丁延慶 周棱波 汪燦 曹寧 程斌 高旭 彭秋 邵明波 張立異

（貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱糧研究所，貴陽 550006）

高粱［Sorghum bicolor（L.）Moench］是僅次于玉米、小麥、水稻和大麥的世界第五大糧食作物，是我國最早栽培的禾谷類作物之一。有關(guān)出土文物及農(nóng)書史籍證明，高粱種植至少有5 000年歷史［1］，較早受到自然和人工選擇影響，形成了豐富的種質(zhì)資源變異，導(dǎo)致高粱用途的多樣性。根據(jù)不同的用途，一般將高粱栽培品種分為甜高粱、飼料高粱、帚高粱和籽粒高粱（作為糧食用）4種類型［2］，在籽粒高粱中，將支鏈淀粉含量在80%以上的稱為糯高粱。糯高粱是釀造醬香型和濃香型白酒的主要原料，對我國區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮著重要作用。

醬香型白酒又稱茅香型白酒，是我國白酒中的高檔酒。醬香型白酒具有醬香突出、香味濃郁、綿甜爽口、酒體醇厚、幽雅細(xì)膩和回味悠長的特殊風(fēng)味［3］。其獨(dú)特風(fēng)味的形成，除了與貴州當(dāng)?shù)氐臍夂颉⑽⑸锓N群、釀酒技術(shù)等有著非常密切的關(guān)系，也與釀酒原料糯高粱的品質(zhì)重要相關(guān)。目前，醬香型白酒產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，釀酒用糯高粱種植面積大幅增加，但貴州省在高粱應(yīng)用基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)研究方面相對滯后，醬香型酒用糯高粱新品種選育中遇到的種質(zhì)資源遺傳背景狹窄、與釀酒品質(zhì)相關(guān)性狀研究基礎(chǔ)薄弱、品種選育方法相對落后、主栽品種退化嚴(yán)重等問題日益突出［4］，對貴州酒用糯高粱生產(chǎn)造成了影響，導(dǎo)致其產(chǎn)量無法滿足日益增長的醬香型白酒行業(yè)的需求。本文概述了醬香型酒用糯高粱研究現(xiàn)狀，綜述了國內(nèi)外在高粱釀造品質(zhì)相關(guān)性狀的關(guān)鍵基因和遺傳位點(diǎn)；探討了醬香型酒用糯高粱存在的問題及未來研究方向，以期促進(jìn)醬香型酒用糯高粱的研究與應(yīng)用。

1 醬香型酒用糯高粱育種

貴州省酒用糯高粱育種研究起步較晚，1987年才開始對酒用糯高粱種質(zhì)資源進(jìn)行搜集和整理，開展高粱新品種的選育工作［5-8］。經(jīng)過數(shù)10年的努力，育種人員先后育成并推廣了一系列優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)且符合醬香型白酒釀造工藝要求的糯高粱新品種。2007年，貴州省仁懷市有機(jī)高粱發(fā)展中心利用優(yōu)良變異單株牛尾砣和小紅纓子育成紅纓子和紅珍珠，2012年，茅粱1號（牛尾砣×紅早102）和金粱糯1號（青殼洋優(yōu)異單株）通過新品種審定。貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱糧研究所作為省級研究單位，利用地方品種的優(yōu)質(zhì)變異，先后育成并審定了黔高系列（7和8號）和紅粱豐1號。貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院選育品種有茅粱糯1號和2號（石阡高粱×紅早107）。

