新时期甜菜种质资源的保存评价及创新

李满红，邵 科，银 赛，赵玲玲，于 超

(1.内蒙古自治区生物技术研究院；2.内蒙古自治区特色植物分子生物学重点实验室，呼和浩特 010070；3.内蒙古农业大学，呼和浩特 010018))

0 前言

甜菜是我国两大糖料作物(甘蔗、甜菜)之一，也是我国北方重要的经济作物。内蒙古、新疆、黑龙江以及甘肃省河西走廊、河北省张家口北部等是主要的甜菜糖生产地区，甜菜种植也是当地农民脱贫致富的重要途径之一。种子是最基本的农业生产资料，优良品种在生产上的重要性越来越受到世人的广泛关注，总体来说我国甜菜品种除了在含糖方面略有优势以外，和国外发达国家引进品种综合比较还有很大差距。究其原因，与我国甜菜优良种质资源数量匮乏，具有丰产、高糖、优质、抗病等综合性状好的优异种质资源奇缺有密切关系。新时期要想在育种上有所突破，必须从重视甜菜品种资源的保护和创新上做起，才有可能培育出综合性状优良、适应不同生态区域种植的品种，为我国甜菜糖业的健康可持续发展提供科技支撑。

1 甜菜的起源及分类

1.1 甜菜的起源

关于甜菜的起源，说法不尽相同。但是大家比较普遍认同的是甜菜于公元前2000-1000年起源于底格拉斯河和幼发拉底河流域，大约公元10世纪左右传到地中海沿岸各国，约12世纪前后传到西欧。甜菜最早是被当做园艺植物进行栽培的，直到1747年德国化学家马格拉夫发现甜菜中含有与甘蔗中一样的蔗糖之后，特别他的学生阿恰德把甜菜中的含糖通过育种提高到了7%以上，并且育成了世界上第一个甜菜品种——“白色西里西亚”之后，引起了人们的广泛重视。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，甜菜制糖产业渐趋成熟，现已成为传统产业。

1.2 甜菜的分类

甜菜(Betavulgaris.L)属于藜科(Chenopodiaceae)甜菜属(Beta)。根据卓西莫维奇分类法，将甜菜属分为三组15个种(14个野生种+1个栽培种)。栽培甜菜人们根据其用途通常分为4种类型，即叶用甜菜(俗称厚皮菜)、食用甜菜又称红甜菜(俗称火焰菜)、饲用甜菜和糖用甜菜。本文所讨论的甜菜系指糖用甜菜。

2 我国的甜菜种质资源

2.1 我国引进的甜菜种质资源

上世纪初直至新中国成立之前，在我国东北及山东开始试种甜菜，并建立了为数不多的几家糖厂，所用甜菜种子由波兰、俄罗斯等国引进，没有专门机构开展甜菜种子培育和研究。华北、西北只有零星种植，没有建设糖厂。新中国成立之后，我国迎来了甜菜糖业的快速发展时期。上世纪五十年代起在东三省，内蒙古、山西、宁夏、甘肃、新疆相继新建糖厂，所用种子主要从前苏联及东欧国家引进。

上世纪五十年代中后期，国内开始建立专门的甜菜研发机构，逐步开始了甜菜种质资源的收集研究工作。国内的甜菜种质资源十分有限，只有少数的几个地方品种；甜菜种质资源主要来自波兰、前苏联、保加利亚、捷克斯洛伐克、罗马尼亚、匈牙利、民主德国(东德)、美国及日本等20多个国家，引进资源约800份。这些材料有的曾直接用于生产，有的作为育种材料加以利用。改革开放之后，从美国、德国、法国、英国、瑞典、丹麦、荷兰、比利时、日本等国引进甜菜品种比较多，还有一些育种材料；也通过交换方式引进了一些种质资源，包括一些珍贵的野生资源材料。

