山西谷子主要農(nóng)藝性狀與黃色素含量的相關(guān)性分析

潘怡敏　陽世杰　黃蕊　侯森　王海崗

摘要：為探明影響小米黃色素含量的主要因素，以期為谷子育種中優(yōu)異種質(zhì)的篩選提供依據(jù)，以山西292 份地方品種為材料，于2020 年和2022 年種植在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)東陽示范基地，對谷子米色、黃色素2 個品質(zhì)性狀和株高、頸長、葉長、葉寬、主穗長度、主穗直徑、主莖節(jié)數(shù)、主莖直徑共8 個主要農(nóng)藝性狀進行遺傳變異分析、相關(guān)性分析和主成分分析，并基于主成分分析計算其綜合得分。結(jié)果表明，山西谷子地方品種的頸長變異最為豐富，黃色素含量變異系數(shù)為22.42%，次于頸長而高于主莖直徑。相關(guān)性分析表明，黃色素含量與株高、頸長、葉長、主莖直徑4 個農(nóng)藝性狀和a*、b*、CCI 共3 個米色相關(guān)指標(biāo)均呈極顯著正相關(guān)，與主穗直徑呈極顯著負相關(guān)，與主莖節(jié)數(shù)呈顯著正相關(guān)。主成分分析表明，4 個主成分的累計貢獻率達到73.62%，可用于表述谷子黃色素含量、米色和8 個主要農(nóng)藝性狀的大部分信息?？梢?，小米米色是黃色素含量的重要影響因素，谷子株高、頸長、葉長、主莖直徑、主穗直徑、主莖節(jié)數(shù)可能影響小米黃色素含量。依據(jù)綜合得分，發(fā)現(xiàn)第266 號來自于忻州市繁峙縣的金點魚綜合得分最高，其黃色素的含量為27.27 μg/g，CCI 值為3.71，表型性狀表現(xiàn)優(yōu)異。

關(guān)鍵詞：谷子；地方品種；農(nóng)藝性狀；黃色素含量；相關(guān)性分析

中圖分類號：S515 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1002?2481（2024）01?0027?10

谷子（脫殼后稱小米）是一種古老而重要的糧食作物，屬于禾本科植物[1]，有耐寒、耐旱、耐貧瘠、適應(yīng)性強等特點[2-3]，最早起源于我國[4]。在其歷史悠久的栽培過程中，積累了多種類型的黃色素含量的谷子品種。黃色素是谷子籽粒中的天然色素，是小米的重要營養(yǎng)成分，其主要組分含有葉黃素、玉米黃素以及少量的隱黃素和β-胡蘿卜素等類胡蘿卜素。類胡蘿卜素食用后可在人體肝臟內(nèi)轉(zhuǎn)化成維生素A，具有保護視覺、上皮組織及提高機體免疫力等重要生理功能。目前，關(guān)于小米中黃色素的研究并不多。楊延兵等[5]通過對169 份谷子品種進行小米黃色素含量測定及外觀品質(zhì)鑒定，發(fā)現(xiàn)小米黃色素含量與外觀品質(zhì)呈顯著正相關(guān)，是影響其外觀品質(zhì)的主要因素。王海棠等[6]從黃色小米中提取黃色素，利用薄層層析技術(shù)對小米黃色素進行定性分析，發(fā)現(xiàn)小米黃色素的主要成分為葉黃素、玉米黃素、隱黃素等天然類胡蘿卜素。賈鵬禹等[7]和SHEN 等[8]相關(guān)研究人員利用高效液相色譜技術(shù)對組成黃色素的重要類胡蘿卜素組分進行了定量分析，發(fā)現(xiàn)小米類胡蘿卜素組分以葉黃素和玉米黃素為主。谷子中還富含蛋白質(zhì)、脂肪、維生素B1 和B2 以及鈣、磷、鐵等礦物質(zhì)，還含有豐富的纖維素，有助于促進消化系統(tǒng)的健康[9-12]。谷子在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食供應(yīng)中起著重要的作用，并且在一些地區(qū)具有經(jīng)濟價值和文化意義。