目前，貴州省主要采用品種間雜交和系統(tǒng)選育等傳統(tǒng)育種手段選育醬香型酒用糯高粱品種（自交系）。雖然貴州省內(nèi)研究所和高校也在開展雜交高粱育種和栽培技術(shù)研究，但由于酒廠收購指標(biāo)要求和符合醬香型釀造工藝的雜交糯高粱品種缺乏等問題，雜交高粱還未能在本地區(qū)廣泛推廣應(yīng)用。貴州省屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，夏季雨水較多，為了防治病蟲害和發(fā)霉，一般選育和種植的糯高粱品種都表現(xiàn)為植株較高（＞2 m）、穗側(cè)披型、穗長而著粒稀疏，這也導(dǎo)致耐密性較差，產(chǎn)量不高，不適合機(jī)械化生產(chǎn)。當(dāng)?shù)馗吡恢饕『τ凶习卟　⑻烤也?、黑穗病、蚜蟲、玉米螟等。由于茅臺酒等醬香型白酒企業(yè)對釀酒原料的有機(jī)認(rèn)證或綠色種植的要求，應(yīng)選育抗病高粱品種，并采用綠色防控種植技術(shù)，因此，對醬香型酒用糯高粱育種和栽培技術(shù)研究提出了更高的要求。

貴州省是醬香型酒用糯高粱的主栽區(qū)，種植區(qū)域較為廣泛，呈點(diǎn)狀零星分布。從海拔300 m的東部地區(qū)到海拔2 400 m的西北部地區(qū)均有種植。主要種植區(qū)域在仁懷、習(xí)水、金沙、播州、桐梓、綏陽、正安、道真、務(wù)川和黔西等地區(qū)。2017年，貴州省高粱種植面積為9萬hm2（總產(chǎn)2.5×105t，平均單產(chǎn)245 kg）。貴州省醬香型酒用高粱栽培品種為自交系，主栽品種是“紅纓子”，它作為茅臺酒生產(chǎn)的專用原料，去年在仁懷、習(xí)水、金沙的種植面積分別為2、1.3和0.8萬hm2，三縣（市）的高粱種植面積約2.3萬hm2已通過有機(jī)認(rèn)證。此外，貴州省赤水河流域也種植赤水紅粱等地方品種及青殼洋（四川省）等外來品種。

2 貴州酒企現(xiàn)狀

貴州省是醬香型白酒的發(fā)源地和主產(chǎn)區(qū)。除了聞名遐邇的茅臺酒以外，貴州省還有一大批醬香型白酒的知名品牌，如習(xí)酒、董酒、金沙窖、國臺酒、珍酒等14枚中國白酒馳名商標(biāo)和3個“中華老字號”。貴州醬香型白酒企業(yè)有1 000多家，其中，大型酒企一家（茅臺集團(tuán)），中型企業(yè)24家。由于氣候、水源和微生物種群的獨(dú)特性，貴州酒企主要集中在遵義仁懷市茅臺鎮(zhèn)7.53 km2優(yōu)質(zhì)醬香型白酒核心釀酒區(qū)內(nèi)。以茅臺為龍頭的釀酒業(yè)是貴州省的傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)和特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，也是其財政收入的重要來源之一。據(jù)統(tǒng)計，2018年，貴州省白酒產(chǎn)量占全國的3.5%，實現(xiàn)了全國43%的利潤總額，完成增加值898億元，實現(xiàn)利潤總額保持全國白酒行業(yè)第一位、出口創(chuàng)匯排名全國第一位。

3 醬香型酒用糯高粱品質(zhì)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于醬香型白酒獨(dú)特的釀造工藝，要求酒用糯高粱具有粒小皮厚、顆粒飽滿和玻璃質(zhì)含量較高等特性，以保證原料能夠經(jīng)受“八蒸九煮”的釀造工藝。同時高粱具有較高的支鏈淀粉含量、適中的單寧和蛋白質(zhì)含量、以及較少的脂肪含量等特點(diǎn)，確保獲得醬香型白酒獨(dú)特的風(fēng)味。下面以茅臺酒對高粱原料的要求標(biāo)準(zhǔn)，介紹酒用糯高粱的淀粉、單寧、脂肪和蛋白質(zhì)等特性在醬香型白酒釀造工藝中的作用，以及國內(nèi)外的研究進(jìn)展。

