高粱褐色中脈的研究進(jìn)展

李海燕，武棒棒，侯雅靜

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，山西臨汾041000；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西太原030031）

高粱（Sorghum bicolor）具有抗旱、耐澇、耐鹽堿和適應(yīng)性強(qiáng)等特性，其作為重要的糧食和飼料作物在世界各國(guó)廣為栽培[1]。褐色中脈（brown midrib，bmr）突變體表現(xiàn)為葉脈和莖稈木質(zhì)部呈現(xiàn)棕灰或棕褐色[2]，一般在植株生長(zhǎng)到4～6 葉時(shí)在葉脈上可見(jiàn)，植株完全成熟后僅在莖稈木質(zhì)部可見(jiàn)。研究表明，葉片中脈的顏色與木質(zhì)素的含量和組成有著密切的關(guān)系[3]，而總木質(zhì)素含量和木質(zhì)素單體的組成比例對(duì)細(xì)胞壁的可消化性影響較大[4]。因此，一般認(rèn)為，褐色中脈的顏色越深，其飼用品質(zhì)越好。

與傳統(tǒng)的白色中脈品種相比，褐色中脈中可消化的纖維素和半纖維素含量高，難以消化的木質(zhì)素含量低，使得消化率大幅度提高，適口性好，這在普遍消化率不高的暖季型牧草中意義重大[5]。目前，我國(guó)對(duì)高粱褐色中脈的研究較少。

本文對(duì)高粱褐色中脈的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)其在飼草中的應(yīng)用進(jìn)行了展望，以期為研究者提供一定的參考。

1 高粱褐色中脈的類(lèi)型及其遺傳特性

1924 年，褐色中脈突變體首先在玉米中被發(fā)現(xiàn)，玉米的褐色中脈突變體有4 種類(lèi)型，即bm1、bm2、bm3 和bm4[2]。這4 種類(lèi)型都是受單個(gè)隱性核基因控制，并分別被定位在5，1，4，9 號(hào)染色體上[6]。1978 年，PORTER 等[6]利用化學(xué)誘變褐色中脈突變體并經(jīng)田間鑒定發(fā)現(xiàn)，bmr6、bmr12 和bmr18 具有較高的利用價(jià)值。后來(lái)，BITTINGER 等[7]進(jìn)行等位測(cè)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，bmr12 和bmr18 為等位基因，而bmr6 和bmr12 則位于不同的染色體上。2003 年，BOUT 等[8]確認(rèn)bmr12 和bmr18 為等位基因，但是這2 種類(lèi)型為同一基因的不同突變體。

2008 年SABALLOS 等[9]對(duì)于19 個(gè)褐色中脈高粱進(jìn)行了等位分析，其中包括PORTER 等[6]用化學(xué)誘變劑誘變的19 個(gè)褐色中脈里的11 個(gè)、4 個(gè)褐色中脈高粱的自然突變體以及來(lái)源于褐色中脈群體中的4 個(gè)高粱褐色中脈材料，結(jié)果表明，這19 種類(lèi)型可以分為4 大類(lèi)（表1），并把這些材料重新分類(lèi)后發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)組織染色的方法將這幾大類(lèi)進(jìn)行區(qū)分，從上到下分別從白色到酒紅色；同時(shí)研究也認(rèn)為，bmr6 和bmr12 類(lèi)群比另外2 個(gè)類(lèi)群具有更高的消化率。

表1 SABALLOS 等對(duì)19 個(gè)bmr 的重新劃分

由于bmr6、bmr12 和bmr18 這3 種類(lèi)型都是單位點(diǎn)的隱性突變，因此，可以通過(guò)回交的方法將褐色中脈性狀導(dǎo)入到其他品種中。OLIVER 等[10]通過(guò)回交的方法將bmr6 和bmr12 基因?qū)氲搅? 個(gè)高粱品種中，以便比較在不同遺傳背景下，bmr6 和bmr12 基因?qū)Ξa(chǎn)量和品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，褐色中脈一般對(duì)農(nóng)藝性狀有負(fù)面影響，但在不同的遺傳背景下表現(xiàn)不一致：bmr6 基因一般使株高變矮并且具有較低的干物質(zhì)產(chǎn)量，但不能減少酸性洗滌木質(zhì)素的含量；而bmr12 基因則減少了酸性洗滌木質(zhì)素的含量，籽粒成熟時(shí)間變晚，且干物質(zhì)產(chǎn)量也降低；當(dāng)然，這2 個(gè)基因都會(huì)使中性木質(zhì)素的消化率增加；綜合考慮農(nóng)藝和品質(zhì)性狀，bmr12 基因要優(yōu)于bmr6 基因，因?yàn)樗鼘?duì)農(nóng)藝性狀的負(fù)面影響相對(duì)較少，但具有更高的消化率。

