高粱籽粒中9種黃酮類化合物的積累特性分析

殷叢培, 吳 盟, 王志博, 高玉坤, 任根增, 楊溥原, 崔江慧, 常金華

(河北農業大學農學院;華北作物種質資源研究與利用教育部重點實驗室，保定 071000)

高粱[Sorghumbicolor(L.)Moench]是我國主要的糧食、飼料和釀造作物[1]，在新型農業發展和鄉村振興中具有重要的開發潛力[2]。高粱籽粒不僅含有豐富的淀粉、脂肪和蛋白質等營養物質，還含有大量的黃酮類化合物，可作為黃酮類化合物提取的重要原料[3]。黃酮類化合物有較強的生理活性、藥用價值和抗氧化能力，且具抑菌抗癌、抗過敏、抗病毒、降低膽固醇、降血壓和預防心血管疾病等功效[4]，在食品、化妝品和保健品生產中也有著至關重要的作用[5]。因此，研究高粱籽粒中黃酮類化合物的變化對高粱開發利用具有重要意義。

黃酮類化合物的種類和含量主要受基因型和生長環境的影響[6]，其含量和積累特性直接影響植物的色澤、品質及營養價值[7]。王安虎等[8]研究蕎麥(FagopyrumesculentumMoench.)不同生育時期和不同器官中黃酮類化合物發現，葉片和莖中黃酮類化合物呈現先升高再降低的趨勢，種子中黃酮含量最高。對谷子(Setariaitalica)[9]不同品種黃酮類化合物含量的測定發現，不同顏色籽粒的黃酮類化合物含量存在很大差異，其含量直接影響谷子的品質。Wu等[10]研究了不同高粱品種在不同灌溉條件下酚類及黃酮類化合物的含量變化，發現水分脅迫可顯著提高黃酮物質的含量。

高粱種質資源變異類型豐富，籽粒顏色多樣，不同種質間的黃酮類化合物種類和含量差異大[11]。目前，已經建立了高粱黃酮類化合物提取工藝和測定方法[12]，在高粱糠、穎殼和麩皮中已分離鑒定出柚皮素、木犀草素、芹菜素和甘草酚等黃酮類化合物[13-15]，但對高粱籽粒中黃酮類化合物積累特性仍鮮有報道。本研究采用HPLC測定了高粱種質的籽粒在發育過程中黃酮類化合物的含量，并分析黃酮類化合物在籽粒發育過程中的含量差異、積累特性及與顏色和品質的相關性，為高粱黃酮類化合物含量的測定、種質資源鑒定、專用品種選育與深加工等研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

本研究選取26份高粱種質(表1)，于2020年5月和2021年5月種植于河北農業大學育種中心(115°39′E, 38°81′N)，小區采用完全隨機排列，行距60 cm，株距20 cm，每份種質種植10行，每行20株，重復3次。在開花后10 d(T1)、17 d(T2)、24 d(T3)、31 d(T4)和38 d(T5)進行取樣，將采集的籽粒用錫箔紙包裹后放置-80 ℃條件下保存，備用。

表1 供試高粱種質

兒茶素、異鼠李素、表茶兒素、槲皮素、柚皮素、蘆丁、木犀草素、芹菜素和山奈酚標準品；甲醇、甲酸、乙腈、亞硝酸鈉、六水合氯化鋁、氫氧化鈉。

1.2 儀器設備

Epoch2酶標儀，15A481超聲清洗機，Agilent 1260高效液相色譜儀，ZORBAX SB-C18色譜柱(5 μm，4.6×250 mm)，DAD檢測器，Neofuge 15R高速冷凍離心機，Perten DA7250近紅外谷物分析儀，FD-1C-50冷凍干燥機，XDN100-2氮吹儀，KONICA MINOLTA CR-10 Plus色差儀，GR150A研磨機。

1.3 方法

1.3.1 品質的測定

采用近紅外谷物分析儀測定籽粒中的淀粉、蛋白質和脂肪含量。

1.3.2 籽粒顏色的測定

在最后一次樣品采集時(T5)選取完好無損的籽粒，利用色差儀測定種皮的色度值，每份高粱種質重復測定5次，測定L、a和b值，并計算Hue和Chroma 值[16]。

1.3.3 黃酮類化合物的提取制備

參照Ti等[17]的方法，將樣品冷凍干燥后研磨成粉，稱取1 g粉末與15 mL的4 ℃酸化甲醇提取液(95%甲醇與1 mol/L HCl的體積比=85∶15)，混勻，4 ℃條件下振蕩提取10 min后離心10 min，取上清液，重復提取3次，合并上清氮吹至無水狀態。用80%的甲醇溶液溶解，定容至10 mL，采用0.22 μm濾膜過濾后儲存在小棕瓶中，-20 ℃備用。

