余 婕， 张 红， 刘 婷， 詹秋文， 石 松， 杜军利， 王 歆， 郑甲成

(安徽科技学院 农学院，安徽 凤阳 233100)

甜高粱(

Sorghum

bicolor

L. Moench)起源于非洲，禾本科高粱属一年生草本植物，是普通高粱(

Sorghum

bicolor

)的一个变种，因其不仅能产出高粱籽粒，茎秆中还富含糖分而得名，故称为甜高粱或糖高粱。甜高粱是C4植物，株高可以达到3 m以上，其生物产量能达到63～82.5 t/hm。作为目前极具优势的能源作物，甜高粱吸引了世界各国科学家的目光。甜高粱具有较强的抗逆性和适应性，可以适应多种环境，种植甜高粱、开发茎秆含糖量意义重大。中国是能源消耗大国，大力发展甜高粱，可以拓展农业结构领域，促进区域经济发展，缓解紧张的能源供应，还可以减少温室气体排放，改善生态环境，保障国家能源安全、粮食安全和环境安全。茎秆可溶性糖含量是甜高粱品质评价的重要指标，对燃料乙醇的生产有着重要的影响，研究甜高粱茎秆可溶性糖分的积累规律对甜高粱品质改良具有重要的意义。本研究以29份甜高粱种质资源为材料，分析不同生育时期甜高粱可溶性糖的积累变化规律，明确可溶性糖在甜高粱不同节间的分布特点，比较29份甜高粱的可溶性糖含量差异，以期为甜高粱大田育种工作中亲本材料的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料种植

29份甜高粱样品由中国农科院作物所提供，甜高粱Yuexitian和M81、普通高粱Tx623b和苏丹草S722由安徽科技学院农学院提供。2019年5月在安徽科技学院种植园(东经117°33′，北纬32°52′，海拔43 m)播种，每个品种种植4行，行长3 m，行距50 cm，株距25 cm。在高粱和苏丹草生长至苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期时，分别收集4个品种的茎秆，测定可溶性糖含量。2020年，在安徽科技学院种植园继续播种29份甜高粱种质材料、Yuexitian和M81，播种条件同上，在乳熟期收集甜高粱茎秆第五节间组织。每个品种均取样3株，作为生物学重复，-20 ℃冰箱保存备用。

1.2 可溶性糖含量测定

采用苯酚-硫酸法，以蔗糖为标准品，制作可溶性糖含量的标准曲线。利用磨样机将收集的高粱茎杆样品打成匀浆，测定各组高粱茎杆可溶性糖含量，每个品种设置3次重复。90%苯酚溶液(P815400，上海麦克林生化科技有限公司)、浓硫酸(南京格灵化工有限公司)和蔗糖(中科瑞泰生物科技有限公司)均为分析纯。

1.3 可溶性糖标准曲线制作

以蔗糖为标准品，按照0.15 μg/mL蔗糖溶液梯队设置可溶性糖的标准液，共设置7个浓度水平，2次重复，室温下放置30 min，以空白为对照，利用紫外可见分光光度计(METASH V-5100型，上海元析仪器有限公司)在485 nm波长下测定吸光值，以吸光值为横坐标，可溶性糖含量为纵坐标，绘制标准曲线，获得标准直线方程。

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理和图表绘制，所有数据用SPSS 18.0统计软件进行方差和差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 可溶性糖含量与吸光度的关系

测定不同浓度的可溶性糖标准液吸光值，可以看出(图1)，不同浓度下，吸光度值与蔗糖浓度呈直线性正相关，以吸光度为横坐标，可溶性糖含量为纵坐标，求得直线回归方程

y

=176

.

93

x

-2

.

46，线性相关系数为

R

=0

.

