高粱種質(zhì)籽粒蛋白質(zhì)含量和單寧含量的測定及聚類分析

張一中+周福平+張曉娟+梁篤+郭琦+趙文博+柳青山+杜維俊

摘 要：為了篩選、發(fā)掘優(yōu)質(zhì)高粱種質(zhì)資源，給高粱遺傳改良與品質(zhì)育種提供依據(jù)，利用近紅外谷物分析儀對90份高粱種質(zhì)資源的蛋白質(zhì)和單寧含量進行檢測并聚類分析。結(jié)果表明：不同高粱種質(zhì)資源的蛋白質(zhì)和單寧含量差異較大，平均含量分別為10.75%，0.58%，變異系數(shù)分別為15.86%，66.33%；高粱籽粒蛋白質(zhì)含量與單寧含量呈極顯著負相關(guān)（r=-0.276），單寧含量與粒色呈極顯著正相關(guān)（r=0.643）；在歐氏距離為1.30時可將90份高粱材料劃分為5大類群，其中第I類群材料蛋白質(zhì)含量最高、單寧含量最低，可作為優(yōu)良親本在飼料高粱新品種選育中加以利用。

關(guān)鍵詞：高粱；蛋白質(zhì)含量；單寧含量；聚類分析；粒色

中圖分類號：S514 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.08.003

Abstract： In order to screen and excavate excellent sorghum germplasm resources，and provide useful information for the genetic improvement and quality breeding of sorghum， the protein and tannin content of 90 sorghum germplasm resources seed were determined，with near infrared grain analyzer and clustering analysis. The results showed that there was great difference in quality characters on sorghum seed，the contents of protein and tannin were 10.75%，0.58% in average respectively，the coefficient of variance （CV） was 15.86% for the protein content and 66.33% for the tannin content. The relationship between the content of protein of seed and the content of tannin of seed was significantly negative correlation（r=-0.276）. But the relationship between the tannin of protein of seed and seed color was significantly positive correlation（r=0.643）. All sorghum materials were clustered into 5 groups in the Euclidean distance at 1.30. The protein content of category I was the highest，and the tannin content was the lowest. These resources were used for new variety breeding in forage sorghum.

Key words： sorghum；protein content；tannin content；cluster analysis；seed color

近年來，隨著我國高粱的進口量急速增長，高粱作為一種較為新型的飼用原料，正逐漸受到飼料加工企業(yè)的重視和利用[1-2]。高粱籽粒的品質(zhì)性狀，特別是蛋白質(zhì)含量和單寧含量對其用途有著很大的影響[3]。研究表明[4-5]，我國高粱的粗蛋白含量略高于玉米，但在必需氨基酸組成中，賴氨酸含量顯著低于玉米；另外，高粱中含有單寧，單寧可以與蛋白質(zhì)、糖類和金屬離子結(jié)合形成難以消化吸收的復(fù)合物，并且還會抑制一些消化酶的活性，影響蛋白質(zhì)的消化吸收[6-8]。高士杰等[9]認為，利用高粱作飼料，在育種上要改良高粱品質(zhì)，增加蛋白質(zhì)，提高賴氨酸含量，降低單寧含量，提高消化率。王志廣等[10]對來自我國21個省區(qū)的高粱代表品種進行了品質(zhì)性狀研究，篩選出蛋白質(zhì)含量大于13.5%的品種86個，單寧含量低于0.1%的品種59個。閻淑華[3]對全國14個省市農(nóng)業(yè)科研單位提供的1 521份高粱品種的蛋白質(zhì)、賴氨酸、單寧含量進行了分析，初步篩選出一批高蛋白質(zhì)、高賴氨酸、低單寧含量的高粱品種。以上研究篩選出的優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源，在我國高粱品質(zhì)育種、遺傳改良和綜合利用等方面發(fā)揮了重要作用。

本研究以90份高粱種質(zhì)為試驗材料，采用近紅外谷物分析儀對其蛋白質(zhì)、單寧含量進行測定并聚類分析，以期為高粱品質(zhì)育種提供優(yōu)異的種質(zhì)資源，拓寬高粱育種的遺傳基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

