干旱胁迫下芝麻籽粒品质及抗氧化能力变化分析

魏其超，张海洋，刘文萍，汪学德，苗红梅,4

(1.河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001; 2.河南省农业科学院 芝麻研究中心，河南 郑州 450002;3.山西省农业科学院 经济作物研究所，山西 太原 030031; 4.郑州大学 农学院，河南 郑州 450001)

芝麻是世界上最古老的特色优质油料作物之一，广泛分布于热带和亚热带地区[1]。芝麻对调整我国农业种植结构、增加农民收入具有重要作用，我国芝麻主要种植在河南、安徽、湖北和江西等产区。研究表明，芝麻叶片表面存在一定的蜡质，且叶片上表皮气孔被表皮细胞包围，有利于防止水分过分蒸发，耐旱特征明显[2]。苏适等[3]用40%聚乙二醇(PEG)处理芝麻植株4 h，发现植株水分损失率在0.008 8%～5.344 7%，表现出较强的耐旱特征。FAZELI等[4]测定了干旱胁迫下芝麻叶片和根的蛋白质含量以及脂质过氧化酶(LOD)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POX)、过氧化氢酶(CAT)、多酚氧化酶(PPO)活性，结果显示，干旱胁迫下芝麻植株的鲜质量和总干物质量减少，叶和根的蛋白质含量及LOD活性降低，SOD、POX、CAT、PPO活性增加。孙建等[5]研究发现，苗期干旱胁迫会造成芝麻生长速率减缓，根系发育缓慢，叶片数量减少，生物量降低，并最终严重影响植株的生长发育。为评价芝麻耐旱性并揭示干旱胁迫下芝麻籽粒组成成分的变化特征，OZKAN等[6]分析了干旱处理下芝麻种子的生长参数、脂质组成和矿物质含量变化，结果显示，在严重缺水处理下，植株生长参数显著降低，但种子含油量和亚油酸百分比并未受到影响。KWANSU等[7]研究发现，干旱胁迫下，芝麻籽粒中具有强抗氧化活性的芝麻素酚三葡萄糖苷含量增加，部分化学组分含量受到干旱胁迫的影响。BAYOUMI等[8]证实，在干旱胁迫下，芝麻叶中的POX、CAT活性均显著增加。但目前尚未见有关干旱胁迫对芝麻籽粒品质及抗氧化能力影响的报道。鉴于此，选用12个芝麻品种，采用盆栽控水模拟干旱胁迫，系统分析了干旱胁迫处理下芝麻籽粒的外观品质、主要化学组分及抗氧化能力，以期为评价干旱胁迫下芝麻品质特征及其加工品质改良提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验选用12个白芝麻品种，其编号及来源具体见表1。

主要试剂：3,4,5-三羟基苯甲酸(Gallic acid，没食子酸)、 福林酚(Folin-Ciocalteu’s phenol)、2,4,6-三吡啶基三嗪[2,4,6-Tris(2-pyridyl)-s-triazine，TPTZ]等，均为分析纯(纯度99%以上)；2,2-联苯基-1-苦基肼基(2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl，DPPH)等试剂为色谱纯(纯度98%以上)。

表1 供试芝麻品种编号及来源 Tab.1 Sesame variety number and source

1.2 试验设计

试验于2017年6月在山西省农业科学院汾阳试验基地遮雨棚内进行。将饱满健康的芝麻种子播于直径40 cm的塑料盆内。每盆装大田耕层土壤10 kg；每个品种种植6盆，其中3盆为对照，3盆为干旱胁迫处理。出苗后每盆留苗4株。其中，对照在4对真叶时正常灌溉；干旱胁迫处理在4对真叶时进行3次干旱复水，每次干旱控水后，待50%左右的芝麻叶出现暂时性萎蔫时进行复水。之后全部材料按正常管理进行灌水直至成熟。适时收获各品种单株籽粒，干燥保存。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 芝麻产量性状和籽粒外观品质性状 成熟期测定植株的株高、果轴长、单株蒴果数、单株产量等指标。收获后，参照袁青丽等[9]方法，选取芝麻籽粒100粒，测定籽粒形态、粒色、千粒质量等指标。其中，采用万深SC-G自动种子考种及千粒重分析仪测定芝麻籽粒的长度、宽度及千粒质量；选用Co-lorFlex EZ色粒仪测定明度指数(L)和彩度指数(a、b)，计算干旱处理与对照芝麻籽粒种皮颜色差异值(ΔE值)。籽粒种皮色泽计算公式如下：

