韓云華，王顯國，呼天明，薛建國

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院草業(yè)科學(xué)系，陜西 楊凌 712100； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)草地研究所，北京 100193)

褐色中脈(Brown midrib)突變體最早出現(xiàn)在玉米(Zeamays)中[1]，可引起葉片中脈和莖髓褐色色素沉著，除此之外其莖稈和根還會逐漸呈現(xiàn)紅褐色至黃色，普遍認(rèn)為這種突變品系與木質(zhì)素含量降低相關(guān)。高粱(Sorghumbicolor)中褐色中脈突變體人工誘導(dǎo)成功于1978年[2]，現(xiàn)已鑒定出bmr2、bmr6、bmr12和bmr19四個(gè)獨(dú)立基因位點(diǎn)[3]，由于bmr19基因位點(diǎn)在2008年才得到鑒定，故現(xiàn)有研究大多集中于bmr6、bmr12兩個(gè)基因位點(diǎn)中，其中bmr12基因位點(diǎn)包括兩個(gè)等位基因，bmr12和bmr18[4]。

褐色中脈高粱的出現(xiàn)為畜牧業(yè)開辟了新的飼料資源，但其較高的飼用價(jià)值犧牲了優(yōu)良的農(nóng)藝性狀。近年來，科技工作者一直著力于研究和改良bmr高粱農(nóng)藝性狀，新的bmr雜交品種相繼出現(xiàn)[5-9]。同時(shí)，對bmr高粱與其他飼料作物如苜蓿(Medicagosativa)、青貯玉米的飼喂性能比較也有研究，這些研究為bmr高粱在畜牧業(yè)中的應(yīng)用提供了可靠的理論支持。

1 牧草品質(zhì)和植株反應(yīng)

bmr6和bmr12基因可分別降低肉桂醇脫氫酶(CAD)[10-12]和咖啡-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(COMT)[13]活性，這兩種酶作用于木質(zhì)素生物合成最后兩步，導(dǎo)致木質(zhì)素合成量減少。這種情況的直接結(jié)果就是農(nóng)藝性狀的下降。

1.1木質(zhì)素和總纖維含量 bmr突變品系出現(xiàn)以來，以其較低的木質(zhì)素含量得到人們的廣泛重視。bmr6、bmr12、bmr18均能顯著降低木質(zhì)素含量[2,14-16]。bmr12對木質(zhì)素降低效果大于bmr6，降幅可達(dá)14 g·kg-1(表1)，bmr18對木質(zhì)素降低效果變化較大，有報(bào)道稱bmr18效果小于bmr6[17]，也有報(bào)道稱bmr18效果大于bmr6[2]。

bmr基因?qū)δ举|(zhì)素的影響為基因效果，與遺傳背景無關(guān)[18]，在粒型高粱和高丹草(Z.mays×Sorghumsudanense)兩種遺傳背景下，bmr6基因均能發(fā)揮作用，木質(zhì)素含量從野生型的10.3降至8.5 g·kg-1，其中莖稈中木質(zhì)素含量從8.3%降至6.1%[19]。

兩個(gè)位點(diǎn)bmr基因?qū)δ举|(zhì)素降低的作用有累加效應(yīng)，雙bmr突變品種，即bmr6與bmr12均發(fā)生突變的植株中木質(zhì)素含量比單一bmr6或bmr12突變低。

由于品系與基因的互作效應(yīng)顯著，bmr高粱中中性洗滌纖維(NDF)變化受遺傳背景影響較大，有報(bào)道稱[15,20-21]，bmr12突變品系中NDF含量與野生型相當(dāng)，還有研究表明，由于bmr6突變品系中纖維素和酸性洗滌木質(zhì)素(ADL)降低，導(dǎo)致其NDF含量下降[22-24]，其中bmr高粱與蘇丹草(S.sudanense)雜交后NDF降幅可達(dá)24 g·kg-1。

