高粱雜交種籽粒中功能元素含量差異及相關性分析

朱立勛，郭志強，趙立松，尹夢嬌，陳佳靜，張 汝，范佳利，楊博慧，梁月秀，馮 凡，郝艷平，李 濤，張春亮，呂晉慧，李新基，張春來

（1.山西農業(yè)大學農學院，山西太谷 030801；2.山西農業(yè)大學林學院，山西太谷 030801；3.陽泉市錦圣林源林業(yè)科技有限公司，山西平定 045200）

高粱（Sorghum bicolor（L）Moench）是世界上第五大谷類作物[1]，是非洲和一些亞洲國家如印度的主食，在糧食安全上具有重要地位。高粱也是我國的重要谷類作物。王富德等[2]研究認為，我國高粱種植最早可追溯到新石器時代?，F(xiàn)在我國傳統(tǒng)的米、面等全谷物制作的主食已經越來越精細化，但這有利有弊，過度精細化也使得谷物的營養(yǎng)流失。而高粱作為雜糧因為富含葡聚糖、氨基丁酸、含氧胡蘿卜素、葉黃素、戊聚糖、低聚木糖等營養(yǎng)物質，日常增加高粱攝入，可以很好的彌補日常食用精米面營養(yǎng)缺失的狀況[3-4]。同時，高粱面還含有較多的粗纖維，有利于人的身體健康。

高粱的營養(yǎng)豐富，含有多種人體日常必需的微量元素，如Fe、Zn、Se、Mn 等。當前，我國居民微量元素日常的攝入存在很多不足，因性別差異、年齡差異、體質差異，缺少微量元素表現(xiàn)得各不同，但不可否認的是微量元素的缺少或過高都會對人體產生負面影響?，F(xiàn)代醫(yī)學研究證明，高粱的多酚具有氧化隔離、抗誘變、抗癌、消炎等功效，已在藥物、彩妝護膚品等領域中得到廣泛的應用[5]。在食品加工業(yè)中，高粱紅色素已批準加入我國食品添加劑目錄[6]?，F(xiàn)階段生產生活中采用的粒用高粱主要是雜交種，常規(guī)種質在部分糯性高梁應用較少[7]，而高粱節(jié)水的特點也方便水資源短缺地區(qū)種植[8]，有利于調整農業(yè)種植結構和幫助農民致富。

從用途上將高粱劃分為粒用高粱、飼用高粱、甜高粱及帚高粱四大類。粒用高粱的谷粒可以供食用，在我國主要用來釀酒和造醋，也可加工成餅干、饅頭甚至酸奶[9]。韋瑛[10]研究認為，育良種才能建立穩(wěn)定的甜高粱生產基地拓展深加工產業(yè)，還可以解決國內大部分粒用高粱品種植株偏高，不易進行機械化收獲；因穗柄較短、旗葉鞘較長導致“鞘包穗”現(xiàn)象發(fā)生[11]。飼用高粱雜交種目前親本系的選育著重于蛋白質含量高、富含微量元素、低單寧、脂肪和總淀粉含量中等的品種[12]。胡廣甫等[4]通過比較玉米、蕎麥、小米、燕麥、高粱5 種雜糧中功能元素含量，發(fā)現(xiàn)高粱的鐵元素含量最高。所以，日常餐飲生活中可以多食用含鐵量高的高粱。雖然關于作物中營養(yǎng)元素含量的相關研究很多，但是高粱籽粒中營養(yǎng)元素含量的相關報道還較少。

山西省是重要的高粱種植區(qū)，本試驗通過對12 個高粱品種的礦物元素含量進行測量和分析，進行品種差異顯著性比較和相關性分析，旨在為創(chuàng)制優(yōu)質的高粱種質資源和組配雜交種提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

高梁試驗材料有晉雜12 號、晉雜15 號、晉雜20 號、晉雜25 號、晉雜30 號、晉中405 和配制的雜交組合（V4A×011-59、6A×33、623A×014-33、晉雜22 晚、晉30 晚、623A×014-33 晚），均由山西農業(yè)大學作物基因組與分子育種實驗室提供。

