基于游離氨基酸含量的玉米自交系品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

南芝潤 張 杰 侯 磊 田懷澤

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所，忻州 034000）

玉米是世界上種植面積最大的谷類作物之一，集糧食、工業(yè)、飼料三大用途于一身。玉米不僅是保證糧食安全的重要組成部分，并且具有巨大的開發(fā)潛力。提高玉米必需氨基酸含量改善營養(yǎng)品質(zhì)一直是育種工作者努力的目標(biāo)[1]。氨基酸是植物氮代謝過程中重要的代謝產(chǎn)物，以游離態(tài)、多肽和蛋白質(zhì)形式存在[2]。玉米富含各種氨基酸和維生素，其含量對(duì)玉米的營養(yǎng)品質(zhì)有重要作用[3]。游離氨基酸廣泛存在于玉米細(xì)胞中，它們不僅是玉米重要的氮源，而且可以通過調(diào)節(jié)代謝平衡，保證逆境環(huán)境下植物的生存[4]，對(duì)玉米的生長發(fā)育、抗逆[5]、物質(zhì)代謝具有非常重要的作用，因此研究玉米中游離氨基酸的含量具有重要意義。玉米自交系是玉米雜種優(yōu)勢(shì)利用的基礎(chǔ)，自交系的選育和改良是玉米育種工作中的重要環(huán)節(jié)。通過有目的地選育和篩選氨基酸含量高的自交系，為選育優(yōu)質(zhì)抗逆玉米雜交種奠定資源基礎(chǔ)。

主成分分析是一種應(yīng)用廣泛、基礎(chǔ)性強(qiáng)的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，被廣泛應(yīng)用到對(duì)玉米、大豆、水稻、棉花、馬鈴薯、香菇和煙草等植物相關(guān)性狀的研究中[6-10]。邱紅梅等[11]通過主成分分析法和聚類分析對(duì)240 份大豆種質(zhì)資源的蛋白及16個(gè)氨基酸組分進(jìn)行測(cè)定分析，篩選出24 份高蛋氨酸資源。孟強(qiáng)等[12]對(duì)60 份糯玉米自交系的16 種氨基酸進(jìn)行主成分分析和綜合評(píng)價(jià)，篩選出3 份品質(zhì)較優(yōu)的糯玉米品種。彭友林等[13]對(duì)長江上游地區(qū)76 份水稻親本材料的15個(gè)產(chǎn)量相關(guān)性狀進(jìn)行主成分分析并對(duì)其稻米品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本試驗(yàn)采用主成分分析法以玉米籽粒中含有的17 種游離氨基酸含量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)25個(gè)農(nóng)藝性狀差異比較大的自交系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為玉米自交系的選育、品質(zhì)育種和抗逆育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑試驗(yàn)材料包含25 份玉米自交系SZ1～SZ25，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所選育。

氨基酸標(biāo)準(zhǔn)液、茚三酮及緩沖溶液等試劑購自富士和光純藥有限責(zé)任公司。優(yōu)級(jí)純檸檬酸、氫氧化鈉、氯化鈉、磺基水楊酸和色譜級(jí)無水乙醇等試劑購自科密歐化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器設(shè)備氨基酸自動(dòng)分析儀：L-5500 型，日本日立公司；離心機(jī)：ST16 型，德國Thermo Fisher公司；冷凍混合球磨儀：MW-400 型，德國Retsch 公司；電子天平：BSA323S-CW 型，賽多利斯科學(xué)有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法樣品含水量測(cè)定參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中水分的測(cè)定》進(jìn)行；樣品中氨基酸含量測(cè)定參照GB 5009.124—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中氨基酸的測(cè)定》進(jìn)行。