3.1 淀粉含量及組成

根據(jù)籽粒中直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例和含量，高粱又可分為糯高粱和粳高粱。貴州省醬香型白酒釀造均以支鏈淀粉含量88%以上的糯高粱作為主要釀酒原料。淀粉特性與醬香型白酒品質(zhì)息息相關(guān)，粳高粱籽粒中直鏈淀粉含量高，其淀粉消化性較差，而支鏈淀粉含量高的糯高粱，在醬香型白酒釀酒發(fā)酵過程中更易達(dá)到柔熟、玄清和收汗等工藝標(biāo)準(zhǔn)；同時糯高粱和粳高粱籽粒在吸水性、糊化率、糊化溫度和峰值黏度也具有顯著差異，這些淀粉特性在釀造過程中導(dǎo)致的差異，使得以糯高粱為原料的醬香型白酒具有較高的出酒率、優(yōu)質(zhì)率以及高風(fēng)味物質(zhì)［9-12］。此外，酒用糯高粱原料通常需要經(jīng)過9次蒸煮、8次發(fā)酵、7次取酒的過程，要求顆粒保持完整不爛。因此，糯高粱籽粒中角質(zhì)淀粉粒含量較多（角質(zhì)率高），籽粒截面結(jié)構(gòu)呈致密狀（玻璃質(zhì)狀），有利于醬香酒傳統(tǒng)工藝的多輪次翻烤蒸煮［13］。

高粱淀粉組成的差異性不僅在釀酒生產(chǎn)上得到利用，而且在分子水平也開展了深入研究。在禾本科作物里，顆粒結(jié)合淀粉合成酶（Granule bound starch synthase，GBSS）基因在復(fù)雜的淀粉合成途徑中扮演著關(guān)鍵角色，直接參與了胚乳中直鏈淀粉的生物合成途徑［14］。該基因表達(dá)活性影響胚乳的表觀結(jié)構(gòu)與紋理，導(dǎo)致胚乳中直鏈、支鏈淀粉的含量及比例變化，從而產(chǎn)生粳/糯高粱［15］。1933年發(fā)現(xiàn)了高粱糯性決定基因，命名為Wx［16］。后續(xù)研究表明，糯性高粱中GBSS存在4種不同的突變方式：wxa（大片段插入）、wxb（外顯子單堿基突變）、wxc（多堿基缺失）和wxd（內(nèi)含子單堿基突變），不同變異類型導(dǎo)致基因活性降低或喪失，從而影響高粱籽粒中直鏈、支鏈淀粉含量［17-19］。通過對我國高粱糯性材料GBSS突變類型的研究，發(fā)現(xiàn)4種類型突變均存在，間接表明我國高粱種質(zhì)資源的多樣性［20-21］。通過對高粱籽粒淀粉含量進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)分析（Genome-wide association study，GWAS）及構(gòu)建了高密度遺傳圖譜，Murray等［22］通過構(gòu)建BTx623/Rio的重組自交系（Recombinant inbred lines，RIL），對高粱籽粒淀粉含量與角質(zhì)率（角質(zhì)/粉質(zhì)淀粉粒含量比）進(jìn)行了數(shù)量性狀基因座（Quantitative trait locus，QTL）定位，發(fā)現(xiàn)一個與淀粉含量相關(guān)的主效位點(diǎn)位于第1染色體，在第2和8染色體上發(fā)現(xiàn)2個與籽粒角質(zhì)率高低有關(guān)的位點(diǎn)；Figueriedo等［23］對影響高粱淀粉代謝途徑的5個基因（Sh2、Bt2、SssI、Ae1和Wx）開展了候選基因關(guān)聯(lián)作圖。Sukumaran等［24］利用基因分型技術(shù)，結(jié)合1 290個單核苷酸突變（Single nucleotide polymorphism，SNP）及300份高粱籽粒淀粉含量，進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)淀粉合成酶Ⅱb基因與淀粉合成酶Ⅱa基因與淀粉含量存在顯著關(guān)聯(lián)。