1.2 試驗地概況

試驗于2019 年5—11 月在晉中市太谷區(qū)山西農業(yè)大學農學院申奉試驗站進行。試驗地前茬作物為玉米，土壤為碳酸鹽褐土，0～20 cm 土層內有機質為20.24 g/kg，堿解氮為49.93 mg/kg，有效磷18.27 mg/kg，速效鉀為263.4 mg/kg，pH 值為8.13。

1.3 試驗方法

高粱播種前統(tǒng)一旋耕施基肥，5 月中旬播種出苗后，按行距0.55 m、株距0.16 m 進行間苗。每個品種播種3 行，行長6.5 m，各品種設3 次重復。

1.4 測定項目及方法

在ICP-MS 方法上改進了試驗方法[13]，以便更好的進行樣品制備和樣品處理。

具體方法：高粱成熟后，按品種分別收獲高粱籽粒3 穗，脫籽粒、干燥、研磨、過篩子，封存。在消煮管中放入稱好的2.0 g 樣品，然后再加入15 mL HNO3-H2O2（體積比為4∶1）混合酸液，預處理一夜。加熱消煮管至樣品完全溶解后，再調節(jié)消解溫度為220 ℃消煮至無色。設置溫度為160 ℃，在EDH-24 趕酸儀中進行趕酸，直到沒有白煙冒出，隨后進行冷卻，定容至50 mL 容量瓶中。用iCAPQ感應耦合等離子體質譜儀測定溶液中Fe、Zn、Se、Mn、Cu、Cd、As 等元素含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗使用Microsoft Excel 2010 統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理、制作表格圖形；用SPSS Statistics17.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA）。

[7]陳寶生：《堅持以本為本推進四個回歸--建設中國特色、世界水平的一流本科教育》，http://news.cslg.edu.cn/index/read/id/77521.

2 結果與分析

2.1 高粱雜交種籽粒中功能元素含量的測定結果

為比較各品種籽粒的營養(yǎng)價值，測定了Fe、Zn、Se、Mn 等7 種元素的含量（表1），因Cd、As、Cu為污染元素且含量均未超標，未列出。

從表1 可以看出，12 個品種高粱籽粒中Fe 含量平均值為45.43 mg/kg，變異系數(shù)為43.10%。Fe 含量最高的是623A×014-33 晚，晉雜20 號居第2，分別為62.39、60.77 mg/kg；Fe 含量為35～55 mg/kg的材料有7 份，占比為58.33%，分別為V4A×011-59、晉雜12 號、晉雜15 號、晉雜22 晚、晉雜25 號、晉雜30 號和晉中405，6A×33 的Fe 含量最低（23.92 mg/kg）。

表1 高粱雜交種籽粒中4 種元素含量 mg/kg

高粱雜交種籽粒中Mn 含量的平均值為17.46 mg/kg，變異系數(shù)為15.90%。Mn 含量最高的是晉雜15 號，晉雜22 晚居第2；Mn 含量為15～19 mg/kg的材料有7 份，占比為58.33%，分別為V4A×011-59、晉雜12 號、晉雜20 號、晉雜25 號、晉雜30 號、623A×014-33 晚、晉30 晚。晉中405的Mn 含量最低（13.64 mg/kg）。

高粱雜交種籽粒中Zn 含量的平均值為15.76 mg/kg，變異系數(shù)為10.36%。Zn 含量最高的是晉雜15 號，623A×014-33 晚居第2；Zn 含量為14～19 mg/kg 的材料有10 份，占比為83.33%，分別為V4A×011-59、晉雜12 號、晉雜20 號、晉雜22 晚、晉雜25 號、晉雜30 號、623A×014-33、晉30 晚、623A×014-33 晚、晉中405。6A×33 的Zn 含量最低（11.70 mg/kg）。

12 個品種高粱雜交種籽粒中Se 含量的平均值為0.17 mg/kg，變異系數(shù)為17.18%，Se 含量最高的材料是晉雜15 號，晉中405 居第2；Se 含量在0.15～0.19 mg/kg 的材料有7 份，占比為58.33%，分別為V4A×011-59、晉雜22 晚、晉雜25 號、晉雜30 號、623A×014-33、623A×014-33 晚、晉30 晚。6A×33 的Se 含量最低（0.13 mg/kg）。

