花生氨基酸品質改良途徑的決策分析

王傳堂，唐月異，周朋，吳琪，王志偉，宋國生，王強

（1.山東省花生研究所，山東 青島 266100；2.山東魯花集團有限公司，山東 萊陽 265200；3.遼寧省義縣農業發展服務中心，遼寧 義縣 121100；4.中國農業科學院農產品加工研究所，北京 100193）

花生富含蛋白質和油脂，是世界上廣受消費者歡迎的主要食用和油料作物。氨基酸組成不僅關系到花生的營養價值和保健價值，而且對花生感官品質有著顯著影響。開發符合市場需求乃至創造市場需求的花生產品，對于新時期花生產業發展具有極其重要的意義。迄今關于花生氨基酸品質的研究，多涉及品種（系）［1-4］、種子不同部位、地點和年份間差異［1，5-7］，種子發育過程中的變化［8］，不同播期及覆膜、灌溉與否、成熟度、收獲日期、種子大小、貯藏時間對花生氨基酸含量的影響［7-12］，以及氨基酸含量間的簡單相關分析、雜種優勢與配合力分析等［12，13］，而氨基酸含量的通徑分析或決策分析未見報道。

本研究旨在對本團隊育成的50個花生基因型進行氨基酸組分分析，在此基礎上利用決策分析探討不同氨基酸含量之間的關系，為花生氨基酸品質遺傳改良提供參考。

1 材料與方法

參試花生基因型共計50個，包括18個測產品系。參試花生于2018年種植于山東省花生研究所萊西試驗基地，起壟覆膜滴灌栽培，管理措施同常規。花生莢果收獲日曬干燥后，取子仁樣品送農業農村部油料及制品質量監督測試中心（武漢）按GB 5009.124—2016方法測定16種氨基酸含量。

按下列公式計算必需氨基酸、半必需氨基酸、甜味氨基酸、鮮味氨基酸、苦味氨基酸、藥效氨基酸、芳香族氨基酸含量、（甜味氨基酸+鮮味氨基酸）/苦味氨基酸比值［14］、烤花生香味相關氨基酸以及烤花生異味相關氨基酸含量［15］：必需氨基酸＝蘇氨酸+纈氨酸+蛋氨酸+異亮氨酸+亮氨酸+苯丙氨酸+賴氨酸（色氨酸未測，未計入）；半必需氨基酸＝精氨酸+組氨酸（計入或不計入）+絲氨酸+酪氨酸，其中，組氨酸對成人而言，不是半必需氨基酸，但其在嬰幼兒體內合成較慢，對嬰幼兒來說屬于半必需氨基酸，因此，本研究進行數據統計時分計入和不計入兩種情況；甜味氨基酸＝蘇氨酸+絲氨酸+甘氨酸+丙氨酸+賴氨酸+脯氨酸；鮮味氨基酸＝天冬氨酸+谷氨酸；苦味氨基酸＝纈氨酸+蛋氨酸+異亮氨酸+亮氨酸+苯丙氨酸+組氨酸+精氨酸；藥效氨基酸＝天冬氨酸+谷氨酸+甘氨酸+蛋氨酸+異亮氨酸+亮氨酸+苯丙氨酸+賴氨酸+精氨酸；芳香族氨基酸＝苯丙氨酸+酪氨酸；烤花生香味相關氨基酸＝天冬氨酸+谷氨酸+組氨酸+苯丙氨酸；烤花生異味相關氨基酸＝賴氨酸+蘇氨酸+精氨酸。

氨基酸含量改良潛力據段乃雄等［16］的方法計算。改良潛力＝（最高含量-平均含量）/平均含量×100%。

利用DPS 14.5軟件包，以必需氨基酸、半必需氨基酸、與味道有關的氨基酸，以及近年來受重視有保健功能的氨基酸或與特定人群健康相關的特定氨基酸或其組合為因變量，其他氨基酸為自變量，進行逐步回歸分析，計算通徑系數，并在此基礎上，按袁志發等［17，18］提出的方法計算決策系數（其中為直接通徑系數，rjy為相關系數），進行決策分析。

2 結果與分析

2.1 氨基酸含量變幅與改良潛力

50個花生基因型16種氨基酸及其各種組合含量如表1所示。16種氨基酸含量均值變幅為0.15%～3.37%，值最高的是谷氨酸，天冬氨酸次之（2.07%），精氨酸位居第三（2.03%），值最低的是蛋氨酸。最大值位居前三位的及值最低的氨基酸與均值的一致。變異系數變幅為15.38%（蘇氨酸）～33.33%（蛋氨酸）。有4種氨基酸改良潛力超過100%，分別為蛋氨酸144.73%、谷氨酸120.90%、苯丙氨酸103.70%、絲氨酸101.29%。

