方静平 阙友雄 陈如凯

摘 要 阐述了甘蔗起源、进化、分子遗传学在甘蔗与其近缘属的进化关系研究上的应用，回答了甘蔗的起源中心、甘蔗属及其近缘属之间的进化关系，以及当前如何利用细胞学手段和分子标记技术，从微观分子的角度来研究和分析其遗传多样性、生活史进化等生态和进化问题，最后对其发展前景进行了简要的探讨。

关键词 甘蔗属；近缘属；起源；进化；遗传多样性

中图分类号 S435.663 文献标识码 A

A Review of Saccharum Origin and its Evolutionary

Relationship with Related Genera

FANG Jingping， QUE Youxiong， CHEN Rukai *

Key Laboratory of Sugarcane Biology and Genetic Breeding（Fujian）， Ministry of Agriculture，Fujian Agriculture and Forestry

University / Sugarcane Research & Development Center， China Agriculture Research System， Fuzhou， Fujian 350002， China

Abstract The origin and evolution of sugarcane， as well as recent molecular genetics evidence for the phylogenetic relationship among sugarcane and its related taxa， were described. Considerable insight into the origin center of sugarcane， the evolutionary relationship among Saccharum and related genera along with how to utilize cytology and molecular markers for genetic diversity analysis and evolution study were discussed. Finally the prospect of cutting-edge technologies and research directions on sugarcane evolution issues were also discussed.

Key words Saccharum L.； Related genera； Origin； Evolution； Genetic diversity

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.04.034c

甘蔗（Saccharum spp.）是多年生宿根热带植物，分类学上属单子叶植物纲（Monocotyledoneae），颖花目（Glumiflorae），禾本科（Poaceae）黍亚科（Panicoideae）蜀黍族（Andropogoneae）甘蔗亚族（Saccharinae）甘蔗属（Saccharum L.）。甘蔗原产于热带新几内亚或印度，后传到马来群岛、中南半岛、中国南方等东南亚地区，现广泛种植于热带与亚热带地区，是喜温、喜光的C4作物[1-2]。目前世界上甘蔗的水平分布在北纬33°和南纬30°之间，集中分布于南北纬25°之间。垂直分布范围也较广，在赤道附近可达1 500 m，在中国云南西南蔗区，如临沧市，海拔高达1 600 m的地方还有甘蔗分布。甘蔗遗传背景十分复杂，当前世界主栽品种都为种间杂交复合体，属异源非整倍性多倍体，具有丰富的遗传多样性、C4高光效特性和植株巨型性[1-2]。甘蔗同时也是全球重要的糖料与生物能源作物。一个世纪以来，世界食糖产量从20世纪初期的300万t跃升为当前的1.7亿t，而甘蔗产糖量约占世界食糖总产的70%。近几十年，随着甘蔗育种水平的提高、栽培技术的发展和食糖需求量的持续增长（2%的增长速度），甘蔗种植面积逐步扩大，产糖量正稳步提高[1-2]。中国甘蔗种植面积位居世界第三位，位于巴西和印度之后，种植区域较为集中，主要分布在广西、云南、广东、海南、福建、四川和湖南等地，其中广西和云南两地的甘蔗种植面积超过全国的70%以上。但尤其值得注意的是，中国甘蔗产业存在较为严重的栽培品种单一化现象[3]，这在一定程度上制约了中国甘蔗产业的健康快速稳定发展，引起生态安全和经济效益方面的众多问题。

甘蔗杂交育种可利用的甘蔗亲本资源较为匮乏，血缘相近，遗传基础狭窄，杂种后代优良率低，因而可利用甘蔗近缘属抗逆耐瘠性强、适应性广等特性，通过近缘属杂交将这些优良性状应用到高贵化育种中去[1-2]。另外，育种家还不断尝试远缘属间杂交，也取得了一定的成绩[1-2]。在甘蔗抗逆育种上常用的甘蔗远或近缘属植物有高粱、玉米、竹属、芒属、蔗茅、斑茅等。随着分子标记辅助选择和基因工程等分子生物学技术的日新月异，能够在深入评价和挖掘甘蔗及其近缘属种质资源的遗传多样性的基础上，了解其遗传进化关系，拓宽甘蔗杂交育种中亲本的遗传多样性，实现中国蔗区甘蔗品种的多系布局，日渐成为中国甘蔗产业技术寻找突破、谋求发展的重要方向。

