高蛋白飼用紅麻品種篩選及飼用品質(zhì)研究

張超，黃思齊，鄧勇，李建軍，張高陽，伍應(yīng)保，滿百膺，陶杰，李德芳*

（1.上饒師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，江西 上饒 334001；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南 長沙 410205）

紅麻（Hibiscus cannabinus L.），正名大麻槿，又稱洋麻。紅麻為錦葵科木槿屬一年生韌皮纖維作物，大力發(fā)展紅麻產(chǎn)業(yè)是滿足天然纖維需求的重要途徑之一［1］。紅麻的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值已不僅僅局限于纖維，還涉及造紙、生物能源、建筑材料等方面［2-3］。在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，紅麻具有生長速度快、生物量大等特點(diǎn)，可作為畜禽飼料的價(jià)值也尤為突出，紅麻生長速度快，其葉片中含黃酮和多酚，抗蟲能力強(qiáng)，無須施藥，故紅麻葉片屬于天然綠色的蛋白飼料［4］。近年來隨著國內(nèi)畜牧業(yè)的飛速發(fā)展，飼料產(chǎn)業(yè)一躍而起，同時(shí)飼料的品質(zhì)成為關(guān)鍵問題。

紅麻屬于短日照植物，適于生長于溫度較高同時(shí)濕度較大的環(huán)境，符合氣候濕熱且缺乏高產(chǎn)植物優(yōu)質(zhì)蛋白飼料的南方地區(qū)。因此，研究紅麻飼用營養(yǎng)價(jià)值，選育紅麻飼用品種對(duì)維持紅麻產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。硝酸還原酶是植物體內(nèi)重要的誘導(dǎo)酶，能夠影響農(nóng)作物的總氮和蛋白氮水平，與作物的耐肥性有密切關(guān)系。該酶在植物基因表達(dá)機(jī)制、蛋白質(zhì)分子基礎(chǔ)以及氮代謝途徑的調(diào)控作用研究中［5-6］具有非常重要的地位。谷氨酰胺合成酶是氮素代謝途徑中的關(guān)鍵酶，是衡量植物氮素同化水平的一項(xiàng)重要生理指標(biāo)。植物體內(nèi)的硝態(tài)氮含量，既能反映植物氮素營養(yǎng)狀況，又能輔助辨別作為植物原料的加工制品品質(zhì)［7］。曾日秋［8］的研究表明，紅麻粉添加劑可提高牧草蔗+蜜柚廢棄物、狼尾草+蜜柚廢棄物、苧麻+蜜柚廢棄物3種處理的乳酸菌含量，顯著降低青貯飼料的pH值，飼料品質(zhì)較好。國外也有不少對(duì)紅麻飼料應(yīng)用的研究報(bào)道，Kipriotis等［9］對(duì)某些飼料來源進(jìn)行全面的評(píng)估發(fā)現(xiàn)，一些纖維作物具有更大潛力，比如紅麻含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)如蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、礦物，并且具有良好的適口性與可消化性。

目前，紅麻飼用品種選育鮮見報(bào)道。本試驗(yàn)選取全葉型紅麻和裂葉型紅麻各2份為試驗(yàn)材料，研究生育期葉片氮素代謝相關(guān)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化、營養(yǎng)品質(zhì)性狀及成熟期農(nóng)藝性狀和鮮重的情況，旨在為缺乏優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)植物性蛋白飼料的南方地區(qū)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試紅麻材料為紅麻全葉型材料“348”“349”及紅麻裂葉型材料“352”“353”。供試4種紅麻材料由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所一年生麻類遺傳改良課題組提供。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020年5月至10月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所長沙望城白箬鋪創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地（28°12′N，112°42′E）進(jìn)行，試驗(yàn)地區(qū)屬于亞熱帶大陸性季風(fēng)性氣候區(qū)，氣候溫和，降水豐富，年平均溫度約17.2℃，年平均降水量1361.6 mm，年平均日照數(shù)大于1700 h。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取土壤肥力均勻一致的地塊。試驗(yàn)區(qū)域分為4個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)寬2 m，長12 m，面積24m2。播種前對(duì)試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行松土，并在整地后播種前施用復(fù)合肥（N∶P∶K＝15∶15∶15）作為基肥，施用量為510 kg／hm2，行距40 cm，采用人工播種方式，精細(xì)條播，播種后充分澆水，出苗后進(jìn)行嚴(yán)格間苗，最終播種密度為100 000株／hm2。試驗(yàn)時(shí)間為5月19日到10月23日。分別在6月15日、7月15日、8月15日和9月15日進(jìn)行取樣，取4份材料3個(gè)重復(fù)的紅麻葉片（取樣時(shí)從紅麻植株頂部開始計(jì)算向下50 cm范圍內(nèi)的所有葉片）混勻待用（取樣量300 g左右）。利用大田試驗(yàn)進(jìn)行粗纖維、粗脂肪、粗蛋白、灰分含量等指標(biāo)和氮素代謝相關(guān)酶活性的測(cè)定（將用于酶活性測(cè)定的紅麻葉片經(jīng)液氮速凍后放入-80℃冰箱保存）。10月23日對(duì)株高、莖粗、皮厚、鮮重等進(jìn)行測(cè)定。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.4.1 營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

