高粱[Sorghum bicolor（L.）Moench]是仅次于玉米、小麦、水稻和大麦的世界第五大粮食作物，是我国最早栽培的禾谷类作物之一。有关出土文物及农书史籍证明，高粱种植至少有5 000年历史^[1]，较早受到自然和人工选择影响，形成了丰富的种质资源变异，导致高粱用途的多样性。根据不同的用途，一般将高粱栽培品种分为甜高粱、饲料高粱、帚高粱和籽粒高粱（作为粮食用）4种类型^[2]，在籽粒高粱中，将支链淀粉含量在80%以上的称为糯高粱。糯高粱是酿造酱香型和浓香型白酒的主要原料，对我国区域经济的发展发挥着重要作用。

酱香型白酒又称茅香型白酒，是我国白酒中的高档酒。酱香型白酒具有酱香突出、香味浓郁、绵甜爽口、酒体醇厚、幽雅细腻和回味悠长的特殊风味^[3]。其独特风味的形成，除了与贵州当地的气候、微生物种群、酿酒技术等有着非常密切的关系，也与酿酒原料糯高粱的品质重要相关。目前，酱香型白酒产业高速发展，酿酒用糯高粱种植面积大幅增加，但贵州省在高粱应用基础和应用技术研究方面相对滞后，酱香型酒用糯高粱新品种选育中遇到的种质资源遗传背景狭窄、与酿酒品质相关性状研究基础薄弱、品种选育方法相对落后、主栽品种退化严重等问题日益突出^[4]，对贵州酒用糯高粱生产造成了影响，导致其产量无法满足日益增长的酱香型白酒行业的需求。本文概述了酱香型酒用糯高粱研究现状，综述了国内外在高粱酿造品质相关性状的关键基因和遗传位点；探讨了酱香型酒用糯高粱存在的问题及未来研究方向，以期促进酱香型酒用糯高粱的研究与应用。

1 酱香型酒用糯高粱育种

贵州省酒用糯高粱育种研究起步较晚，1987年才开始对酒用糯高粱种质资源进行搜集和整理，开展高粱新品种的选育工作^[5-8]。经过数10年的努力，育种人员先后育成并推广了一系列优质、高产且符合酱香型白酒酿造工艺要求的糯高粱新品种。2007年，贵州省仁怀市有机高粱发展中心利用优良变异单株牛尾砣和小红缨子育成红缨子和红珍珠，2012年，茅粱1号（牛尾砣×红早102）和金粱糯1号（青壳洋优异单株）通过新品种审定。贵州省农业科学院旱粮研究所作为省级研究单位，利用地方品种的优质变异，先后育成并审定了黔高系列（7和8号）和红粱丰1号。贵州大学农学院选育品种有茅粱糯1号和2号（石阡高粱×红早107）。

目前，贵州省主要采用品种间杂交和系统选育等传统育种手段选育酱香型酒用糯高粱品种（自交系）。虽然贵州省内研究所和高校也在开展杂交高粱育种和栽培技术研究，但由于酒厂收购指标要求和符合酱香型酿造工艺的杂交糯高粱品种缺乏等问题，杂交高粱还未能在本地区广泛推广应用。贵州省属亚热带湿润季风气候，夏季雨水较多，为了防治病虫害和发霉，一般选育和种植的糯高粱品种都表现为植株较高（> 2 m）、穗侧披型、穗长而着粒稀疏，这也导致耐密性较差，产量不高，不适合机械化生产。当地高粱主要病害有紫斑病、炭疽病、黑穗病、蚜虫、玉米螟等。由于茅台酒等酱香型白酒企业对酿酒原料的有机认证或绿色种植的要求，应选育抗病高粱品种，并采用绿色防控种植技术，因此，对酱香型酒用糯高粱育种和栽培技术研究提出了更高的要求。