1.2植株反應(yīng)bmr基因?qū)χ仓贽r(nóng)藝性狀有負(fù)效應(yīng)(表2)，這些負(fù)效應(yīng)包括降低株高、增加倒伏、生育期延長、整株干物質(zhì)含量降低等。通過用具有優(yōu)良性狀的粒用高粱作輪回親本，與bmr雜交體回交可有效改良這些基因缺陷。

表1 高粱bmr突變品種中酸性洗滌木質(zhì)素和中性洗滌纖維差異[17,25]Table 1 Difference of acid detergent fiber (ADF) and acid detergent lignin (ADL) in bmr sorghum mutants[17,25]

1.2.1株高、分蘗數(shù)和收獲后再生速率 目前普遍認(rèn)為bmr6基因能降低植株株高，而bmr12對株高的影響不大。bmr6突變品系比bmr12及野生型矮9%[18]。bmr6與bmr12雙突變品系株高與野生型相似，這可能是bmr12對bmr6的補(bǔ)償結(jié)果(表3)。甚至有研究表明，bmr12雜交體株高高于野生型[18]。

Casler等[26]發(fā)現(xiàn)bmr6品種Piper對環(huán)境變化敏感，與Arlington相比，在Wisconsin州和Nebraska州兩地分蘗數(shù)均下降67%，導(dǎo)致地面覆蓋率降低，并推測分蘗和株高下降可能是導(dǎo)致產(chǎn)量和干物質(zhì)降低的原因之一。

bmr6對收獲后植株的二次生長影響顯著，Casler等[26]對比了3個(gè)bmr6突變品系及其野生型收獲后的生長情況，發(fā)現(xiàn)3個(gè)bmr突變品系二次生長株高均低于野生型，其中Greenleaf突變品系收獲后二次生長株高下降5.3%～19.7%。

1.2.2生育期 bmr突變品系一般比野生型生育期長，與野生型相比具有開花晚、成熟晚等特征[7]。Oliver等[18]通過對7個(gè)遺傳背景的突變品系研究得出，在試驗(yàn)的所有遺傳背景中，bmr12均比野生型品種晚熟，bmr12突變品系成熟期比野生型平均晚4 d，比bmr6突變品系晚3 d。

與單突變品系相比，bmr6+bmr12雙突變品系對生育期影響與bmr12相當(dāng)，50%開花時(shí)間與bmr12相近，但都比野生型晚3～4 d(表3)。也有報(bào)道稱，bmr12基因會縮短生育期，Pedersden等[5]2006年登記的bmr12+bmr12雙突變雜交品種“Atlas bmr-12”比野生型“Atlas”早熟4 d。

表2 bmr6、bmr12和bmr18突變品種木質(zhì)素降低的負(fù)效應(yīng)[27]Table 2 Negative effect of reducing lignin caused by bmr gene on plant fitness

表3 bmr基因?qū)Ω吡恢仓晷誀畹挠绊慬6,25]Table 3 Effects of bmr gene on agronomic performance of Sorghum[6,25]

1.2.3種子產(chǎn)量及生物量 種子產(chǎn)量是衡量作物品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，bmr基因降低了木質(zhì)素含量，同時(shí)也導(dǎo)致種子產(chǎn)量下降。研究表明[18]，bmr6突變品系比野生型品系籽粒產(chǎn)量降低20%，bmr12突變品系比野生型品系降低24%；將粒用高粱與bmr6突變品系再次雜交的F2代和野生型比較，發(fā)現(xiàn)雜交體籽粒產(chǎn)量與野生型相比降低11%，比bmr6突變品系產(chǎn)量下降幅度(24%)有所減小，而bmr12突變品系與粒用高粱再次雜交F2代種子產(chǎn)量已接近野生型。說明通過利用適當(dāng)?shù)牧Ｓ酶吡黄贩N與bmr突變品系回交，使粒用高粱優(yōu)秀農(nóng)藝性狀在后代雜交體中體現(xiàn)，可能克服bmr基因?qū)е碌淖蚜．a(chǎn)量下降缺陷。