99(

P

<0.01)，表明此回归方程中可溶糖含量和吸光度模拟趋势较好，可以用来测定29份甜高粱种质资源的可溶性糖含量。

2.2 不同生育时期高粱的可溶性糖含量分析

研究表明，在不同生育时期，甜高粱茎秆的糖分积累具有明显差异。为了获得29份甜高粱材料茎秆的最佳取样时期，分别选取两个甜高粱(Yuexitian和M81)、普通高粱Tx623b和苏丹草S722A品种，测定不同生育时期茎秆可溶性糖含量。结果发现(图2)：在苗期和拔节期，甜高粱可溶性糖含量和普通高粱相差不明显；在乳熟期，4个高粱品种的可溶性糖含量显著增加，且甜高粱的可溶性糖含量明显高于普通高粱，甜高粱M81的可溶性糖含量最高，乳熟期达到114.17 mg/g，是苗期的6.0倍，孕穗期的1.8倍。在完熟期，4个品种的含糖量均显著下降，说明开发利用甜高粱可溶性糖在乳熟期可能是最适宜的取材时期，高粱生育期内茎秆可溶性糖含量先增加后降低推测是由于高粱在前期主要是营养生长，糖分积累较少，在灌浆期，糖分开始大量形成并积累，乳熟期至蜡熟期达到最大值，完熟期可溶性糖逐渐转化为淀粉，可溶性糖含量明显降低。

图1 可溶性糖含量与吸光度的回归分析Fig.1 Regression analysis between soluble sugar content and absorbancy图2 不同生育时期的可溶性糖含量Fig.2 Soluble sugar content at different development stages注:S722为苏丹草,Tx623b为普通高粱,Yuexitian和M81为甜高粱,大写字母表示同一品种在不同生育时期可溶性糖含量的差异显著性水平(P<0.01)。

2.3 甜高粱茎秆不同节间可溶性糖含量比较

结果表明，甜高粱M81可溶性糖含量最高，乳熟期依次采集M81茎秆不同节间样品，分析不同节间的可溶性糖含量变化规律。结果发现(图3)，从甜高粱地上下部第一节间至顶端的最后一个节间，总体可以分为4个水平：茎秆中部节间水平2含糖量较高，包含5、6、7、8和9五个节间，平均可溶性糖含量为98.82 mg/g，与上部水平3和顶端水平4节间之间的差异均达到显著水平(

P

<0.05)，高于下部节间水平1可溶性糖含量，但差异未达到显著水平。其中，第五节间可溶性糖含量最高为105.79 mg/g，与其他所有节间的可溶性糖含量差异均达到显著水平(

P

<0.05)，顶端第十四节间可溶性糖含量最低，仅为39.70 mg/g。可以看出，甜高粱在靠近穗部的节间糖含量较低，而靠近地面的节间可溶性糖含量较大，推测这是由于作物茎秆成熟是从下而上依节段渐次进行，导致靠近地面的中下部节间株龄相对较老，可溶性糖(蔗糖)积累丰富，靠近顶端的穗下第一节间相对幼嫩，蔗糖运输不完整，存在分解和再合成的步骤，可溶性糖含量较低。在后续分析中，在乳熟期，选择29份甜高粱材料的茎秆中间节间作为可溶性糖测定的关键组织。

图3 甜高粱M81茎秆不同节间的可溶性糖含量

2.4 29份甜高粱可溶性糖含量分析

在乳熟期，以甜高粱中部节间(第五节间)为材料，测定可溶性糖含量。分析发现不同品种茎秆可溶性糖含量具有明显差异。采用模糊聚类法对29份品种的可溶性糖含量进行聚类分析，在欧式距离为10时，29份甜高粱材料可明显的被划分为3大组(图4)：3组之间的含糖量差异达到极显著水平(

P

<0.01)，第3组的含糖量最高，平均为109.88 mg/g，包括7个品种(6，11，15，20，21，22和28号)，第1组组含糖量较低，平均为63.63 mg/g，包括16个品种(1，2，3，5，7，8，9，10，12，13，14，16，19，23，25和29号)，第1组的含糖量最低，平均为28.23 mg/g，包括6个品种(4，17，18，24，26和27号)，这为后续甜高粱田间育种亲本选配提供理论依据。

