斑茅割手密复合体与甘蔗杂交后代F1改良效率分析

doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2025.03.004

斑茅割手密复合体与甘蔗杂交后代F₁改良效率分析

黄玉新^,, 张革民, 周珊, 段维兴, 杨翠芳, 高轶静, 张保青^,

广西壮族自治区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，530007，广西南宁

Analysis of the Improvement Efficiency of F₁ Hybrids between Intergeneric Hybrid (Tripidium arundinaceum×Saccharum spontaneum) and Sugarcane

Huang Yuxin^,, Zhang Gemin, Zhou Shan, Duan Weixing, Yang Cuifang, Gao Yijing, Zhang Baoqing^,

Sugarcane Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Sciences / Key Laboratory of Sugarcane Biotechnology and Genetic Improvement (Guangxi), Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Guangxi Key Laboratory of Sugarcane Genetic Improvement, Nanning 530007, Guangxi, China

通讯作者: 张保青，主要从事甘蔗种质资源评价和创新利用研究，E-mail：zbqsxau@126.com

收稿日期: 2024-09-3 修回日期: 2024-12-2 网络出版日期: 2025-02-06

基金资助:

国家重点研发计划项目(2022YFD2301100)
广西自然科学基金项目(2023GXNSFAA026088)
广西自然科学基金项目(2023GXNSFAA 026354)
广西农业科学院基本科研业务专项项目(桂农科2021YT004)

Received: 2024-09-3 Revised: 2024-12-2 Online: 2025-02-06

作者简介 About authors

黄玉新，主要从事甘蔗遗传育种及种质资源创新利用研究，E-mail：huangyuxin13@163.com

摘要

甘蔗近缘属/种植物斑茅和割手密含有丰富的抗逆性、强宿根性和广适应性等育种需求的优异基因。通过远缘杂交将斑茅和割手密血缘渗入甘蔗品种，为拓宽甘蔗遗传基础、提高其抵御重要病虫害能力和产量奠定基础。利用2对EST-SSR引物对甘蔗与斑茅割手密复合体杂交F₁群体进行真实性鉴定，并对F₁的农艺性状进行变异分析和聚类分析。结果表明，杂种F₁表型和农艺性状均发生分离；F₁群体株高、茎径、单茎重、有效茎数和锤度5个农艺性状变异范围在13.76%~33.51%；F₁群体有效茎数平均值超越双亲，株高和茎径平均值分别大于或等于亲本平均值，单茎重和锤度平均值低于亲本平均值。聚类分析将68份真实的杂种F₁分为4个类群，其中类群Ⅲ的221-79、221-103等11份材料在锤度、有效茎数等农艺性状上的综合表现优于其他类群。

关键词： 甘蔗; 斑茅; 割手密; 杂种鉴定; 聚类分析

Abstract

The exploration of stress-resistant, strong ratooning ability, and wide adaptability in related sugarcane species such as Tripidium arundinaceum and Saccharum spontaneum renders these species valuable genetic resources for sugarcane breeding. The incorporation of genes from T.arundinaceum and S.spontaneum into sugarcane cultivars via outcrossing promises to expand the genetic diversity of sugarcane, enhance resistance to key pests and diseases, and improve yield. This investigation employed two pairs of EST-SSR primers to confirm the authenticity of the F₁ progeny resulting from the cross between sugarcane and the intergeneric hybrid (T.arundinaceum×S.spontaneum), and further analyzed the agronomic characteristics of their F₁generation. The F₁ hybrids demonstrated segregation in both phenotypic and agronomic traits. The analysis revealed variability in five agronomic traits - plant height, stalk diameter, single stalk weight, millable stalk number, and brix ranged from 13.76% to 33.51% in the F₁ population. The average millable stalk number in the F₁ population exceeded that of both parents, while mean plant hight was greater than and stalk diameter equal to the parental averages. The mean single stem weight and brix value were lower than that of the parental average. A total of 68 genuine hybrid F₁ were divided into four groups through cluster analysis. Among them, 11 materials such as 221-79 and 221-103 in Group Ⅲ showed better comprehensive performance in agronomic traits such as brix and millable stalk number compared with other groups.