而CASLER 等[5]將bmr6 基因?qū)氲教K丹草中的研究則表明，褐色中脈基因?qū)︼暡莓a(chǎn)量也具有負(fù)面影響，其除了會(huì)降低飼草刈割的產(chǎn)量，而且會(huì)抑制刈割后的再生長(zhǎng)；相比于正常品系，褐色中脈品系飼草產(chǎn)量要降低15%。綜上來(lái)看，相比于褐色中脈帶來(lái)的高消化率，它對(duì)農(nóng)藝性狀的負(fù)面影響也較大，尤其是飼草產(chǎn)量。因此，單純地將褐色中脈基因?qū)氲侥承┢贩N雖然能提高其消化率，但往往都得不償失。對(duì)于育種來(lái)講，更要考慮利用雜種優(yōu)勢(shì)來(lái)抵消負(fù)面影響，如利用高粱與蘇丹草雜交的強(qiáng)大雜種優(yōu)勢(shì)。

2 高粱褐色中脈的飼喂研究進(jìn)展

自愿采食是動(dòng)物的典型表明，飼草的細(xì)胞壁濃度和結(jié)構(gòu)影響飼草的品質(zhì)和動(dòng)物的采食量。OBA等[11]對(duì)玉米青貯飼料的研究表明，中性洗滌纖維體內(nèi)或體外的消化率每提高1%，奶牛采食量可增加0.17 kg，牛奶產(chǎn)量可增加0.25 kg。目前的大量研究表明，褐色中脈高粱的木質(zhì)素含量降低，在飼喂效果上明顯優(yōu)于普通高粱，而且動(dòng)物喜食褐色中脈高粱。GRANT 等[12]用褐色中脈高粱和苜蓿、玉米以及普通高粱飼料做飼喂泌乳中期奶牛試驗(yàn)，試驗(yàn)中盡管褐色中脈高粱和苜蓿、玉米飼料的產(chǎn)奶量相同，但褐色中脈高粱飼料的基礎(chǔ)代謝率低于玉米，但比普通高粱的產(chǎn)奶量要高。OLIVER 等[13]研究也表明，用褐色中脈高粱飼喂奶牛明顯優(yōu)于普通高粱，奶牛的產(chǎn)奶量與飼喂玉米相同。

3 高粱褐色中脈的生化和分子生物學(xué)研究進(jìn)展

木質(zhì)素是生物界最豐富和最復(fù)雜的聚合物，其合成途徑還沒(méi)有完全闡述清楚。一般認(rèn)為，木質(zhì)素是由肉桂酸通過(guò)羥基化和甲氧化交聯(lián)聚合而成。木質(zhì)素的生物合成主要分為2 步：第1 步是木質(zhì)素結(jié)構(gòu)單元的合成；第2 步為木質(zhì)素單元通過(guò)脫氫聚合合成高分子化合物[14]。一般認(rèn)為，高等植物的木質(zhì)素主要可以分為3 類(lèi)，即對(duì)- 羥苯基木質(zhì)素（H- 木質(zhì)素）、愈創(chuàng)木基木質(zhì)素（G- 木質(zhì)素）和紫丁香基木質(zhì)素（S- 木質(zhì)素）。其中，H- 木質(zhì)素來(lái)源于松柏醇，G- 木質(zhì)素來(lái)源于芥子醇，而S- 木質(zhì)素來(lái)源于對(duì)羥基香豆醇。在飼草中還有大量的香豆酸、阿魏酸也通過(guò)酯合反應(yīng)交聯(lián)到木質(zhì)素中[15]。