图4 29个甜高粱的可溶性糖含量分析

进一步分析表明(表1)，3 个分组内部，第1组和第3组内的甜高粱品种大多分布于北方地区，海拔相对较高，日照时间较长，甜高粱植株生物产量中等，籽粒产量较高，糖锤度较大。第2组内品种大多分布于我国偏南区域，光热水资源充足，日照时间短，高粱生物产量较大，籽粒产量小，组内品种含糖量变异系数较大，说明甜高粱在北方更适宜茎秆糖分积累。其中，21号品种含糖量最高，20号品种次之，分别达到129.7和126.6 mg/g，源产地均在北京，第3组含糖量最高，组内糖分含量变异系数大，可以作为后续甜高粱育种工作中的重点亲本材料。

表1 29份甜高粱不同分组间可溶性糖含量方差分析和农艺性状特点

3 结论与讨论

甜高粱是最具优势的生物能源作物之一，随着能源短缺形势加剧，发展可再生新能源迫在眉睫。甜高粱生物产量大、茎秆乙醇转化率高、抗逆性强，可生产酒精，代替化石能源。然而，甜高粱地方品种混杂，优质品种较少，缺乏系统的研究，获得生物产量高、含糖量丰富的新品种是甜高粱育种的主要目标。

本研究中，高粱茎秆可溶性糖积累最丰富的时期在乳熟期，且乳熟期含糖量与苗期、拔节期、孕穗期和完熟期之间均达到极显著差异水平，这与刘晓辉等研究的关于甜高粱糖分积累动态变化趋势相一致。五个生育时期内，除了M81以外，其他3个高粱品种前期可溶性糖的积累均相对缓慢，乳熟期糖分积累速度迅速加快，完熟期茎秆含糖量明显下降，这可能与甜高粱后期糖分转化为淀粉或者蔗糖的新陈代谢消耗有关，且本试验完熟期取样过晚，茎秆趋于干枯也会影响可溶性糖的测定，有必要进一步深入研究。

前人针对甜高粱的性状和生长表现开展研究，对其含糖量和蛋白质含量进行了测定，认为甜高粱茎秆的不同节位含糖量不同。本研究通过对甜高粱M81不同节间的可溶性糖分积累规律分析发现，M81茎秆糖分的积累在各个节间有差异，中、下部节间可溶性糖含量较丰富，暗示甜高粱茎秆糖分的积累可能以中下部为主，且随着节间向穗部延伸，顶部节间含糖量降低，这可能是由于生育后期甜高粱转为生殖生长，大部分营养物质运输都偏向于穗部器官。29个甜高粱品种中，6、11、15、20、21、22和28号7个品种含糖量较丰富，其中20和21号品种含糖量最高，2个品种原产品均为北京，北京地区土壤综合肥料较好，年日均温度大于10 ℃，该区域光热资源丰富，雨量适中，是我国最重要的农业生产区，适宜开发种植甜高粱。在后续试验中，可将20和21号品种作为亲本材料，重点杂交选育，获得优质甜高粱新品种。

甜高粱作为能源作物在世界范围内广受关注，但目前对于甜高粱的空间分布及乙醇生产潜力尚缺乏专门的定量研究，在适宜性较差和较适宜的未利用地区种植甜高粱，应充分考虑开发成本和能源投入等问题。发展高粱生产有利于利用自然资源，有利于种植结构的调整，有利于轮作倒茬。所以，高粱作为我国北方旱粮作物在生产上仍占有重要地位。本实验中，可溶性糖含量只能作为甜高粱有效利用的一个经济指标，后期研究中，有必要针对甜高粱灌浆期不同节间的糖分动态积累规律和分子调控机理开展深入研究。同时，进一步开展这些甜高粱种质资源在株型结构、籽粒产量、生物量合成等方面的研究，为甜高粱工业酿酒、饲草畜牧等方面提供理论依据。