高粱育種與栽培技術(shù)研究新進(jìn)展

鄒劍秋

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高粱育種與栽培技術(shù)研究新進(jìn)展

鄒劍秋

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所/國家高粱改良中心，沈陽 110161）

高粱以其優(yōu)異的耐逆性，廣泛的適應(yīng)性，在國家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中的重要性日益凸顯。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸走向?qū)Ｓ没C(jī)械化，高粱研究也產(chǎn)生了許多新成果。本期《中國農(nóng)業(yè)科學(xué)》發(fā)表的6篇文章，從高粱的遺傳選育理論、育種手段、營養(yǎng)品質(zhì)特性及栽培生理基礎(chǔ)等多方面介紹了近年來國家谷子高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的高粱研究進(jìn)展，以期對中國高粱產(chǎn)業(yè)發(fā)展有所助益。

高粱；甜高粱；淀粉；株高；遺傳效應(yīng)

高粱在中國具有非常悠久的栽培歷史，形成了獨(dú)特的高粱類型[1]；直至20世紀(jì)七、八十年代，高粱仍是中國主糧作物，對保證糧食安全起到了重要作用。隨著高粱退出主糧市場，種植面積逐漸壓縮，目前，中國高粱種植面積僅有70萬—80萬hm2。雖然高粱已不再是主糧作物，但其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中仍是不可或缺的。高粱抗旱性好，耗水量少，水分利用率高，具有較高的比較效益，在中國東北、華北、西北干旱地區(qū)的農(nóng)作物生產(chǎn)體系中具有不可替代的優(yōu)勢。高粱還具有良好的耐鹽堿性，在一些其他農(nóng)作物不能正常生長的地區(qū)也能正常生長。近年來，為了促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，中國開始實(shí)施種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃，高粱以其優(yōu)異的抗旱性、耐鹽堿性成為種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中重要的替代作物。

高粱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。眾所周知，高粱是白酒的優(yōu)異原料，中國的優(yōu)質(zhì)白酒基本上都是以高粱為原料釀制的，茅臺、五糧液、郎酒、汾酒等眾多名酒的主要原料均是高粱。中國白酒的年產(chǎn)量約900億升，若全部以高粱為主要原料釀制，年需高粱約1 800萬t，目前，中國高粱年產(chǎn)量約300萬t，僅為年需要量的六分之一，因此，酒用高粱市場需求強(qiáng)勁。

酒用高粱淀粉特性是影響釀造品質(zhì)的重要指標(biāo)，淀粉含量及組分與釀酒品質(zhì)密切相關(guān)，是評價酒用高粱品質(zhì)的重要指標(biāo)[2]。在小麥[3-4]、玉米[5-7]、水稻[8-12]上的研究表明，淀粉結(jié)構(gòu)也是影響品質(zhì)的重要指標(biāo)，高粱[13]的相關(guān)研究尚少。本期柯福來等[14]發(fā)表的“不同糯性高粱胚乳淀粉形成與積累過程的酶學(xué)調(diào)控機(jī)制及顯微結(jié)構(gòu)變化”以不同淀粉組成的高粱品種為研究對象，分析了不同類型高粱淀粉結(jié)構(gòu)的差異，認(rèn)為淀粉結(jié)構(gòu)差異是不同淀粉類型高粱品質(zhì)差異的主要因素，這與倪德讓等[15]在紅纓子上的研究結(jié)果類似。研究還認(rèn)為淀粉組成差異是淀粉結(jié)構(gòu)差異的主要影響因素，而淀粉組成主要受淀粉合成酶類控制，隨著淀粉合成酶類控制基因的挖掘與利用[16]，預(yù)示著通過生物技術(shù)手段控制淀粉結(jié)構(gòu)成為可能。

