北方春糜子区黍稷资源抗性淀粉含量差异分析

王 倩，陈小红，马瑞凯，王海岗，陈 凌，井 苗，乔治军，王瑞云，

（1.山西农业大学农学院，山西太谷 030801；2.山西农业大学农业基因资源研究中心（山西省农业科学院农作物品种资源研究所），山西太原 030031；3.榆林市农业科学研究院，陕西榆林 719000）

黍稷（Panicum miliaceum L.）又称糜子或糜黍，是禾本科黍属的1 年生草本作物，生育期短，抗瘠耐旱，在干旱和半干旱地区粮食生产和功能食品开发中具有重要作用[1-3]。淀粉不仅是人们膳食中碳水化合物的主要来源，而且是食品加工行业中所用的原料之一[4]。糜子中富含淀粉，包括支链淀粉和直链淀粉。糯性糜子直链淀粉含量少、黏性强、口感好，深受大众喜爱。当今水资源紧缺、全球变暖等问题日益凸显，加大对黍稷的研究对维护世界粮食安全有着重大意义。

淀粉在人体内表现出消化速率差异，可分为抗性淀粉（Resistant starch，RS）和非抗性淀粉[5]。RS 又称抗酶解淀粉，是一种特殊淀粉，是指人体小肠中不被吸收的淀粉及其降解物[6]。抗性淀粉由于其产生的热量值非常低而且对食品的味道和结构无副作用，已广泛用于各种食物中。RS 被分为5 种类型，即RS1、RS2、RS3、RS4 和RS5[6-8]。RS1 为物理包埋淀粉，主要存在于部分研磨的谷物和种子中；RS2为抗性淀粉颗粒，主要存在于天然高直链玉米淀粉和生马铃薯等中；RS3 为回生淀粉，是淀粉经过糊化、冷却过程而产生的抗消化淀粉；RS4 是化学改性淀粉，指通过酯化、醚化或交联等修饰作用，产生新官能团的淀粉；RS5 为直链淀粉-脂类复合物，指淀粉与脂肪酸或脂肪醇等形成的复合物[9]。膳食纤维通过刺激肠道蠕动有助于肠道正常消化。RS作为一种功能性食品，其对肠道的调节作用主要是通过在结肠中细菌发酵产生短链脂肪酸（Short chain fatty acids，SCFA），从而刺激肠道上皮细胞的发育、生长和更新，有利于保持肠道上皮细胞的完整性，降低结肠癌的发病率[10-12]。此外，SCFA 能够降低肠道pH 值，净化肠道[13]。另外，RS 作为一种益生元，可以通过选择性地刺激大肠中的特定益生菌物种的生长和活性，有利于改善宿主健康环境[14-15]。目前，RS 可以显著控制糖尿病患者的血糖指数，并且还具有降血脂、控制体质量和促进矿物质的吸收等生理功能[6，9，16-20]。近年来，RS 在人体保健方面的研究取得长足进展。肖兵[21]研究了玉米RS3 对小鼠血糖的影响，结果表明，控制组小鼠血糖上升了10.90%，而饲喂RS3 的小鼠血糖值下降了14.70%，说明玉米RS3 能够有效降低Ⅱ型糖尿病小鼠的血糖。PANEBIANCO 等[22]研究发现，饲料中加入RS后，胰腺癌小鼠体内有25 个基因引起胰腺癌失调、6 种血清代谢物发生紊乱，RS 可作为治疗癌症的潜在方法。李凌岩等[23]以大鼠为研究对象，在饲料中添加RS4 型抗性淀粉后发现，大鼠血清的IgA、IgM的浓度和脾脏指数提高，极大提高了机体的免疫功能。AZIZ 等[24]通过给肥胖大鼠喂食高RS 含量食品，研究发现，大鼠体质量显著降低，可见RS 具有减肥效果。因此，高RS 食物有益于治疗人类肥胖症。迄今已经培育出一批高RS 含量的作物新品种。CARCIOFI 等[25]通过沉默所有的SBE 基因后表明，大麦籽粒胚乳内只有直链淀粉产生，且仅含直链淀粉的天然淀粉中就有高含量的RS（90%）存在。ZHOU等[26]通过筛选γ-辐射的杂交稻恢复系R7954，鉴定了1 种突变体b10，在熟米中RS 含量较高。测定小麦、水稻等作物的淀粉含量结果表明，RS 含量与直链淀粉的含量呈正相关[27-29]。研究发现，小麦品种的直链淀粉含量高，RS 含量低，而有的品种前者低，后者相对较高[30]，说明除了直链淀粉含量外，还有别的因素会影响RS 含量，这也为筛选适口性好的优质品种提供了基础。迄今为止，对大宗作物如小麦、水稻、玉米等的RS 研究颇多，但是针对黍稷抗性淀粉研究较少，亟待开展研究。