Keywords： Sugarcane; Tripidium arundinaceum; Saccharum spontaneum; Hybrid identification; Cluster analysis

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本文引用格式

黄玉新, 张革民, 周珊, 段维兴, 杨翠芳, 高轶静, 张保青. 斑茅割手密复合体与甘蔗杂交后代F₁改良效率分析. 作物杂志, 2025, 41(3): 23-29 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2025.03.004

Huang Yuxin, Zhang Gemin, Zhou Shan, Duan Weixing, Yang Cuifang, Gao Yijing, Zhang Baoqing. Analysis of the Improvement Efficiency of F₁ Hybrids between Intergeneric Hybrid (Tripidium arundinaceum×Saccharum spontaneum) and Sugarcane. Crops, 2025, 41(3): 23-29 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2025.03.004

现代甘蔗品种主要来源于种间杂交，其原始亲本主要包括甘蔗属内少数几个热带种、印度种、中国种、细茎野生种和大茎野生种等，狭窄的遗传基础造成后代群体变异不足，甘蔗品种遗传改良进展缓慢。远缘杂交是种质创新的主要途径之一，在甘蔗品种改良中扮演着重要角色。

割手密（Saccharum spontaneum L.，2n=40~ 128）亦称细茎野生种，具有分蘖多、宿根性好、抗逆性强及适应性广等优良特性^[1-2]，是甘蔗属中种类和基因型最为丰富、育种成效最显著的野生种。前人^[3-8]成功将爪哇割手密（2n=112）、印度割手密（2n=64）、中国海南割手密（2n=80）、中国云南蛮耗割手密（2n=64）和中国台湾割手密等血缘导入甘蔗栽培种，培育出了‘POJ’系列、‘Co’系列、‘崖城’系列、“YN”系列和台糖品种（亲本）。这些品种（亲本）的选育，为世界甘蔗产业的发展做出了重大贡献。

斑茅（Tripidium arundinaceum）隶属于禾本科（Graminaceae）蔗茅属，具有改良现有甘蔗品种抗逆性、宿根性、适应性和生长势等农艺性状的潜力。近几十年，世界各国育种家开展了较多斑茅创新利用研究^[9-12]，已创制了从F₁至BC₅等不同世代斑茅蔗，并获得了含斑茅血缘的崖城07-71和崖城06-160等优异亲本，且有材料进入国家区域试验^[13-14]。前人^[15-16]研究表明，斑茅F₁、BC₁和BC₂具有生长势强、分蘖多等优良性状。斑茅BC₁对花叶病害具有普遍的抗性，对黑穗病抗性分离^[17]；部分BC₃具有较强的抗逆性^[18]。因此，充分挖掘利用斑茅优异基因有利于提高甘蔗育种效率。

广西自然资源条件优越，生物资源数量多、分布广、特异性突出^[19]。广西甘蔗种质资源圃目前保育有1300多份广西割手密和450多份广西斑茅，这些数量丰富的种质资源利用潜力有待开发。本研究以高糖高产甘蔗品种粤糖93-159与兼含广西割手密和广西斑茅血缘的斑茅割手密复合体（斑割复合体）GXAS07-6-1^[20-21]进行杂交，利用EST-SSR引物对杂交F₁后代真实性进行分子鉴定，并评价F₁群体农艺性状，旨在初步评价斑割复合体改良效率，筛选出优异的复合体后代种质重点利用，提高甘蔗种质资源复合杂交创新利用效率。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为甘蔗品种粤糖93-159，斑茅割手密复合体GXAS07-6-1及其120份杂种F₁后代。其中粤糖93-159是中国轻工总会甘蔗糖业研究所从粤农73-204×CP72-1210杂交组合后代选育成功的甘蔗品种，品种特性为特早熟、高糖、丰产，高抗黑穗病。GXAS07-6-1是以广西斑茅GXA87-36（♀）与广西割手密GXS79-9（♂）杂交获得经分子和染色体鉴定为含双亲血缘的属间杂种^[20-21]。将F₁后代群体进行实生苗种植，待实生苗长至5叶期，进行杂种真伪性鉴定。选择经鉴定为真实杂种的68份F₁材料（表1）进行保育、扩繁，并进行农艺性状分析和聚类分析。

表1 68份真实的杂种F₁名称

Table 1 The names of 68 true hybrid F₁

编号 Code	名称 Name	编号 Code	名称 Name	编号 Code	名称 Name	编号 Code	名称 Name
1	221-2	18	221-30	35	221-68	52	221-94
2	221-5	19	221-31	36	221-71	53	221-95
3	221-9	20	221-35	37	221-74	54	221-96
4	221-10	21	221-36	38	221-76	55	221-98
5	221-12	22	221-38	39	221-77	56	221-99
6	221-13	23	221-42	40	221-79	57	221-100
7	221-15	24	221-45	41	221-80	58	221-103
8	221-16	25	221-46	42	221-81	59	221-104
9	221-18	26	221-48	43	221-82	60	221-106
10	221-19	27	221-49	44	221-83	61	221-107
11	221-22	28	221-50	45	221-85	62	221-108
12	221-23	29	221-51	46	221-86	63	221-110
13	221-25	30	221-52	47	221-87	64	221-113
14	221-26	31	221-62	48	221-88	65	221-114
15	221-27	32	221-63	49	221-89	66	221-115
16	221-28	33	221-66	50	221-90	67	221-119
17	221-29	34	221-67	51	221-93	68	221-120