本文综述了甘蔗属及其近缘属的遗传特性以及它们之间的进化关系，阐述了当前如何利用细胞学和分子标记技术等生物学手段辅助甘蔗杂交育种，并展望了单核苷酸多态性、高通量测序等分子生物学新技术在甘蔗研究中的应用和发展前景。

1 甘蔗属的起源和进化

据史料记载，关于甘蔗属的多样性起源中心之说，主要有3个说法，一是印度东北部的阿萨姆邦至锡金，割手密和印度种原产于此，在这可以找到含有染色体数目最少的割手密（2n=40）；二是马来西亚和巴布亚新几内亚一带，热带种和大茎野生种原产于此；三是中国，中国种的原产地。公元前四世纪至公元前一世纪，很多古籍考究表明，中国的甘蔗制糖业已有一定规模[1，4]。

基于Brandes（1958）[5]的分类方法，甘蔗属可分为6个原始种，包括热带种（S. officinarum，2n=80）、细茎野生种/割手密（S. spontaneum，2n=54～112）、大茎野生种（S. robustum，2n=60或80）、中国种（S. sinense，2n=116～118）、印度种（S. barberi，2n=82～124）和食穗种（S.edule，2n=60，70或80）。割手密与大茎野生种的染色体基数分别为x=8和x=10，是甘蔗属的最原始种[6-7]。由于染色体基数相同（x=10），高糖原始种热带种是从大茎野生种进化而来，另外3个原始种（中国种、印度种、食穗种）都为前面3个原始种或与其近缘种属的种间杂种。中国种和印度种是热带种和割手密的种间杂种[8]，食穗种被认为很可能是热带种或者大茎野生种与一个近缘种属的杂交种[9]，这一说法可以用来解释其败育现象，但还有待进一步的研究。随着20世纪90年代分子标记技术的兴起，甘蔗复杂庞大的基因组的遗传图谱构建和进化研究初见端倪，但关于甘蔗6个原始种的争议仍未停止，由于中国种、印度种和食穗种被认为是种间杂种[8-9]，而且据考证，大茎野生种是热带种的原始种[7]，所以有研究者倾向于将甘蔗属划分为2个原始种。

大约1万年前，热带种（2n=80）在新几内亚被驯化，之后一段很长的历史中，一直是主栽品种，直至19世纪80年代，荷兰人Sotwadel F. 和英国人Harrison J. B.与Bovell J. R. 相继在爪哇和巴巴多斯发现了甘蔗实生苗，从此便掀开了甘蔗杂交育种的新篇章[10]。随着荷兰甘蔗育种家Jeswiet J.的高贵化育种理论的产生和应用，世界上第一个甘蔗商业品种POJ2878被培育而成，使甘蔗生产进入了新的纪元[11]。高贵化育种即以高糖多汁的热带种为轮回亲本，以抗逆性强、生活力旺盛的割手密野生种为供体亲本，进行杂交和回交。如今世界上的甘蔗栽培品种中，90%以上都含有POJ2878的血缘[1]。驯化后的甘蔗热带种蔗汁含糖量可以高达21%[12]，与之相比，大茎野生种蔗汁含糖量小于10%[13]，而割手密小于6%[14]。

