果蔗矿质养分含量及品质指标差异稳定性分析

杨绍林 邓军 李如丹 樊仙 全怡吉 张跃彬 刀静梅

摘  要：果蔗含有豐富的糖分、纤维分、水分、矿质元素、氨基酸等，这些成分指标受环境条件与品种因素的影响。本文分析了我国主栽的2个果蔗品种的矿质养分含量及品质指标在不同蔗区之间的差异。于果蔗成熟期，分别在广东、广西、云南、海南4个甘蔗主产区，选取在我国具有代表性的2个果蔗品种（‘Badila和‘粤糖54-474）为材料，对其主要矿质元素含量（N、P、K、Ca、Fe、Mn、Zn、Cu）和品质（糖度、纤维分、简纯度、还原糖、水分）的差异性和相关性进行了分析。结果显示，当蔗区改变时，甘蔗对N、P、K吸收转化的稳定性为：K>P>N;对中微量元素吸收转化的稳定性为：Mg>Ca、Cu、Fe>Mn、Zn;品质指标的稳定性为：糖度>水分含量、出汁率>还原糖分、纤维分、简纯度。N与K、蔗汁糖度、简纯度之间，Mn与Cu、Zn，Fe与Zn，蔗汁糖度与简纯度之间呈极显著正相关;N、K与还原糖分，Ca与Mn，Mn与糖度，纤维分与水分含量，蔗汁糖度、简纯度与水分之间呈极显著负相关;P与出汁率，Ca与蔗汁糖度，Mg与水分含量，Zn与Cu，Mn与Cu，纤维分与出汁率之间呈显著正相关;P与Mg、Cu之间，Ca与Cu，Mg、Fe与纤维分，Zn与出汁率，Mn与简纯度之间为显著负相关关系。研究表明，同类型数量性状指标之间的稳定性存在一定的差异，K、Mg含量，蔗汁糖度指标在环境变化时表现最为稳定，品种、基因型能表现出其相应性状指标的种性优势;其次是P、Ca、Cu、Fe含量，水分含量、出汁率;而受环境影响最大的是N、Mn、Zn含量，还原糖分、纤维分、简纯度。相似数量性状指标可按环境效应和基因效应对其影响程度分为“环境效应优势型数量性状”“环境效应和基因效应对等型数量性状”和“基因效应优势型数量性状”3类。

关键词：甘蔗;相似数量性状;性状差异稳定性;环境效应;基因效应

中图分类号：S566.1      文献标识码：A

Abstract： Chewing cane is rich in sugar， fiber， water， mineral elements， amino acids etc. The components of sugarcane are effected by environmental conditions and cultivars. In this study， the differences of mineral nutrient content and quality indexes between two varieties of chewing cane planted in China were analyzed. The correlation and difference of mineral elements （N， P， K， Ca， Fe， Mn， Zn， Cu）， and quality indexes （fiber content， apparent purity， reducing sugar， water content） between the samples of ‘Badila and ‘Yuetang54-474 from four main sugarcane producing areas （Guangdong， Guangxi， Yunnan and Hainan ） were analyzed. The stability of absorption amount of sugarcane to N， P and K was K > P > N， that to the medium and trace elements was Mg > Ca， Cu， Fe > Mn and Zn， that to the quality indexes was sugar content > water content， juice yield > reduced sugar， fiber content， apparent purity. There was an extremely significant positive correlation between N， K， sucrose content， apparent purity; and between Mn with Cu， Zn， Fe， Zn， reduced sugar and apparent purity. There was an extremely significant negative correlation between N， K with reduced sugar， Ca and Mn， Mn and sugar content， fiber content and water content， sugar content， apparent purity with water content. There was a significant positive correlation between P and juice yield， Ca and sugar content， Mg and water content， Zn and Cu， Mn and Cu， and fiber content and juice yield. There was a significant negative correlation between P， Mg， Cu， Ca and Cu， Mg， Fe， fiber content， Zn and juice yield， Mn and apparent purity. The results suggest that there was a certain difference in stability among the same type of quantitative characters， the content of K， Mg and sucrose content was the most stable quantitative character of sugarcane when the environment changed， the variety or genotype showed the genetic superiority of the corresponding traits. The content of P， Ca， Cu， Fe content， moisture content， juice yield was less stable. The content of N， Mn， Zn， reducing sugar， fiber content， simple purity was most affected by the environment. According to the influence degree of environment and genotype， the similar quantitative traits could be divided into three types： genotype dominant quantitative traits， genotype and environment equivalent quantitative traits， environment dominant quantitative traits.

