藜麥籽粒氨基酸組分遺傳特性分析與評價(jià)

王倩朝 劉永江 李 莉 李淑賢 孔治有 劉俊娜 環(huán)秀菊 覃 鵬

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院1，昆明 650201)(保山學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院2，保山 678000)

藜麥(ChenopodiumquinoaWilld.)是莧科藜亞科藜屬一年生自花授粉雙子葉植物，原產(chǎn)南美洲安第斯山脈海拔2 800～5 000 m的高寒山區(qū)，至今有7 000多年的食用及種植歷史，具有獨(dú)特的營養(yǎng)價(jià)值和功能性食品特性，它是印加土著居民的傳統(tǒng)食物，古代印加人稱其為“糧食之母”[1-3]。藜麥屬于蛋白質(zhì)堿性食品，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)16%～22%(牛肉20%)，與牛奶和肉類基本相同[4]，含有全部種類的氨基酸，其比例符合人體生長需要且易被吸收，尤其富含人體必需而自身不能合成的9種氨基酸[5,6]，特別是含有一般谷物缺乏的賴氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸和色氨酸[7]。此外，藜麥可用來藥物開發(fā)，其幼苗也可以當(dāng)作蔬菜食用，營養(yǎng)價(jià)值豐富，可做成各種糕點(diǎn)、主食、營養(yǎng)添加劑、飲品等，且藜麥種植簡單、產(chǎn)量高，具有廣闊的應(yīng)用前景，適宜進(jìn)行推廣栽種，擴(kuò)大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，提高農(nóng)民收入[8-12]。

盡管藜麥具有重要利用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但國內(nèi)鮮見針對藜麥氨基酸組分遺傳特性的研究。本研究以國內(nèi)外品系資源為種植材料進(jìn)行選擇育種，篩選出89個(gè)藜麥高代品系，通過氨基酸自動(dòng)分析儀[13]對89個(gè)品系進(jìn)行17種氨基酸含量測定分析[14]，同時(shí)進(jìn)行主成分分析和聚類分析，為藜麥品系資源品質(zhì)評價(jià)、篩選及新品種選育提供參考，同時(shí)為藜麥的種植提供技術(shù)支持，從而促進(jìn)我國藜麥戰(zhàn)略的實(shí)施和藜麥現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料為從多個(gè)地區(qū)引進(jìn)并通過選擇育種選育出的89個(gè)藜麥高代品系(表1)，包括從麗江種植材料中選育出的67個(gè)品系(40個(gè)紅藜和27個(gè)白藜)、甘肅種植材料中選育出的7個(gè)品系(6個(gè)黃藜和1個(gè)白藜)、山西種植材料中選育出的9個(gè)品系(1個(gè)紫色品系和8個(gè)黑藜品系)、青海種植材料選育出的1個(gè)黑藜品系以及美國引進(jìn)的5個(gè)黃藜品系。所有高代品系均為2018年種植于云南省麗江市玉龍縣太安鄉(xiāng)太安村研究基地中，行距為80 cm、株距15 cm，每個(gè)品系10 m2，3次重復(fù)。該地區(qū)土壤類型為紅壤，質(zhì)地為壤土，地力中等，進(jìn)行正常田間水肥管理，成熟期收取藜麥籽粒完全干燥保存?zhèn)溆谩?/p>

表1 89個(gè)供試藜麥品系的顏色和來源

1.2 方法

1.2.1 樣品前處理

將藜麥籽粒放入鼓風(fēng)干燥箱110 ℃殺青30 min，然后80 ℃中烘干至恒重(2次稱重誤差不超過5%)。用粉碎機(jī)將樣品粉碎后過篩(0.25 mm，60目)；將處理后的樣品準(zhǔn)確稱取0.03 g裝入安倍瓶中(樣品裝在稱量紙上垂直帶入安倍瓶中，防止樣品粘在瓶口)；加入10 mL 6 mol/L的鹽酸溶液，充入氮?dú)猓饪冢环湃牒銣睾嫦?110 ℃)中水解 24 h；吸取0.3 mL水解液于小燒杯中氮?dú)獯蹈桑缓蠹尤?3～5 mL 的樣品稀釋液再次溶解；混勻后過膜(0.22 μm)裝入進(jìn)樣瓶中。

1.2.2 上機(jī)主要溶液配制

氨基酸標(biāo)準(zhǔn)溶液配制：取4 mL濃度為2.5 μmol/mL的氨基酸混合標(biāo)準(zhǔn)液于100 mL容量瓶中，用pH為2.2的檸檬酸溶液稀釋至100 mL，4 ℃保存。

茚三酮溶液配制：取600 mL甲醇溶液和400 mL鉀鈉緩沖液混合，稱取20 g固體茚三酮和2 g苯酚溶于混合溶液中，用氮?dú)獯祷旌弦后w5 min。

還原劑配制：將0.2 g抗壞血酸溶解于1 000 mL茚三酮緩沖液中，過0.45 μm膜，4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 上機(jī)分析