本研究选取北方春糜子区4 个省（山西、青海、甘肃、内蒙古）的黍稷种质共80 份为材料，拟对其RS 含量进行评估，以此为优异品质黍稷资源的筛选提供基础数据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验选用80 份北方春糜子区黍稷资源（山西、青海、甘肃、内蒙古各20 份）为材料（表1）。

1.2 试验方法

称取50 g 黍稷种子，用磨碎机研磨，过1.0 mm筛后混匀，称取0.1 g，参照Megazyme 淀粉抗性检测试剂盒K-RSTAR 说明书进行操作，测定并计算RS、非RS 含量和总淀粉含量。

1.3 数据分析

采用SPSS 25.0 软件处理数据，对RS 含量和非RS 含量进行方差分析、正态分布检验，绘制含量分布图。用Microsoft Excel 软件对RS 含量、非RS 含量以及总淀粉含量进行线性回归分析和多重比较，绘制含量分布及趋势图。

2 结果与分析

2.1 黍稷种质抗性、非抗性淀粉含量分析

从表1 可以看出，80 份资源的RS 含量为2.14%（5 号小红黍）～10.76%（36 号白皮糜），最低RS 含量种质来源于山西，最高RS 含量种质来源于青海，平均含量为6.50%。80 份资源非RS 含量为21.79%（74 号红糜子）～69.21%（72 号内糜6 号），非RS 含量最高与最低种质均属于内蒙古资源，平均含量为47.84%。就总淀粉含量而言，80 份资源为25.47%（74 号红糜子）～77.34%（63 号临河黄糜子），含量最高与最低种质均属于内蒙古资源，平均含量为54.35%。

表1 80 份黍稷资源淀粉含量分析 %

从表2 可以看出，80 份黍稷种质的RS 平均含量（MN）为6.50%，标准偏差（SD）为1.99%，变异系数（CV）为30.62%；非RS 的MN、SD、CV 分别为47.84%、9.22%、19.27%；总淀粉的MN、SD、CV 分别为54.35%、9.76%、17.96%，这表明80 份黍稷资源间差异较小，RS 含量的变异程度大于非RS 含量和总淀粉含量。对黍稷淀粉含量进行正态性分布检验，就抗性淀粉而言，Kolmogorov-Smirnov（KS）和Shapiro-Wilks（SW）检验发现，P 值分别为0.200（KS）、0.491（SW），均大于0.05；就非抗性淀粉而言，P 值分别为0.076（KS）、0.066（SW），也均大于0.05，可以认为RS 和非RS 符合正态分布。

从表2 还可以看出，就RS 含量分布特征而言，偏度系数为-0.095，说明分布呈负偏态，即正态曲线左侧偏长，右侧偏短；峰度系数为-0.673，说明曲线较平坦，为平坦峰。非RS 含量分布特征与RS 含量正好相反，偏度系数为0.021，呈正偏态，即正态曲线右侧偏长，左侧偏短；峰度系数为0.764，说明曲线较凸出，为尖峰。