褐色中脈性狀發(fā)現(xiàn)很早，但其生化和分子機(jī)理的理論研究起步較晚。其中，褐色中脈玉米bm1、bm2、bm3 和bm4 不僅在遺傳上研究得比較透徹，而且在木質(zhì)素的含量、阿魏酸和酯醚化阿魏酸代謝途徑的生化特殊性等方面的研究也很深入。VIGNOLS 等[16]克隆了第1 個(gè)玉米褐色中脈基因bm3，即編碼咖啡酸-3-O- 甲基轉(zhuǎn)移酶的基因（COMT）。玉米bm3 主要是咖啡酸-3-O- 甲基轉(zhuǎn)移酶（COMT）活性的嚴(yán)重喪失，其原因是COMT 基因插入了一個(gè)B5 元件，使該基因完全失活。COMT 基因主要涉及到S- 木質(zhì)素的合成。但是令人困惑的是，即使是COMT 基因完全失活的bm3 中，S- 木質(zhì)素雖然量很少，但并不是沒(méi)有?？梢?jiàn)，S- 木質(zhì)素可能有2 種不同合成途徑，只是COMT 酶合成途徑是主要途徑。HALPIN 等[17]利用同樣的方法克隆了玉米褐色中脈基因bm1，即編碼肉桂醇脫氫酶（CAD）基因，使得莖稈木質(zhì)部CAD 活性喪失。CAD 基因與3 種木質(zhì)素基元的合成無(wú)關(guān)，它主要是對(duì)基元木質(zhì)素進(jìn)行甲氧化連接。因此，bm1 的消化率高主要是由基元木質(zhì)素的連接不正常造成的。

AKIN 等[18]對(duì)高粱bmr12 及其野生型的細(xì)胞壁組成進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，與它的野生型相比，bmr12 細(xì)胞壁中的香豆酸含量減少，而且二甲氧基苯酚的殘留物也大為減少。SUZUKI 等[19]用氣相色譜對(duì)bmr12 和bmr18 的細(xì)胞壁進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)，bmr12 和bmr18 的細(xì)胞壁分成變化與玉米bm3 相似。在此基礎(chǔ)上，BOUT 等[8]用候選基因克隆法首次克隆了bmr 基因，結(jié)果表明，bmr12、bmr18 和bmr26都為編碼COMT 的等位基因上出現(xiàn)點(diǎn)突變而使COMT 基因失活。而對(duì)于高粱bmr6，其P 組織中CAD 酶活性都比野生型低并且具有更高的肉桂醛含量[9，20]。在此研究基礎(chǔ)上，SABALLOS 等[21]克隆了bmr6 基因，即CAD2 基因。在高粱基因組中存在14 個(gè)類(lèi)似CAD 基因，在比較分析的基礎(chǔ)上證實(shí)，CAD2 基因?yàn)楹稚忻}的相應(yīng)基因。在bmr6 中，CAD 基因提前出現(xiàn)了一個(gè)終止子而不能正常合成CAD，因此，bmr6 是由于CAD2 基因失活引起。綜上來(lái)看，對(duì)高粱褐色中脈基因的研究不僅有利于提高飼草的品質(zhì)性狀，對(duì)于細(xì)胞壁中的木質(zhì)素合成途徑也具有重要的意義。

4 展望

近年來(lái)，雖然我國(guó)的畜牧業(yè)得到了巨大的發(fā)展，但是高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)飼草品種的缺乏嚴(yán)重制約了我國(guó)畜牧業(yè)的發(fā)展。目前，我國(guó)雖然也育成了一些高產(chǎn)的飼草品種，如皖草2 號(hào)、晉草1 號(hào)等，但暖季型飼草消化率低的問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決。褐色中脈高粱具有木質(zhì)素含量低、可消化率高的優(yōu)點(diǎn)，但它本身還伴隨著影響產(chǎn)量和抗蟲(chóng)性差的缺點(diǎn)。因此，如何有效地利用褐色中脈性狀，成為今后飼用高粱的一個(gè)重要研究方向，一方面，要加大將褐色中脈性狀導(dǎo)入到不同的遺傳背景，弄清遺傳背景對(duì)于消除褐色中脈不利性狀的影響；另一方面，也要加大具有褐色中脈性狀的高丹草品種的選育。高丹草是高粱（Sorghum bicolor）與蘇丹草（Sorghum sudanense）的雜交種，具有再生性好、產(chǎn)草量高、抗旱能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[22]。由于高丹草較飼用高粱的產(chǎn)量高很多，因此可以有效地抵消褐色中脈對(duì)于產(chǎn)量的不利影響。隨著褐色中脈基因的克隆，利用反義遺傳學(xué)手段來(lái)提高飼草品質(zhì)也越來(lái)越引起研究者的重視。