總體來看，晉雜15 號籽粒中4 種元素含量都很高，Mn、Zn、Se 含量都居第1，6A×33 的Fe、Zn、Se 含量都是最低。

2.2 高粱雜交種籽粒中功能元素含量的單因素方差分析

由表2 可知，對12 個品種（系）籽粒中Fe 元素含量的單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，不同品種（系）對Fe元素含量的差異不顯著。

表2 12 個品種（系）Fe 含量的單因素方差分析

對12 個品種（系）Zn 元素含量的單因素方差分析（表3）發(fā)現(xiàn)，不同品種（系）對Zn 元素含量的差異都達到了顯著水平（P≤0.05）。對12 個品種（系）Se 元素含量的單因素方差分析（表4）發(fā)現(xiàn)，不同品種（系）對Se 元素含量的差異不顯著。

表3 12 個品種（系）Zn 含量的單因素方差分析

表4 12 個品種（系）Se 含量的單因素方差分析

對12 個品種（系）Mn 元素含量的單因素方差分析（表5）發(fā)現(xiàn)，不同品種（系）對Mn 元素含量的差異不顯著。

表5 12 個品種（系）Mn 含量的單因素方差分析

綜上，不同品種（系）籽粒中Fe、Mn、Se 元素含量差異不顯著，對Zn 差異顯著，表明不同品種對Zn 含量影響很大。

2.3 高粱雜交種籽粒中功能元素的含量相關性分析

通過對12 個高粱品種（系）7 種元素的含量進行相關性分析（表6），F(xiàn)e 與Mn、Zn、Cu 間有極顯著的正相關關系（P≤0.01），F(xiàn)e 與Se、Cd 和As 間元素存在負相關關系，差異不顯著。

表6 高粱籽粒中微量元素含量的相關性分析

Zn 與Fe、Se、Cu 和As 元素之間有極顯著的正相關關系（P≤0.01）。Mn 與Zn 和Cu 呈顯著正相關，Se 和As 之間存在正相關關系，差異不顯著。Cd與As 呈較強正相關，與Fe 呈較強負相關，與其余4 種元素關系較弱；As 與Zn 和Se 存在極顯著的正相關關系（P≤0.01）。

以上研究表明，高粱雜交種對Fe、Mn、Zn 和Cu元素之間的吸收、轉運或積累有協(xié)同作用，育種選擇高Fe 元素含量時，Mn、Zn、Cu 元素含量很可能也得到提高；Fe 與Se、Cd 和As 元素之間存在負相關，可能存在拮抗作用，育種選擇高Fe 元素含量時，可能會導致Se、Cd 和As 含量的降低；Cd 與As是污染元素，呈較強正相關，育種中可同時選擇兩元素較低的材料。As 與Zn 和Se 存在極顯著的正相關，說明高粱吸收、轉運或積累這3 個元素有協(xié)同作用，育種上提高Zn 和Se 的含量很可能會提高As 的吸收，因此要適度。

3 討論

3.1 微量元素鐵、鋅、硒、錳對人體的影響

Fe、Zn、Se、Mn 等是人體不可缺少的微量元素，固然微量元素在人體中占比很?。?.01%以下），但卻是人體內不可或缺的生理活性物質，缺乏或不足都影響身體健康。不同性別、年齡、體質的人這些微量元素如果缺乏或過高，都會使人體產生、誘發(fā)疾病或者生理異常[14]。

鐵是重要的微量元素，參與身體中的多種生物化學反應，機體中許多蛋白質的合成需要鐵元素的參與。胡廣甫等[4]通過比較玉米、蕎麥、小米、燕麥、高粱等5 種雜糧中功能元素含量，發(fā)現(xiàn)高粱中鐵元素含量最高。所以，在日常生活中，可以多食用高粱來補充鐵元素。

楊冬華[15]研究表明，鋅元素的缺乏與兒童的低體質有密切的聯(lián)系。鋅缺乏可引起兒童發(fā)育不良。鋅元素對大腦發(fā)育非常友好，被譽為“最聰明的元素”，鋅元素供應量不足會導致生長發(fā)育不良。國人膳食鋅元素來源為糧食類（米面及制品），因此，高粱鋅元素含量的研究有助于篩選鋅含量高的優(yōu)良品種。