2 甘蔗属/近缘属及其进化关系

2.1 甘蔗近缘属的分类

甘蔗是禾本科蜀黍族甘蔗亚族甘蔗属下的一种巨型生长的植物。蜀黍族植物与禾本科其他植物的区别是，小穗成对排列，着生于脆的花序轴之上，基本上都是一个小穗无柄，一个小穗有柄。甘蔗亚族的主要特征是具有同性的形态相似的配对小穗，其中一个开花，可明显区分花穗轴和小花花梗，具有着生在一个主花轴上的复总状花序；该亚族多是水生的，植株高大，分布在较温暖的地区[1]。该甘蔗亚族有一些与甘蔗生长紧密相关的，具有重要参考和利用价值的属，包括有甘蔗属、蔗茅属（Erianthus Michx. sect. Ripidium Henrard，2n=20～90）、芒属（Miscanthus Anderss. 2n=38）、硬穗茅属[Sclerostachya（Hack）A. Camus，2n=30，34]和河八王属（Narenga Bor. 2n=30）等属，这些属是亲缘很靠近的一个群体，在野生情况下能相互杂交。Mukherjee（1957）将这些属统称为“甘蔗复合群”（Saccharum complex）[15-16]。1975年，Daniels等人又把芒属的双药芒组（Miscanthus sect. Diandra Keng）也包括到“甘蔗复合群”中去[15]（图1）。

芒属植物水平分布和垂直分布都十分广泛，在自然生境中，在山腰及溪边形成密集的灌木丛。芒属包括5个种，代表种是五节芒（M. Floridulus（Labill.）Warb. ex Schum. et Laut）[17-18]。1967年，Grassl已证实在新几内亚和太平洋群岛区域，五节芒的基因已经渗入了甘蔗属的热带种和大茎野生种中[19]。蔗茅属是多年生丛生草本，高大粗壮，约有50个种。中国约有8种，育种家利用较多的野生种质有蔗茅（Erianthus rufipilus（Steud.）Griseb.）和斑茅（Erianthus arundinaceus（Retz.）Jeswiet. 2n=20～60）[1]。蔗茅抗旱耐寒、垂度高，常见生长于1 300～2 400 m的山坡谷地[20]。斑茅具有抗逆性强、宿根性好、分蘖多生长快、根系发达、丛生性好、竞争性强和适应性广等众多优点，近十几年来越来越受育种专家的青睐，在其生物学特性、遗传多样性评价、抗逆基因挖掘和功能鉴定等方面开展了较多研究，希望通过甘蔗与斑茅的杂交将斑茅的优良基因渗入到甘蔗栽培品种中[21-25]。但其杂交后代存在花粉可育性差、回交成功率低、作父本利用真杂种难育成、优良性状与不良性状间连锁难打破等弱点[26-27]。

硬穗茅属是“甘蔗复合群”的中间类型，与其他近缘属的区别是其茎秆中空，没有根眼，芽发育不全。一般来说，硬穗茅属的染色体数为2n=30[1]，但也有例外，在印度比哈尔邦发现染色体数2n=34的细胞型[28]。其在印度、缅甸、中国、马来西亚均有广泛的分布，在喜马拉雅山脉的1 300 m高度也可觅其踪影。河八王属与硬穗茅属亲缘最近，这两个属与其他近缘属的不同之处在于它们的成对小穗均有花梗，而其他近缘属的小穗一个有花梗一个无花梗；硬穗茅属的花梗都很明显，但河八王属其中一个花梗几乎看不出来。该属广泛分布于印度北部和东南亚等热带地区[1]。

2.2 甘蔗属及其近缘属的遗传进化研究

在甘蔗杂交育种中，亲本是最重要的物质基础，没有好的亲本，就无从谈起育成好的甘蔗品种。现今保育在中国“国家甘蔗种质资源圃”的甘蔗属及其近缘属植物，以及通过遗传改良获得的甘蔗杂交品种、杂交亲本和中间材料丰富多样，可划分为甘蔗栽培原种资源、野生种资源和杂交种资源，其数量高达2 300多份（截至2010年），保育在广州甘蔗糖业研究所下属的海南甘蔗育种场的甘蔗种质资源目前也已经达到2 200多份；而美国迈阿密和印度科恩巴托甘蔗育种研究所是世界上两大甘蔗种质资源保存中心，分别保育了3 900和5 650份种。世界上存在的甘蔗基因类型种类繁多，具有广阔的遗传多样性，因此利用现代分子生物学技术研究庞大丰富的“甘蔗属复合体”及其他可利用远缘属种的遗传背景、亲缘关系和系统演化是十分必要的，这为进一步进行甘蔗遗传学、基因组学和蛋白质组学水平上的深入探究奠定了基础，为种质资源的遗传多样性评价、新种质材料的发掘、甘蔗品种改良和加速育种进程提供了重要的依据。

