不同甘蔗品种蔗茎纤维组分差异分析

刘高源，高欣欣，郭家文

（云南省农业科学院甘蔗研究所，云南开远 661699）

0 引言

甘蔗是我国重要的糖料作物[1]，其生产成本极大地左右了整个糖业的发展。甘蔗作为高纤维作物，其纤维组分在干物质中占比最多。在制糖工业中，主要以甘蔗渣的形式成为加工副产物，其含量可达24%～27%[2]。纤维组分作为植物细胞壁的主要原料，在甘蔗的各类生理过程中都起着不可或缺的作用[3]。同时，纤维组分的合成又是甘蔗光合产物分配的重要途径，其与甘蔗的糖代谢有着密切的关系。研究表明，纤维组分的含量与甘蔗蒸煮液锤度呈极显著负相关[4]，还与甘蔗的产量、茎径及单位含糖量呈极显著负相关[5]，甘蔗纤维组分的研究越来越受到关注。甘蔗是收获茎秆的作物，蔗茎是糖分和纤维主要的积累场所，也是纤维组分分析的主要对象。在以往的研究中，多是针对甘蔗整体纤维组分进行研究，而对于不同部位纤维组分分布差异的研究较少。但甘蔗茎中不同部位的生理代谢特征是不同的，例如蔗糖含量在蔗茎中存在自下而上递增的特点[6]，这是光合产物过剩并以糖分的形式积累结果[7]。纤维组分的代谢主要与细胞壁合成相关，随甘蔗生长时间的变化，细胞壁中纤维组分的成分与含量也有所不同[8]。蔗茎不同部位细胞的成熟度和生长时间不同，是造成蔗茎不同部位纤维组分差异的主要原因。一方面，蔗茎纤维组分研究对甘蔗纤维副产物应用有重要指导意义。废弃物的分类是再利用的重要前提，蔗茎纤维组分析可明确各纤维组分集中的部位，进而对纤维副产物的再利用提供理论支撑。另一方面，研究蔗茎不同部位纤维组分的差异，可帮助我们进一步了解蔗茎中纤维组分代谢特征并为蔗茎细胞壁形成和纤维组分代谢的研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

研究材料选取云南省主栽及近年选育表现较好的甘蔗品种：‘新台糖22 号’、‘粤糖93-159’、‘云蔗05-51’、‘桂糖32 号’和‘福农39 号’。其中‘新台糖22 号’、‘粤糖93-159’为主栽品种，‘云蔗05-51’、‘桂糖32号’及‘福农39号’为主推品种。

1.2 试验方法

1.2.1 取样

于甘蔗宿根生长10个月时，选取长势正常的甘蔗，去梢，将蔗茎按长度三等分，并记为上、中、下三部分。将每部分样品烘干、研磨、混匀后备用。

1.2.2 纤维组分测定

本研究采用福斯公司的Fibertec 8000全自动纤维分析系统进行纤维组分分析。分析系统采用减量法测定原理，分别分析样品中中性洗涤纤维（NDF）、酸性洗涤纤维（ADF）和酸性洗涤木质素（ADL）含量。

（1）中性洗涤纤维（NDF）

中性洗涤纤维是用中性洗涤溶液（十二烷基硫酸钠和EDTA）处理后的剩余物，剩余物成分为纤维素100%，半纤维素100%，木质素100%。

（2）酸性洗涤纤维(ADF)

酸性洗涤纤维是用酸性洗涤溶液（十六烷基三甲基溴化胺的硫酸溶液）处理后的剩余物，剩余物成分为纤维素100%，木质素100%。

（3）酸性洗涤木质素(ADL)

酸性洗涤木质素是在经过ADF 方法预先处理过的剩余物，再用72%硫酸萃取掉纤维素部分的剩余物，剩余物成分为木质素100%。马弗炉灰化是将ADL 样品在(525±15)℃下马弗炉灰化至少需要3 h。等待马弗炉温度降至250 ℃以下时，再移出样品。

1.2.3 计算公式

1.3 统计分析方法

试验数据采用SPSS24统计分析软件进行多因素方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 纤维素

经测定5 个甘蔗品种各部位纤维素含量呈类似的趋势。纤维素平均含量，下部（35.83%）最高，中部（27.93%）次之，上部（21.57%）的纤维素含量最低。由图1 所示，纤维素含量由上至下整体呈依次递增趋势，多数品种上、中部或中、下部含量的差异不显著，只有‘福农39号’上、中、下部纤维素含量均有显著差异。品种间纤维素含量也存在显著差异，上部纤维素含量以‘福农39 号’最高为24.94%，以‘桂糖32 号’最低为17.55%，‘福农39 号’含量高于‘粤糖93-159’和‘桂糖32 号’，‘新台糖22 号’和‘云蔗05-51’含量高于‘桂糖32 号’。中部纤维素含量以‘福农39 号’最高为31.93%，以‘桂糖32 号’最低为19.84%，‘福农39 号’、‘云蔗05-51’和‘新台糖22 号’含量高于‘粤糖93-159’，‘粤糖93-159’含量高于‘桂糖32 号’。下部纤维素含量以‘福农39号’最高为38.10%，以‘粤糖93-159’最低为33.25%。

图1 5种甘蔗不同部位纤维素含量Fig.1 Cellulose content in different parts of five sugarcane varieties

