干旱脅迫下芝麻籽粒品質及抗氧化能力變化分析

魏其超，張海洋，劉文萍，汪學德，苗紅梅,4

(1.河南工業大學 糧油食品學院，河南 鄭州 450001; 2.河南省農業科學院 芝麻研究中心，河南 鄭州 450002;3.山西省農業科學院 經濟作物研究所，山西 太原 030031; 4.鄭州大學 農學院，河南 鄭州 450001)

芝麻是世界上最古老的特色優質油料作物之一，廣泛分布于熱帶和亞熱帶地區[1]。芝麻對調整我國農業種植結構、增加農民收入具有重要作用，我國芝麻主要種植在河南、安徽、湖北和江西等產區。研究表明，芝麻葉片表面存在一定的蠟質，且葉片上表皮氣孔被表皮細胞包圍，有利于防止水分過分蒸發，耐旱特征明顯[2]。蘇適等[3]用40%聚乙二醇(PEG)處理芝麻植株4 h，發現植株水分損失率在0.008 8%～5.344 7%，表現出較強的耐旱特征。FAZELI等[4]測定了干旱脅迫下芝麻葉片和根的蛋白質含量以及脂質過氧化酶(LOD)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POX)、過氧化氫酶(CAT)、多酚氧化酶(PPO)活性，結果顯示，干旱脅迫下芝麻植株的鮮質量和總干物質量減少，葉和根的蛋白質含量及LOD活性降低，SOD、POX、CAT、PPO活性增加。孫建等[5]研究發現，苗期干旱脅迫會造成芝麻生長速率減緩，根系發育緩慢，葉片數量減少，生物量降低，并最終嚴重影響植株的生長發育。為評價芝麻耐旱性并揭示干旱脅迫下芝麻籽粒組成成分的變化特征，OZKAN等[6]分析了干旱處理下芝麻種子的生長參數、脂質組成和礦物質含量變化，結果顯示，在嚴重缺水處理下，植株生長參數顯著降低，但種子含油量和亞油酸百分比并未受到影響。KWANSU等[7]研究發現，干旱脅迫下，芝麻籽粒中具有強抗氧化活性的芝麻素酚三葡萄糖苷含量增加，部分化學組分含量受到干旱脅迫的影響。BAYOUMI等[8]證實，在干旱脅迫下，芝麻葉中的POX、CAT活性均顯著增加。但目前尚未見有關干旱脅迫對芝麻籽粒品質及抗氧化能力影響的報道。鑒于此，選用12個芝麻品種，采用盆栽控水模擬干旱脅迫，系統分析了干旱脅迫處理下芝麻籽粒的外觀品質、主要化學組分及抗氧化能力，以期為評價干旱脅迫下芝麻品質特征及其加工品質改良提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗選用12個白芝麻品種，其編號及來源具體見表1。

主要試劑：3,4,5-三羥基苯甲酸(Gallic acid，沒食子酸)、 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，均為分析純(純度99%以上)；2,2-聯苯基-1-苦基肼基(2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl，DPPH)等試劑為色譜純(純度98%以上)。

表1 供試芝麻品種編號及來源 Tab.1 Sesame variety number and source

1.2 試驗設計

試驗于2017年6月在山西省農業科學院汾陽試驗基地遮雨棚內進行。將飽滿健康的芝麻種子播于直徑40 cm的塑料盆內。每盆裝大田耕層土壤10 kg；每個品種種植6盆，其中3盆為對照，3盆為干旱脅迫處理。出苗后每盆留苗4株。其中，對照在4對真葉時正常灌溉；干旱脅迫處理在4對真葉時進行3次干旱復水，每次干旱控水后，待50%左右的芝麻葉出現暫時性萎蔫時進行復水。之后全部材料按正常管理進行灌水直至成熟。適時收獲各品種單株籽粒，干燥保存。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 芝麻產量性狀和籽粒外觀品質性狀 成熟期測定植株的株高、果軸長、單株蒴果數、單株產量等指標。收獲后，參照袁青麗等[9]方法，選取芝麻籽粒100粒，測定籽粒形態、粒色、千粒質量等指標。其中，采用萬深SC-G自動種子考種及千粒重分析儀測定芝麻籽粒的長度、寬度及千粒質量；選用Co-lorFlex EZ色粒儀測定明度指數(L)和彩度指數(a、b)，計算干旱處理與對照芝麻籽粒種皮顏色差異值(ΔE值)。籽粒種皮色澤計算公式如下：