贵州省是酱香型酒用糯高粱的主栽区，种植区域较为广泛，呈点状零星分布。从海拔300 m的东部地区到海拔2 400 m的西北部地区均有种植。主要种植区域在仁怀、习水、金沙、播州、桐梓、绥阳、正安、道真、务川和黔西等地区。2017年，贵州省高粱种植面积为9万hm²（总产2.5×10⁵ t，平均单产245 kg）。贵州省酱香型酒用高粱栽培品种为自交系，主栽品种是“红缨子”，它作为茅台酒生产的专用原料，去年在仁怀、习水、金沙的种植面积分别为2、1.3和0.8万hm²，三县（市）的高粱种植面积约2.3万hm²已通过有机认证。此外，贵州省赤水河流域也种植赤水红粱等地方品种及青壳洋（四川省）等外来品种。

2 贵州酒企现状

贵州省是酱香型白酒的发源地和主产区。除了闻名遐迩的茅台酒以外，贵州省还有一大批酱香型白酒的知名品牌，如习酒、董酒、金沙窖、国台酒、珍酒等14枚中国白酒驰名商标和3个“中华老字号”。贵州酱香型白酒企业有1 000多家，其中，大型酒企一家（茅台集团），中型企业24家。由于气候、水源和微生物种群的独特性，贵州酒企主要集中在遵义仁怀市茅台镇7.53 km²优质酱香型白酒核心酿酒区内。以茅台为龙头的酿酒业是贵州省的传统支柱产业和特色优势产业，也是其财政收入的重要来源之一。据统计，2018年，贵州省白酒产量占全国的3.5%，实现了全国43%的利润总额，完成增加值898亿元，实现利润总额保持全国白酒行业第一位、出口创汇排名全国第一位。

3 酱香型酒用糯高粱品质及国内外研究现状

由于酱香型白酒独特的酿造工艺，要求酒用糯高粱具有粒小皮厚、颗粒饱满和玻璃质含量较高等特性，以保证原料能够经受“八蒸九煮”的酿造工艺。同时高粱具有较高的支链淀粉含量、适中的单宁和蛋白质含量、以及较少的脂肪含量等特点，确保获得酱香型白酒独特的风味。下面以茅台酒对高粱原料的要求标准，介绍酒用糯高粱的淀粉、单宁、脂肪和蛋白质等特性在酱香型白酒酿造工艺中的作用，以及国内外的研究进展。

3.1 淀粉含量及组成

根据籽粒中直链淀粉和支链淀粉的比例和含量，高粱又可分为糯高粱和粳高粱。贵州省酱香型白酒酿造均以支链淀粉含量88%以上的糯高粱作为主要酿酒原料。淀粉特性与酱香型白酒品质息息相关，粳高粱籽粒中直链淀粉含量高，其淀粉消化性较差，而支链淀粉含量高的糯高粱，在酱香型白酒酿酒发酵过程中更易达到柔熟、玄清和收汗等工艺标准；同时糯高粱和粳高粱籽粒在吸水性、糊化率、糊化温度和峰值黏度也具有显著差异，这些淀粉特性在酿造过程中导致的差异，使得以糯高粱为原料的酱香型白酒具有较高的出酒率、优质率以及高风味物质^[9-12]。此外，酒用糯高粱原料通常需要经过9次蒸煮、8次发酵、7次取酒的过程，要求颗粒保持完整不烂。因此，糯高粱籽粒中角质淀粉粒含量较多（角质率高），籽粒截面结构呈致密状（玻璃质状），有利于酱香酒传统工艺的多轮次翻烤蒸煮^[13]。

