芻料用蜀黍氰酸含量之變異及母質效應
摘 要
芻料用蜀黍(Sorghum spp.)是一種耐旱、再生能力強且營養價值與青割玉米(Zea mays L.)相近之一種芻料作物，然它具有氰酸，若含量超過200ppm，則餵飼牛 、羊等牲畜易造成傷害，本試驗目的在探討芻料用蜀黍種原氰酸含量之變異及母質效應，進而研究其遺傳行為，以為蜀黍低氰酸含量品係選育之依據。芻料用蜀黍之三個物種包括穀粒用高梁(Sorghum bicolor L. Moench)39個品系、甜高梁(S. dochna)8個品系及蘇丹草(S. sudanense Stapf)13個品系等計60個品系，分別於始花期及成熟期測定其葉片組織之氰酸含量，結果甜高梁較蘇丹草及穀粒用高梁高出很多，而穀粒用高梁、蘇丹草及甜高梁等物種於種內氰酸含量之變異皆很大，尤其於始花期其平均值亦皆比成熟期大，變異範圍分別為55.9∼0.1，47.4∼8.6及129.8∼19.9ppm，顯示進行低氰酸含量品系之選育是可能的。
蜀黍種子內含有氰酸含量不多，如Tifton(蘇丹草)為36.2ppm、212B及54B(穀粒用高梁)分別為74.1、37.4ppm、U14及Am4 (甜高梁)分別為40.8及45.3ppm，然這五個品系種於玻璃皿放置於恆溫箱每日測定其氰酸含量，結果在萌芽第四天及第五天氰酸含量有急劇增加的現象。幼苗期Tifton品系在第十天氰酸含量達最高為284.2ppm，然後漸減；212B與54B則在第八天有一高峰，然後略減，至第十五天達最高峰分別為353.7及364.8ppm；U14在第九天，Am4在第七天亦有一高峰而在第十五天達最高分別為435.2及332.9ppm，顯示蜀黍不同品系間幼苗氰酸含量亦不同。
蜀黍三組互交524A／59B，U110A／212B及N48A／U19B於播種後30天測定葉片氰酸含量，其中524A／59B及U110A／212B兩組互交間平均值差異達顯著水準，顯示有母質效應的存在，然於始花期測定的結果三組中只剩524A／59B此組互交間差異顯著，顯示此組之氰酸含量於此時期仍受母質效應的影響。
緒 言
蜀黍屬(Sorghum spp.)俗稱高梁，為禾本科C4型作物，適合於熱帶及亞熱帶地區種植，具有細胞質雄不稔系統可提供雜交種高梁大量繁殖種子，其特有的耐旱、耐鹽、分𦹅性及再生能力使得高梁適種範圍甚廣，而其飼料營養價值與玉米(Zea mays L.)相似，是一種具高能量的芻料來源，目前已有很多國家利用穀粒用高梁(Sorghum bicolor L. Moench)、甜高梁(S. dochna)、蘇丹草(S. sudanense Stapf)等三個蜀黍物種及它們種間的雜交種來供作牛、羊等牲畜之芻料用。所謂芻料用蜀黍是將整株高梁包括穗部、莖稈及葉片等全部供牲畜飼料用，芻料用蜀黍可直接放牧、製成乾草或青貯備用，如穀粒用高梁於穀粒糊熟至黃熟時全株收穫作青貯料，營養價值會更高。然蜀黍在充作牧草時必須注意的是其為一含有氰酸(HCN)的作物，氰酸含量在200ppm以上對牲畜生命會造成危險，因此放牧時蜀黍生長最好選在氰酸含量低於200ppm的時期，而選育一低氰酸含量且具優良農藝特性的品系供農民種植為最安全及最重要的途徑。
蜀黍有些品系之氰酸含量於幼苗及成株皆高，然有些發育至成株時氰酸含量會降低。至目前為止雖已公認植株之氰酸含量易受環境影響，但其遺傳行為尚未被定論(Gorashi et al., 1980).Nass (1972)認為控制蜀黍氰酸含量之基因有一個或兩個；Krauss (1971)報告指出有四對累加性基因控制蜀黍氰酸含量，Lamb (1985)則指出蜀黍幼苗氰酸含量為數量性基因所控制，而此些基因具累加性效應，Gorz (1987)以同型轉座染色體材料檢定回交第一代FIBCI幼苗氰酸含量之基因分離，認為蜀黍至少有五對染色體參與氰酸之合成。Conn (1981)以生化觀點認為蜀黍氰酸含量為數量性的遺傳，即在氰酸合成過程中有許多酵素參與。
本報告係初步瞭解蜀黍種原氰酸含量的變異，生長時期氰酸含量的變化及母質效應(maternal effect)是否存在，以提供將來蜀黍雜交親本之選用及氰酸含量遺傳行為的評估，以為蜀黍低氰酸含量品系選育的依據。
材料及方法
