高粱杂交种茎叶产量与能源品质性状相关性分析（一）

高粱（Sorghumbicolor(L.)Moench）因生物量大、抗逆性强和生产成本低等优点已成为应用前景较好的第二代燃料乙醇生产原料之一。燃料乙醇的生产主要通过发酵将生物质原料中碳水化合物转化为乙醇。能源高粱植株中碳水化合物的贮藏器官主要是茎和叶，提高茎叶产量及与能源相关品质是能源高粱育种的重要目标。已有研究主要集中在粒用高粱和饲用高粱上，对能源高粱的关注不足，特别是关于生物质高粱类型的研究。李嵩博等研究1997—2004年粒用高粱审定品种时空变化，发现粒用高粱呈单产上升和矮化趋势。皱桂花等从遗传多样性、遗传图谱构建及遗传工程研究方面梳理了能源甜高粱的遗传改良进展，但主要聚焦于含糖量相关的性状，缺乏对木质纤维素等成分的研究。此外，目前有关高粱能源品质性状评价研究主要集中在农艺性状、生物产量和糖锤度上，且这些研究性状都是基于高粱整株或茎秆。已有研究表明，提高生物产量和纤维素含量可使理论乙醇产量提高25%。这说明通过协同提高高粱茎叶产量及其化学成分来提高乙醇产量的可能性很大，且针对不同部位间的遗传改良更能提高能源潜力。因此，基于茎、叶产量和化学成分性状评价能源高粱杂交种，对提高能源高粱育种效率具有重要意义。

目前，有关高粱叶片产量、化学成分及其与茎产量、化学成分相关关系的研究鲜有报道。本研究以96份高粱杂交种为材料，在不同环境下分析高粱茎和叶产量及7个茎叶中与能源相关成分间的相关关系，旨在探讨实现理论乙醇产量最大化的可行性，以期为能源高粱品种改良提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验地点

试验于2017年在山西省介休市田堡村（37°08′N,112°06′E）和河北省涿州市中国农业大学涿州实验站（39°28′N,115°51′E）进行，两点均属于温带大陆性季风气候。2017年，介休市试点年均降水量为398mm，年均气温为10.4℃；而涿州市试点年均降水量和年均气温都较高，分别为550mm和11.6℃。按照美国农业部土壤质地的划分标准，介休市试点土壤为砂壤土，而涿州市试点为砂土。介休试点0～30cm土层的土壤理化性质为：pH7.4、有机质16.2g/kg、全氮1.7g/kg、有效磷63.3mg/kg、速效钾362.8mg/kg。涿州市试点土壤pH和介休相同，但肥力较低，表现为有机质9.9g/kg、全氮1.1g/kg、有效磷22.7mg/kg、速效钾80.5mg/kg。

1.2供试材料

选用96份高粱杂交种，由12份恢复系和8份不育系按照不完全双列杂交组配产生。12份恢复系材料和8份不育系材料的来源和类型，见表1。12份恢复系材料包括甜高粱、生物质高粱和籽粒高粱；特别是其中5份为生物质高粱类型，因其茎秆高大且籽粒产量低为能源高粱育种的优质亲本。4份A1不育系材料已被广泛用于培育多用途的高粱杂交种，其中‘AMP450’为褐色中脉突变体，木质素含量低；2份A3不育系（子代为不育杂交种）。20份亲本来源广泛，组配产生的96份杂交种有丰富的遗传多样性，具有较好的代表性。

1.3试验设计和大田管理

96份高粱杂交种于2017年分别在介休市和涿州市试点种植，采用完全随机区组设计，3次重复，双行区，小区面积3.6m²。所有小区的田间管理同文献。

1.4取样及指标测定

各小区高粱成熟后，记录成熟期，取样后测定株高、茎粗、生物产量和植株中可溶性糖、纤维素、半纤维素、木质素和灰分含量，测定方法同文献。

1.5数据分析

高粱理论乙醇产量包括可溶性糖和非可溶性糖（纤维素和半纤维素）转化的乙醇，分别按下列公式计算:

 
 
式（1)～(2）中：0.51，糖转化乙醇的转化系数；0.85，纤维素和半纤维素转化为糖的生产效率；0.79为乙醇密度，g/mL;1.11，纤维素、半纤维素转化为糖的转化系数。

 
采用MicrosoftExcel2016计算均值和变异系数。应用SPSS25.0软件进行方差、相关性、主成分和多重比较分析。应用t检验分析试验点间的差异，所有显著性均在P<0.05水平。

2结果与分析

2.1能源相关性状的方差分析

由表2可知，除叶的木质素含量外，基因型对供试能源高粱茎和叶所有性状的影响均达极显著水平（P<0.01）。环境因子对所有研究性状的影响达显著水平。基因型与环境互作显著影响茎的产量、可溶性糖含量、纤维素含量、半纤维素含量、木质素含量、灰分含量、理论乙醇产量和叶的半纤维素含量（P<0.05）。由均方值大小可知，除茎半纤维素含量变异主要来源于基因型差异外，其他性状变异绝大部分来源于环境间的差异，表明茎产量、茎可溶性糖含量、茎纤维素含量、茎木质素含量、茎灰分含量、茎理论乙醇产量、叶产量、叶可溶性糖含量、叶纤维素含量、叶半纤维素含量、叶木质素含量、叶灰分含量和叶理论乙醇产量主要受环境影响。茎半纤维素含量的遗传较为稳定。

2.2能源相关性状的变异分析

由表3可知，2个试点茎叶产量和化学成分的变异系数范围为介休市3.7%～61.3%，涿州市4.8%～60.0%。2个试点茎叶产量和理论乙醇产量变异系数较大，其变异系数均>40%。2个试点高粱品质性状的变异幅度在茎叶表现均一致，即，可溶性糖含量和灰分含量变异系数较大，而纤维素、半纤维素和木质素含量变异系数较低。总体而言，叶的品质性状变异系数表现小于茎，特别是叶的纤维素、半纤维素和木质素的含量在2个试点的变异系数均<10%，说明叶的品质性状遗传较稳定。

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