菊芋基因组方面的研究进展摘要：当今社会经济飞速发展，人们的生活越来越好，但同时也引起了地球上各种严重的能源问题，因此人类急需探索出新的能源来维持经济的发展及人类自身的生存。

因此越来越多的能源植物被提上研究的日程，而菊芋就是其中的一种比较有发展前景的能源植物。

本文主要介绍了近些年来能源植物菊芋的基本概述、特点、用途及研究价值、进展，包括凝集素基因、金属硫蛋白htMT2基因、Na+／H+逆向转运蛋白基因等，并对菊芋今后的发展进行了展望。

关键词：菊芋能源凝集素 Na+／H+逆向转运蛋白金属硫蛋白htMT2 展望Jerusalem artichoke genome research progressAbstract：Rapid economic development in today's society，people's lives were better，but it also caused the earth with serious energy problems，sohuman being need to explore a new energy to sustain economicdevelopment and the survival of human beings。

Thus more and moreenergy plants is put on the agenda，and Jerusalem artichoke is one of amore promising energy plants。

This paper introduces the energy plants inrecent years，a basic overview of Jerusale m artichoke’s characteristics，uses and research value，progress，including the lectin gene，metallothionein htMT2 gene，Na+／H+ antiporter genes，and the futuredevelopment of the Jerusalem artichoke Prospect。

Key words：Jerusalem artichoke Energy Lectin Na+／H+ antiporter Metallothionein htMT2 Prospect。

随着世界经济持续快速的发展，各国对能源的需求日益剧增，而化石燃料资源毕竟有限，因此能源危机成为人类逐渐面临的巨大危机。

据统计，以目前世界已探明的矿物能源，煤炭资源尚可开采100年，天然气50～60年，地球上石油的存量已不足2 000亿吨，在100多年后将被消耗完。

科学家们预测，能源消费将在未来20年内还将以平均2%的速度增长[1]。

同时因煤炭、石油、天然气等石化能源燃料燃烧时所产生的有害物质导致一系列诸多的生态问题，严重影响着国家的资源安全，社会经济持续发展和威胁着人类的生存。

在巨大的能源危机和环境污染的压力下，世界各国开始将目光聚焦到洁净的可再生能源的开发上[2]。

这时全世界的目光开始落在菊芋的身上：能源植物是可再生能源开发的重要资源对象，是最有前景的生物质能源之一[3]。

因此，研究开发能源植物具有相当重要的意义。

1、菊芋的概述：菊芋又叫菜姜、洋姜、姜不辣，属菊科向日葵属草本植物，其学名是Helianthus tuberosus Linn。

菊芋原产北美，经欧洲传入中国。

其叶卵形、先端尖、绿色、互生。

头状花序,花黄色。

块茎一般为可食用部分，无周皮，有毛，呈纺锤型或不规则瘤型；依块茎皮色可分为红皮、黄皮和白皮三个类，质地细致、脆嫩；地下块茎直立、扁圆形、有不规则突起，茎高2～3m。

富含菊糖等果糖多聚物，是最具有代表性的菊粉植物，而它的地上部分富含纤维素，是重要的生物能源植物[4]。

菊芋既可凉拌、做沙拉，又可腌制酱菜等，且其成分还有重要的药理作用，被美国防癌协会列为30种有防癌作用的蔬菜之一。

在我国江浙、内蒙、东北、河南、河北等广大地区均有栽培，因其适应性强且表现出有耐贫瘠、耐寒、耐旱、种植简便等多种优点，所以可一次播种多次收获，所得产量相当高。

2、菊芋的特点：菊芋耐寒、耐旱能力特强。

干旱、缺水的荒漠中，即使旱情很重，菊芋也能利用自身的养分和水分供萌芽生长，同时生出大量根系，伸向地下各处寻找养分和水分，供给小苗生长。

在新生根系可供给小苗生长的情况下，块茎中的养分、水分还可再储备，特别是在雨季，块茎、根系会贮存大量的水分，以备干旱时供给叶茎生长。

菊芋地上茎和叶片上长有类似茸毛的组织，可大大减少水分的蒸发。

当干旱严重到一定程度时，地下茎会拿出尽可能多的养分、水分供给地上部分茎叶生长，待块茎营养消耗殆尽时，地上茎死亡，但地下茎次年仍可以再生长出新苗来[5]。

菊芋繁殖力强。

一次播种后，荒漠上的菊芋将永久生存，并以每年20倍以上的增长速度扩张，因此荒漠上的菊芋面积会逐年增加，同时又可从中采收部分块茎，作为种子使用，进一步扩大种植面积；另外，在生长期较长的地区还可收获部分菊芋籽，其发芽率可达100%，即使没有收获菊芋籽,它也会随风传播到其他的荒漠地区[6]。

3、菊芋的作用与价值：3、1、菊芋能保持水土：菊芋的根系相当发达，每株菊芋都有上百根长达0.5～2m的根系深深地扎在土中。

前面已说过，菊芋可以每年20倍的速度繁殖扩张，不出2～3年时间就会在地表形成一层由菊芋的茎和根系编织而成的防护网络，从而有效牢固住了地表层的水土。

夏秋季节植株顶部遍开盘状黄花，形如菊，兼有美化作用[7]。

由于菊芋耐旱、耐寒、可自我繁殖,加之无任何病虫害，因此生态型的菊芋只要把菊芋种上就基本不用作特别管理，只需管理粗放即可。

除种植、收获时需要人工外，无需其它投入，成本低、见效快[8]。

3、2、菊芋可防风固沙、改良土壤：大面积种植菊芋可以起到防风固沙、改良土壤的作用。

荒漠地区风大、干燥、沙土流动性强，但菊芋能在较深的沙土中顶出地面，只要覆盖的沙土厚度不超过0.5m，菊芋都能正常萌发。

为了避开春季风沙覆盖，春播尽可能晚一些进行。

秋季菊芋即将成熟或已成熟时，凭借它们密麻的地上茎形成一片低矮的防护带，加之其根系的牢固抓沙能力，以及随着地下块茎增多、重量加大对沙土产生的强大压力，共同起到固沙作用[9]。