DNA分子标记以其稳定的遗传特性、真实可靠的研究结果成为甘蔗近远缘属遗传多样性及其种间进化研究的首要选择[29]，如RAPD（Random Amplified Polymorphic DNA）、RFLP（Restriction Fragment Length Polymorphism）、AFLP（Amplified Fragment Length Polymorphism）、SSR（Simple Sequence Repeat）、ISSR（Inter-Simple Sequence Repeat）等数十种分子标记技术。Nair[30]用RAPD标记对甘蔗“甘蔗属复合体”4个属9个种的遗传多样性和系统进化研究表明，热带种、大茎野生种、割手密和蔗茅属各自单独成簇，中国种和印度种组成一簇，河八王属和硬穗茅属组成一簇，热带种的遗传多样性较狭窄而中国种相对广阔，硬穗茅属与甘蔗属亲缘较近而蔗茅属与其他近缘属相离较远，因而可利用蔗茅属与甘蔗属亲缘较远的特性对甘蔗栽培品种进行遗传改良，该特性也通过利用AFLP构建甘蔗属与蔗茅属的系统进化树[31]以及ISSR标记[32]得以验证。同时，利用ISSR标记验证甘蔗近缘属间亲缘关系也发现了五节芒、斑茅与甘蔗属亲缘关系较远[32]。其中五节芒最远，而同属于蔗茅属的斑茅与蔗茅亲缘关系很接近，这也与周耀辉等[33]的形态学研究结果相吻合。结合SSR标记和AFLP标记对抗旱耐寒野生种滇蔗茅与其他蔗茅属及“甘蔗属复合体”的遗传关系进行初步评估，其相似性矩阵表明滇蔗茅不同于普通蔗茅属和其他属，其与蔗茅和两个芒属种聚集成群，并位于甘蔗属群和蔗茅属群之间[34-35]。徐荣[25]运用ISSR分子标记研究了92份甘蔗野生近缘种材料的遗传多样性和亲属关系，其聚类结果同形态学分类基本吻合，并发现同一类群的遗传相似系数与地理位置相关，而与生态环境关系不大。

利用其他分子生物学技术手段如对5 S rRNA基因间隔区核酸序列进行PCR扩增也发现了甘蔗属野生种与近缘属蔗茅、芒属及远缘属加州红杉、高粱和玉米的多态性[36]。该多态性不仅体现在序列片段大小上，也体现在单核酸水平上。系统进化分析发现，甘蔗近缘属种蔗茅与甘蔗远缘属种加州红杉、芒属品种、高粱和玉米聚集成簇，而甘蔗属热带种和栽培种各自独立，但都与割手密簇紧密相关。利用核糖体DNA的内转录间隔区ITS序列、质粒内含子trnL序列和基因间间隔区trnL-F序列对甘蔗属与芒属等其他近缘属之间系统演化关系进行研究，发现甘蔗属与芒属是多元起源的，甘蔗属的热带种和割手密分支与芒属分支相邻，但没有证据表明蔗茅属和河八王属是由甘蔗属野生种分化而成的，研究表明滇蔗茅和河八王与来源于喜马拉雅山脉和非洲的芒属更为接近[37]。通过对“甘蔗属复合体”属内和属间进行系统分类和亲缘关系分析，能够较准确评估各个近缘种的分类地位和及其遗传多样性水平。

随着高通量测序技术的高速发展和比较基因组学的广泛应用，甘蔗与远缘属种间的进化关系也取得了突破性进展。基于高粱的基因组较小（约30Mb），已完全测序，与甘蔗共线性好，染色体重排情况较少[38]，在甘蔗比较基因组学分析上，普遍用高粱作为甘蔗的参照模型[39]。通过一个禾本科中研究较为透彻的高度保守的基因Adh1（高粱，玉米，水稻和甘蔗都有）不仅可以推断甘蔗和高粱的进化分支时间，也可以推断出甘蔗属不同原始种之间的进化分支时间。该研究发现甘蔗与高粱的分化时间大约在800～900万年前，而热带种和割手密的分化时间大约在150～200万年前[40]。而在现代甘蔗栽培品种R570的BAC（Bacterial Artificial Chromosome）测序文库与高粱基因组的比较分析中，进一步精确了甘蔗与高粱的分化时间，约为770万年前[39]。

