71份藜麥品種資源的農(nóng)藝性狀及營養(yǎng)品質(zhì)分析與評價

王思宇 左文博 朱凱莉 郭慧敏 邢 寶郭雨晴 包玉英 楊修仕 任貴興

（1內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，010010，內(nèi)蒙古呼和浩特；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，100081，北京；3張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，075000，河北張家口；4中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，410205，湖南長沙）

藜麥（Chenopodium quinoa Willd.）是莧科藜屬的一種糧食作物，原產(chǎn)于南美安第斯山地區(qū)，距今已有約7000年的種植歷史[1]。藜麥具有蛋白質(zhì)含量高、必需氨基酸全面且比例均衡和不含過敏麩質(zhì)等營養(yǎng)特點[2]，備受聯(lián)合國糧農(nóng)組織的推崇。同時，還表現(xiàn)出耐旱、耐寒和耐鹽堿等特性，是一種極具開發(fā)潛力的雜糧作物[3]。我國最早于20世紀(jì)80年代末在西藏開展了藜麥的試種評價，但久未形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化種植[4]。2019年我國藜麥種植面積達(dá)1.6萬hm2，總產(chǎn)量約2.88萬t，生產(chǎn)規(guī)模已躍居世界第3位，僅次于秘魯和玻利維亞[5]。

隨著藜麥種植規(guī)模的迅速擴大，生產(chǎn)上對優(yōu)異品種的需求日益增加。為了支撐優(yōu)良品種選育，國內(nèi)多個省區(qū)在藜麥種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀鑒定和營養(yǎng)品質(zhì)評價方面開展了較多工作。李想等[6]對12份青海藜麥的8種營養(yǎng)成分進(jìn)行分析，并篩選出綜合品質(zhì)最優(yōu)的藜麥品系2個。葉君等[7]對內(nèi)蒙古呼和浩特地區(qū)引種的101份藜麥材料的生育期等農(nóng)藝性狀及蛋白質(zhì)含量等品質(zhì)特性進(jìn)行了分析評價，并初步探討了藜麥農(nóng)藝性狀和品質(zhì)特征間的相關(guān)性。黃杰等[8]調(diào)查分析了甘肅隴中旱作區(qū)38份藜麥種質(zhì)的農(nóng)藝性狀，并分析了影響藜麥產(chǎn)量的主要農(nóng)藝性狀。王艷青等[9]對云南昆明地區(qū)試種的135份國內(nèi)外藜麥材料進(jìn)行農(nóng)藝性狀調(diào)查，篩選出31份特異性藜麥種質(zhì)。通過利用優(yōu)異種質(zhì)資源，青海、內(nèi)蒙古和甘肅等地選育出“青藜1號”、“蒙藜1號”和“隴藜1號”等14個藜麥品種[10]，有力支撐了當(dāng)?shù)剞见溕a(chǎn)。

河北壩上地區(qū)屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候，日照充足，干旱少雨[11]。藜麥作為一種可適應(yīng)干旱和鹽堿等逆境的作物，在壩上地區(qū)的種植推廣具有重要的生態(tài)意義。河北藜麥引種起步較晚，2013年在張家口張北縣成功試種4份藜麥材料[12]，隨后在沽源、康保和尚義等縣域開始較大面積的種植。近年來，張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育出了適宜壩上地區(qū)種植的“冀藜1號”等4個品種[13-14]，推動了該地區(qū)藜麥規(guī)?；N植。然而有關(guān)河北壩上地區(qū)藜麥種質(zhì)資源篩選評價的研究報道較少。本研究對在張北縣種植的71份藜麥種質(zhì)資源進(jìn)行花期和成熟期農(nóng)藝性狀調(diào)查，并對其籽粒營養(yǎng)成分進(jìn)行測定，通過相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析對藜麥的農(nóng)藝性狀和營養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行綜合評價，篩選出適宜河北壩上地區(qū)種植的優(yōu)良藜麥材料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

