能源甘蔗种质资源的收集.doc

能源甘蔗种质资源的收集、评价和保存一、立项背景与意义（国内外现状、水平和发展趋势，项目实施对科学技术、产业或社会等具有的作用与意义，附主要参考文献)资源是一个国家可持续发展的基础，随着石油和煤炭等不可再生资源的日益枯竭，世界资源问题日趋严重。能源植物是可再生资源，它的开发和研究越来越受到各国政府和研究人员的亲睐，其不仅可以有效地缓解能源紧缺的问题，而且它的利用不会引起环境的污染（Goldemberg J,2007；Miechael Doran,2004）。能源植物通常是指那些利用光能效率高，具有合成较高还原性烃的能力，可产生接近石油成分和可替代石油使用的产品的植物以及富含油脂、糖类、淀粉类、纤维素类等的植物。从20世纪70年代开始，世界上许多国家都开始对能源植物开展研究，如日本的“阳光计划”、印度的“绿色能源工程”、美国的“能源农场”和巴西的“酒精能源计划”等（陈英明，2005）。目前，可用于生产酒精的能源作物有：水稻、小麦、玉米、大麦、木薯、甘薯、土豆等淀粉类作物和甘蔗、甜菜、甜高梁等糖类作物（谭显平，2004）。一些国家和地区以玉米、水稻、小麦、木薯等粮食作物作为生产酒精的原料。对于我国来说，如果这些粮食作物用来作能源植物，这样不仅占用了粮食生产用地，减少了粮食产量，而且会严重影响到社会的可持续发展。因此，我国政府并不提倡用玉米、水稻等粮食作物作为能源植物来大力开发。以多种能源作物进行综合比较，土地单位面积产量以甘蔗为最高；产酒精量也名列前茅；以甘蔗为原料制燃料酒精技术完全可行；加工费也是以甘蔗为原料最低，可以大力发展（谭显平，2004；田春龙，2005）。发展能源甘蔗切实符合我国当前国情的需求。快速生长的高光效植物是发展生物能源最理想的作物。甘蔗生长于热带、亚热带地区，是高效的C4植物，具有较强的光合速度和干物质积累能力。它的光饱和点比其它作物高，CO2补偿点低，呼吸作用少，因此光合作用效率高，能把大量的太阳能转化成化学能，以碳水化合物的形式贮藏。据测定，甘蔗每立方米叶片每小时吸收CO2为42-49mg，比其它植物如水稻、小麦等高出约1倍以上；大田甘蔗每平方米每周干重增加50g，也多于水稻和小麦的1倍（陈子云，2003）。能源甘蔗中的蔗糖、果糖和葡萄糖都可转化为燃料乙醇，并且蔗渣中的纤维也能转化成乙醇。能源甘蔗的种植和发展不会减少制糖原料，不会减少食糖产量，其原料成本、加工成本和占用的土地都远远低于其它作物（谭显平，2004）。因此，甘蔗不仅是高生物量的植物，而且还是最佳的能源植物。能源甘蔗的选育种始于1997年，美国植物生理学家Alexander利用甘蔗和热带能源草本植物进行杂交育种。它的生物产量比糖料甘蔗高1倍左右，乙醇发酵量高达23-26t/(年.hm2)（Alexander AG.,1997）。能源甘蔗的糖份含量虽然与蔗糖的差不多，但由于能源甘蔗主要用于生产燃料乙醇，其蔗茎中的蔗糖、果糖和葡萄糖都可通过发酵转化成乙醇；且能源甘蔗的蔗茎产量远高于糖蔗，故其单位面积土地上的可发酵糖产量不仅远远高于其它乙醇原料作物，而且也远高于糖蔗和水果型甘蔗（何炎森，2005）。因此，收集和评价能源甘蔗的种质资源有着很大的应用前景。粗生、高产、耐旱、宿根性强、省工等应是能源蔗应具备的特性（陈子云，2003）。并且目前已有国家开展用廉价的方法试图从蔗渣的纤维素中提取酒精。因此，在选育能源甘蔗时，以单位面积上获得最大的能源产出及能源投入产出比为育种目的，在育种上主要强调生物产量高，可燃物质纤维和以生产酒精为目的的可发酵碳水化合物产出高；具体选育能源甘蔗品种时以干、鲜生物产量和总糖份为育种目的（周会，2003）。1、国外能源甘蔗发展概况由于能源资源和地理自然条件等方面的差异，世界各国，如巴西、美国、法国、爱尔兰、英国等国家在生物能源利用方面的研究各不相同。各国经过几十年的努力从不同的农作物研究制造酒精作为动力燃料产生的效果也不一样。到目前为止，巴西在甘蔗能源上的研究及生产应用方面处于国际领先地位。巴西是利用能源甘蔗生产无水酒精作为汽车燃料最成功的一个国家。上个世纪70年代中期，就投资39.6亿美元实施“生物能源计划”，成立了全国酒精开发署，育成了SP71-6163和SP76-1143等能源甘蔗品种（张华，2002）。目前，巴西不仅是全球最大的食糖生产国和出口国，而且还是全球仅次于美国的第2大酒精生产国，其酒精出口量位居全球第1位。