高粱淀粉组成的差异性不仅在酿酒生产上得到利用，而且在分子水平也开展了深入研究。在禾本科作物里，颗粒结合淀粉合成酶（Granule bound starch synthase，GBSS）基因在复杂的淀粉合成途径中扮演着关键角色，直接参与了胚乳中直链淀粉的生物合成途径^[14]。该基因表达活性影响胚乳的表观结构与纹理，导致胚乳中直链、支链淀粉的含量及比例变化，从而产生粳/糯高粱^[15]。1933年发现了高粱糯性决定基因，命名为Wx^[16]。后续研究表明，糯性高粱中GBSS存在4种不同的突变方式：wx^a（大片段插入）、wx^b（外显子单碱基突变）、wx^c（多碱基缺失）和wx^d（内含子单碱基突变），不同变异类型导致基因活性降低或丧失，从而影响高粱籽粒中直链、支链淀粉含量^[17-19]。通过对我国高粱糯性材料GBSS突变类型的研究，发现4种类型突变均存在，间接表明我国高粱种质资源的多样性^[20-21]。通过对高粱籽粒淀粉含量进行了全基因组关联分析（Genome-wide association study，GWAS）及构建了高密度遗传图谱，Murray等^[22]通过构建BTx623/Rio的重组自交系（Recombinant inbred lines，RIL），对高粱籽粒淀粉含量与角质率（角质/粉质淀粉粒含量比）进行了数量性状基因座（Quantitative trait locus，QTL）定位，发现一个与淀粉含量相关的主效位点位于第1染色体，在第2和8染色体上发现2个与籽粒角质率高低有关的位点；Figueriedo等^[23]对影响高粱淀粉代谢途径的5个基因（Sh2、Bt2、SssI、Ae1和Wx）开展了候选基因关联作图。Suku-maran等^[24]利用基因分型技术，结合1 290个单核苷酸突变（Single nucleotide polymorphism，SNP）及300份高粱籽粒淀粉含量，进行了关联分析，发现淀粉合成酶Ⅱb基因与淀粉合成酶Ⅱa基因与淀粉含量存在显著关联。

3.2 单宁含量

单宁是多酚类物质，主要存在于高粱籽粒的种皮和颖壳中，在白酒的酿造中起着至关重要的作用^[25]，不仅能够抑制杂菌的生长，而且在酿造过程中所产生的丁香酸、丁香醛等物质赋予了酒体独特的香味^[26]。不同的酿造工艺对籽粒单宁含量有着不同的要求，单宁含量决定了白酒的口感以及风味，以茅台为代表的酱香型白酒原料红樱子及衍生系材料籽粒的单宁含量在1.4%-1.7%^[27]；而以五粮液、泸州老窖为代表的浓香型白酒所采用的泸糯系列的单宁含量相对较低，一般在1.3%左右^[28-30]。

相比小麦、玉米、水稻等禾本科作物，单宁作为高粱特异性物质，在酿酒中发挥着重要作用。高粱籽粒单宁含量受多对主效基因控制，具有较高的广义遗传力^[31-32]。Wu等^[33]利用无单宁高粱品种Tx430分别与富含单宁高粱品种（ShanQuiRed、SC1345和SC1103）杂交构建了3个RIL群体，克隆了Tan1，该基因编码WD40蛋白，与矮牵牛An11、玉米PAC1和拟南芥TTG1同源，转基因试验表明该基因能恢复拟南芥突变体表型，说明高粱单宁代谢途径可能与拟南芥中原花青素代谢途径相似。Hoffman^[34]利用374份非洲高粱的简化基因组测序，开展了单宁含量的GWAS分析，在第4染色体上发现了Tan1。Morris等^[35-36]通过GWAS分析，在第4染色体62.2 Mb位置确定了一个与单宁含量显著关联的位点，Tan1位于该位区间，结合其他定位结果，推测bHLH类转录因子为单宁候选基因。利用简化基因组测序，Rhodes等^[37-38]通过对381份高粱单宁含量的GWAS分析，不仅检测到Tan1位点，而且在第4、5、7和9染色体上也检测到与拟南芥花青素代谢途径中TT2、TT8以及TT10同源的基因。

