高粱杂交种籽粒中功能元素含量差异及相关性分析

朱立勋，郭志强，赵立松，尹梦娇，陈佳静，张 汝，范佳利，杨博慧，梁月秀，冯 凡，郝艳平，李 涛，张春亮，吕晋慧，李新基，张春来

（1.山西农业大学农学院，山西太谷 030801；2.山西农业大学林学院，山西太谷 030801；3.阳泉市锦圣林源林业科技有限公司，山西平定 045200）

高粱（Sorghum bicolor（L）Moench）是世界上第五大谷类作物[1]，是非洲和一些亚洲国家如印度的主食，在粮食安全上具有重要地位。高粱也是我国的重要谷类作物。王富德等[2]研究认为，我国高粱种植最早可追溯到新石器时代。现在我国传统的米、面等全谷物制作的主食已经越来越精细化，但这有利有弊，过度精细化也使得谷物的营养流失。而高粱作为杂粮因为富含葡聚糖、氨基丁酸、含氧胡萝卜素、叶黄素、戊聚糖、低聚木糖等营养物质，日常增加高粱摄入，可以很好的弥补日常食用精米面营养缺失的状况[3-4]。同时，高粱面还含有较多的粗纤维，有利于人的身体健康。

高粱的营养丰富，含有多种人体日常必需的微量元素，如Fe、Zn、Se、Mn 等。当前，我国居民微量元素日常的摄入存在很多不足，因性别差异、年龄差异、体质差异，缺少微量元素表现得各不同，但不可否认的是微量元素的缺少或过高都会对人体产生负面影响。现代医学研究证明，高粱的多酚具有氧化隔离、抗诱变、抗癌、消炎等功效，已在药物、彩妆护肤品等领域中得到广泛的应用[5]。在食品加工业中，高粱红色素已批准加入我国食品添加剂目录[6]。现阶段生产生活中采用的粒用高粱主要是杂交种，常规种质在部分糯性高梁应用较少[7]，而高粱节水的特点也方便水资源短缺地区种植[8]，有利于调整农业种植结构和帮助农民致富。

从用途上将高粱划分为粒用高粱、饲用高粱、甜高粱及帚高粱四大类。粒用高粱的谷粒可以供食用，在我国主要用来酿酒和造醋，也可加工成饼干、馒头甚至酸奶[9]。韦瑛[10]研究认为，育良种才能建立稳定的甜高粱生产基地拓展深加工产业，还可以解决国内大部分粒用高粱品种植株偏高，不易进行机械化收获；因穗柄较短、旗叶鞘较长导致“鞘包穗”现象发生[11]。饲用高粱杂交种目前亲本系的选育着重于蛋白质含量高、富含微量元素、低单宁、脂肪和总淀粉含量中等的品种[12]。胡广甫等[4]通过比较玉米、荞麦、小米、燕麦、高粱5 种杂粮中功能元素含量，发现高粱的铁元素含量最高。所以，日常餐饮生活中可以多食用含铁量高的高粱。虽然关于作物中营养元素含量的相关研究很多，但是高粱籽粒中营养元素含量的相关报道还较少。

山西省是重要的高粱种植区，本试验通过对12 个高粱品种的矿物元素含量进行测量和分析，进行品种差异显著性比较和相关性分析，旨在为创制优质的高粱种质资源和组配杂交种提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

高梁试验材料有晋杂12 号、晋杂15 号、晋杂20 号、晋杂25 号、晋杂30 号、晋中405 和配制的杂交组合（V4A×011-59、6A×33、623A×014-33、晋杂22 晚、晋30 晚、623A×014-33 晚），均由山西农业大学作物基因组与分子育种实验室提供。

1.2 试验地概况

试验于2019 年5—11 月在晋中市太谷区山西农业大学农学院申奉试验站进行。试验地前茬作物为玉米，土壤为碳酸盐褐土，0～20 cm 土层内有机质为20.24 g/kg，碱解氮为49.93 mg/kg，有效磷18.27 mg/kg，速效钾为263.4 mg/kg，pH 值为8.13。

