综述：利用高粱（Sorghum bicolor [L.] Moench）的遗传多样性促进气候适应性农业和全球粮食安全

《Ecological Genetics and Genomics》：Leveraging Sorghum ( Sorghum bicolor [L.] Moench) genetic diversity for Climate Resilient Agriculture and Global Food Security

　　摘要：高粱是全球最具气候适应性的谷物之一，特别能适应干旱、高温和贫瘠的土壤条件。其广泛的遗传多样性，包括野生亲本、地方品种和改良栽培品种，为应对气候变化带来的日益严峻的挑战提供了强大的资源。因此，高粱的抗逆性和广泛的适应性使其成为全球智能农业中的战略作物。尽管具有这些潜力，但高粱的许多生物多样性在育种计划中仍未得到充分利用，这限制了充分利用与产量稳定性、抗逆性、营养增强和生物抗性相关的性状的机会。利用高粱的遗传多样性需要将传统育种方法与基因组选择、高通量表型分析、多环境测试、泛基因组学和基因组编辑等现代工具相结合。这些创新加快了能够提高抗旱、耐热、抗虫和应对新出现的气候相关压力等适应性等位基因的识别和应用。此外，加强种质资源的保护（无论是原位还是异地保存）对于保护面临气候压力和土地利用变化威胁的宝贵遗传资源至关重要。同时，开发智能农业生产系统也非常重要，包括节水农艺实践、抗逆性种植系统以及多样化的食品和饲料价值链，以最大限度地发挥改良品种的作用。将高粱的生物多样性作为智能农业的基石，为解决全球粮食安全问题提供了可持续的途径，特别是在高粱作为主食的非洲和亚洲的干旱地区。利用其遗传丰富性可以显著促进在快速变化的气候条件下实现可持续的生计、改善营养状况和稳定的谷物生产。总体而言，加大对高粱生物多样性研究、保护和育种的投入对于发展具有气候适应性的农业系统和加强全球粮食安全至关重要。

引言：高粱（Sorghum bicolor L. Moench）是全球第五大种植面积的谷物，在干旱和半干旱地区（尤其是非洲和亚洲）是粮食安全的支柱（USDA, 2025）。在非洲，高粱的产量排名第三，每年大约生产2630万吨，仅次于玉米（9660万吨）和水稻（3720万吨）（USDA, 2025）。它对气候压力的高度适应性使其能够克服包括干旱、热应激和土壤退化在内的主要限制（Tefera和Awika, 2019）。长期以来，高粱一直是热带和亚热带地区数百万人赖以生存的主要食物，并且仍然是重要的牲畜饲料来源（Begna, 2026）。高粱是一种主要的C4谷物，以其高效的光合作用和显著的遗传及表型多样性为特征（Evans等人, 2013）。起源于非洲东北部的高粱现在已在全球范围内种植，并继续对粮食安全做出重要贡献，特别是在非洲（Doggett, 1988；Upadhyaya等人, 2021）。几个世纪的自然选择和农民主导的多样化过程产生了在植物结构、物候、谷物特性、根系和抗逆性状方面的广泛变异（Evans等人, 2013）。这些多样性主要分为五种类型：bicolor、caudatum、durra、guinea和kafir，它们各自适应了不同的农业生态系统和生产方式（Girma等人, 2024）。这些资源共同为提高抗旱、耐热、耐盐、抗虫和抗病性以及培育高产、气候适应性强的栽培品种奠定了宝贵的遗传基础。高粱深厚的根系、富含蜡质的叶面以及在水分受限和高温胁迫下的强健渗透调节能力是其卓越适应性的基础（Mani?oba等人, 2023）。其高效的生物量生产进一步拓宽了其在食品、饲料和工业价值链中的应用范围（Begna等人, 2025）。地方品种和改良栽培品种中蕴藏的丰富遗传变异为加速遗传改良提供了关键资源（Paterson等人, 2009）。这种非凡的生物多样性使高粱成为研究并利用作物抗逆机制的战略模型（Mace等人, 2019）。因此，系统地鉴定和利用这种多样性对于培育具有气候适应性的栽培品种以及在日益不稳定的生产环境中保障生产力至关重要（Xin等人, 2021）。高粱是一种高度气候适应性的谷物，能够在干旱和半干旱条件下保持生产力（FAO, 2022）。其C4光合作用途径、高水分利用效率和耐热性支持其在温度升高和水资源稀缺条件下的生产（Abreha等人, 2022）。相对较低的投入需求和优异的抗旱性能进一步增强了其在智能农业中的价值（Wang等人, 2023）。这种抗逆性基于多种互补机制，包括保持绿叶、渗透调节、气孔调控、根系可塑性和抗氧化防御以及物候适应（Singh等人, 2024）。如Stg、DREB和HSP等基因组区域以及地方品种中保存的适应性等位基因为增强抗逆性提供了有价值的靶点（Mace等人, 2019）。总体而言，这些特性使高粱成为在脆弱降雨依赖型系统中实现气候适应性农业和粮食安全的战略作物。高粱是数亿人的主要主食，特别是在非洲和亚洲气候脆弱地区，对粮食和营养安全贡献巨大（FAO, 2023）。其谷物提供碳水化合物、蛋白质、矿物质和其他营养成分，并可加工成多种食品，如injera、粥类、扁面包和无麸质产品（Begna等人, 2025）。高粱秸秆也是混合种植-畜牧系统中的重要牲畜饲料，增强了小农的生计（Nigussie等人, 2021）。全球年产量超过6000万吨，主要在降雨依赖型和低投入型系统中种植（USDA, 2023）。除了食品和饲料外，高粱的谷物和生物质还支持畜牧业、酿造业、生物能源、无麸质食品和农村市场，从而扩展了其经济价值（Ebbisa等人, 2024）。尽管高粱有这些多样化的贡献，但由于投入相对较少，其与玉米和小麦等主要谷物的育种投资相比仍存在不足，这突显了需要在遗传改良、智能农业生产和价值链开发方面加大投资以缩小生产力差距并增强粮食和生计安全（Boyles等人, 2019）。高粱是撒哈拉以南非洲和南亚粮食和生计安全的支柱，数百万小农依赖它获得食物、饲料和收入（FAO, 2023）。埃塞俄比亚、苏丹和尼日利亚是主要生产国，得益于广泛的农业生态适应性和丰富的遗传资源（FAOSTAT, 2024）。在埃塞俄比亚，高粱是种植面积第三大的谷物，种植于多样的低地、中部和高地环境（CSA, 2023）。然而，由于改良品种的采用有限、低投入生产系统、干旱和贫瘠的土壤条件，生产力仍然受到限制（Ayalew等人, 2022）。气候变化导致降雨不规律、干旱期延长和生长季节缩短，进一步加剧了生产风险（Begna, 2025）。高粱深厚的根系、蜡质叶片、恢复干旱的能力、抗虫和抗病性以及广泛的遗传多样性使其能够适应这些压力（Begna, 2025）。因此，利用埃塞俄比亚丰富的高粱生物多样性可以为增强气候适应性、生产力和可持续生计提供战略途径。

