向日葵种质资源籽粒外观和营养品质综合的评价

杜 超, 李 军, 王 刚, 邬雪瑞, 任志远, 张俊峰, 包海柱

(巴彦淖尔市农牧业科学研究所1,临河 015000)

(内蒙古农业大学2,呼和浩特 010019)

向日葵(HelianthusannuusL.)是世界第四大油料作物,也是我国重要的特色优质油料作物。向日葵根据用途分为油用型和食用型(食葵),其中食用型在我国向日葵生产、消费中比重较大,消费量常年保持在11.1%的增长率,显示出旺盛的市场需求和较强的增长势头[1]。向日葵籽富含亚油酸,在降低血液胆固醇、预防动脉粥样硬化等方面有积极作用[2];向日葵籽也是优质植物性蛋白质的来源,可补充人体必需的氨基酸[3]。此外,向日葵籽中还含有维生素E(VE)[4,5]、绿原酸、膳食纤维和微量元素等生物活性物质[6],除了能提供人体新陈代谢所需的元素外,还有益于降血糖,抗凝血、抗病毒、抗紫外、抗辐射和抗白血病等。向日葵籽因其具有较高的营养和经济价值,被广泛用于食品、营养保健等行业。近年来,随着消费的转型和升级,人们越来越注重食品的营养和保健功能,开发食葵籽中有益的成分,满足人民群众的物质需求,也成为食葵籽加工的新型重要课题。因此,面对消费需求,选育营养价值更高的向日葵品种对食品加工及营养保健产品开发具有重要作用。

种质资源是作物育种研究的基础,种质资源的评价对作物育种具有重要意义。白苇等[7]、秦斌等[8]采用主成分分析法对食葵种质资源评价结果表明,株型、粒型、产量因子累计方差贡献率75%以上。陈珊宇等[9]研究表明,59 份食葵资源的株高、单盘粒数和百粒重、籽粒长、籽粒宽等性状上存在显著差异。以往研究者重点关注了向日葵种质资源的农艺性状、产量及籽粒外观性状的遗传多样性,未曾深入挖掘籽仁营养品质性状差异变化,因此有必要对此方面进行进一步研究。研究以21份食葵种质资源为供试材料,对籽粒外观品质和营养品质进行了综合分析,以期为食用向日葵高营养品质品种的选育和种质资源的保护利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试材料为巴彦淖尔市农牧业科学研究所自主选育的稳定自交系21 份。编号分别为19S1、19S2、19S3、19S4、19S7、19S13、19S15、19S19、19S20、19S21、19S22、19S24、19S26、19S29、19S30、19S31、19S35、19S36、19S38、19S39、19S41。

1.2 仪器与设备

8400 凯氏定氮仪,UV 6000 PC 紫外分光光度计,7890 B+FID 气相色谱仪检测器,S-433 D 氨基酸分析仪,Waters 2695 高效液相色谱仪和2475 荧光检测器。

1.3 品质指标测定方法

籽粒长、宽、厚的测定用游标卡尺测量,精度为0.02 mm;粗蛋白含量测定执行GB 5009.5—2016完成;粗脂肪含量测定执行GB 5009.6—2016完成;氨基酸含量测定执行GB 5009.124—2016完成;维生素E含量测定执行GB/T 26635—2011完成。

