多倍体作物的潜力与挑战：从粮食安全到生物能源的多元化应用

《Annals of Botany》：Is More Better? Polyploidy in Crops With Diverse End Uses and the Potential for Future Applications

本刊编辑推荐：为解决多倍体作物育种复杂性和生物能源原料多元化需求，研究人员开展了多倍体作物应用前景的专题研究。系统分析了草莓、马铃薯、甘蔗等作物的多倍体优势与育种挑战，指出基因编辑(CRISPR/Cas9)、基因组选择等新技术可突破多倍体育种瓶颈。该研究为开发高产抗逆能源作物提供了新思路，对可持续生物能源发展具有重要意义。

　　

在全球人口持续增长和气候变化加剧的双重压力下，如何保障粮食安全并发展可持续能源已成为人类面临的重大挑战。传统作物育种技术面临增产瓶颈，而生物能源产业发展则受限于原料供给单一化问题。正是在这样的背景下，多倍体作物研究展现出独特价值——通过增加染色体组数，作物可实现细胞增大、生物量提升等优势，但复杂的基因组结构也长期制约着其育种应用。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Lizeth Dominguez Mendez和Anthony J. Studer在《Annals of Botany》发表综述，系统探讨了多倍体作物在不同应用领域的潜力与挑战。研究人员通过文献计量分析和案例研究，评估了包括草莓(Fragaria × ananassa)、马铃薯(Solanum tuberosum)、甘蔗(Saccharum spp.)等十余种多倍体作物的育种现状，特别关注了生物能源作物的发展前景。

关键技术方法包括：基因组测序技术用于解析多倍体复杂基因组结构；CRISPR/Cas9基因编辑系统用于多等位基因同时修饰；基因组选择模型加速育种进程；细胞学观察比较不同倍性材料性状差异。研究材料涵盖食用作物、油料作物和能源作物等多倍体资源。

特殊用途作物中的多倍体表现

研究表明，八倍体草莓(Fragaria × ananassa, 2n=8x=56)通过多倍化实现了果实尺寸显著增加，但其高度杂合性导致自交衰退敏感，需依赖无性繁殖保持品种特性。四倍体马铃薯(2n=4x=48)则展现出更强的环境适应性和块茎产量，但四体遗传机制增加了育种复杂性。有趣的是，四倍体甜菜虽表现出生物量增加和耐盐性增强，但糖含量反而低于二倍体，说明多倍化效应存在物种特异性。

谷物和油料作物中的多倍体应用

六倍体普通小麦(Triticum aestivum, 2n=6x=42)的成功商业化证明了异源多倍体的优势——其来源于三个二倍体祖先的基因组融合创造了永久杂合状态，避免了自交衰退问题。相比之下，同源四倍体玉米(2n=4x=40)虽能产生更大籽粒，但由于染色体分离异常导致育性下降，未能实现商业化。在油料作物中，异源四倍体油菜(Brassica napus, 2n=4x=38)和六倍体亚麻荠(Camelina sativa, 2n=6x=40)的高含油量为生物柴油生产提供了新选择。

生物质能源作物的多倍体潜力

在生物能源领域，多倍体作物的营养体优势得到充分发挥。四倍体紫花苜蓿(Medicago sativa, 2n=4x=32)通过双交种利用渐进杂种优势，使牧草产量提升约5%。柳枝稷(Panicum virgatum)存在四倍体(2n=4x=36)和八倍体(2n=8x=72)两种生态型，后者在高产环境中表现更优。三倍体奇岗(Miscanthus × giganteus, 2n=3x=57)作为天然杂种，虽需无性繁殖但生物量巨大。甘蔗(Saccharum spp.)的极端多倍性(2n=10-12x=100-120)虽增加育种难度，但通过CRISPR技术调整叶角已成功提高群体产量。

特别值得关注的是，研究者提出了利用多倍化开发新型能源作物的创新思路。通过诱导二倍体作物如甜高粱(Sorghum bicolor)产生同源四倍体，可能实现茎秆汁液含量和含糖量的突破性提升。同时，"能源甘蔗"品种选育通过代谢工程使营养组织积累三酰甘油(TAG)，其能量密度是淀粉分子的两倍，为下一代生物燃料原料开发指明了方向。

研究表明，多倍化虽会带来育性下降、染色体分离异常等挑战，但现代分子技术正逐步克服这些障碍。多倍体作物在细胞大小、生物量、环境适应性等方面的优势，使其特别适合作为生物能源原料。随着基因编辑和基因组学技术的进步，传统二倍体作物的多倍化改良将为生物能源作物多元化提供新途径，这对实现可持续能源转型具有重要战略意义。未来研究应加强不同物种多倍化效应的比较分析，优化多倍体育种策略，推动多倍体作物在粮食安全和能源安全领域的协同发展。