高粱褐色中脉的研究进展

李海燕，武棒棒，侯雅静

（1.山西省农业科学院小麦研究所，山西临汾041000；2.山西省农业科学院作物科学研究所，山西太原030031）

高粱（Sorghum bicolor）具有抗旱、耐涝、耐盐碱和适应性强等特性，其作为重要的粮食和饲料作物在世界各国广为栽培[1]。褐色中脉（brown midrib，bmr）突变体表现为叶脉和茎秆木质部呈现棕灰或棕褐色[2]，一般在植株生长到4～6 叶时在叶脉上可见，植株完全成熟后仅在茎秆木质部可见。研究表明，叶片中脉的颜色与木质素的含量和组成有着密切的关系[3]，而总木质素含量和木质素单体的组成比例对细胞壁的可消化性影响较大[4]。因此，一般认为，褐色中脉的颜色越深，其饲用品质越好。

与传统的白色中脉品种相比，褐色中脉中可消化的纤维素和半纤维素含量高，难以消化的木质素含量低，使得消化率大幅度提高，适口性好，这在普遍消化率不高的暖季型牧草中意义重大[5]。目前，我国对高粱褐色中脉的研究较少。

本文对高粱褐色中脉的研究进展进行了综述，并对其在饲草中的应用进行了展望，以期为研究者提供一定的参考。

1 高粱褐色中脉的类型及其遗传特性

1924 年，褐色中脉突变体首先在玉米中被发现，玉米的褐色中脉突变体有4 种类型，即bm1、bm2、bm3 和bm4[2]。这4 种类型都是受单个隐性核基因控制，并分别被定位在5，1，4，9 号染色体上[6]。1978 年，PORTER 等[6]利用化学诱变褐色中脉突变体并经田间鉴定发现，bmr6、bmr12 和bmr18 具有较高的利用价值。后来，BITTINGER 等[7]进行等位测验发现，bmr12 和bmr18 为等位基因，而bmr6 和bmr12 则位于不同的染色体上。2003 年，BOUT 等[8]确认bmr12 和bmr18 为等位基因，但是这2 种类型为同一基因的不同突变体。

2008 年SABALLOS 等[9]对于19 个褐色中脉高粱进行了等位分析，其中包括PORTER 等[6]用化学诱变剂诱变的19 个褐色中脉里的11 个、4 个褐色中脉高粱的自然突变体以及来源于褐色中脉群体中的4 个高粱褐色中脉材料，结果表明，这19 种类型可以分为4 大类（表1），并把这些材料重新分类后发现，可以通过组织染色的方法将这几大类进行区分，从上到下分别从白色到酒红色；同时研究也认为，bmr6 和bmr12 类群比另外2 个类群具有更高的消化率。

表1 SABALLOS 等对19 个bmr 的重新划分

由于bmr6、bmr12 和bmr18 这3 种类型都是单位点的隐性突变，因此，可以通过回交的方法将褐色中脉性状导入到其他品种中。OLIVER 等[10]通过回交的方法将bmr6 和bmr12 基因导入到了4 个高粱品种中，以便比较在不同遗传背景下，bmr6 和bmr12 基因对产量和品质的影响，结果表明，褐色中脉一般对农艺性状有负面影响，但在不同的遗传背景下表现不一致：bmr6 基因一般使株高变矮并且具有较低的干物质产量，但不能减少酸性洗涤木质素的含量；而bmr12 基因则减少了酸性洗涤木质素的含量，籽粒成熟时间变晚，且干物质产量也降低；当然，这2 个基因都会使中性木质素的消化率增加；综合考虑农艺和品质性状，bmr12 基因要优于bmr6 基因，因为它对农艺性状的负面影响相对较少，但具有更高的消化率。

而CASLER 等[5]将bmr6 基因导入到苏丹草中的研究则表明，褐色中脉基因对饲草产量也具有负面影响，其除了会降低饲草刈割的产量，而且会抑制刈割后的再生长；相比于正常品系，褐色中脉品系饲草产量要降低15%。综上来看，相比于褐色中脉带来的高消化率，它对农艺性状的负面影响也较大，尤其是饲草产量。因此，单纯地将褐色中脉基因导入到某些品种虽然能提高其消化率，但往往都得不偿失。对于育种来讲，更要考虑利用杂种优势来抵消负面影响，如利用高粱与苏丹草杂交的强大杂种优势。

2 高粱褐色中脉的饲喂研究进展

自愿采食是动物的典型表明，饲草的细胞壁浓度和结构影响饲草的品质和动物的采食量。OBA等[11]对玉米青贮饲料的研究表明，中性洗涤纤维体内或体外的消化率每提高1%，奶牛采食量可增加0.17 kg，牛奶产量可增加0.25 kg。目前的大量研究表明，褐色中脉高粱的木质素含量降低，在饲喂效果上明显优于普通高粱，而且动物喜食褐色中脉高粱。GRANT 等[12]用褐色中脉高粱和苜蓿、玉米以及普通高粱饲料做饲喂泌乳中期奶牛试验，试验中尽管褐色中脉高粱和苜蓿、玉米饲料的产奶量相同，但褐色中脉高粱饲料的基础代谢率低于玉米，但比普通高粱的产奶量要高。OLIVER 等[13]研究也表明，用褐色中脉高粱饲喂奶牛明显优于普通高粱，奶牛的产奶量与饲喂玉米相同。

