国内甘蔗种质资源表型性状的遗传多样性分析

周珊　黄玉新　段维兴?　高轶静　杨翠芳　周忠凤　陆衫羽　张革民　张保青

关键词：甘蔗；种质资源；表型性状；遗传多样性

中图分类号：S566.1 文献标识码：A

甘蔗（Saccharum spp. hybrid）是我国重要的糖料和生物能源作物，具有高度的非整倍体、复杂的基因组、极端的杂合性等特点，遗传背景复杂[1]。当前，我国甘蔗品种遗传基础比较狭窄，遗传关系相近，导致杂交育种中有利性状的遗传增量变小，影响甘蔗优良品种的选育。因此，充分利用我国丰富的甘蔗种质资源，扩大遗传基础，实现甘蔗高产高糖高抗育种的新突破，是甘蔗育种在相当长时间内的首要任务。甘蔗种质资源的鉴定评价是资源合理利用的前提，通过表型性状可以直观、便捷地鉴定出育种目标[2-3]。因此，国内外学者通过农艺性状、品质及抗逆性等相关表型性状对甘蔗种质资源进行了广泛的研究报道。如刘新龙等[4]、昝逢刚等[5]、YANG 等[6]、唐仕云等[7]、TANG 等[8]、吴建涛等[9]、黄玉新等[10]、庞新华等[11]、谢静等[12]通过表型性状的鉴定评价对国内外甘蔗品种资源进行遗传多样性分析、聚类分析。还有不少学者针对甘蔗野生近缘属种质资源如斑茅、割手密、滇蔗茅等表型变异、多样性及聚类关系进行分析。如邓念丹[13]、黄忠兴等[14]、刘新龙等[15]、陆鑫等[16]、徐超华等[17]、XU 等[18]、黄玉新等[19]、WU 等[1]、王春芳等[20]。上述研究表明表型性状的评价鉴定可广泛用于甘蔗种质资源的遗传多样性研究。目前，广西农业科学院甘蔗种质资源圃保存有国内外资源1337 份，前期已对大部分国外种质进行了表型多样性分析，但对国内甘蔗种质资源的多样性缺乏了解，影响了高糖高产高抗新品种的选育。本研究通过表型性状的评价和鉴定对160 份国内甘蔗品种资源进行遗传多样性分析，以期了解国内甘蔗种质资源的遗传多样性，丰富我国甘蔗资源表型数据库信息，从各类型甘蔗种质资源中挖掘出对育种性状改良有益的亲本，为甘蔗种质资源的利用及品种选育等提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 材料

材料來源于广西壮族自治区农业科学院甘蔗种质资源圃保育的160 份国内甘蔗种质资源，包括来自福建的23 份、广东的43 份、云南的23 份、海南的27 份、台湾的23 份、其他的21 份（江西的3 份、四川的8 份、来源不详的10 份），具体材料信息见表1。

1.2 方法

本研究在广西壮族自治区农业科学院甘蔗种质资源圃进行。材料于2017 年3 月种植，单行栽培，随机排列，行长5 m，行宽1.2 m，每米下种量为12 芽，常规田间管理。参照《甘蔗种质资源描述规范和数据标准》的方法[21]，调查和检测成熟期每份材料的6 个数量性状（株高、茎径、锤度、有效茎、节间长度及黑穗病田间自然发病率）和20个质量性状（气生根、茎形、节间形状、曝光前节间颜色、曝光后节间颜色、蜡粉带、木栓、生长裂缝、生长带形状、根点排列、芽形、芽位、芽沟、叶姿、脱叶性、57 号毛群、内叶耳、外叶耳、蒲心和空心）。

1.3 数据处理

各性状的原始数据通过Microsoft Excel 2017软件进行处理，计算各性状的最大值、最小值、平均值、极差和变异系数。为了便于数量化和统计分析，将质量性状予以赋值（表2），数量性状按照隶属函数进行分级，采用SPSS 18.0 软件分析各性状的Shannon-Wiener 多样性指数，计算公式为：H′=–ΣP_ilnP_i，其中Pi 为某一性状第i 个级别出现的概率（引用）。聚类分析参考吴建涛等[9]的方法使用DPS18.10 进行，利用模糊隶属函数计算出数量性状的隶属函数值，采用UPGMA 法进行聚类分析。隶属函数R（X_i）=（X_i–X_min）/（X_max–X_min），式中，X_i 为指标测定值；X_max、X_min为所有参试材料某一指标的最大值和最小值。

