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能源植物甜高粱种质资源和分子生物学研究进展


能源植物甜高粱种质资源和分 子生物学研究进展

? 世界能源危机和全球生态环境日益恶化迫使人们急需开发可再生能源。 生物质能源作为一种清洁的可再生能源已受到世界各国的高度重视。

发展生物质能源的瓶颈之一是生物质原料不足。甜高粱的生物学产量
和含糖量极高, 同时兼有耐旱、耐涝、耐贫瘠和耐盐碱等诸多优良特 性, 被认为是最具开发潜力的能源植物之一。

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甜高粱,也叫“二代甘蔗”。因为它上边长粮食,下边长甘蔗,所以又叫 “雅津高粱甘蔗”。雅津甜高粱它株高5米,最粗的茎秆直径为4厘米-5厘米, 茎秆含糖量很高,因而甘甜可口,可与南方甘蔗媲美。甜高粱可以生食、制

糖、制酒,也可以加工成优质饲料。亩产甘蔗2万公斤,产籽种450公斤。它
上边长粮食,下边长甘蔗,叶子可作饲草喂牲口,高粱穗脱粒以后所剩的苗 子还可以制作笤帚、扫帚、炊帚 。

甜高粱的分类学地位
? 栽培甜高粱隶属于禾本科( P o a c e a e ) 高粱族(Andropogoneae)
高粱属(Sorghum)甜高粱(Sorghum bicolor (Linn.) Moench)种下的 一个亚种, 拉丁名为Sorghum bicolor (Linn.) Moench subsp.

bicolor, 英文名为sorghum。
? 历史上, 分类学家对甜高粱有各种各样的分类学处理,当前分类学家 一般接受高粱属(Sorghum)包括5个亚属或组的处理,即该属属下分

Sorghum、Chaetosorghum、Heterosorghum、Parasorghum和 Stiposorghum 5个组。其中Sorghum 组包括人工驯化的高粱及其野生
亲缘种。该组通常被划分为2个类群, 即Halapensia 复合体和 Arundinacea 复合体。

甜高粱作为能源植物的特点
? 生物学产量极高:甜高粱生长快, 产量高。株高2-5 m, 每公顷
能收获种子2 250-4 500 kg, 它的茎秆富含糖分, 糖度在 16%-22%, 一般每公顷产糖量为75 t,高产记录为160 t.hm-2可转化乙醇达6106L。

? 抗逆性强且适应性广:甜高粱具有抗旱、耐涝、耐盐碱、耐瘠薄、
耐高温和耐干热风等特点。

? 用途广泛且产品多:甜高粱可用于生产糖浆、粮食、乙醇、饲料
以及造纸等, 在不同区域和不同条件下可以生产多种产品, 实现甜高 粱原料的多级利用。

甜高粱的引种与种质资源评价
? 目前, 我国甜高粱种质资源共有374份, 其中地方品种259份, 国外引进品种 115份。 ? 研究结果表明, 短期水分胁迫对甜高粱产量的影响主要与其生长期有关。在 逐渐缺水条件下, 与玉米、普通高粱和其它C4作物相比, 甜高粱表现出较高 的冠层水分利用效率(单位蒸腾耗水量的光合作用量或生长量 )。 ? 铅胁迫对甜高粱种子活力有影响, 随着铅浓度增加, 种子的发芽势、发芽率、 根长和芽长等生长量均呈下降趋势。(对植物产生伤害的环境称为逆境,又称为胁迫 ) ? ? 土壤中的水分和盐分对甜高粱的出土时间、出苗率和株高均有很大影响。 不同光照时间对甜高粱叶片数、株高、茎粗、抽穗期和花序分枝数均有影响, 但对分檗数没有影响。(分蘖:禾本科等植物在地面以下或近地面处所发生的分枝 )

甜高粱功能基因编码的蛋白质资源
? 甜菜碱是一种季胺型水溶性生物碱, 是多种高等植物体内一种重要的渗透调
节物质。在植物中甜菜碱由胆碱经两步酶促反应合成, 甜菜碱醛脱氢酶 (betaine aldehydedehydrogenase,BADH)是促进甜菜碱合成的最后一步关键

酶, 高粱BADH基因的克隆为研究高粱的抗旱机制和提高抗旱性奠定了基础。
? 多药和有毒化合物排出家族(multidrug and toxic compound extrusion, MATE)是一个新的次级转运蛋白家族, 此类转运蛋白对氨基葡糖、阳离子染料、 多种抗生素和药物有转运作用。高粱MATE家族的一个基因已被克隆, 并且发 现其对铝胁迫有抗性。 ? 高粱被认为是最易发生化感作用的作物之一。化感物质(allelochemical)是 生物体内产生的非营养性物质, 能够影响其它植物的生长、健康、行为或群 体关系, 化感物质是化感作用的媒介。

问题
? ? 目前, 甜高粱作为能源植物的基础研究还存在诸多问题: (1) 缺乏甜高粱种质资源评价系统, 特别是对遗传多样性、能源相关性状和 抗逆性等重要性状应开展系统评价, 丰富的分子标记和基因组信息将加速这 方面的研究速度。 ? (2)对主要能源性状—— 甜高粱高效利用光能的机理、秸秆光合产物的来源、 运输形式、糖分积累及其调控规律的研究不够深入。 ? (3)甜高粱基因组测序虽已取得重大进展, 但大批基因的功能需要解析, 需要 加强甜高粱的分子遗传学和组学研究。

研究进展
? 甜高粱作为生物质产业的原料还有许多技术难题亟待突破。例如:
? (1) 缺乏适应性广、高产、优质和多抗的超能杂交种, 未来育种的方向是着 力挖掘控制重要性状的主效基因以及相关功能基因;发展应用分子标记、基因

工程及分子设计等新元件和新技术, 并与常规育种有机结合, 加速新种质和
品种的培育; ? (2) 研发荒地和盐碱地等边际性土地种植甜高粱的集成型栽培技术, 并评估

其对生产环境的安全性和持续性的影响;
? (3) 研究大规模生产时甜高粱茎秆的采收、储藏和糖分压榨等技术问题。

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总之, 甜高粱作为能源植物具有种质资源的优势。目前亟待解决从种质资源

发掘基因资源, 再从基因资源设计和开发出产业需要的超能产品以及配套的
利用技术。这些问题的解决无疑需要多学科的深入研究以及有效链接。通过 植物系统学家、遗传育种学家、分子生物学家以及生态学家的共同努力, 有

望突破生物质能源产业发展的原料瓶颈, 提高生物质能源的竞争力, 为缓解
能源和环境危机做出应有的贡献。

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