1.3.4 總黃酮含量的測定

采用Hossain等[18]的方法略作改進，以蘆丁為標準品，繪制標準曲線：y=0.942 6x+0.048 6，相關系數R2=0.999 3，依據標準曲線計算樣品中總黃酮的含量，結果以mg/100 g為單位。

1.3.5 HPLC標準品制作

將黃酮類化合物標準品溶于80%甲醇，配制質量濃度為10 mg/mL的標準品母液?；谀敢悍謩e配制0.1、0.2、0.4、0.8、1 mg/mL的工作液和標準品混合工作液。按HPLC條件分別檢測不同濃度條件下標準品的滯留時間和色譜峰，并構建濃度與峰面積的標準曲線。

1.3.6 HPLC檢測條件

色譜柱：ZORBAX SB-C18色譜柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)；流動相A(2%甲酸)和流動相B(乙腈)，梯度洗脫條件：0～30 min(A：95%～75%)，30～50 min(A：60%)，50～60 min(A：95%)，后運行5 min，流速0.8 mL/min，柱溫40 ℃；進樣量為10 μL；檢測波長：280、320、360 nm。重復3次。

1.4 數據分析

利用標準品濃度與峰面積的標準曲線計算各樣品質量濃度，單位為μg/100 g。用SPSS 25.0軟件做方差分析及相關分析，用Excel和R作圖。

2 結果與分析

2.1 高粱籽粒的總黃酮含量

通過分析了不同種質高粱籽粒發育過程中總黃酮含量的變化，繪制總黃酮含量熱圖(圖1)，不同種質高粱籽粒中總黃酮含量及在發育過程中的積累特性均存在差異，除16矮、623B和6-5B外，大多數品種均呈下降趨勢。高粱蔗的總黃酮含量最高，冀早糯1號和Han5-4次之，河農16、冀釀飼1號、623B和蘇丹的總黃酮含量最低。

圖1 高粱籽粒發育過程中總黃酮含量熱圖

2.2 高粱籽粒顏色測定

按籽粒顏色不同，將高粱籽粒顏色劃分為白、黃、橙、紅和褐5個色系(表1)。利用色差儀測定高粱籽粒的色度值，隨著L值的增大，種皮的顏色逐漸變淺，其中白色籽粒的L值最大，褐色籽粒的L值最??；a值的增大，籽粒顏色由淺紅色變為深紅色；b值的增大，顏色由淺黃轉變為深黃色(表2)。

表2 高粱籽粒顏色指標的統計分析

2.3 高粱籽粒黃酮類化合物差異分析

在280 nm(兒茶素、表兒茶素、柚皮素)、320 nm(芹菜素)和360 nm(木犀草素、蘆丁、槲皮素、山奈酚和異鼠李素)色譜條件下對高粱籽粒中黃酮類化合物進行定性和定量分析發現，種質類型、發育時期之間以及種質類型與時期間互作均表現出極顯著差異(表3)，表明黃酮類化合物含量不僅受基因型的影響，同時發育時期對黃酮類化合物的積累也存在顯著影響。在T3時期1287中兒茶素含量顯著高于其他品種(圖2)，為7 323.67 μg/100 g，211中表兒茶素顯著高于其他品種，為8 462.65 μg/100 g；在T1時期1197中柚皮素含量顯著高于其他品種，為691.44 μg/100 g，16矮、河農16、冀糧飼1號、1328、1138和226在發育過程中均未檢測到柚皮素；在T4時期Han20-2中木犀草素顯著高于其他品種，為235.43 μg/100 g；Han6-8和H54芹菜素在T5時期差異顯著高于其他品種，冀糧飼1號在發育過程中未檢測到芹菜素；槲皮素在T5時期Han20-2中含量顯著高于其他品種，為433.64 μg/100 g；在T5時期Han6-8中山奈酚顯著高于其他品種，為309.34 μg/100 g，河農16、冀糧飼1號、Han6-3、1138、1257、千三、高粱蔗和蘇丹中均未檢測到山奈酚；在T5時期Han20-2的異鼠李素顯著高于其他品種，為94.50 μg/100 g，16矮、冀早糯1號、Han4-8、農大紅2號、河農16、冀糧飼1號、Han6-3、1138、1257、6-5B、農大紅1號、高粱蔗、蘇丹和6-4中均未檢測到異鼠李素；蘆丁在T4時期Han20-2中含量顯著高于其他品種，含量為24.46 μg/100 g。分析結果表明，白色籽粒高粱種質9種黃酮化合物含量均較低或未檢出。