2.2 我国的甜菜种质资源利用及研究成就

甜菜种质资源是甜菜科研和育种的重要物质基础，是遗传基因的载体。我国甜菜科研单位在有限的资源条件下，通过育种家们的不懈努力，在上世纪六十年代中期以后陆续培育出了适合当地气候及栽培条件的品种，满足了生产的急需。改革开放之后，甜菜科研及育种工作有了快速发展，各地培育出一大批优良品种，品种的类型也呈现出多样化的特点，如过去只是单一的二倍体系选品种，发展到了普通多倍体品种、雄性不育多倍体杂交种、雄性不育二倍体杂交种、单粒型杂交品种等，为我国制糖行业的发展发挥了巨大的作用。各种类型品种收录到《中国甜菜品种志》(1994年)中的国内品种101个、国外引进品种17个(50-60年代)、地方品种及其他品种31个；收录到《中国糖用甜菜品种》(1997年)中的甜菜种质资源497个；另据不完全统计1994年以来通过国家或省区审定的自育甜菜品种约有50余个。

长期以来，甜菜品种资源的研究受到了国家有关部门的重视，国家科技攻关连续4个五年计划列项给予支持，甜菜产业体系包涵品种资源研究；上世纪九十年代原国家轻工业部也曾列项予以支持，各省区亦列项予以支持。通过这些项目的实施，各科研单位在全国范围内开展甜菜品种资源收集、鉴定、繁殖、保存、创新等工作；中国农业科学院国家品种资源库收集各地甜菜种质资源入库。现在我们可以在《中国作物种质资源信息网》数据查询栏目“其他作物---甜菜”中快速查询到收录的资源；中国农科院甜菜研究所研究确定了甜菜种质资源描述标准制定的原则和方法，编制出版了《甜菜种质资源描述规范和数据标准》，规定了主要试验鉴定技术参数指标和分级标准及数据质量控制规范。

3 新时期如何做好甜菜种质资源保存评价和创新

3.1 开展甜菜种质资源收集保存评价和创新的紧迫性

当前种质资源已成为世界范围内备受重视和瞩目的资源，科学家认为21世纪种质资源是农业的关键资源，是世界种业竞争的焦点。目前我国甜菜生产上存在的突出问题是，单产低、含糖率不高、抗逆性、抗病性差。除栽培技术、机械化、水利化等因素外，甜菜育种和国外的差距很大，种子资源匮乏是制约我国甜菜育种的关键因素之一。随着我国农业整体生产水平的提高、劳动力向城市转移，甜菜机械化发展成为必然，这样适合机械播种和纸筒育苗、无需人工间苗的单粒型种子备受农民的欢迎。近年来，国外欧美大公司已占据我国甜菜生产用种的绝大部分市场。甜菜种子国产化已经十分迫切，政府、企业、糖农都在关注这项工作，希望尽快育成自己的适合机械化和纸筒育苗移栽的甜菜种子。因此，新时期如何开展甜菜种质资源收集保存评价和创新对于我国甜菜糖业的稳步健康发展，促进农民增收、加快贫困地区农民脱贫致富步伐是摆在广大科研人员面前十分必要和紧迫的任务。

3.2 液氮超低温保存甜菜种质资源

种质资源的收集整理、保存、鉴定评价是一项长期而基础性的工作。现阶段各育种单位收集到的甜菜种质资源大多已经整理和保存，鉴定评价数据也基本完成。但是，进入国家种质资源库的材料毕竟有限，还有很多种质材料需要各地科研单位自行保存。由于甜菜的胚乳较小，加之甜菜种子在常温保存的时候会进行熵呼吸，因此在常规保存条件下，5年以后种子基本失去萌发活力，建立基因库基本建设投资巨大，运行成本很高。因此，探索一种新的种子保存方法对甜菜种质资源的保存尤为必要。利用液氮超低温对种质资源的保存是目前常用的方法之一，其优点是种质保存时间极长，成本相对较低。但对于超低温保存存在物种特异性，为此内蒙古生物技术研究院将所收集并评价后的优良种质资源利用液氮超低温保存进行探索研究，为甜菜种质资源的保存提供一个新的方法。

3.3 应用GWAS进行甜菜种质资源评价

甜菜全基因组关联分析及甜菜全基因组遗传变异图谱。全基因组关联分析(Genome-wide association study;GWAS)是应用基因组中数以百万计的单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)为分子遗传标记，进行全基因组水平上的对照分析或相关性分析，通过比较发现影响复杂性状的基因变异的一种新策略。随着基因组学研究以及基因芯片技术的发展，人们已通过GWAS方法发现并鉴定了大量与复杂性状相关联的遗传变异。近年来，这种方法在农业动物重要经济性状主效基因的筛查和鉴定中得到了应用。