蔗汁样品中P含量测定：钼锑抗吸光光度法（mg/L），分光光度计为UV754N（中国上海），，其中为待测液的磷质量浓度（mg/L），0为空白消解液中磷的质量浓度（mg/L），待测液吸光值查曲线值，（y=0.595x? 0.0048，R2=0.9983），V为待测液定容体积（mL），V1为吸取待测液体积（mL），V2为显色溶液定容体积（mL），m为取样体积，本试验中为1 mL。

1.2.2  中微量元素含量测定  蔗汁样品中K、Ca、Fe、Mg、Zn、Mn含量的测定依据NY/T 2017? 2011[40]和GB 5009.268?2016[42]，并参考藻类植物微量元素分光法测定[43]略作改变：采用原子吸收光谱法，原子吸收分光光度计为AA-6300（日本），，其中为待测液中所测元素的质量浓度（mg/L），0为空白消解液中所测元素的质量浓度（mg/L），V为待测液定容体积（mL），V1为吸取待测液体积（mL），V2为显色溶液定容体积（mL），m为取样体积（本试验中K测定时体积为1 mL，其余元素测定时体积为5 mL）。

1.2.3  果蔗品质指标检测  果蔗的蔗糖分、纤维分、简纯度测定依据GB/T10499?2014[44]糖料甘蔗试验方法。还原糖分的测定参考GB 5009.7? 2016[45]的方法。

果蔗汁还原糖分（%）：f为校正系数（查兰?艾农恒容法测定还原糖校正系数表所得），K为费林氏溶液浓度校正系数，m为100 mL蔗汁重量，V为费林氏溶液滴定消耗液体积（mL）。

果蔗汁糖度（%）：Bx为蔗汁观测锤度，R为蔗汁观测旋光度。

简纯度（%）：AP=P/Bx×100，P为果蔗汁糖度，Bx为锤度，如锤度用糖用折射仪测得，其计算结果称为折光视纯度。蔗汁简纯度即为蔗汁视纯度，糖品的视固溶物中所含糖度（转光度）的百分数。

果蔗纤维分（%）：，Wb为蔗渣质量（g），M为蔗渣干燥失重（%），Bb为蔗渣锤度（%），W为果蔗样品质量（%）。

蔗渣锤度（%）：，Wb为蔗渣蒸煮后连同溶液的质量（g），M为蔗渣干燥失重（%），B为蒸煮液在20 ℃时的锤度（%）。

果蔗水分含量（%）=100?纤维分（%）?甘蔗糖度（%）?还原糖分（%）。

出汁率（%）=蔗汁重量/果蔗鲜重×100%。

1.3  数据处理

数据处理采用Excel软件，差异性分析采用DPS 17.10软件中的单因素方差分析（ANOVA- Tukey）、两样本t检验（student t-test）;用SPSS19软件进行相关性（双变量皮尔逊）分析。

2  结果与分析

2.1  蔗汁氮、磷、钾元素含量

蔗汁平均pH为5.7，地区间和品种间无差异。从表1可见，同一品种在不同蔗区之间，‘Badila蔗汁中N含量最高为1121.6 mg/L，最低为170.8 mg/L，P含量最高为127.2 mg/L，最低为50.4 mg/L，K含量最高为1405.9 mg/L，最低为395.3 mg/L，其中K含量高于N含量，P含量最低，N、P、K含量在大部分蔗区间存在显著差异;‘粤糖74-474蔗汁中N含量最高为660.8 mg/L，最低为222.7 mg/L，P含量最高为250.9 mg/L，最低为54.7 mg/L，K含量最高为1318.5 mg/L，最低为734.5 mg/L，与上述‘Badila相同，蔗汁中K含量高于N含量，P含量最低，且N、P、K含量在大部分蔗区间存在显著差异。

