甘蔗常用亲本的田间自然耐寒性测定及评价

杨荣仲，吕 达，周 会，肖 祎，刘昔辉，陈道德，雷敬超，黄赞斌，唐仕云，黄海荣，陶 宇

(1.广西农业科学院甘蔗研究所/农业农村部广西甘蔗生物技术与遗传改良重点实验室/广西甘蔗遗传改良重点实验室/中国农业科学院甘蔗研究中心，南宁 530007；2.蔗糖产业省部共建协同创新中心，南宁 530004，3.四川省植物工程研究院，四川 资中 641200)

1 材料与方法

1.1 试验材料

根据广西农业科学院甘蔗研究海南杂交基地2014—2016年杂交季甘蔗亲本的使用频率，确定102份甘蔗参试亲本，分别为FN1110、GT00-122、GT03-120、GT04-120、GT05-wm48、GT06-1264、GT09-98、GT87-7、GT91-116、LC03-1137、SWS-wm1、YC89-7、YT83-271、YT94-128、YuanL8、YZ05-51、CP94-1100、CP72-1210、CP80-1827、CP81-1384、CP84-1198、CZ89-103、GT04-1001、GT04-151、GT05-3369、GT06-244、GT07-772、GT92-263、GT92-66、GT94-119、GT99-156、Ke5、LC05-129、NongL8、Q188、ROC10、YC90-33、YG22、YT00-236、YT93-159、YT93-373、YZ89-7、Z3-2004、CP09-4257、GT02-833、LC03-296、YC84-153、CP00-1630、FN39、FN98-10、GT02-208、GT02-761、GT03-557、GT04-2724、GT05-955、FN30、CP92-1641、GT04-2679、GT05-1141、GT05-3661、GT93-102、GT03-1403、GT04-1007、GT04-1560、GT06-2361、GT94-10、GT97-217、YT91-976、GT03-2309、GT04-2645、GT05-3084、GT97-69、Q127、GT06-3283、GT96-211、ROC26、GT94-116、GT02-1156、GT05-839、GT06-1238、GT03-2357、GT05-2743、GT05-3595、GT97-40、YT92-4、GT07-274、GT10-2018、GT02-123、GT05-827、ROC1、ROC22、ROC25、YG24、YC82-96、YT96-86、GT03-713、Tai94-10、GT04-1023、YF90-95、GT06-178、MT96-1027和PINDAR。其中，我国的亲本88份，包括桂糖系列亲本54份、粤糖系列和崖城系列亲本15份、台糖系列亲本7份、福农系列亲本4份，其他育种机构亲本8份；国外亲本14份，主要来自美国、澳大利亚和日本。在54份桂糖系列亲本中，15份为1995后年育成的桂糖系列品种。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验在四川省植物工程研究院资中县明心寺试验基地进行。2017年新植试验(2017P)重复1次，保留宿根2年(2018F和2019S)，2019年新植试验(2019P)重复3次，保留宿根1年(2020F)。除2018年新植试验未列入耐寒性调查外，其他均参考杨荣仲等[25]的方法进行调查。

1.2.2 测定项目及方法 参考杨荣仲等[25]的方法调查总苗数、株高、茎径、有效茎数、蔗茎产量和锤度。根据每年霜冻发生情况的不同，调查甘蔗株受害率、茎长受害率、节间受害率和绿叶百分率等甘蔗低温受害性状[5-6]，并于2017—2019年霜冻发生前在蔗地安装温湿度记录仪，记录田间温度和湿度；2020年通过彩云天气APP输入试验所在地名称(明心坝村)查寻每天早上(5：00—6：00)、中午(12：00—13：00)、晚上(22：00—23：00)的温度，记录低温出现时期。

2017P低温发生于2018年1月8日晚上9：30至1月14日上午7：10，出现5次低于0 ℃的记录，最低温度记录为-4.53 ℃，平均为-1.81 ℃，低于0 ℃累计时长41 h 50 min。从低温发生至调查期间的平均湿度为78.9%，其中，湿度高于70.0%的记录占比76.2%，湿度高于80.0%的记录占比58.9%。由于霜冻发生较重，待甘蔗生长经过较长时间恢复后于2018年3月12日调查受害甘蔗的锤度，3月22日调查株受害率、茎长受害率和绿叶百分率。