1.4 数据处理

数据处理应用DPS 15.10数据处理软件进行。

2 结果与分析

2.1 食葵种质资源外观品质性状分析

21 份食葵种质资源籽粒表型,食葵种质资源籽粒性状差异性和描述性分析见表1。外观品质指标中,百粒重变化范围为13.38～22.33 g,平均17.92 g,变异系数为14.15%,其中百粒重>20 g的有4 份,分别为19S38、19S20、19S21、19S3,均与其他材料的差异达到显著水平(P<0.05)。籽仁率变化范围为35.74%～62.18%,平均47.14%,变异系数为13.03%,其中籽仁率>45%的有12 份,分别为19S1、19S15、19S36、19S31、19S3、19S19、19S30、19S22、19S2、19S4、19S29、19S20,均与其他材料的差异达到显著水平(P<0.05)。籽粒长、宽、厚的变化范围分别为1.92～2.43 cm、0.65～0.92 cm、0.28～0.40 cm;平均为2.18、0.77、0.33 cm,变异系数分别为5.65%、10.11%和9.82%。其中,籽粒长>2.0 cm,籽粒宽>0.9 cm,籽粒厚>0.35 cm的有6 份,分别为19S3、19S35、19S29、19S38、19S13、19S19。结合生产上收购和加工需求,百粒重、籽仁率越高,籽粒大收购价格相应较高,根据选育目标,同时满足百粒重>20 g、籽仁率>45%、籽粒长>2.0 cm、籽粒宽大于0.8 cm、籽粒厚大于0.35 cm,在外形表观上综合性状表现良好的材料筛选出1 份,为19S3。因此,所测5 个籽粒性状中,变异最大的是百粒重,最小的是籽粒长,这为通过百粒重的增加提升产量提供了可能。

表1 食葵种质资源籽粒性状差异性和描述性分析

2.2 食葵种质资源营养组分含量分析

21 份食葵种质资源籽仁营养品质性状,食葵种质资源籽仁营养组分含量差异性和描述性分析见表2。所测4 个营养品质指标中粗蛋白质量分数为23.60%～30.18%,平均为26.81%,变异系数为7.88%,粗蛋白质量分数>30%的资源有3 份,分别为19S1、19S21、19S29,均与其他材料的差异达到显著水平(P<0.05)。粗脂肪质量分数在34.92%～45.44%之间,平均为39.24%,变异系数为6.54%,其中粗脂肪质量分数>42%的资源有4 份,分别为19S41、19S31、19S7、19S24,均与其他材料的差异达到显著水平(P<0.05)。维生素E质量分数在193.35～2 715.59 μg/g之间,平均1 005.58 μg/g,变异系数为51.26%,质量分数>1 200.00 μg/g的有19S13、19S26、19S21和19S30,与其他材料的差异达到显著水平(P<0.5)。VE水解产物指标中,α-生育酚质量分数在177.03～2 193.00 μg/g之间,平均918.83 μg/g,变异系数为47.04%,质量分数>1 400.00 μg/g的是19S13、19S26和19S21,与其他材料的差异达到显著水平(P<0.05)。结果表明,粗蛋白和粗脂肪平均质量分数为60%。不同材料维生素E含量差异较大,变异系数为51.26%,其水解产物中,α-生育酚平均质量分数最高,约占总组分的91%。变异系数最大的是维生素E,最小的是粗脂肪。

表2 食葵种质资源籽仁营养组分含量差异性和描述性分析

2.3 食葵种质资源氨基酸含量分析

21 份食葵种质资源籽仁必需氨基酸含量及差异性分析表明精氨酸质量分数在0.72%～5.16%之间,平均为2.79%,变异系数为56.87%,质量分数>4.00%的是19S29、19S1、19S39、19S2、19S3、19S31、19S7,与其他材料的差异达到显著水平(P<0.05)。亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、赖氨酸平均质量分数为1.02%～1.76%,苏氨酸和甲硫氨酸质量分数<1%。精氨酸平均含量最高,其次为亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、赖氨酸,含量较低的是苏氨酸和甲硫氨酸。8 种必需氨基酸不同材料质量分数差异较大,变异系数大,变异系数在53.27%～56.87%范围内。

2.4 食葵种质资源表观性状和营养品质性状的相关性分析

对21 份食葵种质资源的表型和营养品质性状进行相关性分析,食葵种质资源表型性状和籽仁品质性状的相关性分析见表3。籽仁率、籽粒长与所有指标均不存在显著相关性。百粒重与籽粒宽呈显著正相关(P<0.05),与籽粒厚呈极显著正相关(P<0.01)。籽粒宽与籽粒厚呈极显著正相关(P<0.01)。粗蛋白与粗脂肪含量呈显著负相关(P<0.05)。α-生育酚与维生素E总和含量呈极显著正相关(P<0.01)。