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1.2 试验方法

1.2.1 DNA提取及PCR扩增

采用CTAB法提取杂交后代新鲜嫩叶基因组DNA，用QUAWELL Q5000微量紫外分光光度计对提取的DNA质量和纯度进行测定。将样品DNA浓度稀释到40 ng/L，置于-20 ℃冰箱保存备用。使用课题组通过甘蔗转录组数据库设计筛选出的2对EST-SSR正反引物ESTC50-F：5′-TCTGGGGCCATGGAAGTTGA-3′，ESTC50-R：5′-CAAGATGGTGACCCCGCAACTA- 3′；ESTC95-F：5′-TGTGCTCAAACAATGGGTAAT CA-3′，ESTC95-R：5′-GCTTTGCCGCTTCCAGTT TCAC-3′进行PCR扩增。PCR反应体系20 μL，包括10×Buffer（含2 mmol/L MgCl₂）2.0 μL，dNTP（10 mmol/L）0.4 μL，上、下游引物（10 μmol/L）各1.0 μL，DNA样品40 ng，Tag DNA聚合酶1 U，ddH₂O补足至20 μL。扩增程序：95 ℃预变性5 min；94 ℃ 30 s，56 ℃ 30 s，72 ℃ 1 min，进行35个循环；72 ℃延伸5 min，扩增产物在7%聚丙烯酰胺凝胶上电泳分离，用硝酸银染色观察。

1.2.2 杂交后代真实性鉴定

以亲本DNA为模板，用筛选出的父母本间具有父本特征性条带的引物对杂交后代进行真实性鉴定，当杂交后代扩增产物具有父本特征条带时，则判定为真杂种，如仅含有母本条带而无父本特征条带的后代，则无法确定其真实性，还需采用其他引物进行鉴定^[22-23]。

1.3 试验设计

在广西壮族自治区农业科学院甘蔗研究所隆安丁当基地进行F₁群体农艺性状分析。试验材料于2022年4月5日种植，采用随机区组设计，小区行长3 m，行距1.2 m，下种量10芽/m，设3次重复，田间管理与大田生产一致。

1.4 数据处理

于2022年11月8-11日，调查株高、茎径、有效茎数（大于1 m的蔗茎）和锤度等农艺性状，单茎重（kg）=0.7854×茎径²×株高/1000，每个材料调查20株。采用Excel 2010对各农艺性状指标的原始数据进行整理分析，采用SPSS 17.0软件计算各农艺性状的平均值、标准差和变异系数，采用DPS 18.05软件中欧氏距离、离差平方和法进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 杂种后代真实性鉴定分析

对120份F₁后代进行杂种真实性鉴定，引物ESTC50（图1）约在120 bp处扩增出1条形态清晰的父本特征条带，引物ESTC95（图2）约在160 bp和190 bp处扩增出2条形态清晰的父本特征条带（箭头所示），综合2对引物的鉴定结果，共有68份材料遗传到父本特异带，因此判断这些材料为真实杂种，杂种真实率为56.67%。

图1

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图1 部分F₁后代引物ESTC50鉴定结果

M：600 bp DNA marker；♀：YT93-159；♂：GXAS07-6-1，1~72为F₁后代。下同。

Fig.1 Identification of primer ESTC50 in part of F₁ progeny

M: 600 bp DNA marker; ♀: YT93-159; ♂: GXAS07-6-1, 1-72 are F₁ progeny. The same below.

图2

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图2 部分F₁后代引物ESTC95鉴定结果

Fig.2 Identification of primer ESTC95 in part of F₁ progeny

2.2 亲本及F₁形态学差异比较

经观察比较（图3），母本YT93-159叶片宽大，蔗茎青绿色，无气根，花粉育性偏低。父本GXAS07-6-1叶片比较细长，形似割手密，蔗茎曝光前为黄绿色，曝光后为黄色，有气根，花粉育性较好。杂交F₁后代叶片变宽，变化幅度大，但均略小于母本，茎色与母本一致，部分后代有气根，花粉育性发生分离，但总体较低。F₁群体遗传了野生种易开花的习性，大部分材料在广西南宁地区11月底或12月初孕穗，12月中、下旬抽穗开花，不同材料花期略有差异。

图3

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图3 亲本及F₁后代形态学差异比较

(a) 叶片，(b) 蔗茎，(c) 花粉染色率。

Fig.3 Comparison of morphological differences between parents and F₁ progeny

(a) Leaf, (b) Cane, (c) Pollen staining rate.