表2 不同黍稷种质抗性、非抗性淀粉含量的分布特征

从图1 可以看出，抗性淀粉含量分布为中部偏左，中间6～10 组样本数据频率相对较高。从图2可以看出，80 份黍稷种质非抗性淀粉含量分布为中部偏右，中间7～8 组样本数据频率明显高于其他组。

2.2 黍稷抗性、非抗性淀粉含量的总体比对及回归分析

对各省份黍稷资源RS 含量进行回归分析，由图3 可知，山西省线性回归方程为y＝0.031 6x＋4.259 8，拟合优度R2＝0.017 2，显著性P 值为0.580＞0.05；青海省线性回归方程为y＝0.049 5x＋7.615 8，拟合优度R2＝0.063 5，显著性P 值为0.284＞0.05，说明这2 个省份的样本数对抗性淀粉含量的拟合程度低，呈低度正线性相关，样本数对山西和青海的抗性淀粉含量无显著影响。甘肃省线性回归方程为y＝-0.031x＋7.411，拟合优度R2＝0.012 8，显著性P 值为0.634＞0.05，说明该省的样本数对抗性淀粉含量的拟合程度低，呈低度负线性相关，样本数对抗性淀粉含量无显著影响。内蒙古线性回归方程为y＝-0.228 4x＋8.603 2，拟合优度R2＝0.537 2，显著性P 值为0.000＜0.05，说明该省的样本数对抗性淀粉含量的拟合程度较高，呈中度负线性相关，样本数对抗性淀粉含量有显著影响。

对各省份黍稷资源非RS 含量进行回归分析，由图4 可知，山西省线性回归方程为y＝-0.343 1x＋44.833，拟合优度R2＝0.114，显著性P 值为0.145＞0.05；甘肃省线性回归方程为y＝0.193 8x＋47.195，拟合优度R2＝0.025 9，显著性P 值为0.498＞0.05；青海省线性回归方程为y＝0.064 8x＋48.065，拟合优度R2＝0.003，显著性P 值为0.820＞0.05；内蒙古线性回归方程为y＝-0.778 2x＋60.336，拟合优度R2＝0.142 8，显著性P 值为0.100＞0.05，说明这4 个省份的样本数对非抗性淀粉含量的拟合程度低，山西和内蒙古呈中低度负线性相关，甘肃和青海呈低度正线性相关，样本数对非抗性淀粉含量无显著影响。

对80 份黍稷资源RS 及非RS 含量分布进行回归分析，得出图5 中抗性淀粉含量回归方程为y＝0.015x＋5.897，拟合优度R2＝0.030 6，显著性P值为0.121＞0.05，说明样本数对抗性淀粉含量的拟合程度低，呈低度正线性相关，样本数对抗性淀粉含量无显著影响；非抗性淀粉含量回归方程为y＝0.142 6x＋42.067，拟合优度R2＝0.129，显著性P 值为0.001＜0.05，总淀粉含量回归方程为y＝0.157 6x＋47.964，拟合优度R2＝0.141，显著性P 值为0.001＜0.05，说明样本数对非抗性淀粉含量和总淀粉含量的拟合程度低，呈中低度正线性相关，样本数对非抗性淀粉含量和总淀粉含量有显著影响。

综上所述，黍稷种质样本对RS 含量无显著影响，但不同省份种质样本对RS 含量的影响程度存在一定的差异。黍稷种质样本对非抗性淀粉含量有显著影响，但不同省份种质样本对非抗性淀粉含量都无显著影响；总淀粉含量与非抗性淀粉含量的分布规律具有较高的相似性。抗性淀粉含量、非抗性淀粉含量和总淀粉含量3 个指标线性相关关系普遍较弱。

