褐色中脉(bmr)高粱农艺性状与饲用价值

韩云华，王显国，呼天明，薛建国

(1.西北农林科技大学动物科技学院草业科学系，陕西 杨凌 712100； 2.中国农业大学草地研究所，北京 100193)

褐色中脉(Brown midrib)突变体最早出现在玉米(Zeamays)中[1]，可引起叶片中脉和茎髓褐色色素沉着，除此之外其茎秆和根还会逐渐呈现红褐色至黄色，普遍认为这种突变品系与木质素含量降低相关。高粱(Sorghumbicolor)中褐色中脉突变体人工诱导成功于1978年[2]，现已鉴定出bmr2、bmr6、bmr12和bmr19四个独立基因位点[3]，由于bmr19基因位点在2008年才得到鉴定，故现有研究大多集中于bmr6、bmr12两个基因位点中，其中bmr12基因位点包括两个等位基因，bmr12和bmr18[4]。

褐色中脉高粱的出现为畜牧业开辟了新的饲料资源，但其较高的饲用价值牺牲了优良的农艺性状。近年来，科技工作者一直着力于研究和改良bmr高粱农艺性状，新的bmr杂交品种相继出现[5-9]。同时，对bmr高粱与其他饲料作物如苜蓿(Medicagosativa)、青贮玉米的饲喂性能比较也有研究，这些研究为bmr高粱在畜牧业中的应用提供了可靠的理论支持。

1 牧草品质和植株反应

bmr6和bmr12基因可分别降低肉桂醇脱氢酶(CAD)[10-12]和咖啡-O-甲基转移酶(COMT)[13]活性，这两种酶作用于木质素生物合成最后两步，导致木质素合成量减少。这种情况的直接结果就是农艺性状的下降。

1.1木质素和总纤维含量 bmr突变品系出现以来，以其较低的木质素含量得到人们的广泛重视。bmr6、bmr12、bmr18均能显著降低木质素含量[2,14-16]。bmr12对木质素降低效果大于bmr6，降幅可达14 g·kg-1(表1)，bmr18对木质素降低效果变化较大，有报道称bmr18效果小于bmr6[17]，也有报道称bmr18效果大于bmr6[2]。

bmr基因对木质素的影响为基因效果，与遗传背景无关[18]，在粒型高粱和高丹草(Z.mays×Sorghumsudanense)两种遗传背景下，bmr6基因均能发挥作用，木质素含量从野生型的10.3降至8.5 g·kg-1，其中茎秆中木质素含量从8.3%降至6.1%[19]。

两个位点bmr基因对木质素降低的作用有累加效应，双bmr突变品种，即bmr6与bmr12均发生突变的植株中木质素含量比单一bmr6或bmr12突变低。

由于品系与基因的互作效应显著，bmr高粱中中性洗涤纤维(NDF)变化受遗传背景影响较大，有报道称[15,20-21]，bmr12突变品系中NDF含量与野生型相当，还有研究表明，由于bmr6突变品系中纤维素和酸性洗涤木质素(ADL)降低，导致其NDF含量下降[22-24]，其中bmr高粱与苏丹草(S.sudanense)杂交后NDF降幅可达24 g·kg-1。

1.2植株反应bmr基因对植株农艺性状有负效应(表2)，这些负效应包括降低株高、增加倒伏、生育期延长、整株干物质含量降低等。通过用具有优良性状的粒用高粱作轮回亲本，与bmr杂交体回交可有效改良这些基因缺陷。

表1 高粱bmr突变品种中酸性洗涤木质素和中性洗涤纤维差异[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、分蘖数和收获后再生速率 目前普遍认为bmr6基因能降低植株株高，而bmr12对株高的影响不大。bmr6突变品系比bmr12及野生型矮9%[18]。bmr6与bmr12双突变品系株高与野生型相似，这可能是bmr12对bmr6的补偿结果(表3)。甚至有研究表明，bmr12杂交体株高高于野生型[18]。

Casler等[26]发现bmr6品种Piper对环境变化敏感，与Arlington相比，在Wisconsin州和Nebraska州两地分蘖数均下降67%，导致地面覆盖率降低，并推测分蘖和株高下降可能是导致产量和干物质降低的原因之一。

bmr6对收获后植株的二次生长影响显著，Casler等[26]对比了3个bmr6突变品系及其野生型收获后的生长情况，发现3个bmr突变品系二次生长株高均低于野生型，其中Greenleaf突变品系收获后二次生长株高下降5.3%～19.7%。