其国内甘蔗用于制糖和酒精的比重大约是45：55。美国1979年制定了“UPR”计划，开展了高生物量为目标的再生能源甘蔗育种，育成生长期25.9个月、甘蔗产量508t/hm2的泰国割手密BC1后代H69-9103和纤维量质量分数27.9%、干物质量66.6t/hm2的L79-1002；80年代中期，印度和美国联合实施IACRP计划，育成了纤维质量分数26.85%的高纤维品种IA3132和蔗汁蔗糖分21.65%-22.27%，且可发酵糖高、酒精发酵量达1.2万L/hm2的2个品种EMS145、EMS245（A lexander A G,1997）。目前，国外已有科研人员在开展高生物量甘蔗种质资源的收集。2、国内能源甘蔗发展状况我国在能源甘蔗研究方面起步较晚，福建农林大学甘蔗研究所在国家“九五”甘蔗育种科技攻关期间，利用甘蔗复合体的遗传多样性和高光效特性，通过甘蔗属种间远缘杂交，创建高度分离的育种群体，采用先进的光合效能活体早代测定技术、分子标记技术和细胞工程技术与常规育种相结合，以总生物量、总可发酵量为育种目标，创造能源甘蔗新材料，并通过一系列中间试验和技术经济指标的评价，优化选育能源甘蔗新品种的技术路线。育成了“福农91-4710”、福农“94-0403” 2个能糖兼用甘蔗新品种和6份特异的能源甘蔗育种材料，其生物量高达177-201t/hm2，可发酵糖含量达到25.7-29.2。近几年，广西甘蔗研究所也加大对能源甘蔗的研究力度，并育成了 “能糖兼用”的甘蔗新品种桂糖22号和桂辐97-18，其中桂辐97-18的最高生物产量达188.1t/hm2，可发酵糖量48.92 t/hm2。目前，我国糖能兼用型甘蔗品种的选育和研究力度相对巴西等国家而言相对滞后，相关的研究报道极少。还未开展专门针对能源甘蔗及其近缘种的种质资源进行全面和系统的收集、评价和保存的工作。3、项目实施对科学技术、产业或社会等具有的作用与意义目前，能源甘蔗直接用于生产酒精，生产的酒精主要作为汽车动力燃料使用，并用蔗渣作燃料发电。从1978年开始巴西全国用酒精和汽油的混合燃料（酒精：汽油1：9）作为汽车动力燃料使用，并用蔗渣作燃料发电；到1981年混合比例增加到2：8，并且在各类大、小型号的汽车中使用；到2003年，混合燃料中的比例为2.5：7.5。美国有22个州使用85乙醇、15汽油的混合燃料，仅夏威夷州每年汽油乙醇的用量就高达1.75亿L；在欧洲，使用车用乙醇汽油的比例也呈上升趋势，法国已占到34，德国17（李奇伟，2004）。我国人口占世界的1/5，但石油储量仅为世界的1/50。我国已从1993年起成为石油净进口国，进口依赖性的增强和世界石油危机成为制约经济发展和外交战略的长期压力，影响到国家安全。而且我国能源结构不合理，煤这种不可再生能源占商品能源消费构成的76。汽车尾气的污染日趋严重。十五计划纲要对推广使用汽油醇做出了明确要求，将这项工作作为调整和优化产业结构的重点来抓，制订、颁布了变性燃料乙醇、车用乙醇汽油两项国家标准，规定在汽油中添加10的变性燃料乙醇。2001年7月1日起，河南省部分党政、事业单位的5000辆汽车已首批试用车用乙醇汽油。此举一旦在全国推行，燃料乙醇的年需求量将达500万t。而我国乙醇现年生产能力仅350-400万t。因此，进行能源甘蔗的开发势在必行。收集和评价能源专用或能、糖兼用的甘蔗种质资源是进行能源甘蔗研究的前提，是我国酒精工业发展和创新的重要基石，将有利于促进我国种植业结构、糖业结构的调整及大幅度提高农民收入，有利于我国能源结构的优化，有利于节约资源，保护生态环境。总之，能源甘蔗种质资源的收集、评价和保存对促进我国的经济、社会、生态效益的发展有重大作用。主要参考文献：1. Goldemberg J.Ethanol for a sustainable energy future. Science，2007，9，315（5813）:808-10.2. Miechael Doran.Developing the bioenergy industryJ.Biocycle intemational ，2004，4:75-783. 陈英明，肖波等.能源植物的资源开发与应用.氨基酸和生物资源，2005，27（4）：1-54. 谭显平.甘蔗生产燃料乙醇解决我国能源紧缺矛盾的最佳途径.甘蔗糖业，2004，3：19-225. 田春龙，郭斌.能源植物研究现状和展望.