气候变化加剧了高粱种植区的干旱、热应激和降雨变异性，威胁生产稳定性（IPCC, 2023）。新出现的害虫和疾病（如striga和真菌病原体）进一步加剧了这些风险（Mengistu等人, 2021）。由于改良品种使用有限、种子更换率低、种子系统薄弱以及缺乏智能农业技术的使用，产量差距持续存在（Ayalew等人, 2022）。尽管高粱种质中保存了大量遗传多样性，但在育种中的系统利用仍有限（Begna等人, 2025）。与主要谷物相比，高粱的基因组和高通量表型分析资源相对不足，限制了适应性状的高效发现和应用（Paterson等人, 2009）。此外，农民的知识和本地适应的地方品种未能充分融入正式育种计划，而气候变化导致的地方品种侵蚀威胁到了有价值的适应性等位基因（Wang等人, 2021）。这些相互关联的制约因素强调需要更好地描述、保护和战略性地利用高粱的生物多样性以实现气候适应性生产力。尽管有广泛的全球异地收藏，许多高粱样本仍缺乏充分鉴定和利用（Wang等人, 2021）。有限的表型和基因组数据限制了有价值适应性状的发现和应用（Begna, 2026）。原位多样性也受到土地利用变化、气候变化和用地替代为 uniform 栽培品种的威胁（Druille等人, 2020）。利用野生亲本来进行预育种的研究仍有限，而GWAS、泛基因组学、基因组选择和高通量表型分析等先进方法在发展中国家应用不足（Wang等人, 2024）。制度和技术能力的不足进一步限制了遗传改良的进展（Xu等人, 2020）。因此，加强综合保护、鉴定、预育种和基因组利用对于释放高粱的生物多样性以改良气候适应性作物至关重要（ICRISAT, 2022）。因此，克服这些制约因素需要通过综合的保护-利用框架战略性地利用高粱的生物多样性。基因组选择、标记辅助育种、GWAS和预测性育种可以加速从多样化种质中识别和应用适应性等位基因，而基因编辑可以有针对性地改进关键的抗逆性状（Wang等人, 2024）。多环境测试和高通量表型分析可以识别目标农业生态系统中的稳定、气候适应性强的基因型（Rao等人, 2018）。加强种子系统和参与式育种对于提供符合农民偏好和生产环境的本地适应品种至关重要（Rao等人, 2018）。基于社区的原位保护可以防止地方品种和宝贵适应性多样性受到遗传侵蚀（Begna等人, 2024）。综合来看，整合保护、先进育种、以农民为中心的选择和有效的种子供应对于开发适应性栽培品种、加强种子系统以及在日益不确定的气候条件下维持粮食和生计安全至关重要（ICRISAT, 2022）。本综述的目的是综合高粱的遗传、农艺形态、生理和抗逆多样性，评估其对气候适应性农业和粮食安全的贡献，并通过先进技术和抗逆种子系统确定其有效保护、育种和应用的策略途径。

**高粱生物多样性**：高粱的生物多样性涵盖了Sorghum bicolor及其野生亲本的广泛遗传、形态和生态变异（Chadalavada等人, 2021）。这种多样性是通过长期进化、驯化和农民在多样化农业生态区的选择形成的（Girma等人, 2020）。从萨赫勒到热带低地的各种地方品种显示出对气候和土壤条件的强适应性（Girma等人, 2020）。这些适应性差异增强了高粱在生长和抗逆性方面的能力。

**智能农业中的高粱生物多样性**：遗传多样性对于培育具有理想性状和新产品特性的新品种至关重要，从而促进智能农业的发展（Begna T, 2026）。高粱是一种高度适应性强的谷物，具有丰富的遗传多样性，支持智能农业。其生物多样性包括适应各种农业生态条件（尤其是干旱和半干旱地区）的多种地方品种、改良品种和杂交品种（Kebede等人, 2021）。

**结论**：高粱的生物多样性是气候适应性农业的重要遗传资源。它的遗传、生理和生态多样性使其能够抵抗干旱、高温和降雨不规律。这种多样性使高粱能够在边际和易受胁迫的农业生态系统中保持生产力。地方品种、野生亲本和改良种质蕴含了抗逆性、资源利用效率、物候和营养质量的宝贵变异。这些资源为智能农业的发展提供了基础。

**伦理批准和临床试验声明**：不适用。

**发表同意声明**：不适用。