種皮色澤差異判定參照李里特[10]的標準(表2)進行。

表2 作物種皮色澤差異判定標準Tab.2 Standard of difference evaluation of seed coat color in crops

1.3.2 芝麻籽粒的主要化學組分 芝麻籽粒的粗脂肪含量測定參照GB/T 5512—2008；蛋白質含量測定參照GB 5009.5—2016；芝麻油的脂肪酸組成測定參照GB/T 17376—2008稍作改動。總酚含量測定以沒食子酸為標準品，參照喬麗華等[11]的方法進行。芝麻素及芝麻林素含量測定參照NY/T 1595—2008[12]，高效液相色譜儀Waters 2695(Waters公司，美國)設置條件為：色譜柱Sunfire (C18 250 mm×4.6 mm，5 μm)，柱溫30 ℃；流動相為V甲醇∶V水=70∶30，流速1.0 mL/min；檢測波長287 nm；進樣量為10 μL。

1.3.3 芝麻籽粒的抗氧化能力 參考ZHOU等[13]的方法制備提取液。萃取液為70%甲醇溶液。稱量0.5 g樣品于10 mL離心管中，加入5 mL萃取液。渦旋振蕩2 min，超聲萃取20 min，-20 ℃靜置10 min后以4 000 r/min離心10 min，取上清液，反復3次，富集提取液于25 mL容量瓶，定容后儲藏于-20 ℃備用。

參考文獻[14]，采用FRAP法測定籽粒樣品的總抗氧化能力，以亞鐵還原能力(FRAP值)表示。取50 μL提取液與5 mL FRAP工作液反應，40 ℃下水浴30 min；在593 nm波長下測定。以FeSO4·7H2O標準溶液繪制標準曲線，線性關系為Y=0.000 24X+0.057 89，R2=0.999 5。參考PANZELLA等[15]的方法測定DPPH清除率，DPPH甲醇溶液濃度為2×10-4mol/L；參考趙春蘇等[16]的方法測定·OH清除率，H2O2濃度為24 mmol/L。

1.4 數據處理與分析

使用Orgin 8.0、Excel 2007及SPSS 18.0軟件對數據進行處理與分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下不同芝麻品種的產量性狀

由圖1可以看出，干旱脅迫處理下12個芝麻品種的株高均較對照下降，降幅為3.57%～17.65%。除M9外，其他11個品種均顯著降低；與對照相比，干旱脅迫下M2和M9的果軸長變化不大，M11的果軸長變化最大，下降了31.38%；與對照相比，干旱脅迫下12個芝麻品種的單株產量降低2.31%(M1)～51.22%(M6)，其中，M1、M2、M8、M12的單株產量受干旱脅迫影響較小，表現出耐旱豐產的特性，而其他8個品種的單株產量均顯著下降(P<0.05)；12個品種中，M5的千粒質量最小，M4的千粒質量最大，干旱脅迫處理后，M9千粒質量下降最為顯著。綜合上述產量性狀變化特征確定，12個品種受干旱脅迫影響的程度依次為M8

2.2 干旱脅迫下不同芝麻品種籽粒的外觀品質性狀

表3顯示，對照條件下12個芝麻品種的粒長和粒寬分別為2.77～3.17 mm和1.56～1.76 mm，各品種之間的粒長及粒寬差異較大；干旱脅迫后，12個品種的粒長和粒色分別為2.70～3.13 mm和1.50～1.73 mm。在芝麻籽粒色澤評價方面，目前多使用L、a和b值表示，L值越大，表明籽粒色澤越光亮；ΔE值越大，表明籽粒色澤差異越明顯[9]。從表3可以看出，干旱脅迫處理下12個芝麻品種的ΔE值為0.96～3.30。其中，M12的ΔE值最小，而M6的ΔE值最大。12個品種的ΔE值均值為1.92。依據種皮色澤差異判定標準(表2)，干旱脅迫處理后，12個品種籽粒種皮顏色均與對照存在差異。其中，M6和M9的ΔE值均大于3，表現為差異顯著。依據ΔE值，12個品種的耐旱性水平依次為M12