2 结果与分析

2.1 质量性状遗传多样性分析

质量性状的多样性指数反映了性状在不同级别上的分布情况，对160 份甘蔗种质资源的20 个质量性状进行遗传多样性分析，如表3 所示。其遗传多样性指数变化范围在0.07～1.40 之间，平均为0.84，芽型和内叶耳形状的变异类型较为丰富，遗传多样性指数相对较高，分别为1.40 和1.39，其中芽型的多样性指数最高（1.40），主要以卵圆形为主，频率为52.50%，占到总材料数一半，有36.25%的材料内叶耳性状为三角形。茎形的遗传多样性最小，仅为0.07，98.75%表现为直立茎形。

2.2 数量性状遗传多样性分析

对供试的160 份甘蔗种质材料的5 个数量性状（株高、茎径、有效茎、锤度和节间长度）进行均值、极差、标准差、变异系数和遗传多样性指数（H′）的统计分析，结果见表4。多样性指数分布在1.46～1.83 之间，平均多样性指数值为1.64。其中株高的多样性指数最高（1.83），其次是茎径、锤度、节间长度、有效茎，多样性指数值均大于1。

观察 5 个数量性状的变异系数可发现，160份供试材料存在不同程度的变异，变异系数在8.74%～38.26%之间，平均为17.69%，其中有效茎、茎径和节间长度具有较大的离散程度，有效茎的变异系数最大（38.26%），其他性状的变异系数较小、变异程度较低，变异程度最小的性状为株高（8.74%）。综合各数量性状的极差、变异系数、多样性指数，数量性状中有效茎呈现出明显的遗传差异。

2.3 数量性状变异系数分析

从表 5 可以看出，不同地区供试材料的平均变异系数为13.56%～22.33%，其中株高以海南的最大（10.15%），广东的最小（7.26%）；茎径以海南的最大（14.50%），福建的最小（9.17%）；田间锤度的变异系数以海南的最大（13.52%），台湾的最小（ 5.00% ）； 有效茎数以海南的最大（48.06%），福建的最小（24.21%）；节间长度以台湾的最大（26.13%），云南的最小（13.21%）。从各性状变异系数的平均值来看，来自海南的品种群体的变异系数最大（22.33%），数量性状的离散程度最大；来自福建地区的品种群体的变异系数最小（13.56%）。因为数量性状是作物品质的重要体现，品种选育的主要检测指标，因此在实际的品种选育过程中，应对具有丰富数量性状遗传变异的品种群体进行优先评价和利用，如分子遗传关系评价、优异数量性状品种亲本的筛选。

2.4 甘蔗种质资源优异性状综合分析

对供试的160 份甘蔗种质材料的5 个数量性状（株高、茎径、有效茎、锤度和节间长度）排名前十的材料进行统计分析，结果见表6。在各性状筛选出的前10 份材料中可以看出，台湾品种（系）的株高占比较高；广东品种（系）茎径较粗，占6 个，余下4 个均为台湾品种（系）；锤度较高的为广东和云南，各占3 个；有效茎数排名前五的均为海南品种（系），占5 个；在节间长度性状方面，海南、广东、云南、福建和台湾品种（系）各占2 个。对各数量性状筛选出的前10 份材料进行优异性状综合分析，有2 个性状排名前10 的材料有6 个，分别是崖城90-95、崖城76-186、云野07-70、云蔗68-154、粤糖89-240、珠江57-32；有3 个性状排名前10 的材料有2 个，分别是粤糖91-976、台98-1606，由此说明大部分材料难以兼顾产量和糖分，应根据育种目标选择相应的材料作为育种亲本。

2.5 甘蔗品种（系）间黑穗病发病情况

从 160 份甘蔗品种（系）中检测到共有40 份材料感染黑穗病（表7）。其中，福建品种（系）发病材料占比数最高，占其参试品种（系）的43.48%；广东品种（系）发病材料占比数最小，为16.28%。台湾品种（系）黑穗病平均发病率最高，为8.73%，说明台湾品种（系）最易感染黑穗病。其余大部分品种（系）抗性较好，黑穗病平均发病率范围在5.07%～8.73%之间，其中，海南品种（系）对黑穗病的抵抗能力最强，平均发病率为5.07%。