2018F低温发生于12月28日下午4：50至12月30日上午11：30，最低温度记录为-4.23 ℃，平均为-1.66 ℃，低于0 ℃累计时长4 h 20 min；从低温发生至调查期间的平均湿度为86.1%，其中，湿度高于70.0%的记录占比81.6%，湿度高于80.0%的记录占比72.3%；2019年2月21日调查甘蔗+1叶～+7叶的绿叶百分率、基部节间受害率和梢部节间受害率。

2019S和2019P未出现低于0 ℃的低温记录，仅于2020年1月7日1：16—9：26出现低于4 ℃的低温记录，最低温度为0.19 ℃，平均为1.75 ℃，累计低于4℃时长8 h 20 min。从低温发生至调查期间的平均湿度为86.5%，其中，湿度高于70.0%的记录占比86.4%，湿度高于80.0%的记录占比76.7%；受新冠疫情和人员流动影响，试验推迟至2020年3月5日调查株受害率和节间受害率。

2020年一年宿根试验(2020F)期间，于1月8—12日出现霜冻，冻害相对较重，甘蔗叶片几乎全部枯死；于1月29日调查甘蔗株受害率、基部和梢部的节间受害率和茎长受害率。

1.3 统计分析

试验数据采用R软件的asreml、agricolae、AAfun、psych程序包和DPS 19.05进行分析，百分率数据进行反正弦转换；受害性状用线性混合模型进行方差分解；通过增减随机因子后的模型变化确定对受害性状是否存在显著影响，建立最佳线性混合模型，并计算广义遗传力[26]。采用标准化、欧氏距离、类平均聚类法(UPGMA)，以亲本性状预测值(有重复)或性状值(无重复)进行亲本耐寒性聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同年度甘蔗的低温受害情况

由表1可知，低温程度不同，甘蔗亲本的受害性状也不相同；2019P未出现低于0 ℃低温仅出现冷害时，由于低温期间湿度较高，甘蔗亲本经过恢复后，叶片几乎未出现明显受害症状，株受害率和节间受害率均相对较低，而冷害发生后，GT03-713、GT04-1023和YF90-95等少数亲本出现受害症状，说明其耐寒性相对较差；与2019P比较，2019S的株受害率和节间受害率较高，未受害亲本数均减少，说明第二年宿根蔗的耐寒性明显较新植蔗差；在出现霜冻的试验中，甘蔗亲本的低温受害症状加重，2018F的株受害率、茎长受害率和节间受害率均较冷害更严重，未受害亲本数量减少，但仍有相对较高的绿叶百分率；在出现较严重霜冻的试验中，所有甘蔗亲本均出现受害症状，且受害程度进一步加重，2017P和2020F的株受害率很高(99.90%)，绿叶百分率极低(分别为3.68%和0)，2020F的节间受害率达60.71%；受害程度相对较低的亲本FN1110、GT00-122、GT03-120和GT04-120等的耐寒性相对较好。进一步观察还发现，2017P的亲本在霜冻后经过较长时间恢复，受害症状有所减轻。

在调查获得的数据中，2020F的亲本在高湿条件下受较严重霜冻危害后，不仅梢部蔗茎受害，基部蔗茎也受到伤害；株受害率高达99.90%，其中梢部株受害率为99.70%，蔗茎基部株受害率为82.79%。

在梢部株受害率为100.00%的94份亲本中，蔗茎基部株受害率为83.18%；蔗茎基部株受害率为100.00%的亲本仅有28份，受害率在80.00%～99.90%的亲本有37份，受害率在60.00%～79.90%的亲本有15份，受害率低于50.00%的亲本有10份。在梢部株受害率低于100.00%的8份亲本中，未出现蔗茎基部株受害率为100.00%的亲本。从冻后恢复的角度看，蔗茎基部株受害率相对较高的亲本，恢复需要更长时间甚至不能恢复，说明其耐寒性更差。