3 甘蔗属内遗传进化的现代细胞遗传学和分子标记研究

遗传多样性研究常常用以衡量物种（间）进化和亲缘关系。遗传多样性分析方法随生物学，尤其是遗传学和分子生物学的发展而不断提高和完善[41-42]。现代甘蔗栽培品种是高度杂合的种间杂交种，是迄今为止作物研究领域遗传背景最复杂的作物之一，在传统分类学上，常常用形态学、染色体数目和地理分布等方法来对甘蔗属进行系统分类，但基于细胞学手段和DNA分子标记技术分析甘蔗属不同种间或种内亲缘关系及种质鉴定是最行之有效的途径[1]。

3.1 细胞学研究

不同于大部分作物，甘蔗种质间（内）染色体数目变化很大，传统细胞遗传学分析已表明，现代甘蔗栽培品种是通过甘蔗属及近缘属的种间（种内）杂交或回交而形成的，并对原始种的染色体数提出了各种假说。热带种的染色体数为2n=80，大茎野生种的染色体数为2n=60～200，其最常见的细胞型为2n=60或80[43-44]。大茎野生种被公认为是热带种的祖先，它们的染色体基数相同，都为x=10[45]。现代甘蔗栽培品种的抗逆基因主要源自于原始种割手密，其染色体数目为2n=36～128，有5个主要的细胞型：2n=64，80，96，112，或120，染色体基数为x=8[46]。

但传统细胞遗传学方法具有显带技术分辨率低、只能分析中期分裂相细胞、染色体核型分析困难等局限性。随着近20年分子细胞遗传学的快速发展，甘蔗细胞遗传学有了突破性进展，特别是在染色体数目、染色体配对和基因组结构研究上，对传统细胞遗传学提出的关于染色体数目和染色体交换重组等各种假说给出了实质性的验证。DHont等[6-7，47]利用染色体荧光原位杂交（Fluorescent in situ hybridization，FISH）技术对热带种2个无性系和大茎野生种3个无性系的rRNA和5 S基因进行定位，验证了热带种与大茎野生种x=10以及割手密x=8的说法。传统细胞遗传学认为热带种和割手密之间没有任何染色体的交换重组事件发生[41-43]，但FISH技术的应用让这一说法不攻自破。据DHont[47]研究，在栽培品种R570中，10%源自于割手密，80%源自于热带种，还有10%源自于前两者的重组染色体。后续对7个不同现代栽培品种的染色体研究表明，栽培品种10%～23%源自于割手密，5%～17%为割手密与热带种的重组染色体[24，48-49]。育种中常常希望能把甘蔗近缘属芒属、蔗茅属等的优良基因引入甘蔗栽培品种中，然而，其杂交后代不仅存在子代难育成的问题，而且仅通过传统细胞遗传学方法难以鉴定真杂种。DNA分子标记和FISH等现代分子生物学技术可用来解决真杂种难鉴定这一问题，在种苗阶段便可鉴定出真杂种，另外，这些技术还可用于渗入基因的检测[21，49-53]。利用FISH技术可以在杂交种F1、BC1和BC2染色体中观察到渗入的近缘种基因的变化动态[49，52]。Alix[50-51]分别克隆芒属和蔗茅属的几段特异重复序列，并观察它们在染色体上的分布情况，结果发现了两个端粒基因家族，一个着丝粒基因家族和一个分布于整个基因组的基因家族。热带种与斑茅的杂交BC1（F1×热带种）或BC2（BC1×热带种）无性系染色体中存在斑茅染色体缺失现象，但没有发现热带种与斑茅的重组染色体[24，49，52]。

3.2 分子标记研究

分子标记常应用于群体结构、进化关系以及植物全基因组水平遗传结构的探究[54]。各种基于分子标记方法的遗传多样性分析研究都表明，在甘蔗属6个原始种中，大茎野生种和热带种亲缘关系最近，中国种与印度种亲缘关系最近，割手密与甘蔗属内其他原始种亲缘关系最远[30-31，55-63]。

