不同来源菊芋种质资源品质性状多样性分析

赵孟良，刘明池，钟启文，何洪巨，季延海，李 莉

(1青海大学 农林科学院，青海省蔬菜遗传与生理重点实验室，青海 西宁 810016；2 北京市农林科学院 蔬菜研究中心，北京 100097；3西北农林科技大学 园艺学院，陕西 杨凌 712100；4 省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，青海 西宁 810016)

菊芋(HelianthustuberosusLinn)又名洋姜[1]，为菊科向日葵属多年生宿根植物，原产北美洲。菊芋适应性强、分布广，在全球的热带、温带、寒带以及干旱、半干旱地区都有分布，在我国大部分地区都有种植，其地方资源也十分丰富。近年来，菊芋在食品配料[2]、生态治理[3]、生物质能源[4]等方面都具有广泛的应用。菊芋块茎中富含菊粉，菊粉占菊芋干物质的80%以上，由于其低热能且富含膳食纤维，与目前普遍食用的甜味剂蔗糖相比，具有不会引发肥胖症、糖尿病和心血管疾病等健康问题的优势[5]，成为继淀粉、小麦精粉之后的又一重要食品及配料，已被世界上40多个国家批准为食品配料和营养增补剂[6]，对菊芋菊粉的加工和利用，显示出极大的发展潜力[7]。

目前关于菊芋营养品质方面的研究较多。孔涛等[8]对5种菊芋资源的块茎及茎叶的营养成分研究发现，菊芋茎叶的蛋白质含量小于10%，而灰分含量在5%～10%；红菊芋茎叶水分、灰分、脂肪、水溶性成分、适口性等指标皆最高，适宜作为牲畜饲料。王丽慧等[9]分别对2个品种菊芋秸秆的粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、粗灰分、钙、磷、无氮浸出物含量进行了测定。王芳芳等[10]通过消化试验，就菊芋粕对泌乳奶牛的营养价值进行评定，结果表明，菊芋粕是一种营养价值略低而养分消化率较高的能量饲料。吕炳起等[11]对花前的菊芋秸秆和葎草的营养成分的研究表明，菊芋秸秆中的营养成分优于葎草。上述研究大多是针对少量菊芋品种进行营养成分分析，而对不同来源、不同类型菊芋种质资源品质性状进行系统分析的研究尚未见报道。为此，本研究以近期收集自法国和丹麦的25份菊芋种质资源为材料，以我国4份菊芋种质资源为对照，对不同来源菊芋块茎中多种营养成分及其有效功能成分含量进行分析，为今后进行菊芋种质资源的分类、新品种选育和功能产品开发提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以保存在青海大学农林科学院种质资源圃中引自法国和丹麦的25份菊芋种质资源为材料，以来自我国的4份资源为对照(表1和图1)。试验材料种植于青海省西宁市城北区二十里铺镇青海大学农林科学院3号试验地，该地区属湟水流域灌区，土壤为栗钙土，土壤有机质含量20.28 g/kg，pH值8.12，土壤全氮含量1.17 g/kg，全磷含量2.18 g/kg，全钾含量22.5 g/kg，速效氮含量69.0 mg/kg，速效磷含量65.0 mg/kg，速效钾含量229.0 mg/kg[12]。于2014年4月10日进行菊芋资源的大田种植，株行距40 cm×60 cm，10月25日收获块茎，收获后于-4 ℃贮藏。

1.2 测定指标及方法

从每份资源中随机选取30个块茎切片混合作为品质测试样本，用冻干机(Labconco freeie dry system)冻干后带表皮磨粉后备用。菊芋资源块茎主要营养成分含量的测定方法为：含水率测定采用冷冻干燥法[13]，可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法[14]，蛋白质含量测定采用凯氏定氮法[15]，粗纤维含量测定采用酸碱洗涤剂法[16]，黄酮含量测定采用硝酸铝-亚硝酸钠法[17]，果聚糖含量测定采用HPAEC法[18]，淀粉含量测定采用酶水解法[19]。干物质含量=1-含水率。

表1 29份供试菊芋种质资源外观性状Table 1 Appearance of 29 Helianthus tuberosus Linn

1～29代表的菊芋种质资源名称同表1 1-29.The names are same as Table 1

1.3 数据统计与分析

各指标的最小值、最大值、平均值、标准差以及变异系数采用Microsoft Excel 2010分析。相应的主成分分析和聚类分析在 SPSS(19.0 版)软件上进行。为便于对块茎颜色性状进行相关分析，根据颜色深浅对其进行了赋值，定义紫色为5、红色为4、浅红色为3、粉色为2、白色为1。