综上所述，出现冷害时耐寒性差的亲本其蔗茎受到伤害；受轻霜冻危害时耐寒性差和相对较差的亲本其蔗茎受到伤害，叶片部分受到伤害；受重霜冻危害时所有亲本均受到伤害，叶片几乎全部枯死，梢部蔗茎受害程度重于基部蔗茎；耐寒性差的亲本，基部受害蔗茎较难恢复。

2.2 低温受害性状相关分析

2.2.1 受害性状与农艺性状相关分析 由表2可知，2019P和2020F的低温受害性状中与农艺性状间呈显著(P<0.05，下同)或极显著(P<0.01，下同)相关的性状较少，在对6个农艺性状进行的30次相关分析中，仅2019P的株受害率与锤度、2020F的节间受害率与锤度2次呈显著相关，与其他农艺性状无显著相关性(P>0.05，下同)；2017P、2018F和2019S的低温受害性状中与农艺性状呈显著或极显著相关的性状相对较多，在对6个农艺性状进行的54次相关分析中有16次呈显著相关，分别为2017P的茎长受害率与总苗数和有效茎数、绿叶百分率与茎径和有效茎数呈极显著相关；2018F的株受害率与总苗数、茎长受害率与总苗数和株高、节间受害率与总苗数和株高、绿叶百分率与总苗数呈显著或极显著相关；2019S的株受害率与总苗数、蔗产量和锤度、节间受害率率与总苗数、有效茎数和锤度呈显著或极显著相关。

从甘蔗受害程度看，受害较轻时受害性状易于与农艺性状呈显著相关，受害较重时易于与农艺性状呈显著相关的受害性状明显减少或极少呈显著相关。从农艺性状看，总苗数是易于与受害性状呈显著或极显著相关的性状，在14次相关分析中有7次显著或极显著相关；其次是锤度，在14次相关分析中有4次与受害性状呈显著相关；有效茎数、株高、茎径和蔗茎产量与受害性状呈显著相关的次数分别为3、2、1和1次。

2.2.2 受害性状间相关分析 从表2可看出，低温受害性状之间的相关性表现因性状不同而异。其中，株受害率明显受到低温程度影响，如冷害或轻霜冻时，与茎长受害率和节间受害率均呈极显著正相关，与绿叶百分率呈极显著负相关，且相关系数较大，而重霜冻时与其他受害性状的相关系数明显减小(如2017P)，甚至无显著相关性(如2020F)；茎长受害率与节间受害率间的相关性受低温程度影响较小，二者呈极显著正相关且相关系数较大(0.994)，从评价角度看二者任选其一均可行，但从田间调查角度看，选择节间受害率更简单易行；绿叶百分率与其他受害性状间的相关性受低温程度影响较明显，冷害或冻害极重时无显著相关性，冻害程度适中时，绿叶百分率与其他受害性状的相关系数虽不大，但呈极显著负相关，因此，绿叶百分率也是耐寒性评价需要考虑选择的性状。

可见，甘蔗受害性状与农艺性状间的相关性受低温程度影响，在冷害或轻霜冻时易于呈显著相关，而在重霜冻时呈显著或极显著相关的性状明显减少，说明在重霜冻时进行甘蔗耐寒性选择不会影响对其他农艺性状的选择。在不同受害性状间，株受害率在冷害或轻霜冻时与其他受害性状呈极显著相关，绿叶百分率在中等霜冻条件下与其他受害性状呈现显著负相关，茎长受害率与节间受害率呈极显著负相关但不受低温程度影响。