不同小寫字母表示對照與干旱脅迫處理差異顯著(P<0.05)，下同Different letters mean the significant difference between the control and drought treatment(P<0.05)，the same below圖1 干旱脅迫下不同芝麻品種的產量相關性狀Fig.1 Yield related traits of different sesame varieties under drought stress

2.3 干旱脅迫下不同芝麻品種籽粒的粗脂肪與粗蛋白含量

由圖2可見，對照條件下12個芝麻品種籽粒的粗脂肪和粗蛋白含量分別為44.61%～47.01%和23.67%～25.55%；與對照相比，干旱脅迫處理芝麻籽粒粗脂肪和粗蛋白含量變幅分別為-0.72%～4.03%和-5.77%～4.12%。2個處理比較，12個品種中籽粒粗脂肪含量有顯著變化(P<0.05)的共有7個品種，其中M7變化最為顯著，較對照增加4.03%，M11粗脂肪含量變化最不顯著，僅較對照降低0.07%；粗蛋白含量有顯著變化的共有4個品種，其中M9的粗蛋白含量較對照降幅最大，為5.77%，M11變化最小，較對照降低0.16%。

表3 干旱脅迫處理下不同芝麻品種籽粒的外觀品質Tab.3 Seed appearance quality of different sesame varieties under drought stress

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

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

圖2 干旱脅迫下不同芝麻品種籽粒的脂肪和蛋白質含量 Fig.2 Seed oil and protein contents of different sesame varieties under drought stress

油酸(18∶1)、亞油酸(18∶2)、棕櫚酸(16∶0)和硬脂酸(18∶0)是芝麻籽粒中的主要脂肪酸組分。從表4可以看出，對照條件下芝麻籽粒中4類主要脂肪酸的含量分別為41.81%～49.41%、35.93%～42.22%、7.17%～8.33%、5.61%～6.27%；干旱脅迫處理芝麻籽粒中4類主要脂肪酸的含量分別為40.81%～47.86%、37.27%～43.36%、7.18%～8.31%、5.48%～6.38%。干旱脅迫處理芝麻籽粒中4類脂肪酸含量變化表現為品種間差異顯著。在12個品種中，除M2外，其他11個品種受到干旱脅迫后，籽粒中油酸(18∶1)含量均較對照下降，降幅為0.16%～6.40%；同時，亞油酸(18∶2)含量較對照均升高，增幅為0.44%～9.05%。

2.4 干旱脅迫下不同芝麻品種籽粒的芝麻素、芝麻林素和總酚含量

圖3表明，對照條件下12個芝麻品種的籽粒芝麻素、芝麻林素、總酚含量分別為1.93～3.54、1.11～3.16、2.78～8.25 mg/g，均值分別為3.04、2.12、5.40 mg/g；干旱脅迫處理下12個芝麻品種的籽粒芝麻素、芝麻林素、總酚含量分別為1.85～3.67、1.22～2.69、3.49～7.75 mg/g，均值分別為2.87、1.98、5.61 mg/g。與對照相比，干旱脅迫處理下12個芝麻品種的籽粒芝麻素、芝麻林素、總酚含量變幅分別為-12.54%～34.28%、-17.89%～21.82%、-21.92%～33.00%。其中，8個品種籽粒的芝麻素含量顯著升高或無明顯變化(圖3A)；5個品種的芝麻林素含量顯著升高或無明顯變化(圖3B)；9個品種的總酚含量顯著升高或無明顯變化，而M4、M6、M9籽粒總酚含量分別顯著降低21.92%、8.31%、11.15%(圖3C)。綜合分析可以看出，干旱脅迫處理條件下不同芝麻品種芝麻素、芝麻林素和總酚含量變化具有一定的差異，從含量均值變化可以看出，干旱脅迫處理條件下芝麻素和芝麻林素含量略有降低，而總酚含量略有增加。

表4 干旱脅迫下不同芝麻品種籽粒的脂肪酸組成和含量Tab.4 Seed fatty acid component content of different sesame varieties under drought stress

圖3 干旱脅迫下不同芝麻品種籽粒的芝麻素、芝麻林素和總酚含量Fig.3 The contents of sesamin,sesamolin and polyphenol in seed of different sesame varieties under drought stress

