甜高粱種質(zhì)資源可溶性糖的積累規(guī)律研究

余 婕， 張 紅， 劉 婷， 詹秋文， 石 松， 杜軍利， 王 歆， 鄭甲成

(安徽科技學(xué)院 農(nóng)學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

甜高粱(

Sorghum

bicolor

L. Moench)起源于非洲，禾本科高粱屬一年生草本植物，是普通高粱(

Sorghum

bicolor

)的一個(gè)變種，因其不僅能產(chǎn)出高粱籽粒，莖稈中還富含糖分而得名，故稱為甜高粱或糖高粱。甜高粱是C4植物，株高可以達(dá)到3 m以上，其生物產(chǎn)量能達(dá)到63～82.5 t/hm。作為目前極具優(yōu)勢的能源作物，甜高粱吸引了世界各國科學(xué)家的目光。甜高粱具有較強(qiáng)的抗逆性和適應(yīng)性，可以適應(yīng)多種環(huán)境，種植甜高粱、開發(fā)莖稈含糖量意義重大。中國是能源消耗大國，大力發(fā)展甜高粱，可以拓展農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，緩解緊張的能源供應(yīng)，還可以減少溫室氣體排放，改善生態(tài)環(huán)境，保障國家能源安全、糧食安全和環(huán)境安全。莖稈可溶性糖含量是甜高粱品質(zhì)評價(jià)的重要指標(biāo)，對燃料乙醇的生產(chǎn)有著重要的影響，研究甜高粱莖稈可溶性糖分的積累規(guī)律對甜高粱品質(zhì)改良具有重要的意義。本研究以29份甜高粱種質(zhì)資源為材料，分析不同生育時(shí)期甜高粱可溶性糖的積累變化規(guī)律，明確可溶性糖在甜高粱不同節(jié)間的分布特點(diǎn)，比較29份甜高粱的可溶性糖含量差異，以期為甜高粱大田育種工作中親本材料的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料種植

29份甜高粱樣品由中國農(nóng)科院作物所提供，甜高粱Yuexitian和M81、普通高粱Tx623b和蘇丹草S722由安徽科技學(xué)院農(nóng)學(xué)院提供。2019年5月在安徽科技學(xué)院種植園(東經(jīng)117°33′，北緯32°52′，海拔43 m)播種，每個(gè)品種種植4行，行長3 m，行距50 cm，株距25 cm。在高粱和蘇丹草生長至苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期和成熟期時(shí)，分別收集4個(gè)品種的莖稈，測定可溶性糖含量。2020年，在安徽科技學(xué)院種植園繼續(xù)播種29份甜高粱種質(zhì)材料、Yuexitian和M81，播種條件同上，在乳熟期收集甜高粱莖稈第五節(jié)間組織。每個(gè)品種均取樣3株，作為生物學(xué)重復(fù)，-20 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 可溶性糖含量測定

采用苯酚-硫酸法，以蔗糖為標(biāo)準(zhǔn)品，制作可溶性糖含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線。利用磨樣機(jī)將收集的高粱莖桿樣品打成勻漿，測定各組高粱莖桿可溶性糖含量，每個(gè)品種設(shè)置3次重復(fù)。90%苯酚溶液(P815400，上海麥克林生化科技有限公司)、濃硫酸(南京格靈化工有限公司)和蔗糖(中科瑞泰生物科技有限公司)均為分析純。

1.3 可溶性糖標(biāo)準(zhǔn)曲線制作

以蔗糖為標(biāo)準(zhǔn)品，按照0.15 μg/mL蔗糖溶液梯隊(duì)設(shè)置可溶性糖的標(biāo)準(zhǔn)液，共設(shè)置7個(gè)濃度水平，2次重復(fù)，室溫下放置30 min，以空白為對照，利用紫外可見分光光度計(jì)(METASH V-5100型，上海元析儀器有限公司)在485 nm波長下測定吸光值，以吸光值為橫坐標(biāo)，可溶性糖含量為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，獲得標(biāo)準(zhǔn)直線方程。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，所有數(shù)據(jù)用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差和差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 可溶性糖含量與吸光度的關(guān)系

測定不同濃度的可溶性糖標(biāo)準(zhǔn)液吸光值，可以看出(圖1)，不同濃度下，吸光度值與蔗糖濃度呈直線性正相關(guān)，以吸光度為橫坐標(biāo)，可溶性糖含量為縱坐標(biāo)，求得直線回歸方程

y

=176

.

93

x

-2

.

46，線性相關(guān)系數(shù)為

R

=0

.