种皮色泽差异判定参照李里特[10]的标准(表2)进行。

表2 作物种皮色泽差异判定标准Tab.2 Standard of difference evaluation of seed coat color in crops

1.3.2 芝麻籽粒的主要化学组分 芝麻籽粒的粗脂肪含量测定参照GB/T 5512—2008；蛋白质含量测定参照GB 5009.5—2016；芝麻油的脂肪酸组成测定参照GB/T 17376—2008稍作改动。总酚含量测定以没食子酸为标准品，参照乔丽华等[11]的方法进行。芝麻素及芝麻林素含量测定参照NY/T 1595—2008[12]，高效液相色谱仪Waters 2695(Waters公司，美国)设置条件为：色谱柱Sunfire (C18 250 mm×4.6 mm，5 μm)，柱温30 ℃；流动相为V甲醇∶V水=70∶30，流速1.0 mL/min；检测波长287 nm；进样量为10 μL。

1.3.3 芝麻籽粒的抗氧化能力 参考ZHOU等[13]的方法制备提取液。萃取液为70%甲醇溶液。称量0.5 g样品于10 mL离心管中，加入5 mL萃取液。涡旋振荡2 min，超声萃取20 min，-20 ℃静置10 min后以4 000 r/min离心10 min，取上清液，反复3次，富集提取液于25 mL容量瓶，定容后储藏于-20 ℃备用。

参考文献[14]，采用FRAP法测定籽粒样品的总抗氧化能力，以亚铁还原能力(FRAP值)表示。取50 μL提取液与5 mL FRAP工作液反应，40 ℃下水浴30 min；在593 nm波长下测定。以FeSO4·7H2O标准溶液绘制标准曲线，线性关系为Y=0.000 24X+0.057 89，R2=0.999 5。参考PANZELLA等[15]的方法测定DPPH清除率，DPPH甲醇溶液浓度为2×10-4mol/L；参考赵春苏等[16]的方法测定·OH清除率，H2O2浓度为24 mmol/L。

1.4 数据处理与分析

使用Orgin 8.0、Excel 2007及SPSS 18.0软件对数据进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下不同芝麻品种的产量性状

由图1可以看出，干旱胁迫处理下12个芝麻品种的株高均较对照下降，降幅为3.57%～17.65%。除M9外，其他11个品种均显著降低；与对照相比，干旱胁迫下M2和M9的果轴长变化不大，M11的果轴长变化最大，下降了31.38%；与对照相比，干旱胁迫下12个芝麻品种的单株产量降低2.31%(M1)～51.22%(M6)，其中，M1、M2、M8、M12的单株产量受干旱胁迫影响较小，表现出耐旱丰产的特性，而其他8个品种的单株产量均显著下降(P<0.05)；12个品种中，M5的千粒质量最小，M4的千粒质量最大，干旱胁迫处理后，M9千粒质量下降最为显著。综合上述产量性状变化特征确定，12个品种受干旱胁迫影响的程度依次为M8

2.2 干旱胁迫下不同芝麻品种籽粒的外观品质性状

表3显示，对照条件下12个芝麻品种的粒长和粒宽分别为2.77～3.17 mm和1.56～1.76 mm，各品种之间的粒长及粒宽差异较大；干旱胁迫后，12个品种的粒长和粒色分别为2.70～3.13 mm和1.50～1.73 mm。在芝麻籽粒色泽评价方面，目前多使用L、a和b值表示，L值越大，表明籽粒色泽越光亮；ΔE值越大，表明籽粒色泽差异越明显[9]。从表3可以看出，干旱胁迫处理下12个芝麻品种的ΔE值为0.96～3.30。其中，M12的ΔE值最小，而M6的ΔE值最大。12个品种的ΔE值均值为1.92。依据种皮色泽差异判定标准(表2)，干旱胁迫处理后，12个品种籽粒种皮颜色均与对照存在差异。其中，M6和M9的ΔE值均大于3，表现为差异显著。依据ΔE值，12个品种的耐旱性水平依次为M12

不同小写字母表示对照与干旱胁迫处理差异显著(P<0.05)，下同Different letters mean the significant difference between the control and drought treatment(P<0.05)，the same below图1 干旱胁迫下不同芝麻品种的产量相关性状Fig.1 Yield related traits of different sesame varieties under drought stress