按照一定的株行距栽植菊芋组成的防风带，相当于人工在沙地建造的防沙屏障，菊芋根系团能固定部分沙土，从而使流沙表面相对稳定，起到防风固沙的效果。

3、3、菊芋是不可多得的生态经济型植物：亩产块茎可达1 500kg左右，一般种后第三年就可以收获。

它的块茎既可食用，也可以通过深加工制成淀粉、菊糖、食品添加剂、酒精、保健品等。

其叶和茎秆还可用做饲料。

可见，菊芋具有很大的开发利用价值，特别适合开展农业产业化经营。

据了解，种植菊芋，每亩投资仅需40～50元，而产值在 2 250.00元左右，经济效益非常之可观。

3、4、菊芋是能源植物：难得可贵的是菊芋是一种很好的能源植物，尤其在能源短缺，工业共度发达的今天，这一点显得更为珍贵。

菊芋地上茎高2～3m，粗3～5cm，近似木质，燃点高，热量大，是很好的燃料，可节约木材和煤炭，减少开支。

菊芋块茎经微生物发酵可以转化成生物质能源，每公顷菊芋每年生产的块茎可以转化成 4 500L 乙醇和碳氢燃料，同时菊芋块茎也可以作为生产原料经化学反应制备成氢能及多种化学品。

菊芋发酵后可制成酒精，被称为绿色石油，是很好的代用燃料，同时它还能提高汽油燃烧的质量[10]。

近年来 ,各地对菊芋的栽培、品种选育、营养成分及综合利用价值进行了大量的研究并取得了一些进展，同时在基因组学方面的研究也日趋深入[11]。

此外，菊芋许多其他方面的优点，受限于篇幅，不作介绍了。

鉴于菊芋集抗旱、耐寒、易繁殖、适应性广、经济用途广泛等优点于一身，很有必要对其进行基因组方面的研究。

4、菊芋的应用：4、1、菊芋中菊粉在生产酒精方面的应用：菊粉是一种贮存性多糖，含量可达菊芋块茎干重的78 %，是一种由呋喃构型的D-果糖经β(2→1)糖苷键脱水聚合而成果聚糖的混合物，其终端以α(1→2)糖苷键连接一分子葡萄糖，聚合度一般在2～60内，分子量在3 500～5 500之间。

收获季节、气候、土壤以及储藏条件等都对菊粉平均分子量和聚合度产生重要影响。

菊粉经菊粉酶水解后转化为单糖和低聚果糖。

菊粉酶是能够水解β-2，1-D-果聚糖果糖苷键的一类水解酶，学名为β-2，1-D-果聚糖酶。

有很多微生物都能产生菊粉酶，如黑曲霉、葡萄球菌等。

菊粉酶有内切型和外切型。

内切菊粉酶随机地断开菊粉链内部的糖苷键，水解产物主要为低聚果糖；外切菊粉酶作用于菊粉链的非还原性末端的糖苷键，逐一水解释放出果糖，主要产物为果糖。

从20世纪50年代开始，国外就进行了发酵菊芋生产酒精研究，到20世纪80年代已经进行了大量工作，先后报道了各种菊芋生产酒精的工艺技术，包括先酸解或用黑曲霉等微生物产生的菊粉酶水解菊粉，再利用酿酒酵母发酵生产酒精，或者将菊粉酶和酵母细胞共同固定化后同步水解发酵生产酒精，或者进行菊粉酶产生酵母与酿酒酵母的混合培养等。

目前，发酵菊芋生产酒精的研究主要集中在发酵菌株的筛选和适于工业生产发酵工艺的研究。

中国国内在这方面的研究取得一定的成果，但相对国外来说，还远远不足。

在过去几十年来，都是从菊芋块茎中生产菊粉和酒精，但是收获遍布于地下的块茎成本高，会增加深加工产品的成本。

然而存在着非传统性的块茎收获和处理[12]。

最初大量存在于茎叶中的果聚糖会在菊芋生长周期的后期转移到块茎中，叶中产生的大多数碳水化合物直到植物几乎到了其生产周期的后期才会进入块茎。

在菊芋块茎生成前，收获地上的茎，作为生物质发酵生产酒精。

因此，当茎中碳水化合物的含量达到最大时收获菊芋茎，从而避免收获地下的块茎。

在这种情况下，收获的设备和过程就基本上和收获甜高粱或玉米一样，减少了操作成本。

开花前，收获菊芋茎。

菊芋茎含有58.5%的水分和41.5%的固体物。

在菊芋茎中，总的水溶性糖含量占干重的58.7%，其中单糖占13%，蔗糖占3%，剩余的84%是果聚糖。

而且菊芋发展到这一阶段时，茎中潜在总糖含量（包括结构和非结构碳水化合物）已接近干物质含量的80%。

Ma Jose Negro 等人研究了利用菊芋茎代替块茎作为糖类来发酵生产酒精。

用水浸提菊芋茎中的菊粉，在固液比为1∶6，温度为100℃和0.05 mol/L HCl作用的条件下，可溶性糖的最大提取率为35g/L，发酵完成后最终酒精浓度为13.4g/L。

酒精产量会随着初始菊粉浓度的增加而减少。