由于株高降低，分蘗減少，與野生高粱相比，bmr顯著降低生物量(表3)。Casler等[26]發(fā)現(xiàn)，bmr6高粱蘇丹草3個(gè)突變品種Greenleaf、FG和Piper的產(chǎn)量均出現(xiàn)不同程度下降，其中Piper草產(chǎn)量降低幅度約為30%。也有報(bào)道稱bmr12高粱秸稈產(chǎn)量高于野生型，Oliver等[18]報(bào)道，種子收獲后，bmr12秸稈產(chǎn)量(6 503 kg·hm-2)顯著高于野生型(5 883 kg·hm-2)，也顯著高于bmr6(5 284 kg·hm-2)，bmr雙突變后生物量顯著低于bmr6或bmr12突變品系，可能是bmr雙突變中兩個(gè)基因累加效應(yīng)所致(表3)。

1.2.4抗倒伏性能 木質(zhì)素降低直接導(dǎo)致植株機(jī)械維持性能下降，可能會導(dǎo)致植株抗倒伏性能下降。玉米中bmr基因?qū)е虑o稈抗碎強(qiáng)度降低17%～26%[28]，但莖稈抗碎強(qiáng)度與倒伏之間的關(guān)系還未見報(bào)道。bmr高粱中關(guān)于倒伏的研究較少，目前僅有Miron等[29]發(fā)現(xiàn)bmr101高粱比商品高粱FS-5宜倒伏，但兩者不是野生型。另一個(gè)試驗(yàn)比較多個(gè)bmr高粱品種與野生型高粱品種發(fā)現(xiàn)，野生型各品種間以及bmr高粱各品種間抗倒伏性能各不相同，bmr飼用高粱倒伏率均值為10.8%，低于野生型倒伏率均值(18.7%)。若選擇10%倒伏率為可接受限度，有6個(gè)bmr品種和12個(gè)野生品種符合要求，但是6個(gè)bmr品種中的3個(gè)遺傳背景相同[30]，某些bmr品種雖然木質(zhì)素含量比野生型含量高，但仍然出現(xiàn)了倒伏情況。bmr與其野生型抗倒伏性能的對比結(jié)果顯示，遺傳背景與抗倒伏性能顯著相關(guān)，而bmr基因的影響不顯著(表4)[15]。

表4 高粱中遺傳背景與bmr基因?qū)Φ狗挠绊慬15]Table 4 Effects of genetic background and bmr gene on sorghum lodging[15] %

1.2.5抗病性 木質(zhì)素構(gòu)成了植物抵御疾病入侵的第一道物理防線[31-32]，在生物和非生物脅迫下細(xì)胞壁迅速積累大量木質(zhì)素或木質(zhì)素酚醛聚合物，由此可抵御病原體侵入或阻滯其生長。木質(zhì)素含量降低，導(dǎo)致植株容易受到病蟲害的侵襲[33-34]。但事實(shí)并非如此，培養(yǎng)基接種及花序梗接種鐮刀菌(Fusarium)和鏈格胞菌(Alternariaspp.)試驗(yàn)表明，bmr雜交高粱對鐮刀菌屬和鏈格胞屬病菌的抗性并未下降，有些甚至高于野生種[35]。在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)unnel和Pedersen[36]研究了不同傷應(yīng)顏色和不同種皮顏色的20個(gè)bmr高粱品種，結(jié)果表明，白色種皮品種與紅色種皮品種對鏈格胞屬和鐮刀屬病菌抗性相同，但是在適當(dāng)環(huán)境條件下，傷應(yīng)顏色為褐色的品種可能比傷應(yīng)顏色為紫色的品種更容易感染鐮刀菌。

