李滿紅，邵 科，銀 賽，趙玲玲，于 超

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)生物技術(shù)研究院；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)特色植物分子生物學重點實驗室，呼和浩特 010070；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，呼和浩特 010018))

0 前言

甜菜是我國兩大糖料作物(甘蔗、甜菜)之一，也是我國北方重要的經(jīng)濟作物。內(nèi)蒙古、新疆、黑龍江以及甘肅省河西走廊、河北省張家口北部等是主要的甜菜糖生產(chǎn)地區(qū)，甜菜種植也是當?shù)剞r(nóng)民脫貧致富的重要途徑之一。種子是最基本的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，優(yōu)良品種在生產(chǎn)上的重要性越來越受到世人的廣泛關(guān)注，總體來說我國甜菜品種除了在含糖方面略有優(yōu)勢以外，和國外發(fā)達國家引進品種綜合比較還有很大差距。究其原因，與我國甜菜優(yōu)良種質(zhì)資源數(shù)量匱乏，具有豐產(chǎn)、高糖、優(yōu)質(zhì)、抗病等綜合性狀好的優(yōu)異種質(zhì)資源奇缺有密切關(guān)系。新時期要想在育種上有所突破，必須從重視甜菜品種資源的保護和創(chuàng)新上做起，才有可能培育出綜合性狀優(yōu)良、適應(yīng)不同生態(tài)區(qū)域種植的品種，為我國甜菜糖業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展提供科技支撐。

1 甜菜的起源及分類

1.1 甜菜的起源

關(guān)于甜菜的起源，說法不盡相同。但是大家比較普遍認同的是甜菜于公元前2000-1000年起源于底格拉斯河和幼發(fā)拉底河流域，大約公元10世紀左右傳到地中海沿岸各國，約12世紀前后傳到西歐。甜菜最早是被當做園藝植物進行栽培的，直到1747年德國化學家馬格拉夫發(fā)現(xiàn)甜菜中含有與甘蔗中一樣的蔗糖之后，特別他的學生阿恰德把甜菜中的含糖通過育種提高到了7%以上，并且育成了世界上第一個甜菜品種——“白色西里西亞”之后，引起了人們的廣泛重視。此后的200余年，甜菜分布世界各地，很多地方含糖提高到20%以上，甜菜制糖產(chǎn)業(yè)漸趨成熟，現(xiàn)已成為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。

1.2 甜菜的分類

甜菜(Betavulgaris.L)屬于藜科(Chenopodiaceae)甜菜屬(Beta)。根據(jù)卓西莫維奇分類法，將甜菜屬分為三組15個種(14個野生種+1個栽培種)。栽培甜菜人們根據(jù)其用途通常分為4種類型，即葉用甜菜(俗稱厚皮菜)、食用甜菜又稱紅甜菜(俗稱火焰菜)、飼用甜菜和糖用甜菜。本文所討論的甜菜系指糖用甜菜。

2 我國的甜菜種質(zhì)資源

2.1 我國引進的甜菜種質(zhì)資源

上世紀初直至新中國成立之前，在我國東北及山東開始試種甜菜，并建立了為數(shù)不多的幾家糖廠，所用甜菜種子由波蘭、俄羅斯等國引進，沒有專門機構(gòu)開展甜菜種子培育和研究。華北、西北只有零星種植，沒有建設(shè)糖廠。新中國成立之后，我國迎來了甜菜糖業(yè)的快速發(fā)展時期。上世紀五十年代起在東三省，內(nèi)蒙古、山西、寧夏、甘肅、新疆相繼新建糖廠，所用種子主要從前蘇聯(lián)及東歐國家引進。