71份藜麥材料來自智利、玻利維亞、秘魯以及我國甘肅、青海、內(nèi)蒙古、山西和云南等地。樣品編號和來源見表1。

表1 71份藜麥材料的編號及來源Table 1 Sample codes and origin of the 71 quinoa accessions

1.2 試驗方法

所有材料種植在河北省張家口市張北縣喜順溝村（41°4′12′E，114°43′12′N），海拔 1300m。播種前翻地、施基肥，鋪設(shè)滴灌帶，覆膜保墑。2020年5月23日播種，每份材料種植1個小區(qū)，小區(qū)面積24m2，行距40cm，株距20cm，人工穴播。間苗后留苗量約為1.21×105株/hm2。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀調(diào)查 參照《藜麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[15]調(diào)查農(nóng)藝性狀。在開花期對株高、莖粗度、葉片長、葉片寬和葉柄長進(jìn)行調(diào)查，每小區(qū)選取3個單株進(jìn)行測量。成熟期進(jìn)行考種。收獲后及時晾曬、脫粒、去殼。

1.3.2 營養(yǎng)成分及氨基酸評價 使用Cyclotec旋風(fēng)式樣品磨（丹麥福斯特卡托公司）粉碎藜麥籽粒，過60目篩。分別參照GB/T 5009.5-2016（凱氏定氮法）[16]、GB/T 5009.6-2016（索氏抽提法）[17]和NY/T 11-1985[18]測定蛋白質(zhì)、脂肪和淀粉含量。采用L-8800型日立全自動氨基酸分析儀（株式會社日立制作所），參照GB/T 5009.124-2016[19]測定氨基酸含量。采用世界衛(wèi)生組織（WHO）和聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織（FAO）聯(lián)合提出的氨基酸評分（amino acid score，AAS）模式對藜麥的氨基酸含量進(jìn)行評價[20]，計算公式為：

式中，P1（mg/g）為待測物中蛋白的氨基酸含量，P2（mg/g）為FAO/WHO評分標(biāo)準(zhǔn)模式中相應(yīng)必需氨基酸含量。

根據(jù)蘭氏距離法[21]計算貼近度U(a,ui)，計算公式為：

式中，ak為標(biāo)準(zhǔn)蛋白模式的第k種必需氨基酸含量，uik為第i個樣品中第k種必需氨基酸含量。

氨基酸比值系數(shù)（RC）計算公式為：

式中，RCi為樣品中第i種必需氨基酸的比值系數(shù)，AASi為樣品中第i種必需氨基酸的氨基酸評分，為樣品中第i種必需氨基酸評分的平均值。

氨基酸比值系數(shù)分（SRC）計算公式為：

式中，RCi為樣品中第i種必需氨基酸的比值系數(shù)，為樣品中各必需氨基酸比值系數(shù)的平均值，n為樣品中必需氨基酸的數(shù)量。

U(a,ui)用來評價樣品與模式蛋白間必需氨基酸的接近程度，越接近1則蛋白質(zhì)價值越高。RC反映樣品與模式氨基酸的氨基酸組成間的偏離程度，若RC＞1則含量相對過剩，若RC＜1則含量相對不足。SRC表示樣品的相對營養(yǎng)價值，值越接近100，則營養(yǎng)價值越高。

1.4 數(shù)據(jù)處理

農(nóng)藝性狀和營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)以測定3次的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，使用SPSS 26.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)藝性狀分析

對71份藜麥材料的9個數(shù)量性狀和1個質(zhì)量性狀進(jìn)行田間調(diào)查。數(shù)量性狀結(jié)果如表2所示。不同性狀的變異系數(shù)存在一定差異，其中，花期株高的變異系數(shù)最大，為17.68%。主花序長、成熟期株高、莖粗度、葉柄長、葉片寬和葉片長的變異系數(shù)分別為15.91%、15.71%、14.11%、13.52%、11.09%和10.55%，均大于10%。粒徑和生育期的變異系數(shù)相對較小，分別為6.39%和9.54%。在質(zhì)量性狀方面，71份材料的籽粒共涉及4種顏色，其中包括白色53份、灰色9份、黑色5份和紅色4份。

