杜 超, 李 軍, 王 剛, 鄔雪瑞, 任志遠(yuǎn), 張俊峰, 包海柱

(巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究所1,臨河 015000)

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)2,呼和浩特 010019)

向日葵(HelianthusannuusL.)是世界第四大油料作物,也是我國重要的特色優(yōu)質(zhì)油料作物。向日葵根據(jù)用途分為油用型和食用型(食葵),其中食用型在我國向日葵生產(chǎn)、消費(fèi)中比重較大,消費(fèi)量常年保持在11.1%的增長率,顯示出旺盛的市場需求和較強(qiáng)的增長勢頭[1]。向日葵籽富含亞油酸,在降低血液膽固醇、預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化等方面有積極作用[2];向日葵籽也是優(yōu)質(zhì)植物性蛋白質(zhì)的來源,可補(bǔ)充人體必需的氨基酸[3]。此外,向日葵籽中還含有維生素E(VE)[4,5]、綠原酸、膳食纖維和微量元素等生物活性物質(zhì)[6],除了能提供人體新陳代謝所需的元素外,還有益于降血糖,抗凝血、抗病毒、抗紫外、抗輻射和抗白血病等。向日葵籽因其具有較高的營養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值,被廣泛用于食品、營養(yǎng)保健等行業(yè)。近年來,隨著消費(fèi)的轉(zhuǎn)型和升級,人們越來越注重食品的營養(yǎng)和保健功能,開發(fā)食葵籽中有益的成分,滿足人民群眾的物質(zhì)需求,也成為食葵籽加工的新型重要課題。因此,面對消費(fèi)需求,選育營養(yǎng)價(jià)值更高的向日葵品種對食品加工及營養(yǎng)保健產(chǎn)品開發(fā)具有重要作用。

種質(zhì)資源是作物育種研究的基礎(chǔ),種質(zhì)資源的評價(jià)對作物育種具有重要意義。白葦?shù)萚7]、秦斌等[8]采用主成分分析法對食葵種質(zhì)資源評價(jià)結(jié)果表明,株型、粒型、產(chǎn)量因子累計(jì)方差貢獻(xiàn)率75%以上。陳珊宇等[9]研究表明,59 份食葵資源的株高、單盤粒數(shù)和百粒重、籽粒長、籽粒寬等性狀上存在顯著差異。以往研究者重點(diǎn)關(guān)注了向日葵種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及籽粒外觀性狀的遺傳多樣性,未曾深入挖掘籽仁營養(yǎng)品質(zhì)性狀差異變化,因此有必要對此方面進(jìn)行進(jìn)一步研究。研究以21份食葵種質(zhì)資源為供試材料,對籽粒外觀品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行了綜合分析,以期為食用向日葵高營養(yǎng)品質(zhì)品種的選育和種質(zhì)資源的保護(hù)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試材料為巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究所自主選育的穩(wěn)定自交系21 份。編號(hào)分別為19S1、19S2、19S3、19S4、19S7、19S13、19S15、19S19、19S20、19S21、19S22、19S24、19S26、19S29、19S30、19S31、19S35、19S36、19S38、19S39、19S41。

1.2 儀器與設(shè)備

8400 凱氏定氮儀,UV 6000 PC 紫外分光光度計(jì),7890 B+FID 氣相色譜儀檢測器,S-433 D 氨基酸分析儀,Waters 2695 高效液相色譜儀和2475 熒光檢測器。

1.3 品質(zhì)指標(biāo)測定方法

籽粒長、寬、厚的測定用游標(biāo)卡尺測量,精度為0.02 mm;粗蛋白含量測定執(zhí)行GB 5009.5—2016完成;粗脂肪含量測定執(zhí)行GB 5009.6—2016完成;氨基酸含量測定執(zhí)行GB 5009.124—2016完成;維生素E含量測定執(zhí)行GB/T 26635—2011完成。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理應(yīng)用DPS 15.10數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 食葵種質(zhì)資源外觀品質(zhì)性狀分析