1.從蜀黍種原庫中逢機選出蘇丹草13個，甜高梁8個及穀粒用高梁39個共60個品系參試，於民國七十七年四月七日種於台南新化台灣省畜產試驗所之試驗，逢機排列，兩重複，行株距為60×20cm，行長2m，小區面積2.4m2，肥料施用量每公頃硫酸銨600Kg公斤，過磷酸鈣400Kg，氯化鉀150Kg，除硫酸銨留一半量於種植後30天當追肥用外其餘均勻混合，於播種時當基肥一次施用，分別於始花期及成熟期取植株第二葉片(從劍葉算起)於80℃下烘乾兩天，並磨粉以測氰酸含量，其餘各項農藝性狀皆於成熟期調查，氰酸含量之分析(Gorz et al., 1977)如下：
試劑：
(1)0.1N NaOH (4gNaOH溶於-L H2O)
(2)1M acetic acid
(3)2.5g succinimide＋0.25g Nchlorosuccinimide溶於1L H2O
(4)6g barbituric acid＋30ml pyridine＋70ml H2O
(5)2×10-5M KCN in 0.1M NaOH
分析方法：
(1)磨粉後之樣品秤重0.2g放入20×150mm試管。
(2)加10ml蒸餾水入(1)試管，並用蓋子栓緊。
(3)將第(2)項試管置入高溫高壓蒸氣鍋，120℃下30分鐘萃取。
(4)將第(3)項之試管冷卻，取1ml萃取液入新試管，另加9ml之0.1NaOH於室溫下靜置30分鐘以上(目的在水解dhurrin即氰酸之前趨物)。
(5)從第(4)項之萃取液取1ml入20×150mm試管，加入0.5ml之1M acetic acid，加入5ml之試劑(3)藥品，加入1ml試劑(4)之藥品，然後將此試管激烈震盪，再靜置20分鐘。
(6)於spectrophotometer 580nm下測吸光值。
(7)Standard curve：取 KCN 1×10-5M，2×10-5M，4×10-5M，6×10-5M，8×10-5M，10×10-5M及12×10-5M於試管取代樣品，同樣加入上述步驟之藥品並測試其吸光值，以為蜀黍葉片氰酸含量計算之標準。
2.使用Tifton、212B及U14三個品系之種子為材料，將種子用清水漂洗後分別放置於玻璃皿內(3月28日種植)，於室溫下每一玻璃皿20粒種子，每品系15個玻璃皿供取樣分析使用。發芽後每日取樣並隨即送烘箱80℃下烘乾兩天，氰酸分析與1.項同。為進一步探討氰酸之形成時期及幼苗氰酸之變化，除原有三個品系再加54B及Am4等共五個品系參試，首先將其種子用清水洗過後分別放置於玻璃皿內，每一玻璃皿20粒種子，兩重複，每品系每一重複種植25個玻璃皿，將準備好的材料置放於恆溫箱內(白光、溫度27℃)，從種子開始每日取樣並隨即送烘箱80℃下烘乾兩天、磨粉，供取樣分析，氰酸分析與1.項同。
3.蜀黍三組互交524A／59B，59A／524B，UI10A／212B，212A／UI10B，N48A／U19B，U19A／N48B等於民國78年4月種植，逢機完全區集設計(RCBD)，每小區三行，行長三公尺，兩重複，肥料量比照材料及方法1.，每品系於株齡30天取第二葉片(從稍部算起)中間部位(去除葉脈)切成0.3×0.3cm之小片並秤重0.5公克置於試管，加水，其他步驟與1項之氰酸分析法同，而於始花期取第二葉片(去葉脈)於烘箱80℃下烘乾兩天，然後磨粉供氰酸含量分析。
結 果
由蜀黍農藝性狀之平均值及變域知，甜高梁於始花期及成熟期葉片內之氰酸含量較蘇丹草及穀粒用高梁高出很多，然三個不同物種之氰酸含量變異皆很大，尤其於始花期之平均值皆比成熟期大，其變異範圍穀粒用高梁、蘇丹草及甜高梁分別為55.9－0.1，47.4－8.6及129.8－19.9ppm，蘇丹草平均有較多的分𦹅株，葉片較為狹窄僅穀粒用高梁及甜高梁之一半，其整株鮮草重較甜高梁或穀粒用高梁高出很多，但穗部重量卻明顯地降低，在收穫指數方面穀粒用高梁較大(表1)。
| 表一 蜀 黍 三 個 不 同 物 種 農 藝 性 狀 之 平 均 值 及 變 異 係 數 | ||||
Agronomic characters |
species | |||
| Grain sorghum | Sudangrass | Sweet sorghum | ||
| HCN (flowering stage)
HCN (maturing stage)
Stem height
Plant height
Tiller no.