選用本課題組自選和外引的育種材料共90份，其中保持系（B）36份，恢復(fù)系（R）54份（表1）。

1.2 試驗方法

試驗材料于2015年在山西省農(nóng)業(yè)科學院高粱研究所修文基地種植。每份材料種2行，行長5 m，單因素隨機區(qū)組排列。成熟期調(diào)查各材料的粒色[11]，混收5穗，脫粒精選后進行品質(zhì)性狀分析。利用近紅外谷物分析儀測定高粱籽粒蛋白質(zhì)含量和單寧含量，3次重復(fù)，取平均值[12]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用DPS軟件進行統(tǒng)計分析及相關(guān)性分析。用類平均法（UPGMA）進行聚類[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 高粱籽粒中蛋白質(zhì)含量和單寧含量差異性分析

由表2可知，90份高粱種質(zhì)資源蛋白質(zhì)的平均含量為10.75%，變幅為7.26%～14.39%，極差為7.13，變異系數(shù)為15.86%。其中來自黑龍江的保持系黑1B蛋白質(zhì)含量最高，為14.39%；來自山西的恢復(fù)系15205R含量最低，為7.26%。這90份高粱種質(zhì)資源單寧的平均含量為0.58%，變幅為0.05%～1.35%，極差為1.30，變異系數(shù)為66.33%，顯著高于蛋白質(zhì)含量的變異系數(shù)，表明這些育種材料單寧含量變異豐富。其中來自山西的恢復(fù)系HM65單寧含量最高，為1.35%，來自山西的保持系2087/TB和遼寧的恢復(fù)系5-27單寧含量最低，均為0.05%。

2.2 不同類型高粱籽粒蛋白質(zhì)含量和單寧含量變異分析

從表 3 不同類型高粱的分析結(jié)果可以看出：參試材料恢復(fù)系的蛋白質(zhì)平均含量要略低于保持系，而變異系數(shù)要稍高于保持系；恢復(fù)系中蛋白質(zhì)含量最高的是09305R，最低的是15205R；保持系中蛋白質(zhì)含量最高的是黑1B，最低的是11280B。就單寧含量而言，恢復(fù)系的平均含量要顯著高于保持系，但變異系數(shù)要低于保持系，說明保持系單寧含量的變異更加豐富；恢復(fù)系中單寧含量最高的是HM65，最低的是5-27；保持系中單寧含量最高的是151268B，最低的是2087/TB。

2.3 不同粒色高粱籽粒蛋白質(zhì)含量和單寧含量變異分析

根據(jù)田間的調(diào)查結(jié)果（表4），參試高粱種質(zhì)的粒色共分為5類，分別是紅色、白色、黑色、橙色、黃色，其中紅色43份，白色33份，橙色7份，黑色6份，黃色1份。不同粒色高粱種質(zhì)的蛋白質(zhì)含量依次為黑色（12.36%）>白色（10.99%）>橙色（10.82%）>紅色（10.42%）>黃色（9.32%），單寧含量依次為黑色（0.14%）<橙色（0.23%）<白色（0.26%）<黃色（0.38%）<紅色（0.95%）。

2.4 高粱籽粒蛋白質(zhì)含量、單寧含量及粒色之間的相關(guān)分析

對高粱籽粒蛋白質(zhì)含量、單寧含量及粒色進行相關(guān)性分析可以看出（表5）：參試高粱籽粒蛋白質(zhì)含量與單寧含量呈極顯著負相關(guān)，與粒色沒有相關(guān)性；單寧含量與粒色呈極顯著正相關(guān)，表明單寧含量隨著籽粒顏色加深而增高。

2.5 基于高粱籽粒蛋白質(zhì)含量和單寧含量的聚類分析

利用DPS軟件對高粱籽粒蛋白質(zhì)含量和單寧含量進行數(shù)據(jù)標準化處理，根據(jù)歐式距離大小，采用類平均法對參試材料進行聚類分析。從聚類圖上可以看出（圖1），在遺傳距離為1.30處，90份高粱材料可分為5個類群。參試材料的類群組成及各類群蛋白質(zhì)和單寧含量的平均值見表6。

第I類群包括2087/V4低、11494B、201B、M60826/L26、AGR1B、M60826/L17等24份材料，其中保持系15份、恢復(fù)系9份，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)含量最高、單寧含量最低類型。