2.3 不同省份黍稷抗性、非抗性淀粉含量的多重比较及分型分析

2.3.1 各省份RS 与非RS 含量的方差分析 从表3 可以看出，RS 和非RS 含量显著性均小于0.05，说明这2 项指标在不同省份间的差异均达到显著水平。

2.3.2 不同省份黍稷抗性、非抗性淀粉含量的多重比较 从图6 可以看出，各省份黍稷资源抗性淀粉含量低于非抗性淀粉含量。就抗性淀粉平均含量而言，山西资源与其他3 个省之间存在显著差异；青海资源与甘肃和内蒙古资源之间差异显著；甘肃资源与内蒙古资源间差异不显著。就非抗性淀粉含量而言，山西省与其他3 个省之间差异显著，而其他3 个省间差异不显著。某种程度上可以说明，山西的黍稷资源较为复杂，而青海、甘肃、内蒙古3 个省的黍稷资源有一定的相似性。

2.3.3 各省份黍稷资源抗性、非抗性淀粉含量分型分析 从表4 可以看出，青海资源RS 含量最高，甘肃、内蒙古次之，山西最低，山西和青海2 个省区RS 含量差异最大。就黍稷RS 含量变幅而言，山西、青海、甘肃和内蒙古资源分别为2.14%～7.04%、6.66%～10.76%、3.69%～9.93%和3.68%～9.87%，甘肃变幅最大，青海变幅最小。不同省份黍稷RS 含量变异系数为14.25%～30.95%。不同省份幅度范围和变异系数变化不大，有较为一致的分布规律。依据含量范围，可将RS 种质划分为Ⅰ型（2.00%～4.93%）、Ⅱ型（4.93%～7.86%）和Ⅲ型（7.86%～10.80%）。甘肃的黍稷资源中不同含量RS 样本数为Ⅱ型＞Ⅲ型＞Ⅰ型；内蒙古为Ⅱ型＞Ⅰ型＝Ⅲ型；山西以Ⅰ型和Ⅱ型RS 种质为主，且Ⅰ型＞Ⅱ型，无Ⅲ型；青海则以Ⅱ型和Ⅲ型为主，且Ⅱ型＞Ⅲ型，无Ⅰ型；总体上，Ⅱ型种质居多，Ⅰ型和Ⅲ型基本持平。

表4 不同省份黍稷RS 含量分布情况

从表5 可以看出，内蒙古资源非RS 含量最高，甘肃、青海次之，山西最低。山西和内蒙古2 个省区非RS 含量差异最大。就非抗性淀粉含量变幅而言，山西、青海、甘肃和内蒙古资源分别为27.56%～49.45%、26.57%～59.07%、37.26%～67.19% 和21.79%～69.21%，内蒙古变幅最大，山西变幅最小。不同省份黍稷非RS 含量变异系数为14.48%～23.35%，其中，山西、青海、甘肃3 个省资源的变异程度基本一致，而内蒙古的变异程度相对较大。依据非抗性淀粉含量的不同，可将非RS 种质划分为A 型（21.00%～37.10%）、B 型（37.10%～53.20%）和C 型（53.20%～69.30%）。甘肃的黍稷资源中不同含量非RS 样本数为B 型＞C 型，无A 型；内蒙古为B型＞C 型＞A 型；山西为B 型＞A 型，无C 型；青海则B 型＞C 型＞A 型；总体上，B 型种质居多，C 型次之，A 型最少。

表5 不同省份黍稷非RS 含量分布情况

3 结论与讨论

黍稷是我国最古老的农作物之一，栽培历史有10 000 多年，在世界各地均有种植[31-32]。黍稷种质资源丰富，目前我国已保存超过9 885 份[33]。遗传多样性是生物多样性的重要组成部分，近年来，黍稷遗传多样性研究较多。连帅等[34]、王瑞云等[35]利用SSR标记对不同来源的黍稷地方品种和野生资源的遗传多样性和亲缘关系进行了分析。薛延桃等[36]研究表明，我国河北地区的遗传多样性最丰富，其可能是黍稷的起源地。林元香等[37]研究发现，相较于印度，中国黍稷资源的遗传多样性较高。但是黍稷抗性淀粉含量的遗传差异研究不多。