2.5 干旱脅迫下不同芝麻品種籽粒的抗氧化能力

天然提取物的抗氧化能力檢測通常采用鐵離子還原能力法(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清除率評價法3種方法進行。從圖4A可以看出，對照條件下12個芝麻品種的籽粒FRAP值為12.48～49.84 μmol/g，其中M6的FRAP值最高。與對照相比，干旱脅迫處理下12個品種的FRAP值變幅為-24.88%～73.92%。僅M7和M9的FRAP值顯著降低，其余10個品種的FRAP值均顯著提高或無顯著變化。M3的FRAP值增幅最大(73.92%)，M12的FRAP值增幅最小(5.97%)。由圖4B可見，對照芝麻籽粒的DPPH清除率為22.67%～53.38%。與對照相比，干旱脅迫處理芝麻籽粒的DPPH清除率變幅為-40.06%～35.71%，共有10個芝麻品種的籽粒DPPH清除率出現顯著性變化，其中M4變化最大(降幅為40.06%)，M1變化最小(增幅僅為0.12%)。由圖4C可見，對照芝麻籽粒的·OH清除率為15.59%～24.08%；與對照相比，干旱脅迫處理芝麻籽粒的·OH清除率變幅為-41.15%～33.86%。其中M7變化最大(降幅為41.15%)，而M1變化最小(降幅為0.37%)。綜合上述3個指標認為，在12個芝麻品種中，M1的抗氧化能力受干旱脅迫影響相對最小。

圖4 干旱脅迫下不同芝麻品種籽粒的抗氧化能力Fig.4 Seed antioxidant capacity of different sesame varieties under drought stress

2.6 干旱脅迫對芝麻籽粒主要外觀指標、化學組分及抗氧化能力影響的方差分析結果

為分析干旱脅迫(環境)和品種(基因型)對上述芝麻籽粒品質性狀的影響，對各指標進行了方差分析，結果見表5。由表5可見，芝麻主要外觀指標、化學組分及抗氧化能力的相關指標均受基因型及基因型×環境(干旱脅迫)的影響。其中，基因型對上述11個指標的影響均達到極顯著水平(P<0.01)；干旱脅迫則對芝麻籽粒的千粒質量、粗脂肪含量和FRAP值的影響達到顯著水平(P<0.05)，對芝麻林素含量和總酚含量的影響達到極顯著水平(P<0.01)，對粒長、粒寬、粗蛋白含量、芝麻素含量、DPPH清除率和·OH清除率影響不顯著；基因型與環境(干旱脅迫)互作除顯著影響芝麻籽粒的粗蛋白和芝麻素含量外，對其他9個指標均表現為極顯著影響。

表5 干旱脅迫對芝麻籽粒主要外觀指標、化學組分及抗氧化能力影響的方差分析Tab.5 Variance analysis of effect of drought stress on appearance,chemical composition and antioxidation of sesame seed

注：*和**分別表示顯著(P<0.05)和極顯著(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、芝麻林素含量與抗氧化能力的相關分析

芝麻籽粒芝麻素、芝麻林素和總酚含量與抗氧化能力的相關關系(表6)顯示，芝麻籽粒FRAP值與DPPH清除率、·OH清除率均為極顯著正相關(P<0.01)；總酚含量和芝麻林素含量均與FRAP值、DPPH清除率和·OH清除率呈極顯著正相關(P<0.01)。上述結果表明，芝麻的抗氧化能力與籽粒中的總酚含量和芝麻林素含量呈極顯著正相關。增加總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、芝麻林素含量與抗氧化能力相關性分析Tab.6 Correlation analysis of antioxidants content and antioxidant capacity

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平顯著、極顯著相關。

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

3 結論與討論

植物生長是一個復雜的過程，受生理、遺傳和環境因素之間相互作用的綜合影響。環境脅迫會引起生長代謝物組分含量的變化[17]。干旱脅迫是當前影響作物生長發育、產量及品質的重要環境約束因子[18]。本研究采用人工盆栽反復干旱法，系統開展了12個芝麻品種的產量相關性狀及籽粒的主要化學組分含量、抗氧化能力等指標的檢測，并系統分析了干旱脅迫環境、基因型以及干旱環境×基因型互作對上述指標影響的顯著性。結果發現，干旱脅迫可導致芝麻籽粒的粗脂肪含量、粒色、芝麻林素含量、總酚含量以及抗氧化能力發生顯著變化。