紅麻樣品取回后105℃殺青30 min，隨后溫度控制在80℃烘干48 h，樣品在研缽中充分粉碎后編號(hào)并保存，用于粗纖維、粗脂肪、粗蛋白、灰分的測(cè)定。粗纖維測(cè)定參考GB／T 6434—2006，粗脂肪測(cè)定參考GB／T 6443—2006，粗蛋白質(zhì)含量的測(cè)定參考GB／T 6432—2018，粗灰分測(cè)定參考GB／T 6438—2007。

1.4.2 氮素代謝相關(guān)指標(biāo)測(cè)定

紅麻葉片中硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶、硝態(tài)氮分別采用索萊寶公司的硝酸還原酶（NR）活性檢測(cè)試劑盒［10］、谷氨酰胺合成酶（GS）活性檢測(cè)試劑盒［11］和植物硝態(tài)氮含量檢測(cè)試劑盒［12］進(jìn)行測(cè)定。

1.4.3 形態(tài)性狀及產(chǎn)量測(cè)定

成熟時(shí)分別測(cè)定不同紅麻材料的株高、莖粗、皮厚和鮮重。每個(gè)小區(qū)選取10株紅麻。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件和Microsoft Excel 2019進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用Duncan′s新復(fù)極差法進(jìn)行均值多重比較，顯著水平為p＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同紅麻材料葉片中營養(yǎng)品質(zhì)性狀分析

由表1可知，4份材料的粗脂肪含量均呈先降低后升高的趨勢(shì)，其中6～8月粗脂肪含量百分比呈降低趨勢(shì)，9月粗脂肪含量升高?！?52”和“353”的粗脂肪含量相對(duì)“348”和“349”的較高，9月“353”粗脂肪含量較高，達(dá)6.14%。

表1 不同紅麻材料葉片營養(yǎng)成分Table 1 Nutrient composition of different kenafmaterials

續(xù)表1

4份材料的粗纖維均呈先升高后降低的趨勢(shì)，其中6～8月粗纖維呈升高趨勢(shì)，9月粗纖維含量降低。8、9月“352”“353”的粗纖維含量相對(duì)較高，“352”在8月粗纖維含量達(dá)到10.73%。9月“348”“349”粗纖維含量低于“352”“353”，具有顯著性差異（p＜0.05）。

4份材料的粗灰分呈逐漸降低的趨勢(shì)，其中“352”在6月的粗灰分含量較小，僅占5.45%，與“348”“349”相比呈顯著差異（p＜0.05），其他調(diào)查時(shí)間點(diǎn)4份材料粗灰分含量無顯著差異（p＞0.05）。

蛋白質(zhì)是植物重要的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，并且是細(xì)胞分裂、分化的物質(zhì)根本，其含量變化與生長發(fā)育情況密切相關(guān)。整個(gè)生育期中（7～10月），4份材料的粗蛋白含量均呈先升高后降低的趨勢(shì)，9月營養(yǎng)生長到生殖生長的轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)出粗蛋白含量降低。整個(gè)生育期中，4份紅麻材料粗蛋白含量比較，“348”“349”與“352”“353”粗蛋白含量具有顯著差異（p＜0.05），而“348”與“349”“352”與“353”之間粗蛋白含量無顯著差異（p＞0.05）。8月“349”粗蛋白含量最高，平均可達(dá)到27.36%，與“349”相比，“348”“352”“353”粗蛋白含量分別降低了0.31%、1.53%、1.87%。9月同樣是“349”粗蛋白含量最高，平均可達(dá)到 26.57%，與“349”相比，“348”“352”“353”粗蛋白含量分別降低了0.38%、4.30%、4.74%。

2.2 不同紅麻材料葉片中硝酸還原酶活性的變化分析

硝酸還原酶（NRase）存在于植物的葉片中，葉片也是硝態(tài)氮還原過程發(fā)生的重要部位。由圖1可以看出，4份材料葉片中NRase活性的變化趨勢(shì)為隨生育時(shí)期的推進(jìn)先降低后上升，6～8月葉片中硝酸還原酶呈下降趨勢(shì)，9月葉片中硝酸還原酶活力增高。在整個(gè)生育期內(nèi)，“348”“349”硝酸還原酶活性顯著地高于“352”“353”（p＜0.05）?！?48”與“349”、“352”與“353”之間硝酸還原酶活性無顯著差異（p＞0.05）。