2.3 受害性状的方差分析和广义遗传力

由表3可知，2019P冷害的株受害率亲本方差占比达68.16%，且重复间差异不显著，说明甘蔗亲本的株受害率在冷害时可用作有效的耐寒性评价性状；而2020F重霜冻的亲本方差不存在，因此将2019P与2020F的株受害率合并分析，虽然亲本方差存在但差异不显著，而年度和亲本×年度互作的方差存在且差异显著，说明将冷害与重霜冻试验的株受害率合并分析不可行；将其他试验的株受害率数据合并分析，如2017P、2018F和2019S合并及2017P、2018F、2019S、2019P和2020F合并分析，其亲本方差显著，但占比均很低，未超过6.00%；检查混合模型中的显著影响因子发现，年度是株受害率的重要影响因子，如果年度在随机模型中不显著，也将通过与年度相关的互作项发挥显著作用，其方差占比高于70.00%，说明株受害率在年度间存在显著差异。广义遗传力计算结果表明，当亲本方差显著存在时，株受害率属于高遗传力性状，不论是单独进行2019P的冷害试验分析，还是对所有试验进行联合分析，株受害率的广义遗传力均超过80.00%，即使是对不设重复的2017年试验进行联合分析，其株受害率的广义遗传力也超过50.00%。因此，从遗传力的角度看，在冷害或轻霜冻时株受害率是一个很好的耐寒性评价性状。

从表3可看出，绿叶百分率在4年的试验中仅2017P和2018F获得了数据，对这2年的数据进行联合分析时亲本方差不显著，但年度变异显著且占比达92.71%，说明绿叶百分率在年度间存在较大差异，也可考虑作为甘蔗耐寒性评价性状；茎长受害率的亲本方差受低温程度影响相对较小，主要受重复、年度和亲本×年度互作的共同影响，进行单独分析时，其亲本方差占比相对较高且显著，2017P与2018F合并及2020F的亲本方差占比分别为9.90%和21.21%，说明茎长受害率也是甘蔗耐寒性评价的有效性状，而所有数据合并分析时亲本方差不显著，年度和亲本×年度互作的方差显著，说明甘蔗茎长受害率在年度间存在显著差异，且与亲本存在互作，当亲本方差显著存在时，茎长受害率的广义遗传力相对较高，最低也接近50.00%，属于中等偏高的遗传力性状。

从表3还可看出，节间受害率是所有调查受害性状中受害表现相对较稳定的性状，其亲本方差在所有分析中均显著存在；冷害时2019P的亲本方差占比达94.63%，且不受重复影响，而重霜冻时2020F的方差占比仅21.81%，明显低于2018F和2019S合并分析的59.07%；当2019P与2020F合并及2018F、2019S、2019P和2020合并时，虽然亲本方差显著，但占比很低，未超过6.00%；在其他显著影响因子中，年度的方差占比高于68.00%，亲本×年度方差的互作方差占比也高于亲本居第二位，亲本方差占比仅居第三位，说明联合分析时亲本方差显著，但其占比明显下降。广义遗传力计算结果表明，节间受害率属于中等偏高的遗传力性状，合并分析时其遗传力有所降低，不利于亲本耐寒性的有效选择。从亲本方差占比与广义遗传力看，节间受害率的耐寒性评价效率略高于茎长受害率，同时与茎长受害率呈显著相关，且相关系数较大，因此，以节间受害率作为蔗茎的低温受害程度评价指标更佳。

表3 甘蔗亲本受害性状的方差分析和广义遗传力计算

综上所述，甘蔗亲本受害性状受亲本、年度及二者互作影响，其中，株受害率属于高遗传力性状，在冷害和轻霜冻时可用于耐寒性评价；茎长受害率和节间受害率属于中等偏高遗传力性状，受低温影响程度较小，均可用于耐寒性评价，但以节间受害率略好于茎长受害率；绿叶百分率年度间差异较明显，适度霜冻条件下可用于耐寒性评价；数据合并分析时，亲本方差占比明显下降，广义遗传力也有所下降，不利于亲本耐寒性选择。