2个品种在同一区域内（海口、澄迈），‘Badila的P含量均极显著高于‘粤糖74-474，K含量均为‘粤糖74-474极显著高于‘Badila，而在海口‘BadilaN含量极显著高于‘粤糖74- 474，在澄迈则相反（表1）;在整体区域内，‘BadilaN含量极显著高于‘粤糖74-474，P和K含量则是‘粤糖74-474极显著高于‘Badila（表1）。K在整体区域内与同一蔗区内分析结果一致，均为‘Badila极显著高于‘粤糖74-474。而P含量在整体区域内与同一蔗区内分析结果相反。

因此，分别对2个品种在同一蔗区内和在整体区域内的稳定性比较，可以表明，在蔗区变化时，甘蔗对N、P和K的吸收转化稳定性为K>P> N，甘蔗对N的吸收环境效应大于基因效应，而对K和P的吸收，基因效应大于环境效应。

2.2  蔗汁中、微量元素含量

同一品种在不同蔗区间，‘Badila和‘粤糖74-474的Ca、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu在不同蔗区间表现出一定的差异性。‘Badila在柳州的Ca含量显著高于其他蔗区，而‘粤糖74-474的Ca含量在3个蔗区间无显著差异;‘粤糖74-474在澄迈蔗区的Mg含量显著高于其他蔗区，在茂名蔗区较低;‘粤糖74-474在海口蔗区的Fe、Zn、Mn含量显著高于其他蔗区。蔗汁中、微量元素含量由高到低依次为Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu。从整体平均数来看，‘Badila除Ca含量高于‘粤糖74-474外，Mg、Fe、Mn、Zn、Cu均低于‘粤糖74-474（表2）。

甘蔗中、微量元素含量差異稳定性分析。从表2可见，2个品种在同一蔗区内和在整体区域内进行比较表明：（1）2个品种在海口和澄迈，‘Badila的Ca含量高于‘粤糖74-474，分别达到显著和极显著水平，同时在整体区域内，‘BadilaCa含量也极显著高于‘粤糖74-474;（2）Mg含量在海口和澄迈则均为‘粤糖74-474极显著高于‘Badila，在整体区域内，‘粤糖74-474同样极显著高于‘Badila;（3）在同一蔗区内，‘粤糖74-474的Fe含量均高于‘Badila，但无显著差异，在整体区域内，也是‘粤糖74-474高于‘Badila，无显著差异;（4）Zn和Mn在海口和澄迈及整体区域内，2个品种间没有出现稳定的差异;（5）Cu元素含量为‘粤糖74-474高于‘Badila，在海口、澄迈蔗区分别达到极显著和显著水平，在整体区域内，也是‘粤糖74-474 显著高于‘Badila。

因此，上述中、微量元素含量差异稳定性分析可以明确，在环境变化时，甘蔗对中、微量元素的吸收转化稳定性为Mg>Ca、Cu、Fe>Mn、Zn，甘蔗对Mg、Ca、Cu和Fe的吸收基因效应大于环境效应，而对Mn和Zn的吸收，环境效应大于基因效应。

2.3  果蔗品质差异分析

从表3可见，在不同蔗区间，‘Badila糖度白沙蔗区显著高于其他蔗区，而‘粤糖74-474的糖度在蔗区间无显著差异;2个品种的还原糖分、纤维分、简纯度在不同蔗区间存在差异，而水分含量和出汁率则不存在差异。在同一蔗区内（海口、澄迈），糖度均为‘Badila显著高于‘粤糖74-474，水分含量和出汁率均为‘粤糖74-474高于‘Badila，但在海口蔗区无显著性差异。在整体区域内，2品种间‘Badila糖度极显著高于‘粤糖74-474，与同一区域内差异分析结果一致;‘Badila简纯度显著高于‘粤糖74-474，水分和出汁率则均为‘粤糖74-474显著高于‘Badila，‘Badila和‘粤糖74-474的还原糖和纤维分无显著差异。

上述结果表明，蔗汁糖度、甘蔗水分含量、出汁率在环境变化时，差异性表现相对稳定，而还原糖分、纤维分、简纯度较容易受环境的影响产生较大的差异。即，在环境变化时，甘蔗品质指标稳定性为糖度>水分含量、出汁率>还原糖分、纤维分、简纯度。甘蔗的糖度、水分含量、出汁率指标为基因效应大于环境效应，而还原糖分、纤维分、简纯度则为环境效应大于基因效应。