必需氨基酸、非必需氨基酸、半必需氨基酸（不含組氨酸）、半必需氨基酸（含組氨酸）、甜味氨基酸、鮮味氨基酸、苦味氨基酸、藥效氨基酸、（甜味氨基酸+鮮味氨基酸）/苦味氨基酸比值、烤花生香味和異味相關氨基酸的變異系數變幅為0.56%～24.70%，改良潛力為17.23%～111.44%，其中，鮮味氨基酸和藥效氨基酸的變異系數和改良潛力較大，而烤花生異味和香味相關氨基酸的變異系數和改良潛力較小。

表1 50個花生基因型16種氨基酸含量及相關參數統計結果 （%）

2.2 特定氨基酸含量與其他氨基酸含量間的決策分析

賴氨酸、蘇氨酸和蛋氨酸是花生必需氨基酸中的限制性氨基酸，其中賴氨酸、蘇氨酸又與烤花生異味相關；天冬氨酸、谷氨酸、組氨酸、苯丙氨酸與烤花生香味相關，其中苯丙氨酸還與特定人群健康相關；精氨酸有益身體健康，且與烤花生異味相關。因此，通過決策分析明確其他氨基酸對上述特定氨基酸含量的影響，可為特定氨基酸改良提供參考。進行數據統計分析時，首先通過逐步回歸分析剔除其他氨基酸中對各特定氨基酸含量影響不顯著的氨基酸，僅保留影響顯著的氨基酸進行進一步的決策分析。

2.2.1 賴氨酸含量 按決策系數排序，甘氨酸＞蘇氨酸＞丙氨酸＞谷氨酸＞纈氨酸＞天冬氨酸＞絲氨酸，其中絲氨酸、天冬氨酸、纈氨酸、谷氨酸的決策系數＜0（表2）。可知，欲提高賴氨酸含量，須注重提高主要決策變量甘氨酸、蘇氨酸和丙氨酸含量，降低主要限制變量絲氨酸和天冬氨酸含量。

2.2.2 蘇氨酸含量 決策分析結果顯示，欲提高蘇氨酸含量，宜提升主要決策變量亮氨酸、纈氨酸含量，降低主要限制變量谷氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸含量（表3）。

表2 賴氨酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

表3 蘇氨酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

2.2.3 蛋氨酸含量 決策分析和通徑分析結果顯示，天冬氨酸的直接效應和其他氨基酸通過天冬氨酸的間接效應均為負，且決策系數達到-80.4405，是影響蛋氨酸含量的首位限制因子，因此，要提高蛋氨酸含量，必須限制天冬氨酸含量（表4）。

2.2.4 天冬氨酸含量 表明，提高主要決策變量絲氨酸、丙氨酸、精氨酸含量，降低主要限制變量纈氨酸、賴氨酸含量，有利于提高天冬氨酸含量（表5）。

2.2.5 谷氨酸含量 欲提高谷氨酸含量，應著力提高主要決策變量絲氨酸含量，降低主要限制變量甘氨酸、蘇氨酸和丙氨酸含量（表6）。

表4 蛋氨酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

表5 天冬氨酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

表6 谷氨酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

2.2.6 組氨酸含量 提升主要決策變量纈氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸含量，降低主要限制變量絲氨酸、異亮氨酸含量，有利于提高組氨酸含量（表7）。

2.2.7 苯丙氨酸含量 絲氨酸和亮氨酸對苯丙氨酸含量的直接效應均為正，且高于0.5，決策系數也較高且均為正；而蘇氨酸和甘氨酸對苯丙氨酸含量的直接效應均為負，決策系數均＜0（表8）。因此，提高絲氨酸和亮氨酸含量，降低蘇氨酸、甘氨酸含量，有利于提高苯丙氨酸含量。

2.2.8 精氨酸含量 天冬氨酸對精氨酸含量的正直接效應最大（1.6016），絲氨酸和異亮氨酸對精氨酸含量的負直接效應顯著；從決策系數來看，纈氨酸、酪氨酸、甘氨酸、天冬氨酸的決策系數均＞0，而絲氨酸、異亮氨酸的決策系數均＜0（表9）。表明，欲提高精氨酸含量，可提高纈氨酸、酪氨酸、甘氨酸、天冬氨酸含量，降低絲氨酸和異亮氨酸含量。

2.3 特定氨基酸組合與其他氨基酸含量間的關系

經逐步回歸分析，剔除對各特定氨基酸組合影響不顯著的其他氨基酸，選出對其影響顯著的其他氨基酸進行通徑分析和決策分析。

2.3.1 必需氨基酸含量 提高丙氨酸和組氨酸含量，降低絲氨酸含量，有助于提升必需氨基酸含量（表10）。

表7 組氨酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

表8 苯丙氨酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

表9 精氨酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

表10 必需氨基酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

2.3.2 半必需氨基酸（含或不含組氨酸）含量提高天冬氨酸含量、降低丙氨酸含量，有助于提升半必需氨基酸（含或不含組氨酸）含量（表11、表12）。

2.3.3 甜味氨基酸含量 為提升甜味氨基酸含量，應提高亮氨酸、谷氨酸、組氨酸、天冬氨酸含量，限制苯丙氨酸和異亮氨酸含量（表13）。

表13 甜味氨基酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

2.3.4 鮮味氨基酸含量 提高絲氨酸含量，降低蘇氨酸和甘氨酸含量，有助于提升鮮味氨基酸含量（表14）。

2.3.5 苦味氨基酸含量 欲降低苦味氨基酸含量，除降低其組成氨基酸——纈氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、組氨酸和精氨酸的含量外，還應注意提高絲氨酸含量，降低天冬氨酸、蘇氨酸含量（表15）。

