苎麻种质资源纤维结晶度变异及其主要品质性状的关联性研究

喻春明 ，张彦红 ，朱爱国 ，王延周 ，朱四元 ，唐守伟 ，熊和平

（1中国农业科学院麻类研究所，湖南长沙410006;2天津市园林局，天津南开300140）

苎麻（Boehmeria nivea L.）属荨麻科（Urticaceae）苎麻属（Boehmeria）宿根性多年生草本植物，原产于我国，是我国重要的纤维作物，自古以来我国人民的主要衣着原料，也是我国目前仅次于棉花的重要纺织纤维。苎麻纤维结构独特，纤维素分子之间主要依靠范德华力和氢键相互连接，形成两种凝集状态，即结晶态与非晶态[1]，目前习惯上把麻纤维中大分子有规律地整齐排列状态称为结晶态[2-3]，麻纤维呈现结晶态的区域叫结晶区；把纤维素大分子不呈结晶态那样有规律整齐排列的各种凝集态称为非晶态（或无定型态），非晶态形成的区域叫非结晶区（或无定型区）。

结晶度最基本定义为结晶区占纤维素整体的百分率[4]，由于应用X射线衍射法来测定结晶度被公认为是具有明确意义的最为广泛的方法之一，所以结晶度也可以定义为：结晶区的衍射强度与总衍射强度之比[5]。

苎麻纤维结晶度是苎麻最重要的品质指标之一，它直接影响纤维的纺织性能和产品的衣着性能。随着纤维结晶度的增高，纤维的扩张强度，硬度，比重及尺寸稳定性等均随之增加，染料吸着度，润胀度，柔软性等均随之减少[6]。苎麻织品贴身穿着的刺痒感就与其原料纤维高结晶度有很大关系。

苎麻本身基因型遗传因素和生长环境条件因素均影响纤维结晶度。冷鹃等根据对已有研究材料的统计及分析，得出不同生态条件对苎麻纤维结晶度有较大的影响；不同品种纤维结晶度差异较大[6]，赵文榜[7]1985年对“芦竹青”，“黑皮蔸”，“黄壳早”的纤维进行测定，得出纤维素结晶度以“芦竹青”较高，“黄壳早”次之，“黑皮蔸”较低；非晶区取向因素以“芦竹青”较低，“黑皮蔸”居中，“黄壳早”较高。钟安华等[8]研究，随着苎麻生育期的推迟，结晶度在不断增大，要想获得低结晶度的优良品种，除了选择优良亲本外，还要注意生育期内适时收获。

苎麻纤维各性状之间有着错综复杂的相关关系，这些性状之间的互作共同影响着苎麻纤维的品质，进而影响到纤维的可纺性能以及织物的穿着性能。许多工作者已经进行了性状之间相关性多方面研究并且取得了相应结果。朱爱国[9]对苎麻主要品质性状相关分析研究表明，苎麻纤维直径与断裂强力呈极显著正相关，即纤维越细，截面积越小，断裂强力也越小，并建立了回归方程y=1.887+1.756 x。崔国贤等[10]不同苎麻品种理化性能相关性研究表明，各品种间的纤维细度除与株高、分株力相关性不显著外，与其他性状之间均存在着复杂的相关关系。具体相关性为单株原麻干重与纤维支数极显著负相关(r=0.3023**)，纤维支数与断裂强力极显著负相关(r=0.5416**)，与断裂伸长极显著负相关(r=-0.4202**)，与断裂伸长率极显著负相关(r=0.4287**)，与断裂功极显著负相关(r=0.4848**)，与断裂时间极显著负相关(r=0.4298**)。

肖爱平[11]研究表明纤维直径与纤维细度呈极显著负相关关系，回归方程为y=293+991869/x2。郑长清等[12]研究得到纤维细度与含胶量，以及单纤维断裂强力与含胶量之间存在着线性关系，并建立了线性回归方程:y=2.7602+2.8691x，y=34.5486-0.1404x。

了解苎麻纤维的结晶度，通过遗传改良途径，选育出低结晶度的品种，对改善苎麻纤维纺织性能和产品质量有重大意义。

本文主要对苎麻精干麻及原麻相对结晶度进行了研究，分析不同品种间和季别间结晶度的差异，原麻与精干麻之间结晶度的相关性，不同收获期和不同部位结晶度的差异及苎麻纤维结晶度与主要品质性状间的相关性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

根据纤维细度的高、中、低，从国家种质长沙苎麻圃选取来自全国不同的生态区域的55个苎麻品种（表1），并分别在工艺成熟期(麻茎秆长到一定时期,生长停止,表皮木栓化,麻茎从下至上逐渐出现黑褐色,也称黑脚或黑秆,这时麻株纤维含量最高,纤维成熟度高,剥制容易)收获了2005年三麻，2006年头麻、二麻、三麻、2007年头麻、二麻。