表2 71份藜麥材料數(shù)量性狀調(diào)查結(jié)果的描述性分析Table 2 Descriptive analysis of investigation results of quantitative traits of the 71 quinoa accessions

2.2 產(chǎn)量性狀分析

受試材料單株產(chǎn)量和千粒重結(jié)果如圖1所示，單株產(chǎn)量的變異系數(shù)高達(dá)47.00%，變幅為14.28～95.19g，千粒重變異系數(shù)為17.53%，變幅為1.35～3.72g。單株產(chǎn)量換算成理論產(chǎn)量為952.22～4884.89 kg/hm2，均值為 2764.76kg/hm2。

圖1 71份藜麥材料單株產(chǎn)量和千粒重箱型圖Fig.1 Box plot of grain weight per plant and 1000-grain weight of the 71 quinoa accessions

2.3 品質(zhì)性狀分析

2.3.1 蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪含量 如表3所示，71份藜麥材料淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪含量的變幅分別為53.16%～61.91%、13.79%～18.87%和3.92%～7.49%，均值分別為57.22%、16.10%和5.09%。3個營養(yǎng)成分中，脂肪含量的變異系數(shù)最大（13.27%），蛋白質(zhì)含量次之（6.91%），淀粉含量最小（3.14%）。

表3 71份藜麥材料淀粉、蛋白質(zhì)和脂肪含量的測定結(jié)果Table 3 The results of starch,protein and fat contents of the 71 quinoa accessions %

2.3.2 氨基酸含量 71份藜麥材料16種氨基酸含量的測定結(jié)果如圖2所示，氨基酸總量均值為9.89g/100g，其中測定的8種必需氨基酸（indispensable amino acid，IAA）在16種氨基酸中的平均占比為38.32%。谷氨酸（1.67g/100g）含量最高，甲硫氨酸（0.09g/100g）含量最低。甲硫氨酸（15.91%）和絲氨酸（11.10%）的變異系數(shù)均大于10%，其他14種氨基酸的變異系數(shù)為5.14%～9.57%。

圖2 71份藜麥材料中16種氨基酸含量箱型圖Fig.2 Box plot of 16 amino acid content of the 71 quinoa accessions

為了進(jìn)一步分析藜麥蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值，根據(jù)U(a,ui)、RC和SRC對71份樣品的IAA進(jìn)行評價（表4），U均值為0.84。從各IAA的RC值來看，甲硫氨酸的RC值最低，為藜麥的第一限制氨基酸，且其變異系數(shù)為所有IAA中最大（15.97%）；異亮氨酸、蘇氨酸和纈氨酸的RC值接近1，與模式蛋白組成較為一致；賴氨酸、亮氨酸及苯丙氨酸+ 酪氨酸的RC值較高，表明其含量過剩。SRC值的變幅為57.53～68.56，變異系數(shù)為3.34%。

表4 71份藜麥材料必需氨基酸營養(yǎng)價值描述性分析Table 4 Descriptive analysis of nutrition value of indispensable amino acids of the 71 quinoa accessions