2.4 甘蔗亲本的耐寒性评价

2.4.1 亲本耐寒性的聚类分析结果 根据甘蔗霜冻程度、受害性状表现和广义遗传力计算结果，首先按试验对甘蔗亲本的耐寒性进行评估。受害性状聚类分析结果(表4)表明，不同试验间聚类结果存在一定差异，但在霜冻较重或第二年宿根蔗冷害时，聚类结果较接近。其中，2020F、2019S和2018F的亲本聚为好(1级耐寒性)和较好(2级耐寒性)分别有74、74和61份，聚为较差(4级耐寒性)和差(5级耐寒性)分别有13、15和20份。然而，这3组试验中，亲本分类等级完全相同的仅18份，占参试亲本数的17.65%，其中16份是耐寒性好的亲本，2份为耐寒性较差的亲本；分类相差一级的亲本有38份，占参试亲本总数的37.25%，其中耐寒性好、较好、中(3级耐寒性)、较差和差的亲本分别有1、26、4、4和3份，说明耐寒性好和耐寒性差亲本在不同低温环境中进行耐寒性评价，其评价结果更稳定。

表4 甘蔗亲本受害性状的聚类分析

不同试验分类的性状类平均值存在明显差异。以茎长受害率为例，2018F中聚类分析结果为较好的亲本其茎长受害率为8.75%(未超过10.00%)，分类为较差亲本的茎长受害率为35.79%(大于30.00%)；而2020F中聚类分析结果为较好亲本的茎长受害率为52.25%(大于50.00%)，聚为较差亲本的茎长受害率达85.27%；其他受害性状也存在类似现象。说明通过聚类分析可对甘蔗亲本的耐寒性进行有效划分，但较难通过亲本受害性状值对亲本的耐寒性进行直接判定。

2017P的亲本聚类分类结果以耐寒性中为主，占参试亲本的75.49%；2019P的亲本聚类分析结果以耐寒好为主，占参试亲本的93.14%，二者与2018F、2019S和2020F的聚类分析结果存在较大差异，不宜用于亲本耐寒性评价。虽然2018F、2019S和2020F的受害性状不同，聚类分析选用的受害性状也存在差异，但对其亲本耐寒性进行的聚类分析结果具有较高一致性，可用于甘蔗亲本耐寒性评价。

2.4.2 亲本耐寒性的等级划分结果 在2018F、2019S和2020F亲本的5级分类基础上，按轻霜冻确定耐寒性差和较差亲本等级、按重霜冻确定耐寒性好和较好亲本等级的原则对参试亲本的耐寒性进行综合评判，结果列于表5。其中，耐寒性好的有FN1110、GT00-122和GT03-120等17个亲本，占测试亲本总数的16.67%；耐寒性较好的有CP72-1210、CP80-1827和CP81-1384等40个亲本，占测试亲本总数的39.22%；耐寒性中的有GT04-2679、GT05-1141和GT05-3661等21个亲本，占测试亲本总数的20.59%；耐寒性较差的有GT05-839、GT06-1238和GT03-2357等17个亲本，占测试亲本总数的16.67%；耐寒性差的有GT03-713、Tai94-10和GT04-1023等7个亲本，占测试亲本总数的6.85%。从总体上看，55.89%的亲本具有较好及以上耐寒性，仅有23.53%亲本的耐寒性在较差及以下。

表5 甘蔗亲本耐寒性等级划分

1995年以来育成的15个用作亲本的桂糖系品种中，用到了21个亲本，其中12个亲本参加耐寒性测试，表现较好的亲本有6个(CP72-1210、CP84-1198、GT92-66、ROC25、YT93-159和ROC25)，表现较差及以下的有4个(ROC1、ROC22、Pindar和YT85-177)，另YC84-153和YT91-976的耐寒性为中，说明更多耐寒性较好的亲本在杂交育种中利用更多。对这15个桂糖系列品种的耐寒性测试结果表明，耐寒性在较好及以上的有5个(GT00-122、GT03-2357、GT04-1001、GT05-1141和GT06-244)，而耐寒性较差及以下的有5个(GT96-211、GT05-3084、GT06-3283、GT94-116和GT02-1156)，耐寒性中的品种也有5个(GT02-761、GT02-208、GT02-833、GT03-1403和GT03-2309)，耐寒性较好及以上的品种并未明显多于耐寒性较差及以下品种，因此，新品种选育过程中的耐寒性测试工作有待加强。