芝麻屬高耐旱作物，但在萌發、生長、開花、果實形成等關鍵時期，植株對水分脅迫較為敏感[18]，在這些時期發生干旱脅迫會導致籽粒生理品質下降[19]。孫建等[5]研究發現，苗期干旱會導致芝麻生長速率減緩，根系發育緩慢，葉片數量減少，生物量降低，從而嚴重影響植株生長發育。本研究結果表明，在芝麻4對真葉展開時進行3次反復干旱脅迫處理，12個芝麻品種的株高、果軸長、單株蒴果數、單株產量等指標均較對照降低。同時，產量結果顯示，在12個品種中，豫芝11號(M1)、晉芝2號(M8)和安康芝麻(M12)對干旱脅迫的適應性較強，可用于今后芝麻耐旱機制研究以及耐旱新品種選育。而鄭芝98N09(M3)、豫芝Dw607(M4)和冀芝1號(M5)則表現出對干旱脅迫較為敏感的特性。其中，豫芝Dw607(新品種權編號：CNA013391E)屬于短節間密蒴型品種，葉片大、結蒴性好，但對水肥需求較普通品種高，因而在本試驗中，其產量指標受干旱脅迫的影響較大。

粒色是評價芝麻產品等級和外觀品質的重要指標之一[20]，屬于數量性狀，受多個基因位點控制[21]，與芝麻種質進化、油脂含量水平存在一定的相關關系[1,22]。本研究結果發現，干旱脅迫處理下，12個品種籽粒ΔE值為0.96～3.30，均大于0.5，可見，干旱脅迫可以導致芝麻種皮顏色加深，外觀品質下降；其中，安康芝麻(M12)最小、冀芝157(M6)最大，分別表現出了高耐和高感干旱脅迫特征。粒色是芝麻籽粒商品價值的直接評價指標，同時也是芝麻籽粒對非生物脅迫環境的最直接反映。研究表明，在漬害脅迫中多個芝麻品種的籽粒ΔE值均大于0.5，籽粒顏色變化顯著[9]。可見，干旱和漬害均對芝麻的商品價值產生不利影響。

芝麻籽粒主要化學組分中，粗脂肪含量與粗蛋白含量呈極顯著負相關，脂肪酸組分中油酸(18∶1)和亞油酸(18∶2)含量也呈極顯著負相關[23-24]。本研究結果顯示,干旱脅迫顯著影響芝麻的粗脂肪含量。在12個品種中，除豫芝29號(M2)外，干旱脅迫條件下其他11個品種籽粒中的油酸(18∶1)含量均下降，亞油酸(18∶2)含量均升高，也反映了油酸(18∶1)含量與亞油酸(18∶2)含量具有一定的負相關性。油酸(18∶1)與亞油酸(18∶2)含量也是評價芝麻營養價值的重要指標之一，二者是人體不能自身合成的必需脂肪酸，它們在膽固醇降解、血管硬化預防和心肌細胞及細胞膜活力增強等方面具有較強的生理活性，同時，亞油酸(18∶2)對血清中膽固醇和甘油三酸酯的分解、心腦血管疾病預防、人類壽命延長中起著積極作用[25]。

芝麻生長過程中微量成分的積累可以使其更好地適應環境脅迫。KADKHODAIE等[26]研究發現，芝麻根中脯氨酸含量和葉中類胡蘿卜素含量可以作為判別芝麻耐旱性的優良指標；芝麻的耐旱性差異可歸因于芝麻植株在干旱條件下積累代謝物的能力，這些代謝物可能是描述不同基因型芝麻耐旱性差異的有用工具。本研究中，FRAP值代表的總抗氧化能力、DPPH清除率、·OH清除率3種抗氧化能力評價結果表明，芝麻總酚和芝麻林素含量均與其抗氧化能力呈極顯著正相關。因此，增加總酚含量或者芝麻林素含量能夠顯著提高芝麻籽粒的抗氧化能力。方差分析結果表明，干旱脅迫對芝麻FRAP值有顯著影響(P<0.05)，對芝麻林素和總酚含量有極顯著影響(P<0.01)。不同芝麻品種總酚含量和抗氧化能力結果顯示，干旱脅迫處理下，總酚含量和抗氧化能力較對照均顯著降低的芝麻品種為汾芝7號(M9)，無顯著變化的芝麻品種為安康芝麻(M12)；豫芝29號(M2)、鄭芝98N09(M3)、冀芝1號(M5)、晉芝2號(M8)、漢中芝麻(M10)和白河芝麻(M11)6個芝麻品種則表現為顯著增高。