3.3 脂肪含量

高粱籽粒中，相比其他营养物质，脂肪含量较少，但在酱香型白酒酿造过程中，高粱籽粒中的脂肪所产生的高级脂肪酸以及多种有机酸能够赋予酒体独特的香味。对于酒用糯高粱来说，籽粒脂肪的含量一般不超过4%，少量脂肪在酿酒过程中能减少酒体杂味，但较多脂肪则会导致酒体生酸较快且幅度较大，酒体具有杂味且遇冷易浑浊^[39]。焦少杰等^[40]研究指出，若高粱籽粒脂肪含量较多，在发酵过程中会产生脂肪酸的氧化分解，生成低分子醛或酮类，造成酸败现象。所以选用脂肪含量较低的品种是酱香型酒用糯高粱选育的一个重要目标。

对于影响高粱籽粒脂肪含量的QTL，国内外也开展了广泛的遗传学研究。1998年，Rami等^[41]利用RIL（IS2807/249）群体，在第1染色体确定了一个与籽粒脂肪含量相关的显著位点（QGFAT1.1）。Rhodes等^[42]利用390份高粱资源简化基因组测序所产生404 627个SNP位点，结合连续3年测定籽粒脂肪含量表型数据，在第1、2、4和7染色体上也确定了多个与籽粒脂肪含量相关的QTL。

3.4 蛋白质含量

高粱籽粒中的蛋白质在酱香型白酒酿造过程中也扮演着重要角色。适量的蛋白质经曲霉水解后，产生的氨基酸等物质能够促进微生物生长代谢以及相关蛋白酶的活性。同时酒醅中的氨基酸（天冬氨酸和谷氨酸）等物质与还原糖发生美拉德反应，所产生的呋喃、吡咯和吡嗪等风味物质，不仅是酱香型酒体香和味的微量物质，同时也是其他香味物质的前驱物质。美拉德反应产物种类和含量的不同，是白酒（酱香型、清香型和浓香型）具有各自独特风味的一个重要原因^[43-44]。研究表明，白酒出酒率的高低与籽粒蛋白质含量密切相关，但籽粒蛋白质含量过高，在酿造过程中，氨基酸则会生成较多的杂醇油，从而影响酒体的品质，因此，酱香型酒用糯高粱籽粒蛋白含量不宜过高^[45-46]。

高粱蛋白质可分为清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白，其中，清蛋白和球蛋白富含人类和动物必需的赖氨酸、色氨酸和甲硫氨酸等，但其含量较低；而醇溶蛋白和谷蛋白作为高粱蛋白的主要成分（70%-90%），由于其纯水不溶性和蛋白酶必需的水溶液环境相冲突，导致高粱籽粒难以消化^[47]。针对这一特性，许多学者进行了研究，发现醇溶蛋白可以分为4类（α、β、γ和δ），通过抑制其醇溶蛋白基因的表达可以提高高粱籽粒的蛋白消化率^[48-50]；有研究者构建了高粱突变体库，筛选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较高的高粱新品种^[51-53]。Li等^[54]构建了CRISPR/Cas9载体系统，以高粱籽粒中含量最高的α醇溶蛋白为改良目标，诱导了α醇溶蛋白基因家族成员的广泛突变，进而降低了籽粒中α醇溶蛋白的含量，提高了高粱籽粒的赖氨酸含量和谷物消化率。

