甘蔗常用親本的田間自然耐寒性測定及評價

楊榮仲，呂 達，周 會，肖 祎，劉昔輝，陳道德，雷敬超，黃贊斌，唐仕云，黃海榮，陶 宇

(1.廣西農業科學院甘蔗研究所/農業農村部廣西甘蔗生物技術與遺傳改良重點實驗室/廣西甘蔗遺傳改良重點實驗室/中國農業科學院甘蔗研究中心，南寧 530007；2.蔗糖產業省部共建協同創新中心，南寧 530004，3.四川省植物工程研究院，四川 資中 641200)

1 材料與方法

1.1 試驗材料

根據廣西農業科學院甘蔗研究海南雜交基地2014—2016年雜交季甘蔗親本的使用頻率，確定102份甘蔗參試親本，分別為FN1110、GT00-122、GT03-120、GT04-120、GT05-wm48、GT06-1264、GT09-98、GT87-7、GT91-116、LC03-1137、SWS-wm1、YC89-7、YT83-271、YT94-128、YuanL8、YZ05-51、CP94-1100、CP72-1210、CP80-1827、CP81-1384、CP84-1198、CZ89-103、GT04-1001、GT04-151、GT05-3369、GT06-244、GT07-772、GT92-263、GT92-66、GT94-119、GT99-156、Ke5、LC05-129、NongL8、Q188、ROC10、YC90-33、YG22、YT00-236、YT93-159、YT93-373、YZ89-7、Z3-2004、CP09-4257、GT02-833、LC03-296、YC84-153、CP00-1630、FN39、FN98-10、GT02-208、GT02-761、GT03-557、GT04-2724、GT05-955、FN30、CP92-1641、GT04-2679、GT05-1141、GT05-3661、GT93-102、GT03-1403、GT04-1007、GT04-1560、GT06-2361、GT94-10、GT97-217、YT91-976、GT03-2309、GT04-2645、GT05-3084、GT97-69、Q127、GT06-3283、GT96-211、ROC26、GT94-116、GT02-1156、GT05-839、GT06-1238、GT03-2357、GT05-2743、GT05-3595、GT97-40、YT92-4、GT07-274、GT10-2018、GT02-123、GT05-827、ROC1、ROC22、ROC25、YG24、YC82-96、YT96-86、GT03-713、Tai94-10、GT04-1023、YF90-95、GT06-178、MT96-1027和PINDAR。其中，我國的親本88份，包括桂糖系列親本54份、粵糖系列和崖城系列親本15份、臺糖系列親本7份、福農系列親本4份，其他育種機構親本8份；國外親本14份，主要來自美國、澳大利亞和日本。在54份桂糖系列親本中，15份為1995后年育成的桂糖系列品種。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 試驗在四川省植物工程研究院資中縣明心寺試驗基地進行。2017年新植試驗(2017P)重復1次，保留宿根2年(2018F和2019S)，2019年新植試驗(2019P)重復3次，保留宿根1年(2020F)。除2018年新植試驗未列入耐寒性調查外，其他均參考楊榮仲等[25]的方法進行調查。

1.2.2 測定項目及方法 參考楊榮仲等[25]的方法調查總苗數、株高、莖徑、有效莖數、蔗莖產量和錘度。根據每年霜凍發生情況的不同，調查甘蔗株受害率、莖長受害率、節間受害率和綠葉百分率等甘蔗低溫受害性狀[5-6]，并于2017—2019年霜凍發生前在蔗地安裝溫濕度記錄儀，記錄田間溫度和濕度；2020年通過彩云天氣APP輸入試驗所在地名稱(明心壩村)查尋每天早上(5：00—6：00)、中午(12：00—13：00)、晚上(22：00—23：00)的溫度，記錄低溫出現時期。

2017P低溫發生于2018年1月8日晚上9：30至1月14日上午7：10，出現5次低于0 ℃的記錄，最低溫度記錄為-4.53 ℃，平均為-1.81 ℃，低于0 ℃累計時長41 h 50 min。從低溫發生至調查期間的平均濕度為78.9%，其中，濕度高于70.0%的記錄占比76.2%，濕度高于80.0%的記錄占比58.9%。由于霜凍發生較重，待甘蔗生長經過較長時間恢復后于2018年3月12日調查受害甘蔗的錘度，3月22日調查株受害率、莖長受害率和綠葉百分率。