上世紀五十年代中后期，國內(nèi)開始建立專門的甜菜研發(fā)機構(gòu)，逐步開始了甜菜種質(zhì)資源的收集研究工作。國內(nèi)的甜菜種質(zhì)資源十分有限，只有少數(shù)的幾個地方品種；甜菜種質(zhì)資源主要來自波蘭、前蘇聯(lián)、保加利亞、捷克斯洛伐克、羅馬尼亞、匈牙利、民主德國(東德)、美國及日本等20多個國家，引進資源約800份。這些材料有的曾直接用于生產(chǎn)，有的作為育種材料加以利用。改革開放之后，從美國、德國、法國、英國、瑞典、丹麥、荷蘭、比利時、日本等國引進甜菜品種比較多，還有一些育種材料；也通過交換方式引進了一些種質(zhì)資源，包括一些珍貴的野生資源材料。

2.2 我國的甜菜種質(zhì)資源利用及研究成就

甜菜種質(zhì)資源是甜菜科研和育種的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是遺傳基因的載體。我國甜菜科研單位在有限的資源條件下，通過育種家們的不懈努力，在上世紀六十年代中期以后陸續(xù)培育出了適合當?shù)貧夂蚣霸耘鄺l件的品種，滿足了生產(chǎn)的急需。改革開放之后，甜菜科研及育種工作有了快速發(fā)展，各地培育出一大批優(yōu)良品種，品種的類型也呈現(xiàn)出多樣化的特點，如過去只是單一的二倍體系選品種，發(fā)展到了普通多倍體品種、雄性不育多倍體雜交種、雄性不育二倍體雜交種、單粒型雜交品種等，為我國制糖行業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了巨大的作用。各種類型品種收錄到《中國甜菜品種志》(1994年)中的國內(nèi)品種101個、國外引進品種17個(50-60年代)、地方品種及其他品種31個；收錄到《中國糖用甜菜品種》(1997年)中的甜菜種質(zhì)資源497個；另據(jù)不完全統(tǒng)計1994年以來通過國家或省區(qū)審定的自育甜菜品種約有50余個。

長期以來，甜菜品種資源的研究受到了國家有關(guān)部門的重視，國家科技攻關(guān)連續(xù)4個五年計劃列項給予支持，甜菜產(chǎn)業(yè)體系包涵品種資源研究；上世紀九十年代原國家輕工業(yè)部也曾列項予以支持，各省區(qū)亦列項予以支持。通過這些項目的實施，各科研單位在全國范圍內(nèi)開展甜菜品種資源收集、鑒定、繁殖、保存、創(chuàng)新等工作；中國農(nóng)業(yè)科學院國家品種資源庫收集各地甜菜種質(zhì)資源入庫?，F(xiàn)在我們可以在《中國作物種質(zhì)資源信息網(wǎng)》數(shù)據(jù)查詢欄目“其他作物---甜菜”中快速查詢到收錄的資源；中國農(nóng)科院甜菜研究所研究確定了甜菜種質(zhì)資源描述標準制定的原則和方法，編制出版了《甜菜種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》，規(guī)定了主要試驗鑒定技術(shù)參數(shù)指標和分級標準及數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)范。

3 新時期如何做好甜菜種質(zhì)資源保存評價和創(chuàng)新

3.1 開展甜菜種質(zhì)資源收集保存評價和創(chuàng)新的緊迫性

當前種質(zhì)資源已成為世界范圍內(nèi)備受重視和矚目的資源，科學家認為21世紀種質(zhì)資源是農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵資源，是世界種業(yè)競爭的焦點。目前我國甜菜生產(chǎn)上存在的突出問題是，單產(chǎn)低、含糖率不高、抗逆性、抗病性差。除栽培技術(shù)、機械化、水利化等因素外，甜菜育種和國外的差距很大，種子資源匱乏是制約我國甜菜育種的關(guān)鍵因素之一。隨著我國農(nóng)業(yè)整體生產(chǎn)水平的提高、勞動力向城市轉(zhuǎn)移，甜菜機械化發(fā)展成為必然，這樣適合機械播種和紙筒育苗、無需人工間苗的單粒型種子備受農(nóng)民的歡迎。近年來，國外歐美大公司已占據(jù)我國甜菜生產(chǎn)用種的絕大部分市場。甜菜種子國產(chǎn)化已經(jīng)十分迫切，政府、企業(yè)、糖農(nóng)都在關(guān)注這項工作，希望盡快育成自己的適合機械化和紙筒育苗移栽的甜菜種子。因此，新時期如何開展甜菜種質(zhì)資源收集保存評價和創(chuàng)新對于我國甜菜糖業(yè)的穩(wěn)步健康發(fā)展，促進農(nóng)民增收、加快貧困地區(qū)農(nóng)民脫貧致富步伐是擺在廣大科研人員面前十分必要和緊迫的任務(wù)。

