山西谷子主要农艺性状与黄色素含量的相关性分析

Correlation Analysis between Major Agronomic Traits and Yellow Pigment Content of Foxtail Millet in Shanxi Province

摘要

为探明影响小米黄色素含量的主要因素，以期为谷子育种中优异种质的筛选提供依据，以山西292份地方品种为材料，于2020年和2022年种植在山西农业大学东阳示范基地，对谷子米色、黄色素2个品质性状和株高、颈长、叶长、叶宽、主穗长度、主穗直径、主茎节数、主茎直径共8个主要农艺性状进行遗传变异分析、相关性分析和主成分分析，并基于主成分分析计算其综合得分。结果表明，山西谷子地方品种的颈长变异最为丰富，黄色素含量变异系数为22.42%，次于颈长而高于主茎直径。相关性分析表明，黄色素含量与株高、颈长、叶长、主茎直径4个农艺性状和a^*、b^*、CCI共3个米色相关指标均呈极显著正相关，与主穗直径呈极显著负相关，与主茎节数呈显著正相关。主成分分析表明，4个主成分的累计贡献率达到73.62%，可用于表述谷子黄色素含量、米色和8个主要农艺性状的大部分信息。可见，小米米色是黄色素含量的重要影响因素，谷子株高、颈长、叶长、主茎直径、主穗直径、主茎节数可能影响小米黄色素含量。依据综合得分，发现第266号来自于忻州市繁峙县的金点鱼综合得分最高，其黄色素的含量为27.27 μg/g，CCI值为3.71，表型性状表现优异。

Abstract

To explore the main factors affecting the yellow pigment content of millet, with a view to providing a basis for the selection of superior germplasm in foxtail millet breeding, in this study, 292 local varieties from Shanxi were used as materials which were planted at the Dongyang Demonstration Base of Shanxi Agricultural University in 2020 and 2022. The genetic variation, correlation, and principal component analysis for two quality traits of cereal rice color, yellow pigment, and a total of eight major agronomic traits, including plant height, neck length, leaf length, leaf width, main panicle length, main panicle diameter, main stem nodes, and main stem diameter, were calculated and analyzed. And then the comprehensive scores were calculated based on the principal component analysis. The results showed that the local Shanxi foxtail millet varieties had the richest variation in neck length. The coefficient of variation of yellow pigment content was 22.42%, which was second to that of neck length and higher than that of main stem diameter. Correlation analysis showed that yellow pigment content was extremely significantly positive correlated with four agronomic traits of plant height, neck length, leaf length, and main stem diameter and three rice color correlation indexes of a^*, b^*, and CCI, and significantly positive correlated with main stem nodes，but extremely significant negative correlated with main panicle diameter. Principal component analysis showed that the cumulative contribution of the four principal components reached 73.62%, which could be used to express most of the information on yellow pigment content, rice color, and eight major agronomic traits in foxtail millets. In conclusion, millet rice color was an important influence on yellow pigment content, and plant height, neck length, leaf length, main stem diameter, main panicle diameter, and number of nodes in the main stem might had an effect on millet yellow pigment content. Based on the composite score, the Number 266 local variety of Golden Spot from Fanshi county, Xinzhou city, was found the elite variety with a yellow pigment content of 27.27 μg/g, a CCI value of 3.71, and an excellent performance of phenotypic traits.

Graphical abstract

关键词

谷子 / 地方品种 / 农艺性状 / 黄色素含量 / 相关性分析

Key words

foxtail millet / local variety / agronomic traits / yellow pigment content / correlation analysis

谷子（脱壳后称小米）是一种古老而重要的粮食作物，属于禾本科植物^[1]，有耐寒、耐旱、耐贫瘠、适应性强等特点^[2-3]，最早起源于我国^[4]。在其历史悠久的栽培过程中，积累了多种类型的黄色素含量的谷子品种。黄色素是谷子籽粒中的天然色素，是小米的重要营养成分，其主要组分含有叶黄素、玉米黄素以及少量的隐黄素和β-胡萝卜素等类胡萝卜素。类胡萝卜素食用后可在人体肝脏内转化成维生素A，具有保护视觉、上皮组织及提高机体免疫力等重要生理功能。目前，关于小米中黄色素的研究并不多。杨延兵等^[5]通过对169份谷子品种进行小米黄色素含量测定及外观品质鉴定，发现小米黄色素含量与外观品质呈显著正相关，是影响其外观品质的主要因素。王海棠等^[6]从黄色小米中提取黄色素，利用薄层层析技术对小米黄色素进行定性分析，发现小米黄色素的主要成分为叶黄素、玉米黄素、隐黄素等天然类胡萝卜素。贾鹏禹等^[7]和SHEN等^[8]相关研究人员利用高效液相色谱技术对组成黄色素的重要类胡萝卜素组分进行了定量分析，发现小米类胡萝卜素组分以叶黄素和玉米黄素为主。谷子中还富含蛋白质、脂肪、维生素B1和B2以及钙、磷、铁等矿物质，还含有丰富的纤维素，有助于促进消化系统的健康^[9-12]。谷子在农业生产和粮食供应中起着重要的作用，并且在一些地区具有经济价值和文化意义。