圖2 高粱籽粒發育過程中黃酮類物質含量堆疊圖

表3 高粱籽粒黃酮類化合物的方差分析

2.4 高粱種質的聚類分析和主成分分析

為了更好地探索不同高粱種質間黃酮類化合物的差異性，基于籽粒的黃酮類化合物含量和顏色，采用歐氏距離對不同高粱種質進行了聚類分析(圖3a)。在距離為15處，將26份高粱種質分為3大類，第Ⅰ類包括冀糧飼1號、623B、蘇丹、韓6-3、1138、6-5B和河農16，籽粒顏色均為白色且黃酮類化合物含量較低。第Ⅱ類包括冀早糯1號、高粱蔗、1287、Han4-8、Han6-8、Han4-3、6-4、16矮、千三、農大紅一號、Han1-8、Han20-2和Han5-4，籽粒顏色較深大部分為橙色和紅色，且蘆丁、兒茶素、槲皮素、芹菜素、山奈酚、異鼠李素和木犀草素含量較高。第Ⅲ類包括1257、226、農大紅2號、1328、1197和211，這些材料遺傳背景相似，籽粒顏色較深，大部分為橙色，表兒茶素和柚皮素含量較高。

圖3 高粱種質聚類分析圖

對不同高粱種質進行主坐標(Principal Co-ordinates Analysis，PCoA)，將26份高粱種質很好的分離，第一主成分和第二主成分的貢獻率分別為45.89%和19.26%。PCoA分析同樣將所有供試材料分為3組：A組主要包括在 PC1負半軸和PC2負半軸區域分布的9份種質，除了歐氏距離聚類第Ⅰ類中的7份種質，還包括Han4-8和6-4；B組主要包括PC2正半軸區域的種質，包含聚類第Ⅱ類中11份種質；C組主要包括在PC1正半軸區域的種質，除了聚類第Ⅲ類的種質，還有16矮。主成分分析結果與聚類分析的分類結果有較好一致性。

2.5 高粱籽粒中黃酮類化合物的積累特性

基于聚類分析結果(圖3)，分析了不同種質高粱黃酮類化合物在籽粒發育過程中的積累特性。各類表兒茶素和兒茶素均表現為先上升后下降的趨勢，表兒茶素在第Ⅰ類種質中的積累最高峰出現在開花后17 d，在第Ⅱ類和第Ⅲ類的中最高峰在開花后的24 d；3類種質的兒茶素積累最高峰分別出現在花后17 d、24 d和31 d；蘆丁變化趨勢在第Ⅰ類種質中表現為先升高再下降，最高峰出現在花后24 d，而第Ⅱ類和第Ⅲ類的變化趨勢為升高-下降-升高-下降的“M”型，且最高峰在花后17 d；槲皮素和山奈酚在籽粒發育過程中為上升的趨勢，3類種質最高峰都在花后38 d；芹菜素在第Ⅰ類和第Ⅱ類種質中的變化趨勢為整體上升，最高峰在花后38 d，第Ⅲ類為下降-上升的趨勢，最高峰在花后10 d；異鼠李素在3類種質中積累特性不盡相同，第Ⅰ類為下降趨勢，最高峰在花后10 d，第Ⅱ類為持續上升趨勢而第Ⅲ類為上升-下降-上升的變化，且最高峰均在花后38 d。木犀草素含量在第Ⅰ類種質中為持續上升的趨勢，最高峰在花后38 d，而在第Ⅱ和Ⅲ類高粱種質中為先升高再下降，最高峰在花后31 d。柚皮素在3類種質中均為下降的趨勢，最高峰在花后10 d。因此，黃酮化合物的積累動態變化大致可以分為3種類型，第1種為升高-下降的變化趨勢，主要有兒茶素、表兒茶素和蘆??；第2種為整體上升趨勢，主要包括槲皮素、芹菜素、山奈酚、異鼠李素和木犀草素；第3種為整體下降的趨勢，主要涉及柚皮素?？梢?，9種黃酮化合物在籽粒發育過程中的積累特性因基因型和顏色而異，尤其是籽粒顏色的深淺對黃酮類化合物積累的影響較大。