21 份食葵種質(zhì)資源籽粒表型,食葵種質(zhì)資源籽粒性狀差異性和描述性分析見表1。外觀品質(zhì)指標(biāo)中,百粒重變化范圍為13.38～22.33 g,平均17.92 g,變異系數(shù)為14.15%,其中百粒重>20 g的有4 份,分別為19S38、19S20、19S21、19S3,均與其他材料的差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。籽仁率變化范圍為35.74%～62.18%,平均47.14%,變異系數(shù)為13.03%,其中籽仁率>45%的有12 份,分別為19S1、19S15、19S36、19S31、19S3、19S19、19S30、19S22、19S2、19S4、19S29、19S20,均與其他材料的差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。籽粒長、寬、厚的變化范圍分別為1.92～2.43 cm、0.65～0.92 cm、0.28～0.40 cm;平均為2.18、0.77、0.33 cm,變異系數(shù)分別為5.65%、10.11%和9.82%。其中,籽粒長>2.0 cm,籽粒寬>0.9 cm,籽粒厚>0.35 cm的有6 份,分別為19S3、19S35、19S29、19S38、19S13、19S19。結(jié)合生產(chǎn)上收購和加工需求,百粒重、籽仁率越高,籽粒大收購價(jià)格相應(yīng)較高,根據(jù)選育目標(biāo),同時(shí)滿足百粒重>20 g、籽仁率>45%、籽粒長>2.0 cm、籽粒寬大于0.8 cm、籽粒厚大于0.35 cm,在外形表觀上綜合性狀表現(xiàn)良好的材料篩選出1 份,為19S3。因此,所測5 個(gè)籽粒性狀中,變異最大的是百粒重,最小的是籽粒長,這為通過百粒重的增加提升產(chǎn)量提供了可能。

表1 食葵種質(zhì)資源籽粒性狀差異性和描述性分析

2.2 食葵種質(zhì)資源營養(yǎng)組分含量分析

21 份食葵種質(zhì)資源籽仁營養(yǎng)品質(zhì)性狀,食葵種質(zhì)資源籽仁營養(yǎng)組分含量差異性和描述性分析見表2。所測4 個(gè)營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)中粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.60%～30.18%,平均為26.81%,變異系數(shù)為7.88%,粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)>30%的資源有3 份,分別為19S1、19S21、19S29,均與其他材料的差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)在34.92%～45.44%之間,平均為39.24%,變異系數(shù)為6.54%,其中粗脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)>42%的資源有4 份,分別為19S41、19S31、19S7、19S24,均與其他材料的差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。維生素E質(zhì)量分?jǐn)?shù)在193.35～2 715.59 μg/g之間,平均1 005.58 μg/g,變異系數(shù)為51.26%,質(zhì)量分?jǐn)?shù)>1 200.00 μg/g的有19S13、19S26、19S21和19S30,與其他材料的差異達(dá)到顯著水平(P<0.5)。VE水解產(chǎn)物指標(biāo)中,α-生育酚質(zhì)量分?jǐn)?shù)在177.03～2 193.00 μg/g之間,平均918.83 μg/g,變異系數(shù)為47.04%,質(zhì)量分?jǐn)?shù)>1 400.00 μg/g的是19S13、19S26和19S21,與其他材料的差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。結(jié)果表明,粗蛋白和粗脂肪平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%。不同材料維生素E含量差異較大,變異系數(shù)為51.26%,其水解產(chǎn)物中,α-生育酚平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,約占總組分的91%。變異系數(shù)最大的是維生素E,最小的是粗脂肪。

