高粱褐色中脈的研究進展

李海燕，武棒棒，侯雅靜

（1.山西省農業科學院小麥研究所，山西臨汾041000；2.山西省農業科學院作物科學研究所，山西太原030031）

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

與傳統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，我國對高粱褐色中脈的研究較少。

本文對高粱褐色中脈的研究進展進行了綜述，并對其在飼草中的應用進行了展望，以期為研究者提供一定的參考。

1 高粱褐色中脈的類型及其遺傳特性

1924 年，褐色中脈突變體首先在玉米中被發現，玉米的褐色中脈突變體有4 種類型，即bm1、bm2、bm3 和bm4[2]。這4 種類型都是受單個隱性核基因控制，并分別被定位在5，1，4，9 號染色體上[6]。1978 年，PORTER 等[6]利用化學誘變褐色中脈突變體并經田間鑒定發現，bmr6、bmr12 和bmr18 具有較高的利用價值。后來，BITTINGER 等[7]進行等位測驗發現，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bmr12 和bmr18 為等位基因，但是這2 種類型為同一基因的不同突變體。

2008 年SABALLOS 等[9]對于19 個褐色中脈高粱進行了等位分析，其中包括PORTER 等[6]用化學誘變劑誘變的19 個褐色中脈里的11 個、4 個褐色中脈高粱的自然突變體以及來源于褐色中脈群體中的4 個高粱褐色中脈材料，結果表明，這19 種類型可以分為4 大類（表1），并把這些材料重新分類后發現，可以通過組織染色的方法將這幾大類進行區分，從上到下分別從白色到酒紅色；同時研究也認為，bmr6 和bmr12 類群比另外2 個類群具有更高的消化率。

表1 SABALLOS 等對19 個bmr 的重新劃分

由于bmr6、bmr12 和bmr18 這3 種類型都是單位點的隱性突變，因此，可以通過回交的方法將褐色中脈性狀導入到其他品種中。OLIVER 等[10]通過回交的方法將bmr6 和bmr12 基因導入到了4 個高粱品種中，以便比較在不同遺傳背景下，bmr6 和bmr12 基因對產量和品質的影響，結果表明，褐色中脈一般對農藝性狀有負面影響，但在不同的遺傳背景下表現不一致：bmr6 基因一般使株高變矮并且具有較低的干物質產量，但不能減少酸性洗滌木質素的含量；而bmr12 基因則減少了酸性洗滌木質素的含量，籽粒成熟時間變晚，且干物質產量也降低；當然，這2 個基因都會使中性木質素的消化率增加；綜合考慮農藝和品質性狀，bmr12 基因要優于bmr6 基因，因為它對農藝性狀的負面影響相對較少，但具有更高的消化率。

而CASLER 等[5]將bmr6 基因導入到蘇丹草中的研究則表明，褐色中脈基因對飼草產量也具有負面影響，其除了會降低飼草刈割的產量，而且會抑制刈割后的再生長；相比于正常品系，褐色中脈品系飼草產量要降低15%。綜上來看，相比于褐色中脈帶來的高消化率，它對農藝性狀的負面影響也較大，尤其是飼草產量。因此，單純地將褐色中脈基因導入到某些品種雖然能提高其消化率，但往往都得不償失。對于育種來講，更要考慮利用雜種優勢來抵消負面影響，如利用高粱與蘇丹草雜交的強大雜種優勢。

2 高粱褐色中脈的飼喂研究進展

自愿采食是動物的典型表明，飼草的細胞壁濃度和結構影響飼草的品質和動物的采食量。OBA等[11]對玉米青貯飼料的研究表明，中性洗滌纖維體內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素含量降低，在飼喂效果上明顯優于普通高粱，而且動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，試驗中盡管褐色中脈高粱和苜蓿、玉米飼料的產奶量相同，但褐色中脈高粱飼料的基礎代謝率低于玉米，但比普通高粱的產奶量要高。OLIVER 等[13]研究也表明，用褐色中脈高粱飼喂奶牛明顯優于普通高粱，奶牛的產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研究進展

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

褐色中脈性狀發現很早，但其生化和分子機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 個玉米褐色中脈基因bm3，即編碼咖啡酸-3-O- 甲基轉移酶的基因（COMT）。玉米bm3 主要是咖啡酸-3-O- 甲基轉移酶（COMT）活性的嚴重喪失，其原因是COMT 基因插入了一個B5 元件，使該基因完全失活。COMT 基因主要涉及到S- 木質素的合成。但是令人困惑的是，即使是COMT 基因完全失活的bm3 中，S- 木質素雖然量很少，但并不是沒有。可見，S- 木質素可能有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，使得莖稈木質部CAD 活性喪失。CAD 基因與3 種木質素基元的合成無關，它主要是對基元木質素進行甲氧化連接。因此，bm1 的消化率高主要是由基元木質素的連接不正常造成的。

AKIN 等[18]對高粱bmr12 及其野生型的細胞壁組成進行了分析，結果表明，與它的野生型相比，bmr12 細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bmr12 和bmr18 的細胞壁進行了分析發現，bmr12 和bmr18 的細胞壁分成變化與玉米bm3 相似。在此基礎上，BOUT 等[8]用候選基因克隆法首次克隆了bmr 基因，結果表明，bmr12、bmr18 和bmr26都為編碼COMT 的等位基因上出現點突變而使COMT 基因失活。而對于高粱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 個類似CAD 基因，在比較分析的基礎上證實，CAD2 基因為褐色中脈的相應基因。在bmr6 中，CAD 基因提前出現了一個終止子而不能正常合成CAD，因此，bmr6 是由于CAD2 基因失活引起。綜上來看，對高粱褐色中脈基因的研究不僅有利于提高飼草的品質性狀，對于細胞壁中的木質素合成途徑也具有重要的意義。

4 展望

近年來，雖然我國的畜牧業得到了巨大的發展，但是高產、優質飼草品種的缺乏嚴重制約了我國畜牧業的發展。目前，我國雖然也育成了一些高產的飼草品種，如皖草2 號、晉草1 號等，但暖季型飼草消化率低的問題一直沒有得到很好的解決。褐色中脈高粱具有木質素含量低、可消化率高的優點，但它本身還伴隨著影響產量和抗蟲性差的缺點。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重要研究方向，一方面，要加大將褐色中脈性狀導入到不同的遺傳背景，弄清遺傳背景對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、產草量高、抗旱能力強等優點[22]。由于高丹草較飼用高粱的產量高很多，因此可以有效地抵消褐色中脈對于產量的不利影響。隨著褐色中脈基因的克隆，利用反義遺傳學手段來提高飼草品質也越來越引起研究者的重視。