山西省位于中国的华北地区，是中国重要的谷子产区之一，拥有着丰富的种质资源^[13]。这些种质资源经过长期的选择和适应，具有较强的适应性、抗逆能力以及广泛的遗传多样性^[14]。国家特色杂粮作物种质资源中期库（山西）保存全省谷子地方品种有6 000余份，地方品种（农家种）是经过复杂的地理生态环境适应和长期的人工选择形成的具有丰富遗传多样性的一类品种^[15]。王海岗^[16]等利用17个农艺性状对山西谷子地方种质进行核心库构建，表明构建的山西谷子地方品种初选核心种质能够较好地代表原始种质的遗传变异。田伯红等^[17]对河南、河北、山东等地的地方品种和育成品种进行比较，发现育成品种的主茎高度显著降低，穗质量、穗粒质量显著提高，形态性状的多样性指数大多低于地方品种。地方品种作为种质资源的重要组成部分，是种质扩增、遗传改良和创新的重要来源之一，故对其保护利用需引起高度重视^[18]。因此，整理和筛选优质地方品种不仅有利于地方品种的利用和传承，还有利于培育高产、稳产、优质的谷子新品种^[19-20]。

本研究通过对山西省292份谷子地方品种8个主要农艺性状、米色及其黄色素含量进行相关性分析，探讨影响小米黄色素含量的主要因素，以期为谷子育种中优异种质的筛选提供依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试材料为292份山西谷子地方品种，所有品种均来源于山西农业大学农业基因资源研究中心种质库（表1）。

1.2 试验方法

在2020、2022年将292份山西谷子地方品种种植在山西农业大学农业基因资源研究中心东阳试验基地（37.6°N、112.7°E），每个品种种2行，行长0.5 m，行距0.4 m，5月中旬播种，其他管理措施按照常规田进行。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 农艺性状

成熟期按照《谷子种质资源描述规范和数据标准》^[21]测定谷子农艺性状，包括株高、颈长、叶长、叶宽等。

1.3.2 米色色差

使用YS3010光栅分光测色仪（深圳市三恩时科技有限公司）对米色进行测定与分析。将成熟谷子收获脱壳后得到小米，使用分光测色仪进行米色色差测定，测定L^*、a^*、b^*、CCI，其中，L^*表示亮度，L^*值越大，亮度越高；a^*表示红绿度，a^*值越大，米色越红；b^*表示黄蓝度，b^*值越大，米色越黄；CCI正值表示红色，负值表示蓝绿色，0则表示红、黄、蓝绿色的混合色。CCI值作为米色测定的综合指标，表现出明显的品种差异，整体趋势为黄色最高，绿色次之，白色最低，可有效对不同品种米色性状进行鉴定。每个品种3次重复，取平均值。

1.3.3 黄色素含量

将米色色差分析后的小米重新收集，黄色素含量测定方法参考AACC方法。称取0.5 g粉末放入约50 mL棕色离心管，加入10 mL水饱和正丁醇，盖紧塞子，放入70 ℃水浴锅内加热45 min，每5 min取出振荡一次，结束后立即冰浴冷却10 min。之后分别加入0.75 mL NaCl溶液（175.2 g/L），用10 mL乙酸乙酯/正己烷（V∶V=1∶9）萃取3次，每次用1 000 r/min离心1 min收集有机相，后加入5 mL蒸馏水去除杂质，移去蒸馏水后再加入2 g无水硫酸钠，转移至另一干燥离心管中，氮气吹干后用1 mL含0.1%BHT的MTBE溶剂重新溶解，0.2 mm有机相滤膜过滤后，放入棕色试剂瓶中采用高效液相色谱仪测量其黄色素含量。