表2 食葵種質(zhì)資源籽仁營養(yǎng)組分含量差異性和描述性分析

2.3 食葵種質(zhì)資源氨基酸含量分析

21 份食葵種質(zhì)資源籽仁必需氨基酸含量及差異性分析表明精氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.72%～5.16%之間,平均為2.79%,變異系數(shù)為56.87%,質(zhì)量分?jǐn)?shù)>4.00%的是19S29、19S1、19S39、19S2、19S3、19S31、19S7,與其他材料的差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸、賴氨酸平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.02%～1.76%,蘇氨酸和甲硫氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)<1%。精氨酸平均含量最高,其次為亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸、賴氨酸,含量較低的是蘇氨酸和甲硫氨酸。8 種必需氨基酸不同材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大,變異系數(shù)大,變異系數(shù)在53.27%～56.87%范圍內(nèi)。

2.4 食葵種質(zhì)資源表觀性狀和營養(yǎng)品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析

對21 份食葵種質(zhì)資源的表型和營養(yǎng)品質(zhì)性狀進(jìn)行相關(guān)性分析,食葵種質(zhì)資源表型性狀和籽仁品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析見表3。籽仁率、籽粒長與所有指標(biāo)均不存在顯著相關(guān)性。百粒重與籽粒寬呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與籽粒厚呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。籽粒寬與籽粒厚呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。粗蛋白與粗脂肪含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。α-生育酚與維生素E總和含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表3 食葵種質(zhì)資源表型性狀和籽仁品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析

百粒重與籽粒厚呈極顯著正相關(guān),籽粒寬與籽粒厚呈極顯著正相關(guān),粗蛋白與粗脂肪呈顯著負(fù)相關(guān)。α-生育酚與維生素E總和呈極顯著正相關(guān),且相關(guān)性最強(qiáng),最大相關(guān)系數(shù)為0.996。育種中通過籽粒外觀品質(zhì)性狀協(xié)同選擇營養(yǎng)品質(zhì)目標(biāo)存在一定難度。

2.5 食葵種質(zhì)資源表觀和營養(yǎng)品質(zhì)性狀的主成分因子分析

對21 份食葵種質(zhì)資源的9 個(gè)性狀主成分分析,食葵種質(zhì)資源表觀和品質(zhì)指標(biāo)的特征值和貢獻(xiàn)率見表4,食葵種質(zhì)資源表觀和品質(zhì)指標(biāo)的主因子載荷矩陣和累計(jì)方差貢獻(xiàn)見表5。結(jié)果表明,前3 個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)71.90%,可較好地描述9 個(gè)表觀和品質(zhì)特性評價(jià)并判斷食葵品質(zhì)。

表4 食葵種質(zhì)資源表觀和品質(zhì)指標(biāo)的特征值和貢獻(xiàn)率

表5 食葵種質(zhì)資源表觀和品質(zhì)指標(biāo)的主因子載荷矩陣和累計(jì)方差貢獻(xiàn)

決定第一主成分的主要是百粒重、籽粒寬、籽粒厚,其貢獻(xiàn)率為27.09%,這些都屬于表觀性狀,因此,把第一主成分稱為表觀性狀因子。決定第二主成分大小的主要是α-生育酚、維生素E總和含量,其貢獻(xiàn)率為24.57%,α-生育酚是維生素E的水解產(chǎn)物,因此,把第二主成分稱為維生素E因子。決定第三主成分的是粗蛋白和粗脂肪,其貢獻(xiàn)率為20.23%,為蛋白質(zhì)和脂肪因子。

2.6 食葵種質(zhì)資源表觀性狀和營養(yǎng)品質(zhì)性狀的綜合評價(jià)

食葵種質(zhì)資源表觀性狀和營養(yǎng)品質(zhì)性狀主成分分析得分見表6,以各主成分對應(yīng)的方差相對貢獻(xiàn)率作為權(quán)重,由食葵種質(zhì)資源的評價(jià)函數(shù)計(jì)算出各資源的綜合評價(jià)分值,總得分越高表示該種質(zhì)資源的綜合品質(zhì)越好。由表9可知,21 份食葵種質(zhì)資源中,19S35綜合品質(zhì)最好,其次是19S29和19S3。各種質(zhì)資源綜合品質(zhì)從高到低排序是:19S35、19S29、19S3、19S38、19S20、19S39、19S21、19S1、19S2、19S36、19S19、19S7、19S24、19S4、19S31、19S22、19S41、19S15、19S30、19S13、19S26。