表3 食葵种质资源表型性状和籽仁品质性状的相关性分析

百粒重与籽粒厚呈极显著正相关,籽粒宽与籽粒厚呈极显著正相关,粗蛋白与粗脂肪呈显著负相关。α-生育酚与维生素E总和呈极显著正相关,且相关性最强,最大相关系数为0.996。育种中通过籽粒外观品质性状协同选择营养品质目标存在一定难度。

2.5 食葵种质资源表观和营养品质性状的主成分因子分析

对21 份食葵种质资源的9 个性状主成分分析,食葵种质资源表观和品质指标的特征值和贡献率见表4,食葵种质资源表观和品质指标的主因子载荷矩阵和累计方差贡献见表5。结果表明,前3 个主成分累计方差贡献率达71.90%,可较好地描述9 个表观和品质特性评价并判断食葵品质。

表4 食葵种质资源表观和品质指标的特征值和贡献率

表5 食葵种质资源表观和品质指标的主因子载荷矩阵和累计方差贡献

决定第一主成分的主要是百粒重、籽粒宽、籽粒厚,其贡献率为27.09%,这些都属于表观性状,因此,把第一主成分称为表观性状因子。决定第二主成分大小的主要是α-生育酚、维生素E总和含量,其贡献率为24.57%,α-生育酚是维生素E的水解产物,因此,把第二主成分称为维生素E因子。决定第三主成分的是粗蛋白和粗脂肪,其贡献率为20.23%,为蛋白质和脂肪因子。

2.6 食葵种质资源表观性状和营养品质性状的综合评价

食葵种质资源表观性状和营养品质性状主成分分析得分见表6,以各主成分对应的方差相对贡献率作为权重,由食葵种质资源的评价函数计算出各资源的综合评价分值,总得分越高表示该种质资源的综合品质越好。由表9可知,21 份食葵种质资源中,19S35综合品质最好,其次是19S29和19S3。各种质资源综合品质从高到低排序是:19S35、19S29、19S3、19S38、19S20、19S39、19S21、19S1、19S2、19S36、19S19、19S7、19S24、19S4、19S31、19S22、19S41、19S15、19S30、19S13、19S26。

表6 食葵种质资源表观性状和营养品质性状主成分分析得分

2.7 食葵种质资源表观性状和营养品质性状聚类分析

21 份食葵种质资源系统聚类分析图如图1所示,以欧式距离7.25为临界阈值,可将21 份食葵种质资源分为3大类群。第 Ⅰ 类群综合表观和品质性状最好,包括11 份材料,分别为19S31、19S41、19S24、19S29、19S21、19S35、19S36、19S19、19S38、19S20、19S3,百粒重高、粗蛋白含量高,综合性状表现好。第 Ⅱ 类群综合表观和品质性状次之,包括2 份材料,为19S26和19S13,粗脂肪、α-生育酚和VE总和含量高。第 Ⅲ 类群综合表观和品质性状居中,包括8份材料,为19S7、19S4、19S39、19S2、19S30、19S22、19S15、19S1,籽粒较长、籽仁率居中,籽粒偏窄、VE总和含量偏低。

3 讨论

3.1 食葵籽粒外观性状在新品种选育中的重要性

作物种质资源是作物新品种选育的基础材料[10]。食葵籽粒外观性状直接影响其商品性及价格定位,外观综合性状表现越好,收购价格越高。供试食葵材料所测5 个外观指标中,平均百粒重为17.92 g;平均籽粒长2.18 cm;平均籽粒宽0.77 cm,3 项指标高于汪磊等[11]对国内155 份和国外217 份核心种质库资源的平均水平(平均百粒重9.61 g,平均籽粒长1.23 cm,平均籽粒宽0.63 cm)。这说明研究的食葵资源具有外观性状优良的优势,有利于筛选外观综合性状好的种质资源并选出优质新品种。籽粒外观性状中百粒重变异系数最大,为14.15%,遗传变异较丰富,相关性研究表明,百粒重与籽粒宽呈正相关,可以选用百粒重高的恢复系或转育CMS不育系等育种途径,选育出高百粒重且籽粒宽度兼顾的优质品种。籽粒长的变异系数小于10%,说明需要引进和创制新的优异资源改善籽粒长的性状。