精干麻样品：每季麻中的55个品种取中部韧皮进行化学脱胶，将脱胶后的样品晾干，一半纤维梳理好，扎束备用。另一半用剪刀剪成粉末状，包好待用。

苎麻不同收获期、不同部位纤维结晶度试验材料选用品种中苎一号、圆叶青和NC01。采用固定采样方法，将试验期间所要取样点固定下来，保证以株高和密度为背景一致，在工艺成熟期前后一段时间内对供试3个品种分4次收获，即在1/3黑杆前5～7 d、1/3黑杆期、1/2黑杆期和2/3黑杆期，因季别的不同取样间隔期为5～7 d。因每个品种根据生长状况取样次数不尽相同，每次取样割取5蔸样本，每蔸8株以上，确保头麻、二麻、三麻取样于同一固定样蔸，使株高和密度差异不显著。

1.2 试验仪器、药品及测试条件

使用D8 ADVANCE X射线衍射仪，德国布鲁克AXS有限公司OFDA纤维细度仪、LLY-06A型电子单纤维强力仪、FA1004N电子天平；NaOH、H2SO4、Na2SiO4、肥皂、三聚磷酸钠和乳化油。

测试条件：镍片滤片单色化的Cu-Kα射线，扫描速度1°min-1，所用的管电压为40 kV,管电流为40 mA,2θ范围是5°～40°，对样品进行衍射扫描。

1.3 结晶度测定方法

将苎麻样品粉末（原麻称取0.2 g，精干麻称取0.1 g）装入衍射槽中，然后根据测试条件对样品进行扫描，获得衍射强度曲线。

纤维是一种两相材料，部分纤维素大分子呈现结晶态,所以苎麻纤维X射线衍射曲线中的某些结晶衍射峰由于弥散往往会部分的重叠在一起，而且结晶峰与非晶峰一般是大部分重叠，因此在计算结晶度时，关键是如何把X射线衍射强度曲线准确的分解为结晶部分与非结晶部分。计算结晶度的方法采用计算机分峰方法[13]，即面积法计算结晶度与分峰法计算结晶度。分峰法首先要对衍射图谱进行分峰处理，借着计算各个峰下的面积，然后以总的峰面积除以总衍射面积而计算出结晶度[5,14-15]。本试验采用的方法是根据衍射强度曲线中有关面积的比例计算出结晶度。具体测定方法如下：

将苎麻精干麻纤维制成粉末状，扫描收集X射线衍射曲线，经过各种修正后的强度曲线如图1所示，将曲线的两端与2θ为32°附近的最小值3点连接成平滑曲线即作为分界线。若衍射曲线下的总面积为I，衍射曲线与分界线之间的面积为Ic，则该样品的结晶度为：

用Jade5.0软件打开X射线衍射图谱，对原始图谱进行平滑曲线，然后应用该软件划分出结晶区与非晶区，计算并记录晶区与非晶区的面积。根据公式计算纤维结晶度。

图1 苎麻精干麻衍射强度曲线及结晶度计算方法Fig.1 Diffraction intensity curve of degummed ramie fiber and the calculation of crystallinity

1.4 纤维细度测定

按标准NY/T 1538-2007“苎麻纤维细度快速测定方法”，其他品质指标的测定按GB/T7699-1999的检测方法。

1.5 数据分析

用SAS软件处理和分析数据。

2 结果与分析

2.1 苎麻纤维结晶度分析

2.1.1 不同品种间纤维结晶度的差异 计算参试品种（表1）对应的6季麻的纤维结晶度，取其平均值进行比较分析。

从表1中可以看出，不同品种、同一品种的不同季别，苎麻纤维的结晶度有一定的差异。苎麻纤维结晶度值最大的为2007年二麻的洞口青麻，其值为74.28%；纤维结晶度值最小的为2006年头麻的龙南蔸麻，其值为63.17%。

从图2中可以看出，参试品种纤维结晶度平均值变幅在69%～73%之间,变异系数为0.9769%，其中有9个品种纤维结晶度低于70%，13个品种纤维结晶度高于71%，纤维结晶度最低是32，其值为69.03%，对应的品种为川苎二号；最高是17，其值为72.31%，对应的品种为印尼麻。由此表明，对于正常成熟的苎麻纤维，其结晶度均可达70%左右，品种间变异不大，但仍然可以据此筛选出一部分结晶度较低的品种。表2列出了55个苎麻品种中纤维结晶度具有显著性差异的品种。

