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

(安徽科技學院 農學院，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

)的一個變種，因其不僅能產出高粱籽粒，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，株高可以達到3 m以上，其生物產量能達到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家的目光。甜高粱具有較強的抗逆性和適應性，可以適應多種環(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，可以拓展農業(yè)結構領域，促進區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，緩解緊張的能源供應，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評價的重要指標，對燃料乙醇的生產有著重要的影響，研究甜高粱莖稈可溶性糖分的積累規(guī)律對甜高粱品質改良具有重要的意義。本研究以29份甜高粱種質資源為材料，分析不同生育時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，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由安徽科技學院農學院提供。2019年5月在安徽科技學院種植園(東經(jīng)117°33′，北緯32°52′，海拔43 m)播種，每個品種種植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，分別收集4個品種的莖稈，測定可溶性糖含量。2020年，在安徽科技學院種植園繼續(xù)播種29份甜高粱種質材料、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。每個品種均取樣3株，作為生物學重復，-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，以蔗糖為標準品，制作可溶性糖含量的標準曲線。利用磨樣機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，每個品種設置3次重復。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 可溶性糖標準曲線制作

以蔗糖為標準品，按照0.15 μg/mL蔗糖溶液梯隊設置可溶性糖的標準液，共設置7個濃度水平，2次重復，室溫下放置30 min，以空白為對照，利用紫外可見分光光度計(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，可溶性糖含量為縱坐標，繪制標準曲線，獲得標準直線方程。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

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

2 結果與分析

2.1 可溶性糖含量與吸光度的關系

測定不同濃度的可溶性糖標準液吸光值，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，以吸光度為橫坐標，可溶性糖含量為縱坐標，求得直線回歸方程

y

=176

.

93

x

-2

.

46，線性相關系數(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份甜高粱種質資源的可溶性糖含量。

2.2 不同生育時期高粱的可溶性糖含量分析

研究表明，在不同生育時期，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期，分別選取兩個甜高粱(Yuexitian和M81)、普通高粱Tx623b和蘇丹草S722A品種，測定不同生育時期莖稈可溶性糖含量。結果發(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期，高粱生育期內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，乳熟期至蠟熟期達到最大值，完熟期可溶性糖逐漸轉化為淀粉，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節(jié)間，總體可以分為4個水平：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)段漸次進行，導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行聚類分析，在歐式距離為10時，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個甜高粱的可溶性糖含量分析

進一步分析表明(表1)，3 個分組內部，第1組和第3組內的甜高粱品種大多分布于北方地區(qū)，海拔相對較高，日照時間較長，甜高粱植株生物產量中等，籽粒產量較高，糖錘度較大。第2組內品種大多分布于我國偏南區(qū)域，光熱水資源充足，日照時間短，高粱生物產量較大，籽粒產量小，組內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，分別達到129.7和126.6 mg/g，源產地均在北京，第3組含糖量最高，組內糖分含量變異系數(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藝性狀特點

3 結論與討論

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。甜高粱生物產量大、莖稈乙醇轉化率高、抗逆性強，可生產酒精，代替化石能源。然而，甜高粱地方品種混雜，優(yōu)質品種較少，缺乏系統(tǒng)的研究，獲得生物產量高、含糖量豐富的新品種是甜高粱育種的主要目標。

本研究中，高粱莖稈可溶性糖積累最豐富的時期在乳熟期，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到極顯著差異水平，這與劉曉輝等研究的關于甜高粱糖分積累動態(tài)變化趨勢相一致。五個生育時期內，除了M81以外，其他3個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化為淀粉或者蔗糖的新陳代謝消耗有關，且本試驗完熟期取樣過晚，莖稈趨于干枯也會影響可溶性糖的測定，有必要進一步深入研究。

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含量進行了測定，認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為生殖生長，大部分營養(yǎng)物質運輸都偏向于穗部器官。29個甜高粱品種中，6、11、15、20、21、22和28號7個品種含糖量較豐富，其中20和21號品種含糖量最高，2個品種原產品均為北京，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，是我國最重要的農業(yè)生產區(qū)，適宜開發(fā)種植甜高粱。在后續(xù)試驗中，可將20和21號品種作為親本材料，重點雜交選育，獲得優(yōu)質甜高粱新品種。

甜高粱作為能源作物在世界范圍內廣受關注，但目前對于甜高粱的空間分布及乙醇生產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，應充分考慮開發(fā)成本和能源投入等問題。發(fā)展高粱生產有利于利用自然資源，有利于種植結構的調整，有利于輪作倒茬。所以，高粱作為我國北方旱糧作物在生產上仍占有重要地位。本實驗中，可溶性糖含量只能作為甜高粱有效利用的一個經(jīng)濟指標，后期研究中，有必要針對甜高粱灌漿期不同節(jié)間的糖分動態(tài)積累規(guī)律和分子調控機理開展深入研究。同時，進一步開展這些甜高粱種質資源在株型結構、籽粒產量、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)。