2.3 亲本及F₁群体农艺性状的变异分析

变异分析（表2）表明，F₁群体株高、茎径、单茎重、有效茎数和锤度5个农艺性状均存在不同程度的变异，变异范围在13.76%~33.51%，其中单茎重变异系数最大，其次是有效茎数，茎径的变异系数最小，表明斑割F₁群体在产量相关性状离散程度较大，可以在群体内进行优良个体选择。

表2 亲本与F₁后代农艺性状比较

Table 2 Comparison of agronomic traits between parents and F₁ progeny

性状 Trait	亲本Parent			F₁群体F₁ population
性状 Trait	YT93-159	GXAS07-6-1	平均值Mean	范围Range	平均值±标准差Mean±SD	变异系数CV (%)
株高Plant height (cm)	275.4	172.0	223.7	162.0~282.0	230.0±33.0	14.36
茎径Stalk diameter (cm)	2.87	0.82	1.85	1.41~2.38	1.84±0.26	13.76
单茎重Single stalk weight (kg)	1.43	0.09	0.76	0.30~1.10	0.63±0.21	33.51
有效茎数Millable stalk number	28.0	35.0	31.5	16.3~59.7	35.6±11.2	33.10
锤度Brix (%)	20.4	10.7	15.6	8.6~16.6	11.6±2.3	19.85

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对亲本与F₁群体农艺性状数据进行比较，亲本YT93-159和GXAS07-6-1各性状差异比较明显，特别是茎径、单茎重和锤度。F₁群体株高、茎径和单茎重较父本GXAS07-6-1有较大改良，群体株高和有效茎数超过了母本YT93-159，但茎径、单茎重和锤度与母本YT93-159的差距仍较大。

2.4 F₁群体聚类分析

采用欧氏距离、离差平方和法对68份杂种F₁进行聚类分析（图4，表3）。在遗传距离=12.0处，将参试材料分为4个类群。类群Ⅰ有221-49、221-100等22份材料，主要表现为植株矮，茎径小，锤度低，可考虑淘汰。类群Ⅱ有221-80、221-107等18份材料，其特点是植株高，蔗茎粗，但锤度较低，可用高糖的甘蔗亲本进行改良。类群Ⅲ有221-79、221-103等11份材料，在群体中综合表现最好，其特点是植株较高，锤度高，有效茎多，后续可重点观察利用。类群Ⅳ有221-10、221-96等17份材料，主要表现为植株矮，蔗茎粗，有效茎少，可选择性利用。

图4

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图4 F₁群体聚类分析

Fig.4 Cluster analysis of F₁ population

表3 4个类群主要农艺性状表现

Table 3 The main agronomic traits of four groups

性状 Trait	类群Group
性状 Trait	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅴ
株高Plant height (cm)	215.0	249.0	245.0	218.0
茎径Stalk diameter (cm)	1.66	2.05	1.75	1.91
单茎重Single stalk weight (kg)	0.47	0.83	0.59	0.63
有效茎数Millable stalk number	39.5	33.6	44.9	26.7
锤度Brix (%)	10.5	11.4	13.1	12.4

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3 讨论

3.1 甘蔗杂种真实性鉴定

杂交子代早期鉴定能够缩短育种年限，加快育种进程。因此，杂种的真伪性鉴定是甘蔗远缘杂交利用过程中非常重要的工作。现代甘蔗品种主要含有热带种、印度种、割手密等3~5个原种血缘，即使是自交后代，也会分离出野生特性，从表型上难以判断是否为真实的杂种后代。因此，根据甘蔗植株的株高、株型、节间形状、节间颜色、节间长度、叶片大小、叶姿、叶色、芽形、芽位、芽沟、花序性状、花絮颜色以及脱叶性、气根有无、叶背鞘毛群多少等形态特征^[24]鉴定的结果并不准确。分子标记可以从DNA分子水平上获得最直接的证据，是杂种鉴定比较高效的手段。田春艳等^[25]运用SSR标记对3个割手密F₁群体进行鉴定，3个组合的真杂种率分别为67.77%、75.51%和75.66%。陆鑫等^[22]选用4对引物对62份滇蔗茅杂交F₁代进行SSR分子标记鉴定，结果表明，62份杂交后代全部为真杂种。本研究所选用的2对EST-SSR引物在双亲之间均具有多态性，扩增条带清晰，鉴定效率为56.67%。本研究鉴定效率略低于前人^[25]，原因可能是引物多态性不够丰富或斑割复合体远缘杂交结实率不够高，侧面反映出斑割复合体的创新利用还需要提高效率，同时也需要开发适用于鉴定斑割复合体后代的特异引物。