1.3 试验方法

高粱播种前统一旋耕施基肥，5 月中旬播种出苗后，按行距0.55 m、株距0.16 m 进行间苗。每个品种播种3 行，行长6.5 m，各品种设3 次重复。

1.4 测定项目及方法

在ICP-MS 方法上改进了试验方法[13]，以便更好的进行样品制备和样品处理。

具体方法：高粱成熟后，按品种分别收获高粱籽粒3 穗，脱籽粒、干燥、研磨、过筛子，封存。在消煮管中放入称好的2.0 g 样品，然后再加入15 mL HNO3-H2O2（体积比为4∶1）混合酸液，预处理一夜。加热消煮管至样品完全溶解后，再调节消解温度为220 ℃消煮至无色。设置温度为160 ℃，在EDH-24 赶酸仪中进行赶酸，直到没有白烟冒出，随后进行冷却，定容至50 mL 容量瓶中。用iCAPQ感应耦合等离子体质谱仪测定溶液中Fe、Zn、Se、Mn、Cu、Cd、As 等元素含量。

1.5 数据分析

试验使用Microsoft Excel 2010 统计分析软件进行数据处理、制作表格图形；用SPSS Statistics17.0统计软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA）。

[7]陈宝生：《坚持以本为本推进四个回归--建设中国特色、世界水平的一流本科教育》，http://news.cslg.edu.cn/index/read/id/77521.

2 结果与分析

2.1 高粱杂交种籽粒中功能元素含量的测定结果

为比较各品种籽粒的营养价值，测定了Fe、Zn、Se、Mn 等7 种元素的含量（表1），因Cd、As、Cu为污染元素且含量均未超标，未列出。

从表1 可以看出，12 个品种高粱籽粒中Fe 含量平均值为45.43 mg/kg，变异系数为43.10%。Fe 含量最高的是623A×014-33 晚，晋杂20 号居第2，分别为62.39、60.77 mg/kg；Fe 含量为35～55 mg/kg的材料有7 份，占比为58.33%，分别为V4A×011-59、晋杂12 号、晋杂15 号、晋杂22 晚、晋杂25 号、晋杂30 号和晋中405，6A×33 的Fe 含量最低（23.92 mg/kg）。

表1 高粱杂交种籽粒中4 种元素含量 mg/kg

高粱杂交种籽粒中Mn 含量的平均值为17.46 mg/kg，变异系数为15.90%。Mn 含量最高的是晋杂15 号，晋杂22 晚居第2；Mn 含量为15～19 mg/kg的材料有7 份，占比为58.33%，分别为V4A×011-59、晋杂12 号、晋杂20 号、晋杂25 号、晋杂30 号、623A×014-33 晚、晋30 晚。晋中405的Mn 含量最低（13.64 mg/kg）。

高粱杂交种籽粒中Zn 含量的平均值为15.76 mg/kg，变异系数为10.36%。Zn 含量最高的是晋杂15 号，623A×014-33 晚居第2；Zn 含量为14～19 mg/kg 的材料有10 份，占比为83.33%，分别为V4A×011-59、晋杂12 号、晋杂20 号、晋杂22 晚、晋杂25 号、晋杂30 号、623A×014-33、晋30 晚、623A×014-33 晚、晋中405。6A×33 的Zn 含量最低（11.70 mg/kg）。

12 个品种高粱杂交种籽粒中Se 含量的平均值为0.17 mg/kg，变异系数为17.18%，Se 含量最高的材料是晋杂15 号，晋中405 居第2；Se 含量在0.15～0.19 mg/kg 的材料有7 份，占比为58.33%，分别为V4A×011-59、晋杂22 晚、晋杂25 号、晋杂30 号、623A×014-33、623A×014-33 晚、晋30 晚。6A×33 的Se 含量最低（0.13 mg/kg）。