1.2.2生育期 bmr突变品系一般比野生型生育期长，与野生型相比具有开花晚、成熟晚等特征[7]。Oliver等[18]通过对7个遗传背景的突变品系研究得出，在试验的所有遗传背景中，bmr12均比野生型品种晚熟，bmr12突变品系成熟期比野生型平均晚4 d，比bmr6突变品系晚3 d。

与单突变品系相比，bmr6+bmr12双突变品系对生育期影响与bmr12相当，50%开花时间与bmr12相近，但都比野生型晚3～4 d(表3)。也有报道称，bmr12基因会缩短生育期，Pedersden等[5]2006年登记的bmr12+bmr12双突变杂交品种“Atlas bmr-12”比野生型“Atlas”早熟4 d。

表2 bmr6、bmr12和bmr18突变品种木质素降低的负效应[27]Table 2 Negative effect of reducing lignin caused by bmr gene on plant fitness

表3 bmr基因对高粱植株性状的影响[6,25]Table 3 Effects of bmr gene on agronomic performance of Sorghum[6,25]

1.2.3种子产量及生物量 种子产量是衡量作物品质优劣的重要指标，bmr基因降低了木质素含量，同时也导致种子产量下降。研究表明[18]，bmr6突变品系比野生型品系籽粒产量降低20%，bmr12突变品系比野生型品系降低24%；将粒用高粱与bmr6突变品系再次杂交的F2代和野生型比较，发现杂交体籽粒产量与野生型相比降低11%，比bmr6突变品系产量下降幅度(24%)有所减小，而bmr12突变品系与粒用高粱再次杂交F2代种子产量已接近野生型。说明通过利用适当的粒用高粱品种与bmr突变品系回交，使粒用高粱优秀农艺性状在后代杂交体中体现，可能克服bmr基因导致的籽粒产量下降缺陷。

由于株高降低，分蘖减少，与野生高粱相比，bmr显著降低生物量(表3)。Casler等[26]发现，bmr6高粱苏丹草3个突变品种Greenleaf、FG和Piper的产量均出现不同程度下降，其中Piper草产量降低幅度约为30%。也有报道称bmr12高粱秸秆产量高于野生型，Oliver等[18]报道，种子收获后，bmr12秸秆产量(6 503 kg·hm-2)显著高于野生型(5 883 kg·hm-2)，也显著高于bmr6(5 284 kg·hm-2)，bmr双突变后生物量显著低于bmr6或bmr12突变品系，可能是bmr双突变中两个基因累加效应所致(表3)。

1.2.4抗倒伏性能 木质素降低直接导致植株机械维持性能下降，可能会导致植株抗倒伏性能下降。玉米中bmr基因导致茎秆抗碎强度降低17%～26%[28]，但茎秆抗碎强度与倒伏之间的关系还未见报道。bmr高粱中关于倒伏的研究较少，目前仅有Miron等[29]发现bmr101高粱比商品高粱FS-5宜倒伏，但两者不是野生型。另一个试验比较多个bmr高粱品种与野生型高粱品种发现，野生型各品种间以及bmr高粱各品种间抗倒伏性能各不相同，bmr饲用高粱倒伏率均值为10.8%，低于野生型倒伏率均值(18.7%)。若选择10%倒伏率为可接受限度，有6个bmr品种和12个野生品种符合要求，但是6个bmr品种中的3个遗传背景相同[30]，某些bmr品种虽然木质素含量比野生型含量高，但仍然出现了倒伏情况。bmr与其野生型抗倒伏性能的对比结果显示，遗传背景与抗倒伏性能显著相关，而bmr基因的影响不显著(表4)[15]。

表4 高粱中遗传背景与bmr基因对倒伏的影响[15]Table 4 Effects of genetic background and bmr gene on sorghum lodging[15] %

1.2.5抗病性 木质素构成了植物抵御疾病入侵的第一道物理防线[31-32]，在生物和非生物胁迫下细胞壁迅速积累大量木质素或木质素酚醛聚合物，由此可抵御病原体侵入或阻滞其生长。木质素含量降低，导致植株容易受到病虫害的侵袭[33-34]。但事实并非如此，培养基接种及花序梗接种镰刀菌(Fusarium)和链格胞菌(Alternariaspp.)试验表明，bmr杂交高粱对镰刀菌属和链格胞属病菌的抗性并未下降，有些甚至高于野生种[35]。在此基础上，Funnel和Pedersen[36]研究了不同伤应颜色和不同种皮颜色的20个bmr高粱品种，结果表明，白色种皮品种与红色种皮品种对链格胞属和镰刀属病菌抗性相同，但是在适当环境条件下，伤应颜色为褐色的品种可能比伤应颜色为紫色的品种更容易感染镰刀菌。