1.4 綜合評(píng)價(jià)指數(shù)不同玉米品種的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算公式如下。Yj指第j個(gè)主成分的分值；Wj指第j個(gè)主成分的權(quán)重。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 20.0、Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 游離氨基酸測(cè)定結(jié)果與分析由表1 可知，25 份玉米品種中均含有17 種游離氨基酸，包括7種必需氨基酸：賴氨酸（Lys）、苯丙氨酸（Phe）、蛋氨酸（Met）、蘇氨酸（Thr）、異亮氨酸（Ile）、亮氨酸（Leu）、纈氨酸（Val），10 種非必需氨基酸。25 份材料中SZ3 的總游離氨基酸（TAA）含量最高，為19.010nmol/20uL；SZ25 號(hào)最低，為4.368nmol/20uL。17 種氨基酸中Pro 含量最高，為2.039nmol/20uL；Glu 含量次之，為1.368nmol/20uL；Met 含量最少，為0.038nmol/20uL。樣品的游離氨基酸組成中Pro、Glu、Asp、Thr、Ala 和Ser 含量較高，這6 種氨基酸總量在3.335～13.832nmol/20uL，占游離氨基酸總量的61.55%～90.32%。不同來源的玉米自交系中，游離氨基酸的含量和種類存在顯著差異。

表1 玉米自交系中游離氨基酸組成及含量 （nmol/20uL）

2.2 玉米自交系中游離氨基酸的相關(guān)分析對(duì)25份玉米自交系的游離氨基酸含量進(jìn)行相關(guān)性分析，由表2 可知，17 種氨基酸之間具有不同程度的相關(guān)性，其中Asp、Thr、Ser、Glu、Ala、Val、Tyr、Lys、His、Arg 和Pro 這11 種氨基酸和總氨基酸呈極顯著正相關(guān)，Gly、Cys、Met、Ile、Leu、Phe這6 種氨基酸與總氨基酸相關(guān)不顯著。Ser 與Asp、Glu、Gly、Val、Met、Pro 呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.511、0.636、0.563、0.857、0.728、0.687，與Ala、Ile、Tyr、Lys 和Arg 呈顯著正相關(guān)。Met和Lys 屬于植物蛋白質(zhì)的限制性氨基酸，Arg 被稱為半必需氨基酸或者條件必需氨基酸，在幼兒生長期是必需氨基酸。提高Ser 含量的同時(shí)也能提高這些氨基酸含量，同時(shí)Ser 含量與總氨基酸含量呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.730，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于改善玉米品質(zhì)具有重要意義。總體來看，Ser 與多數(shù)氨基酸的相關(guān)性都較高。Pro 和Ser 呈極顯著相關(guān)。

表2 各種游離氨基酸含量相關(guān)性分析

2.3 主成分分析主成分分析是將多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，其中每個(gè)主成分都能反映原始變量的大部分信息[14]。在本研究中，通過SPASS 20.0 對(duì)25 份玉米自交系進(jìn)行主成分分析，并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO（KaiSer-Meyer-Olkin）和Bartlett 檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，Bartlett 球形檢驗(yàn)的顯著性P值為0，小于0.05，說明數(shù)據(jù)適合做因子分析（表3）。

表3 KMO 和Bartlett 檢驗(yàn)

選取25 份自交系的17 種氨基酸進(jìn)行主成分分析，以游離氨基酸的含量為分析指標(biāo)。將特征值＞1作為主成分（表4），前5個(gè)主成分的特征值累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到80.925%，說明這5個(gè)主成分基本包含了全部游離氨基酸所具有的信息，因此前5個(gè)特征值可以將原來的17 種氨基酸轉(zhuǎn)化為5個(gè)主成分。第1主成分能解釋所有玉米自交系游離氨基酸含量變異的36.932%，第2 主成分可解釋16.552%的氨基酸含量變異，第3 主成分可解釋11.356%的氨基酸含量變異，第4 主成分可解釋9.252%的氨基酸含量變異，第5 主成分可解釋6.833%的氨基酸含量變異。利用這5個(gè)主成分對(duì)25 份玉米自交系進(jìn)行品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。