2.4 藜麥農(nóng)藝性狀與營養(yǎng)品質(zhì)的相關(guān)性分析

為了考察不同農(nóng)藝性狀、不同營養(yǎng)指標(biāo)及二者之間的關(guān)系，對測定的11個數(shù)量性狀與4個營養(yǎng)指標(biāo)（蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、氨基酸總量）進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表5。營養(yǎng)品質(zhì)與農(nóng)藝性狀之間：淀粉與單株產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與葉片寬、葉柄長和成熟期株高呈顯著負(fù)相關(guān)，與粒徑呈顯著正相關(guān)；蛋白質(zhì)含量與莖粗度呈極顯著正相關(guān)，與花期株高和主花序長呈顯著正相關(guān)；氨基酸總量與葉片寬呈極顯著負(fù)相關(guān)，與葉片長和葉柄長呈顯著負(fù)相關(guān)。在不同農(nóng)藝性狀之間，葉片長與葉片寬、葉柄長、花期株高和莖粗度呈極顯著正相關(guān)，與千粒重顯著正相關(guān)；葉片寬與葉柄長、花期株高和莖粗度呈極顯著正相關(guān)，與千粒重呈顯著正相關(guān)；葉柄長與花期株高、莖粗度、千粒重和主花序長呈極顯著正相關(guān)，與單株產(chǎn)量和成熟期株高呈顯著正相關(guān)；花期株高與莖粗度呈極顯著正相關(guān)，與千粒重呈顯著正相關(guān)，與生育期呈顯著負(fù)相關(guān)；莖粗度與單株產(chǎn)量、千粒重和主花序長呈顯著正相關(guān)；單株產(chǎn)量與成熟期株高和主花序長呈極顯著正相關(guān)；千粒重與粒徑呈極顯著正相關(guān)；成熟期株高與主花序長和生育期呈極顯著正相關(guān)；主花序長與生育期呈極顯著正相關(guān)。

表5 營養(yǎng)品質(zhì)和農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of nutritional components and agronomic traits

2.5 藜麥農(nóng)藝性狀與營養(yǎng)品質(zhì)的主成分分析

對71份藜麥材料的19個營養(yǎng)成分（蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉及16種氨基酸）和11個農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析（表6），計算各成分的貢獻(xiàn)值，前5個主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到70.020%。第1主成分的貢獻(xiàn)率為36.570%，特征值為11.336，主要指標(biāo)為16種氨基酸等營養(yǎng)成分。第2主成分的貢獻(xiàn)率為12.680%，特征值為3.930，主要指標(biāo)為葉柄長、葉片長和葉片寬等花期農(nóng)藝性狀。第3主成分主要為成熟期株高、主花序長和生育期等成熟期農(nóng)藝性狀。第4主成分主要包括甲硫氨酸、脂肪、酪氨酸和絲氨酸等營養(yǎng)指標(biāo)。第5主成分主要涉及絲氨酸、脯氨酸和千粒重等。

表6 營養(yǎng)指標(biāo)和農(nóng)藝性狀的主成分分析Table 6 Principal components analysis of nutritional indicators and agronomic traits

2.6 藜麥農(nóng)藝性狀與營養(yǎng)品質(zhì)的聚類分析

聚類分析結(jié)果（圖3）表明，在遺傳距離為7.5時，71份藜麥種質(zhì)可分為5類。類群Ⅰ包含21份材料，其特點是蛋白質(zhì)含量高、株高較高、莖粗較粗和千粒重大。在這類材料中，有10份材料的千粒重在3.0～3.6g之間，其中20HZ61B、20HZ24B、20HZ92和20HZ07的蛋白質(zhì)含量與千粒重表現(xiàn)突出，可作為高蛋白和大粒種質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步篩選。類群Ⅱ包含19份材料，特征是株高較高、千粒重較大，但單株產(chǎn)量為5類中最低，均值僅為21.06g，有待進(jìn)一步觀察篩選利用。類群Ⅲ包含13份材料，特征為株高和莖粗度值大，蛋白質(zhì)含量和單株產(chǎn)量也較高，其中20HZ35、20HZ68、20HZ94和20HZ14B的單株產(chǎn)量和千粒重表現(xiàn)突出，可作為高產(chǎn)和大粒種質(zhì)進(jìn)一步篩選。類群Ⅳ包含3份材料，特征為株高值低、單株產(chǎn)量較大，但千粒重較小，具有進(jìn)一步篩選矮稈高產(chǎn)種質(zhì)的潛力。類群Ⅴ包含15份材料，特征為株高較低。