據(jù)推斷，由于bmr6降低肉桂醇脫氫酶(CAD)活性，bmr12降低咖啡-O-甲基轉(zhuǎn)移酶(COMT)活性，這兩種酶均作用于木質(zhì)素合成的最后兩步，酶活性改變后，迫使木質(zhì)素合成前體積累，進(jìn)而通過其他途徑轉(zhuǎn)化成水楊酸和其他芳香族植保素，從而增加植株對病原體的抗性[37]。隨著對bmr基因的進(jìn)一步了解以及木質(zhì)素合成生化途徑的完善，bmr基因?qū)τ诘钟∠x害的作用及病原反應(yīng)特性將逐漸清晰。

1.3干物質(zhì)含量和體外消化速率 bmr突變品系干物質(zhì)產(chǎn)量低于玉米[38]，Oliver等[18]研究表明，bmr基因?qū)Ω晌镔|(zhì)含量影響效果不同，bmr6普遍降低干物質(zhì)含量，而bmr12和bmr18的效果可能隨著遺傳背景改變而有所變化；種子收獲后，bmr12突變品系秸稈中干物質(zhì)含量最高，比野生型高11%，bmr6最低，比野生型低10%。殘茬中干物質(zhì)含量與遺傳背景有關(guān)，不同品系表現(xiàn)不一樣，RTx430品系不管是bmr6還是bmr12突變，秸稈中干物質(zhì)含量均比野生型低，而在Wheatland、Tx623和Tx631中，bmr12突變品系中干物質(zhì)含量與野生型相當(dāng)，而bmr6突變品系干物質(zhì)含量低于野生型。bmr18對干物質(zhì)含量影響不大，每公頃比野生型高粱低900 kg，而bmr6每公頃比野生型低4 900 kg[17]。

木質(zhì)素是阻止植物體中中性洗滌纖維消化的主要成分，bmr基因降低木質(zhì)素含量，可顯著提高中性洗滌纖維體外消化率(IVNDFD)，且不受遺傳背景[19]和生長環(huán)境[15]影響。種子收獲后，bmr6秸稈中IVNDFD比野生型提高4%，bmr12比野生型提高10%[18]，bmr12的莖、葉消化率可分別提高7.2%和5.6%[39]。bmr雙突變品系與bmr12單突變品系對IVNDMD的提高幅度相當(dāng)，比bmr6單突變品系提高7%[40]。

2 飼用價(jià)值評價(jià)

bmr高梁飼喂研究主要集中在采食量、活體消化率、奶?；顒?、產(chǎn)奶量及奶品質(zhì)方面，現(xiàn)普遍認(rèn)為，bmr高粱能增加奶牛干物質(zhì)攝取量，提高產(chǎn)奶量，具有較高飼用價(jià)值。同時(shí)，也有研究涉及到bmr高粱在羊的養(yǎng)殖中的飼用價(jià)值評價(jià)。

2.1采食量 bmr高粱能顯著增加奶牛采食量和干物質(zhì)攝入量。Lusk等[41]報(bào)道，小乳牛和產(chǎn)奶乳牛對bmr12高粱的采食量均大于傳統(tǒng)高粱。飼喂bmr高粱的奶牛干物質(zhì)攝入量為25.3 kg·d-1，顯著高于傳統(tǒng)高粱的20.4 kg·d-1，甚至高于青貯玉米(19.6 kg·d-1)和苜蓿(23.1 kg·d-1)。也有研究表明，以代謝體質(zhì)量百分比表示時(shí)，飼喂青貯玉米干物質(zhì)攝入量(DMI)最大，飼喂bmr高粱和苜蓿次之，飼喂傳統(tǒng)高粱最低[21]。上述研究中，bmr高粱和青貯玉米、苜蓿的干物質(zhì)攝入量變化規(guī)律不一樣，這可能與選擇的bmr高粱品種遺傳背景有關(guān)，但均證實(shí)，bmr高粱干物質(zhì)攝入量均大于傳統(tǒng)高粱。