2018F低溫發生于12月28日下午4：50至12月30日上午11：30，最低溫度記錄為-4.23 ℃，平均為-1.66 ℃，低于0 ℃累計時長4 h 20 min；從低溫發生至調查期間的平均濕度為86.1%，其中，濕度高于70.0%的記錄占比81.6%，濕度高于80.0%的記錄占比72.3%；2019年2月21日調查甘蔗+1葉～+7葉的綠葉百分率、基部節間受害率和梢部節間受害率。

2019S和2019P未出現低于0 ℃的低溫記錄，僅于2020年1月7日1：16—9：26出現低于4 ℃的低溫記錄，最低溫度為0.19 ℃，平均為1.75 ℃，累計低于4℃時長8 h 20 min。從低溫發生至調查期間的平均濕度為86.5%，其中，濕度高于70.0%的記錄占比86.4%，濕度高于80.0%的記錄占比76.7%；受新冠疫情和人員流動影響，試驗推遲至2020年3月5日調查株受害率和節間受害率。

2020年一年宿根試驗(2020F)期間，于1月8—12日出現霜凍，凍害相對較重，甘蔗葉片幾乎全部枯死；于1月29日調查甘蔗株受害率、基部和梢部的節間受害率和莖長受害率。

1.3 統計分析

試驗數據采用R軟件的asreml、agricolae、AAfun、psych程序包和DPS 19.05進行分析，百分率數據進行反正弦轉換；受害性狀用線性混合模型進行方差分解；通過增減隨機因子后的模型變化確定對受害性狀是否存在顯著影響，建立最佳線性混合模型，并計算廣義遺傳力[26]。采用標準化、歐氏距離、類平均聚類法(UPGMA)，以親本性狀預測值(有重復)或性狀值(無重復)進行親本耐寒性聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同年度甘蔗的低溫受害情況

由表1可知，低溫程度不同，甘蔗親本的受害性狀也不相同；2019P未出現低于0 ℃低溫僅出現冷害時，由于低溫期間濕度較高，甘蔗親本經過恢復后，葉片幾乎未出現明顯受害癥狀，株受害率和節間受害率均相對較低，而冷害發生后，GT03-713、GT04-1023和YF90-95等少數親本出現受害癥狀，說明其耐寒性相對較差；與2019P比較，2019S的株受害率和節間受害率較高，未受害親本數均減少，說明第二年宿根蔗的耐寒性明顯較新植蔗差；在出現霜凍的試驗中，甘蔗親本的低溫受害癥狀加重，2018F的株受害率、莖長受害率和節間受害率均較冷害更嚴重，未受害親本數量減少，但仍有相對較高的綠葉百分率；在出現較嚴重霜凍的試驗中，所有甘蔗親本均出現受害癥狀，且受害程度進一步加重，2017P和2020F的株受害率很高(99.90%)，綠葉百分率極低(分別為3.68%和0)，2020F的節間受害率達60.71%；受害程度相對較低的親本FN1110、GT00-122、GT03-120和GT04-120等的耐寒性相對較好。進一步觀察還發現，2017P的親本在霜凍后經過較長時間恢復，受害癥狀有所減輕。

在調查獲得的數據中，2020F的親本在高濕條件下受較嚴重霜凍危害后，不僅梢部蔗莖受害，基部蔗莖也受到傷害；株受害率高達99.90%，其中梢部株受害率為99.70%，蔗莖基部株受害率為82.79%。

在梢部株受害率為100.00%的94份親本中，蔗莖基部株受害率為83.18%；蔗莖基部株受害率為100.00%的親本僅有28份，受害率在80.00%～99.90%的親本有37份，受害率在60.00%～79.90%的親本有15份，受害率低于50.00%的親本有10份。在梢部株受害率低于100.00%的8份親本中，未出現蔗莖基部株受害率為100.00%的親本。從凍后恢復的角度看，蔗莖基部株受害率相對較高的親本，恢復需要更長時間甚至不能恢復，說明其耐寒性更差。