3.2 單寧含量

單寧是多酚類物質(zhì)，主要存在于高粱籽粒的種皮和穎殼中，在白酒的釀造中起著至關(guān)重要的作用［25］，不僅能夠抑制雜菌的生長，而且在釀造過程中所產(chǎn)生的丁香酸、丁香醛等物質(zhì)賦予了酒體獨(dú)特的香味［26］。不同的釀造工藝對籽粒單寧含量有著不同的要求，單寧含量決定了白酒的口感以及風(fēng)味，以茅臺為代表的醬香型白酒原料紅櫻子及衍生系材料籽粒的單寧含量在1.4%-1.7%［27］；而以五糧液、瀘州老窖為代表的濃香型白酒所采用的瀘糯系列的單寧含量相對較低，一般在1.3%左右［28-30］。

相比小麥、玉米、水稻等禾本科作物，單寧作為高粱特異性物質(zhì)，在釀酒中發(fā)揮著重要作用。高粱籽粒單寧含量受多對主效基因控制，具有較高的廣義遺傳力［31-32］。Wu等［33］利用無單寧高粱品種Tx430分別與富含單寧高粱品種（ShanQuiRed、SC1345和SC1103）雜交構(gòu)建了3個RIL群體，克隆了Tan1，該基因編碼WD40蛋白，與矮牽牛An11、玉米PAC1和擬南芥TTG1同源，轉(zhuǎn)基因試驗表明該基因能恢復(fù)擬南芥突變體表型，說明高粱單寧代謝途徑可能與擬南芥中原花青素代謝途徑相似。Hoffman［34］利用374份非洲高粱的簡化基因組測序，開展了單寧含量的GWAS分析，在第4染色體上發(fā)現(xiàn)了Tan1。Morris等［35-36］通過GWAS分析，在第4染色體62.2 Mb位置確定了一個與單寧含量顯著關(guān)聯(lián)的位點(diǎn)，Tan1位于該位區(qū)間，結(jié)合其他定位結(jié)果，推測bHLH類轉(zhuǎn)錄因子為單寧候選基因。利用簡化基因組測序，Rhodes等［37-38］通過對381份高粱單寧含量的GWAS分析，不僅檢測到Tan1位點(diǎn)，而且在第4、5、7和9染色體上也檢測到與擬南芥花青素代謝途徑中TT2、TT8以及TT10同源的基因。

3.3 脂肪含量

高粱籽粒中，相比其他營養(yǎng)物質(zhì)，脂肪含量較少，但在醬香型白酒釀造過程中，高粱籽粒中的脂肪所產(chǎn)生的高級脂肪酸以及多種有機(jī)酸能夠賦予酒體獨(dú)特的香味。對于酒用糯高粱來說，籽粒脂肪的含量一般不超過4%，少量脂肪在釀酒過程中能減少酒體雜味，但較多脂肪則會導(dǎo)致酒體生酸較快且幅度較大，酒體具有雜味且遇冷易渾濁［39］。焦少杰等［40］研究指出，若高粱籽粒脂肪含量較多，在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生脂肪酸的氧化分解，生成低分子醛或酮類，造成酸敗現(xiàn)象。所以選用脂肪含量較低的品種是醬香型酒用糯高粱選育的一個重要目標(biāo)。

對于影響高粱籽粒脂肪含量的QTL，國內(nèi)外也開展了廣泛的遺傳學(xué)研究。1998年，Rami等［41］利用RIL（IS2807/249）群體，在第1染色體確定了一個與籽粒脂肪含量相關(guān)的顯著位點(diǎn)（QGFAT1.1）。Rhodes等［42］利用390份高粱資源簡化基因組測序所產(chǎn)生404 627個SNP位點(diǎn)，結(jié)合連續(xù)3年測定籽粒脂肪含量表型數(shù)據(jù)，在第1、2、4和7染色體上也確定了多個與籽粒脂肪含量相關(guān)的QTL。