重要经济性状即复杂性状GWAS分析方法的原理是，借助于SNP分子遗传标记，进行总体关联分析，在全基因组范围内选择遗传变异进行基因分型，比较异常和对照组之间每个遗传变异及其频率的差异，统计分析每个变异与目标性状之间的关联性大小，选出最相关的遗传变异进行验证，并根据验证结果最终确认其与目标性状之间的相关性。甜菜全基因组已于2013年发布，故应用基因组重测序的方法可以更为准确、更加高效的挖掘出甜菜特异功能基因，并进一步构建甜菜全基因组遗传图谱。近两年，内蒙古生物技术研究院与国内专业单位合作对收集到的200余份材料进行GWAS分析，目前数据已下线。

3.4 利用航天育种手段创新甜菜种质

创新种质的方法有很多，如人们熟知的β、γ射线照射、化学试剂诱变、花粉培养、未授粉胚珠培养等等，也取得了一些成绩。这里着重讨论航天诱变手段，因为我国是目前世界上掌握航天器(卫星、飞船)返回技术的三个国家之一。航天诱变育种(简称航天育种)技术是利用返回式航天器将植物种子带到太空，利用宇宙空间特殊的环境(微重力、高真空、宇宙射线、重粒子、交变磁场等因素)对植物种子的诱变作用来产生变异，再返回地面选育新种质、新材料，培育新品种的作物育种新技术。这一技术的突出特点是：有益变异多、变异幅度大、稳定快，是培育高产、质优、早熟、抗病农作物新品种、新种质资源的有效快捷途径。

我国于1987首次航天搭载农作物种子，2006年发射“实践八号”卫星专门为农作物育种提供搭载；三十多年来成功地利用返回式航天器进行了植物种子、微生物、枝芽、细胞组织的搭载，共搭载了粮食作物、经济作物、蔬菜、花卉、草木、微生物菌株等千余品种。经科研和生产单位的育种专家和科技工作者历时30多年的地面选育试验，取得了可喜的成绩，受到国内外的关注。据不完全统计，截止到2018年，全国通过航天育种方法培育的新品种超过200个，推广面积达240万公顷，总产量13亿千克。2018年12月，由中国高科技产业化研究会、国家植物航天育种工程技术研究中心、中国科学院、中国农科院、中国农业大学、中国林业大学等14家发起单位、首批26个成员单位在北京成立航天育种产业创新联盟，召开了第一次联盟大会并举办主题为“航天育种助力未来农业发展和生态环境建设”——航天育种2018北京论坛。内蒙古生物技术研究院成为首批成员单位。2019年3月1日航天育种产业创新联盟与内蒙古自治区生物技术研究院签署《共同推进航天育种产业化发展战略合作框架协议》，围绕航天新品种示范、新品种联合开发、技术服务、特色生产基地建设等方面开展战略合作。

2008年原内蒙古甜菜制糖工业研究所(2012年经内蒙古自治区编办批准更名为内蒙古自治区生物技术研究院)与中国航天科技集团公司航天育种研究中心签订协议，选择两份甜菜品系HT97005(2x)和HT984001(4x)种子搭载。提供搭载服务的是返回式科学技术试验卫星，2008年10月经过17天的轨道运行，卫星返回舱成功回收着陆。从2009年开始对这两份搭载材料进行试验和选育工作。采用单株和集团选择相结合的方法，有的经过3代、有的经过4代定向选择、繁殖获得新材料20多份，在经济性状表现上差异明显，有的丰产性提高、有的含糖率提高。之后于2016年6月发射的长征7号火箭搭载了1份红甜菜种子，目前在后续选育中。据报道中国农科院甜菜研究所于2006年“实践八号”曾搭载甜菜种子，进行了试验研究。未来要探索将航天育种和常规育种、杂交育种、分子定向育种有机地结合，培育出丰产、高糖、抗病、抗逆性好的甜菜新品种，满足甜菜生产需要。