綜上所述，出現冷害時耐寒性差的親本其蔗莖受到傷害；受輕霜凍危害時耐寒性差和相對較差的親本其蔗莖受到傷害，葉片部分受到傷害；受重霜凍危害時所有親本均受到傷害，葉片幾乎全部枯死，梢部蔗莖受害程度重于基部蔗莖；耐寒性差的親本，基部受害蔗莖較難恢復。

2.2 低溫受害性狀相關分析

2.2.1 受害性狀與農藝性狀相關分析 由表2可知，2019P和2020F的低溫受害性狀中與農藝性狀間呈顯著(P<0.05，下同)或極顯著(P<0.01，下同)相關的性狀較少，在對6個農藝性狀進行的30次相關分析中，僅2019P的株受害率與錘度、2020F的節間受害率與錘度2次呈顯著相關，與其他農藝性狀無顯著相關性(P>0.05，下同)；2017P、2018F和2019S的低溫受害性狀中與農藝性狀呈顯著或極顯著相關的性狀相對較多，在對6個農藝性狀進行的54次相關分析中有16次呈顯著相關，分別為2017P的莖長受害率與總苗數和有效莖數、綠葉百分率與莖徑和有效莖數呈極顯著相關；2018F的株受害率與總苗數、莖長受害率與總苗數和株高、節間受害率與總苗數和株高、綠葉百分率與總苗數呈顯著或極顯著相關；2019S的株受害率與總苗數、蔗產量和錘度、節間受害率率與總苗數、有效莖數和錘度呈顯著或極顯著相關。

從甘蔗受害程度看，受害較輕時受害性狀易于與農藝性狀呈顯著相關，受害較重時易于與農藝性狀呈顯著相關的受害性狀明顯減少或極少呈顯著相關。從農藝性狀看，總苗數是易于與受害性狀呈顯著或極顯著相關的性狀，在14次相關分析中有7次顯著或極顯著相關；其次是錘度，在14次相關分析中有4次與受害性狀呈顯著相關；有效莖數、株高、莖徑和蔗莖產量與受害性狀呈顯著相關的次數分別為3、2、1和1次。

2.2.2 受害性狀間相關分析 從表2可看出，低溫受害性狀之間的相關性表現因性狀不同而異。其中，株受害率明顯受到低溫程度影響，如冷害或輕霜凍時，與莖長受害率和節間受害率均呈極顯著正相關，與綠葉百分率呈極顯著負相關，且相關系數較大，而重霜凍時與其他受害性狀的相關系數明顯減小(如2017P)，甚至無顯著相關性(如2020F)；莖長受害率與節間受害率間的相關性受低溫程度影響較小，二者呈極顯著正相關且相關系數較大(0.994)，從評價角度看二者任選其一均可行，但從田間調查角度看，選擇節間受害率更簡單易行；綠葉百分率與其他受害性狀間的相關性受低溫程度影響較明顯，冷害或凍害極重時無顯著相關性，凍害程度適中時，綠葉百分率與其他受害性狀的相關系數雖不大，但呈極顯著負相關，因此，綠葉百分率也是耐寒性評價需要考慮選擇的性狀。

可見，甘蔗受害性狀與農藝性狀間的相關性受低溫程度影響，在冷害或輕霜凍時易于呈顯著相關，而在重霜凍時呈顯著或極顯著相關的性狀明顯減少，說明在重霜凍時進行甘蔗耐寒性選擇不會影響對其他農藝性狀的選擇。在不同受害性狀間，株受害率在冷害或輕霜凍時與其他受害性狀呈極顯著相關，綠葉百分率在中等霜凍條件下與其他受害性狀呈現顯著負相關，莖長受害率與節間受害率呈極顯著負相關但不受低溫程度影響。