1.4 数据分析

数据统计分析利用IBM SPSS Statistics 26.0和Excel 2016软件；作图利用Origin 64和Adobe Illustrator 2022软件。

2 结果和分析

2.1 谷子农艺性状、籽粒色差分析及黄色素含量分析

山西地方品种农艺性状和黄色素含量的统计情况如表2所示。

综合2 a数据可知（表2），292份谷子地方品种的8个主要农艺性状中在种植过程中的平均值差异不明显，说明环境对农艺性状的影响差异较小。2 a农艺性状变异系数大小表现为颈长>颈粗>穗长>株高>主茎直径>叶长>主茎节数>叶宽，表明山西谷子地方品种的颈长变异丰富。其中，第241号谷子地方品种圪垛凹的颈长最长，为49.2 cm，来自于临汾市古县。不同来源地的谷子资源农艺性状间存在着明显的差异，了解谷子农艺性状间的相互关联性，有利于育种目标性状的确定^[22]。

在米色相关指标中，变异系数大小表现为a^*>b^*>CCI>L^*。CCI作为衡量谷子米色的综合指标，表现出明显的差异，整体趋势为米色越黄的谷子地方品种的CCI值越高，绿色次之，白色最低。其中，2020年时第35号的谷子地方品种玉皇谷米色CCI值最高，为4.23，来源于吕梁市离石区，2022年时第251号的谷子地方品种黄谷的CCI值最大，为4.43，来源于临汾市曲沃县。

黄色素含量变异系数明显高于米色相关指标。黄色素含量变异系数为22.42%，次于颈长而高于主茎直径，变幅为3.39~43.94 μg/g，大多数集中在20 μg/g左右，黄色素含量较高的地方品种占少数（图2），表明黄色素含量的变异类型也十分丰富。其中，第222号谷子地方品种黄色素含量最低，为晋中市灵石县的红谷，第282号谷子地方品种黄色素含量最高，为运城市夏县的谷子。结合图1、2可知，2 a所测各性状基本符合正态分布规律。

2.2 谷子农艺性状、米色色差及黄色素含量的相关性分析

由表3可知，谷子地方品种的黄色素含量与株高、颈长、叶长、主茎直径4个农艺性状和a^*、b^*、CCI等3个米色相关指标均呈极显著正相关，与主穗直径呈极显著负相关，与主茎节数呈显著正相关。株高与颈长、叶长、叶宽、主穗长度、主茎节数、主茎直径6个农艺性状和a^*、b^*、CCI共3个米色相关指标以及黄色素含量均呈现极显著正相关。颈长与叶长、叶宽、主穗长度、主茎节数4个农艺性状和a^*、b^*、CCI共3个米色相关指标均呈极显著正相关，与主穗直径呈显著正相关。叶长与主穗直径和黄色素含量均呈极显著正相关。叶宽与主穗长度和主穗直径2个农艺性状和L^* 1个米色相关指标均呈极显著正相关，与CCI呈显著负相关。主穗长度与主茎直径呈极显著正相关，和L^*呈显著正相关。主穗直径与a^*、b^*、CCI共3个米色相关指标和黄色素含量均呈极显著负相关，与L^*呈显著正相关。主茎节数与主茎直径以及a^*、b^*、CCI共3个米色相关指标和黄色素含量均呈极显著正相关，与L^*呈极显著负相关。主茎直径与a^*、b^*、CCI和黄色素含量均呈极显著正相关，与L^*呈极显著负相关。L^*与a^*、b^*、CCI均呈极显著正相关。a^*与b^*、CCI、黄色素含量均呈极显著正相关。b^*与CCI、黄色素含量均呈极显著正相关。CCI与黄色素含量呈极显著正相关。通过相关性分析发现，在4个米色相关指标中，L^*与黄色素含量不相关，a^*、b^*、CCI值与黄色素含量呈极显著正相关关系。