測定17種氨基酸：天冬氨酸(Asp)、蘇氨酸(Thr)、絲氨酸(Ser)、谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、半胱氨酸(Cys)、纈氨酸(Val)、甲硫氨酸(Met)、異亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)、酪氨酸(Tyr)、苯丙氨酸(Phe)、組氨酸(His)、賴氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)、脯氨酸(Pro)。將進(jìn)樣瓶放入氨基酸分析儀，編輯進(jìn)樣順序，設(shè)定程序，其中脯氨酸在波長 440 nm 下測定，其余氨基酸在 570 nm 波長下測定，分析樣品中氨基酸含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用 Microsoft Excel 2010、SPSS20和DPS7.05進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 17種氨基酸組分的遺傳多樣性分析

不同藜麥高代品系氨基酸含量差異明顯，變異范圍廣，遺傳多樣性豐富(表2)。Glu、Arg、Asp含量相對較高而Cys、Met含量較低；17種氨基酸的平均變異系數(shù)為22.97%，其中Glu的變異系數(shù)最小，Gly、Cys、Tyr、Phe、His、Pro等6種氨基酸的變異系數(shù)均高于20%，尤其Met的變異系數(shù)最大，表明變異范圍更廣而其他氨基酸變幅不大比較穩(wěn)定。各氨基酸的變異系數(shù)大小為：Met>Cys>Tyr>Gly>Pro>His>Lys>Asp>Leu>Ile>Phe>Ala>Arg>Thr>Val>Ser>Glu。

表2 供試品系的氨基酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)及變異程度

2.2 氨基酸組分間的簡單相關(guān)分析

由表3相關(guān)分析表明，Glu與Cys、Met相關(guān)性不顯著(P>0.05)，說明Glu含量的改變對Cys和Met的含量影響不大；Cys和Ile、Phe、Lys均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)，同時(shí)，Cys和Leu、Tyr、Arg均呈現(xiàn)正相關(guān)(P>0.05)，說明Cys含量的改變影響Ile、Phe、Lys的含量，對Leu、Tyr、Arg的含量影響則不大；其余氨基酸之間均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)。氨基酸間較強(qiáng)的相關(guān)性說明，可以通過主成分分析藜麥品系氨基酸間的復(fù)雜關(guān)系。

表3 供試品系氨基酸的簡單相關(guān)分析

2.3 氨基酸組分間的主成分分析

主成分分析表明，前5個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了92.550 7%，基本包括了17種氨基酸的全部信息，因此可以將17種氨基酸轉(zhuǎn)化為5個(gè)主成分(表4)。其中第1主成分的特征值為11.970 6，貢獻(xiàn)率為70.415 1%，代表17種氨基酸全部信息的70.415 1%；第2主成分的特征值為1.541 6，貢獻(xiàn)率為 9.068 3%；第3主成分的特征值為1.243 9，貢獻(xiàn)率為7.316 9%；第4主成分的特征值為0.628 1，貢獻(xiàn)率為3.694 5%；第5主成分的特征值為0.349 5，貢獻(xiàn)率為2.056 0%。

表4 相關(guān)矩陣的特征值

由表5可見，入選品系應(yīng)是第2主成分偏低，第2、4、5主成分適中偏低，第1主成分較高。即應(yīng)選擇Asp、Thr、Gly、Ala、Val、Leu、Tyr、Phe、His和Arg含量較高的品系。

表5 主要主成分的特征向量

2.4 聚類分析

聚類分析(分類距離為0.55)可將89個(gè)藜麥品系分為5大類。滇藜-76、滇藜-52、滇藜-39和滇藜-131各自分別獨(dú)立為一類；第V類包括其余85個(gè)藜麥品系，其中黃藜11個(gè)、黑藜9個(gè)、白藜27個(gè)和紅藜38個(gè)；聚類結(jié)果與其來源、顏色沒有嚴(yán)格的一致性(圖1)。由表6可見，類群Ⅰ中各氨基酸含量相對較高，尤其是必需氨基酸中的Val、Phe、Lys含量在5個(gè)類群中最高；類群Ⅱ中必需氨基酸中的Thr、Met、Ile、Leu含量最高，Asp、Glu、Gly、Cys、Phe、His、Lys含量適中偏高，Ser、Ala、Val、Arg、Pro含量適中偏低；類群Ⅲ中除Asp、Met、Leu、Lys、Ar含量適中偏高外，其他氨基酸含量均適中偏低；類群Ⅳ中Ser、Ala、Ala、Val、Pro含量最高，Met含量為0，Ile含量偏低，其他10種氨基酸含量均適中偏高；類群V中除Gly、Val、Met、Leu、Tyr、His含量適中偏低外，其他11種氨基酸含量均適中偏高。