Leaf length
Leaf width
Fresh weight
Ear weight
Harvest index
|
Mean (ppm) Range Mean (ppm) Range Mean (cm) Range Mean (cm) Range Mean (cm) Range Mean (cm) Range Mean (cm) Range Mean (g/plant) Range Mean (g/plant) Range Mean (%) Range |
39.4 55.9-0.1 29.7 48.8-1.1 84.8 193-49 113.6 245-76 2.3 4.0-1.0 56.1 73.0-32.0 6.3 9.9-4.2 293.8 945-70 41.6 99-15 17.5 0.36-0.03 |
23.0 47.4-8.6 15.7 45.8-0.9 201.4 246-163 232.8 272-188 9.7 14.0-4.3 56.6 75.6-43.0 3.1 6.4-2.0 700.9 2000-240 8.5 22-1 0.1 0.04-01.0 |
53.7 129.8-19.9 42.0 100.4-11.7 221.3 290-137 249.1 321-166 2.3 3.7-1.7 58.7 65.3-46.3 6.6 8.5-5.1 276.0 1206-470 45.5 79-24 11.1 0.10-0.01 |
蜀黍Tifton (蘇丹草品系)，212B(穀粒用高梁)白U14(甜高梁)於室溫(表2)下種於玻璃皿，萌芽後每日取樣分析其氰酸含量之變化，結果種後第四天(三月三十一日)三個品系之氰酸含量最低(此時苗長平均約1cm)，第五天三個品系之氰酸含量迅速增加此時苗長約4cm，Tifton及212B兩個品系在第七天氰酸含量達最高分別為437.8及381.6ppm，然後漸減，而U14之氰酸含量卻一直升高，第九天達最高量524.6ppm(表3)。進一步恆溫箱內種植，結果Tifton，212B，54B，U14及Am4等五個品系之成熟種子，第一天尚未浸水前皆存有少量氰酸，分別為36.2，74.1，37.0，40.8及45.3ppm，浸種後二、三天之氰酸含量皆略低，Tifton品系從第四天起氰酸含量明顯地增加，至第十天達最高量約284.2ppm，然後漸下降。
| 表二 蜀 黍 幼 苗 生 長 期 之 日 平 均 溫 度 | ||
| Date | Temperature (℃) | |
| Month | Day | |
| 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 |
27 28 29 30 31 1 2 3 4 5 |
13.4 14.8 11.3 13.4 23.6 25.6 24.7 26.3 23.0 22.7 |
| 表三 蜀 黍 三 個 品 系 之 幼 苗 不 同 生 育 日 數 氰 酸 含 量 之 變 化 | ||||||
| Growth+day | Tifton | 212B | U14 | |||
| HCN (ppm) | Height (cm) | HCN (ppm) | Height (cm) | HCN (ppm) | Height (cm) | |
| 4 5 6 7 8 9 |
76.7 226.1 276.3 437.8 390.7 271.4 |
1 4 6 8 10 11-12 |
162.3 244.7 268.1 381.6 362.2 299.2 |
1 4 6 6 8 9-10 |
103.0 237.4 296.2 398.6 484.6 524.6 |
1 4 6 9 11 12-13 |
| + Planting on March 28, 1989. | ||||||
212B與54B類似，氰酸含量從第五、第六天就有明顯的上升，第八天有一高峰，然後略降至第十二天又漸升至第十五天達最高點分別為353.7ppm及346.8ppm，甜高梁U14及Am4之氰酸含量於第四天起即明顯地上升，U14在第九天、Am4在第七天氰酸含量各有一高峰，然後略減而分別在第十二、十三天又上升，至第十五天達最高峰分別為435.2ppm及332.9ppm(表4、5)。
| 表四 穀 粒 用 高 梁 及 蘇 丹 草 幼 苗 不 同 生 育 日 數 氰 酸 含 量 之 變 化 | ||||||
| Growth+day | Tifton | 212B | U14 | |||
| HCN (ppm) | Height (cm) | HCN (ppm) | Height (cm) | HCN (ppm) | Height (cm) | |
