甘蔗是我國主要的糖料作物，在我國農業經濟發展和保障食糖供應方面發揮著重要作用。我國甘蔗種植面積約1800萬畝，僅次于巴西、印度和泰國，是世界第四大甘蔗種植國和產糖國。近年來，世界各國在甘蔗優異種質資源保護與利用、種質創新、優良新品種培育和甘蔗生物育種技術研發及應用等方面取得一系列創新性研究成果，促進了甘蔗育種領域的迅速發展。

一、甘蔗雜交育種不斷取得新成果

甘蔗雜交育種歷程已有100多年。1887年Soltwedel、Harrison和Bovell分別在印度尼西亞爪哇島和巴巴多斯發現甘蔗可以通過雜交產生種子，揭開了甘蔗有性雜交育種史的序幕。1953年以前，中國大陸主栽品種主要來源于印度和中國臺灣，1953年起，以海南甘蔗雜交育種場起步，科研單位陸續開始對甘蔗進行選育和推廣研究。70年來，我國甘蔗品種不斷更新換代，現有甘蔗育成品種約有250余個，對我國甘蔗種業的可持續發展作出了重大貢獻。近年來，國內各科研單位加大育種規模，自主選育的甘蔗品種占主產區種植面積的95%以上。中國熱帶農業科學院南亞熱帶作物研究所育出的“熱甘”和“華糖”系列品種，兼具高產穩產、宜機化、抗病抗旱性強等優點。

圖1 甘蔗新品種的常規雜交選育流程

圖2 熱甘1號在品比試驗中的表現

二、誘變育種有效縮短甘蔗育種年限

誘變育種可產生許多重要農藝性狀的突變，具有高頻率、廣突變、周期短等特性，可以有效縮短育種年限，創制稀有新種質。國內最早報道甘蔗誘變育種的研究是朱鶴健(1959年)和許書昌(1962年)使用60Coγ射線輻射F134。桂輻80-29、粵糖輻83-5。粵糖輻90-15以及桂糖22號等品種均是通過60Coy射線輻射甘蔗種莖種芽經誘變選育成的代表性品種。桂輻90-10、桂輻97-18等品種則是采用理化結合的誘變方法對愈傷組織進行誘變處理并經多代篩選育成的優良誘變品種，用甲基磺酸乙酯(EMS)對甘蔗愈傷組織進行誘變，獲得了耐高鹽、耐水漬、抗黑穗病、耐除草劑等方面提升的甘蔗突變體。中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所通過太空誘變，選育出優良品種“中輻1號”，2022年獲得非主要農作物品種登記授權。

圖3 “中輻1號”甘蔗種苗

三、分子標記輔助選擇育種提高甘蔗育種效率

分子標記輔助育種在甘蔗育種上得到了一定程度的應用，具有省時省力、效率高的特點，目前其應用的分子標記類型主要包括RFLP、SSR、和SNP。RFLP和擴增片段長度多態性(AFLP)分子標記完成了甘蔗野生種割手密SES208、栽培種R570等多個甘蔗遺傳圖譜的構建, 定位了甘蔗重要性狀如蔗莖產量(株高、莖粗、莖重、有效莖數)、糖分、纖維分等相關QTL及抗褐銹病主效基因Bru1。2016年，澳大利亞Aitken開發了首張甘蔗SNP芯片(345K)。福建農林大學與佛羅里達大學研究團隊合作開發了Axiom甘蔗100KSNP芯片, 構建了割手密IND81-146、熱帶種Green German、CP80-1827的高質量遺傳圖譜。

四、甘蔗全基因組選擇育種精準高效

甘蔗全基因組育種是利用甘蔗基因型和表型構建特定的GS模型，估計分子標記的效應值或個體育種值來評估親本的遺傳價值，優化最佳親本基因組來聚合優勢等位基因。與傳統育種技術相比，具有定向、高效、精準等優點。Gouy等人利用1499個DArT標記, 對兩組167份甘蔗材料采用4種GS模型, 對10個性狀進行全基因組預測, 其預測精度在0.11-0.62之間。

圖片由AI生成

五、基因編輯育種定向改良甘蔗性狀

近年來, 甘蔗也開始基因編輯研究,已報道有類轉錄激活因子效應物核酸酶（TALENs）和RNA介導的規律成簇間隔短回文重復序列及其關聯（CRISPR/Cas) 2種基因編輯技術應用于甘蔗。2016年, Jung和Altpeter首次報道利用TALENs基因編輯技術成功敲除甘蔗木質素生物合成咖啡酸-O-甲基轉移酶基因, 降低了甘蔗中木質素的含量。中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所甘蔗研究團隊于2020年申請并授權“ 構建了一種針對甘蔗的CRISPR/Cas9載體及其構建方法和應用”的專利, 為CRISPR/Cas9系統在甘蔗育種中的應用奠定基礎。

六、基因工程育種是彌補甘蔗傳統雜交育種性狀缺陷和加快遺傳改良重要手段

利用現代基因工程技術方法對現有的甘蔗栽培種進行遺傳改良是進一步提高甘蔗產量和抗逆性的主要措施。1992年Bower和Brich建立了基因槍介導的以胚性愈傷組織為受體材料和以NPTII基因為篩選標記的甘蔗轉基因技術體系, 獲得了全球第一株外源基因穩定整合的甘蔗轉基因植株。2000年, 中國熱帶農業科學院熱帶生物技術研究所成功獲得海藻糖合酶轉基因甘蔗。隨后轉基因技術在甘蔗抗蟲、抗除草劑、抗病和抗非生物脅迫等相關性狀的遺傳改良中發揮了重要的作用。

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作者：孔冉（中國熱帶農業科學院南亞熱帶作物研究所助理研究員）

策劃：武玥彤 謝蕓

統籌：黃炳鈺

審核專家：蘇俊波（中國熱帶農業科學院南亞熱帶作物研究所副研究員）

支持單位：中國熱帶作物學會園藝專業委員會，廣東省南亞熱帶作物種質資源圃，國家現代農業產業技術體系（糖料）湛江綜合試驗站

來源: 科普中國-光明網

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