關(guān)于NDF采食量的研究表明，奶牛對NDF的采食量bmr高粱與傳統(tǒng)高粱相近。通過進(jìn)一步比較奶牛對bmr6與bmr18兩個(gè)突變品系的NDF攝入量，Oliver等[17]發(fā)現(xiàn)，奶牛NDF采食量bmr18與野生型相當(dāng)，均比bmr6突變品系大。但飼喂bmr高粱奶牛對木質(zhì)素的攝入量比傳統(tǒng)高粱低15%[22]。

2.2活體消化率 與傳統(tǒng)高粱相比，bmr高粱中含有大量可消化中性洗滌纖維，這些中性洗滌纖維可在瘤胃中分解，被動物消化，進(jìn)而顯著提高中性洗滌纖維消化率[17,22,42]。bmr6突變品系中性洗滌纖維消化率為54.4%，bmr18為47.9%，傳統(tǒng)高粱最低，為40.8%[17]。羊的飼喂試驗(yàn)也證實(shí)，bmr高粱品種BMR-101的中性洗滌纖維消化率明顯高于商用高粱品種FS-5[43]。

奶牛對bmr12高粱干物質(zhì)消化率比傳統(tǒng)高粱高12.9%[41]。bmr6與bmr18的干物質(zhì)消化率分別為62.9%和69.1%，均高于傳統(tǒng)高粱的52.5%[17]。bmr高粱品種BMR-101和商用高粱品種FS-5青貯料飼喂羊后，干物質(zhì)表觀消化率相差不大，但是該試驗(yàn)中BMR-101與商用品種FS-5不是野生型[43]。

2.3對奶牛進(jìn)食活動的影響 青貯玉米與bmr高粱對奶牛采食時(shí)間無明顯差異[29],說明奶牛對bmr青貯料喜食程度與野生高粱無區(qū)別。雖然bmr基因?qū)е嘛暳掀焚|(zhì)有所變化，但采食bmr高粱對奶牛進(jìn)食和瘤胃活動無影響，這可能與日糧中飼草比例有關(guān)。有報(bào)道稱，日糧中飼草含量大于50%時(shí)，其NDF含量對奶牛進(jìn)食活動影響不大[44]。

在bmr6、bmr18和野生型青貯料飼喂奶牛對比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采食野生型高粱青貯料和bmr18突變品系青貯料的奶牛采食時(shí)間最長，采食bmr6青貯料的奶牛反芻時(shí)間最長，但是飼料種類未對奶?？偟倪M(jìn)食活動產(chǎn)生影響[17]。

2.4產(chǎn)奶量及奶品質(zhì) 傳統(tǒng)高粱中木質(zhì)素含量較高，且難以被消化，動物攝取大量高粱后，木質(zhì)素增加了消化道填充率，降低了干物質(zhì)攝入量，導(dǎo)致產(chǎn)奶量下降。bmr高粱中木質(zhì)素含量低于傳統(tǒng)高粱，飼喂bmr高粱奶牛對木質(zhì)素?cái)z入減少15%，產(chǎn)奶量比傳統(tǒng)高粱高23%[23]。

飼喂bmr6奶牛產(chǎn)奶性能優(yōu)于飼喂bmr18。bmr6突變品系較低的木質(zhì)素含量使奶牛產(chǎn)奶性能優(yōu)于飼喂bmr18突變品系，飼喂bmr6突變品系與青貯玉米奶牛產(chǎn)奶量相當(dāng)，分別為33.7和33.3 kg·d-1，bmr18居中，為31.2 kg·d-1，傳統(tǒng)高粱最低，為29.1 kg·d-1[17]。

標(biāo)準(zhǔn)乳產(chǎn)量飼喂bmr高粱高于飼喂普通高粱。飼喂bmr高粱的奶牛產(chǎn)奶量和4%標(biāo)準(zhǔn)乳產(chǎn)量比飼喂普通高粱的奶牛高13%[20]。在一些木質(zhì)素含量低至與青貯玉米相當(dāng)?shù)腷mr高粱品種中，飼喂bmr高粱的奶牛產(chǎn)奶量和4%標(biāo)準(zhǔn)乳產(chǎn)量與青貯玉米和苜蓿相當(dāng)[22,41]。長期飼喂bmr高粱后，奶牛產(chǎn)奶量與青貯玉米相當(dāng)[21]，且bmr高粱抗旱性優(yōu)于玉米，在干旱半干旱地區(qū)bmr高粱有望取代青貯玉米加入奶牛飼料。