田翔等[38]研究发现，黍稷总淀粉含量为67.60%～75.10%。本研究测定了我国北方春糜子区山西、青海、甘肃、内蒙古4 个省份80 份黍稷资源的总淀粉平均含量为54.35%，其范围介于25.47%～77.34%之间，较其结果而言，本研究更宽泛，这可能与试验材料来源广泛有关。普通小麦面粉中RS 含量仅占1.00%～1.70%[39]，但本研究检测出RS 平均含量为6.50%，介于2.14%～10.76%，黍稷RS 含量高于小麦，这可能与黍稷的遗传特性有关。本研究发现，黍稷RS 含量呈负偏态分布，但是谷子和水稻RS 含量呈正偏态分布[40]，这与物种自身遗传特性及资源的数量有关。

通过对北方春糜子区的80 份黍稷资源进行对比和回归分析发现，黍稷样本数对RS 含量无显著影响，但是不同省份黍稷样本数对RS 含量的影响有一定的差异。如内蒙古的黍稷样本数对RS 含量有显著影响，而山西、青海、甘肃黍稷样本数对RS含量无显著影响，这说明黍稷抗性淀粉含量可能与环境条件、品种自身遗传特性等因素有关。邵欢欢等[41]研究40 份糜子资源淀粉后认为，不同地区饮食习惯不同，会对黍稷RS 的地理分布产生影响。直链淀粉含量的提高有利于抗性淀粉形成和提取，增加直链淀粉的含量可相应增加抗性淀粉含量[42-43]。VIDA 等[44]用体外方法研究野生型和2 种突变型豌豆淀粉的RS 含量时发现，基因类型会影响RS 含量。EERLINGEN 等[45]通过研究平均聚合度在40～60 的淀粉的抗性淀粉含量发现，分子平均聚合度越小，抗性淀粉含量越低；通过遗传改良可以获得高RS 含量的新品种。LEE 等[46]研究发现，适当剂量的辐射可以明显提高玉米的抗性淀粉含量。张志转[47]通过对苏麦6 号干种子诱变，在M3 一代中筛选鉴定了1 个RS 含量较高的突变株系。但目前RS含量较高的作物新品种还很少，遗传机制的研究也不够深入，还需要加大对RS 遗传改良的研究。

本研究对不同省份黍稷资源抗性淀粉含量进行方差分析，得出不同省份之间的差异显著，并且山西与其他3 个省的差异较大，这可能与山西黍稷资源复杂有关。本研究发现，就RS 平均含量而言，青海＞甘肃＞内蒙古＞山西。同一生态区的不同地区气候和环境条件略有差异，因此，种植的黍稷品种也会有不同。青海地形复杂、地貌多样，是我国最贫瘠的地方，而黍稷抗旱耐瘠，因此，较其他3 个省份来说，青海种植出来的黍稷可能质量好，营养更高。80 份黍稷资源RS 含量为2.14%～10.76%，山西RS 含量分布在2.14%～7.04%；甘肃黍稷资源RS 含量为3.69%～9.93%；青海RS 含量为6.66%～10.76%；内蒙古RS 含量在3.68%～9.87%。总的来说，这4 个省份RS 含量集中在5.00%～8.00%。王琳等[48]对172 份春小麦种质资源抗性淀粉含量进行测定，发现RS 含量为0.54%～3.07%，只有6 份材料的RS含量超过3.00%。刘敬科等[40]测定了216 份谷子RS含量，幅度范围为0～6.74%，发现仅有16 份RS 含量超过4.00%。糜子作为一种小杂粮，适应性广，具有广泛的使用价值。就抗性淀粉含量而言，其比小麦和谷子有较强优势，应加大在食品工业方面的应用。