2.3 干旱胁迫下不同芝麻品种籽粒的粗脂肪与粗蛋白含量

由图2可见，对照条件下12个芝麻品种籽粒的粗脂肪和粗蛋白含量分别为44.61%～47.01%和23.67%～25.55%；与对照相比，干旱胁迫处理芝麻籽粒粗脂肪和粗蛋白含量变幅分别为-0.72%～4.03%和-5.77%～4.12%。2个处理比较，12个品种中籽粒粗脂肪含量有显著变化(P<0.05)的共有7个品种，其中M7变化最为显著，较对照增加4.03%，M11粗脂肪含量变化最不显著，仅较对照降低0.07%；粗蛋白含量有显著变化的共有4个品种，其中M9的粗蛋白含量较对照降幅最大，为5.77%，M11变化最小，较对照降低0.16%。

表3 干旱胁迫处理下不同芝麻品种籽粒的外观品质Tab.3 Seed appearance quality of different sesame varieties under drought stress

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note: Different letters in the same column indicate significant differences(P<0.05)，the same below.

图2 干旱胁迫下不同芝麻品种籽粒的脂肪和蛋白质含量 Fig.2 Seed oil and protein contents of different sesame varieties under drought stress

油酸(18∶1)、亚油酸(18∶2)、棕榈酸(16∶0)和硬脂酸(18∶0)是芝麻籽粒中的主要脂肪酸组分。从表4可以看出，对照条件下芝麻籽粒中4类主要脂肪酸的含量分别为41.81%～49.41%、35.93%～42.22%、7.17%～8.33%、5.61%～6.27%；干旱胁迫处理芝麻籽粒中4类主要脂肪酸的含量分别为40.81%～47.86%、37.27%～43.36%、7.18%～8.31%、5.48%～6.38%。干旱胁迫处理芝麻籽粒中4类脂肪酸含量变化表现为品种间差异显著。在12个品种中，除M2外，其他11个品种受到干旱胁迫后，籽粒中油酸(18∶1)含量均较对照下降，降幅为0.16%～6.40%；同时，亚油酸(18∶2)含量较对照均升高，增幅为0.44%～9.05%。

2.4 干旱胁迫下不同芝麻品种籽粒的芝麻素、芝麻林素和总酚含量

图3表明，对照条件下12个芝麻品种的籽粒芝麻素、芝麻林素、总酚含量分别为1.93～3.54、1.11～3.16、2.78～8.25 mg/g，均值分别为3.04、2.12、5.40 mg/g；干旱胁迫处理下12个芝麻品种的籽粒芝麻素、芝麻林素、总酚含量分别为1.85～3.67、1.22～2.69、3.49～7.75 mg/g，均值分别为2.87、1.98、5.61 mg/g。与对照相比，干旱胁迫处理下12个芝麻品种的籽粒芝麻素、芝麻林素、总酚含量变幅分别为-12.54%～34.28%、-17.89%～21.82%、-21.92%～33.00%。其中，8个品种籽粒的芝麻素含量显著升高或无明显变化(图3A)；5个品种的芝麻林素含量显著升高或无明显变化(图3B)；9个品种的总酚含量显著升高或无明显变化，而M4、M6、M9籽粒总酚含量分别显著降低21.92%、8.31%、11.15%(图3C)。综合分析可以看出，干旱胁迫处理条件下不同芝麻品种芝麻素、芝麻林素和总酚含量变化具有一定的差异，从含量均值变化可以看出，干旱胁迫处理条件下芝麻素和芝麻林素含量略有降低，而总酚含量略有增加。

表4 干旱胁迫下不同芝麻品种籽粒的脂肪酸组成和含量Tab.4 Seed fatty acid component content of different sesame varieties under drought stress

图3 干旱胁迫下不同芝麻品种籽粒的芝麻素、芝麻林素和总酚含量Fig.3 The contents of sesamin,sesamolin and polyphenol in seed of different sesame varieties under drought stress

