陸 鑫 ，朱建榮 ，周 會 ，蔡 青,3

（1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室，開遠(yuǎn) 661699；2.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，南寧 530007；3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)與種質(zhì)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(qū)財政收入的重要來源之一[2]。為提高甘蔗科技創(chuàng)新能力，促進蔗糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加強國際間合作與交流，在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院資助下，筆者于2011年10月至2012年3月赴美國農(nóng)業(yè)部南方研究中心甘蔗研究所（USDA-SRU）進行訪問學(xué)習(xí)，對美國甘蔗種質(zhì)資源保存和美國農(nóng)業(yè)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(chǎn)現(xiàn)狀

美國是世界上少數(shù)幾個同時生產(chǎn)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(qū)的氣候條件能夠滿足甘蔗生長的需求，加之各州政府對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，現(xiàn)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(chǎn)為76.8t/hm2，蔗糖總產(chǎn)量為286.9萬t。

從美國農(nóng)業(yè)部公布的近30年甘蔗生產(chǎn)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(xiàn)大幅下滑，其中最為嚴(yán)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(wěn)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(chǎn)來看，夏威夷州單產(chǎn)最高，平均單產(chǎn)為197.7t/hm2，其中2003—2004榨季甘蔗單產(chǎn)為228.7t/hm2，為歷史最高水平，其高產(chǎn)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(chǎn)平均降至 73.5t/hm2。各州年均蔗糖產(chǎn)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(shù)據(jù)看，夏威夷州蔗糖產(chǎn)量下降最快，2010—2011榨季年產(chǎn)糖量僅為15.6萬t，其余3個州的蔗糖產(chǎn)量均保持相對穩(wěn)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(chǎn)業(yè)的規(guī)模與其創(chuàng)造的價值遠(yuǎn)低于甜菜糖，但美國政府仍然對南部地區(qū)的甘蔗產(chǎn)業(yè)進行政策性保護，如嚴(yán)格按國內(nèi)需求缺口量對食糖的進口量加以控制；對食糖生產(chǎn)，實行配額管理；國家加大對能源甘蔗的研發(fā)力度和研究經(jīng)費的投入等。因此，近年來美國甘蔗產(chǎn)業(yè)整體上呈現(xiàn)穩(wěn)中有升的發(fā)展趨勢。

2 美國農(nóng)業(yè)部甘蔗研究所簡介及其科研動向

美國農(nóng)業(yè)部的甘蔗育種研究工作始于1919年。1924年美國甘蔗聯(lián)盟向美國農(nóng)業(yè)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(xué)轉(zhuǎn)向育種學(xué)。為確保備選品種能夠得到充分測試以滿足路州蔗糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，美國農(nóng)業(yè)部、路易斯安那州州立大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗站和美國甘蔗聯(lián)盟于1926年聯(lián)合簽署了一項三方甘蔗品種發(fā)展協(xié)議，該協(xié)議時至今日仍然有效，該協(xié)議通過對品種改良和栽培技術(shù)的改進，使路州甘蔗單位面積產(chǎn)糖量提高了4倍。

目前美國農(nóng)業(yè)部甘蔗研究所擁有12名科學(xué)家和近40名實驗技術(shù)人員及行政人員。該所的研究任務(wù)是為加強甘蔗作為生物燃料和食糖生產(chǎn)原料的可行性提供技術(shù)解決方案，通過各學(xué)科協(xié)作進行品種改良和制定環(huán)境友好型產(chǎn)品生產(chǎn)策略，保障制糖企業(yè)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(nóng)業(yè)部甘蔗研究所代表性學(xué)科有：農(nóng)藝學(xué)、遺傳育種學(xué)、昆蟲學(xué)、分子遺傳學(xué)、病理學(xué)、土壤學(xué)及雜草防治等。目前，該所研究目標(biāo)與方向如下[3]。