高粱除了可以釀酒，還可作為飼料和能源用。尤其是近年來，國家推進(jìn)糧肉轉(zhuǎn)化，支持畜牧業(yè)發(fā)展，需要大量的青貯飼料和飼草。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國目前需要種植8.47×106hm2的青貯玉米及5.35×106hm2的優(yōu)質(zhì)干草才能滿足畜牧業(yè)飼草的需要[17]。甜高粱和草高粱是飼草料的優(yōu)質(zhì)來源，大量的飼喂試驗(yàn)表明，使用甜高粱作青貯飼料與青貯玉米的飼喂效果相似[18-19]；且甜高粱作青貯飼料平均產(chǎn)量82.5 t·hm-2（甜高粱產(chǎn)量數(shù)據(jù)由國家高粱改良中心提供，未發(fā)表），比青貯玉米平均高10.5 t·hm-2；草高粱平均干草產(chǎn)量為27 t·hm-2，比苜蓿類干草產(chǎn)量高18 t·hm-2。若用甜高粱、草高粱替代青貯玉米與其他飼草，按替代1/3算，年可節(jié)約耕地1.92×106hm2，且甜高粱、草高粱可在干旱、鹽堿等邊際性土地種植，可有效緩解與糧爭地的情況。

本期《中國農(nóng)業(yè)科學(xué)》發(fā)表了3篇相關(guān)方面的研究論文，從育種理論、育種手段及栽培技術(shù)方面闡述了甜高粱與草高粱研究的最新進(jìn)展。目前，生產(chǎn)上大面積應(yīng)用的甜高粱品種基本上都是雜交高粱，對于雜交種而言，雜種優(yōu)勢預(yù)測及利用是育種過程中最重要的問題之一。遺傳距離是預(yù)測雜種優(yōu)勢的主要指標(biāo)，普遍認(rèn)為，親本間較遠(yuǎn)的遺傳距離易獲得較大的雜種優(yōu)勢[20]。遺傳距離分為表型遺傳距離和分子遺傳距離，在雜種優(yōu)勢預(yù)測上，分子遺傳距離具有相關(guān)性顯著、預(yù)測結(jié)果可靠的優(yōu)勢[21]。本期王黎明等[22]發(fā)表的“基于配合力和遺傳距離的甜高粱雜種優(yōu)勢預(yù)測”開辟了利用親本配合力預(yù)測雜種優(yōu)勢的新途徑，以8個甜高粱不育系為母本及8個甜高粱恢復(fù)系為父本配制64個雜交組合，分析了親本的配合力、表型遺傳距離、分子遺傳距離及雜種優(yōu)勢，認(rèn)為在甜高粱雜種優(yōu)勢預(yù)測上，分子遺傳距離優(yōu)于表型遺傳距離，配合力優(yōu)于分子遺傳距離，利用配合力預(yù)測雜種優(yōu)勢具有更高的可靠性。應(yīng)用分子遺傳距離預(yù)測雜種優(yōu)勢減少了田間鑒定環(huán)節(jié)，效率較高。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，作物基因組研究的深入，利用分子生物學(xué)技術(shù)預(yù)測雜種優(yōu)勢、輔助育種將越來越普遍。牛皓等[23]發(fā)表的“基于SSR的光敏型飼草高粱分子輔助育種體系研究”利用微衛(wèi)星分子標(biāo)記技術(shù)（SSR）和集團(tuán)分離分析法（BSA）對晉光1R/BMRC-3-2的F2群體進(jìn)行光敏感基因的定位分析，以及特異性SSR引物的設(shè)計(jì)、篩選；發(fā)現(xiàn)了控制高粱光敏性的候選基因和，獲得特異性引物70.2-3；利用該引物輔助選擇，可有效鑒定區(qū)分具有光敏感特性的育種材料，變田間二代測定為實(shí)驗(yàn)室當(dāng)代測定，縮短了育種年限，可提高育種效率。在甜高粱栽培生理研究方面，谷子高粱體系也開展了相關(guān)研究。王海蓮等[24]發(fā)表的“不同生長時期收獲對甜高粱農(nóng)藝性狀及營養(yǎng)品質(zhì)的影響”通過不同收獲期甜高粱的鮮重、干重、粗蛋白、可溶性碳水化合物、中性洗滌纖維及酸性洗滌纖維等性狀的對比分析，認(rèn)為孕穗期收獲相對營養(yǎng)價值最高，蠟熟期收獲生物量最高，綜合考慮甜高粱應(yīng)在乳熟期與蠟熟期之間收獲為宜。