总体来看，晋杂15 号籽粒中4 种元素含量都很高，Mn、Zn、Se 含量都居第1，6A×33 的Fe、Zn、Se 含量都是最低。

2.2 高粱杂交种籽粒中功能元素含量的单因素方差分析

由表2 可知，对12 个品种（系）籽粒中Fe 元素含量的单因素方差分析发现，不同品种（系）对Fe元素含量的差异不显著。

表2 12 个品种（系）Fe 含量的单因素方差分析

对12 个品种（系）Zn 元素含量的单因素方差分析（表3）发现，不同品种（系）对Zn 元素含量的差异都达到了显著水平（P≤0.05）。对12 个品种（系）Se 元素含量的单因素方差分析（表4）发现，不同品种（系）对Se 元素含量的差异不显著。

表3 12 个品种（系）Zn 含量的单因素方差分析

表4 12 个品种（系）Se 含量的单因素方差分析

对12 个品种（系）Mn 元素含量的单因素方差分析（表5）发现，不同品种（系）对Mn 元素含量的差异不显著。

表5 12 个品种（系）Mn 含量的单因素方差分析

综上，不同品种（系）籽粒中Fe、Mn、Se 元素含量差异不显著，对Zn 差异显著，表明不同品种对Zn 含量影响很大。

2.3 高粱杂交种籽粒中功能元素的含量相关性分析

通过对12 个高粱品种（系）7 种元素的含量进行相关性分析（表6），Fe 与Mn、Zn、Cu 间有极显著的正相关关系（P≤0.01），Fe 与Se、Cd 和As 间元素存在负相关关系，差异不显著。

表6 高粱籽粒中微量元素含量的相关性分析

Zn 与Fe、Se、Cu 和As 元素之间有极显著的正相关关系（P≤0.01）。Mn 与Zn 和Cu 呈显著正相关，Se 和As 之间存在正相关关系，差异不显著。Cd与As 呈较强正相关，与Fe 呈较强负相关，与其余4 种元素关系较弱；As 与Zn 和Se 存在极显著的正相关关系（P≤0.01）。

以上研究表明，高粱杂交种对Fe、Mn、Zn 和Cu元素之间的吸收、转运或积累有协同作用，育种选择高Fe 元素含量时，Mn、Zn、Cu 元素含量很可能也得到提高；Fe 与Se、Cd 和As 元素之间存在负相关，可能存在拮抗作用，育种选择高Fe 元素含量时，可能会导致Se、Cd 和As 含量的降低；Cd 与As是污染元素，呈较强正相关，育种中可同时选择两元素较低的材料。As 与Zn 和Se 存在极显著的正相关，说明高粱吸收、转运或积累这3 个元素有协同作用，育种上提高Zn 和Se 的含量很可能会提高As 的吸收，因此要适度。

3 讨论

3.1 微量元素铁、锌、硒、锰对人体的影响

Fe、Zn、Se、Mn 等是人体不可缺少的微量元素，固然微量元素在人体中占比很小（0.01%以下），但却是人体内不可或缺的生理活性物质，缺乏或不足都影响身体健康。不同性别、年龄、体质的人这些微量元素如果缺乏或过高，都会使人体产生、诱发疾病或者生理异常[14]。

铁是重要的微量元素，参与身体中的多种生物化学反应，机体中许多蛋白质的合成需要铁元素的参与。胡广甫等[4]通过比较玉米、荞麦、小米、燕麦、高粱等5 种杂粮中功能元素含量，发现高粱中铁元素含量最高。所以，在日常生活中，可以多食用高粱来补充铁元素。

杨冬华[15]研究表明，锌元素的缺乏与儿童的低体质有密切的联系。锌缺乏可引起儿童发育不良。锌元素对大脑发育非常友好，被誉为“最聪明的元素”，锌元素供应量不足会导致生长发育不良。国人膳食锌元素来源为粮食类（米面及制品），因此，高粱锌元素含量的研究有助于筛选锌含量高的优良品种。