表6 食葵種質(zhì)資源表觀性狀和營養(yǎng)品質(zhì)性狀主成分分析得分

2.7 食葵種質(zhì)資源表觀性狀和營養(yǎng)品質(zhì)性狀聚類分析

21 份食葵種質(zhì)資源系統(tǒng)聚類分析圖如圖1所示,以歐式距離7.25為臨界閾值,可將21 份食葵種質(zhì)資源分為3大類群。第 Ⅰ 類群綜合表觀和品質(zhì)性狀最好,包括11 份材料,分別為19S31、19S41、19S24、19S29、19S21、19S35、19S36、19S19、19S38、19S20、19S3,百粒重高、粗蛋白含量高,綜合性狀表現(xiàn)好。第 Ⅱ 類群綜合表觀和品質(zhì)性狀次之,包括2 份材料,為19S26和19S13,粗脂肪、α-生育酚和VE總和含量高。第 Ⅲ 類群綜合表觀和品質(zhì)性狀居中,包括8份材料,為19S7、19S4、19S39、19S2、19S30、19S22、19S15、19S1,籽粒較長、籽仁率居中,籽粒偏窄、VE總和含量偏低。

3 討論

3.1 食葵籽粒外觀性狀在新品種選育中的重要性

作物種質(zhì)資源是作物新品種選育的基礎(chǔ)材料[10]。食葵籽粒外觀性狀直接影響其商品性及價(jià)格定位,外觀綜合性狀表現(xiàn)越好,收購價(jià)格越高。供試食葵材料所測5 個(gè)外觀指標(biāo)中,平均百粒重為17.92 g;平均籽粒長2.18 cm;平均籽粒寬0.77 cm,3 項(xiàng)指標(biāo)高于汪磊等[11]對國內(nèi)155 份和國外217 份核心種質(zhì)庫資源的平均水平(平均百粒重9.61 g,平均籽粒長1.23 cm,平均籽粒寬0.63 cm)。這說明研究的食葵資源具有外觀性狀優(yōu)良的優(yōu)勢,有利于篩選外觀綜合性狀好的種質(zhì)資源并選出優(yōu)質(zhì)新品種。籽粒外觀性狀中百粒重變異系數(shù)最大,為14.15%,遺傳變異較豐富,相關(guān)性研究表明,百粒重與籽粒寬呈正相關(guān),可以選用百粒重高的恢復(fù)系或轉(zhuǎn)育CMS不育系等育種途徑,選育出高百粒重且籽粒寬度兼顧的優(yōu)質(zhì)品種。籽粒長的變異系數(shù)小于10%,說明需要引進(jìn)和創(chuàng)制新的優(yōu)異資源改善籽粒長的性狀。

3.2 食葵籽粒營養(yǎng)品質(zhì)性狀在品種選育中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)是食葵籽粒主要營養(yǎng)成分,是食葵籽粒優(yōu)質(zhì)與否的主要指標(biāo),基于此,育種家將其籽仁質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%作為食葵品質(zhì)育種的重要目標(biāo)[12]。研究中籽仁蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于30%的材料有19S1、19S21、19S29,可利用這些材料重點(diǎn)選育高蛋白品種。組成蛋白質(zhì)的氨基酸在機(jī)體代謝和植物發(fā)育及脅迫中發(fā)揮著極其重要的作用在。精氨酸是維持嬰幼兒生長發(fā)育必不可少的氨基酸,具有治療血氨增高引起的肝昏迷等作用[13]。在植物中,精氨酸代謝分解產(chǎn)生的精氨酸酶是影響氮代謝和氮素再利用的關(guān)鍵因子,也是一種營養(yǎng)蛋白酶抑制劑,在植物抗蟲中發(fā)揮重要的作用[14-16]。供試材料所測的8種氨基酸中,精氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,平均2.79%,其中19S1、19S2、19S3、19S7、19S29、19S31、19S39這7 份材料精氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為4.35%～5.16%,顯著高于其他材料,具有明顯優(yōu)勢。這些材料可重點(diǎn)選育精氨酸含量高的品種。所測材料中8 種氨基酸變異系數(shù)53.27%～56.87%,選擇空間較大。可以充分利用這些資源氨基酸遺傳多樣性豐富的優(yōu)點(diǎn),拓寬蛋白質(zhì)種質(zhì)遺傳基礎(chǔ),選育必選氨基酸含量高的優(yōu)質(zhì)品種。

