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科学普及 | 糖甜菜:“甜美基因”让生活更甜


2021年05月19日

科普中国(官网尺寸160,100).jpg

人们都喜欢吃糖,比如白砂糖、绵白糖以及冰糖等等,吃糖能给人带来幸福感,通常我们所说的糖指的是蔗糖,而蔗糖只来源于两种作物,一种是热带地区的甘蔗,另一种就是温带和寒温带地区的糖用甜菜。糖甜菜属苋科、甜菜属,具有耐旱、耐寒及耐盐碱等特点。甜菜栽培种主要包括糖用甜菜、食用甜菜、饲用甜菜和叶用甜菜4类。糖用甜菜与甘蔗同为我国主要的糖料作物,其块根是贮存糖分的主要部位,含糖率一般在16%-20%之间。在我国糖用甜菜现主要分布于北纬40°以北,包括东北、华北、西北三个产区,新疆、内蒙古、黑龙江、河北以及甘肃为主要产地。除用于制糖之外,其副产物可以用于饲料、制备酵母,具有较高的综合利用价值。糖用甜菜也是4类栽培甜菜中种植面积最大、总产值最高的栽培类型。

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糖用甜菜种植

从作物驯化角度来看,甜菜具有悠久的驯化史。甜菜最早起源于地中海沿岸地区,公元前1000年希腊、西西里、叙利亚和波斯等地叶、根食用甜菜就开始广泛种植。阿里斯托芬(公元前445年-385年)和欧里庇得斯(公元前480-406年)的文学作品中就有描述人们种植和食用甜菜的记录。随着甜菜种植在欧洲不断传播,甜菜拉丁名Beta被林奈命名为甜菜属名。17世纪初,柏林科学院发现当地栽种甜菜中含有类似于甘蔗中的糖分结晶,糖用甜菜逐渐成为甜菜育种的主要方向。1801年,阿查德受到威廉三世的支持,在西里西亚的库内恩建立第一座甜菜糖厂。19世纪,糖用甜菜品种不断改良,含糖量从4%逐步提升至18%。法国、俄国、德国、美国等国开始建立甜菜糖厂,全球甜菜糖业开始蓬勃发展。

甜菜在叶绿体里进行光合作用,形成蔗糖,通过叶绿体进行运输,薄壁细胞是甜菜根中储存蔗糖的部位。蔗糖储存在薄壁细胞液泡中,通常占细胞体积的95%。糖甜菜块根中一般水分占75%,干物质占25%,其中蔗糖的含量在16%-20%左右,其余为非糖分,非糖分包括不溶性的纤维素、半纤维素以及果胶,可溶性物质包括含氮物、灰分、还原糖以及有机酸等等。

我们通常所说的甜菜种子实际上为果实,最早的甜菜品种是多胚种,也叫多粒种,也就是一粒种子含有多个胚,这样的种子由于能长出3棵及以上的苗,所以需要进行间苗和定苗,每年需要大量的人工投入。甜菜最早的育种方法主要是利用混合选择以及系统选择的方法进行选择育种;1953年开始利用秋水仙素将甜菜的染色体进行加倍成四倍体,然后利用四倍体和二倍体进行混合杂交的育种方法,所获得的品种为二倍体、四倍体和三倍体的混合品种。1942年美国的欧文发现了甜菜核质互作的雄性不育系,1948年萨维茨基发现了遗传单胚甜菜种,单胚种只有一个胚,外形像五角星,将单胚和雄性不育结合后,才开始了真正意义上的单胚杂交育种;目前全世界的甜菜种子基本上都是三交种,采用单胚保持系给另外一个异质单胚不育系授粉,获得的种子作为母本,再用另外一个具有优良性状的多胚父本与之前收获的F1代授粉,就得到了生产上应用的甜菜三交种。世界上三大甜菜育种公司分别为德国的KWS SAAT 公司 、丹麦的 MariboHilleshog ApS以及法国的SES Vanderhave公司,在我国种植的甜菜品种绝大多数来源于这三家育种公司,我国目前在甜菜育种材料、育种方法、育种规模以及单胚种的丸粒化加工技术等方面均与国外育种公司具有较大的差距,尤其是丸粒化加工技术。

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1906年,我国开始从德国引入糖用甜菜试种;1909 年,我国建立第一座甜菜糖厂——黑龙江省阿城糖厂。20世纪中期,我国甜菜栽培和甜菜制糖业渐入佳境,全国糖料作物形成“南蔗北菜”的分布。20世纪90年代,无论栽培面积,还是甜菜总产都达到了历史的最高峰。这期间全国甜菜种植面积保持在60-70万公顷, 平均年产甜菜1376万吨。此时期,全国甜菜主产区主要位于黑龙江省,每年种植面积可达500万亩,年产甜菜超过600万吨。进入21世纪以来,由于国外甜菜种业公司进入中国市场、国内种植业结构调整、国家政策的变化,甜菜种业和甜菜糖业发生较大变化。内蒙古甜菜产业发展迅速,已成为我国最大甜菜产区,最近几年面积持续在200万亩以上。其次为新疆,每年面积维持在100万亩左右。黑龙江甜菜产区这几年糖厂不断整合,甜菜种植主要集中于齐齐哈尔的依安县周边,依安甜菜已成为黑龙江省农产品地理标志。目前,我国甜菜种植面积每年基本保持在360万亩左右,主要种植区域已由黑龙江省拓展至东北、华北、西北地区。

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20世纪我国甜菜生产(图片来源于网络)

甜菜产业是现代农业的重要标志,在调整农业结构、增加农民收入、拉动地方经济发展方面发挥了积极作用,甜菜目前也是保障我国食糖安全不可或缺的作物。我国甜菜生产仍具有较大的发展潜力,东北地区土地肥沃,昼夜温差大,有利于甜菜生长和糖分积累;西北地区甜菜生产具有地缘优势,甜菜单产始终处于我国领先地位,并且超过世界甜菜单产平均值。

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甜菜种植全程机械化作业(右侧图片来源于网络)

甜菜主要种植区黑龙江、内蒙古和新疆耕地面积 4 亿多亩,尤其是黑龙江省耕地面积达 2.39 亿亩,占全国耕地面积的十分之一,广阔的耕地为发展甜菜生产奠定了坚实的物质基础。同时,甜菜种植可实现从播种到采收全程机械化作业,使得甜菜糖生产成本较甘蔗糖低 500-800 元/吨。北方耕地面积大、土地平整,甜菜种植机械化水平高等有利因素,将促进甜菜产业的有序发展,甜菜糖有望成为未来我国食糖供给的主要来源。


出品:科普中国

撰稿:吴则东(黑龙江大学现代农业与生态环境学院 副研究员)、邳植(黑龙江大学现代农业与生态环境学院 副研究员)

监制:下载彩民之家61888 光明网科普事业部

统筹:程维红 徐琴

策划:宋雅娟 赵清建