据推断，由于bmr6降低肉桂醇脱氢酶(CAD)活性，bmr12降低咖啡-O-甲基转移酶(COMT)活性，这两种酶均作用于木质素合成的最后两步，酶活性改变后，迫使木质素合成前体积累，进而通过其他途径转化成水杨酸和其他芳香族植保素，从而增加植株对病原体的抗性[37]。随着对bmr基因的进一步了解以及木质素合成生化途径的完善，bmr基因对于抵御病虫害的作用及病原反应特性将逐渐清晰。

1.3干物质含量和体外消化速率 bmr突变品系干物质产量低于玉米[38]，Oliver等[18]研究表明，bmr基因对干物质含量影响效果不同，bmr6普遍降低干物质含量，而bmr12和bmr18的效果可能随着遗传背景改变而有所变化；种子收获后，bmr12突变品系秸秆中干物质含量最高，比野生型高11%，bmr6最低，比野生型低10%。残茬中干物质含量与遗传背景有关，不同品系表现不一样，RTx430品系不管是bmr6还是bmr12突变，秸秆中干物质含量均比野生型低，而在Wheatland、Tx623和Tx631中，bmr12突变品系中干物质含量与野生型相当，而bmr6突变品系干物质含量低于野生型。bmr18对干物质含量影响不大，每公顷比野生型高粱低900 kg，而bmr6每公顷比野生型低4 900 kg[17]。

木质素是阻止植物体中中性洗涤纤维消化的主要成分，bmr基因降低木质素含量，可显著提高中性洗涤纤维体外消化率(IVNDFD)，且不受遗传背景[19]和生长环境[15]影响。种子收获后，bmr6秸秆中IVNDFD比野生型提高4%，bmr12比野生型提高10%[18]，bmr12的茎、叶消化率可分别提高7.2%和5.6%[39]。bmr双突变品系与bmr12单突变品系对IVNDMD的提高幅度相当，比bmr6单突变品系提高7%[40]。

2 饲用价值评价

bmr高梁饲喂研究主要集中在采食量、活体消化率、奶牛活动、产奶量及奶品质方面，现普遍认为，bmr高粱能增加奶牛干物质摄取量，提高产奶量，具有较高饲用价值。同时，也有研究涉及到bmr高粱在羊的养殖中的饲用价值评价。

2.1采食量 bmr高粱能显著增加奶牛采食量和干物质摄入量。Lusk等[41]报道，小乳牛和产奶乳牛对bmr12高粱的采食量均大于传统高粱。饲喂bmr高粱的奶牛干物质摄入量为25.3 kg·d-1，显著高于传统高粱的20.4 kg·d-1，甚至高于青贮玉米(19.6 kg·d-1)和苜蓿(23.1 kg·d-1)。也有研究表明，以代谢体质量百分比表示时，饲喂青贮玉米干物质摄入量(DMI)最大，饲喂bmr高粱和苜蓿次之，饲喂传统高粱最低[21]。上述研究中，bmr高粱和青贮玉米、苜蓿的干物质摄入量变化规律不一样，这可能与选择的bmr高粱品种遗传背景有关，但均证实，bmr高粱干物质摄入量均大于传统高粱。

关于NDF采食量的研究表明，奶牛对NDF的采食量bmr高粱与传统高粱相近。通过进一步比较奶牛对bmr6与bmr18两个突变品系的NDF摄入量，Oliver等[17]发现，奶牛NDF采食量bmr18与野生型相当，均比bmr6突变品系大。但饲喂bmr高粱奶牛对木质素的摄入量比传统高粱低15%[22]。

2.2活体消化率 与传统高粱相比，bmr高粱中含有大量可消化中性洗涤纤维，这些中性洗涤纤维可在瘤胃中分解，被动物消化，进而显著提高中性洗涤纤维消化率[17,22,42]。bmr6突变品系中性洗涤纤维消化率为54.4%，bmr18为47.9%，传统高粱最低，为40.8%[17]。羊的饲喂试验也证实，bmr高粱品种BMR-101的中性洗涤纤维消化率明显高于商用高粱品种FS-5[43]。

奶牛对bmr12高粱干物质消化率比传统高粱高12.9%[41]。bmr6与bmr18的干物质消化率分别为62.9%和69.1%，均高于传统高粱的52.5%[17]。bmr高粱品种BMR-101和商用高粱品种FS-5青贮料饲喂羊后，干物质表观消化率相差不大，但是该试验中BMR-101与商用品种FS-5不是野生型[43]。

