不同來源菊芋種質資源品質性狀多樣性分析

趙孟良，劉明池，鐘啟文，何洪巨，季延海，李 莉

(1青海大學 農林科學院，青海省蔬菜遺傳與生理重點實驗室，青海 西寧 810016；2 北京市農林科學院 蔬菜研究中心，北京 100097；3西北農林科技大學 園藝學院，陜西 楊凌 712100；4 省部共建三江源生態(tài)與高原農牧業(yè)國家重點實驗室，青海 西寧 810016)

菊芋(HelianthustuberosusLinn)又名洋姜[1]，為菊科向日葵屬多年生宿根植物，原產北美洲。菊芋適應性強、分布廣，在全球的熱帶、溫帶、寒帶以及干旱、半干旱地區(qū)都有分布，在我國大部分地區(qū)都有種植，其地方資源也十分豐富。近年來，菊芋在食品配料[2]、生態(tài)治理[3]、生物質能源[4]等方面都具有廣泛的應用。菊芋塊莖中富含菊粉，菊粉占菊芋干物質的80%以上，由于其低熱能且富含膳食纖維，與目前普遍食用的甜味劑蔗糖相比，具有不會引發(fā)肥胖癥、糖尿病和心血管疾病等健康問題的優(yōu)勢[5]，成為繼淀粉、小麥精粉之后的又一重要食品及配料，已被世界上40多個國家批準為食品配料和營養(yǎng)增補劑[6]，對菊芋菊粉的加工和利用，顯示出極大的發(fā)展?jié)摿7]。

目前關于菊芋營養(yǎng)品質方面的研究較多。孔濤等[8]對5種菊芋資源的塊莖及莖葉的營養(yǎng)成分研究發(fā)現，菊芋莖葉的蛋白質含量小于10%，而灰分含量在5%～10%；紅菊芋莖葉水分、灰分、脂肪、水溶性成分、適口性等指標皆最高，適宜作為牲畜飼料。王麗慧等[9]分別對2個品種菊芋秸稈的粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、粗灰分、鈣、磷、無氮浸出物含量進行了測定。王芳芳等[10]通過消化試驗，就菊芋粕對泌乳奶牛的營養(yǎng)價值進行評定，結果表明，菊芋粕是一種營養(yǎng)價值略低而養(yǎng)分消化率較高的能量飼料。呂炳起等[11]對花前的菊芋秸稈和葎草的營養(yǎng)成分的研究表明，菊芋秸稈中的營養(yǎng)成分優(yōu)于葎草。上述研究大多是針對少量菊芋品種進行營養(yǎng)成分分析，而對不同來源、不同類型菊芋種質資源品質性狀進行系統(tǒng)分析的研究尚未見報道。為此，本研究以近期收集自法國和丹麥的25份菊芋種質資源為材料，以我國4份菊芋種質資源為對照，對不同來源菊芋塊莖中多種營養(yǎng)成分及其有效功能成分含量進行分析，為今后進行菊芋種質資源的分類、新品種選育和功能產品開發(fā)提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以保存在青海大學農林科學院種質資源圃中引自法國和丹麥的25份菊芋種質資源為材料，以來自我國的4份資源為對照(表1和圖1)。試驗材料種植于青海省西寧市城北區(qū)二十里鋪鎮(zhèn)青海大學農林科學院3號試驗地，該地區(qū)屬湟水流域灌區(qū)，土壤為栗鈣土，土壤有機質含量20.28 g/kg，pH值8.12，土壤全氮含量1.17 g/kg，全磷含量2.18 g/kg，全鉀含量22.5 g/kg，速效氮含量69.0 mg/kg，速效磷含量65.0 mg/kg，速效鉀含量229.0 mg/kg[12]。于2014年4月10日進行菊芋資源的大田種植，株行距40 cm×60 cm，10月25日收獲塊莖，收獲后于-4 ℃貯藏。

1.2 測定指標及方法

從每份資源中隨機選取30個塊莖切片混合作為品質測試樣本，用凍干機(Labconco freeie dry system)凍干后帶表皮磨粉后備用。菊芋資源塊莖主要營養(yǎng)成分含量的測定方法為：含水率測定采用冷凍干燥法[13]，可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法[14]，蛋白質含量測定采用凱氏定氮法[15]，粗纖維含量測定采用酸堿洗滌劑法[16]，黃酮含量測定采用硝酸鋁-亞硝酸鈉法[17]，果聚糖含量測定采用HPAEC法[18]，淀粉含量測定采用酶水解法[19]。干物質含量=1-含水率。

表1 29份供試菊芋種質資源外觀性狀Table 1 Appearance of 29 Helianthus tuberosus Linn

1～29代表的菊芋種質資源名稱同表1 1-29.The names are same as Table 1

1.3 數據統(tǒng)計與分析

各指標的最小值、最大值、平均值、標準差以及變異系數采用Microsoft Excel 2010分析。相應的主成分分析和聚類分析在 SPSS(19.0 版)軟件上進行。為便于對塊莖顏色性狀進行相關分析，根據顏色深淺對其進行了賦值，定義紫色為5、紅色為4、淺紅色為3、粉色為2、白色為1。