維生素E對于機(jī)體營養(yǎng),生理平衡,生殖機(jī)能等方面有重要作用[17]。攝入適量維生素E有益于預(yù)防癌癥[18]、心血管疾病[19]、眼部疾病[20]、肺功能[21]等。供試材料中,維生素E總含量平均為1 005.58 μg/g,變異系數(shù)為51.26%,不同材料含維生素E總含量差別極大,其中α-生育酚含量最高,平均918.83 μg/g。相關(guān)性研究表明,α-生育酚與維生素E呈極顯著正相關(guān),因此,可以通過篩選α-生育酚含量高的材料進(jìn)行雜交,選育高維生素E品種。

3.3 食葵籽粒外觀和營養(yǎng)品質(zhì)綜合評價(jià)在品種選育中的應(yīng)用

主成分分析是可以將既有聯(lián)系又相對獨(dú)立的眾多指標(biāo),用少數(shù)綜合的變量概括,起到降維的多元統(tǒng)計(jì)方法[22]。研究采用主成分因子分析法,將9 個(gè)指標(biāo)簡化為3 項(xiàng)綜合指標(biāo),即百粒重、維生素E、粗蛋白和粗脂肪。這說明食葵籽粒外觀和品質(zhì)主要取決于這3 個(gè)品質(zhì)性狀,可以作為評價(jià)的核心指標(biāo)并通過得分排名,篩選出綜合性狀優(yōu)良的種質(zhì)資源5份。通過聚類分析,劃分為3 個(gè)類群,第 Ⅰ 類百粒重、粗蛋白含量高,可作為綜合品質(zhì)優(yōu)良的材料利用。第 Ⅱ 類維生素E含量高,可作為高維生素E專用型種質(zhì)資源恢復(fù)系加以利用。第 Ⅲ 類籽粒較長,籽仁率較高,可作為表觀性狀優(yōu)良的資源加以利用。種質(zhì)資源科學(xué)的評價(jià)和合理的分類,可為資源的優(yōu)選和新品種的選育提供參考。

4 結(jié)論

通過對21 份食葵種質(zhì)資源籽粒的外觀和營養(yǎng)品質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行描述性分析和相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)之間均存在差異性(P<0.05),且不同食葵材料品質(zhì)性狀之間呈現(xiàn)不同程度的變化。通過相關(guān)性分析得出,百粒重與籽粒寬呈顯著正相關(guān),籽仁粗蛋白與粗脂肪呈顯著負(fù)相關(guān)。α-生育酚與維生素E總和呈極顯著正相關(guān),且相關(guān)性最強(qiáng),相關(guān)系數(shù)為0.996。同時(shí),采用主成分因子分析和聚類分析法對9 個(gè)外觀和品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)性分析,提取3 個(gè)主成分,累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為71.90%,最終確定外觀(百粒重、籽粒寬)、維生素E、粗蛋白和粗脂肪指標(biāo)作為評價(jià)食葵外觀和品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵性指標(biāo)。結(jié)合食葵外觀和品質(zhì)指標(biāo)的評價(jià)函數(shù)和聚類分析結(jié)果,篩選出綜合得分高的材料5 份,分別為19S35、19S29、19S3、19S38、19S20。挖掘食葵籽仁中高營養(yǎng)品質(zhì)的種質(zhì)資源并進(jìn)行保護(hù)和利用,對向日葵優(yōu)質(zhì)品種選育和精深加工具有指導(dǎo)意義。