第II類群包括054020B、29B、錦白B、A2V4B、L7、L16等26份材料，其中保持系13份、恢復(fù)系13份，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)含量中等、單寧含量較低類型。

第III類群包括151268B、22R、湘糯R、HM65、202B、657-1等12份材料，其中保持系2份、恢復(fù)系10份，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)含量較高、單寧含量較高類型。

第IV類群包括黑3035B、L9137、L28、H02029、黑3038B、60R/L17、151136B等27份材料，其中保持系5份、恢復(fù)系22份，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)含量中等、單寧含量較高類型，并且全部材料的粒色均為紅色。

第V類群僅包括1份材料，為恢復(fù)系15205R，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)含量最低、單寧含量最高類型。

3 結(jié)論與討論

高粱作為優(yōu)良的能量飼料原料，在歐美國家畜牧養(yǎng)殖業(yè)中被廣泛應(yīng)用，而在我國主要用于釀造業(yè)，在配合飼料中很少使用[14]。我國的飼料高粱產(chǎn)業(yè)嚴重滯后于西方發(fā)達國家。飼用高粱應(yīng)用的限制因素主要有以下幾個方面：一是高粱中含有酚類化合物，比如單寧，具有凝固蛋白質(zhì)的功能，影響家禽的采食量和生長量，降低蛋白質(zhì)的消化率；二是高粱醇溶蛋白含量高，影響氨基酸和淀粉在動物體內(nèi)的消化[15-17]。有研究表明[18]，高粱籽粒蛋白質(zhì)含量與醇溶蛋白含量呈負相關(guān)。因此，為改善高粱的飼喂品質(zhì)，提高高粱的消化率，應(yīng)著重提高高粱籽粒蛋白質(zhì)含量、降低單寧含量，選育飼用高粱專用品種。而對高粱種質(zhì)資源蛋白質(zhì)和單寧含量進行測定評價，對飼料高粱親本系創(chuàng)制及新品種選育具有重要意義。

本研究90份高粱種質(zhì)資源蛋白質(zhì)含量平均為10.75%，單寧含量平均為0.58%，這與閻淑華[3]的研究結(jié)果較為接近。從兩個品質(zhì)性狀的變異系數(shù)來看，單寧含量的變異系數(shù)顯著高于蛋白質(zhì)含量，表明高粱籽粒的品質(zhì)差異明顯，變異豐富，為選育高蛋白質(zhì)、低單寧的飼用高粱親本系提供了優(yōu)良的種質(zhì)資源。

由于高粱籽粒的果皮、種皮和胚乳中沉積的色素不同，形成了不同的粒色[19]。高粱單寧主要存在于種皮層，外胚乳也有少量存在[20]。前人的研究結(jié)果表明[19，21]，高粱籽粒種皮的顏色與單寧含量有相關(guān)性，即單寧含量隨粒色加深而增加，但也不是絕對的。本研究也驗證了這一結(jié)果，單寧含量與粒色呈極顯著正相關(guān)，紅色籽粒的單寧含量最高，白色和橙色籽粒的單寧含量較低，而黑色籽粒的單寧含量最低。本研究中的6份黑色高粱材料，有5份是新選育的黑高粱親本系，這批親本系具有綜合性狀優(yōu)良、蛋白質(zhì)含量高、單寧含量低等特點，可在高粱品質(zhì)育種中加以利用。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)含量與單寧含量呈極顯著負相關(guān)，與王志廣等[10]、劉銘三等[22]的研究結(jié)果基本一致，這就為高粱主要品質(zhì)性狀定向改良提供了依據(jù)。

聚類分析是研究和評價不同種質(zhì)材料遺傳差異較為理想的方法，在寒地水稻[23]、小麥[24]、棉花[25]、花生[26]等作物的品質(zhì)性狀評價中得到了廣泛的運用。本研究對90份高粱種質(zhì)資源根據(jù)蛋白質(zhì)含量和單寧含量進行了聚類分析，從分析結(jié)果看，第I類群種質(zhì)資源屬于高蛋白質(zhì)、低單寧的類型，如11494B、201B、203B、M60826/L26、M60826/L17等新選育的白粒親本系，這一批品系蛋白質(zhì)含量均在12%以上、單寧含量小于0.2%，農(nóng)藝性狀優(yōu)良、配合力高，可在飼料高粱育種中加以利用。

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