2.3 受害性狀的方差分析和廣義遺傳力

由表3可知，2019P冷害的株受害率親本方差占比達68.16%，且重復間差異不顯著，說明甘蔗親本的株受害率在冷害時可用作有效的耐寒性評價性狀；而2020F重霜凍的親本方差不存在，因此將2019P與2020F的株受害率合并分析，雖然親本方差存在但差異不顯著，而年度和親本×年度互作的方差存在且差異顯著，說明將冷害與重霜凍試驗的株受害率合并分析不可行；將其他試驗的株受害率數據合并分析，如2017P、2018F和2019S合并及2017P、2018F、2019S、2019P和2020F合并分析，其親本方差顯著，但占比均很低，未超過6.00%；檢查混合模型中的顯著影響因子發現，年度是株受害率的重要影響因子，如果年度在隨機模型中不顯著，也將通過與年度相關的互作項發揮顯著作用，其方差占比高于70.00%，說明株受害率在年度間存在顯著差異。廣義遺傳力計算結果表明，當親本方差顯著存在時，株受害率屬于高遺傳力性狀，不論是單獨進行2019P的冷害試驗分析，還是對所有試驗進行聯合分析，株受害率的廣義遺傳力均超過80.00%，即使是對不設重復的2017年試驗進行聯合分析，其株受害率的廣義遺傳力也超過50.00%。因此，從遺傳力的角度看，在冷害或輕霜凍時株受害率是一個很好的耐寒性評價性狀。

從表3可看出，綠葉百分率在4年的試驗中僅2017P和2018F獲得了數據，對這2年的數據進行聯合分析時親本方差不顯著，但年度變異顯著且占比達92.71%，說明綠葉百分率在年度間存在較大差異，也可考慮作為甘蔗耐寒性評價性狀；莖長受害率的親本方差受低溫程度影響相對較小，主要受重復、年度和親本×年度互作的共同影響，進行單獨分析時，其親本方差占比相對較高且顯著，2017P與2018F合并及2020F的親本方差占比分別為9.90%和21.21%，說明莖長受害率也是甘蔗耐寒性評價的有效性狀，而所有數據合并分析時親本方差不顯著，年度和親本×年度互作的方差顯著，說明甘蔗莖長受害率在年度間存在顯著差異，且與親本存在互作，當親本方差顯著存在時，莖長受害率的廣義遺傳力相對較高，最低也接近50.00%，屬于中等偏高的遺傳力性狀。

從表3還可看出，節間受害率是所有調查受害性狀中受害表現相對較穩定的性狀，其親本方差在所有分析中均顯著存在；冷害時2019P的親本方差占比達94.63%，且不受重復影響，而重霜凍時2020F的方差占比僅21.81%，明顯低于2018F和2019S合并分析的59.07%；當2019P與2020F合并及2018F、2019S、2019P和2020合并時，雖然親本方差顯著，但占比很低，未超過6.00%；在其他顯著影響因子中，年度的方差占比高于68.00%，親本×年度方差的互作方差占比也高于親本居第二位，親本方差占比僅居第三位，說明聯合分析時親本方差顯著，但其占比明顯下降。廣義遺傳力計算結果表明，節間受害率屬于中等偏高的遺傳力性狀，合并分析時其遺傳力有所降低，不利于親本耐寒性的有效選擇。從親本方差占比與廣義遺傳力看，節間受害率的耐寒性評價效率略高于莖長受害率，同時與莖長受害率呈顯著相關，且相關系數較大，因此，以節間受害率作為蔗莖的低溫受害程度評價指標更佳。

表3 甘蔗親本受害性狀的方差分析和廣義遺傳力計算

綜上所述，甘蔗親本受害性狀受親本、年度及二者互作影響，其中，株受害率屬于高遺傳力性狀，在冷害和輕霜凍時可用于耐寒性評價；莖長受害率和節間受害率屬于中等偏高遺傳力性狀，受低溫影響程度較小，均可用于耐寒性評價，但以節間受害率略好于莖長受害率；綠葉百分率年度間差異較明顯，適度霜凍條件下可用于耐寒性評價；數據合并分析時，親本方差占比明顯下降，廣義遺傳力也有所下降，不利于親本耐寒性選擇。