山西省位于中國的華北地區(qū)，是中國重要的谷子產(chǎn)區(qū)之一，擁有著豐富的種質(zhì)資源[13]。這些種質(zhì)資源經(jīng)過長期的選擇和適應(yīng)，具有較強的適應(yīng)性、抗逆能力以及廣泛的遺傳多樣性[14]。國家特色雜糧作物種質(zhì)資源中期庫（山西）保存全省谷子地方品種有6 000 余份，地方品種（農(nóng)家種）是經(jīng)過復(fù)雜的地理生態(tài)環(huán)境適應(yīng)和長期的人工選擇形成的具有豐富遺傳多樣性的一類品種[15]。王海崗[16]等利用17 個農(nóng)藝性狀對山西谷子地方種質(zhì)進行核心庫構(gòu)建，表明構(gòu)建的山西谷子地方品種初選核心種質(zhì)能夠較好地代表原始種質(zhì)的遺傳變異。田伯紅等[17]對河南、河北、山東等地的地方品種和育成品種進行比較，發(fā)現(xiàn)育成品種的主莖高度顯著降低，穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量顯著提高，形態(tài)性狀的多樣性指數(shù)大多低于地方品種。地方品種作為種質(zhì)資源的重要組成部分，是種質(zhì)擴增、遺傳改良和創(chuàng)新的重要來源之一，故對其保護利用需引起高度重視[18]。因此，整理和篩選優(yōu)質(zhì)地方品種不僅有利于地方品種的利用和傳承，還有利于培育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的谷子新品種[19-20]。

本研究通過對山西省292 份谷子地方品種8 個主要農(nóng)藝性狀、米色及其黃色素含量進行相關(guān)性分析，探討影響小米黃色素含量的主要因素，以期為谷子育種中優(yōu)異種質(zhì)的篩選提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試材料為292 份山西谷子地方品種，所有品種均來源于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)基因資源研究中心種質(zhì)庫（表1）。

1.2 試驗方法

在2020、2022 年將292 份山西谷子地方品種種植在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)基因資源研究中心東陽試驗基地（37.6°N、112.7°E），每個品種種2 行，行長0.5 m，行距0.4 m，5 月中旬播種，其他管理措施按照常規(guī)田進行。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀

成熟期按照《谷子種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[21]測定谷子農(nóng)藝性狀，包括株高、頸長、葉長、葉寬等。

1.3.2 米色色差

使用YS3010 光柵分光測色儀（深圳市三恩時科技有限公司）對米色進行測定與分析。將成熟谷子收獲脫殼后得到小米，使用分光測色儀進行米色色差測定，測定L*、a*、b*、CCI，其中，L*表示亮度，L*值越大，亮度越高；a*表示紅綠度，a*值越大，米色越紅；b*表示黃藍度，b*值越大，米色越黃；CCI 正值表示紅色，負值表示藍綠色，0 則表示紅、黃、藍綠色的混合色。CCI 值作為米色測定的綜合指標(biāo)，表現(xiàn)出明顯的品種差異，整體趨勢為黃色最高，綠色次之，白色最低，可有效對不同品種米色性狀進行鑒定。每個品種3 次重復(fù)，取平均值。

1.3.3 黃色素含量

將米色色差分析后的小米重新收集，黃色素含量測定方法參考AACC 方法。稱取0.5 g 粉末放入約50 mL 棕色離心管，加入10 mL水飽和正丁醇，蓋緊塞子，放入70 ℃水浴鍋內(nèi)加熱45 min，每5 min 取出振蕩一次，結(jié)束后立即冰浴冷卻10 min。之后分別加入0.75 mL NaCl 溶液（175.2 g/L），用10 mL 乙酸乙酯/正己烷（V∶V=1∶9）萃取3 次，每次用1 000 r/min 離心1 min 收集有機相，后加入5 mL 蒸餾水去除雜質(zhì)，移去蒸餾水后再加入2 g 無水硫酸鈉，轉(zhuǎn)移至另一干燥離心管中，氮氣吹干后用1 mL 含0.1%BHT 的MTBE 溶劑重新溶解，0.2 mm 有機相濾膜過濾后，放入棕色試劑瓶中采用高效液相色譜儀測量其黃色素含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析利用IBM SPSS Statistics 26.0和Excel 2016 軟件；作圖利用Origin 64 和AdobeIllustrator 2022 軟件。

2 結(jié)果和分析

2.1 谷子農(nóng)藝性狀、籽粒色差分析及黃色素含量分析

山西地方品種農(nóng)藝性狀和黃色素含量的統(tǒng)計情況如表2 所示。

綜合2 a 數(shù)據(jù)可知（表2），292 份谷子地方品種的8 個主要農(nóng)藝性狀中在種植過程中的平均值差異不明顯，說明環(huán)境對農(nóng)藝性狀的影響差異較小。2 a 農(nóng)藝性狀變異系數(shù)大小表現(xiàn)為頸長>頸粗>穗長>株高>主莖直徑>葉長>主莖節(jié)數(shù)>葉寬，表明山西谷子地方品種的頸長變異豐富。其中，第241 號谷子地方品種圪垛凹的頸長最長，為49.2 cm，來自于臨汾市古縣。不同來源地的谷子資源農(nóng)藝性狀間存在著明顯的差異，了解谷子農(nóng)藝性狀間的相互關(guān)聯(lián)性，有利于育種目標(biāo)性狀的確定[22]。