2.3 谷子农艺性状、米色色差及黄色素含量的主成分分析

基于292份山西谷子地方品种的8个主要农艺性状、CCI米色综合指标和黄色素含量进行主成分分析（表4），发现4个主成分的累计贡献率达到73.62%。因此，将这10个性状指标降维生成4个新的影响因子。第I主成分贡献率为31.81%；第II主成分贡献率为19.63%；第III主成分贡献率为11.50%；第IV主成分贡献率为10.68%；第I主成分解释了10个性状指标31.81%的变化，特征向量绝对值较大的是主茎节数（0.81）、主茎直径（0.80）、株高（0.79），结合相关性分析（表3），主茎节数、主茎直径、株高与黄色素含量呈显著正相关，这些性状与植株茎部形态有关，故称为茎部形态因子。第II主成分特征向量绝对值最大的是主穗长度（0.79），第III主成分特征向量绝对值最大的是主穗直径（0.65），故称为穗部形态因子。第IV主成分特征向量绝对值最大的是CCI（0.63），故称为米色形态因子。

2.4 综合得分

基于主成分分析模型，对这10个性状指标降维后的因子计算其综合得分F值（表5），取综合得分排名前10的谷子地方品种的种质资源，分析发现，来自于第266号忻州市繁峙县的金点鱼谷子综合得分最高，其黄色素的含量为27.27 μg/g，CCI值为3.71；其次为第81号太原市阳曲县的白流沙，黄色素含量为29.83 μg/g，CCI值为3.50；第3为第65号阳泉市郊区的铁牛吼，黄色素含量为23.99 μg/g，CCI值为3.58。这3种谷子种质资源在本次试验中综合性状排名前3，后期可为培育谷子新品种提供选择依据。同时，观察发现，排名前10的谷子地方品种的种质资源中综合得分越好的品种，其黄色素含量和CCI值也越高。因此，本试验得出黄色素含量较高的品种其综合得分越好，该品种的综合性状越强。

3 结论与讨论

米色是评价谷子品质优良的重要指标之一，其能直观反映出小米品质的优劣。米色越黄，其适口性越好^[23-24]。本研究发现，在米色相关指标中，变异系数表现为a^*>b^*>CCI>L^*。这与张婷^[25]等对3届参加优质米评选的谷子L^*值、a^*值、b^*值统计情况中变异系数的结果一致。张耀元等^[26]认为，CCI指数可以作为测定米色的综合指标，对不同谷子地方品种进行米色鉴定，故在对不同地方品种进行主成分降维分析以及计算其综合得分时，采用CCI米色综合指标来表征米色的相关差异。

黄色素是谷子籽粒中的天然色素，主要成分为类胡萝卜素。在小米外观品质中，黄色程度的深浅是最主要的关注因素，而类胡萝卜素等黄色素含量决定了黄色深浅。本研究对292份山西谷子地方品种的黄色素含量与主要农艺性状及其米色色差进行相关性分析，进而为筛选出高黄色素含量的品种提供依据。本试验得出，小米黄色素含量与株高、颈长、叶长、主茎直径、主穗直径、主茎节数6个农艺性状和a^*、b^*、CCI共3个米色相关指标存在显著相关。陈慢慢等^[27]研究发现，谷子黄色素含量与直链淀粉、株高、茎节数呈极显著正相关，与穗粒质量呈显著正相关，与叶面积呈极显著负相关。叶面积、株高和穗长是影响黄色素含量的最主要因素。结合本试验结果，株高和主茎节数都被证明与黄色素含量呈正向的影响关系。笔者认为谷子株高、颈长、叶长、主茎直径、主穗直径、主茎节数可能是影响小米黄色素含量的因素。前人研究已鉴定米色是黄色素含量的重要影响因素，如杨延兵等^[28-29]研究结果表明，品种基因型是决定谷子黄色素含量的最重要因素，不同年份、地点、品种及各因素互作有着较大影响，且小米黄色素含量与外观品质呈显著正相关，是影响其外观品质的重要因素。黄色素含量高的育种材料米色品质也较优。但上述农艺性状是如何对小米黄色素含量进行影响的以及影响效果具体如何，目前还未发现相关报道，后续笔者将持续对其进行研究。

综合2 a的数据，依据292份山西地方品种的综合得分，本研究得出，来自于第266号忻州市繁峙县的金点鱼谷子地方品种的综合得分最高，其黄色素的含量为27.27 μg/g，CCI值为3.71。黄色素含量和CCI值越高的品种其综合得分也越好。因此，来自于忻州市繁峙县的金点鱼表型性状表现优异，后期可为谷子培育优质种质资源提供选择依据。

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基金资助

山西省科技重大专项计划“揭榜挂帅”项目(202101140601027)

山西农业大学生物育种工程(YZGC149)

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