2 結果與分析

2.1 菊芋種質資源的品質性狀

菊芋種質資源塊莖主要品質性狀如表2所示。

表2 菊芋種質資源塊莖的主要品質性狀Table 2 Main quality traits of tuber statistics

由表2可見，菊芋種質資源變異系數最大的為黃酮，達到37.96%；其次是粗纖維和淀粉，變異系數分別為25.33%，17.77%；最小的為可溶性糖，變異系數為6.78%。果聚糖含量最高的是F20(60.30 g/kg)，最低的是F18(39.80 g/kg)，68.90%的菊芋種質資源果聚糖含量分布在40.00 ～60.00 g/kg；可溶性糖含量最高的是F12(73.36 g/kg)，最低的是D3(55.64 g/kg)，93.00%的菊芋種質資源可溶性糖含量分布在55.00～60.00 g/kg；蛋白質含量最高的是D13(12.37 g/kg)，最低的是青芋2號(5.81 g/kg)，79.30%的菊芋種質資源蛋白質含量分布在7.00～12.00 g/kg；黃酮含量最高的是D3(106.39 mg/kg)，最低的是F14(19.95 mg/kg)，75.90%的菊芋種質資源黃酮含量分布在30.00～50.00 mg/kg；粗纖維含量最高的是青芋3號(5.72 g/kg)，最小的是F5(1.16 g/kg)，75.90%的菊芋種質資源粗纖維含量分布在3.00～5.00 g/kg；淀粉含量最高的是青芋3號和D7(13.7 g/kg)，最低的是F17(7.0 g/kg)，82.80%的菊芋種質資源淀粉含量分布在8.0～13.0 g/kg。

由表3可知，29份菊芋種質資源中，來自丹麥的11份資源塊莖品質含量中最高的為可溶性糖，其次為果聚糖含量；黃酮和粗纖維含量的變異系數均較高，分別為39.99%和26.29%。來自法國的14份種質資源中，塊莖品質含量較高的為可溶性糖，其次是果聚糖含量；變異系數較大的是黃酮和粗纖維，分別為37.96%和25.33%。來自中國的4份菊芋種質資源中，品質性狀含量較高的為可溶性糖含量，其次為果聚糖含量；變異系數較大的是黃酮和粗纖維，分別為39.50%和20.82%。從平均值來看，可溶性糖、蛋白質含量以法國資源最高；果聚糖、黃酮、粗纖維、淀粉含量均以中國資源最高。

表3 不同區(qū)域菊芋種質資源塊莖的品質性狀Table 3 Analysis of quality traits of Helianthus tuberosus Linn from different sources

2.2 菊芋種質資源塊莖品質性狀與顏色及干物質的相關性

表4結果表明，干物質與黃酮、果聚糖含量呈極顯著正相關，與顏色呈顯著正相關；黃酮含量與顏色呈極顯著正相關；果聚糖含量與顏色也呈顯著正相關；蛋白質含量與粗纖維含量呈顯著負相關。

表4 菊芋塊莖品質性狀與顏色及干物質的相關性Table 4 Correlation between quality traits of tuber and color and dry matter of Helianthus tuberosus Linn

注：*表示顯著相關(P<0.05) ，**表示極顯著相關(P<0.01)。

Note：* means significant correlation (P<0.05), ** means extremely significant correlation (P<0.01).

2.3 菊芋種質資源塊莖品質性狀的主成分及聚類分析

對29份菊芋種質資源的主成分分析結果(表5)表明，前4個主成分果聚糖、可溶性糖、蛋白質和黃酮含量的累計貢獻率達86.073 1% ，這4個主成分包含了所有性狀的大部分信息，可以用來對菊芋材料進行綜合評價。

表5 菊芋種質資源的主成分分析Table 5 Principal component analysis of Helianthus tuberosus Linn resources

由圖2可以看出，在遺傳距離為25.24處，可將29份菊芋種質資源分成3大類群。第Ⅰ類群包括25份菊芋種質資源，分為5個亞群，F12、D7、F9、F16、F20等5份為第1亞群；F19、D13、D1、青芋3號等4份為第2亞群；D12、D10、D4、D11、F6、F10、F18、D5等8份為第3亞群；F3、D8、D14、青芋4號、F5等5份為第4亞群，F17、青芋2號、F7等3份為第5亞群。第Ⅱ類群僅有F14 1份。第Ⅲ類群包括F2、D3、青芋1號3份資源。

基于相似系數的遺傳距離 Genetic distance based on similarity coefficient

對29份來源不同的菊芋種質資源聚類結果中各類群的塊莖品質性狀進行分析，結果(表6)表明，第Ⅰ～Ⅲ類群中含量最高的均為可溶性糖，其次均為果聚糖。聚類結果與主成分分析相同，說明果聚糖、可溶性糖含量兩個因子是研究菊芋種質資源品種性狀的重點指標。