99(

P

<0.01)，表明此回歸方程中可溶糖含量和吸光度模擬趨勢較好，可以用來測定29份甜高粱種質(zhì)資源的可溶性糖含量。

2.2 不同生育時(shí)期高粱的可溶性糖含量分析

研究表明，在不同生育時(shí)期，甜高粱莖稈的糖分積累具有明顯差異。為了獲得29份甜高粱材料莖稈的最佳取樣時(shí)期，分別選取兩個(gè)甜高粱(Yuexitian和M81)、普通高粱Tx623b和蘇丹草S722A品種，測定不同生育時(shí)期莖稈可溶性糖含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖2)：在苗期和拔節(jié)期，甜高粱可溶性糖含量和普通高粱相差不明顯；在乳熟期，4個(gè)高粱品種的可溶性糖含量顯著增加，且甜高粱的可溶性糖含量明顯高于普通高粱，甜高粱M81的可溶性糖含量最高，乳熟期達(dá)到114.17 mg/g，是苗期的6.0倍，孕穗期的1.8倍。在完熟期，4個(gè)品種的含糖量均顯著下降，說明開發(fā)利用甜高粱可溶性糖在乳熟期可能是最適宜的取材時(shí)期，高粱生育期內(nèi)莖稈可溶性糖含量先增加后降低推測是由于高粱在前期主要是營養(yǎng)生長，糖分積累較少，在灌漿期，糖分開始大量形成并積累，乳熟期至蠟熟期達(dá)到最大值，完熟期可溶性糖逐漸轉(zhuǎn)化為淀粉，可溶性糖含量明顯降低。

圖1 可溶性糖含量與吸光度的回歸分析Fig.1 Regression analysis between soluble sugar content and absorbancy圖2 不同生育時(shí)期的可溶性糖含量Fig.2 Soluble sugar content at different development stages注:S722為蘇丹草,Tx623b為普通高粱,Yuexitian和M81為甜高粱,大寫字母表示同一品種在不同生育時(shí)期可溶性糖含量的差異顯著性水平(P<0.01)。

2.3 甜高粱莖稈不同節(jié)間可溶性糖含量比較

結(jié)果表明，甜高粱M81可溶性糖含量最高，乳熟期依次采集M81莖稈不同節(jié)間樣品，分析不同節(jié)間的可溶性糖含量變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖3)，從甜高粱地上下部第一節(jié)間至頂端的最后一個(gè)節(jié)間，總體可以分為4個(gè)水平：莖稈中部節(jié)間水平2含糖量較高，包含5、6、7、8和9五個(gè)節(jié)間，平均可溶性糖含量為98.82 mg/g，與上部水平3和頂端水平4節(jié)間之間的差異均達(dá)到顯著水平(

P

<0.05)，高于下部節(jié)間水平1可溶性糖含量，但差異未達(dá)到顯著水平。其中，第五節(jié)間可溶性糖含量最高為105.79 mg/g，與其他所有節(jié)間的可溶性糖含量差異均達(dá)到顯著水平(

P

<0.05)，頂端第十四節(jié)間可溶性糖含量最低，僅為39.70 mg/g?？梢钥闯觯鸶吡辉诳拷氩康墓?jié)間糖含量較低，而靠近地面的節(jié)間可溶性糖含量較大，推測這是由于作物莖稈成熟是從下而上依節(jié)段漸次進(jìn)行，導(dǎo)致靠近地面的中下部節(jié)間株齡相對較老，可溶性糖(蔗糖)積累豐富，靠近頂端的穗下第一節(jié)間相對幼嫩，蔗糖運(yùn)輸不完整，存在分解和再合成的步驟，可溶性糖含量較低。在后續(xù)分析中，在乳熟期，選擇29份甜高粱材料的莖稈中間節(jié)間作為可溶性糖測定的關(guān)鍵組織。

圖3 甜高粱M81莖稈不同節(jié)間的可溶性糖含量

2.4 29份甜高粱可溶性糖含量分析

在乳熟期，以甜高粱中部節(jié)間(第五節(jié)間)為材料，測定可溶性糖含量。分析發(fā)現(xiàn)不同品種莖稈可溶性糖含量具有明顯差異。采用模糊聚類法對29份品種的可溶性糖含量進(jìn)行聚類分析，在歐式距離為10時(shí)，29份甜高粱材料可明顯的被劃分為3大組(圖4)：3組之間的含糖量差異達(dá)到極顯著水平(

P

<0.01)，第3組的含糖量最高，平均為109.88 mg/g，包括7個(gè)品種(6，11，15，20，21，22和28號)，第1組組含糖量較低，平均為63.63 mg/g，包括16個(gè)品種(1，2，3，5，7，8，9，10，12，13，14，16，19，23，25和29號)，第1組的含糖量最低，平均為28.23 mg/g，包括6個(gè)品種(4，17，18，24，26和27號)，這為后續(xù)甜高粱田間育種親本選配提供理論依據(jù)。