3.2 液氮超低溫保存甜菜種質(zhì)資源

種質(zhì)資源的收集整理、保存、鑒定評價是一項長期而基礎(chǔ)性的工作?，F(xiàn)階段各育種單位收集到的甜菜種質(zhì)資源大多已經(jīng)整理和保存，鑒定評價數(shù)據(jù)也基本完成。但是，進入國家種質(zhì)資源庫的材料畢竟有限，還有很多種質(zhì)材料需要各地科研單位自行保存。由于甜菜的胚乳較小，加之甜菜種子在常溫保存的時候會進行熵呼吸，因此在常規(guī)保存條件下，5年以后種子基本失去萌發(fā)活力，建立基因庫基本建設(shè)投資巨大，運行成本很高。因此，探索一種新的種子保存方法對甜菜種質(zhì)資源的保存尤為必要。利用液氮超低溫對種質(zhì)資源的保存是目前常用的方法之一，其優(yōu)點是種質(zhì)保存時間極長，成本相對較低。但對于超低溫保存存在物種特異性，為此內(nèi)蒙古生物技術(shù)研究院將所收集并評價后的優(yōu)良種質(zhì)資源利用液氮超低溫保存進行探索研究，為甜菜種質(zhì)資源的保存提供一個新的方法。

3.3 應(yīng)用GWAS進行甜菜種質(zhì)資源評價

甜菜全基因組關(guān)聯(lián)分析及甜菜全基因組遺傳變異圖譜。全基因組關(guān)聯(lián)分析(Genome-wide association study;GWAS)是應(yīng)用基因組中數(shù)以百萬計的單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)為分子遺傳標記，進行全基因組水平上的對照分析或相關(guān)性分析，通過比較發(fā)現(xiàn)影響復(fù)雜性狀的基因變異的一種新策略。隨著基因組學研究以及基因芯片技術(shù)的發(fā)展，人們已通過GWAS方法發(fā)現(xiàn)并鑒定了大量與復(fù)雜性狀相關(guān)聯(lián)的遺傳變異。近年來，這種方法在農(nóng)業(yè)動物重要經(jīng)濟性狀主效基因的篩查和鑒定中得到了應(yīng)用。

重要經(jīng)濟性狀即復(fù)雜性狀GWAS分析方法的原理是，借助于SNP分子遺傳標記，進行總體關(guān)聯(lián)分析，在全基因組范圍內(nèi)選擇遺傳變異進行基因分型，比較異常和對照組之間每個遺傳變異及其頻率的差異，統(tǒng)計分析每個變異與目標性狀之間的關(guān)聯(lián)性大小，選出最相關(guān)的遺傳變異進行驗證，并根據(jù)驗證結(jié)果最終確認其與目標性狀之間的相關(guān)性。甜菜全基因組已于2013年發(fā)布，故應(yīng)用基因組重測序的方法可以更為準確、更加高效的挖掘出甜菜特異功能基因，并進一步構(gòu)建甜菜全基因組遺傳圖譜。近兩年，內(nèi)蒙古生物技術(shù)研究院與國內(nèi)專業(yè)單位合作對收集到的200余份材料進行GWAS分析，目前數(shù)據(jù)已下線。

3.4 利用航天育種手段創(chuàng)新甜菜種質(zhì)