图2 55个苎麻品种纤维结晶度平均值比较Fig.2 Means of fiber crystallinity of 55 ramie varieties

表2 苎麻不同品种间纤维结晶度的差异显著性分析Tab.2 The analysis of significant differences of fiber crystallinity between different varieties

表1 不同苎麻品种在各个季别间的纤维结晶度Tab.1 Fiber crystallinity of different ramie varieties at different seasons

2.1.2 不同季别间纤维结晶度的比较 从表1可以看出，参试品种2006年头麻与2007年头麻的纤维结晶度平均值分别为：70.77%，70.69%，将其看成头麻的两次重复，可以得出头麻的纤维结晶度值为70.73%；2006年二麻与2007年二麻的纤维结晶度平均值分别为69.73%，70.83%，将其看成二麻的两次重复，可以得出二麻的纤维结晶度值为70.28%；2006年三麻与2005年三麻的纤维结晶度平均值分别为70.22%，71.49%，将其看成三麻的两次重复，可以得出三麻的纤维结晶度值为70.85%。各季麻结晶度值见图3。

从图3中可以看出，二麻结晶度最低，为70.28%；其次是头麻，结晶度值为70.73%；最高的为三麻，结晶度值为70.85%。同一品种在不同的年份之间由于温度、湿度、光照等环境因素的影响，纤维结晶度也不同，二麻结晶度相对较低，其次是头麻，三麻结晶度相对较高。通过SAS软件进行方差分析，在显著水平0.05下，头麻和三麻无显著性差异；二麻与头麻、三麻之间有显著性差异。

图3 不同季别间纤维结晶度的比较Fig.3 Comparison of ramie fiber crystallinity among different seasons

2.1.3 同一季麻不同收获时期纤维结晶度差异的分析 根据结晶度的大小来确定苎麻最佳收获期有着很重要的意义，分析苎麻纤维工艺成熟期前后一段时期内结晶度值的变化规律，选择结晶度相对较低的时期对苎麻进行收获。在显著水平为0.01下，对中苎一号、圆叶青和NC01的不同收获时期分别做了方差分析，除中苎一号头麻和圆叶青三麻外，3个品种的结晶度在1/3黑杆前与1/3黑杆后的收获时期均有显著性的差异。表3列出了中苎一号、圆叶青和NC01同一季麻不同收获日期纤维结晶度。

表3 2008年不同收获时期纤维结晶度Tab.3 Fiber crystallinity at different harvest times in 2008

2.1.4 麻株不同部位纤维结晶度的分析 由于1/2黑杆时期以后纤维结晶度值变化趋于稳定，所以选取每季麻1/2黑杆时期收获中苎一号、圆叶青和NC01，将收获的样品平均分成三部分（梢部、中部和基部），测量梢部、中部和基部的结晶度值，每个样品重复3次（表4）。

用SAS统计软件对供试的中苎一号、圆叶青和NC01梢部、中部与基部的结晶度分别做了方差分析，在显著水平为0.05下，3个品种的不同部位（梢部、中部、基部）均没有显著性差异，由此可以看出，取不同部位苎麻纤维测定结晶度不会影响测定结果。

表4 麻株不同部位纤维结晶度Tab.4 Fiber crystallinity at different parts of plants

2.2 苎麻纤维结晶度与主要品质指标的相关性分析

本研究在对55个苎麻品种的结晶度研究的同时，还对它们相应的6季麻的纤维细度、断裂强力、断裂伸长率等品质指标进行了测定，并计算出各性状的平均值（表5）。

苎麻纤维细度、断裂强力、断裂伸长率和结晶度等品质指标之间的相关性分析结果列于表6。从表6中可以看出，苎麻纤维结晶度与断裂强力呈极显著负相关，相关系数为-0.39526**(n=55)；苎麻纤维结晶度与断裂伸长率没有显著相关性，相关系数为-0.14545(n=55)；苎麻纤维结晶度与纤维细度呈显著正相关，相关系数为0.31363*(n=55)；苎麻纤维断裂强力与断裂伸长率呈极显著正相关，相关系数为0.52782**(n=55)；苎麻纤维断裂强力与纤维细度呈极显著负相关，相关系数为-0.88591**(n=55)；苎麻纤维断裂伸长率与纤维细度呈极显著负相关，相关系数为-0.46394**(n=55)。

