冬小麦氨基酸品质与气候生态因子关系研究

信志红，郭建平，谭凯炎，刘凯文，杨荣光，张利华，孙 义

(1.山东省东营市气象局,山东 东营 257091;2.中国气象科学研究院,北京 100081;3.南京信息工程大学气象灾害预警预报与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;4.湖北省荆州农业气象试验站,湖北 荆州 424025;5.山东省泰安市气象局,山东 泰安 271000;6.江苏省徐州市气象局,江苏 徐州 221009;7.安徽省宿州市气象局,安徽 宿州 234000)

引 言

氨基酸是组成蛋白质的基本零件，是完成生命活动的主要功能行使者，其组成的平衡程度对小麦籽粒营养品质的提高尤为重要[1]。近年来，国内外有关冬小麦籽粒品质的研究一直在继续[2-3]，如从品种特性方面对春小麦蛋白质、脂肪、淀粉含量间的关系进行研究，认为蛋白质和脂肪百分含量均与淀粉百分含量呈极显著负相关，而蛋白质百分含量与脂肪百分含量间为极显著正相关[4]；从遗传与生态环境协调性等方面针对小麦品质生态区进行划分，指出北方冬麦区的蛋白质数量和质量都优于南方冬麦区[5-6]，并绘制冬小麦蛋白质含量随生态因子的变化曲线[7]。另外，在相同的田间管理条件下，气候条件与环境因子对小麦产量和品质有很大影响[8-14]，小麦籽粒生长期间的温、光、水等气候条件是影响籽粒蛋白质含量的最主要因素[15-17]，小麦开花至成熟期较高的CO2浓度和日均温度使小麦品质性状改善但出现低产[18]，花后渍水和干旱逆境下施用氮肥对小麦籽粒蛋白质积累有明显的调节效应[19-20]，缺水旱地小麦可能获得较高的蛋白质但产量降低等[21-22]。上述研究对了解生态因子对小麦籽粒品质的影响状况有一定参考性，但均缺乏针对小麦蛋白质组分——氨基酸的品质及其与环境因子关系的论述。本文基于在南、北方5个冬麦区开展的地理分期播种试验，在对冬小麦氨基酸含量品质进行变异分析的基础上，利用主成分和聚类分析对氨基酸水平进行品质评价，并通过典型相关和回归方法深入分析冬小麦氨基酸品质与灌浆期环境因子的关系，筛选影响显著的气候生态因子建立氨基酸预测模型，以期为研究区域内冬小麦调优育种栽培提供定量化的技术参考和更翔实的理论依据。

1 数据来源与处理

1.1 数据来源

1.1.1 试验设计

试验于2016年10月至2017年6月分别在河北固城(115°40′E、39°08′N)、山东泰安(117°09′E、36°10′N)、江苏徐州(117°09′E、34°17′N)、安徽宿州(117°05′E、33°64′N)、湖北荆州(112°09′E、30°21′N)5个冬麦区农业气象观测试验站进行，图1为5个试验站点分布。供试品种均为当地主麦区推广品种，分别为半冬性品种郯麦98、山农18、徐麦33、皖麦52和弱春性品种郑麦9023。试验以各地适播期为界分别设早播10d、适播、迟播10d、迟播20d 共4个播期处理；小麦播种时选择同批次麦种在不同播期进行播种，播种量与当地农田保持一致，播种方式采用南北方向条播，保持良好的通风透光，行距统一为20 cm；小区排列采用拉丁方设计，试验地平整，土壤质地、耕作方式、土壤肥力、田间管理措施等与当地大田一致，开花前定量喷洒农药防治蚜虫，生长季内未受气象灾害及病虫害影响。观测试验与考种方法均按农业气象观测规范[23]进行，依照地面气象观测规范[24]在试验点所在气象站开展灌浆期内气象要素平行观测工作。

图1 试验站点分布Fig.1 The distribution of test stations

1.1.2 氨基酸品质及气象数据测定

将成熟收获的小麦籽粒正常晾晒风干，统一进行氨基酸品质测定，检测采用异硫氰酸苯酯(PITC)法。气候生态观测要素主要包括灌浆期内的逐日平均气温、最高气温、最低气温、降水量、日照时数、风速、空气相对湿度、土壤湿度等。