2.6 聚类分析

利用 DPS18.0 数据统计软件，对160 份甘蔗种质资源的数量性状进行聚类分析（图1），在遗传距离为3.25 处聚为7 大组群，不同组群甘蔗种质的表型性状具有一定差异（表8）。

第 1 组群只包括1 份来自海南的崖城96-45。其主要特征是株高较高，茎径粗，有效茎中等，但锤度最低，为10.0。该种质资源锤度较低，主要做为抗性材料利用。

第 2 组群包含1 个材料，来自广东的粤糖57-423。其主要特征是株高中等，茎径最粗，锤度中等，有效茎数最少。这一类群的资源可作为增加茎径育种目标选育的杂交亲本。

第 3 组群包含1 份材料，来自海南的崖城71-119。其各方面性状相比较其他类群的甘蔗品种（系）差，株高最矮，为184.0 cm；茎径中等；锤度中等；有效茎数少。主要作为中间材料来利用。

第 4 组群包含3 份材料，其中2 份材料是来自广东的粤糖96-794 和粤糖56-568，1 份为福建的闽糖86-877。这一类资源株高平均值最高，茎径较粗，但锤度较低，平均值为15.44；有效茎数少。该类甘蔗可作为选育外形高大的甘蔗親本。

第 5 组群材料最多（145 份），占90.62%，包括广东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，其他地区7 份。其主要特征为：大部分株高较高，茎径较粗，锤度平均值最高；有效茎数中等。该类资源符合培育高产高糖的甘蔗品种。

第 6 组群包含8 份材料，其中来源于海南4份，来源于福建2 份，来源于广东1 份，来源于四川1 份。主要表现为株高较高，茎径平均值最低；锤度中等；有效茎数较多。此类材料可作为株高和有效茎数育种目标的亲本。

第 7 组群包含1 份材料，来源于海南的崖城58-21。主要表现为有效茎数最多，株高、茎径和锤度表现中等。该品种含野生种质资源割手密的血缘，因此有效茎数多达123 条。此类材料可以作为增加有效茎数育种目标的亲本。

3 讨论

植物表型性状的多样性是遗传多样性与环境多样性的综合体现，对表型性状的研究可以从整体上了解研究对象的多样性程度。近年来随着育种进程的加快，使得甘蔗杂交育种主要集中在少数性状优良的亲本上，导致甘蔗种质基因的遗传总变异缩小，大部分新育成品种的有利性状的变异幅度减小，甚至可能达到了某种形式的极限。育种工作者已深刻认识到要继续提高甘蔗的育种水平，必须提高育种基础材料的遗传多样性。因此，调查和分析甘蔗种质资源的表型性状，既是种质资源研究的首要工作，也是甘蔗育种的基础工作，同时也是一种简便有效的方法。本研究从表型性状的角度对160 份甘蔗种质资源进行系统分析，为现有甘蔗资源的有效利用提供理论依据。分析甘蔗遗传多样性的指标包括变异系数和多样性指数。多样性指数不仅能够反映变异范围的大小，而且还能反映出基因型频率的分布，在形态多样性的研究中，多样性指数越高，表明形态性状的多样性越丰富，Shannon-Weiner 多样性指数被广泛应用于表型性状中质量性状的多样性评价[22]。本研究分别利用变异系数和多样性指数对现有的甘蔗资源进行系统的遗传多样性分析，通过表型变异简便经济地对甘蔗的遗传多样性做出了评价。

3.1 甘蔗种质资源性状的遗传多样性分析

在农艺性状中株高、茎径、有效茎数、节间长度这4 项指标是培育甘蔗高产品种的首要考量指标，变异系数大的性状说明从该群体中选出具有该性状的优良个体的几率大[23]。本研究表明，数量性状变异系数大小顺序为有效茎＞节间长度＞茎径＞株高，群体中有效茎的离散程度最大；质量性状的遗传变异主要来自芽型、芽位、曝光前后节间颜色、内外叶耳形状、57 号毛群7 个性状，其多样性指数都大于1，这些性状可作为甘蔗育种亲本评价和选择的主要形态指标。本研究发现，变异系数最大的性状有效茎数（38.26%），其遗传多样性指数最低，为1.46；而株高的变异系数最小，仅有8.74%，但其遗传多样性指数最大，为1.83。变异系数与遗传多样性指数之间变化趋势不一致，不存在相关关系，可能的原因是数量性状受多基因控制，易受到环境影响，而质量性状的遗传受环境影响较小，比较稳定。如有效茎受非加性基因效应所制约，株高受父母本加性基因效应和非加性基因效应所制约，茎径受母本加性基因效应和非加性基因效应所制约[24]。

