云南农大这十年（甘蔗所）-农学与生物技术学院

甜蜜事业数十载 科技创新不懈怠

——记甘蔗研究所资源采集与创新利用之路

农学与生物技术学院李富生

云南农业大学甘蔗研究所成立于1997年，其前身是1987年成立的甘蔗资源研究室。研究所现有研究人员11人，其中：正高级职称5人、副高级职称4人、中级职称2人；有博士学位4人，博导3人、硕导6人，每年可招收博士、硕士研究生10余名，还有毕业实习的本科生20余名。研究所人员在做好人才培养工作的同时，积极开展科学研究和社会服务，在甘蔗资源考察采集、鉴定评价、创新利用等方面取得显著成绩。先后承担国家级、省（部）级等各类科研项目60余项，获得国家科技进步二等奖1项，农业部科技进步二等奖1项，云南省科技进步一等奖、二等奖、三等奖各1项，云南省自然科学二等奖、三等奖各1项，云南省百佳职工经济技术创新成果奖1项，云南省重大农业科技推广项目二等奖1项；通过省级审定甘蔗品种5个（自育1个、引进4个），累计推广面积达2000万余亩；出版学术专著、教材6部，发表论文100余篇（SCI收录30余篇）；获得国际发明专利1件、国家发明专利5件和实用新型专利6件；克隆并登记甘蔗抗逆相关基因20余个；培养甘蔗专业高级人才数百人。

一、甘蔗种质资源考察采集与田间保育

甘蔗产业的发展，品种是关键；优良品种的培育，资源是基础。早在20世纪60年代，世界各国甘蔗育种家就注意到挖掘利用新型甘蔗种质资源的重要性和紧迫性。当时，正置中年的我校甘蔗研究所创始人何顺长教授也在思考着同样的问题。他认为，现有甘蔗品种的遗传基础狭窄，用这些品种作为亲本进行杂交，很难选育出产量、糖分和抗性均有突破的新品种。于是他产生了考察采集国内特别是云南甘蔗野生资源，为甘蔗杂交育种提供亲本材料的强烈念头，并于1976年开始陆续获得一些专项科研经费资助后付诸于行动。1981-1984年，在云南省科委的资助下，先是在云南境内进行系统考察和采集，1985~1993年，在国家自然科学基金会的资助下，又扩大到全国范围。甘蔗资源考察组在全国范围内进行了10次省际和5次云南省内的考察和采集，地域跨越北纬18~40°、东经91~122°、海拔0~5008米，到达了全国21个省（区、市），横跨了黄河、长江、珠江、怒江、澜沧江及其支流，多次深入到海拔4000米以上的高山和500米以下的河谷地区以及越南、老挝、缅甸、印度等与我国接壤的边境线，可谓是东起东海之滨、西攀世界屋脊、南下天涯海角、北迄华北平原之端，累计行程6.5万余公里。课题组克服了重重困难，查清了“割手密、斑茅、蔗茅”等6个甘蔗野生种在我国分布的纬度和海拔范围以及它们的主要分布地带，采集到9“属”18“种”共计1000余份甘蔗野生种质资源，在云南农业大学校园内建立起“属”、“种”齐全、数量和质量达到国内领先、国际先进水平的甘蔗资源圃，丰富了我国甘蔗育种的基因库。此成果先后获得了农牧渔业部科技进步二等奖（1986年）和国家科技进步二等奖（1988年）。

2012-2015年，甘蔗研究所所长杨清辉教授在国家自然科学基金项目的资助下，又组织团队对缅甸和我国西藏的甘蔗资源进行了补充考察和采集。在西藏的两次考察共采集到甘蔗亚族2个属4个种74份无性系，其中第一次共采集了60份无性系，其生长地点的海拔范围为725~2602米，跨度较大，第二次共采集了14份材料（蔗茅3份、割手密11份），均采集于尼泊尔与西藏聂拉木县接壤的边境线，这一地区割手密资源较为丰富。在缅甸的三次考察共采集到甘蔗亚族甘蔗属中的割手密、斑茅共2个种113份无性系，其中割手密106份、斑茅7份。割手密在缅甸的分布很广泛，在曼德勒以南广袤的平原上生长着大量的割手密，尤其在伊洛瓦底江沿岸、萨尔温江沿岸、曼德勒郊区、内比都郊区、仰光郊区分布着连片生长的割手密；斑茅的分布范围较窄，主要集中在缅甸北部克钦邦的佛龛河谷（帕敢县、得乃县），斑茅在这里成片生长，植株高大。这187份甘蔗资源与之前采集到的甘蔗资源均保育于云南农业大学甘蔗资源圃（云南昆明，海拔1930米），该资源圃于2021年获得“省级甘蔗昆明种质资源圃”。