苎麻纤维结晶度与纤维断裂强力的相关系数为-0.39526**(n=55)，因此，苎麻纤维结晶度越高，单纤维断裂强力越小。苎麻纤维断裂强力与断裂伸长率呈极显著正相关，纤维承受的外力作用达到弹性极限时，其增长的长度与原来长度的百分比称为断裂伸长率。纤维的拉伸断裂实质上是其拉伸区间内最薄弱部分的所有基原纤或纤维素大分子逐渐被抽拔和拉断，一般而言，承受拉伸力的大分子和微纤丝的根数越多，单纤维强力越大；同时，承受拉力的大分子和微纤丝根数越多，纤维拉伸到断裂时微纤丝移动的距离越大，因此断裂伸长率也越大；此外，纤维在拉伸至断裂的过程中，单纤维强力越大，拉伸开始到断裂的时间越长，纤维素大分子移动的距离越大，断裂伸长率越大。

表6 苎麻品质性状的相关性分析Tab.6 Correlation analysis of ramie fiber quality traits

3 讨论

3.1 苎麻品种结晶度的差异及遗传改良评价

本试验研究结果表明，苎麻种质资源中部分品种的结晶度存在显著差异。本试验根据纤维细度高、中、低选取了55份来自不同生态区域的苎麻品种，纤维细度变化范围为1578～3340 mg-1,品种

间变异较大，且参试品种的原产地范围比较广阔，覆盖了我国苎麻主要产区，基本上能代表苎麻种质资源。从试验结果来看，供试的苎麻种质资源结晶度变异幅度较小。但只要亲本选择恰当，还是可以通过遗传改良的办法降低苎麻纤维的结晶度。结晶度对苎麻纤维纺织性能和产品质量有重要的影响，在纺织行业研究较多。但是由于实验条件的限制，过去农业研究部门对苎麻结晶度的研究很少，对苎麻种质资源的结晶度进行系统研究更是未见报道。为了应对纺织业的要求，近年来苎麻育种工作者已经把结晶度作为重要的品质指标。本试验结果对今后苎麻育种有重要的指导作用。

表5 不同苎麻品种6季麻的纤维细度、断裂强力、断裂伸长率和结晶度的平均值Tab.5 The means of fiber fineness,fiber breaking strength,fiber breaking elongation and fiber crystallinity of different varieties at 6 harvesting seasons

3.2 不同收获期、不同部位纤维结晶度的差异

随着纤维的发育，苎麻不同发育时期纤维结晶度会有差异。中苎一号、圆叶青和NC01的头麻、二麻、三麻1/3黑杆后收获的结晶度与1/3黑杆前收获的结晶度大都有极显著差异，说明黑杆前收获苎麻纤维可显著降低结晶度，但是1/3黑杆前收获苎麻纤维会降低其纤维产量；1/2黑杆时期以后3个品种的结晶度值没有极显著性差异，结晶度值趋于稳定。实验结果也说明了，苎麻生产上普遍采用工艺成熟标准以后收割都不会影响纤维结晶度。

苎麻不同部位（梢部、中部、基部）纤维的细度差异显著，但结晶度没有显著性差异，由此可以看出，仅就结晶度而言，不同部位的苎麻纤维品质没有差异。

3.3 苎麻纤维结晶度与细度在育种目标上的矛盾

从苎麻品质育种目标来考虑，一般要求品种低结晶度，高纤维细度。但是，本研究结果表明，苎麻纤维结晶度与纤维细度呈显著正相关。也就是说，纤维细度高的品种，其纤维结晶度也高。因此，在制定苎麻育种目标时，应该针对不同产品的要求，设计有差异的育种目标，而不应盲目追求高纤维细度。

4 结论

4.1 苎麻种质资源中部分品种纤维结晶度有显著性差异

供试的55个苎麻品种中部分品种的纤维结晶度具有显著性差异，纤维结晶度平均值变幅在69%—73%之间,变异系数为0.9769%。苎麻纤维结晶度这一品质性状可以通过遗传育种方法改良。

4.2 同一品种的不同季别的苎麻纤维结晶度仅二麻与头麻、三麻之间有显著性差异

同一品种的不同季别的苎麻纤维结晶度有一定的差异。二麻结晶度最低，结晶度值为70.28%；三麻结晶度最高，其值为70.85%，头麻和三麻无显著性差异；二麻与头麻、三麻之间有显著性差异。

4.3 提早收割可以降低苎麻纤维结晶度

中苎一号、圆叶青、NC01三个品种1/3黑杆时期的纤维结晶度与1/3黑杆前的纤维结晶度有显著性差异，1/2黑杆时期后的结晶度值没有显著性差异，结晶度值趋于稳定。苎麻的工艺成熟期在1/2黑杆时期以后，收获一般也在1/2黑杆时期以后，虽然1/3黑杆前收获可显著降低结晶度，但是会降低苎麻纤维产量。

4.4 苎麻植株不同部位纤维结晶度没有显著性差异

试验结果说明，供试的中苎一号、圆叶青、NC01三个品种不同部位（梢部、中部、基部）纤维结晶度均没有显著性差异。

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