在米色相關(guān)指標(biāo)中，變異系數(shù)大小表現(xiàn)為a*>b*>CCI>L*。CCI 作為衡量谷子米色的綜合指標(biāo)，表現(xiàn)出明顯的差異，整體趨勢為米色越黃的谷子地方品種的CCI 值越高，綠色次之，白色最低。其中，2020 年時第35 號的谷子地方品種玉皇谷米色CCI值最高，為4.23，來源于呂梁市離石區(qū)，2022 年時第251 號的谷子地方品種黃谷的CCI 值最大，為4.43，來源于臨汾市曲沃縣。黃色素含量變異系數(shù)明顯高于米色相關(guān)指標(biāo)。

黃色素含量變異系數(shù)為22.42%，次于頸長而高于主莖直徑，變幅為3.39～43.94 μg/g，大多數(shù)集中在20 μg/g 左右，黃色素含量較高的地方品種占少數(shù)（圖2），表明黃色素含量的變異類型也十分豐富。其中，第222 號谷子地方品種黃色素含量最低，為晉中市靈石縣的紅谷，第282 號谷子地方品種黃色素含量最高，為運城市夏縣的谷子。結(jié)合圖1、2 可知，2 a所測各性狀基本符合正態(tài)分布規(guī)律。

2.2 谷子農(nóng)藝性狀、米色色差及黃色素含量的相關(guān)性分析

由表3 可知，谷子地方品種的黃色素含量與株高、頸長、葉長、主莖直徑4 個農(nóng)藝性狀和a*、b*、CCI等3 個米色相關(guān)指標(biāo)均呈極顯著正相關(guān)，與主穗直徑呈極顯著負相關(guān)，與主莖節(jié)數(shù)呈顯著正相關(guān)。株高與頸長、葉長、葉寬、主穗長度、主莖節(jié)數(shù)、主莖直徑6 個農(nóng)藝性狀和a*、b*、CCI 共3 個米色相關(guān)指標(biāo)以及黃色素含量均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。頸長與葉長、葉寬、主穗長度、主莖節(jié)數(shù)4 個農(nóng)藝性狀和a*、b*、CCI 共3 個米色相關(guān)指標(biāo)均呈極顯著正相關(guān)，與主穗直徑呈顯著正相關(guān)。葉長與主穗直徑和黃色素含量均呈極顯著正相關(guān)。葉寬與主穗長度和主穗直徑2 個農(nóng)藝性狀和L* 1 個米色相關(guān)指標(biāo)均呈極顯著正相關(guān)，與CCI 呈顯著負相關(guān)。主穗長度與主莖直徑呈極顯著正相關(guān)，和L*呈顯著正相關(guān)。主穗直徑與a*、b*、CCI 共3 個米色相關(guān)指標(biāo)和黃色素含量均呈極顯著負相關(guān)，與L*呈顯著正相關(guān)。主莖節(jié)數(shù)與主莖直徑以及a*、b*、CCI 共3 個米色相關(guān)指標(biāo)和黃色素含量均呈極顯著正相關(guān)，與L*呈極顯著負相關(guān)。主莖直徑與a*、b*、CCI 和黃色素含量均呈極顯著正相關(guān)，與L* 呈極顯著負相關(guān)。L* 與a*、b*、CCI 均呈極顯著正相關(guān)。a*與b*、CCI、黃色素含量均呈極顯著正相關(guān)。b*與CCI、黃色素含量均呈極顯著正相關(guān)。CCI 與黃色素含量呈極顯著正相關(guān)。通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，在4 個米色相關(guān)指標(biāo)中，L*與黃色素含量不相關(guān)，a*、b*、CCI 值與黃色素含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

2.3 谷子農(nóng)藝性狀、米色色差及黃色素含量的主成分分析

基于292 份山西谷子地方品種的8 個主要農(nóng)藝性狀、CCI 米色綜合指標(biāo)和黃色素含量進行主成分分析（表4），發(fā)現(xiàn)4 個主成分的累計貢獻率達到73.62%。因此，將這10 個性狀指標(biāo)降維生成4 個新的影響因子。第I 主成分貢獻率為31.81%；第II主成分貢獻率為19.63%；第III 主成分貢獻率為11.50%；第IV 主成分貢獻率為10.68%；第I 主成分解釋了10 個性狀指標(biāo)31.81% 的變化，特征向量絕對值較大的是主莖節(jié)數(shù)（0.81）、主莖直徑（0.80）、株高（0.79），結(jié)合相關(guān)性分析（表3），主莖節(jié)數(shù)、主莖直徑、株高與黃色素含量呈顯著正相關(guān)，這些性狀與植株莖部形態(tài)有關(guān)，故稱為莖部形態(tài)因子。第II 主成分特征向量絕對值最大的是主穗長度（0.79），第III 主成分特征向量絕對值最大的是主穗直徑（0.65），故稱為穗部形態(tài)因子。第IV 主成分特征向量絕對值最大的是CCI（0.63），故稱為米色形態(tài)因子。