3.2 食葵籽粒营养品质性状在品种选育中的应用

蛋白质是食葵籽粒主要营养成分,是食葵籽粒优质与否的主要指标,基于此,育种家将其籽仁质量分数大于30%作为食葵品质育种的重要目标[12]。研究中籽仁蛋白质量分数高于30%的材料有19S1、19S21、19S29,可利用这些材料重点选育高蛋白品种。组成蛋白质的氨基酸在机体代谢和植物发育及胁迫中发挥着极其重要的作用在。精氨酸是维持婴幼儿生长发育必不可少的氨基酸,具有治疗血氨增高引起的肝昏迷等作用[13]。在植物中,精氨酸代谢分解产生的精氨酸酶是影响氮代谢和氮素再利用的关键因子,也是一种营养蛋白酶抑制剂,在植物抗虫中发挥重要的作用[14-16]。供试材料所测的8种氨基酸中,精氨酸质量分数最高,平均2.79%,其中19S1、19S2、19S3、19S7、19S29、19S31、19S39这7 份材料精氨酸质量分数均为4.35%～5.16%,显著高于其他材料,具有明显优势。这些材料可重点选育精氨酸含量高的品种。所测材料中8 种氨基酸变异系数53.27%～56.87%,选择空间较大。可以充分利用这些资源氨基酸遗传多样性丰富的优点,拓宽蛋白质种质遗传基础,选育必选氨基酸含量高的优质品种。

维生素E对于机体营养,生理平衡,生殖机能等方面有重要作用[17]。摄入适量维生素E有益于预防癌症[18]、心血管疾病[19]、眼部疾病[20]、肺功能[21]等。供试材料中,维生素E总含量平均为1 005.58 μg/g,变异系数为51.26%,不同材料含维生素E总含量差别极大,其中α-生育酚含量最高,平均918.83 μg/g。相关性研究表明,α-生育酚与维生素E呈极显著正相关,因此,可以通过筛选α-生育酚含量高的材料进行杂交,选育高维生素E品种。

3.3 食葵籽粒外观和营养品质综合评价在品种选育中的应用

主成分分析是可以将既有联系又相对独立的众多指标,用少数综合的变量概括,起到降维的多元统计方法[22]。研究采用主成分因子分析法,将9 个指标简化为3 项综合指标,即百粒重、维生素E、粗蛋白和粗脂肪。这说明食葵籽粒外观和品质主要取决于这3 个品质性状,可以作为评价的核心指标并通过得分排名,筛选出综合性状优良的种质资源5份。通过聚类分析,划分为3 个类群,第 Ⅰ 类百粒重、粗蛋白含量高,可作为综合品质优良的材料利用。第 Ⅱ 类维生素E含量高,可作为高维生素E专用型种质资源恢复系加以利用。第 Ⅲ 类籽粒较长,籽仁率较高,可作为表观性状优良的资源加以利用。种质资源科学的评价和合理的分类,可为资源的优选和新品种的选育提供参考。

4 结论

通过对21 份食葵种质资源籽粒的外观和营养品质的各项指标进行描述性分析和相关性分析,发现各项指标之间均存在差异性(P<0.05),且不同食葵材料品质性状之间呈现不同程度的变化。通过相关性分析得出,百粒重与籽粒宽呈显著正相关,籽仁粗蛋白与粗脂肪呈显著负相关。α-生育酚与维生素E总和呈极显著正相关,且相关性最强,相关系数为0.996。同时,采用主成分因子分析和聚类分析法对9 个外观和品质指标进行系统性分析,提取3 个主成分,累计方差贡献率为71.90%,最终确定外观(百粒重、籽粒宽)、维生素E、粗蛋白和粗脂肪指标作为评价食葵外观和品质优劣的关键性指标。结合食葵外观和品质指标的评价函数和聚类分析结果,筛选出综合得分高的材料5 份,分别为19S35、19S29、19S3、19S38、19S20。挖掘食葵籽仁中高营养品质的种质资源并进行保护和利用,对向日葵优质品种选育和精深加工具有指导意义。