2.1 通過常規(guī)育種與分子生物技術(shù)相結(jié)合，進行甘蔗遺傳改良

甘蔗品種改良由4部分內(nèi)容組成，一是商業(yè)種選育，二是種質(zhì)創(chuàng)新，三是輪回選擇，四是分子輔助育種。商業(yè)種選育中，商業(yè)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(yè)組合中篩選出具有商業(yè)應(yīng)用潛力的品種并給予以“Ho”或“HoCP”開頭的品種編號。路州大學(xué)農(nóng)業(yè)中心同樣也開展甘蔗雜交和選育工作，根據(jù)1926年三方聯(lián)合簽署的甘蔗品種發(fā)展協(xié)議，路州大學(xué)農(nóng)業(yè)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(qū)進行品種區(qū)域試驗，篩選種性表現(xiàn)穩(wěn)定的品種并釋放到整個蔗區(qū)進行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

種質(zhì)創(chuàng)新的作用在于拓寬甘蔗遺傳基礎(chǔ)，并為培育甘蔗新良種提供新型親本。盡管低世代創(chuàng)新種質(zhì)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(yè)的認(rèn)可。目前，荷馬甘蔗研究所的能源甘蔗品種已經(jīng)開始在美國東南部地區(qū)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(fā)和利用DNA分子標(biāo)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(zhì)，實現(xiàn)病害防控

路州蔗糖產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展依賴于不斷推廣應(yīng)用抗病抗逆性強的高產(chǎn)品種。病理學(xué)科的研究目標(biāo)是通過持續(xù)選育抗病品種來降低病害對糖料蔗和能源蔗產(chǎn)量的影響。該學(xué)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(zhì)的抗病性進行鑒定，適時監(jiān)測甘蔗上出現(xiàn)的新的病原菌；利用分子標(biāo)記的方法進行宿主與病原菌的遺傳學(xué)研究，研究開發(fā)用于病害檢測的與抗病基因緊密連鎖的DNA分子標(biāo)記。

2.3 開發(fā)雜草與蟲害綜合管理系統(tǒng)，促進甘蔗生產(chǎn)的高效可持續(xù)發(fā)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(chǎn)影響的最佳管理模式；評估新型化學(xué)除草劑對多年生雜草的防除潛力；研發(fā)非化學(xué)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(diào)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(tǒng)，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(chǎn)量損失之間的定量關(guān)系。

2.4 研發(fā)新型或改良現(xiàn)有的栽培技術(shù)，保護自然環(huán)境，保障甘蔗生產(chǎn)的可持續(xù)性

應(yīng)用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和遙感技術(shù)等手段發(fā)展作物栽培及土壤管理新技術(shù)，克服土壤養(yǎng)分限制，使甘蔗種植效益最大化；應(yīng)用作物生理學(xué)方法，如測量植株光合速率、冠層分析、葉面積、株高、有效莖數(shù)、單莖重、生物量分配與產(chǎn)量構(gòu)成要素，評價蔗葉還田和催熟劑的使用對甘蔗產(chǎn)量的影響。同時該學(xué)科還利用遙感技術(shù)識別甘蔗品種，監(jiān)控病蟲害發(fā)生情況，輔助預(yù)測收獲前甘蔗的含糖分及其產(chǎn)量水平。

由于美國農(nóng)業(yè)部甘蔗研究所在發(fā)展能源甘蔗品種方面取得的成功，以及美國東南部地區(qū)對能源甘蔗的需求，美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)中心（USDA-ARS）追加了額外的研究經(jīng)費資助荷馬甘蔗研究所設(shè)立新的研究項目，其目標(biāo)是研發(fā)一種最佳的甘蔗田間栽培管理模式，實現(xiàn)甘蔗持續(xù)高產(chǎn)，保證制糖和生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的原料蔗供應(yīng)。該管理模式主要從以下幾個方面開展研究：使用非傳統(tǒng)肥料（如濾泥、碳灰和生物炭）；甘蔗固氮；深耕；收獲期調(diào)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(zhì)）。

