方法。通過聚類分析，明確了甘蔗種質資源的不同類型，根據育種目標可以選擇性狀互補的親本配制組合，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的親本，第5 類群為高糖高產育種目標的親本，第6 類群為選育株高和有效莖數多的育種目標的親本，第7 類群為增加有效莖育種目標的親本。從聚類結果來看，90.62%的種質聚集在第5 類群，間接反映了我國甘蔗種質資源的遺傳基礎較為狹窄。隨著甘蔗產業發展與升級，甘蔗育種目標將呈現出多元化趨勢，除了高糖、高產外，也更加注重宿根性、抗病性、抗逆性、耐壓性、營養高效，適宜全程機械化等。根據當前甘蔗育種目標的需要，采用最佳方案，從聚類結果中選擇相應的親本材料進行種質資源的優化組合，選育出具有不同利用價值的甘蔗品種。由于農藝性狀易受自然環境和人為因素的影響，并且反映的信息有限，以致于根據農藝性狀來分析種質資源間的遺傳變異，難以詳細、準確地闡明其遺傳變異情況。因此，應針對現有甘蔗種質資源的表型多態性，對其進行更深入的鑒定，充分利用各種細胞生物學及分子生物學方法，從甘蔗種質資源中發掘有利基因，進行基因推導定位，并與常規育種相結合，挖掘和利用其育種潛力，為促進甘蔗性狀的遺傳改良提供更可靠的依據。