2.3对奶牛进食活动的影响 青贮玉米与bmr高粱对奶牛采食时间无明显差异[29],说明奶牛对bmr青贮料喜食程度与野生高粱无区别。虽然bmr基因导致饲料品质有所变化，但采食bmr高粱对奶牛进食和瘤胃活动无影响，这可能与日粮中饲草比例有关。有报道称，日粮中饲草含量大于50%时，其NDF含量对奶牛进食活动影响不大[44]。

在bmr6、bmr18和野生型青贮料饲喂奶牛对比试验中发现，采食野生型高粱青贮料和bmr18突变品系青贮料的奶牛采食时间最长，采食bmr6青贮料的奶牛反刍时间最长，但是饲料种类未对奶牛总的进食活动产生影响[17]。

2.4产奶量及奶品质 传统高粱中木质素含量较高，且难以被消化，动物摄取大量高粱后，木质素增加了消化道填充率，降低了干物质摄入量，导致产奶量下降。bmr高粱中木质素含量低于传统高粱，饲喂bmr高粱奶牛对木质素摄入减少15%，产奶量比传统高粱高23%[23]。

饲喂bmr6奶牛产奶性能优于饲喂bmr18。bmr6突变品系较低的木质素含量使奶牛产奶性能优于饲喂bmr18突变品系，饲喂bmr6突变品系与青贮玉米奶牛产奶量相当，分别为33.7和33.3 kg·d-1，bmr18居中，为31.2 kg·d-1，传统高粱最低，为29.1 kg·d-1[17]。

标准乳产量饲喂bmr高粱高于饲喂普通高粱。饲喂bmr高粱的奶牛产奶量和4%标准乳产量比饲喂普通高粱的奶牛高13%[20]。在一些木质素含量低至与青贮玉米相当的bmr高粱品种中，饲喂bmr高粱的奶牛产奶量和4%标准乳产量与青贮玉米和苜蓿相当[22,41]。长期饲喂bmr高粱后，奶牛产奶量与青贮玉米相当[21]，且bmr高粱抗旱性优于玉米，在干旱半干旱地区bmr高粱有望取代青贮玉米加入奶牛饲料。

早期饲喂试验可能是选择了bmr12或bmr18的原因，饲喂bmr高粱后，牛奶中乳脂含量与饲喂普通高粱无区别，但由于产奶量提高，乳脂总量高[21]。后经进一步对比试验得出(表5)，饲喂bmr18或bmr12高粱对牛奶中乳脂含量影响不大，而bmr6能将乳脂率从3.57%提高到3.89%[17,41]，已接近青贮玉米。

表5 褐色中脉bmr基因对青贮料营养价值和产奶性能的影响[17]Table 5 Effects of bmr gene on silage feeding value and milk production[17]

饲喂bmr高粱、传统高粱和青贮玉米三者相比，牛奶中乳蛋白含量相当[21-22]。进一步对比试验表明，bmr6和bmr18饲喂奶牛后，乳蛋白含量相差不大[17]。bmr高粱对牛奶中乳糖含量影响不大，也有研究发现bmr高粱饲喂奶牛后，乳糖含量较高(4.86%)，且显著高于传统高粱(4.72%)[22]。

3 结论与展望

综合研究，bmr12和bmr18在农艺性状方面优于bmr6基因，某些性状已接近甚至超过野生型，而bmr6在饲喂效果方面优于bmr12和bmr18基因，某些bmr6品种产奶量与奶品质已与青贮玉米相当。近年来，bmr6与bmr12双突变品系的出现，可能会在农艺性状与饲用价值之间找到一个平衡点。

国外目前研究重点已经由bmr导致木质素降低的表观效应研究转移至一系列多样化功能基因的鉴定工作中[3,45-46]，而国内对于bmr突变品系的相关研究还未见报道。未来bmr高粱的研究可集中在抗倒伏性能、抗病虫害机理的研究[46]。bmr高粱应用方面，国外已出现bmr高粱在生物能源中的应用[46-50]，并表现出良好的前景。有报道称，与野生型相比，稀酸处理后bmr6、bmr12和bmr6+bmr12双突变葡萄糖产量分别提高27%、23%和34%，乙醇产量分别增加22%、21%和43%[47]。

近年来，我国畜牧业迅速发展，而优质饲草资源短缺，据预测国内优质草产品市场容量约为1 000万t，而每年我国供应苜蓿能力约为20万t[51]，供需矛盾严重。高粱具有高生物量、水肥利用效率高、耐贫瘠、对生物和非生物胁迫抗性强等特性，种植高粱可有效利用盐碱地和滩涂等土地，增加饲草种植面积。合理利用bmr突变品系特性与传统粒用高粱杂交培育农艺性状和饲用价值优良的品种，将使bmr高粱在饲料资源开发中发挥巨大的作用。

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