3.4 蛋白質(zhì)含量

高粱籽粒中的蛋白質(zhì)在醬香型白酒釀造過程中也扮演著重要角色。適量的蛋白質(zhì)經(jīng)曲霉水解后，產(chǎn)生的氨基酸等物質(zhì)能夠促進(jìn)微生物生長代謝以及相關(guān)蛋白酶的活性。同時酒醅中的氨基酸（天冬氨酸和谷氨酸）等物質(zhì)與還原糖發(fā)生美拉德反應(yīng)，所產(chǎn)生的呋喃、吡咯和吡嗪等風(fēng)味物質(zhì)，不僅是醬香型酒體香和味的微量物質(zhì)，同時也是其他香味物質(zhì)的前驅(qū)物質(zhì)。美拉德反應(yīng)產(chǎn)物種類和含量的不同，是白酒（醬香型、清香型和濃香型）具有各自獨(dú)特風(fēng)味的一個重要原因［43-44］。研究表明，白酒出酒率的高低與籽粒蛋白質(zhì)含量密切相關(guān)，但籽粒蛋白質(zhì)含量過高，在釀造過程中，氨基酸則會生成較多的雜醇油，從而影響酒體的品質(zhì)，因此，醬香型酒用糯高粱籽粒蛋白含量不宜過高［45-46］。

高粱蛋白質(zhì)可分為清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白，其中，清蛋白和球蛋白富含人類和動物必需的賴氨酸、色氨酸和甲硫氨酸等，但其含量較低；而醇溶蛋白和谷蛋白作為高粱蛋白的主要成分（70%-90%），由于其純水不溶性和蛋白酶必需的水溶液環(huán)境相沖突，導(dǎo)致高粱籽粒難以消化［47］。針對這一特性，許多學(xué)者進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)醇溶蛋白可以分為4類（α、β、γ和δ），通過抑制其醇溶蛋白基因的表達(dá)可以提高高粱籽粒的蛋白消化率［48-50］；有研究者構(gòu)建了高粱突變體庫，篩選出醇溶蛋白基因缺失高粱材料，培育出清蛋白和球蛋白含量較高的高粱新品種［51-53］。Li等［54］構(gòu)建了 CRISPR/Cas9載體系統(tǒng)，以高粱籽粒中含量最高的α醇溶蛋白為改良目標(biāo)，誘導(dǎo)了α醇溶蛋白基因家族成員的廣泛突變，進(jìn)而降低了籽粒中α醇溶蛋白的含量，提高了高粱籽粒的賴氨酸含量和谷物消化率。

4 醬香型酒用糯高粱存在的問題與展望

由于醬香型酒用糯高粱所形成的特異種質(zhì)群體經(jīng)歷了人工定向選擇，導(dǎo)致群體遺傳多樣性水平較低。肖松等［55］利用SSR分子標(biāo)記技術(shù)，對貴州省145份醬香型酒用糯高粱種質(zhì)進(jìn)行了遺傳多樣性分析。結(jié)果表明，貴州酒用糯高粱育種資源具有較高的遺傳相似性，遺傳多樣性水平較低，遺傳背景較窄。根據(jù)地域不同，我國籽粒高粱主要可形成南北2個類群，而在南方類群中，貴州省與四川省的酒用糯高粱又聚集成不同的亞群（尚未發(fā)表）。目前，貴州省種植的醬香型酒用糯高粱品種單一，“紅纓子”等主栽品種出現(xiàn)了不斷退化的趨勢，對酒用原料的供給造成了一定的影響。隨著農(nóng)村人口的減少，勞動力成本不斷增加，選育符合山地機(jī)械化生產(chǎn)的醬香型酒用糯高粱品種的需求十分迫切。貴州省主栽品種穗型和株型結(jié)構(gòu)不僅影響產(chǎn)量水平的進(jìn)一步提高，也不符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。此外，由于高檔醬香型白酒對酒用原料有機(jī)綠色的要求，選育的糯高粱品種對各種病蟲害需要具有良好的抗性。因此，結(jié)合前人研究以及釀造工藝要求［56-60］，醬香型酒用糯高粱育種目標(biāo)如下：產(chǎn)量在6 500-7 500 kg/hm2、籽?？偟矸酆吭?0%以上、支鏈淀粉含量88%以上、蛋白質(zhì)含量7%-9%、單寧含量1.4%-1.8%、脂肪含量在4%以下、種皮厚度在50 μm以上、角質(zhì)率高的小粒種（千粒重18-23 g）、抗紫斑病、炭疽病、黑穗病、蚜蟲、玉米螟和倒伏、中矮稈耐密植（株高1.3-2.0 m）、中散穗型、常規(guī)中熟（生育期110-130 d）等。