二、甘蔗种质资源创新利用与良种选育

收集甘蔗资源仅仅是开始，利用这些资源培育出甘蔗优良新品种为农业生产服务才是最终目的。课题组在研究中发现，在众多甘蔗资源中，蔗茅属（Erianthus）内的蔗茅（E. fulvus）野生种具有其它野生种所不能及的一些特异优良性状，如：抗旱、耐寒、适应性广、含糖量高等，极具利用价值。（1）蔗茅2n=20，各无性系间没有变异，是甘蔗种质资源中体细胞染色体数目最少的，基因组（0.93Gb）也是最小的，可探讨作为甘蔗研究的“模式植物”；（2）蔗茅在高海拔（2800 米）冷凉的气候条件下和干旱贫瘠的荒坡上均能生长，有极强的抗旱、抗寒和耐瘠的能力，若能利用蔗茅的这些特异性状培育出甘蔗新品种，将对我国，特别是云南省旱地甘蔗面积大、海拔分布高的生产实际具有重要意义；（3）蔗茅的糖分含量高（田间锤度高达17%~22%），可作为甘蔗高糖育种的基因源；（4）蔗茅成熟期早（7月中旬~9月下旬），花粉发育良好，种子成熟率高，这对其有性杂交利用和培育早熟甘蔗品种十分有利。2001年，当时还只有32岁的青年教师李富生副教授申请云南省自然科学基金项目“甘蔗与蔗茅属间远缘杂交创造新种质的研究”获得资助，课题经过四年的实施，于2004年12月31日通过结题验收和成果鉴定，专家组认为：该项目在国内外首次成功进行了“蔗茅”野生种的杂交利用，并从其杂种后代中选育出来的甘蔗新品系创造了在高海拔（1930米）种植产量达10吨/亩以上的高产记录，整体水平处于国内领先。此成果于2006年获得云南省自然科学三等奖。以后又经过不懈努力，2012年，我校第一个自育的含有蔗茅血缘的抗旱耐寒甘蔗新品种“滇蔗01-58”获得云南省作物品种审定委员会的审定。该品种在旱地比水浇地有优势，在较高海拔（1300米以上）比低海拔（1000米以下）有优势，其抗旱耐寒，宿根性强，适宜在云南省海拔1300米以上的旱地种植。该品种的成功选育，标志着我校甘蔗课题组对含有新型异质血缘的甘蔗种质资源创新利用取得了重要突破，同时针对云南高原蔗区的实际情况，总结形成了“含有蔗茅血缘的抗旱耐寒甘蔗新种质培育”的高原甘蔗育种新方法，该方法于2020年获得澳大利亚革新专利。

三、甘蔗良种引进及腋芽快繁技术应用

云南省地处低纬高原，地理位置特殊，地形地貌复杂，气候类型多样，生物资源丰富。云南高原蔗区是全国第二大产糖基地，但水田少、山地多、海拔高，生态环境复杂，对甘蔗品种提出更高要求。甘蔗研究所除了重视利用甘蔗资源培育高糖多抗新品种以外，还针对云南甘蔗生产长期依靠引进外来品种以及甘蔗繁殖系数小、良种推广速度慢的现状，于1997-2002年承担省发展和改革委下达的“甘蔗高产高糖多抗甘蔗新品种引进及腋芽快繁新技术的应用”科技攻关项目。5年间引进国内外甘蔗新品种56个，采用“腋芽快繁”技术繁殖甘蔗良种腋芽苗150万株，并与省农业农村厅、省农科院一道，在全省26个县（市）示范种植，并从中筛选出4个甘蔗良种（新台糖16号、新台糖20号、新台糖22号、R6048）通过云南省农作物品种审定。2003年至今的二十年间，3个新台糖品种已累计推广2000万亩以上，成为云南省甘蔗生产的主栽品种。甘蔗良种推广应用成果获云南省科技进步二等奖，甘蔗腋芽快繁技术研究成果获云南省科技进步三等奖。