圖4 29個(gè)甜高粱的可溶性糖含量分析

進(jìn)一步分析表明(表1)，3 個(gè)分組內(nèi)部，第1組和第3組內(nèi)的甜高粱品種大多分布于北方地區(qū)，海拔相對較高，日照時(shí)間較長，甜高粱植株生物產(chǎn)量中等，籽粒產(chǎn)量較高，糖錘度較大。第2組內(nèi)品種大多分布于我國偏南區(qū)域，光熱水資源充足，日照時(shí)間短，高粱生物產(chǎn)量較大，籽粒產(chǎn)量小，組內(nèi)品種含糖量變異系數(shù)較大，說明甜高粱在北方更適宜莖稈糖分積累。其中，21號品種含糖量最高，20號品種次之，分別達(dá)到129.7和126.6 mg/g，源產(chǎn)地均在北京，第3組含糖量最高，組內(nèi)糖分含量變異系數(shù)大，可以作為后續(xù)甜高粱育種工作中的重點(diǎn)親本材料。

表1 29份甜高粱不同分組間可溶性糖含量方差分析和農(nóng)藝性狀特點(diǎn)

3 結(jié)論與討論

甜高粱是最具優(yōu)勢的生物能源作物之一，隨著能源短缺形勢加劇，發(fā)展可再生新能源迫在眉睫。甜高粱生物產(chǎn)量大、莖稈乙醇轉(zhuǎn)化率高、抗逆性強(qiáng)，可生產(chǎn)酒精，代替化石能源。然而，甜高粱地方品種混雜，優(yōu)質(zhì)品種較少，缺乏系統(tǒng)的研究，獲得生物產(chǎn)量高、含糖量豐富的新品種是甜高粱育種的主要目標(biāo)。

本研究中，高粱莖稈可溶性糖積累最豐富的時(shí)期在乳熟期，且乳熟期含糖量與苗期、拔節(jié)期、孕穗期和完熟期之間均達(dá)到極顯著差異水平，這與劉曉輝等研究的關(guān)于甜高粱糖分積累動(dòng)態(tài)變化趨勢相一致。五個(gè)生育時(shí)期內(nèi)，除了M81以外，其他3個(gè)高粱品種前期可溶性糖的積累均相對緩慢，乳熟期糖分積累速度迅速加快，完熟期莖稈含糖量明顯下降，這可能與甜高粱后期糖分轉(zhuǎn)化為淀粉或者蔗糖的新陳代謝消耗有關(guān)，且本試驗(yàn)完熟期取樣過晚，莖稈趨于干枯也會(huì)影響可溶性糖的測定，有必要進(jìn)一步深入研究。

前人針對甜高粱的性狀和生長表現(xiàn)開展研究，對其含糖量和蛋白質(zhì)含量進(jìn)行了測定，認(rèn)為甜高粱莖稈的不同節(jié)位含糖量不同。本研究通過對甜高粱M81不同節(jié)間的可溶性糖分積累規(guī)律分析發(fā)現(xiàn)，M81莖稈糖分的積累在各個(gè)節(jié)間有差異，中、下部節(jié)間可溶性糖含量較豐富，暗示甜高粱莖稈糖分的積累可能以中下部為主，且隨著節(jié)間向穗部延伸，頂部節(jié)間含糖量降低，這可能是由于生育后期甜高粱轉(zhuǎn)為生殖生長，大部分營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸都偏向于穗部器官。29個(gè)甜高粱品種中，6、11、15、20、21、22和28號7個(gè)品種含糖量較豐富，其中20和21號品種含糖量最高，2個(gè)品種原產(chǎn)品均為北京，北京地區(qū)土壤綜合肥料較好，年日均溫度大于10 ℃，該區(qū)域光熱資源豐富，雨量適中，是我國最重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，適宜開發(fā)種植甜高粱。在后續(xù)試驗(yàn)中，可將20和21號品種作為親本材料，重點(diǎn)雜交選育，獲得優(yōu)質(zhì)甜高粱新品種。

甜高粱作為能源作物在世界范圍內(nèi)廣受關(guān)注，但目前對于甜高粱的空間分布及乙醇生產(chǎn)潛力尚缺乏專門的定量研究，在適宜性較差和較適宜的未利用地區(qū)種植甜高粱，應(yīng)充分考慮開發(fā)成本和能源投入等問題。發(fā)展高粱生產(chǎn)有利于利用自然資源，有利于種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，有利于輪作倒茬。所以，高粱作為我國北方旱糧作物在生產(chǎn)上仍占有重要地位。本實(shí)驗(yàn)中，可溶性糖含量只能作為甜高粱有效利用的一個(gè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，后期研究中，有必要針對甜高粱灌漿期不同節(jié)間的糖分動(dòng)態(tài)積累規(guī)律和分子調(diào)控機(jī)理開展深入研究。同時(shí)，進(jìn)一步開展這些甜高粱種質(zhì)資源在株型結(jié)構(gòu)、籽粒產(chǎn)量、生物量合成等方面的研究，為甜高粱工業(yè)釀酒、飼草畜牧等方面提供理論依據(jù)。