硒是人和動物不可缺少的功能元素，在人體中含量極少，只有3～20 mg[16]。近年來，硒因具有預防多種癌癥的作用而聲名鵲起，成為礦物質微量元素中的熱點，并被譽為“生命火種”、“抗癌之王”、“生命的奇效元素”。我國的硒分布極不均勻，全國72%的地區(qū)硒含量低，土壤缺硒必然會導致對硒的吸收量低，進而影響人體硒的攝入。人體主要靠食用植物硒來積累硒元素，食用含硒的食物增加人體膳食中硒的攝入量，是缺硒地區(qū)人群補硒的重要途徑之一[17]。因此，培育富硒高粱將成為人們補硒的優(yōu)良選擇。

錳元素在人體的骨骼發(fā)育、新陳代謝還有酶的合成中有著重要作用。錳是機體造血的原料和調節(jié)因子，能促進傷口的愈合，還有抗衰老和預防癌癥的作用。錳元素多集中在谷物的表層和胚，精制的谷物錳元素含量低于粗制的谷物，所以，不能一味追求細膩的口感，日常飯食中要注重粗細搭配，將高粱和細糧結合食用。

微量元素等的缺乏已經成為影響人們身體健康的重要因素之一[18-19]。徐娟等[20]研究表明，在大米、小米等8 種谷類食物中除薏仁米外，高粱的微量元素豐富度最高。王廣西等[21]研究發(fā)現(xiàn)，黑豆、高粱、蕎麥、紅豆、燕麥、綠豆5 種雜糧中Mn、Fe、Cu、Zn 等4 種元素中Fe 元素含量最高，這與本試驗結果相符。

3.2 高粱雜交種微量元素含量的差異

高粱籽粒為食材和食品加工原料，微量元素對加工工藝的影響還有待明確，品種和栽培措施都會影響籽粒中微量元素的含量。通過遺傳育種和生物技術改進籽粒的品質是高粱育種的主攻方向。研究不同高粱品種功能元素的吸收、轉運和積累，有利于更好地掌握品種特性，篩選優(yōu)異的高粱種質資源和雜交種。本研究表明，晉雜15 號的Zn、Se、Mn 含量均最高，F(xiàn)e 含量較高的是623A×014-33 晚和晉雜20 號，6A×33 的Fe、Zn、Se 含量都是最低。要生產高營養(yǎng)品質的高粱籽粒，可考慮選用晉雜15 號、623A×014-33 晚和晉雜20 號等品種。

高粱對Fe、Mn 和Zn 元素之間的吸收、轉運或積累有協(xié)同作用，育種選擇高Fe 元素含量時，Mn、Zn 元素含量很可能也得到提高；Fe 與Se、Cd 和As元素之間存在負相關，可能存在拮抗作用，育種選擇高Fe 元素含量時，很可能降低Cd 和As 含量，但會導致Se 含量的降低；Cd 與As 是污染元素，呈較強正相關，育種中可同時降低。As 與Zn 和Se 存在極顯著的正相關，說明高粱吸收、轉運或積累三元素有協(xié)同作用，育種上提高Zn 和Se 的含量，很可能也會提高As 的吸收，因此，要適度權衡處理。不同高粱雜交種間Zn 元素差異極顯著，這與前人的結果一致。Fe、Mn、Se 元素的含量差異性不顯著，可能是由于試驗地內不同位置的元素含量存在較大差異，其次籽粒中個別元素含量太低，測試結果不夠準確，產生了較大誤差造成的。

雜交種組配時，要選擇功能元素較高的親本，利用雜種優(yōu)勢，培育出功能元素高、污染元素含量低的優(yōu)良品種，本試驗為高粱雜交種的微量元素生物強化育種和協(xié)調改良提供了信息。

4 結論

Fe、Zn、Mn 和Cu 等4 個元素之間存在極顯著的正相關，有協(xié)同吸收或運輸作用，F(xiàn)e 與Se、Cd 和As 元素之間存在負相關，As 與Zn 和Se 存在極顯著的正相關。發(fā)現(xiàn)的元素間協(xié)同吸收或運轉作用為高粱功能營養(yǎng)育種提供了理論依據(jù)。