高粱种质籽粒蛋白质含量和单宁含量的测定及聚类分析

张一中+周福平+张晓娟+梁笃+郭琦+赵文博+柳青山+杜维俊

摘 要：为了筛选、发掘优质高粱种质资源，给高粱遗传改良与品质育种提供依据，利用近红外谷物分析仪对90份高粱种质资源的蛋白质和单宁含量进行检测并聚类分析。结果表明：不同高粱种质资源的蛋白质和单宁含量差异较大，平均含量分别为10.75%，0.58%，变异系数分别为15.86%，66.33%；高粱籽粒蛋白质含量与单宁含量呈极显著负相关（r=-0.276），单宁含量与粒色呈极显著正相关（r=0.643）；在欧氏距离为1.30时可将90份高粱材料划分为5大类群，其中第I类群材料蛋白质含量最高、单宁含量最低，可作为优良亲本在饲料高粱新品种选育中加以利用。

关键词：高粱；蛋白质含量；单宁含量；聚类分析；粒色

中图分类号：S514 文献标识码：A DOI 编码：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，随着我国高粱的进口量急速增长，高粱作为一种较为新型的饲用原料，正逐渐受到饲料加工企业的重视和利用[1-2]。高粱籽粒的品质性状，特别是蛋白质含量和单宁含量对其用途有着很大的影响[3]。研究表明[4-5]，我国高粱的粗蛋白含量略高于玉米，但在必需氨基酸组成中，赖氨酸含量显著低于玉米；另外，高粱中含有单宁，单宁可以与蛋白质、糖类和金属离子结合形成难以消化吸收的复合物，并且还会抑制一些消化酶的活性，影响蛋白质的消化吸收[6-8]。高士杰等[9]认为，利用高粱作饲料，在育种上要改良高粱品质，增加蛋白质，提高赖氨酸含量，降低单宁含量，提高消化率。王志广等[10]对来自我国21个省区的高粱代表品种进行了品质性状研究，筛选出蛋白质含量大于13.5%的品种86个，单宁含量低于0.1%的品种59个。阎淑华[3]对全国14个省市农业科研单位提供的1 521份高粱品种的蛋白质、赖氨酸、单宁含量进行了分析，初步筛选出一批高蛋白质、高赖氨酸、低单宁含量的高粱品种。以上研究筛选出的优质种质资源，在我国高粱品质育种、遗传改良和综合利用等方面发挥了重要作用。

本研究以90份高粱种质为试验材料，采用近红外谷物分析仪对其蛋白质、单宁含量进行测定并聚类分析，以期为高粱品质育种提供优异的种质资源，拓宽高粱育种的遗传基础。

1 材料和方法

1.1 供试材料

选用本课题组自选和外引的育种材料共90份，其中保持系（B）36份，恢复系（R）54份（表1）。

1.2 试验方法

试验材料于2015年在山西省农业科学院高粱研究所修文基地种植。每份材料种2行，行长5 m，单因素随机区组排列。成熟期调查各材料的粒色[11]，混收5穗，脱粒精选后进行品质性状分析。利用近红外谷物分析仪测定高粱籽粒蛋白质含量和单宁含量，3次重复，取平均值[12]。

1.3 数据处理

利用DPS软件进行统计分析及相关性分析。用类平均法（UPGMA）进行聚类[13]。

2 结果与分析

2.1 高粱籽粒中蛋白质含量和单宁含量差异性分析

由表2可知，90份高粱种质资源蛋白质的平均含量为10.75%，变幅为7.26%～14.39%，极差为7.13，变异系数为15.86%。其中来自黑龙江的保持系黑1B蛋白质含量最高，为14.39%；来自山西的恢复系15205R含量最低，为7.26%。这90份高粱种质资源单宁的平均含量为0.58%，变幅为0.05%～1.35%，极差为1.30，变异系数为66.33%，显著高于蛋白质含量的变异系数，表明这些育种材料单宁含量变异丰富。其中来自山西的恢复系HM65单宁含量最高，为1.35%，来自山西的保持系2087/TB和辽宁的恢复系5-27单宁含量最低，均为0.05%。

2.2 不同类型高粱籽粒蛋白质含量和单宁含量变异分析

从表 3 不同类型高粱的分析结果可以看出：参试材料恢复系的蛋白质平均含量要略低于保持系，而变异系数要稍高于保持系；恢复系中蛋白质含量最高的是09305R，最低的是15205R；保持系中蛋白质含量最高的是黑1B，最低的是11280B。就单宁含量而言，恢复系的平均含量要显著高于保持系，但变异系数要低于保持系，说明保持系单宁含量的变异更加丰富；恢复系中单宁含量最高的是HM65，最低的是5-27；保持系中单宁含量最高的是151268B，最低的是2087/TB。