2.6 黃酮類化合物間及與籽粒顏色和品質的相關性

黃酮類化合物間的相關分析發現(圖1b)，木犀草素和蘆丁均與兒茶素呈正相關，表兒茶素與柚皮素呈顯著正相關(r=0.788，P<0.01)，且兒茶素和表兒茶素與其他黃酮類化合物之間呈負相關；槲皮素和山奈酚均與柚皮素呈負相關，與其他黃酮類化合物間呈正相關；山奈酚、異鼠李素、木犀草素、芹菜素和蘆丁均與槲皮素呈顯著正相關，相關系數分別為0.719、0.928、0.635、0.564、0.682(P<0.01)；芹菜素和異鼠李素均與山奈酚呈顯著正相關，相關系數分別為0.920、0.719(P<0.01)；木犀草素、芹菜素和蘆丁均與異鼠李素呈顯著正相關，相關系數分別為0.663、0.538、0.663(P<0.01)；木犀草素與蘆丁顯著正相關(r=0.555，P<0.01)。9種黃酮類化合物與總黃酮之間都為正相關，其中兒茶素、蘆丁和槲皮素與總黃酮的相關系數分別為0.575、0.657、0.416(P<0.01)。

測定供試材料籽粒的脂肪、淀粉和蛋白質的含量(表4)，分析其與黃酮類化合物之間的相關性，表兒茶素和柚皮素均與脂肪呈正相關，其他黃酮類化合物皆為負相關；柚皮素、木犀草素和蘆丁均與蛋白質呈負相關，其他黃酮類化合物皆為正相關；柚皮素與淀粉為負相關，其他黃酮類化合物皆為正相關，其中木犀草素和蘆丁與淀粉的相關系數分別為0.391、0.476(P<0.05)?？梢婞S酮類化合物種類及含量對籽粒品質有顯著影響。

表4 高粱籽粒中蛋白質、淀粉和脂肪含量

黃酮類化合物與高粱籽粒顏色指標相關性分析顯示(圖1b)，Hue和L與黃酮化合物含量呈負相關關系，其中Hue與總黃酮呈顯著負相關(r=-0.610，P<0.01)；L指標與總黃酮、山奈酚和芹菜素之間呈顯著負相關，相關系數分別為-0.611、-0.406和-0.466(P<0.05)，通過逐步回歸分析建立了回歸方程L=48.55-0.082x1-0.007 23x2(x1:為芹菜素的含量；x2:為總黃酮的含量；R2=0.47)，a指標與總黃酮含量之間呈顯著正相關關系(r=0.534，P<0.01)，說明黃酮類化合物含量越高，籽粒顏色就越深。Chroma與黃酮類化合物有一定的相關性，但相關性不顯著。

3 討論

3.1 不同高粱籽粒中黃酮類化合物的差異

籽粒中黃酮類化合物的含量受到基因型、籽粒顏色以及環境條件等的影響[6]。本研究發現高粱籽粒中黃酮類化合物的含量不僅取決于高粱基因型、籽粒顏色與發育進程也與其存在顯著的相關性。Lee等[19]研究發現，深色籽粒的高粱中黃酮類化合物比白色籽粒的含量高，與本研究結果一致。在供試材料中，與白色籽粒種質相比，Han6-8籽粒為紅色其芹菜素和山奈酚含量最高，Han20-2籽粒為黃色其木犀草素、異鼠李素、蘆丁和槲皮素的含量最高。通過聚類分析發現黃酮類化合物含量最低的白色籽粒高粱種質聚為第Ⅰ類；籽粒顏色深(橙、紅和褐色)的種質聚為第Ⅱ類，這類種質的蘆丁、兒茶素、槲皮素和木犀草素等黃酮類化合物含量最高，這些結果與Wu等[10]、Dykes等[1]和Rooney[20]研究結果一致。第Ⅱ類種質可作為黃酮類化合物(兒茶素、槲皮素、芹菜素、山奈酚、異鼠李素和木犀草素)的提取和開發利用的首選種質資源。第Ⅲ類為親緣關系較近的一組，這類材料的表兒茶素和柚皮素含量較高，表明基因型是決定黃酮類化合物種類及含量的重要因素之一，該類材料可用于表兒茶素和柚皮素的提取。高粱種質籽粒顏色與一些黃酮類化合物含量具有顯著的相關性，同時與種質資源的來源也存在密切關系，這些黃酮類化合物可作為區分不同籽粒顏色和不同來源種質及其親緣關系的生物標記物[21]。