四、甘蔗抗逆相关基因克隆与遗传转化

作物生长的环境并不总是完全适宜的，经常会遭受到复杂多变的逆境胁迫。甘蔗起源于热带和亚热带，喜温好湿，但云南蔗区却属于“内陆高原蔗区”，总体气候表现为冬春季干旱，加之旱地甘蔗较多（80%以上）、海拔分布较高（1300米左右甚至更高一些的地方仍有种植）的生产实际，每年都会有不同程度的干旱或低温危害，需要有抗旱耐寒性较强的甘蔗品种才能适应。尽管常规的有性杂交育种仍是目前选育优良品种的主要途径，但由于甘蔗遗传背景复杂，对于目标性状的获得往往带有很大的随机性和偶然性，导致育种效率不高。近年来，随着生物技术的快速发展，利用基因工程技术对甘蔗品种进行有针对性的遗传改良已逐渐成为常规甘蔗育种途径的有效补充。李富生教授团队在国家自然科学基金项目“基于转录组测序的甘蔗野生种抗逆性相关基因克隆与分析”和“甘蔗抗旱相关基因复合载体构建及遗传转化研究”以及云南省应用基础研究计划重点项目“基于蔗茅资源利用的抗旱耐寒甘蔗育种基础研究”等专项课题的资助下，采用现代生物学技术挖掘甘蔗野生种及其杂交后代材料中与抗旱、耐寒相关的功能基因，从转录表达水平探讨揭示甘蔗栽培品种基因组中主要野生种血缘成分参与抗逆（抗旱、耐寒）的作用与贡献，并开展抗逆相关基因的遗传转化和基因编辑等研究，为提高甘蔗抗逆育种效率和水平提供理论依据和技术支撑。目前，已从“割手密”野生种中克隆到抗旱相关基因5个（ScNAC1、ScDREB、ScALDH、ScPP2C、SsWRKY1），从“斑茅”野生种中克隆到抗旱相关基因1个（SaWRKY），从“蔗茅”野生种中克隆到耐寒相关基因4个（ErCML30、ErDREB1A、EfNAC44、EfWRKY62），其中5个基因获得国家授权发明专利。开展甘蔗抗逆相关基因遗传转化研究，构建了4个抗旱耐寒相关基因（ScNAC1、ScDREB、ErCML30、ErDREB1A）的遗传转化和功能验证技术体系，完成了基于叶绿体基因组测序的甘蔗热带种和割手密耐寒性比较分析，完成了甘蔗栽培品种与其原始亲本抗旱响应模式一致的基因分析等，目前已获得割手密抗旱基因转化甘蔗品种“ROC22”的转基因植株，有望进一步功能验证后释放大田应用。

综上所述，甘蔗研究所科技创新数十载，经过近三代人的不懈努力，从甘蔗资源的考察采集到保育利用再到分子育种，可以说是从零开始、从无到有、不断加深，既有紧跟前沿的基础理论研究，也有服务产业的优良品种和应用技术，更有已经保育了几十年、以后还会更好保育和保护的数千份甘蔗资源宝藏。不断开拓创新过去是、现在是、将来更是甘蔗研究所的永恒追求。下一步将继续围绕国家经济社会发展需求，针对云南甘蔗产业发展中存在的主要问题，发挥高原蔗区气候和生物资源优势，利用云南农业大学的人才优势和基础平台，体现云南高原甘蔗学科发展特色，支撑区域产业发展。研究团队将继续以自主采集并保育的种质资源和生产上的甘蔗品种为研究对象，开展种质创新、基因工程、生理生态、绿色生产等方面的基础研究和应用研究，在探索揭示甘蔗遗传规律的基础上，选育适应云南高原蔗区不同生态类型种植的甘蔗新品种，为蔗糖产业贡献力量。

2022年7月22日

何老师 copy