能源植物甜高粱種質(zhì)資源和分子生物學(xué)研究進(jìn)展課件

能源植物甜高粱種質(zhì)資源和分子生物學(xué)研究進(jìn)展

世界能源危機(jī)和全球生態(tài)環(huán)境日益惡化迫使人們急需開發(fā)可再生能源。生物質(zhì)能源作為一種清潔的可再生能源已受到世界各國的高度重視。發(fā)展生物質(zhì)能源的瓶頸之一是生物質(zhì)原料不足。甜高粱的生物學(xué)產(chǎn)量和含糖量極高,同時(shí)兼有耐旱、耐澇、耐貧瘠和耐鹽堿等諸多優(yōu)良特性,被認(rèn)為是最具開發(fā)潛力的能源植物之一。甜高粱，也叫“二代甘蔗”。因?yàn)樗线呴L糧食，下邊長甘蔗，所以又叫“雅津高粱甘蔗”。雅津甜高粱它株高5米，最粗的莖稈直徑為4厘米－5厘米，莖稈含糖量很高，因而甘甜可口，可與南方甘蔗媲美。甜高粱可以生食、制糖、制酒，也可以加工成優(yōu)質(zhì)飼料。畝產(chǎn)甘蔗2萬公斤，產(chǎn)籽種450公斤。它上邊長糧食，下邊長甘蔗，葉子可作飼草喂牲口，高粱穗脫粒以后所剩的苗子還可以制作笤帚、掃帚、炊帚。甜高粱的分類學(xué)地位栽培甜高粱隸屬于禾本科(Poaceae)高粱族(Andropogoneae)高粱屬(Sorghum)甜高粱(Sorghumbicolor(Linn.)Moench)種下的一個(gè)亞種,拉丁名為Sorghumbicolor(Linn.)Moenchsubsp.bicolor,英文名為sorghum。歷史上,分類學(xué)家對(duì)甜高粱有各種各樣的分類學(xué)處理，當(dāng)前分類學(xué)家一般接受高粱屬(Sorghum)包括5個(gè)亞屬或組的處理,即該屬屬下分Sorghum、Chaetosorghum、Heterosorghum、Parasorghum和Stiposorghum5個(gè)組。其中Sorghum組包括人工馴化的高粱及其野生親緣種。該組通常被劃分為2個(gè)類群,即Halapensia復(fù)合體和Arundinacea復(fù)合體。甜高粱作為能源植物的特點(diǎn)生物學(xué)產(chǎn)量極高：甜高粱生長快,產(chǎn)量高。株高2-5m,每公頃能收獲種子2250-4500kg,它的莖稈富含糖分,糖度在16%-22%,一般每公頃產(chǎn)糖量為75t,高產(chǎn)記錄為160t.hm-2可轉(zhuǎn)化乙醇達(dá)6106L?？鼓嫘詮?qiáng)且適應(yīng)性廣：甜高粱具有抗旱、耐澇、耐鹽堿、耐瘠薄、耐高溫和耐干熱風(fēng)等特點(diǎn)。用途廣泛且產(chǎn)品多：甜高粱可用于生產(chǎn)糖漿、糧食、乙醇、飼料以及造紙等,在不同區(qū)域和不同條件下可以生產(chǎn)多種產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)甜高粱原料的多級(jí)利用。甜高粱的引種與種質(zhì)資源評(píng)價(jià)目前,我國甜高粱種質(zhì)資源共有374份,其中地方品種259份,國外引進(jìn)品種115份。研究結(jié)果表明,短期水分脅迫對(duì)甜高粱產(chǎn)量的影響主要與其生長期有關(guān)。在逐漸缺水條件下,與玉米、普通高粱和其它C4作物相比,甜高粱表現(xiàn)出較高的冠層水分利用效率(單位蒸騰耗水量的光合作用量或生長量)。鉛脅迫對(duì)甜高粱種子活力有影響,隨著鉛濃度增加,種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、根長和芽長等生長量均呈下降趨勢(shì)。(對(duì)植物產(chǎn)生傷害的環(huán)境稱為逆境，又稱為脅迫)土壤中的水分和鹽分對(duì)甜高粱的出土?xí)r間、出苗率和株高均有很大影響。