美國農業部甘蔗研究所科研動向與甘蔗種質資源保存概況

陸 鑫 ，朱建榮 ，周 會 ，蔡 青,3

（1.云南省農業科學院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室，開遠 661699；2.廣西農業科學院甘蔗研究所，南寧 530007；3.云南省農業科學院生物技術與種質資源研究所，昆明 650223）

甘蔗是我國糖料作物中種植面積最大的[1],是一些地區財政收入的重要來源之一[2]。為提高甘蔗科技創新能力，促進蔗糖產業發展，加強國際間合作與交流，在云南省農業科學院資助下，筆者于2011年10月至2012年3月赴美國農業部南方研究中心甘蔗研究所（USDA-SRU）進行訪問學習，對美國甘蔗種質資源保存和美國農業部甘蔗研究所科研動向等做了較全面的了解。

1 美國甘蔗生產現狀

美國是世界上少數幾個同時生產甘蔗糖和甜菜糖的國家之一。由于美國國土南北縱向跨度大，僅南部地區的氣候條件能夠滿足甘蔗生長的需求，加之各州政府對產業結構的調整，現僅有4個州在進行甘蔗種植與蔗糖加工，分別是夏威夷州、德克薩斯州、路易斯安那州和佛羅里達州。2010—2011榨季，美國甘蔗種植面積為35.5萬hm2，甘蔗平均單產為76.8t/hm2，蔗糖總產量為286.9萬t。

從美國農業部公布的近30年甘蔗生產情況來看，各州甘蔗種植面積從大到小依次為路易斯安那州、佛羅里達州、德克薩斯州、夏威夷州。其中，在2001—2002榨季，美國甘蔗種植總面積達歷史最高水平，為41.6萬hm2，但在兩年之后，4個州的植蔗面積均呈現大幅下滑，其中最為嚴重的是夏威夷州，由1980年的4.2萬hm2降至2010年的0.7萬hm2；從2006年開始，各州的甘蔗種植面積保持相對穩定。最近5年，美國甘蔗種植面積維持在35萬hm2左右。

從各州甘蔗單產來看，夏威夷州單產最高，平均單產為197.7t/hm2，其中2003—2004榨季甘蔗單產為228.7t/hm2，為歷史最高水平，其高產的原因在于該州甘蔗生長期較長，一般為24—36個月，其次為佛羅里達州（76.7t/hm2）、德克薩斯州（74.3t/hm2）、路州（58.7t/hm2）。最近 10 年，全美甘蔗單產平均降至 73.5t/hm2。各州年均蔗糖產量從高到低依次為佛羅里達州（149.6萬t）、路易斯安那州（94.2萬t）、夏威夷州（52.7萬t）、德克薩斯州（11.2萬t）。從最近10年的數據看，夏威夷州蔗糖產量下降最快，2010—2011榨季年產糖量僅為15.6萬t，其余3個州的蔗糖產量均保持相對穩定（佛羅里達州：130.0萬t；路易斯安那州：127.5萬t；德克薩斯州：13.2萬t）。

在美國，盡管甘蔗產業的規模與其創造的價值遠低于甜菜糖，但美國政府仍然對南部地區的甘蔗產業進行政策性保護，如嚴格按國內需求缺口量對食糖的進口量加以控制；對食糖生產，實行配額管理；國家加大對能源甘蔗的研發力度和研究經費的投入等。因此，近年來美國甘蔗產業整體上呈現穩中有升的發展趨勢。

2 美國農業部甘蔗研究所簡介及其科研動向

美國農業部的甘蔗育種研究工作始于1919年。1924年美國甘蔗聯盟向美國農業部捐贈土地，在路易斯安那州的荷馬建立甘蔗研究實驗室。1928年，實驗室的研究重點從甘蔗病理學轉向育種學。為確保備選品種能夠得到充分測試以滿足路州蔗糖產業發展的需要，美國農業部、路易斯安那州州立大學農業試驗站和美國甘蔗聯盟于1926年聯合簽署了一項三方甘蔗品種發展協議，該協議時至今日仍然有效，該協議通過對品種改良和栽培技術的改進，使路州甘蔗單位面積產糖量提高了4倍。

目前美國農業部甘蔗研究所擁有12名科學家和近40名實驗技術人員及行政人員。該所的研究任務是為加強甘蔗作為生物燃料和食糖生產原料的可行性提供技術解決方案，通過各學科協作進行品種改良和制定環境友好型產品生產策略，保障制糖企業盈利、擴大甘蔗種植面積、抵御不斷進化的病、蟲、雜草等甘蔗有害生物。美國農業部甘蔗研究所代表性學科有：農藝學、遺傳育種學、昆蟲學、分子遺傳學、病理學、土壤學及雜草防治等。目前，該所研究目標與方向如下[3]。