圖3 營養(yǎng)指標(biāo)和農(nóng)藝性狀的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of nutritional indicators and agronomic traits

2.7 特異種質(zhì)篩選

根據(jù)農(nóng)藝性狀和營養(yǎng)品質(zhì)分析的相關(guān)結(jié)果初步篩選出早熟、大粒、粗莖、高單株產(chǎn)量、矮稈高產(chǎn)、高蛋白和高氨基酸含量的特異種質(zhì)19份（表7）。其中，早熟材料4份，生育期116d；大粒材料4份，千粒重3.51～3.72g；粗莖材料6份，莖粗度1.06～1.18cm；高單株產(chǎn)量材料3份，單株產(chǎn)量93.86～95.19g；矮稈高產(chǎn)材料2份，成熟期株高100～107cm，單株產(chǎn)量80.10～80.32g；高蛋白質(zhì)含量材料5份，為17.83%～18.86%；高氨基酸含量材料5份，氨基酸總量10.80～11.30g/100g。

表7 19份藜麥特異種質(zhì)的性狀和營養(yǎng)成分Table 7 The 19 quinoa accessions with elite agronomic traits and nutritional components

3 討論

本研究的田間種植于2020年5月開展，由于試驗點降雨較少，土壤墑情較往年差，為了確保受試材料的出苗率，播種時采取了鋪設(shè)滴灌和覆膜保墑的方法。從田間調(diào)查結(jié)果來看，農(nóng)藝性狀表現(xiàn)出不同程度的變異，變異系數(shù)為6.39%～47.00%。變異系數(shù)越大，表明受試材料之間的遺傳背景差異越大，越有篩選出特異種質(zhì)的潛力。本研究中71份材料的最大單株產(chǎn)量為95.19g，低于王艷青等[22]在云南試種的135份藜麥材料（153.7g）。通過單株產(chǎn)量折算的理論產(chǎn)量均值為2764.76kg/hm2，高于閆鋒等[23]報道的2250kg/hm2，低于周海濤等[12]報道的2887.36～3637.32kg/hm2。這可能與供試材料的基因差異以及不同種植地光照時間和積溫等環(huán)境條件差異有關(guān)。在本研究的條件下，20HZ27B、20HZ85、20HZ63、20HZ89、20HZ94、20HZ52、20HZ84、20HZ68、20HZ51B和20HZ03的折合理論產(chǎn)量均在4000kg/hm2以上，有進(jìn)一步篩選培育高產(chǎn)藜麥的潛力。受試材料生育期的變幅為116～144d，存在較大變異。生育期和成熟期株高均值分別為126d和125.48cm，與王艷青等[9]報道結(jié)果較為一致，但均低于周海濤等[12]在張北試種的結(jié)果（111d和145.58cm），遠(yuǎn)低于李想等[24]在青海試驗的結(jié)果（186d和216.20cm）。壩上地區(qū)作物生長期相對較短，且生長后期的風(fēng)沙較多，容易導(dǎo)致藜麥倒伏，生產(chǎn)上對早熟、矮稈藜麥的需求逐漸增多。從本研究的結(jié)果來看，部分材料具備培育矮稈藜麥品種的潛質(zhì)。