2.4  果蔗元素含量及品质指标之间的相关性分析

果蔗汁元素含量及品质相关分析结果显示（表4）：（1）N含量与K含量、蔗汁糖度、简纯度之间呈极显著正相关，与还原糖分呈极显著负相关，因此，N和K的吸收有很强的相互促进作用，提高N的吸收转化量可以提高蔗糖分和简纯度而降低还原糖分含量;（2）P含量与出汁率呈显著正相关，与Mg、Cu含量之间呈显著负相关，这表明，P的吸收与Mg和Cu的吸收有明显的拮抗作用;（3）K含量与N含量呈极显著正相关，与还原糖分呈极显著负相关;（4）Ca含量与蔗汁糖度呈显著相关，与Cu含量呈显著负相关，与Mn呈极显著负相关，因此，甘蔗对Ca的吸收可有效促进蔗糖分的积累，而与Cu的吸收有较强的拮抗作用，与Mn的吸收拮抗强于Cu;（5）Mg含量与Cu含量呈极显著正相关，与水分含量显著正相关，而与P含量、纤维分呈显著负相关;（6）Fe含量与Zn含量呈极显著正相关，与纤维分呈显著负相关;（7）Zn含量与Fe、Mn含量呈极显著正相关，与Cu含量呈显著正相关，与出汁率呈显著负相关;（8）Mn含量与Zn含量呈极显著正相关，与Cu呈显著正相关，而与Ca含量、蔗汁糖度呈极显著负相关，与简纯度呈显著负相关;Cu含量与Mg含量呈极显著正相关，与Zn、Mn呈显著正相关，与P、Ca呈显著负相关;（9）纤维分与水分含量呈极显著负相关，与Mg、Fe呈显著正相关，而与出汁率呈显著正相关;（10）蔗汁糖度与简纯度、N含量呈极显著正相关，与Ca含量呈显著正相关，与Mn含量呈极显著负相关。

3  讨论

3.1  品种的数量性状存在相对于环境的稳定性

作物的生理和形态特征受环境和基因型的共同影响，容易受环境影响的指标称数量性状，不易受环境变化影响的指标称为质量性状，作物的大多数性状为数量性状。数量性状相对于环境有一定的稳定性差异，即数量性状的稳定性在相同或不同的环境中存在一定差异，如同一环境下品种之间的数量性状差异，以及同一品种在不同环境下的性状差异。不同的数量性状其差异稳定性有所不同。甘蔗大部分性状属于数量性状，而同类型的数量性状稳定性之间存在一定的差异，如对矿质元素的吸收转化、糖分的储存、纤维分含量等。本试验中蔗汁矿质元素N、P、K、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu含量，以及品质指标糖度、水分含量、出汁率、还原糖分、纤维分、简纯度，均属于数量性状。

分析結果发现，同一品种在不同蔗区之间对比，上述性状指标存在一定的变化;2个品种分别在同一蔗区和整体蔗区中进行比较，上述性状指标的稳定性呈现出一定差异：如K元素含量在同一蔗区内比较（分别在元江和澄迈）均为‘粤糖74-474极显著高于‘Badila，同时，2个品种在整体区域内比较K含量时，依然为‘粤糖74-474极显著高于‘Badila;而P元素含量在同一蔗区内比较（分别在元江和澄迈），均为‘Badila极显著高于‘粤糖74-474，同时，2个品种在整体区域内比较P含量时，反而是‘粤糖74-474极显著高于‘Badila;N元素含量则是在同一地区比较时就出现了差异，在元江为‘Badila的N含量极显著高于‘粤糖74-474，而在澄迈则刚好相反。由此可以得出，在环境变化（蔗区改变）时，甘蔗对N、P、K的吸收转化稳定性为K>P>N，环境（蔗区或施肥量）对甘蔗吸收N的影响较大，品种对其影响较小，而甘蔗对K的吸收则是，品种的影响较大，环境的影响较小。

值得注意的是，上述“品种的影响较大，环境的影响较小”并非指当环境（蔗区或施肥量）变化时，其吸收量不会有显著变化，而是指在环境变化时，吸收量会有变化，但吸收转化量大的品种相对于吸收转化量小的品种保持稳定的差异性，不会出现吸收转化量相近或相反的情况，品种基因型效应体现出较为稳定的优势。对于品种数量性状相对稳定的情况，即“品种的影响较大，环境的影响较小”的现象可称之为，在一定范围内，基因效应大于环境效应的“基因优势型数量性状”，如甘蔗K含量性状;而对于品种数量性状不稳定的情况，即“环境的影响较大，基因型的影响较小”的现象可称之为，在一定范围内，环境效应大于基因效应的“环境效应优势型数量性状”，如甘蔗N含量性状;而间于二者之间的性状，即环境效应和基因效应都不明显的性状，称之为“基因效应与环境效应对等型数量性状”，如甘蔗的P含量性状。