早期飼喂試驗(yàn)可能是選擇了bmr12或bmr18的原因，飼喂bmr高粱后，牛奶中乳脂含量與飼喂普通高粱無區(qū)別，但由于產(chǎn)奶量提高，乳脂總量高[21]。后經(jīng)進(jìn)一步對比試驗(yàn)得出(表5)，飼喂bmr18或bmr12高粱對牛奶中乳脂含量影響不大，而bmr6能將乳脂率從3.57%提高到3.89%[17,41]，已接近青貯玉米。

表5 褐色中脈bmr基因?qū)η噘A料營養(yǎng)價(jià)值和產(chǎn)奶性能的影響[17]Table 5 Effects of bmr gene on silage feeding value and milk production[17]

飼喂bmr高粱、傳統(tǒng)高粱和青貯玉米三者相比，牛奶中乳蛋白含量相當(dāng)[21-22]。進(jìn)一步對比試驗(yàn)表明，bmr6和bmr18飼喂奶牛后，乳蛋白含量相差不大[17]。bmr高粱對牛奶中乳糖含量影響不大，也有研究發(fā)現(xiàn)bmr高粱飼喂奶牛后，乳糖含量較高(4.86%)，且顯著高于傳統(tǒng)高粱(4.72%)[22]。

3 結(jié)論與展望

綜合研究，bmr12和bmr18在農(nóng)藝性狀方面優(yōu)于bmr6基因，某些性狀已接近甚至超過野生型，而bmr6在飼喂效果方面優(yōu)于bmr12和bmr18基因，某些bmr6品種產(chǎn)奶量與奶品質(zhì)已與青貯玉米相當(dāng)。近年來，bmr6與bmr12雙突變品系的出現(xiàn)，可能會在農(nóng)藝性狀與飼用價(jià)值之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

國外目前研究重點(diǎn)已經(jīng)由bmr導(dǎo)致木質(zhì)素降低的表觀效應(yīng)研究轉(zhuǎn)移至一系列多樣化功能基因的鑒定工作中[3,45-46]，而國內(nèi)對于bmr突變品系的相關(guān)研究還未見報(bào)道。未來bmr高粱的研究可集中在抗倒伏性能、抗病蟲害機(jī)理的研究[46]。bmr高粱應(yīng)用方面，國外已出現(xiàn)bmr高粱在生物能源中的應(yīng)用[46-50]，并表現(xiàn)出良好的前景。有報(bào)道稱，與野生型相比，稀酸處理后bmr6、bmr12和bmr6+bmr12雙突變葡萄糖產(chǎn)量分別提高27%、23%和34%，乙醇產(chǎn)量分別增加22%、21%和43%[47]。

近年來，我國畜牧業(yè)迅速發(fā)展，而優(yōu)質(zhì)飼草資源短缺，據(jù)預(yù)測國內(nèi)優(yōu)質(zhì)草產(chǎn)品市場容量約為1 000萬t，而每年我國供應(yīng)苜蓿能力約為20萬t[51]，供需矛盾嚴(yán)重。高粱具有高生物量、水肥利用效率高、耐貧瘠、對生物和非生物脅迫抗性強(qiáng)等特性，種植高粱可有效利用鹽堿地和灘涂等土地，增加飼草種植面積。合理利用bmr突變品系特性與傳統(tǒng)粒用高粱雜交培育農(nóng)藝性狀和飼用價(jià)值優(yōu)良的品種，將使bmr高粱在飼料資源開發(fā)中發(fā)揮巨大的作用。

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