2.4 綜合得分

基于主成分分析模型，對這10 個性狀指標(biāo)降維后的因子計算其綜合得分F 值（表5），取綜合得分排名前10 的谷子地方品種的種質(zhì)資源，分析發(fā)現(xiàn)，來自于第266 號忻州市繁峙縣的金點魚谷子綜合得分最高，其黃色素的含量為27.27 μg/g，CCI值為3.71；其次為第81 號太原市陽曲縣的白流沙，黃色素含量為29.83 μg/g，CCI 值為3.50；第3為第65 號陽泉市郊區(qū)的鐵牛吼，黃色素含量為23.99 μg/g，CCI 值為3.58。這3 種谷子種質(zhì)資源在本次試驗中綜合性狀排名前3，后期可為培育谷子新品種提供選擇依據(jù)。同時，觀察發(fā)現(xiàn)，排名前10的谷子地方品種的種質(zhì)資源中綜合得分越好的品種，其黃色素含量和CCI 值也越高。因此，本試驗得出黃色素含量較高的品種其綜合得分越好，該品種的綜合性狀越強。

3 結(jié)論與討論

米色是評價谷子品質(zhì)優(yōu)良的重要指標(biāo)之一，其能直觀反映出小米品質(zhì)的優(yōu)劣。米色越黃，其適口性越好[23-24]。本研究發(fā)現(xiàn)，在米色相關(guān)指標(biāo)中，變異系數(shù)表現(xiàn)為a*>b*>CCI>L*。這與張婷[25]等對3 屆參加優(yōu)質(zhì)米評選的谷子L*值、a*值、b*值統(tǒng)計情況中變異系數(shù)的結(jié)果一致。張耀元等[26]認為，CCI 指數(shù)可以作為測定米色的綜合指標(biāo)，對不同谷子地方品種進行米色鑒定，故在對不同地方品種進行主成分降維分析以及計算其綜合得分時，采用CCI 米色綜合指標(biāo)來表征米色的相關(guān)差異。

黃色素是谷子籽粒中的天然色素，主要成分為類胡蘿卜素。在小米外觀品質(zhì)中，黃色程度的深淺是最主要的關(guān)注因素，而類胡蘿卜素等黃色素含量決定了黃色深淺。本研究對292 份山西谷子地方品種的黃色素含量與主要農(nóng)藝性狀及其米色色差進行相關(guān)性分析，進而為篩選出高黃色素含量的品種提供依據(jù)。本試驗得出，小米黃色素含量與株高、頸長、葉長、主莖直徑、主穗直徑、主莖節(jié)數(shù)6 個農(nóng)藝性狀和a*、b*、CCI 共3 個米色相關(guān)指標(biāo)存在顯著相關(guān)。陳慢慢等[27]研究發(fā)現(xiàn)，谷子黃色素含量與直鏈淀粉、株高、莖節(jié)數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與穗粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，與葉面積呈極顯著負相關(guān)。葉面積、株高和穗長是影響黃色素含量的最主要因素。結(jié)合本試驗結(jié)果，株高和主莖節(jié)數(shù)都被證明與黃色素含量呈正向的影響關(guān)系。筆者認為谷子株高、頸長、葉長、主莖直徑、主穗直徑、主莖節(jié)數(shù)可能是影響小米黃色素含量的因素。前人研究已鑒定米色是黃色素含量的重要影響因素，如楊延兵等[28-29]研究結(jié)果表明，品種基因型是決定谷子黃色素含量的最重要因素，不同年份、地點、品種及各因素互作有著較大影響，且小米黃色素含量與外觀品質(zhì)呈顯著正相關(guān)，是影響其外觀品質(zhì)的重要因素。黃色素含量高的育種材料米色品質(zhì)也較優(yōu)。但上述農(nóng)藝性狀是如何對小米黃色素含量進行影響的以及影響效果具體如何，目前還未發(fā)現(xiàn)相關(guān)報道，后續(xù)筆者將持續(xù)對其進行研究。

綜合2 a 的數(shù)據(jù)，依據(jù)292 份山西地方品種的綜合得分，本研究得出，來自于第266 號忻州市繁峙縣的金點魚谷子地方品種的綜合得分最高，其黃色素的含量為27.27 μg/g，CCI 值為3.71。黃色素含量和CCI 值越高的品種其綜合得分也越好。因此，來自于忻州市繁峙縣的金點魚表型性狀表現(xiàn)優(yōu)異，后期可為谷子培育優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源提供選擇依據(jù)。

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