2.4 甘蔗親本的耐寒性評價

2.4.1 親本耐寒性的聚類分析結果 根據甘蔗霜凍程度、受害性狀表現和廣義遺傳力計算結果，首先按試驗對甘蔗親本的耐寒性進行評估。受害性狀聚類分析結果(表4)表明，不同試驗間聚類結果存在一定差異，但在霜凍較重或第二年宿根蔗冷害時，聚類結果較接近。其中，2020F、2019S和2018F的親本聚為好(1級耐寒性)和較好(2級耐寒性)分別有74、74和61份，聚為較差(4級耐寒性)和差(5級耐寒性)分別有13、15和20份。然而，這3組試驗中，親本分類等級完全相同的僅18份，占參試親本數的17.65%，其中16份是耐寒性好的親本，2份為耐寒性較差的親本；分類相差一級的親本有38份，占參試親本總數的37.25%，其中耐寒性好、較好、中(3級耐寒性)、較差和差的親本分別有1、26、4、4和3份，說明耐寒性好和耐寒性差親本在不同低溫環境中進行耐寒性評價，其評價結果更穩定。

表4 甘蔗親本受害性狀的聚類分析

不同試驗分類的性狀類平均值存在明顯差異。以莖長受害率為例，2018F中聚類分析結果為較好的親本其莖長受害率為8.75%(未超過10.00%)，分類為較差親本的莖長受害率為35.79%(大于30.00%)；而2020F中聚類分析結果為較好親本的莖長受害率為52.25%(大于50.00%)，聚為較差親本的莖長受害率達85.27%；其他受害性狀也存在類似現象。說明通過聚類分析可對甘蔗親本的耐寒性進行有效劃分，但較難通過親本受害性狀值對親本的耐寒性進行直接判定。

2017P的親本聚類分類結果以耐寒性中為主，占參試親本的75.49%；2019P的親本聚類分析結果以耐寒好為主，占參試親本的93.14%，二者與2018F、2019S和2020F的聚類分析結果存在較大差異，不宜用于親本耐寒性評價。雖然2018F、2019S和2020F的受害性狀不同，聚類分析選用的受害性狀也存在差異，但對其親本耐寒性進行的聚類分析結果具有較高一致性，可用于甘蔗親本耐寒性評價。

2.4.2 親本耐寒性的等級劃分結果 在2018F、2019S和2020F親本的5級分類基礎上，按輕霜凍確定耐寒性差和較差親本等級、按重霜凍確定耐寒性好和較好親本等級的原則對參試親本的耐寒性進行綜合評判，結果列于表5。其中，耐寒性好的有FN1110、GT00-122和GT03-120等17個親本，占測試親本總數的16.67%；耐寒性較好的有CP72-1210、CP80-1827和CP81-1384等40個親本，占測試親本總數的39.22%；耐寒性中的有GT04-2679、GT05-1141和GT05-3661等21個親本，占測試親本總數的20.59%；耐寒性較差的有GT05-839、GT06-1238和GT03-2357等17個親本，占測試親本總數的16.67%；耐寒性差的有GT03-713、Tai94-10和GT04-1023等7個親本，占測試親本總數的6.85%。從總體上看，55.89%的親本具有較好及以上耐寒性，僅有23.53%親本的耐寒性在較差及以下。

表5 甘蔗親本耐寒性等級劃分

1995年以來育成的15個用作親本的桂糖系品種中，用到了21個親本，其中12個親本參加耐寒性測試，表現較好的親本有6個(CP72-1210、CP84-1198、GT92-66、ROC25、YT93-159和ROC25)，表現較差及以下的有4個(ROC1、ROC22、Pindar和YT85-177)，另YC84-153和YT91-976的耐寒性為中，說明更多耐寒性較好的親本在雜交育種中利用更多。對這15個桂糖系列品種的耐寒性測試結果表明，耐寒性在較好及以上的有5個(GT00-122、GT03-2357、GT04-1001、GT05-1141和GT06-244)，而耐寒性較差及以下的有5個(GT96-211、GT05-3084、GT06-3283、GT94-116和GT02-1156)，耐寒性中的品種也有5個(GT02-761、GT02-208、GT02-833、GT03-1403和GT03-2309)，耐寒性較好及以上的品種并未明顯多于耐寒性較差及以下品種，因此，新品種選育過程中的耐寒性測試工作有待加強。