2 结果与分析

2.1 菊芋种质资源的品质性状

菊芋种质资源块茎主要品质性状如表2所示。

表2 菊芋种质资源块茎的主要品质性状Table 2 Main quality traits of tuber statistics

由表2可见，菊芋种质资源变异系数最大的为黄酮，达到37.96%；其次是粗纤维和淀粉，变异系数分别为25.33%，17.77%；最小的为可溶性糖，变异系数为6.78%。果聚糖含量最高的是F20(60.30 g/kg)，最低的是F18(39.80 g/kg)，68.90%的菊芋种质资源果聚糖含量分布在40.00 ～60.00 g/kg；可溶性糖含量最高的是F12(73.36 g/kg)，最低的是D3(55.64 g/kg)，93.00%的菊芋种质资源可溶性糖含量分布在55.00～60.00 g/kg；蛋白质含量最高的是D13(12.37 g/kg)，最低的是青芋2号(5.81 g/kg)，79.30%的菊芋种质资源蛋白质含量分布在7.00～12.00 g/kg；黄酮含量最高的是D3(106.39 mg/kg)，最低的是F14(19.95 mg/kg)，75.90%的菊芋种质资源黄酮含量分布在30.00～50.00 mg/kg；粗纤维含量最高的是青芋3号(5.72 g/kg)，最小的是F5(1.16 g/kg)，75.90%的菊芋种质资源粗纤维含量分布在3.00～5.00 g/kg；淀粉含量最高的是青芋3号和D7(13.7 g/kg)，最低的是F17(7.0 g/kg)，82.80%的菊芋种质资源淀粉含量分布在8.0～13.0 g/kg。

由表3可知，29份菊芋种质资源中，来自丹麦的11份资源块茎品质含量中最高的为可溶性糖，其次为果聚糖含量；黄酮和粗纤维含量的变异系数均较高，分别为39.99%和26.29%。来自法国的14份种质资源中，块茎品质含量较高的为可溶性糖，其次是果聚糖含量；变异系数较大的是黄酮和粗纤维，分别为37.96%和25.33%。来自中国的4份菊芋种质资源中，品质性状含量较高的为可溶性糖含量，其次为果聚糖含量；变异系数较大的是黄酮和粗纤维，分别为39.50%和20.82%。从平均值来看，可溶性糖、蛋白质含量以法国资源最高；果聚糖、黄酮、粗纤维、淀粉含量均以中国资源最高。

表3 不同区域菊芋种质资源块茎的品质性状Table 3 Analysis of quality traits of Helianthus tuberosus Linn from different sources

2.2 菊芋种质资源块茎品质性状与颜色及干物质的相关性

表4结果表明，干物质与黄酮、果聚糖含量呈极显著正相关，与颜色呈显著正相关；黄酮含量与颜色呈极显著正相关；果聚糖含量与颜色也呈显著正相关；蛋白质含量与粗纤维含量呈显著负相关。

表4 菊芋块茎品质性状与颜色及干物质的相关性Table 4 Correlation between quality traits of tuber and color and dry matter of Helianthus tuberosus Linn

注：*表示显著相关(P<0.05) ，**表示极显著相关(P<0.01)。

Note：* means significant correlation (P<0.05), ** means extremely significant correlation (P<0.01).

2.3 菊芋种质资源块茎品质性状的主成分及聚类分析

对29份菊芋种质资源的主成分分析结果(表5)表明，前4个主成分果聚糖、可溶性糖、蛋白质和黄酮含量的累计贡献率达86.073 1% ，这4个主成分包含了所有性状的大部分信息，可以用来对菊芋材料进行综合评价。

表5 菊芋种质资源的主成分分析Table 5 Principal component analysis of Helianthus tuberosus Linn resources

由图2可以看出，在遗传距离为25.24处，可将29份菊芋种质资源分成3大类群。第Ⅰ类群包括25份菊芋种质资源，分为5个亚群，F12、D7、F9、F16、F20等5份为第1亚群；F19、D13、D1、青芋3号等4份为第2亚群；D12、D10、D4、D11、F6、F10、F18、D5等8份为第3亚群；F3、D8、D14、青芋4号、F5等5份为第4亚群，F17、青芋2号、F7等3份为第5亚群。第Ⅱ类群仅有F14 1份。第Ⅲ类群包括F2、D3、青芋1号3份资源。

基于相似系数的遗传距离 Genetic distance based on similarity coefficient

对29份来源不同的菊芋种质资源聚类结果中各类群的块茎品质性状进行分析，结果(表6)表明，第Ⅰ～Ⅲ类群中含量最高的均为可溶性糖，其次均为果聚糖。聚类结果与主成分分析相同，说明果聚糖、可溶性糖含量两个因子是研究菊芋种质资源品种性状的重点指标。

