《Sugar Tech》：Drought Conditions Differently Affect Starch Concentrations in the Stalks of Early and Moderate Maturing Louisiana Sugarcane Varieties
编辑推荐：
本研究针对甘蔗淀粉对制糖工业的不利影响，以及环境胁迫下其变化规律尚不清晰的问题，研究人员对15个商业及预商业化甘蔗品种进行了为期两年（2022-2023年）的大田试验。结果发现，2023年的干旱（平均降雨61 cm）导致所有甘蔗品种的茎秆总淀粉浓度平均显著增加28.5%，而蔗糖含量和理论可回收糖分（TRS）分别平均增加7.8%和8.4%。该研究揭示了甘蔗成熟度在其对干旱胁迫响应中的关键作用，为在气候变化背景下选育和加工低淀粉甘蔗品种提供了重要依据。
在制糖工业中，甘蔗中不起眼的淀粉微粒正悄然成为一个令人头疼的“甜蜜烦恼”。这些直径仅1-5微米的淀粉颗粒虽然为甘蔗植株自身提供能量储备，但在糖厂加工和后续精炼过程中却被视为杂质。它们不仅可能干扰糖蜜的耗竭，影响最终出糖率，还会在糖浆蒸发过程中因受热吸水溶胀，给生产工艺带来变数。更令人担忧的是，过去二十年来，进入糖厂的甘蔗原料淀粉含量在全球范围内呈现持续上升趋势。这背后有多重推手：绿色（不焚烧）收割方式的推广、新型高淀粉含量甘蔗品种的引入、化学促熟剂（如草甘膦）的施用，以及不断变化的环境条件。然而，在诸多因素中，非生物环境胁迫，特别是干旱，究竟如何影响甘蔗体内的淀粉代谢，科学界却知之甚少。这一问题在气候变化导致极端天气事件频发的当下，显得尤为紧迫。为了破解这一谜题，并为甘蔗育种和糖厂加工提供科学指导，一项深入的研究在“甘蔗之乡”美国路易斯安那州（LA）展开，其成果发表在《Sugar Tech》期刊上。
为了探究干旱对甘蔗淀粉含量的影响，研究人员在美国路易斯安那州圣加布里埃尔的LSU AgCenter糖业研究站开展了一项为期两年（2022和2023年）的大田试验。研究选择了15个商业及预商业化路易斯安那甘蔗品种作为材料，所有品种均按当地常规农艺操作，使用草甘膦（Roundup PowerMax 3?）化学促熟剂进行处理。研究人员在喷洒促熟剂后的第4、6、8、10和12周定期取样。将手工收获并剥离叶片后的甘蔗茎秆切碎，首先使用配备Matrix-F傅里叶变换近红外（NIR）光谱仪的SpectraCane 400设备，对样品的蔗糖、水分、纯度、锤度（Brix）和纤维等常规品质参数进行无损分析。随后，将切碎物料液压榨汁，对获得的甘蔗汁样品，采用一种微波辅助超声/碘量法的USDA（美国农业部）研究方法来精确测定总淀粉含量。该研究的关键在于获得了连续两年的气象数据对比：2022年被定义为正常年份（平均降雨约164 cm），而2023年则发生了显著干旱（平均降雨仅61 cm），这为研究环境水分胁迫的影响创造了天然的对照条件。数据分析采用了SAS统计软件，以评估品种、年份及采样时间等因素对各项指标的影响。
比较年度降雨数据
研究人员从研究站附近的两个气象站（Carville和Plaquemine）获取了降雨数据。2022年降雨量与二十年平均值接近，被视为正常年份。而2023年则发生了严重干旱，特别是甘蔗生长和收获前的7、8月份降雨量急剧减少，平均气温也高于2022年，这为后续的生理和成分分析提供了明确的环境背景。如图2所示，2023年的月均降雨量自5月起显著低于常年及2022年同期，直至11月才有所回升。
甘蔗的水分、蔗糖和TRS含量
干旱条件对甘蔗成分产生了显著影响。与2022年相比，2023年所有品种的平均茎秆水分含量整体下降了1.5%，但不同品种的反应存在差异，有三个品种的水分含量不降反升。尽管水分减少，但蔗糖含量和理论可回收糖分（TRS）在2023年却分别平均增加了7.8%和8.4%（见图4和图5）。这符合植物在干旱胁迫下积累可溶性糖分以维持细胞渗透平衡的常见生理响应。
甘蔗汁中的总淀粉含量
最核心的发现出现在淀粉含量上。 在正常年份（2022年），许多品种的淀粉含量呈现随着季节推移（气温降低）而下降的预期趋势。然而，在干旱的2023年，这一趋势被彻底打破，所有品种的淀粉浓度在整个季节都持续处于更高水平（见图6）。具体而言，2023年所有品种在所有采样时间的平均总淀粉浓度比2022年显著增加了28.5%。仅有Ho 17-738一个品种的淀粉含量略有下降，而L 11-183品种的淀粉含量更是急剧增加了68.1%。研究还将15个品种按淀粉含量从高到低进行了排名，发现L 14-267（中熟品种）连续两年淀粉含量最高，HoCP 09-804（早熟品种）则排名第二。品种的成熟度特性（早熟或中熟）本身对淀粉浓度的排名没有表现出强烈的整体性影响。
各品质参数之间的关系
通过皮尔逊线性相关性分析，研究人员揭示了干旱年份各指标间关系的变化。在2023年，水分含量与淀粉浓度之间出现了微弱的负相关（R = -0.365），这暗示干旱影响了茎秆中的淀粉代谢。更有趣的是，当将早熟品种与中熟品种的数据分开分析时，发现了明显的差异。对于早熟品种，在2023年干旱条件下，水分含量与淀粉浓度呈现出极强的负相关（R = -0.891），且淀粉浓度与蔗糖、纯度等参数呈强正相关。这表明早熟品种对干旱胁迫更为敏感，其体内的淀粉与蔗糖代谢在干旱胁迫下紧密耦合。相比之下，中熟品种的各项参数间的相关性在干旱年份变化不那么剧烈，显示其对干旱的耐受性更强。
结论
这项为期两年的大田研究清晰地表明，干旱胁迫会显著提高路易斯安那甘蔗茎秆中的淀粉浓度，平均增幅高达28.5%。与此同时，蔗糖和理论可回收糖分（TRS）也有所增加，这可能是植株的一种渗透调节适应机制。研究最重要的发现之一是，甘蔗品种的成熟度特性在其对干旱的响应中扮演了关键角色：早熟品种比中熟品种更容易受到干旱的影响，表现为其淀粉积累与水分亏缺的关联更为紧密。这一结论对于甘蔗产业具有多重重要意义。首先，它警示在干旱频发的气候背景下，进入糖厂的甘蔗原料可能含有更高的淀粉，这会增加糖厂加工难度和精炼成本，因为淀粉，尤其是不溶性淀粉，更难被加工过程中的淀粉酶（α-amylase）有效水解。其次，该研究为甘蔗育种提供了明确方向：在选育新品种时，尤其是在易旱地区，除了关注蔗糖产量和抗病性，也需要将“低淀粉含量”和“对干旱胁迫下淀粉积累不敏感”作为重要的品质和抗逆性状进行筛选。最后，该研究填补了关于环境因子（特别是干旱）如何影响甘蔗加工品质性状的知识空白，使农学家和加工者能够更好地预测不同气候年份下原料的质量，并提前调整加工工艺策略，例如优化淀粉酶添加的时机和剂量，从而在全球气候变化挑战下，更可持续地保障蔗糖产业的稳定与高效生产。