注：縱坐標(biāo)數(shù)字表示滇藜對應(yīng)的品系。

表6 5個(gè)類群品系17種氨基酸的平均表現(xiàn)

3 討論

作物的遺傳多樣性是衡量群體內(nèi)個(gè)體差異的指標(biāo)，同時(shí)也是種質(zhì)創(chuàng)新的基礎(chǔ)[15]，藜麥育種上的重要突破離不開優(yōu)異種質(zhì)資源的發(fā)現(xiàn)和利用，因此關(guān)于藜麥氨基酸組分遺傳特性的研究對藜麥種質(zhì)資源篩選以及遺傳特性改良具有重要的意義。

變異系數(shù)是遺傳變異潛力大小的標(biāo)志，表示群體中直接選擇的范圍[16]。孫銘等[17]研究表明，一般變異系數(shù)大于10%表示樣本間差異較大。本研究中藜麥氨基酸組分及含量變幅與李美鳳等[18]的研究基本一致，17種氨基酸含量的變異系數(shù)均大于10%，表明本研究中89個(gè)藜麥品系資源遺傳差異豐富，有利于藜麥種質(zhì)材料的比較和篩選，可為藜麥種質(zhì)資源進(jìn)一步遺傳鑒定和評價(jià)奠定基礎(chǔ)；聚類分析是尋找一種能客觀反映元素之間親疏關(guān)系的統(tǒng)計(jì)量，可據(jù)此把元素分成若干類[19,20]。89個(gè)藜麥品系籽粒的氨基酸含量與其顏色和來源沒有嚴(yán)格的一致性，其原因在于控制相關(guān)性狀的基因與控制色澤等的基因不同，而且環(huán)境因素對這些數(shù)量性狀也有較大影響，即使同一品種在不同環(huán)境條件下表現(xiàn)也有差異。聚類分析可將89個(gè)藜麥品系分為5大類，其中滇藜-39、滇藜-52、滇藜-76和滇藜-131與其他供試品系差異明顯獨(dú)立成一類，具有較大研究價(jià)值。

本研究相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)藜麥氨基酸間相互關(guān)系復(fù)雜，因此選擇育種及規(guī)模化種植材料時(shí)應(yīng)根據(jù)育種目標(biāo)綜合考慮多個(gè)因素進(jìn)行選擇[21]。將主成分分析用于藜麥氨基酸遺傳特性的評價(jià)和篩選，既能把握其綜合表現(xiàn)，又能獨(dú)立分析觀察[22]；本研究通過主成分分析將氨基酸轉(zhuǎn)化為5個(gè)主成分，提供了全部信息的92.55%，綜合反映了89個(gè)藜麥品系的氨基酸組分遺傳特性；按入選的5個(gè)主成分因子分析所得的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)篩選[23]，來自云南麗江的滇藜-59、滇藜-71、滇藜-72、滇藜-73、滇藜-78和滇藜-92等6個(gè)品系符合選擇標(biāo)準(zhǔn)，這些品系各氨基酸組分含量相對較高，相關(guān)性較強(qiáng)，可以在藜麥品系資源篩選中加以利用；此外本研究發(fā)現(xiàn)若以必需氨基酸含量較高為目的進(jìn)行新品種選育，應(yīng)從第I類和第Ⅱ類的品系中進(jìn)行篩選，入選品系為滇藜-59和滇藜-52。

本研究收集的89個(gè)品系中，不同地區(qū)品系在數(shù)量上差異也較大，因此要準(zhǔn)確掌握藜麥分布及遺傳多樣性的情況，下一步應(yīng)建立全國性質(zhì)的藜麥品系資源圃，在摸清其遺傳多樣性規(guī)律的基礎(chǔ)上對藜麥進(jìn)行品系資源的評價(jià)與篩選，從而加快藜麥的研究進(jìn)展[24]。

4 結(jié)論

17個(gè)藜麥氨基酸指標(biāo)存在很大的遺傳特性差異，其中Gly、Cys、Tyr、Phe、His、Pro的變異系數(shù)均高于20%，Met的變異系數(shù)高達(dá)77.10%，而Glu的變異系數(shù)最小且較為穩(wěn)定；利用相關(guān)性分析與主成分分析結(jié)合的方法，從89個(gè)藜麥品系中篩選出符合綜合評價(jià)藜麥氨基酸遺傳特性的核心品系5類，分別為：滇藜-59、滇藜-71、滇藜-72、滇藜-73、滇藜-78和滇藜-92；通過聚類分析，可將89個(gè)供試品系劃分為5大類，說明供試品系表現(xiàn)出多樣的遺傳特性，可根據(jù)聚類分析所劃分的類群結(jié)合其顏色和來源地選擇一些目標(biāo)品系來構(gòu)建藜麥種質(zhì)資源庫。藜麥籽粒氨基酸組分遺傳特性分析與評價(jià)，可為將來藜麥種質(zhì)資源品質(zhì)評價(jià)及篩選提供參考。