3 高粱褐色中脉的生化和分子生物学研究进展

木质素是生物界最丰富和最复杂的聚合物，其合成途径还没有完全阐述清楚。一般认为，木质素是由肉桂酸通过羟基化和甲氧化交联聚合而成。木质素的生物合成主要分为2 步：第1 步是木质素结构单元的合成；第2 步为木质素单元通过脱氢聚合合成高分子化合物[14]。一般认为，高等植物的木质素主要可以分为3 类，即对- 羟苯基木质素（H- 木质素）、愈创木基木质素（G- 木质素）和紫丁香基木质素（S- 木质素）。其中，H- 木质素来源于松柏醇，G- 木质素来源于芥子醇，而S- 木质素来源于对羟基香豆醇。在饲草中还有大量的香豆酸、阿魏酸也通过酯合反应交联到木质素中[15]。

褐色中脉性状发现很早，但其生化和分子机理的理论研究起步较晚。其中，褐色中脉玉米bm1、bm2、bm3 和bm4 不仅在遗传上研究得比较透彻，而且在木质素的含量、阿魏酸和酯醚化阿魏酸代谢途径的生化特殊性等方面的研究也很深入。VIGNOLS 等[16]克隆了第1 个玉米褐色中脉基因bm3，即编码咖啡酸-3-O- 甲基转移酶的基因（COMT）。玉米bm3 主要是咖啡酸-3-O- 甲基转移酶（COMT）活性的严重丧失，其原因是COMT 基因插入了一个B5 元件，使该基因完全失活。COMT 基因主要涉及到S- 木质素的合成。但是令人困惑的是，即使是COMT 基因完全失活的bm3 中，S- 木质素虽然量很少，但并不是没有。可见，S- 木质素可能有2 种不同合成途径，只是COMT 酶合成途径是主要途径。HALPIN 等[17]利用同样的方法克隆了玉米褐色中脉基因bm1，即编码肉桂醇脱氢酶（CAD）基因，使得茎秆木质部CAD 活性丧失。CAD 基因与3 种木质素基元的合成无关，它主要是对基元木质素进行甲氧化连接。因此，bm1 的消化率高主要是由基元木质素的连接不正常造成的。

AKIN 等[18]对高粱bmr12 及其野生型的细胞壁组成进行了分析，结果表明，与它的野生型相比，bmr12 细胞壁中的香豆酸含量减少，而且二甲氧基苯酚的残留物也大为减少。SUZUKI 等[19]用气相色谱对bmr12 和bmr18 的细胞壁进行了分析发现，bmr12 和bmr18 的细胞壁分成变化与玉米bm3 相似。在此基础上，BOUT 等[8]用候选基因克隆法首次克隆了bmr 基因，结果表明，bmr12、bmr18 和bmr26都为编码COMT 的等位基因上出现点突变而使COMT 基因失活。而对于高粱bmr6，其P 组织中CAD 酶活性都比野生型低并且具有更高的肉桂醛含量[9，20]。在此研究基础上，SABALLOS 等[21]克隆了bmr6 基因，即CAD2 基因。在高粱基因组中存在14 个类似CAD 基因，在比较分析的基础上证实，CAD2 基因为褐色中脉的相应基因。在bmr6 中，CAD 基因提前出现了一个终止子而不能正常合成CAD，因此，bmr6 是由于CAD2 基因失活引起。综上来看，对高粱褐色中脉基因的研究不仅有利于提高饲草的品质性状，对于细胞壁中的木质素合成途径也具有重要的意义。

4 展望

近年来，虽然我国的畜牧业得到了巨大的发展，但是高产、优质饲草品种的缺乏严重制约了我国畜牧业的发展。目前，我国虽然也育成了一些高产的饲草品种，如皖草2 号、晋草1 号等，但暖季型饲草消化率低的问题一直没有得到很好的解决。褐色中脉高粱具有木质素含量低、可消化率高的优点，但它本身还伴随着影响产量和抗虫性差的缺点。因此，如何有效地利用褐色中脉性状，成为今后饲用高粱的一个重要研究方向，一方面，要加大将褐色中脉性状导入到不同的遗传背景，弄清遗传背景对于消除褐色中脉不利性状的影响；另一方面，也要加大具有褐色中脉性状的高丹草品种的选育。高丹草是高粱（Sorghum bicolor）与苏丹草（Sorghum sudanense）的杂交种，具有再生性好、产草量高、抗旱能力强等优点[22]。由于高丹草较饲用高粱的产量高很多，因此可以有效地抵消褐色中脉对于产量的不利影响。随着褐色中脉基因的克隆，利用反义遗传学手段来提高饲草品质也越来越引起研究者的重视。