為了解決貴州省酒用糯高粱品種資源遺傳背景狹窄的問題，加快選育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、多抗、符合醬香型白酒釀造標(biāo)準(zhǔn)的糯高粱品種的進(jìn)程，不同育種資源的收集利用、高粱雜交技術(shù)和分子育種技術(shù)的應(yīng)用是解決上述問題的關(guān)鍵。首先，應(yīng)該把所有類型的高粱種質(zhì)資源都作為酒用高粱育種的寶貴資源，利用遺傳改良緩解遺傳背景狹窄的問題。其次，廣泛開展雜交高粱的育種工作刻不容緩。雖然通過高粱雜交技術(shù)，選育和推廣了大批的雜交高粱新品種（如遼雜、晉雜、吉雜、瀘雜等），但是雜交高粱的育種工作在貴州省一直停滯不前，主要原因可能有兩個方面：一方面釀酒原料收購的限制，當(dāng)?shù)鼐破笾饕召徱约t纓子為主的自交系品種，雖然品種產(chǎn)量不高，但是收購價格比其他品種要高出很多，所以農(nóng)民更愿意種植這些自交系高粱品種；另一方面適合貴州省氣候條件且符合醬香型白酒釀造工藝的雜交高粱品種缺乏。最后，利用現(xiàn)代分子生物學(xué)手段開展遺傳改良，將會大大提高醬香型酒用糯高粱的育種效率。利用優(yōu)良性狀的分子標(biāo)記，開展分子標(biāo)記輔助育種，可提高醬香型酒用糯高粱育種效率［61-62］。而通過誘變育種改良作物遺傳性狀已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［63-65］。對醬香型酒用糯高粱種質(zhì)資源的誘發(fā)突變，經(jīng)多世代對突變體進(jìn)行選擇和鑒定農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀較好突變體，直接或間接地培育成生產(chǎn)上能利用的作物新品種，也是提高酒用糯高粱選育的效率一個有效途徑。構(gòu)建高粱“紅纓子”等的突變體庫，能夠快速定位控制突變性狀的基因，發(fā)掘與白酒釀造和產(chǎn)量相關(guān)的基因/QTL，對醬香型酒用糯高粱分子遺傳學(xué)研究和新品種選育都具有十分重要的意義。

對于貴州省醬香型酒用糯高粱主栽品種單一，且“紅纓子”等主栽品種退化嚴(yán)重等問題，解決方案有兩點(diǎn)：（1）考慮到茅臺酒等大型酒企的收購習(xí)慣，目前主要通過提純復(fù)壯的技術(shù)手段，用較短的時間解決“紅纓子”品種退化的問題，保證酒用原料的供給。（2）采用上述技術(shù)手段，選育更多的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、多抗、符合醬香型白酒釀造標(biāo)準(zhǔn)的糯高粱品種，逐漸增加主栽品種。由于大型酒廠收購“紅纓子”的要求短時間不會改變，這個過程可能會比較漫長。但是除了十幾家大中型酒企以外，貴州省還有上千家小酒廠，如果選育的酒用糯高粱新品種不僅優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)抗病且價格較低，也會對這些小酒廠產(chǎn)生很大的吸引力。通過幾年的努力，可逐漸改善主栽品種單一的問題?？傊?，通過加強(qiáng)酒用高粱與醬香型白酒釀造品質(zhì)相關(guān)性狀的遺傳學(xué)研究，擴(kuò)大育種資源，推廣雜交高粱的同時，利用現(xiàn)代分子育種技術(shù)，不僅能有效加快醬香型酒用糯高粱新品種的育種進(jìn)程，對貴州省醬香型白酒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也具有十分重要的意義。