3 讨 论

前人研究认为，甘蔗的耐寒性属于复杂性状，可供选择的评价性状类型多，其遗传力中等偏高，既可通过田间形态性状评价甘蔗的耐寒性，也可在室内通过可溶性糖、脯氨酸含量及POD和SOD活性或低温光合特性等生理生化性状指标评价甘蔗的耐寒性[3-7]。本研究结果与上述研究结果相似，可用株受害率、节间受害率、茎长受害率和绿叶百分率等受害性状评价甘蔗亲本在田间自然霜冻条件下的耐寒性。但甘蔗亲本这些受害性状间的相关性不完全相同，因此，对甘蔗耐寒性的评价结果因可供选择的评价性状不同而存在一定差异。不论是本研究中在田间自然霜冻条件下测定的株受害率、节间受害率和茎长受害率等，还是前人在室内测定的地下蔗芽成活率[19]、地上芽成活率和苗高[22]等性状，其广义遗传力多数属于中等遗传力，因此不同试验间的耐寒性评价结果均存在一定差异。

对于国内蔗区特别是广西蔗区，霜冻虽然会给蔗糖业造成巨大损失，然而霜冻是偶发性冷害，重霜冻出现频率不高，因此田间测试结果多为从1年的田间试验中获得[3-7]。本研究在霜冻易发蔗区四川省资中县的测试结果表明，甘蔗亲本的耐寒性表现与低温程度有关，1年的测试结果存在一定局限性，会影响对甘蔗耐寒性的有效评价。对1年的甘蔗耐寒性测试结果，建议根据霜冻的低温程度进行选择性评价，其中，霜冻较重时耐寒性表现较好测试材料的测试结果较可靠，宜选用节间受害率和茎受害率评价其耐寒性；霜冻较轻时耐寒性表现较差的测试材料，其测试结果也较可靠，但宜选用株受害率和绿叶百分率评价其耐寒性。

对于多年田间测试结果，其数据联合方差分析的亲本方差占比降低，性状的广义遗传力下降，表明不支持将多年数据联合分析用于甘蔗耐寒性评价，也不支持通过受害性状值直接划定测试材料的耐寒性[27]，因为低温程度不同受害性状存在差异较明显，就某一性状而言，重霜冻条件下耐寒性表现最好材料的性状值也可能较轻霜冻耐寒性表现较差材料的性状值差。如果条件许可，可参照甘蔗病害测试方法[28]，将每个耐寒等级设1～2个对照进行耐寒性测试，根据对照的性状值判定测试材料的耐寒等级，但多数甘蔗病害属于高遗传力性状，而耐寒性属于中等遗传力性状，该测试方法是否适用于甘蔗耐寒性测试有待进一步探究。

本研究中，按照低温程度2017P可用于甘蔗耐寒性评价，但试验冻害调查是在发生后58 d进行，受害甘蔗的蔗茎在恢复的同时，其蔗茎的蒲心程度加重，影响对蔗茎受害表现的准确判断，因此，其分类结果以耐寒性中等为主，不宜列入耐寒性评价分析；不同年度的低温程度也存在较大差异，因此，有可控低温条件的环境才是甘蔗耐寒性评价最理想的试验环境。本研究课题组在广西南宁市建立了可控光、温和湿度的室内测试环境，但通过试验发现，可控低温环境仍较难模拟田间自然环境，导致可用于室内耐寒测试的形态性状相对较少，有时可能因甘蔗前期生长状态存在差异而导致评价结果异常。因此，进行甘蔗室内测试至少需要差异相对较明显的轻和重2种低温测试状态，才能有效评价甘蔗的耐寒性。

4 结 论

甘蔗亲本的低温受害性状种类和受害程度存在差异，耐寒性属中等至偏高遗传力性状。在测试的甘蔗亲本中，耐寒性较好及以上的亲本数量明显多于耐寒性较差及以下亲本。进行甘蔗室内耐寒性测试时宜设置差异相对较明显的轻和重2种低温环境。