硒是人和动物不可缺少的功能元素，在人体中含量极少，只有3～20 mg[16]。近年来，硒因具有预防多种癌症的作用而声名鹊起，成为矿物质微量元素中的热点，并被誉为“生命火种”、“抗癌之王”、“生命的奇效元素”。我国的硒分布极不均匀，全国72%的地区硒含量低，土壤缺硒必然会导致对硒的吸收量低，进而影响人体硒的摄入。人体主要靠食用植物硒来积累硒元素，食用含硒的食物增加人体膳食中硒的摄入量，是缺硒地区人群补硒的重要途径之一[17]。因此，培育富硒高粱将成为人们补硒的优良选择。

锰元素在人体的骨骼发育、新陈代谢还有酶的合成中有着重要作用。锰是机体造血的原料和调节因子，能促进伤口的愈合，还有抗衰老和预防癌症的作用。锰元素多集中在谷物的表层和胚，精制的谷物锰元素含量低于粗制的谷物，所以，不能一味追求细腻的口感，日常饭食中要注重粗细搭配，将高粱和细粮结合食用。

微量元素等的缺乏已经成为影响人们身体健康的重要因素之一[18-19]。徐娟等[20]研究表明，在大米、小米等8 种谷类食物中除薏仁米外，高粱的微量元素丰富度最高。王广西等[21]研究发现，黑豆、高粱、荞麦、红豆、燕麦、绿豆5 种杂粮中Mn、Fe、Cu、Zn 等4 种元素中Fe 元素含量最高，这与本试验结果相符。

3.2 高粱杂交种微量元素含量的差异

高粱籽粒为食材和食品加工原料，微量元素对加工工艺的影响还有待明确，品种和栽培措施都会影响籽粒中微量元素的含量。通过遗传育种和生物技术改进籽粒的品质是高粱育种的主攻方向。研究不同高粱品种功能元素的吸收、转运和积累，有利于更好地掌握品种特性，筛选优异的高粱种质资源和杂交种。本研究表明，晋杂15 号的Zn、Se、Mn 含量均最高，Fe 含量较高的是623A×014-33 晚和晋杂20 号，6A×33 的Fe、Zn、Se 含量都是最低。要生产高营养品质的高粱籽粒，可考虑选用晋杂15 号、623A×014-33 晚和晋杂20 号等品种。

高粱对Fe、Mn 和Zn 元素之间的吸收、转运或积累有协同作用，育种选择高Fe 元素含量时，Mn、Zn 元素含量很可能也得到提高；Fe 与Se、Cd 和As元素之间存在负相关，可能存在拮抗作用，育种选择高Fe 元素含量时，很可能降低Cd 和As 含量，但会导致Se 含量的降低；Cd 与As 是污染元素，呈较强正相关，育种中可同时降低。As 与Zn 和Se 存在极显著的正相关，说明高粱吸收、转运或积累三元素有协同作用，育种上提高Zn 和Se 的含量，很可能也会提高As 的吸收，因此，要适度权衡处理。不同高粱杂交种间Zn 元素差异极显著，这与前人的结果一致。Fe、Mn、Se 元素的含量差异性不显著，可能是由于试验地内不同位置的元素含量存在较大差异，其次籽粒中个别元素含量太低，测试结果不够准确，产生了较大误差造成的。

杂交种组配时，要选择功能元素较高的亲本，利用杂种优势，培育出功能元素高、污染元素含量低的优良品种，本试验为高粱杂交种的微量元素生物强化育种和协调改良提供了信息。

4 结论

Fe、Zn、Mn 和Cu 等4 个元素之间存在极显著的正相关，有协同吸收或运输作用，Fe 与Se、Cd 和As 元素之间存在负相关，As 与Zn 和Se 存在极显著的正相关。发现的元素间协同吸收或运转作用为高粱功能营养育种提供了理论依据。