表6 不同類群菊芋塊莖主要品質成分的比較Table 6 Comparison of main quality components of Helianthus tuberosus Linn from different groups

2.4 菊芋特異種質資源的篩選

根據品質性狀測定結果，從菊芋種質資源中篩選出一批在品質性狀上比較特異的資源，結果見表7。

表7 篩選的特異菊芋種質資源Table 7 Selection of specific Helianthus tuberosus Linn resources

根據本研究結果，對照中國食物成分表[20]中薯芋類作物的含量進行了界定，篩選出了特異菊芋種質資源，其中高果聚糖的3份，分別為F2、F20、D3；高可溶性糖的2份，分別為F12、F16；高蛋白質的1份，為D13；高黃酮的1份，為D3；高粗纖維的3份，分別為F12、F14、F17；高淀粉的3份，分別為F6、F7、D12。

3 討 論

3.1 不同來源菊芋種質資源的品質性狀比較

本研究結果表明，來自法國、丹麥、中國的29份菊芋資源塊莖中品質性狀存在差異，但均表現為塊莖品質含量最高的為可溶性糖，其次為果聚糖；丹麥菊芋種質資源的黃酮和粗纖維含量的變異系數均較高[21]，分別為39.99%，26.29%，說明丹麥菊芋資源在黃酮、粗纖維上有很大的選擇潛力。對來自不同國家的菊芋種質資源進行對比分析可知，中國種質資源黃酮及果聚糖含量比法國和丹麥高，特別是黃酮含量，這可能與中國種質資源皮色多為紫色和紅色有關[22]；中國種質資源的粗纖維含量比法國和丹麥高，但蛋白質含量低，這也與相關系數的結果對應，蛋白質與粗纖維含量呈顯著負相關。對菊芋種質資源品質性狀進行的分析，可為今后進行菊芋種質資源的創(chuàng)新利用、新品種的選育提供可靠的依據[23]。

3.2 菊芋品質性狀間的相關性

本研究對29份來源不同的菊芋資源品質性狀相關性進行分析，結果表明，干物質與黃酮、果聚糖含量呈極顯著正相關，與顏色呈顯著正相關；黃酮含量與顏色呈極顯著正相關；果聚糖含量與顏色呈顯著正相關；蛋白質含量與粗纖維含量呈顯著負相關。本研究分析了菊芋干物質、顏色與黃酮及果聚糖的相互關系，探究菊芋品質性狀相關的最密切的指標，為后續(xù)菊芋資源的開發(fā)利用奠定了基礎[24]。

主成分分析能夠較好地解釋群體方差的主要來源，從而獲得解釋方差的重要性狀并簡化研究性狀，以利于更好地研究群體[25]。本研究中，菊芋塊莖中果聚糖、可溶性糖、蛋白質、黃酮4個主成分的累計貢獻率達 86.073 1%，這4個主成分包含了所有性狀的大部分信息，為今后選育高糖專用菊芋品種及富含黃酮的功能菊芋品種，進而對菊芋材料進行綜合評價提供了參考。

3.3 不同菊芋種質資源的聚類分析

菊芋在長期的進化過程中形成了穩(wěn)定的遺傳特性，同時導致不同地區(qū)的菊芋種質資源出現較高的遺傳相似性[26]。本研究對29份菊芋資源進行聚類分析，并根據聚類結果對各類群的品質性狀進行了比較分析。根據聚類結果，可將29份菊芋資源分成3大類群，并對不同類群的品質性狀進行了分析，結果表明：第Ⅰ～Ⅲ類群中含量最高的均為可溶性糖，其次為果聚糖。聚類與主成分分析結果相同，說明了果聚糖、可溶性糖含量兩個因子是今后菊芋資源品種性狀中研究的重點指標。從聚類分析結果還可以看出，聚類分組與菊芋種質資源的來源無相關性。

3.4 特異菊芋種質資源的篩選

通過對菊芋資源進行系統(tǒng)的主要品質性狀分析，從中篩選出特異性菊芋種質資源，其中高果聚糖資源3份，高可溶性糖資源2份，高蛋白資源1份，高黃酮資源1份，高粗纖維資源3份，高淀粉資源3份。品質性狀特異的菊芋資源可用于今后功能食品的開發(fā)，以及作為雜交育種的親本材料[27]。由于本研究中所篩選的菊芋資源大部分主要針對國外菊芋資源，后續(xù)可對保存的國內菊芋資源進行相關研究。

志謝:感謝國家自然科學基金、青海大學昆侖學者專項等項目的資金資助，對省部共建三江源生態(tài)與高原農牧業(yè)國家重點實驗室、國家蔬菜工程技術研究中心和青海省蔬菜遺傳與生理重點實驗提供的實驗條件一并表示感謝！

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