3 討 論

前人研究認為，甘蔗的耐寒性屬于復雜性狀，可供選擇的評價性狀類型多，其遺傳力中等偏高，既可通過田間形態性狀評價甘蔗的耐寒性，也可在室內通過可溶性糖、脯氨酸含量及POD和SOD活性或低溫光合特性等生理生化性狀指標評價甘蔗的耐寒性[3-7]。本研究結果與上述研究結果相似，可用株受害率、節間受害率、莖長受害率和綠葉百分率等受害性狀評價甘蔗親本在田間自然霜凍條件下的耐寒性。但甘蔗親本這些受害性狀間的相關性不完全相同，因此，對甘蔗耐寒性的評價結果因可供選擇的評價性狀不同而存在一定差異。不論是本研究中在田間自然霜凍條件下測定的株受害率、節間受害率和莖長受害率等，還是前人在室內測定的地下蔗芽成活率[19]、地上芽成活率和苗高[22]等性狀，其廣義遺傳力多數屬于中等遺傳力，因此不同試驗間的耐寒性評價結果均存在一定差異。

對于國內蔗區特別是廣西蔗區，霜凍雖然會給蔗糖業造成巨大損失，然而霜凍是偶發性冷害，重霜凍出現頻率不高，因此田間測試結果多為從1年的田間試驗中獲得[3-7]。本研究在霜凍易發蔗區四川省資中縣的測試結果表明，甘蔗親本的耐寒性表現與低溫程度有關，1年的測試結果存在一定局限性，會影響對甘蔗耐寒性的有效評價。對1年的甘蔗耐寒性測試結果，建議根據霜凍的低溫程度進行選擇性評價，其中，霜凍較重時耐寒性表現較好測試材料的測試結果較可靠，宜選用節間受害率和莖受害率評價其耐寒性；霜凍較輕時耐寒性表現較差的測試材料，其測試結果也較可靠，但宜選用株受害率和綠葉百分率評價其耐寒性。

對于多年田間測試結果，其數據聯合方差分析的親本方差占比降低，性狀的廣義遺傳力下降，表明不支持將多年數據聯合分析用于甘蔗耐寒性評價，也不支持通過受害性狀值直接劃定測試材料的耐寒性[27]，因為低溫程度不同受害性狀存在差異較明顯，就某一性狀而言，重霜凍條件下耐寒性表現最好材料的性狀值也可能較輕霜凍耐寒性表現較差材料的性狀值差。如果條件許可，可參照甘蔗病害測試方法[28]，將每個耐寒等級設1～2個對照進行耐寒性測試，根據對照的性狀值判定測試材料的耐寒等級，但多數甘蔗病害屬于高遺傳力性狀，而耐寒性屬于中等遺傳力性狀，該測試方法是否適用于甘蔗耐寒性測試有待進一步探究。

本研究中，按照低溫程度2017P可用于甘蔗耐寒性評價，但試驗凍害調查是在發生后58 d進行，受害甘蔗的蔗莖在恢復的同時，其蔗莖的蒲心程度加重，影響對蔗莖受害表現的準確判斷，因此，其分類結果以耐寒性中等為主，不宜列入耐寒性評價分析；不同年度的低溫程度也存在較大差異，因此，有可控低溫條件的環境才是甘蔗耐寒性評價最理想的試驗環境。本研究課題組在廣西南寧市建立了可控光、溫和濕度的室內測試環境，但通過試驗發現，可控低溫環境仍較難模擬田間自然環境，導致可用于室內耐寒測試的形態性狀相對較少，有時可能因甘蔗前期生長狀態存在差異而導致評價結果異常。因此，進行甘蔗室內測試至少需要差異相對較明顯的輕和重2種低溫測試狀態，才能有效評價甘蔗的耐寒性。

4 結 論

甘蔗親本的低溫受害性狀種類和受害程度存在差異，耐寒性屬中等至偏高遺傳力性狀。在測試的甘蔗親本中，耐寒性較好及以上的親本數量明顯多于耐寒性較差及以下親本。進行甘蔗室內耐寒性測試時宜設置差異相對較明顯的輕和重2種低溫環境。