热带作物生物育种全国重点实验室甘蔗研究团队发表“糖王”云蔗08-1609育种理论和实践的学术论文

近日，热带作物生物育种全国重点实验室/中国热科院生物所/福建农林大学阙友雄和吴期滨团队与国家糖料产业技术体系首席科学家/农业农村部糖料专家指导组组长/云南农业科学院副院长张跃彬团队联合在植物科学领域国际知名期刊Frontiers in Plant Science（中科院大类分区生物学二区TOP，IF=5.999）在线发表了题为“Theory to practice: a success in breeding sugarcane variety YZ08-1609 known as the King of Sugar”的观点文章。云蔗08-1609是云南省农业科学院甘蔗研究所育成的高产特高糖典型品种，蔗糖分达20.3%，创造了国际甘蔗糖分最高记录，被称为“糖王”。本研究对云蔗08-1609的亲本选配、选育过程以及品种特性进行了阐述，并从转录和代谢水平解析其高产高糖性状形成的生物学基础，为进一步推进高糖品种选育奠定良好的理论依据和实践基础。

甘蔗是生长于热带和亚热带的无性繁殖禾本科作物，属高光合C4作物。甘蔗也是我国主要的糖料作物，蔗糖占我国食糖产量的90%以上。甘蔗产业的发展就是品种不断改良更新的过程。我国蔗区先后经过了5次大规模的品种改良更新，有力推动我国成为世界主要的蔗糖生产国，为食糖保障做出了重要贡献。近20年来，我国甘蔗育种科学家根据甘蔗产业的重大科技需求，定向攻克杂交技术难题，创新性建立了异质复合育种理论，形成了高糖育种方法；进而创立了“亲本组合、家系评价、早代选择、理想株型、多维评价”为一体的高糖选种技术，培育了高糖种质，成功育成了云蔗08-1609、桂糖42号、桂柳05-136、桂糖44号、云蔗05-51等一批突破性高糖新品种，使我国主产蔗区的第五代新品种占蔗区面积的83.4%以上。

云蔗08-1609的亲本选配和选育逻辑：高产、高糖和抗逆性强是对甘蔗新品种的基本要求。随着蔗糖产业的发展，对蔗糖分的要求也越来越高，不仅熟期要早，同时在整个榨季，蔗糖分最好持续上升，且不回糖。同时，要加强抗病虫、抗旱、抗寒等种质资源的研究与利用，选育抗逆性强的品种并进行合理布局。20世纪10年代，Jeswiet首创了甘蔗高贵化（nobleization）育种法，育成了产量、含糖量兼顾抗逆性和适应性优越的POJ2878，被誉为“蔗王”，成为世界各国甘蔗杂交育种的重要亲本，为甘蔗育种的发展做出了重要贡献。近年来，我国育成并主推的柳城05-136、粤糖93-159、粤糖00-236和云蔗08-1609等品种，呈现了显著的高糖性状。云蔗08-1609是由粤糖00-236和云蔗94-345杂交育种选育而成的，其含有了POJ2878、CP、F和Co系列品种的血缘（图1），其蔗糖分峰值达20.3%，被称为“糖王”。

图1. 云蔗08-1609的亲本选配

云蔗08-1609的品种特性：云蔗08-1609是特早熟品种；出苗整齐且壮，苗期长势强，成茎率高，蔗茎均匀整齐，中大茎，无空浦心；株型紧凑、直立；节间圆锥形；芽形状呈五角形，芽尖到达生长带；叶姿拱形，叶片宽度中等，呈青绿色；叶鞘花青素显色强度中，毛少；脱叶性较好；宿根性强；高抗花叶病，抗旱性强，中感黑穗病（图2）。该品种适宜在水田、水坝、旱坡和梯田种植。2023年，该品种的种植面积达到963,500亩，占中国总种植面积的6.42%。

图2. 云蔗08-1609的品种特性

云蔗08-1609高产高糖性状的生物学基础：与对照ROC22相比，云蔗08-1609表现出产量和糖分更高，抗逆性更好，分蘖能力更强的特性（图3A）。在云南省第十四轮区试中，除了勐海，云蔗08-1609在开远、德宏、宝山和临沧的蔗茎产量显著高于对照ROC22（图3B）。YZ08-1609在整个榨季（11月至次年3月）的平均蔗糖含量明显高于对照ROC22，在1月、2月和3月，YZ08-1609的平均蔗糖含量分别为16.35%、17.04%和17.42%，分别比ROC22高1.39%、0.93%和0.79%（图3C）。转录组和代谢组联合分析表明，参与苯丙烷和类黄酮生物合成（图3D）、半胱氨酸与蛋氨酸代谢和玉米素生物合成（图3E）、碳固定和淀粉、蔗糖代谢途径（图3F）的差异代谢物和差异表达基因在促进甘蔗生长发育、提高分蘖能力、改善抗生物和非生物胁迫的性状以及糖分积累方面发挥了潜在的关键作用。

图3. 云蔗08-1609高产高糖性状的生物学基础

高糖甘蔗品种选育的思路和挑战：现阶段，世界各甘蔗主产国育成的甘蔗品种几乎都是以现有主栽品种为亲本，优异野生血缘匮乏，遗传基础较为狭窄，且几乎所有品种都含有POJ系列的血缘，而在国内，育成的品种亲本血缘大量来源于CP和ROC系列。育种过程中，现代技术的渗入极其有限，组合的配置显得较为随意，选育过程主要还是以“经验育种”为主，甚至存在“拉郎配+撞种”的低水平重复。在本研究中，我们描述了“糖王”YZ08-1609从理论到实践的成功育种过程。云蔗08-1609是育种家利用“亲本组合、家系评价、早代选择、理想株型、多维评价”技术体系选育出来的，其含有了POJ2878、CP、F和Co系列品种的血缘，其蔗糖分峰值达20.3%，被称为“糖王”。我们认为，高糖品种的选育策略可以概括为：野生血缘的导入，高配合力亲本的选配，家系评价快速聚焦优良组合，早代选择精准定位优异品系，五圃制-理想株型选育高产高糖品种。以上研究为进一步推进高糖品种选育奠定了良好的理论依据和实践基础。

图4. 高糖甘蔗品种云蔗08-1609选育的思路和挑战

中国热带农业科学院、热带生物技术研究所、热带作物生物育种全国重点实验吴期滨副研究员和中国热带农业科学院甘蔗研究中心客座研究人员、广西农业科学院甘蔗研究所李傲梅助理研究员为该论文的共同第一作者；国家糖料产业技术体系首席科学家、云南省农业科学院、热带作物生物育种全国重点实验室张跃彬研究员为共同通讯作者；中国热带农业科学院甘蔗研究中心主任、热带生物技术研究所、热带作物生物育种全国重点实验室、福建农林大学阙友雄研究员为本文通讯作者。云南省农业科学院、热带作物生物育种全国重点实验室赵培方研究员和夏红明研究员参与了论文的策划和写作。该研究得到国家重点研发计划、热带作物生物育种全国重点实验室科研项目、国家糖料产业技术体系、中央公益科研院所基本科研业务费专项和云南省甘蔗遗传育种重点实验室开放课题等项目的资助。

文章链接：

https://doi.org/10.3389/fpls.2024.1413108