3.2 甘蔗创新种质后代农艺性状的遗传变异分析

研究性状遗传变异规律对筛选优良杂交后代具有重要意义。农艺性状的变异系数越大，从该群体选出优良个体的概率就越大^[26]。杨翠芳等^[27]研究表明，割手密F₁群体锤度的变异系数最小（5.52%）。靳铎等^[28]研究发现，19份甘蔗与蔗茅BC₁、F₁材料单茎重变异系数最大（49.91%），叶长变异系数最小（13.69%）。滇蔗茅F₁的8个数量性状的变异幅度在11.9%~43.2%，平均变异系数为22.3%，其中有效茎数、单茎重、茎径、株高和糖分的变异系数分别是43.2%、29.0%、12.5%、11.9%和29.8%^[29]。俞华先等^[30]研究表明，不同亲本组合的云南割手密F₂创新种质的变异系数存在较大差异。本研究中，单茎重的变异系数最大，为33.51%，有效茎数的变异系数次之，为33.10%，茎径变异系数最低，为13.76%，与前人^[28-30]研究结果略有不同，表明野生蔗后代农艺性状变异类型丰富，不同类型甘蔗创新种质后代的遗传特性不一样。斑割复合体F₁群体5个农艺性状的变异系数均大于10%，表明群体间差异大，这有利于优良个体的筛选。

前人^[15,31-32]在斑茅的利用中发现F₁一般表现为小茎，易开花，花期较早，无或少花粉，蒲心，斑茅杂交后代真实率低，糖分和单茎重普遍偏低，糖分恢复效率低于割手密。也有研究^[33]表明，斑茅F₁有效茎数较多，锤度略低于亲本的平均值，茎径平均值远小于双亲茎径的平均值。本研究发现，斑茅割手密复合体F₁杂种真实率较高，花粉育性发生分离，可获得少数花粉好的材料。F₁群体在株高和有效茎数上出现超越亲本的杂交后代，茎径大小介于双亲之间，单茎重和锤度平均值低于亲本的平均值。本研究结果与前人^[32-33]研究结果略有不同，表明利用斑茅割手密复合体与甘蔗杂交，可获得兼具斑茅和割手密优点的材料，这有利于加快斑茅的利用效率。

3.3 F₁群体聚类分析

聚类分析结果可为育种决策提供有价值的参考依据^[34]。选用性状优良、长势强、单茎重、茎径大、有效茎数多和产量高的野生资源，有利于培育出性状更为优良的后代种质材料^[35]。本研究通过欧氏距离聚类分析，将68份真实的杂种F₁分为不同特征类型的4个类群，在后续的研究中，可以根据该聚类结果结合育种目标，对产量、糖分等综合性状优良的材料开展抗性评价，筛查出农艺性状兼抗性优良的材料加以利用，从而提高育种或研究效率。

3.4 染色体数量与农艺性状相关性分析

前人^[10]研究发现，斑茅的染色体和产量相关性状如干物质产量、有效茎数、单茎重和茎径之间存在明显的正相关，斑茅染色体数目与糖分和纤维含量无明显关系；相较于斑茅染色体数量较少的属间杂种，斑茅染色体数量接近预期值（n= 30）的属间杂种生长势更强。甘蔗与蔗茅的BC₁、F₁材料的染色体数目与锤度、茎径、叶宽呈极显著正相关，与单茎重呈显著正相关^[28]。课题组前期研究^[21,23]发现，斑茅割手密复合体F₁染色体数在78~98条，部分染色体存在加倍或丢失现象。本研究只分析了F₁农艺性状的遗传情况，染色体数目或斑茅染色体数是否与农艺性状相关，待进一步研究。

4 结论

120份甘蔗与斑茅割手密复合体杂交F₁真实杂种有68份，占56.67%。杂种F₁表型和农艺性状均发生分离，产量相关性状改良较快，糖分改良较慢。F₁群体单茎重及有效茎数较株高、茎径和锤度有较大的变异。类群Ⅲ的221-79、221-103等11份材料在锤度、有效茎数等农艺性状上的综合表现优于其他类群，后续可重点关注和利用。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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Grivet

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