4 酱香型酒用糯高粱存在的问题与展望

由于酱香型酒用糯高粱所形成的特异种质群体经历了人工定向选择，导致群体遗传多样性水平较低。肖松等^[55]利用SSR分子标记技术，对贵州省145份酱香型酒用糯高粱种质进行了遗传多样性分析。结果表明，贵州酒用糯高粱育种资源具有较高的遗传相似性，遗传多样性水平较低，遗传背景较窄。根据地域不同，我国籽粒高粱主要可形成南北2个类群，而在南方类群中，贵州省与四川省的酒用糯高粱又聚集成不同的亚群（尚未发表）。目前，贵州省种植的酱香型酒用糯高粱品种单一，“红缨子”等主栽品种出现了不断退化的趋势，对酒用原料的供给造成了一定的影响。随着农村人口的减少，劳动力成本不断增加，选育符合山地机械化生产的酱香型酒用糯高粱品种的需求十分迫切。贵州省主栽品种穗型和株型结构不仅影响产量水平的进一步提高，也不符合现代农业生产的需求。此外，由于高档酱香型白酒对酒用原料有机绿色的要求，选育的糯高粱品种对各种病虫害需要具有良好的抗性。因此，结合前人研究以及酿造工艺要求^[56-60]，酱香型酒用糯高粱育种目标如下：产量在6 500-7 500 kg/hm²、籽粒总淀粉含量在70%以上、支链淀粉含量88%以上、蛋白质含量7%-9%、单宁含量1.4%-1.8%、脂肪含量在4%以下、种皮厚度在50 μm以上、角质率高的小粒种（千粒重18-23 g）、抗紫斑病、炭疽病、黑穗病、蚜虫、玉米螟和倒伏、中矮秆耐密植（株高1.3-2.0 m）、中散穗型、常规中熟（生育期110-130 d）等。

为了解决贵州省酒用糯高粱品种资源遗传背景狭窄的问题，加快选育优质高产、多抗、符合酱香型白酒酿造标准的糯高粱品种的进程，不同育种资源的收集利用、高粱杂交技术和分子育种技术的应用是解决上述问题的关键。首先，应该把所有类型的高粱种质资源都作为酒用高粱育种的宝贵资源，利用遗传改良缓解遗传背景狭窄的问题。其次，广泛开展杂交高粱的育种工作刻不容缓。虽然通过高粱杂交技术，选育和推广了大批的杂交高粱新品种（如辽杂、晋杂、吉杂、泸杂等），但是杂交高粱的育种工作在贵州省一直停滞不前，主要原因可能有两个方面：一方面酿酒原料收购的限制，当地酒企主要收购以红缨子为主的自交系品种，虽然品种产量不高，但是收购价格比其他品种要高出很多，所以农民更愿意种植这些自交系高粱品种；另一方面适合贵州省气候条件且符合酱香型白酒酿造工艺的杂交高粱品种缺乏。最后，利用现代分子生物学手段开展遗传改良，将会大大提高酱香型酒用糯高粱的育种效率。利用优良性状的分子标记，开展分子标记辅助育种，可提高酱香型酒用糯高粱育种效率^[61-62]。而通过诱变育种改良作物遗传性状已经得到广泛应用^[63-65]。对酱香型酒用糯高粱种质资源的诱发突变，经多世代对突变体进行选择和鉴定农艺和产量性状较好突变体，直接或间接地培育成生产上能利用的作物新品种，也是提高酒用糯高粱选育的效率一个有效途径。构建高粱“红缨子”等的突变体库，能够快速定位控制突变性状的基因，发掘与白酒酿造和产量相关的基因/QTL，对酱香型酒用糯高粱分子遗传学研究和新品种选育都具有十分重要的意义。

对于贵州省酱香型酒用糯高粱主栽品种单一，且“红缨子”等主栽品种退化严重等问题，解决方案有两点：（1）考虑到茅台酒等大型酒企的收购习惯，目前主要通过提纯复壮的技术手段，用较短的时间解决“红缨子”品种退化的问题，保证酒用原料的供给。（2）采用上述技术手段，选育更多的优质高产、多抗、符合酱香型白酒酿造标准的糯高粱品种，逐渐增加主栽品种。由于大型酒厂收购“红缨子”的要求短时间不会改变，这个过程可能会比较漫长。但是除了十几家大中型酒企以外，贵州省还有上千家小酒厂，如果选育的酒用糯高粱新品种不仅优质高产抗病且价格较低，也会对这些小酒厂产生很大的吸引力。通过几年的努力，可逐渐改善主栽品种单一的问题。总之，通过加强酒用高粱与酱香型白酒酿造品质相关性状的遗传学研究，扩大育种资源，推广杂交高粱的同时，利用现代分子育种技术，不仅能有效加快酱香型酒用糯高粱新品种的育种进程，对贵州省酱香型白酒产业的发展也具有十分重要的意义。