2.3 不同粒色高粱籽粒蛋白质含量和单宁含量变异分析

根据田间的调查结果（表4），参试高粱种质的粒色共分为5类，分别是红色、白色、黑色、橙色、黄色，其中红色43份，白色33份，橙色7份，黑色6份，黄色1份。不同粒色高粱种质的蛋白质含量依次为黑色（12.36%）>白色（10.99%）>橙色（10.82%）>红色（10.42%）>黄色（9.32%），单宁含量依次为黑色（0.14%）<橙色（0.23%）<白色（0.26%）<黄色（0.38%）<红色（0.95%）。

2.4 高粱籽粒蛋白質含量、单宁含量及粒色之间的相关分析

对高粱籽粒蛋白质含量、单宁含量及粒色进行相关性分析可以看出（表5）：参试高粱籽粒蛋白质含量与单宁含量呈极显著负相关，与粒色没有相关性；单宁含量与粒色呈极显著正相关，表明单宁含量随着籽粒颜色加深而增高。

2.5 基于高粱籽粒蛋白质含量和单宁含量的聚类分析

利用DPS软件对高粱籽粒蛋白质含量和单宁含量进行数据标准化处理，根据欧式距离大小，采用类平均法对参试材料进行聚类分析。从聚类图上可以看出（图1），在遗传距离为1.30处，90份高粱材料可分为5个类群。参试材料的类群组成及各类群蛋白质和单宁含量的平均值见表6。

第I类群包括2087/V4低、11494B、201B、M60826/L26、AGR1B、M60826/L17等24份材料，其中保持系15份、恢复系9份，表现为蛋白质含量最高、单宁含量最低类型。

第II类群包括054020B、29B、锦白B、A2V4B、L7、L16等26份材料，其中保持系13份、恢复系13份，表现为蛋白质含量中等、单宁含量较低类型。

第III类群包括151268B、22R、湘糯R、HM65、202B、657-1等12份材料，其中保持系2份、恢复系10份，表现为蛋白质含量较高、单宁含量较高类型。

第IV类群包括黑3035B、L9137、L28、H02029、黑3038B、60R/L17、151136B等27份材料，其中保持系5份、恢复系22份，表现为蛋白质含量中等、单宁含量较高类型，并且全部材料的粒色均为红色。

第V类群仅包括1份材料，为恢复系15205R，表现为蛋白质含量最低、单宁含量最高类型。

3 结论与讨论

高粱作为优良的能量饲料原料，在欧美国家畜牧养殖业中被广泛应用，而在我国主要用于酿造业，在配合饲料中很少使用[14]。我国的饲料高粱产业严重滞后于西方发达国家。饲用高粱应用的限制因素主要有以下几个方面：一是高粱中含有酚类化合物，比如单宁，具有凝固蛋白质的功能，影响家禽的采食量和生长量，降低蛋白质的消化率；二是高粱醇溶蛋白含量高，影响氨基酸和淀粉在动物体内的消化[15-17]。有研究表明[18]，高粱籽粒蛋白质含量与醇溶蛋白含量呈负相关。因此，为改善高粱的饲喂品质，提高高粱的消化率，应着重提高高粱籽粒蛋白质含量、降低单宁含量，选育饲用高粱专用品种。而对高粱种质资源蛋白质和单宁含量进行测定评价，对饲料高粱亲本系创制及新品种选育具有重要意义。

本研究90份高粱种质资源蛋白质含量平均为10.75%，单宁含量平均为0.58%，这与阎淑华[3]的研究结果较为接近。从两个品质性状的变异系数来看，单宁含量的变异系数显著高于蛋白质含量，表明高粱籽粒的品质差异明显，变异丰富，为选育高蛋白质、低单宁的饲用高粱亲本系提供了优良的种质资源。

由于高粱籽粒的果皮、种皮和胚乳中沉积的色素不同，形成了不同的粒色[19]。高粱单宁主要存在于种皮层，外胚乳也有少量存在[20]。前人的研究结果表明[19，21]，高粱籽粒种皮的颜色与单宁含量有相关性，即单宁含量随粒色加深而增加，但也不是绝对的。本研究也验证了这一结果，单宁含量与粒色呈极显著正相关，红色籽粒的单宁含量最高，白色和橙色籽粒的单宁含量较低，而黑色籽粒的单宁含量最低。本研究中的6份黑色高粱材料，有5份是新选育的黑高粱亲本系，这批亲本系具有综合性状优良、蛋白质含量高、单宁含量低等特点，可在高粱品质育种中加以利用。另外，本研究还发现，蛋白质含量与单宁含量呈极显著负相关，与王志广等[10]、刘铭三等[22]的研究结果基本一致，这就为高粱主要品质性状定向改良提供了依据。

聚类分析是研究和评价不同种质材料遗传差异较为理想的方法，在寒地水稻[23]、小麦[24]、棉花[25]、花生[26]等作物的品质性状评价中得到了广泛的运用。本研究对90份高粱种质资源根据蛋白质含量和单宁含量进行了聚类分析，从分析结果看，第I类群种质资源属于高蛋白质、低单宁的类型，如11494B、201B、203B、M60826/L26、M60826/L17等新选育的白粒亲本系，这一批品系蛋白质含量均在12%以上、单宁含量小于0.2%，农艺性状优良、配合力高，可在饲料高粱育种中加以利用。

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