2.5 干旱胁迫下不同芝麻品种籽粒的抗氧化能力

天然提取物的抗氧化能力检测通常采用铁离子还原能力法(Ferric ion reducing antioxidant power，FRAP)、1，1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基清除法(即DPPH清除率)以及·OH清除率评价法3种方法进行。从图4A可以看出，对照条件下12个芝麻品种的籽粒FRAP值为12.48～49.84 μmol/g，其中M6的FRAP值最高。与对照相比，干旱胁迫处理下12个品种的FRAP值变幅为-24.88%～73.92%。仅M7和M9的FRAP值显著降低，其余10个品种的FRAP值均显著提高或无显著变化。M3的FRAP值增幅最大(73.92%)，M12的FRAP值增幅最小(5.97%)。由图4B可见，对照芝麻籽粒的DPPH清除率为22.67%～53.38%。与对照相比，干旱胁迫处理芝麻籽粒的DPPH清除率变幅为-40.06%～35.71%，共有10个芝麻品种的籽粒DPPH清除率出现显著性变化，其中M4变化最大(降幅为40.06%)，M1变化最小(增幅仅为0.12%)。由图4C可见，对照芝麻籽粒的·OH清除率为15.59%～24.08%；与对照相比，干旱胁迫处理芝麻籽粒的·OH清除率变幅为-41.15%～33.86%。其中M7变化最大(降幅为41.15%)，而M1变化最小(降幅为0.37%)。综合上述3个指标认为，在12个芝麻品种中，M1的抗氧化能力受干旱胁迫影响相对最小。

图4 干旱胁迫下不同芝麻品种籽粒的抗氧化能力Fig.4 Seed antioxidant capacity of different sesame varieties under drought stress

2.6 干旱胁迫对芝麻籽粒主要外观指标、化学组分及抗氧化能力影响的方差分析结果

为分析干旱胁迫(环境)和品种(基因型)对上述芝麻籽粒品质性状的影响，对各指标进行了方差分析，结果见表5。由表5可见，芝麻主要外观指标、化学组分及抗氧化能力的相关指标均受基因型及基因型×环境(干旱胁迫)的影响。其中，基因型对上述11个指标的影响均达到极显著水平(P<0.01)；干旱胁迫则对芝麻籽粒的千粒质量、粗脂肪含量和FRAP值的影响达到显著水平(P<0.05)，对芝麻林素含量和总酚含量的影响达到极显著水平(P<0.01)，对粒长、粒宽、粗蛋白含量、芝麻素含量、DPPH清除率和·OH清除率影响不显著；基因型与环境(干旱胁迫)互作除显著影响芝麻籽粒的粗蛋白和芝麻素含量外，对其他9个指标均表现为极显著影响。

表5 干旱胁迫对芝麻籽粒主要外观指标、化学组分及抗氧化能力影响的方差分析Tab.5 Variance analysis of effect of drought stress on appearance,chemical composition and antioxidation of sesame seed

注：*和**分别表示显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)。

Note:*and ** mean significant and extremly significant at the 0.05 and 0.01 levels,respectively.

2.7 芝麻籽粒芝麻素、芝麻林素含量与抗氧化能力的相关分析

芝麻籽粒芝麻素、芝麻林素和总酚含量与抗氧化能力的相关关系(表6)显示，芝麻籽粒FRAP值与DPPH清除率、·OH清除率均为极显著正相关(P<0.01)；总酚含量和芝麻林素含量均与FRAP值、DPPH清除率和·OH清除率呈极显著正相关(P<0.01)。上述结果表明，芝麻的抗氧化能力与籽粒中的总酚含量和芝麻林素含量呈极显著正相关。增加总酚或者芝麻林素的含量可提高芝麻籽粒的抗氧化能力。

表6 芝麻籽粒芝麻素、芝麻林素含量与抗氧化能力相关性分析Tab.6 Correlation analysis of antioxidants content and antioxidant capacity

注：*、**分别表示在0.05、0.01水平显著、极显著相关。

Note: * and ** indicate significant and extremely significant correlations at the 0.05 and 0.01 levels,respectively.

3 结论与讨论

植物生长是一个复杂的过程，受生理、遗传和环境因素之间相互作用的综合影响。环境胁迫会引起生长代谢物组分含量的变化[17]。干旱胁迫是当前影响作物生长发育、产量及品质的重要环境约束因子[18]。本研究采用人工盆栽反复干旱法，系统开展了12个芝麻品种的产量相关性状及籽粒的主要化学组分含量、抗氧化能力等指标的检测，并系统分析了干旱胁迫环境、基因型以及干旱环境×基因型互作对上述指标影响的显著性。结果发现，干旱胁迫可导致芝麻籽粒的粗脂肪含量、粒色、芝麻林素含量、总酚含量以及抗氧化能力发生显著变化。