表6 不同类群菊芋块茎主要品质成分的比较Table 6 Comparison of main quality components of Helianthus tuberosus Linn from different groups

2.4 菊芋特异种质资源的筛选

根据品质性状测定结果，从菊芋种质资源中筛选出一批在品质性状上比较特异的资源，结果见表7。

表7 筛选的特异菊芋种质资源Table 7 Selection of specific Helianthus tuberosus Linn resources

根据本研究结果，对照中国食物成分表[20]中薯芋类作物的含量进行了界定，筛选出了特异菊芋种质资源，其中高果聚糖的3份，分别为F2、F20、D3；高可溶性糖的2份，分别为F12、F16；高蛋白质的1份，为D13；高黄酮的1份，为D3；高粗纤维的3份，分别为F12、F14、F17；高淀粉的3份，分别为F6、F7、D12。

3 讨 论

3.1 不同来源菊芋种质资源的品质性状比较

本研究结果表明，来自法国、丹麦、中国的29份菊芋资源块茎中品质性状存在差异，但均表现为块茎品质含量最高的为可溶性糖，其次为果聚糖；丹麦菊芋种质资源的黄酮和粗纤维含量的变异系数均较高[21]，分别为39.99%，26.29%，说明丹麦菊芋资源在黄酮、粗纤维上有很大的选择潜力。对来自不同国家的菊芋种质资源进行对比分析可知，中国种质资源黄酮及果聚糖含量比法国和丹麦高，特别是黄酮含量，这可能与中国种质资源皮色多为紫色和红色有关[22]；中国种质资源的粗纤维含量比法国和丹麦高，但蛋白质含量低，这也与相关系数的结果对应，蛋白质与粗纤维含量呈显著负相关。对菊芋种质资源品质性状进行的分析，可为今后进行菊芋种质资源的创新利用、新品种的选育提供可靠的依据[23]。

3.2 菊芋品质性状间的相关性

本研究对29份来源不同的菊芋资源品质性状相关性进行分析，结果表明，干物质与黄酮、果聚糖含量呈极显著正相关，与颜色呈显著正相关；黄酮含量与颜色呈极显著正相关；果聚糖含量与颜色呈显著正相关；蛋白质含量与粗纤维含量呈显著负相关。本研究分析了菊芋干物质、颜色与黄酮及果聚糖的相互关系，探究菊芋品质性状相关的最密切的指标，为后续菊芋资源的开发利用奠定了基础[24]。

主成分分析能够较好地解释群体方差的主要来源，从而获得解释方差的重要性状并简化研究性状，以利于更好地研究群体[25]。本研究中，菊芋块茎中果聚糖、可溶性糖、蛋白质、黄酮4个主成分的累计贡献率达 86.073 1%，这4个主成分包含了所有性状的大部分信息，为今后选育高糖专用菊芋品种及富含黄酮的功能菊芋品种，进而对菊芋材料进行综合评价提供了参考。

3.3 不同菊芋种质资源的聚类分析

菊芋在长期的进化过程中形成了稳定的遗传特性，同时导致不同地区的菊芋种质资源出现较高的遗传相似性[26]。本研究对29份菊芋资源进行聚类分析，并根据聚类结果对各类群的品质性状进行了比较分析。根据聚类结果，可将29份菊芋资源分成3大类群，并对不同类群的品质性状进行了分析，结果表明：第Ⅰ～Ⅲ类群中含量最高的均为可溶性糖，其次为果聚糖。聚类与主成分分析结果相同，说明了果聚糖、可溶性糖含量两个因子是今后菊芋资源品种性状中研究的重点指标。从聚类分析结果还可以看出，聚类分组与菊芋种质资源的来源无相关性。

3.4 特异菊芋种质资源的筛选

通过对菊芋资源进行系统的主要品质性状分析，从中筛选出特异性菊芋种质资源，其中高果聚糖资源3份，高可溶性糖资源2份，高蛋白资源1份，高黄酮资源1份，高粗纤维资源3份，高淀粉资源3份。品质性状特异的菊芋资源可用于今后功能食品的开发，以及作为杂交育种的亲本材料[27]。由于本研究中所筛选的菊芋资源大部分主要针对国外菊芋资源，后续可对保存的国内菊芋资源进行相关研究。

志谢:感谢国家自然科学基金、青海大学昆仑学者专项等项目的资金资助，对省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室、国家蔬菜工程技术研究中心和青海省蔬菜遗传与生理重点实验提供的实验条件一并表示感谢！

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