創(chuàng)新種質(zhì)的方法有很多，如人們熟知的β、γ射線照射、化學試劑誘變、花粉培養(yǎng)、未授粉胚珠培養(yǎng)等等，也取得了一些成績。這里著重討論航天誘變手段，因為我國是目前世界上掌握航天器(衛(wèi)星、飛船)返回技術(shù)的三個國家之一。航天誘變育種(簡稱航天育種)技術(shù)是利用返回式航天器將植物種子帶到太空，利用宇宙空間特殊的環(huán)境(微重力、高真空、宇宙射線、重粒子、交變磁場等因素)對植物種子的誘變作用來產(chǎn)生變異，再返回地面選育新種質(zhì)、新材料，培育新品種的作物育種新技術(shù)。這一技術(shù)的突出特點是：有益變異多、變異幅度大、穩(wěn)定快，是培育高產(chǎn)、質(zhì)優(yōu)、早熟、抗病農(nóng)作物新品種、新種質(zhì)資源的有效快捷途徑。

我國于1987首次航天搭載農(nóng)作物種子，2006年發(fā)射“實踐八號”衛(wèi)星專門為農(nóng)作物育種提供搭載；三十多年來成功地利用返回式航天器進行了植物種子、微生物、枝芽、細胞組織的搭載，共搭載了糧食作物、經(jīng)濟作物、蔬菜、花卉、草木、微生物菌株等千余品種。經(jīng)科研和生產(chǎn)單位的育種專家和科技工作者歷時30多年的地面選育試驗，取得了可喜的成績，受到國內(nèi)外的關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止到2018年，全國通過航天育種方法培育的新品種超過200個，推廣面積達240萬公頃，總產(chǎn)量13億千克。2018年12月，由中國高科技產(chǎn)業(yè)化研究會、國家植物航天育種工程技術(shù)研究中心、中國科學院、中國農(nóng)科院、中國農(nóng)業(yè)大學、中國林業(yè)大學等14家發(fā)起單位、首批26個成員單位在北京成立航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟，召開了第一次聯(lián)盟大會并舉辦主題為“航天育種助力未來農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)”——航天育種2018北京論壇。內(nèi)蒙古生物技術(shù)研究院成為首批成員單位。2019年3月1日航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟與內(nèi)蒙古自治區(qū)生物技術(shù)研究院簽署《共同推進航天育種產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，圍繞航天新品種示范、新品種聯(lián)合開發(fā)、技術(shù)服務(wù)、特色生產(chǎn)基地建設(shè)等方面開展戰(zhàn)略合作。

2008年原內(nèi)蒙古甜菜制糖工業(yè)研究所(2012年經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)編辦批準更名為內(nèi)蒙古自治區(qū)生物技術(shù)研究院)與中國航天科技集團公司航天育種研究中心簽訂協(xié)議，選擇兩份甜菜品系HT97005(2x)和HT984001(4x)種子搭載。提供搭載服務(wù)的是返回式科學技術(shù)試驗衛(wèi)星，2008年10月經(jīng)過17天的軌道運行，衛(wèi)星返回艙成功回收著陸。從2009年開始對這兩份搭載材料進行試驗和選育工作。采用單株和集團選擇相結(jié)合的方法，有的經(jīng)過3代、有的經(jīng)過4代定向選擇、繁殖獲得新材料20多份，在經(jīng)濟性狀表現(xiàn)上差異明顯，有的豐產(chǎn)性提高、有的含糖率提高。之后于2016年6月發(fā)射的長征7號火箭搭載了1份紅甜菜種子，目前在后續(xù)選育中。據(jù)報道中國農(nóng)科院甜菜研究所于2006年“實踐八號”曾搭載甜菜種子，進行了試驗研究。未來要探索將航天育種和常規(guī)育種、雜交育種、分子定向育種有機地結(jié)合，培育出豐產(chǎn)、高糖、抗病、抗逆性好的甜菜新品種，滿足甜菜生產(chǎn)需要。