本研究对来自8 个不同来源地的甘蔗资源进行统计分析，发现不同来源地资源之间差异不大，变异系数范围为13.56%～22.33%。其中来自海南的品种资源遗传变异系数最大，和前人研究结论一致[25]。因此可以考虑多从海南品种资源中选取适合的品种（系）作为甘蔗育种亲本。

3.2 病害分析

甘蔗黑穗病是一种世界性的重要真菌病害，严重影响甘蔗的产量和品质，可使甘蔗产量损失10%～50%，糖分下降0.5～1 个百分点，威胁到甘蔗产业的稳定和发展[26]。随着黑穗病的发生呈日趋加重的势态，特别在宿根蔗地上更为严重，抗黑穗病品种的选育尤为重要。本研究对供试的160份材料进行了黑穗病调查，结果发现有40 份材料发病，发病率为5.07%～8.73%，对照ROC22 自然发病率为18%，福建地区来源的品种（系）发病材料比例最高，广东品种（系）感病材料比例最低。前人研究发现：ROC22 高感黑穗病，ROC20、粤糖00-236、粤糖93-159、云蔗03-258 未感染黑穗病[27-29]。本研究中，ROC20、粤糖00-236、粤糖93-159 均未感染黑穗病，云蔗03-258 感染黑穗病，发病率为7.25%，与前人研究结果略有差异。有研究表明黑穗病发生受到年度、作物季、亲本和亲本×试验类型等因素的显著影响[30]，因此，对黑穗病的评价应多年多点进行。目前，我国在抗病育种方面还比较落后，甘蔗抗黑穗病亲本相对较少，需加强抗病育种材料（野生资源）的收集、抗性评价和利用工作。有研究表明，不同的甘蔗病害之间互相影响[30]，因此，从长远来看，应全面开展杂交親本材料以及主栽品种的各类病害抗性评价。此外，开展抗病连锁分子标记研究，将常规育种和生物技术育种相结合，有利于缩短育种周期。

3.3 聚类分析

本研究借助于聚类分析方法，依据5 个数量性状（株高、茎径、有效茎、锤度和节间长度）对160 份甘蔗品种（系）进行了聚类分析，使其性状相近的聚为一类，从而克服了仅以个别性状进行直观、经验性分类的弊端。该方法是甘蔗种质资源分类的有效方法。通过聚类分析，明确了甘蔗种质资源的不同类型，根据育种目标可以选择性状互补的亲本配制组合，使甘蔗育种中亲本的选配更趋合理。本研究把160 份甘蔗种质资源分为7 大类，第1 类群糖分低，不易用作高糖亲本，第2 类群为培育大茎育种目标的亲本，第3类群的有益性状不明显，第4 类群为培育高大型育种目标的亲本，第5 类群为高糖高产育种目标的亲本，第6 类群为选育株高和有效茎数多的育种目标的亲本，第7 类群为增加有效茎育种目标的亲本。从聚类结果来看，90.62%的种质聚集在第5 类群，间接反映了我国甘蔗种质资源的遗传基础较为狭窄。随着甘蔗产业发展与升级，甘蔗育种目标将呈现出多元化趋势，除了高糖、高产外，也更加注重宿根性、抗病性、抗逆性、耐压性、营养高效，适宜全程机械化等。根据当前甘蔗育种目标的需要，采用最佳方案，从聚类结果中选择相应的亲本材料进行种质资源的优化组合，选育出具有不同利用价值的甘蔗品种。由于农艺性状易受自然环境和人为因素的影响，并且反映的信息有限，以致于根据农艺性状来分析种质资源间的遗传变异，难以详细、准确地阐明其遗传变异情况。因此，应针对现有甘蔗种质资源的表型多态性，对其进行更深入的鉴定，充分利用各种细胞生物学及分子生物学方法，从甘蔗种质资源中发掘有利基因，进行基因推导定位，并与常规育种相结合，挖掘和利用其育种潜力，为促进甘蔗性状的遗传改良提供更可靠的依据。