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 |
36.2f+ 39.6f 39.8f 97.7e 148.9d 153.1d 233.4b 230.5b 228.2b 284.2a 209.3bc 223.3b 207.4bc 171.5cd 165.0cd |
1.5 3.0 5.0 6.0 7.5 8.5 10.0 10.0 12.0 12.5 12.0 13.0 |
74.1 29.4 68.5 77.5 175.5 173.8 235.6 335.1 222.8 220.5 205.5 278.2 293.7 287.2 353.7 |
1.5 2.0 4.0 5.0 7.0 8.0 8.0 8.5 8.5 9.5 10.0 11.0 |
37.4ef 20.1f 24.7f 57.9ef 78.0e 134.0d 223.6c 288.0b 247.1bc 211.3c 216.0c 284.8b 307.4b 301.4b 346.8a |
1.0 2.0 4.0 5.0 6.0 8.5 9.0 11.0 10.0 10.0 11.0 11.5 |
| + Means with the same letters within the same column are not significantly different at 5% level. | ||||||
| 表五 甜 高 梁 幼 苗 不 同 生 育 日 數 氰 酸 含 量 之 變 化 | ||||
| Growth day | U14 | Am4 | ||
| HCN (ppm) | Height (cm) | HCN (ppm) | Height (cm) | |
| 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 |
40.8g+ 23.6g 29.0g 65.6fg 109.5ef 140.7e 215.1d 305.3c 339.9bc 306.0c 330.4c 330.6c 386.2ab 392.8a 435.2a |
1.5 3.0 5.5 6.5 8.0 10.0 11.0 14.0 15.0 15.0 15.0 15.0 |
45.3h 28.5h 25.9gh 75.8fg 111.8f 173.3e 299.3ab 287.8bc 283.6bc 238.4d 240.0d 271.7cd 286.3b 314.3ab 332.9a |
1.0 3.0 4.0 5.5 6.0 8.0 9.0 10.0 10.0 10.0 11.0 11.5 |
| + Means with the same letters within the same column are not significantly different at 5％ level. | ||||
蜀黍三組互交524A／59B，UI10A／212B及N48A／U19B及N48A／UI9B於播種後30天測定葉片氰酸含量，其中524A／59B及UI10A／212B兩組互交間有顯著，顯示有母質效應的存在，然於始花期測定的結果三組中只賸524A／59B此組互交間差異顯著，顯示此組之氰酸含量於此時仍受母質效應的影響(表6)。
| 表六 蜀 黍 氰 酸 含 量 之 母 質 效 應 | ||
| Line | 30 days after sowing HCN (ppm) | at flowering stage HCN (ppm) |
| 524A／59B 59A／524B UI10A／212B 212A／IU10B N48A／I19B U19A／N48B |
269.1a+ 123.4c 279.8a 205.5b 216.2b 216.2b |
78.5a 71.6b 25.8c 27.3c 30.0c 31.0c |
| + Means with the same letters within the same column are not significantly different at 5% level。 | ||
討 論
蜀黍為一種含有氰酸的作物，而氰酸對活組織或活體而言是一種有毒物質，因此於正常狀況下蜀黍組織內之氰酸以前趨物dhurrin (P-hydroxymendelonitrile-B-D-glucoside)形態貯存之。而新陳代謝的某些反應會造成氰酸少量的釋出，但若碰到特殊情況如萎凋、霜害或組織被破壞時，則氰酸會大量釋出以致超過牲畜可容忍的安全量220ppm以上。dhurrin通常存於葉片表皮層，它的合成酵素32％存於葉肉組織，而68％位於表皮，然其分解酵素卻皆位於葉肉組織，故當葉片受損或緊迫時，dhurrin與其分解酵素相混而大量釋出氰酸。dhurrin分解時以相同分子數目釋出氰酸含量，然氰酸含量的測定會受到dhurrin分解是否完全或氰酸的揮發性影響，而作物的成長狀況及葉片取樣亦同樣會影響氰酸含量的真實性。