数量性状是由数量性状基因控制的，有研究表明，在环境胁迫下生物的基因表达会发生改变或特异性表达[46-48]。所以，甘蔗矿质元素吸收量和品质指标的差异与蔗区的土壤元素含量差异[49]，与土壤养分、气候条件、地质因素以及栽培管理技术等密切相关[50-51]。按照上述方法分类，甘蔗营养元素含量性状及品质性状指标属于“基因优势型数量性状”的除了K含量，还有Mg含量、蔗汁糖度;属于“环境优势型数量性状”的指标有N、Mn、Zn含量，还原糖分、纤维分、简纯度;“基因效应与环境效应对等型数量性状”指标有P、Ca、Cu、Fe含量，水分含量、出汁率。这对今后进行优良品种选育具有一定指导意义，如针对某一性状进行分区育种，选育适应不同环境的品种。

3.2  品种的矿质元素含量、品质指标相关性

有相关性分析表明，果实内P与K、Mg之间，Ca与Cu、Mn之间呈极显著正相关，苹果叶片N、P、K之间，Cu与Mn之间呈极显著正相关，Cu与Ca、Mg之间呈极显著负相关[27， 52]。而本研究中，N与K、蔗汁糖度、简纯度之间，Mn与Cu、Zn，Fe与Zn，蔗汁糖度与简纯度之间呈极显著正相关;N、K与还原糖分，Ca与Mn，Mn与糖度，纤维分与水分含量，蔗汁糖度、简纯度与水分含量之间呈极显著负相关;P与出汁率，Ca与蔗汁糖度，Mg与水分含量，Zn与Cu，Mn与Cu，纤维分与出汁率之间呈显著正相关;P与Mg、Cu之间，Ca与Cu，Mg、Fe与纤维分，Zn与出汁率，Mn与简纯度之间呈显著负相关。因此可以确定的是，甘蔗对N和K的吸收转化具有极显著的相互促进作用，且二者的吸收转化可以促进蔗汁糖度和简纯度的提高而降低还原糖分;Mn与Cu、Zn，Fe与Zn，Ca与Mn之间具有极显著的相互促进吸收转化的作用，而Ca与Mn的吸收转化存在极显著的拮抗作用。Fe、Zn、K、Ca、Mg都是对人体较为有益的元素，因此在栽培高品质果蔗时，可适当注意选择有益元素含量多、有害元素含量少的地块。另外在生产甘蔗细胞水时，还应注重细胞水溶液里的矿质营养元素的去留问题，生产高品质饮品。

4  结论

本研究将相似数量性状指标按环境和基因型对其影响程度分为“基因效应优势型数量性状”“基因效应和环境效应对等型数量性状”和“环境效应优势型数量性状”3种类型，甘蔗矿质元素含量性状及品质性状指标属于“基因效应优势型数量性状”的有K、Mg含量，蔗汁糖度;属于“环境效应优势型数量性状”的指标有N、Mn、Zn含量，还原糖分、纤维分、简纯度;属于“基因效应和环境效应对等型数量性状”指标的有P、Ca、Cu、Fe含量，水分含量、出汁率。同时研究发现果蔗N与K、蔗汁糖度、简纯度之间，Mn与Cu、Zn，Fe与Zn，糖分与简纯度之间存在极显著正相关关系;N、K与还原糖分，Ca与Mn，Mn与糖度，纤维分与水分含量，蔗汁糖度、简纯度与水分之间呈极显著负相关关系。综上所述，甘蔗的矿质元素含量、品质指标与品种基因型有潜在的关系，但蔗区环境条件是影响甘蔗基因表达的根本因素。相同环境会减少品种特性在遗传上存在的差异性，而环境的差异会诱发或扩大品种特性在遗传上的差异。另外，由于试验条件限制，存在样品量较少的问题。今后有待增加样品量及区域范围，进一步将基因变化与气候、土壤环境结合进行验证，并进行更深入的研究。

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