為了適應(yīng)機(jī)械化、智能化的農(nóng)業(yè)發(fā)展方向，高粱研究也向輕簡化、機(jī)械化、專用化方向發(fā)展。在品種選育中，已從主要關(guān)注個體產(chǎn)量性狀（諸如高稈、大穗、高生物量）向注重群體產(chǎn)量性狀（諸如矮稈、整齊度）及相關(guān)遺傳育種理論研究轉(zhuǎn)變。眾多研究已經(jīng)證實(shí)，高粱株高主要由4個基因（Dw—Dw）控制[25-27]，但是各基因控制株高的效應(yīng)仍不清楚。本期《中國農(nóng)業(yè)科學(xué)》發(fā)表的2篇文章“優(yōu)異高粱不育系01-26A的組配降稈效應(yīng)及其分子機(jī)理”和“早熟矮稈高粱不育系P03A生育期和株高性狀的遺傳分析”從不同角度闡述了高粱株高的調(diào)控機(jī)理。鄒劍秋等[28]分析了具有矮化株高效應(yīng)的不育系01-26A為母本配制的雜交種的遺傳效應(yīng)，認(rèn)為株高降低主要是節(jié)間長與穗柄長縮短的結(jié)果，并推測01-26A可能是為數(shù)不多的3矮育種材料。通過分析可以推測，在控制株高的4個基因中，起主要作用的可能是Dw和Dw。Jia等[29]提出Dw和Dw比較，D作用效應(yīng)值更大，以及CASSADY等[30]指出的D在高粱株高調(diào)控中起著關(guān)鍵作用的結(jié)論相似。段有厚等[31]利用主+多基因混合模型分析了P03A株高的遺傳效應(yīng)，也認(rèn)為株高主要受2對主基因控制，主基因的遺傳力為84.80%，多基因效應(yīng)只能解釋6.89%的變異。白曉倩等[32]通過分析忻粱-52和美引-20的雜交F2群體的株高遺傳效應(yīng)，也認(rèn)為株高主要受2對主基因控制。研究表明，株高的遺傳力較高，基本不受環(huán)境影響，可在早代進(jìn)行選擇[31-32]，為矮化育種材料的選育指明了方向。

本期發(fā)表的文章展示了分子生物學(xué)技術(shù)在高粱雜種優(yōu)勢預(yù)測、后代材料輔助選擇中的應(yīng)用，分析了株高的遺傳效應(yīng)與分子機(jī)理，但是和玉米、小麥、水稻等[33-37]作物相比，在功能基因組挖掘、基因編輯技術(shù)的應(yīng)用等方面還存在較大差距，今后需要進(jìn)一步加強(qiáng)這方面的研究，相信通過國家谷子高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系及廣大相關(guān)科技人員的共同努力，高粱研究對產(chǎn)業(yè)的支撐作用將更加強(qiáng)勁，高粱產(chǎn)業(yè)的未來將更加廣闊！

致謝：有關(guān)高粱總產(chǎn)量、甜高粱產(chǎn)量、草高粱產(chǎn)量數(shù)據(jù)由國家高粱改良中心提供，在此表示感謝！

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New research progress on sorghum breeding and cultivation techniques

Zou Jianqiu

(Sorghum research institute, Liaoning Academy of Agricultural Sciences/National Sorghum Improvement Center, Shenyang 110161)

Sorghum has become increasingly important in China’s agricultural structure adjustment due to its excellent stress tolerance and wide adaptability. To meet the new needs of specialization and mechanization of modern agricultural production, many newachievements have been made insorghum research. Six articles published in this issue of “”，introduced the recent research progress of China Agriculture Research System on Millet and Sorghum from the aspects of sorghum genetic selection theory, breeding methods, nutritional quality characteristics and cultivation physiological basis. so as tobe helpful to the development of sorghum industry in China.

sorghum; sweet sorghum; starch; plant height; genetic effect

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.14.001

2020-02-10；

2020-05-10

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFD1001700/2019YFD1001704）、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金資助（CARS-06-13.5-A11）

鄒劍秋，E-mail：jianqiuzou@126.com

（責(zé)任編輯 李莉）