2.1 通過常規育種與分子生物技術相結合，進行甘蔗遺傳改良

甘蔗品種改良由4部分內容組成，一是商業種選育，二是種質創新，三是輪回選擇，四是分子輔助育種。商業種選育中，商業種和高代材料的雜交工作由荷馬甘蔗研究所和佛羅里達州的運河點甘蔗試驗站共同完成。荷馬甘蔗研究所通過田間評價試驗，從這些商業組合中篩選出具有商業應用潛力的品種并給予以“Ho”或“HoCP”開頭的品種編號。路州大學農業中心同樣也開展甘蔗雜交和選育工作，根據1926年三方聯合簽署的甘蔗品種發展協議，路州大學農業中心選育出的，選育編號以“L”開頭的品種，將與“Ho”和“HoCP”型品種共同在整個路州蔗區進行品種區域試驗，篩選種性表現穩定的品種并釋放到整個蔗區進行產業化應用。

種質創新的作用在于拓寬甘蔗遺傳基礎，并為培育甘蔗新良種提供新型親本。盡管低世代創新種質的糖分較低，但它們具備高生物量的潛力，并且這些F1、BC1、BC2本身具有低投入（種植管理成本）、高纖維分、耐寒、抗病蟲性強的特點，因此荷馬甘蔗研究所將這些材料作為能源甘蔗進行釋放，并得到纖維素生物燃料行業的認可。目前，荷馬甘蔗研究所的能源甘蔗品種已經開始在美國東南部地區開展評估工作。

輪回選擇的重點是選擇早熟、高糖，并具有抗甘蔗螟蟲和墨西哥水稻螟的品種。分子輔助育種的重點是通過開發和利用DNA分子標記選擇諸如抗病、抗蟲、高糖等特殊性狀的品種/材料，以提高甘蔗育種效率。

2.2 利用抗病性甘蔗種質，實現病害防控

路州蔗糖產業經濟的可持續發展依賴于不斷推廣應用抗病抗逆性強的高產品種。病理學科的研究目標是通過持續選育抗病品種來降低病害對糖料蔗和能源蔗產量的影響。該學科對雜交親本及該單位收集保育的甘蔗屬及其近緣屬種質的抗病性進行鑒定，適時監測甘蔗上出現的新的病原菌；利用分子標記的方法進行宿主與病原菌的遺傳學研究，研究開發用于病害檢測的與抗病基因緊密連鎖的DNA分子標記。

2.3 開發雜草與蟲害綜合管理系統，促進甘蔗生產的高效可持續發展

通過品種選擇、耕作方式、輪作、蔗葉還田管理和除草劑的使用，尋找降低雜草對甘蔗生產影響的最佳管理模式；評估新型化學除草劑對多年生雜草的防除潛力；研發非化學手段控制甘蔗螟蟲的方法，例如從甘蔗野生種或其近緣屬植物中尋找具有抗螟蟲特性的資源，調查研究施用硅肥對提高甘蔗抗螟蟲潛力的影響，利用捕食性昆蟲和寄生生物進行生物防治的綜合性蟲害治理系統，以及品種對蟲害和殺蟲劑的耐受性；評估甘蔗蚜蟲密度與產量損失之間的定量關系。

2.4 研發新型或改良現有的栽培技術，保護自然環境，保障甘蔗生產的可持續性

應用精準農業和遙感技術等手段發展作物栽培及土壤管理新技術，克服土壤養分限制，使甘蔗種植效益最大化；應用作物生理學方法，如測量植株光合速率、冠層分析、葉面積、株高、有效莖數、單莖重、生物量分配與產量構成要素，評價蔗葉還田和催熟劑的使用對甘蔗產量的影響。同時該學科還利用遙感技術識別甘蔗品種，監控病蟲害發生情況，輔助預測收獲前甘蔗的含糖分及其產量水平。

由于美國農業部甘蔗研究所在發展能源甘蔗品種方面取得的成功，以及美國東南部地區對能源甘蔗的需求，美國農業部農業研究服務中心（USDA-ARS）追加了額外的研究經費資助荷馬甘蔗研究所設立新的研究項目，其目標是研發一種最佳的甘蔗田間栽培管理模式，實現甘蔗持續高產，保證制糖和生物質能源產業的原料蔗供應。該管理模式主要從以下幾個方面開展研究：使用非傳統肥料（如濾泥、碳灰和生物炭）；甘蔗固氮；深耕；收獲期調整；蔗葉還田（減少土壤浸蝕、保持土壤水分和土壤肥力、維持土壤有機質）。