生物加工过程，2005，3（1）：14-196. 陈子云.能源甘蔗的开发与利用.甘蔗糖业，2003， 2：25-277. Alexander AG.Production of energy sugarcane.Sugar J,1997(1):5-78. 何炎森，李瑞美.能源甘蔗的开发利用.福建热作科技，2005，30（4）：36-389. 周会，邓祖湖.能源甘蔗亲本选配及遗传分析.江西农业大学学报，2003，27（2）：214-22010. 李奇伟，戚荣.能源甘蔗生产燃料乙醇的发展前景.甘蔗糖业，2004，5：29-44二、项目研究内容（一）总体目标与主要内容 1、总体目标大量收集国内外的能源甘蔗种质，对收集的种质资源进行大田保存和离体组织培养，测定材料主要相关的生理生化性状、生物量性状、经济和光合性状等，进行分析和评价，选育出一批能源专用和能、糖兼用的材料，为直接利用能源甘蔗生产燃料乙醇和进一步研究和开发源甘蔗提供理论指导。2、主要内容2.1能源甘蔗种质资源的收集：主要通过对哥伦比亚国际热带农业中心、巴西糖与酒精生产合作中心甘蔗育种站、印度甘蔗研究所、海南、云南、广西、广东、四川、福建等不同生境的甘蔗种质资源进行调查和收集。2.2种质资源的保存：2.2.1将收集到的所有种质资源先采用茎尖分生组织进行脱毒培养，使其幼态化，然后通过低温保存各种质的组培材料。2.2.2建立种质圃：为了进行性状考察，在大田按照随机区组设计种植各种质幼态化的组培苗，2行区，每行定植20株，行长7m，行距1m，3次重复，进行严格的田间管理。2.3种质资源进行评价：除了对能源甘蔗利用价值的最重要的指标是“经济产量、总含糖量、总生物量和光合能力大小”进行测定，同时还应对能源甘蔗的重要农艺性状进行调查，进行综合评价。2.3.1蔗糖糖分形成相关的一些生理生化指标：1叶片硝酸还原酶活性的测定（体内法）；1叶酸性转化酶活性的测定，1叶中性转化酶活性的测定（参考叶振邦，1987）；蔗糖-6-磷酸酶活性的测定（参考叶振邦，1987）；淀粉酶活性的测定（参考叶振邦，1987）；不同时期多酚氧化酶活性的测定（杨丽涛，1990）；不同时期3叶可溶性糖含量的测定，不同时期3叶鞘可溶性糖含量的测定，不同时期3茎可溶性糖含量的测定（参照现代植物生理学实验指南，1999）；不同时期的单株干物质积累的测定（梁海福，2004）；水溶性蛋白质含量的测定（采用考马斯亮蓝G-250法）；ATP酶活性的测定（参照李杨瑞，1987）2.3.2经济性状的测定：产量性状包括：茎长、茎径、单茎重、有效茎（参照甘蔗育种学的方法，1987）；蔗茎产量（参照甘蔗育种学的方法，1987）；蔗茎品质（参照甘蔗制糖工业分析的方法）包括了：蔗汁锤度（比重计法）、甘蔗蔗糖分、蔗汁蔗糖分（二次旋光法）、甘蔗纤维分（常压干燥法）、蔗汁重力纯度、蔗汁还原糖（四甲基蓝法）。2.3.3生物量性状的测定（参照甘蔗育种学方法，1987）：丛有效茎数、株高、茎径、丛重、地上部鲜重等。2.3.4光合能力性状的测定（参照梁海福，2004）：叶片叶面积（叶面积指数法）、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、叶绿素含量的测定。2.3.5抗旱性指标的测定：脯氨酸、细胞膜透性、丙二醛、切叶失水速度、过氧化物酶活性（李杨瑞，1990）。2.3.6相关农艺性状：分蘖率、伸长速度、倒伏率等（参照中国甘蔗品种志的方法，1980）。4）建立数据库：根据所收集的能源甘蔗的种质资源建立小型数据库，包括基本信息（如分类名称，形态特征、生境条件、植物图片等）和能源性状信息（如蔗糖糖分形成相关的生理生化指标、经济性状、生物量性状、光合能力性状、抗旱性性状、相关的农艺性状等）（二）技术路线与技术关键1、技术路线收集不同生境的甘蔗及其近缘的野生种、育种材料和栽培品种取茎尖分生组织进行脱毒培养获得无毒、幼态化的组培苗按随机完全区组设计定植于大田测量各个能源甘蔗所需考察的性状的数据统计分析，评价和筛选出能源专用和能、糖兼用的种质资源。2、技术关键 对各种质的提纯复壮、获得无毒的幼态的健康种苗是关键。（三）特色或创新之处 本项目在国内率先针对能源甘蔗及其近缘种质资源进行大规模和系统化的收集、评价和保存，为我国能源甘蔗的直接利用和进一步研究和开发能源甘蔗提供资源保障和技术支撑。三、工作条件与基础保障（一）该项目已具备