本試驗結果發現穀粒用於高梁於始花期葉片內之氰酸含量平均39.4ppm，蘇丹草23.0ppm及甜高梁53.7ppm，變異範圍分別為55.9-0.1，47.4-8.6及129.8-19.9ppm，顯示蜀黍不同物種間氰酸含量有差異，且物種內不同品種間變異大，即蜀黍品系氰酸含量之差異是受基因的影響，此結果與一些報告指出蜀黍葉片內之氰酸含量為一可遺傳性狀相似(Eck, et al., 1975；Gorz, et al., 1977；Gorz, et al., 1987)。由此可知蜀黍氰酸含量可經由親代相傳，且經品種改良可穫得氰酸含量低的品系，本試驗中蘇丹草平均有較低的氰酸含量，較多的分𦹅株，葉片較為狹窄，僅穀粒用高梁及甜高梁之一半，其整株鮮草重亦較甜高梁或穀粒用高梁高出很多。但穗部重量卻明顯地降低。Loyd及Gray (1970)指出蜀黍氰酸含量與每株乾物重成顯著負相關，故蘇丹草之氰酸含量較低是否與總乾物重有關仍須進一步行相關分析。
蜀黍種子亦含有氰酸，如Tifton、212B、54B、UI4及Am4等五個品系種子之氰酸含量分別為36.2、74.1、37.4、40.8及45.3ppm，然比起幼苗之氰酸含量卻低很多(表4)，顯示葉片為dhurrin形成的地方。而葉片內之dhurrin會隨著其他物質一起輸送到種子。這五個品系於種後第四、五天子鞘葉(coleoptile)剛伸出時，dhurrin大量形成，而隨著幼苗生長氰酸含量更多，然不同物種間略有差異。如蘇丹草(Tifton)在第十天達最高量後就漸減，而甜高梁(U14、Am4)及穀粒第九天有一高峰且皆在第十五天達最大量，然於室溫下Tifton及212B於第七天就達437.8及381.6ppm之最高量，然後降低。而U14一直昇高至第九天達524.6ppm，顯示幼苗於不同環境下氰酸含量亦會不同。
本試驗由於受到生長箱空間的限制只測15天，試驗時不如任何營養液，每日僅加水以供生長，目的在避免外加物對基因的促進或抑制(Gorashi et al., 1980)，以減少幼苗氰酸含量評估的誤差。Gorz et al. (1977)指出蜀黍幼苗氰酸含量的測定最好在第二葉片長出至第一葉片1.5或2倍長時約第七天左右，可避免測定時蛋白質的干擾，而本試驗結果則認為幼苗氰酸含量的測定以苗齡在第二葉片長出至第一葉片兩倍長約在第八至第十天有一高峰時測定較佳。
蜀黍氰酸含量於幼苗評估雖較為方便，但芻料用蜀黍通常於成株才用以餵飼牲畜，故成株時氰酸含量之評估顯得更重要，Barnett and Caviness (1968)指出蜀黍植株45天之氰酸含量與再生30天植株之氰酸含量成顯著正相關，有些報告指出部分品系之氰酸含量於幼苗及扇株皆高，而部分則發育至成株時氰酸含量就會降低(Gorz et al., 1977)，Loyd and Gray (1970)指出蘇丹草於萌芽後一週幼苗地上部氰酸含量最高，然後隨著生長及成熟漸減。
本試驗結果蜀黍於幼苗時期含有高量的氰酸，然於始花後葉片氰酸含量明顯地下降(表4、5、6)，McBee and Miller (1980)指出蜀黍於幼穗形成期(preboot)葉片內仍有很高的氰酸，而於始花後有明顯的下降，顯示控制蜀黍氰酸含量之因素較為複雜，而幼嫩葉較老葉易形成氰酸(Benson et al., 1969)，至於蜀黍之氰酸含量是否受母質效應之影響，Lamb et al. (1987)報告指出蘇丹草／穀粒用高梁之F1幼苗之氰酸含量具有母質效應，F2沒有，顯然細胞質遺傳並沒有參與到F1幼苗氰酸含量的合成，然雜交種F1之種子重受母本三元體(3n)胚乳組織的影響而有所差異，果皮含有母質其代謝與轉送能力會影響到穎果的大小，而大的種子提供較多的物質供dhurrin合成，但並非絕對性。
本試驗結果蜀黍三組互交524A／59B，212A／UI10B及N48A／U19B於播種後30天葉片之氰酸含量，524A／59B及212A／UI10B兩組互交間有顯著差異，顯示有母質效應的存在，然於始花期測定的結果三組中只賸524A／59B此組互交間差異顯著，顯示此組之氰酸含量仍受母質效應的影響(表6)，由此可知不同組口於不同生期之氰酸含量受母質效應之影響亦不同，本試驗局限於雜交組合少，僅能認為蜀黍成株氰酸含量受母質效應之影響較幼株小，而為確定此種母質效應是否涵蓋細胞質遺傳基因之作用仍須進一步探討。
(*資料來源：台灣省畜產試驗所)
飼料營養雜誌(7~15)－蕭素碧．九一年八期
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