3 美國甘蔗種質資源保育情況

美國國家甘蔗種質資源圃位于佛羅里達州邁阿密亞熱帶園藝作物研究工作站 （Subtropical Horticulture Research Station's,SHRS），是世界上規模最大、最早對甘蔗種質資源進行收集和保育的機構。從美國農業部2012年4月8日公布的保育情況看，該圃現今保育有來自61個國家或地區的21個甘蔗屬或其近緣屬的種，保育資源總數為2863 份[4]（詳見表 1）。 而從資源收集入圃的時間來看，該圃的資源收集工作主要集中在20世紀80年代以前，在最近的近30年間，該圃幾乎無新的甘蔗種質材料（包括雜交品種）入圃保育。該圃保育的415份雜交種質，盡管都屬于一些老品種，但不乏一批高貴化中低代材料，這些材料值得我們引進并加以利用；美國甘蔗資源圃內保育的熱帶種數量較多，來源地較為豐富，共包括來自35個國家及地區的935份熱帶種，其中大部分來自新幾內亞、印度、印度尼西亞等甘蔗起源地；其他如沙生蔗茅等野生種質可引進，以完善我國甘蔗種質資源圃保存的基因類型，使圃內保育的資源遺傳多樣性更為豐富。

表1 美國甘蔗種質資源保育情況

4 體會

在美國，蔗農協會每年都會拿出一筆資金提供給科學家用作研究經費，以解決當前甘蔗生產過程中存在的問題，這就使得所開展的科研工作更具針對性，與生產結合更為緊密，真正做到科研支撐生產，生產反哺科研；同時，各項科研工作均較注重對產業發展的高效性和持續性影響，重視對生態環境的保護；在品種布局上，實行多品種搭配種植制度，防止主栽品種突然退化給產業帶來嚴重的經濟損失；在田間試驗操作上較為粗放，以盡可能地與生產實際相結合。

農作物種質資源是作物育種、生物科學研究和農業生產的物質基礎，廣泛收集種質資源是作物種質資源學科的基礎和先行，只有廣泛和不斷地收集，才能獲得農作物種質更豐富的多樣性，并減少農作物種質資源的丟失，以便更好地保存、整理、研究和利用[5]。我國現有的甘蔗品種不僅細胞質源種類貧乏，且野生種血緣單一、遺傳基礎狹窄[6]，從國外引進植物種質資源包括新作物、新品種（系）、地方品種、遺傳材料及作物野生近緣植物，可充實和豐富我國的作物種類和推廣的優良品種以及作為育種的親本材料。美國國家甘蔗種質資源圃保存的種質資源從數量上和來源地來看，均比我國豐富，熱帶種作為種質創新中的受體材料和高糖高產基因源，應作為我們今后引種的重點，并加以創新利用，以豐富我國甘蔗育種親本的細胞質源，拓寬遺傳基礎。

此外，美國國家甘蔗種質資源圃對部分種質材料的眼斑病、梢腐病、銹病和黑穗病做了調查記錄，并將這些材料的抗病性劃分為0～9級，其中0級為高抗，9級為高感；在其公布的數據中，高抗眼斑病的材料有70份（69份熱帶種、1份割手密），高感眼斑病材料14份（13份熱帶種、1份大莖野生種）；1級抗梢腐病材料50份（全部為熱帶種），高感梢腐病材料4份（全部為熱帶種）；高抗銹病材料85份（82份熱帶種、2份大莖野生種、1份雜交品種）；高抗黑穗病材料8份（全部為熱帶種），高感黑穗病材料26份（全部為熱帶種）。這些信息可為今后引種提供參考，使引種工作更具針對性。從國外引種時，須嚴格按照《甘蔗進口種苗檢疫方法》[7]開展檢疫工作，防止可能造成的生態危害和環境危害。

與巴西、印度、澳大利亞等世界產糖國相比，美國既不是世界主要產糖國、也不是研究水平最高的國家，但美國在種質資源保護、育種研究與產業發展上仍極為重視，值得我們學習和借鑒。

致謝：衷心感謝美國農業部甘蔗研究所潘永保教授對筆者在美期間的學習和生活給予的關心和幫助！

[1]樊仙，刀靜梅，崔雄維，等.云南省滄源縣甘蔗生產現狀調查[J].中國糖料，2011（4）：56-58.

[2]徐雪.中國食糖產業政策體系及建議[J].中國糖料，2011（2）：63-67.

[3]Edward Richard.USDA-ARS sugarcane research unit overview[J].Sugar Journal,2012（1）:8-11.

[4]Summary statistics of holdings as of 08 Apr 2012[EB/OL].http://www.ars-grin.gov/cgi-bin/npgs/html/stats/genus.pl?S*

[5]鄭殿升，劉旭，盧新雄，等.農作物種質資源收集技術規程[M].北京:中國農業出版社，2007.

[6]陸鑫，毛鈞，劉洪博，等.甘蔗野生種滇蔗茅種質創新利用研究Ⅰ.甘蔗與滇蔗茅遠緣雜交F1群體構建與SSR分子標記鑒定[J].植物遺傳資源學報,2012，13（2）：321-324.

[7]黃應昆，李文鳳，范源洪，等.甘蔗進口種苗檢疫方法[P].中國專利：2010201010230554.2.