3 美國甘蔗種質(zhì)資源保育情況

美國國家甘蔗種質(zhì)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(guī)模最大、最早對甘蔗種質(zhì)資源進行收集和保育的機構(gòu)。從美國農(nóng)業(yè)部2012年4月8日公布的保育情況看，該圃現(xiàn)今保育有來自61個國家或地區(qū)的21個甘蔗屬或其近緣屬的種，保育資源總數(shù)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(jì)80年代以前，在最近的近30年間，該圃幾乎無新的甘蔗種質(zhì)材料（包括雜交品種）入圃保育。該圃保育的415份雜交種質(zhì)，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(nèi)保育的熱帶種數(shù)量較多，來源地較為豐富，共包括來自35個國家及地區(qū)的935份熱帶種，其中大部分來自新幾內(nèi)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(zhì)可引進，以完善我國甘蔗種質(zhì)資源圃保存的基因類型，使圃內(nèi)保育的資源遺傳多樣性更為豐富。

表1 美國甘蔗種質(zhì)資源保育情況

4 體會

在美國，蔗農(nóng)協(xié)會每年都會拿出一筆資金提供給科學(xué)家用作研究經(jīng)費，以解決當(dāng)前甘蔗生產(chǎn)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(chǎn)結(jié)合更為緊密，真正做到科研支撐生產(chǎn)，生產(chǎn)反哺科研；同時，各項科研工作均較注重對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高效性和持續(xù)性影響，重視對生態(tài)環(huán)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(chǎn)業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟損失；在田間試驗操作上較為粗放，以盡可能地與生產(chǎn)實際相結(jié)合。

農(nóng)作物種質(zhì)資源是作物育種、生物科學(xué)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，廣泛收集種質(zhì)資源是作物種質(zhì)資源學(xué)科的基礎(chǔ)和先行，只有廣泛和不斷地收集，才能獲得農(nóng)作物種質(zhì)更豐富的多樣性，并減少農(nóng)作物種質(zhì)資源的丟失，以便更好地保存、整理、研究和利用[5]。我國現(xiàn)有的甘蔗品種不僅細(xì)胞質(zhì)源種類貧乏，且野生種血緣單一、遺傳基礎(chǔ)狹窄[6]，從國外引進植物種質(zhì)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(yōu)良品種以及作為育種的親本材料。美國國家甘蔗種質(zhì)資源圃保存的種質(zhì)資源從數(shù)量上和來源地來看，均比我國豐富，熱帶種作為種質(zhì)創(chuàng)新中的受體材料和高糖高產(chǎn)基因源，應(yīng)作為我們今后引種的重點，并加以創(chuàng)新利用，以豐富我國甘蔗育種親本的細(xì)胞質(zhì)源，拓寬遺傳基礎(chǔ)。

此外，美國國家甘蔗種質(zhì)資源圃對部分種質(zhì)材料的眼斑病、梢腐病、銹病和黑穗病做了調(diào)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(shù)據(jù)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(yán)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(tài)危害和環(huán)境危害。

與巴西、印度、澳大利亞等世界產(chǎn)糖國相比，美國既不是世界主要產(chǎn)糖國、也不是研究水平最高的國家，但美國在種質(zhì)資源保護、育種研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展上仍極為重視，值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。

致謝：衷心感謝美國農(nóng)業(yè)部甘蔗研究所潘永保教授對筆者在美期間的學(xué)習(xí)和生活給予的關(guān)心和幫助！

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

[2]徐雪.中國食糖產(chǎn)業(yè)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(nóng)作物種質(zhì)資源收集技術(shù)規(guī)程[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2007.

[6]陸鑫，毛鈞，劉洪博，等.甘蔗野生種滇蔗茅種質(zhì)創(chuàng)新利用研究Ⅰ.甘蔗與滇蔗茅遠(yuǎn)緣雜交F1群體構(gòu)建與SSR分子標(biāo)記鑒定[J].植物遺傳資源學(xué)報,2012，13（2）：321-324.

[7]黃應(yīng)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.