3.2 不同高粱籽粒中黃酮類化合物的積累動態

不同植物、不同器官及不同發育階段，黃酮類化合物的積累特性不同[22，23]。本研究發現，隨著籽粒發育進程的推進，不同顏色籽粒高粱種質的黃酮類化合物的積累特性有所差異，但大多數黃酮類化合物表現為隨發育進程的發展而下降的趨勢。其中兒茶素、表兒茶素和蘆丁表現為先升高再下降的變化趨勢，與孫健等[22]和王美麗[23]在葡萄(VitisviniferaL)和荔枝(LitchichinensisSonn.)中的研究結果相似；槲皮素、芹菜素、山奈酚、異鼠李素和木犀草素在高粱籽粒發育過程中雖含量不同，但變化趨勢相似，均呈上升的變化規律。賀軍與等[24]在大麥(HordeumvulgareL.)籽粒發育進程黃酮類化合物的積累特性中研究發現，影響大麥籽粒中黃酮類化合物相對含量的因素主要包括籽粒質量增速(主要是淀粉含量增速)、化合物合成效率和衰減效率(降解速率和轉化速率)，本研究也發現黃酮類化合物的變化與高粱籽粒中的淀粉、蛋白質等的積累存在協同變化趨勢，最終會影響到籽粒品質。高粱籽粒中黃酮類化合物的含量因籽粒發育進程而異，如柚皮素、蘆丁和木犀草素的最高含量出現在花后10、17、31 d。槲皮素和山奈酚的適宜取樣期均在成熟期，兒茶素、表兒茶素、芹菜素和異鼠李素積累的最高峰因種質而異，其適宜的取樣期可根據高粱類型的不同而不同。因此，在高粱籽粒黃酮類化合物積累機制與生理功能研究中，應根據不同化合物的積累特性，確定樣品的采集時期。

3.3 黃酮類化合物之間及與籽粒顏色的相關性

在高粱籽粒發育過程中黃酮化合物之間存在一定的相關性，絕大多數都呈顯著正相關，這與黃酮類化合物的合成代謝通路有關[25]。黃酮類化合物通過一系列酶促反應合成，首先是苯丙氨酸轉化為柚皮素，再由柚皮素經一系列的酶促反應轉化為其他的黃酮類化合物。本研究中高粱籽粒中柚皮素的含量在籽粒發育過程中持續下降，其他化合物呈現不同程度的上升趨勢，且表兒茶素、兒茶素和柚皮素與其他黃酮類化合物之間為負相關，說明隨著籽粒發育進程的推進，其他黃酮類化合物的積累加速了柚皮素的轉化。

籽粒顏色指標中L值與總黃酮、山奈酚和芹菜素均呈顯著負相關，與劉戰等[26]在芍藥(PaeonialactifloraPall.)中的研究結果一致。西瓜[Citrulluslanatus(Thunb.)Matsum.& Nakai]果實番茄紅素含量與西瓜果實顏色系數中Chroma、a、b值存在極顯著正相關[16]，籽粒顏色可以作為籽粒中黃酮類化合物含量的生物標記。黃酮類化合物及其積累動態在生物對環境的應答中具有重要作用，在易發黑與不易發黑的山龍眼(HeliciaformosanaHemsl.)葉片中苯三醇或氫醌衍生代謝物含量間存在顯著差異[27]。還有研究認為高粱籽粒中黃酮類化合物的含量與其抗性相關[28]，本研究發現黃酮類化合物種類、含量的差異與高粱基因型和顏色均有顯著的相關性。因此，高粱中黃酮類化合物的變化可作為不同高粱種質資源鑒定和的標記，也為進一步研究高粱籽粒營養特性及抗逆性提供了參考。

4 結論

本研究旨在探索不同籽粒顏色的高粱種質在籽粒發育過程中黃酮類化合物的差異、積累特性及與粒色之間的關系。種質類型和籽粒發育時期均會影響黃酮類化合物的積累，其中1287中兒茶素含量較高，211中的表兒茶素含量較高，1197中柚皮素含量最高，Han6-8中的芹菜素和山奈酚含量最高，Han20-2中槲皮素、木犀草素、異鼠李素和蘆丁含量最高。不同的黃酮類化合物積累最高峰也不盡相同，蘆丁、兒茶素和表兒茶素積累最高峰在發育中期(花后17～31 d)；異鼠李素、木犀草素、芹菜素、槲皮素和山奈酚最高峰都在花后38 d；柚皮素最高峰在花后10 d。不同類別的籽粒顏色和黃酮化合物的含量存在顯著差異，籽粒顏色深的高粱種質中黃酮類化合物含量較高。在籽粒發育過程中兒茶素、表兒茶素和蘆丁為先升高再下降的變化趨勢；槲皮素、芹菜素、山奈酚、異鼠李素和木犀草素為持續上升的趨勢；柚皮素為下降的趨勢。顏色系數Hue和L與黃酮化合物含量呈負相關關系，Chroma值與兒茶素、表兒茶素、柚皮素和木犀草素之間呈正相關關系。