不同光照時(shí)間對(duì)甜高粱葉片數(shù)、株高、莖粗、抽穗期和花序分枝數(shù)均有影響,但對(duì)分檗數(shù)沒有影響。(分蘗：禾本科等植物在地面以下或近地面處所發(fā)生的分枝)甜高粱功能基因編碼的蛋白質(zhì)資源甜菜堿是一種季胺型水溶性生物堿,是多種高等植物體內(nèi)一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。在植物中甜菜堿由膽堿經(jīng)兩步酶促反應(yīng)合成,甜菜堿醛脫氫酶(betainealdehydedehydrogenase,BADH)是促進(jìn)甜菜堿合成的最后一步關(guān)鍵酶,高粱BADH基因的克隆為研究高粱的抗旱機(jī)制和提高抗旱性奠定了基礎(chǔ)。多藥和有毒化合物排出家族(multidrugandtoxiccompoundextrusion,MATE)是一個(gè)新的次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族,此類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)氨基葡糖、陽離子染料、多種抗生素和藥物有轉(zhuǎn)運(yùn)作用。高粱MATE家族的一個(gè)基因已被克隆,并且發(fā)現(xiàn)其對(duì)鋁脅迫有抗性。高粱被認(rèn)為是最易發(fā)生化感作用的作物之一?；形镔|(zhì)(allelochemical)是生物體內(nèi)產(chǎn)生的非營養(yǎng)性物質(zhì),能夠影響其它植物的生長、健康、行為或群體關(guān)系,化感物質(zhì)是化感作用的媒介。問題目前,甜高粱作為能源植物的基礎(chǔ)研究還存在諸多問題：(1)缺乏甜高粱種質(zhì)資源評(píng)價(jià)系統(tǒng),特別是對(duì)遺傳多樣性、能源相關(guān)性狀和抗逆性等重要性狀應(yīng)開展系統(tǒng)評(píng)價(jià),豐富的分子標(biāo)記和基因組信息將加速這方面的研究速度。(2)對(duì)主要能源性狀——甜高粱高效利用光能的機(jī)理、秸稈光合產(chǎn)物的來源、運(yùn)輸形式、糖分積累及其調(diào)控規(guī)律的研究不夠深入。(3)甜高粱基因組測(cè)序雖已取得重大進(jìn)展,但大批基因的功能需要解析,需要加強(qiáng)甜高粱的分子遺傳學(xué)和組學(xué)研究。研究進(jìn)展甜高粱作為生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的原料還有許多技術(shù)難題亟待突破。例如:(1)缺乏適應(yīng)性廣、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和多抗的超能雜交種,未來育種的方向是著力挖掘控制重要性狀的主效基因以及相關(guān)功能基因;發(fā)展應(yīng)用分子標(biāo)記、基因工程及分子設(shè)計(jì)等新元件和新技術(shù),并與常規(guī)育種有機(jī)結(jié)合,加速新種質(zhì)和品種的培育;(2)研發(fā)荒地和鹽堿地等邊際性土地種植甜高粱的集成型栽培技術(shù),并評(píng)估其對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的安全性和持續(xù)性的影響;(3)研究大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)甜高粱莖稈的采收、儲(chǔ)藏和糖分壓榨等技術(shù)問題。總之,甜高粱作為能源植物具有種質(zhì)資源的優(yōu)勢(shì)。目前亟待解決從種質(zhì)資源發(fā)掘基因資源,再從基因資源設(shè)計(jì)和開發(fā)出產(chǎn)業(yè)需要的超能產(chǎn)品以及配套的利用