圖1 不同紅麻材料葉片中硝酸還原酶活性的變化Fig.1 Variation of nitrate reductase activity in leaves of different kenafmaterials

2.3 不同紅麻材料葉片谷氨酰胺合成酶活性的變化分析

谷氨酰胺合成酶（GS）是氮代謝的核心酶之一［13］。由圖2可知，4份材料的葉片中谷氨酰胺合成酶活性的變化趨勢(shì)相同，且“348”“349”谷氨酰胺合成酶活性均顯著高于“352”“353”（p＜0.05）。4份材料谷氨酰胺合成酶活性變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為單峰曲線，峰值同時(shí)產(chǎn)生在8月。8月4份材料（“352”“353”“348”“349”）葉片 GS活性較為接近，分別為 31.58、32.38、34.54、35.53μg／（g·h），F(xiàn)W，8月后均表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。由圖2還可知，“348”“349”的葉片同化氨的能力強(qiáng)于“352”“353”。

圖2 不同紅麻材料葉片中谷氨酰胺合成酶活性的變化Fig.2 Variation of glutamine synthetase in leaves of different kenafmaterials

2.4 不同紅麻材料葉片硝態(tài)氮含量變化分析

硝態(tài)氮含量是作物體內(nèi)的硝態(tài)氮累積與代謝體現(xiàn)，同時(shí)還是作物的氮素吸收利用與再利用的關(guān)鍵標(biāo)志。不同時(shí)期紅麻葉片中硝態(tài)氮含量有所不同，生育前期一直處于積累狀態(tài)，生育后期轉(zhuǎn)為再利用狀態(tài)。由圖3可知，整個(gè)生育期中，4份材料生育前期的硝態(tài)氮含量均呈逐漸上升趨勢(shì)，在8月后均逐漸下降。材料“348”“349”硝態(tài)氮含量高于“352”“353”，具有顯著性差異（p＜0.05）?！?48”與“349”、“352”與“353”之間硝態(tài)氮含量無顯著差異（p＞0.05）。4份材料硝態(tài)氮含量的變化趨勢(shì)均呈單峰曲線，均在8月份達(dá)到最大值，平均硝態(tài)氮含量可達(dá)到437.86μg／g，F(xiàn)W。

圖3 不同紅麻材料葉片中硝態(tài)氮含量的變化Fig.3 Variation of nitrate nitrogen content in leaves of different kenafmaterials

2.5 不同紅麻材料農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量分析

成熟期不同紅麻材料株高、莖粗、皮厚、鮮重的測(cè)定結(jié)果參見表2。由表2可知，“348”“349”與“352”“353”株高具有顯著差異（p＜0.05）?！?48”與“349”“352”與“353”之間株高無顯著差異（p＞0.05）。“349”株高最高，平均可達(dá)到 428.37 cm，與之相比，“348”“352”“353”株高分別降低了11.03、63.31、76.32 cm。

表2 不同紅麻材料農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量Table 2 Agronomic and yield traits of different kenafmaterials

“348”“349”莖粗高于“352”“353”，具有顯著差異（p＜0.05）。“348”與“349”、“352”與“353”之間莖粗無顯著差異（p＞0.05）。“349”莖粗較粗，平均可達(dá)到26.49 mm，與之相比，“348”“352”“353”莖粗分別減少了 1.24、3.75、4.48 mm。

“348”“349”皮厚高于“352”“353”，具有顯著差異（p＜0.05）。“348”與“349”、“352”與“353”之間皮厚無顯著差異（p＞0.05）。“349”皮厚最高，平均可達(dá)到 1.98 mm，與之相比，“348”“352”“353”皮厚分別減少了 0.11、0.26、0.29 mm。

“348”“349”鮮重高于“352”“353”，具有顯著性差異（p＜0.05）。“348”與“349”、“352”與“353”之間鮮重?zé)o顯著差異（p＞0.05）。“349”鮮重最高，平均可達(dá)到 92 334 kg／hm2，與之相比，“348”“352”“353”每公頃鮮重分別降低了 4334、41 668、42 000 kg。