RFLP是最早应用在甘蔗属内不同种之间的遗传多样性研究的分子标记手段。基于细胞核遗传物质的RFLP分析发现，割手密无性系间的遗传变异度远远超过其他5个原始种无性系内遗传差异[30，57，59-60]，表明热带种、大茎野生种、中国种、印度种、食穗种亲缘关系较近，割手密与其他甘蔗属原始种亲缘关系较远。随后研究者们通过其他标记方法如RAPD[30]、SSR[61]和AFLP[31]等都支持了这一论点。Singh等[62]用SSR标记分析比较了割手密和印度种无性系，也发现割手密具有更为广阔的遗传变异度。通过靶位区域扩增多态性（Target Region Amplification Polymorphism，TRAP）标记对甘蔗属种进行研究并进行主成分分析，结果显示具有高抗低糖特性的原始种割手密自成一簇，而其他五个原始种都有相互重叠的区域[55]。利用相关序列扩增多态性（Sequence-related Amplified Polymorphism，SRAP）标记分析发现大茎野生种、中国种或印度种都可以与热带种归类为一个独立的亚群[63]。另外，用SSR标记分析印度种、热带种、大茎野生种、中国种和割手密的亲缘关系发现，大茎野生种很可能就是热带种的祖先[56]。

基于细胞器遗传物质的分子标记研究层出不穷。DHont[58]发现甘蔗热带种与大茎野生种亲缘关系最近，甘蔗热带种、印度种、中国种和食穗种间遗传变异度最小，但相对而言，割手密与甘蔗属内其他原始种亲缘关系最远，这与基于细胞核遗传物质遗传多样性分析结果一致。限制性内切酶位点分析[64]和基于叶绿体基因组序列的分析[65]也证明了这一论点，同时也发现了中国种和印度种之间的遗传相似性[65]，这点印证了早前的RFLP分析结论[57，59，66]，即中国种和印度种很可能是热带种与割手密的自然杂交种分化而来。随后，DHont[8]通过原位杂交技术（GISH）证实了这一观点。

4 研究展望

多倍体现象，或称为全基因组复制（Genome wide duplication，GWD）现象在被子植物中是十分常见的，这也是被子植物进化的原动力[67]。但相信给予足够的时间，多倍体植物都会经历二倍化的过程，最终回归为二倍体植物[68]。大约100～200万年前，甘蔗经历了两轮的全基因组复制最后才形成我们所知道的同源多倍体原始种[40]。尽管甘蔗分子标记技术发展迅速，与水稻、玉米、高粱等作物的研究进展相比，甘蔗遗传背景复杂、基础生物学研究相对薄弱，再加上甘蔗育种可利用种质资源较为狭窄，育种遭受瓶颈，因此想继续为甘蔗产业提供具有丰富遗传多样性、广泛生态适应性、高产高糖高蓄能的环境友好型的糖能兼用系列新品种，任重而道远，需要寻求新的技术突破口。从甘蔗属起源及其与近缘属进化关系角度发掘甘蔗新育种种质是解决育种瓶颈的突破点。近年来，单核苷酸多态性技术（Single nucleotide polymorphisms，SNP）受到了广泛关注[69]，由于个体间核苷酸序列的差异性极大，其具有其他标记无法比拟的优点，已在模式植物和重要作物中取得可喜的进展，具有很高的发展潜力。与同源多倍体相比，异源多倍体的SNP开发较为复杂，需熟练掌握生物信息学和分子生物学的知识，主要采用扩增子测序的方法[70]。另外，高通量测序技术（High-throughput sequencing），也称为“二代”测序技术的产生和发展，使得对一个物种的转录组和基因组进行细致全貌的深度分析成为可能。全基因组测序可获得物种的基因组序列图谱，通过对基因组序列的系统研究，不仅可以阐述物种的起源、进化历史、发育过程和生理机制，还可以挖掘有用基因，为今后的分子遗传和育种研究领域奠定重要的科学基础，提供一个崭新的跨越式的发展平台[71]。

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