表4 主成分特征值及其貢獻(xiàn)率

游離氨基酸的主成分矩陣中（表5）顯示了各氨基酸在5個(gè)主成分中的權(quán)重系數(shù)，主成分1 中的Glu、Asp、Ala、Val、Lys、Ser、Arg、Pro、Tyr 和His 權(quán)重系數(shù)較大（特征向量平均為0.73）；主成分2中Val、Ser、Ile、Met 這4個(gè)氨基酸的權(quán)重系數(shù)比較大（特征向量平均為0.60）；Phe 和Cys 在主成分3 中權(quán)重系數(shù)比較大（特征向量平均為0.73）；Tyr、Cys 和Leu 在主成分4 中權(quán)重系數(shù)比較大（特征向量平均為0.50）；主成分5 中Leu 和Gly 的權(quán)重系數(shù)比較大（特征向量平均為0.49）。

通過主成分分析得到的主成分矩陣（表5）顯示了不同氨基酸在5個(gè)主成分中的權(quán)重系數(shù)，用得到的5個(gè)因子得分再乘以相應(yīng)的特征值的算術(shù)平方根得到各自的主成分得分（表6）。

表5 主成分矩陣

本研究根據(jù)選擇的5個(gè)主成分分值（表6）和它們各自的權(quán)重，計(jì)算各自交系綜合得分D 值，D=（36.93Y1+16.55Y2+11.36Y3+9.25Y4+6.83Y5）/80.93。結(jié)果見表7，25 份氨基酸含量和農(nóng)藝性狀差異較大的自交系中有10個(gè)高于平均得分（0），15個(gè)低于平均得分。綜合評(píng)價(jià)指數(shù)大于1 的有5個(gè)，分別是SZ2、SZ3、SZ4、SZ5 和SZ10，表明這5個(gè)自交系游離氨基酸的綜合評(píng)價(jià)較好。這5個(gè)自交系的游離氨基酸總量也較高，與綜合評(píng)分結(jié)果相符合。SZ25 的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)最小，說明其游離氨基酸的主成分含量偏低，而其本身的游離氨基酸含量也偏低。

表6 各主成分分值

表7 不同玉米自交系的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)

3 結(jié)論

玉米品質(zhì)性狀中的氨基酸含量非常重要，不僅是蛋白質(zhì)合成的底物原料，還能通過自身及代謝產(chǎn)物所具有的生物活性對(duì)許多生命活動(dòng)起到調(diào)節(jié)作用[15]。有目的地對(duì)種質(zhì)資源的氨基酸組成及含量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，對(duì)玉米品質(zhì)育種具有重要意義。25份玉米自交系中共檢測(cè)出17 種游離氨基酸，其中包括7 種必需氨基酸、10 種非必需氨基酸。17 種氨基酸中Pro 含量最高，Glu 含量次之，Met 含量最少。在樣品的游離氨基酸組成中Pro、Glu、Asp、Thr、Ala 和Ser 含量較高，它們占游離氨基酸總量的61.55%～90.32%，不同來源的玉米自交系中，游離氨基酸的含量和種類存在顯著差異。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，17 種氨基酸之間具有不同程度的相關(guān)性，Ser 與Glu、Gly、Met 等多種氨基酸含量呈顯著或極顯著相關(guān)，這與孫強(qiáng)等[16]、祁新等[17]的研究結(jié)果基本一致。提高Ser 含量的同時(shí)也能提高這些氨基酸含量，同時(shí)Ser 含量與總氨基酸含量呈極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.730，這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于改善玉米品質(zhì)具有重要意義。

利用主成分分析法對(duì)25 份自交系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，高于平均得分的有10 份。其中SZ2、SZ3、SZ4、SZ5、SZ10 自交系得分突出。綜合游離氨基酸總量和主成分綜合評(píng)價(jià)指數(shù)得分進(jìn)行評(píng)價(jià)，SZ2、SZ3、SZ4、SZ5 和SZ10 的品質(zhì)較優(yōu)，SZ25 的品質(zhì)最差。本研究基于游離氨基酸含量對(duì)玉米品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，但對(duì)于氨基酸的遺傳分析及雜優(yōu)模式配合力分析有待進(jìn)一步研究。