2.3.6 藥效氨基酸含量 欲提高藥效氨基酸含量，須重視提高絲氨酸含量，降低丙氨酸含量（表16）。

表14 鮮味氨基酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

表15 苦味氨基酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

表16 藥效氨基酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

2.3.7 芳香族氨基酸含量 提高亮氨酸、絲氨酸含量，限制丙氨酸、甘氨酸、纈氨酸含量，有利于提高芳香族氨基酸含量（表17）。

表17 芳香族氨基酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

2.3.8 烤花生香味相關氨基酸含量 欲增強烤花生香味，除提高天冬氨酸、谷氨酸、組氨酸和苯丙氨酸含量外，還應重視提升絲氨酸含量，限制蘇氨酸含量（表18）。

2.3.9 烤花生異味相關氨基酸含量 欲減輕烤花生異味，宜降低天冬氨酸、亮氨酸和組氨酸含量，提升苯丙氨酸含量（表19）。

表18 烤花生香味氨基酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

表19 烤花生異味氨基酸含量與其他氨基酸含量的通徑系數與決策系數

3 討論與結論

3.1 關于花生氨基酸含量變幅

本研究測定了50個花生基因型16種氨基酸的含量，其變幅窄于欒文琪和韓守萍的報道［2］，后者采用了5大類型共計379份材料，因而遺傳變異更為豐富。

3.2 關于氨基酸含量的通徑與決策分析

氨基酸生物合成存在復雜的調控機制，涉及酶活性的直接反饋抑制（如賴氨酸過量抑制天冬氨酸激酶，蛋氨酸過量抑制同型絲氨酸轉酰基酶，脯氨酸過量抑制谷氨酸激酶和脫氫酶，精氨酸過量抑制氨基酸轉乙酰基酶，纈氨酸過量抑制乙酰乳酸合酶，異亮氨酸過量抑制蘇氨酸脫氫酶，亮氨酸過量抑制α-異丙基蘋果酸酶）、酶活性的協同反饋抑制和累積反饋抑制以及酶生成量的調節［19］。可通過通徑分析和決策分析研究各種氨基酸之間錯綜復雜的關系。

簡單相關系數為某自變量的直接效應與通過其他自變量的間接效應之和，未將兩者剖分開來，會因該自變量與其他自變量相關的大小與方向而變大或變小；直接通徑系數即標準化的回歸系數，未考慮間接效應，通徑分析時研究者需綜合權衡直接效應和間接效應；而決策分析中采用的決策系數則刻畫了某自變量對因變量的綜合決定能力，充分考慮了直接效應、總效應和間接效應，被認為優于相關系數和通徑系數，也更便于掌握［17，18］。

3.3 關于特定氨基酸及氨基酸組合的遺傳改良

賴氨酸、蘇氨酸和蛋氨酸是花生限制性氨基酸。從人體健康角度看，應提高必需氨基酸、半必需氨基酸含量。精氨酸有益人體健康，據報道，每天攝入3～6 g精氨酸有改善心血管系統、降低腸道通透性并激活免疫系統之功效［20］。為提供苯丙酮尿癥患者可食用的食品，最大限度地降低苯丙氨酸含量是必要的［21］。提高鮮味和烤花生香味相關氨基酸含量（天冬氨酸、谷氨酸、組氨酸、苯丙氨酸），降低與烤花生異味相關氨基酸含量（賴氨酸、蘇氨酸和精氨酸）［15］，可望改善花生食品風味。必須指出，有的氨基酸如賴氨酸、精氨酸因不同的改良目標需采取提升或降低含量的不同策略。要增強烤花生香味，需提高天冬氨酸含量，要減輕烤花生異味，卻認為需降低天冬氨酸含量，其實并不矛盾。氨基酸生物合成途徑中，以三羧酸循環的中間體草酰乙酸為碳骨架作為起始物合成天冬氨酸，進而由天冬氨酸合成賴氨酸、蘇氨酸，可見減少天冬氨酸供應將減少賴氨酸、蘇氨酸含量。

本研究針對不同的品質改良目標，就花生必需限制性氨基酸、烤花生香味和異味相關氨基酸等特定氨基酸以及必需氨基酸、甜味氨基酸、鮮味氨基酸等組合，進行了決策分析，從生物統計學角度提出了氨基酸品質改良的可能途徑，但可行性有待進一步檢驗。今后可在此基礎上基于相應的生物化學和分子生物學知識并借助先進的技術手段，開展高效誘變技術開發應用、氨基酸優質突變體篩選鑒定以及氨基酸合成途徑關鍵酶基因篩查等研究。