在營養(yǎng)品質(zhì)方面，71份藜麥蛋白質(zhì)平均含量為16.10%，略高于申瑞玲等[25]測定的3種南美藜麥（14.18%）和石振興等[26]報道的60份藜麥材料蛋白質(zhì)含量（14.03%），而脂肪和淀粉的平均含量與這2個研究的結(jié)果較為一致。Saavedra等[27]測定的17份秘魯藜麥蛋白質(zhì)和脂肪含量的均值與本研究也較為接近。這些結(jié)果表明壩上地區(qū)具備生產(chǎn)高品質(zhì)藜麥的潛力。本研究測得的藜麥蛋白質(zhì)含量要高于美國農(nóng)業(yè)部營養(yǎng)數(shù)據(jù)實驗室[28]公布的玉米（6.2%）、稻米（6.9%）和小麥（15.1%）等常見谷物，表明食用等量的藜麥可攝入較常規(guī)主食更多的蛋白質(zhì)。而在氨基酸方面，除甲硫氨酸外，測定的15種氨基酸含量均值較王倩朝等[29]報道的結(jié)果低。71份材料中，20HZ78、20HZ18和20HZ54的氨基酸總量較高，20HZ28的蘇氨酸、亮氨酸和賴氨酸含量最高，且其苯丙氨酸、纈氨酸和異亮氨酸含量也較高。這些材料具有進(jìn)一步選育高氨基酸藜麥品種的潛力。從氨基酸評分結(jié)果可知甲硫氨酸為藜麥第一限制性氨基酸，但其賴氨酸的RC值高，含量豐富。而多數(shù)谷物，如大米、小麥和小米等的第一限制性氨基酸為賴氨酸[30-31]。賴氨酸可調(diào)節(jié)人體代謝水平趨于平衡，促進(jìn)幼兒的生長發(fā)育，而長期缺乏賴氨酸將導(dǎo)致新陳代謝紊亂和造血障礙[32]。通過在日常飲食中增加藜麥的攝入有利于補充賴氨酸，促進(jìn)營養(yǎng)平衡。

針對藜麥不同農(nóng)藝性狀之間相關(guān)性的研究已有開展。黃杰等[8]報道了藜麥單株產(chǎn)量與冠幅顯著正相關(guān)；而王艷青等[22]發(fā)現(xiàn)單株產(chǎn)量與生育期顯著負(fù)相關(guān)。主花序直徑、主花序長、株高和莖粗度也對藜麥產(chǎn)量有重要影響[24,33]。從本研究的相關(guān)性分析結(jié)果來看，對藜麥單株產(chǎn)量存在顯著影響的因素主要為成熟期株高、主穗長、葉柄長和莖粗度。單株產(chǎn)量與生育期盡管存在正相關(guān)關(guān)系，但不顯著。同時，本研究通過對農(nóng)藝性狀和營養(yǎng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)單株產(chǎn)量與淀粉含量顯著負(fù)相關(guān)。此外，葉片長和葉片寬與氨基酸總量也顯著負(fù)相關(guān)。這些結(jié)果表明，在藜麥育種和生產(chǎn)上，農(nóng)藝性狀調(diào)查結(jié)果可用于初步判斷其營養(yǎng)品質(zhì)。

主成分分析將71份藜麥材料的農(nóng)藝與品質(zhì)性狀綜合成5個主成分，主要反映了花期和成熟期株高、不同氨基酸含量、葉片相關(guān)性狀和主花序長等特征。這些是影響藜麥種質(zhì)多樣性的主要因素。聚類分析將受試材料分為5個類群，不同類群中的材料在營養(yǎng)或農(nóng)藝性狀方面存在一定差異，從類群Ⅰ中可篩選出千粒重大且蛋白質(zhì)含量高的材料，而類群Ⅲ中擁有單株產(chǎn)量高和千粒重較大的材料。

4 結(jié)論

通過對71份藜麥材料的農(nóng)藝和品質(zhì)性狀進(jìn)行調(diào)查分析，證實多個農(nóng)藝性狀間存在顯著的相關(guān)性，且發(fā)現(xiàn)單株產(chǎn)量、葉片長等農(nóng)藝性狀與淀粉含量、氨基酸含量等品質(zhì)性狀也顯著相關(guān)。這些材料經(jīng)聚類分析劃分為5個類群，其中類群Ⅰ和Ⅲ具有較大的篩選培育潛力。從受試材料中初篩出19份特異材料，包括4份早熟、4份大粒、6份粗莖、3份高單株產(chǎn)量、2份矮稈高產(chǎn)、5份高蛋白及5份高氨基酸材料，可為壩上地區(qū)藜麥育種提供豐富的親本選擇。