3 討論與結(jié)論

紅麻具有生物產(chǎn)量較大、葉片粗蛋白含量較高、抗病抗蟲能力強(qiáng)等特性，可作為畜禽飼料，屬于天然植物綠色飼料。本研究發(fā)現(xiàn)，紅麻葉片中粗蛋白含量8月最高，9月次之，生育前期呈現(xiàn)先升高后逐漸降低的規(guī)律。硝酸還原酶為硝態(tài)氮同化過程中的限速酶，同時(shí)也是植物氮代謝中不可或缺的關(guān)鍵酶，在整個(gè)同化過程中硝酸還原酶活性強(qiáng)弱一定水平上代表了光合作用、呼吸作用、蛋白質(zhì)合成及氮代謝狀況［14］。張智猛等［15］在關(guān)于花生各器官硝酸還原酶研究中發(fā)現(xiàn)，葉片中硝酸還原酶的活性在幼苗期最高，隨著日齡的增加呈下降趨勢(shì)。硝酸鹽吸收量的增加會(huì)導(dǎo)致硝態(tài)氮運(yùn)輸?shù)降厣喜勘贿€原量增多，幼嫩葉片中的硝酸還原酶活性較高，反而在較衰老葉片中其活性較低。同時(shí)介質(zhì)供應(yīng)氮情況、外界光照情況等環(huán)境因素的變化都能影響花生各個(gè)器官中硝酸還原酶活性［16-17］。本研究表明，紅麻生育期內(nèi)4份材料的葉片中硝酸還原酶活性的變化趨勢(shì)為隨生育時(shí)期的推進(jìn)而逐漸降低，蒴果期后硝酸還原酶活性上升。

張智猛等［18］在關(guān)于花生各器官谷氨酰胺合成酶研究中發(fā)現(xiàn)，在花生葉片中谷氨酰胺合成酶活性表現(xiàn)出波谷-波峰-波谷單峰變化趨勢(shì)，試驗(yàn)得出適宜的施氮量對(duì)花生體內(nèi)谷氨酰胺合成酶活性具有增強(qiáng)作用，谷氨酰胺合成酶活性處于較高水平，能夠使氨同化途徑順利完成。本研究發(fā)現(xiàn)紅麻葉片中谷氨酰胺合成酶活性在營養(yǎng)生長期持上升趨勢(shì)，對(duì)氨的同化表現(xiàn)出增強(qiáng)的狀態(tài)，隨著植株生育期推移，葉片逐漸表現(xiàn)出衰老情況，谷氨酰胺合成酶（GS）活性顯出降低現(xiàn)象，對(duì)葉片中氮同化利用率有所下降。硝酸還原酶（NRase）活性的增強(qiáng)能夠引起谷氨酰胺合成酶（GS）活性的增加。對(duì)小麥、水稻等作物的試驗(yàn)研究可以看出，灌漿歷程中氮代謝中關(guān)鍵酶的活性表現(xiàn)出規(guī)律性改變［19-20］，且呈現(xiàn)協(xié)同性。本研究中“348”“349”谷氨酰胺合成酶活性及硝酸還原酶活性均顯著高于“352”“353”（p＜0.05）。李雪梅等［21］在大豆不同節(jié)位葉片硝態(tài)氮含量研究中發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)生長時(shí)期大豆葉片中硝態(tài)氮的含量較高，直至生殖生長時(shí)期開始下降。本研究結(jié)果表明，4份材料生育前期的硝態(tài)氮含量均呈逐漸上升趨勢(shì)，在8月后均逐漸下降。紅麻硝態(tài)氮含量變化趨勢(shì)與大豆類似。

本試驗(yàn)成熟期對(duì)不同紅麻材料株高、莖粗、皮厚、鮮重進(jìn)行農(nóng)藝性狀分析，發(fā)現(xiàn)“348”“349”的各項(xiàng)農(nóng)藝性狀指標(biāo)均優(yōu)于“352”“353”，株高雖然不能作為衡量產(chǎn)量的依據(jù)，但可作為紅麻長勢(shì)的輔助指標(biāo)［22］。洪建基等［23］認(rèn)為在紅麻品種選育時(shí)，應(yīng)注意選擇植株較高、中等莖粗、韌皮較厚、品質(zhì)優(yōu)良的材料?！?48”“349”與“352”“353”相比葉面積相對(duì)較大，符合高產(chǎn)紅麻的特點(diǎn)，生育期內(nèi)群體葉面積適當(dāng)?shù)卮?，群體光合作用性能好，利于生物產(chǎn)量的提高。

基于4份紅麻葉片中氮代謝指標(biāo)、飼用指標(biāo)、農(nóng)藝性狀篩選高蛋白飼用紅麻品種?！?48”“349”與“352”“353”葉片相比更適合作為南方地區(qū)植物性蛋白飼料，“349”最為適合，“348”次之。紅麻材料的選定為切合中國南方地區(qū)缺乏優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的植物綠色飼料提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)創(chuàng)新。