芝麻属高耐旱作物，但在萌发、生长、开花、果实形成等关键时期，植株对水分胁迫较为敏感[18]，在这些时期发生干旱胁迫会导致籽粒生理品质下降[19]。孙建等[5]研究发现，苗期干旱会导致芝麻生长速率减缓，根系发育缓慢，叶片数量减少，生物量降低，从而严重影响植株生长发育。本研究结果表明，在芝麻4对真叶展开时进行3次反复干旱胁迫处理，12个芝麻品种的株高、果轴长、单株蒴果数、单株产量等指标均较对照降低。同时，产量结果显示，在12个品种中，豫芝11号(M1)、晋芝2号(M8)和安康芝麻(M12)对干旱胁迫的适应性较强，可用于今后芝麻耐旱机制研究以及耐旱新品种选育。而郑芝98N09(M3)、豫芝Dw607(M4)和冀芝1号(M5)则表现出对干旱胁迫较为敏感的特性。其中，豫芝Dw607(新品种权编号：CNA013391E)属于短节间密蒴型品种，叶片大、结蒴性好，但对水肥需求较普通品种高，因而在本试验中，其产量指标受干旱胁迫的影响较大。

粒色是评价芝麻产品等级和外观品质的重要指标之一[20]，属于数量性状，受多个基因位点控制[21]，与芝麻种质进化、油脂含量水平存在一定的相关关系[1,22]。本研究结果发现，干旱胁迫处理下，12个品种籽粒ΔE值为0.96～3.30，均大于0.5，可见，干旱胁迫可以导致芝麻种皮颜色加深，外观品质下降；其中，安康芝麻(M12)最小、冀芝157(M6)最大，分别表现出了高耐和高感干旱胁迫特征。粒色是芝麻籽粒商品价值的直接评价指标，同时也是芝麻籽粒对非生物胁迫环境的最直接反映。研究表明，在渍害胁迫中多个芝麻品种的籽粒ΔE值均大于0.5，籽粒颜色变化显著[9]。可见，干旱和渍害均对芝麻的商品价值产生不利影响。

芝麻籽粒主要化学组分中，粗脂肪含量与粗蛋白含量呈极显著负相关，脂肪酸组分中油酸(18∶1)和亚油酸(18∶2)含量也呈极显著负相关[23-24]。本研究结果显示,干旱胁迫显著影响芝麻的粗脂肪含量。在12个品种中，除豫芝29号(M2)外，干旱胁迫条件下其他11个品种籽粒中的油酸(18∶1)含量均下降，亚油酸(18∶2)含量均升高，也反映了油酸(18∶1)含量与亚油酸(18∶2)含量具有一定的负相关性。油酸(18∶1)与亚油酸(18∶2)含量也是评价芝麻营养价值的重要指标之一，二者是人体不能自身合成的必需脂肪酸，它们在胆固醇降解、血管硬化预防和心肌细胞及细胞膜活力增强等方面具有较强的生理活性，同时，亚油酸(18∶2)对血清中胆固醇和甘油三酸酯的分解、心脑血管疾病预防、人类寿命延长中起着积极作用[25]。

芝麻生长过程中微量成分的积累可以使其更好地适应环境胁迫。KADKHODAIE等[26]研究发现，芝麻根中脯氨酸含量和叶中类胡萝卜素含量可以作为判别芝麻耐旱性的优良指标；芝麻的耐旱性差异可归因于芝麻植株在干旱条件下积累代谢物的能力，这些代谢物可能是描述不同基因型芝麻耐旱性差异的有用工具。本研究中，FRAP值代表的总抗氧化能力、DPPH清除率、·OH清除率3种抗氧化能力评价结果表明，芝麻总酚和芝麻林素含量均与其抗氧化能力呈极显著正相关。因此，增加总酚含量或者芝麻林素含量能够显著提高芝麻籽粒的抗氧化能力。方差分析结果表明，干旱胁迫对芝麻FRAP值有显著影响(P<0.05)，对芝麻林素和总酚含量有极显著影响(P<0.01)。不同芝麻品种总酚含量和抗氧化能力结果显示，干旱胁迫处理下，总酚含量和抗氧化能力较对照均显著降低的芝麻品种为汾芝7号(M9)，无显著变化的芝麻品种为安康芝麻(M12)；豫芝29号(M2)、郑芝98N09(M3)、冀芝1号(M5)、晋芝2号(M8)、汉中芝麻(M10)和白河芝麻(M11)6个芝麻品种则表现为显著增高。