可见在参试的5 个甘蔗品种中，纤维素含量分布较为均匀的为‘新台糖22 号’、‘云蔗05-51’和‘福农39号’。‘粤糖93-159’和‘桂糖32号’的纤维素主要集中于下部。各品种间纤维素差异最显著的部位为中部，中部纤维素含量最高的‘福农39号’和最低的‘桂糖32号’差值达到12.09个百分点。说明蔗茎中部可能是纤维素合成与积累最活跃且品种差异最大的部位。此外‘桂糖32号’上部与中部的纤维素含量低于多数品种，但其下部纤维素含量却高达37.33%居于参试品种含量第二。使之成为自身部位之间纤维素含量差异最大的品种，其下部含量与中部含量差值达到17.49%。

2.2 半纤维素

如图2所示，半纤维素含量在各品种中的分布趋势类似。首先，各品种半纤维素平均含量最高的部位均为上部（21.30%），中部（12.19%）和下部（12.36%）半纤维素的含量较低且差异不显著。品种间半纤维素的含量也存在差异，上部半纤维素含量以‘新台糖22 号’最高为24.43%，以‘云蔗05-51’最低为19.54%。中部半纤维素的含量以‘福农39 号’最高为12.92%，以‘桂糖32号’最低为9.87%，但各品种间差异不显著。下部半纤维素含量以‘粤糖93-159’最高为14.92%，以‘桂糖32 号’最低为10.19%。上部为蔗茎中半纤维素较为集中部分，下部和中部半纤维素含量明显低于上部且相互间差异不显著。据此可推断，蔗茎的上部是半纤维素合成的主要部位。

图2 5种甘蔗不同部位半纤维素含量Fig.2 Hemicellulose content in different parts of five sugarcane varieties

2.3 木质素

如图3所示，木质素含量在上、中、下3个部位及5个参试品种间均无显著差异。同时对比于纤维素和半纤维素，木质素的含量处于4.22%～6.00%，整体含量相对较低。说明在参试品种范围内，蔗茎中木质素的含量分布均匀且品种间含量差异不显著。据此可初步推测，木质素可能为蔗茎中的稳定成分且在品种间变化不明显。

图3 5种甘蔗不同部位木质素含量Fig.3 Hemicellulose content in different parts of five sugarcane varieties

2.4 相关性分析

统计分析中部位（上、中、下）为分层变量，由上至下分别记为1、2、3。由表1可知，纤维素与部位呈极显著正相关，说明纤维素由上至下呈递增趋势。半纤维素与部位呈极显著负相关，说明半纤维素由上至下呈递减趋势。木质素与部位相关性不显著，说明木质素在蔗茎中分布均匀。纤维素与半纤维素呈极显著负相关，半纤维素与木质素呈极显著正相关，木质素与纤维素相关性不显著。

表1 各因素间相关性分析Table 1 Correlation among three fiber components in sugarcane

3 讨论与结论

本文基于蔗茎不同部位的纤维组分进行了研究，反映了甘蔗整体纤维组分在蔗茎中合成和积累的趋势；同时蔗茎的不同部分，又对应了不同的蔗茎生长时间和成熟程度。所以本研究还在一定程度上，反映了蔗茎中不同成熟度部位纤维组分分布特征。

纤维组分的主要功能是组成细胞壁结构，并对植物体起支撑作用[9]。植物细胞壁分为初生壁和次生壁[10-11]，初生壁是植物细胞伸长过程中的细胞壁，其结构更具弹性且活性较强[12]，能较好适应生长中细胞的体积变化。初生壁中半纤维素含量较高，其主要作用是交连纤维素微丝[13]。本研究中蔗茎中纤维素含量由上至下递增，说明次生壁的合成由上至下依次增多；上部半纤维素含量显著高于中部和下部，说明蔗茎上部细胞中初生壁所占比例显著高于中、下部；而中部和下部半纤维素含量较低且相互差异不显著，说明从中部开始蔗茎中细胞多数已停止初生壁生长，细胞伸长停止。次生壁是成熟细胞壁继续增厚形成的结构[14]。其强度更高，能更好地对植物细胞起固定和保护的作用[15-16]。次生壁中纤维素的含量更高，且有木质素存在[17]，与纤维素结合成机械强度更高的结构[18-19]。本研究中蔗茎下部的纤维素含量最高，是由于下部为蔗茎中生长时间最长的部分，细胞壁次生化成度最高。各品种中部纤维组分差异显著，说明品种间次生壁形成的速度和次生壁强度与结构都存在差异。基于此，研究可进一步细化蔗茎部位切分，明确蔗茎细胞停止伸长并开始次生壁积累的具体位点并进行品种间特性分析，进而为评价品种特性提供帮助。而木质素于蔗茎各部位的均匀分布则说明甘蔗蔗茎在成熟期整体细胞的次生壁木质化程度不高。由于上部细胞多处于伸长期，故细胞壁多为不含木质素的初生壁。因此推测在上部检出的木质素含量主要来源于甘蔗表皮，可进一步分离表皮进行检测加以验证。而各部分木质素含量相同则说明各部分木质素的含量均源于表皮组织。故蔗茎内主要组织的次生壁应以纤维素为主，而木质素含量不高。蔗茎中部为各品种间纤维素和半纤维素差异最显著部位，说明基于种性的不同，各品种甘蔗纤维素和半纤维素代谢程度不同，且在蔗茎中部体现最为明显。由于细胞壁由初生壁到次生壁存在纤维素合成过程[20]，所以蔗茎中部为初生壁向次生壁转化最活跃的部位。因此，可以以蔗茎中部纤维组分含量作为甘蔗种性评价的标准之一。

综上所述，本研究明确了蔗茎中纤维素、半纤维素及木质素3 种纤维组分含量分布特征：蔗茎中纤维素含量由上至下呈递增趋势；蔗茎上部的半纤维素含量最高为21.3%，下部含量次之为12.36%，中部半纤维素含量最低为12.19%；木质素分布均匀。蔗茎中部为次生壁开始形成的主要部位。