1.2 数据分析处理

对不同处理的冬小麦氨基酸品质指标进行方差分析(ANOVA)[25]，对F测验显著因子采用Student Newman Keuls Test法(S-N-K法)进行两两比较[26]；利用变异系数(CV)比较样本资料变异程度的大小；对冬小麦氨基酸品质指标进行主成分分析(PCA)和聚类分析，主成分分析时首先对原始检测数据进行标准化处理，求算相关系数矩阵、特征值和方差贡献率，再根据因子特征根大于1和方差总贡献率超过85%的原则[27]提取主成分，构建品质指标综合评判数学模型，聚类分析时选用平方欧氏距离为度量准则，以组间连接法为组群合并准则进行分类；对气候生态因子与氨基酸品质进行组变量典型相关分析，选取通过显著性检验的典型相关变量方程进行相关程度分析；选用逐步回归法[28]构建氨基酸品质与气候生态因子关系的最优回归方程，并采用F统计量检验回归方程的拟合优度。

2 结果与分析

2.1 冬小麦氨基酸含量差异

表1列出不同试验区冬小麦氨基酸含量。可以看出，冬小麦氨基酸含量中，谷氨酸平均含量最高，为34.65‰±4.24‰，蛋氨酸平均含量最低，为1.10‰±0.10‰；必需氨基酸中，亮氨酸含量最高，为7.97‰±0.51‰，蛋氨酸含量最低；半必需氨基酸中，精氨酸含量为6.43‰±0.95‰，组氨酸含量为2.17‰±0.64‰；非必需氨基酸中，谷氨酸含量最高，酪氨酸含量最低，为1.95‰±0.17‰；被称为第一限制性氨基酸——赖氨酸的平均含量为3.71‰±0.23‰。冬小麦氨基酸各成分含量存在不同程度的差异，组氨酸含量变异系数最大，为29.7%，变幅为1.57‰～3.20‰，脯氨酸含量变异系数最小，为4.6%，变幅为12.10‰～13.54‰；必需氨基酸、半必需氨基酸、非必需氨基酸成分含量变异系数平均值分别为7.97%、22.25%、11.47%，表明半必需氨基酸变异程度最大，非必需氨基酸变异程度次之，必需氨基酸变异程度最小。各试验区冬小麦氨基酸成分含量呈现出北方高于南方的区域分布特征，除蛋氨酸和丙氨酸之外的其他14类氨基酸成分均为固城郯麦98含量最大，苏氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、组氨酸、精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、丝氨酸、甘氨酸共9类氨基酸成分均为泰安山农18含量次大，所有7类必需氨基酸成分和谷氨酸、脯氨酸、酪氨酸3类非必需氨基酸成分均为徐州徐麦33含量最小；不同区域苏氨酸、苯丙氨酸、精氨酸、天冬氨酸、谷氨酸和甘氨酸含量差异显著(P<0.05)，其他氨基酸成分含量差异不显著(P>0.05)。

表1 不同试验区冬小麦氨基酸含量差异Tab.1 The differences in amino acid content of winter wheat in different test area

注：上标不同字母表示同类平均值数据差异显著(P<0.05)，SD为标准差，CV为变异系数。

变异系数的差异反映了性状在进化保守性或遗传可塑性方面的不同及其对环境条件的适应程度，进行品种或变异类型选育时应予以考虑[29]。上述分析表明，必需氨基酸、半必需氨基酸、非必需氨基酸含量变异系数差异较大，其中必需氨基酸和非必需氨基酸含量变异系数相对较小，因而其适应性较强，对气候生态环境的要求相对宽松，但进一步提升该品质含量的难度也相对较大；而半必需氨基酸变异系数最大，表明该品质变异范围广，对不同环境的适应范围相对较弱，对地点和气象条件的要求相对严格，但在进行优质育种时选择潜势较大。

2.2 冬小麦氨基酸品质评价

2.2.1 主成分分析评价

主成分分析方法是目前品质综合评价的一种有效方法[30-32]，其目的之一是利用变量间具有较强相关性的特点，对原变量进行降维分析，用少量的综合指标来描述多种指标或因素之间的关系[33]，综合得分的高低反映供试品种的优劣，综合得分越高，相应品种越优良[34]。对供试冬小麦的16项氨基酸品质指标检测数据进行主成分分析(表2、表3)，可以看出，第一主成分(PC1)中包含了除蛋氨酸和赖氨酸之外的14项氨基酸品质指标，其特征向量绝对值在0.699～0.990之间，除丙氨酸含量与品质呈负相关外，其他各指标含量均与品质呈正相关，因此第一主成分已包含了大部分氨基酸的品质构成；第二主成分(PC2)主要代表了具有促进人体脾脏、胰脏及淋巴功能的必需氨基酸——蛋氨酸的含量，其特征向量值为0.901；第三主成分(PC3)主要代表了具有促进大脑发育、脂肪代谢、防止细胞退化功能的必需氨基酸——赖氨酸的含量，特征向量值为0.750。以上3个主成分的累积贡献率达97.796%，说明原有变量的大部分信息已得到解释，这3个主成分能够代替原来的16项指标来评价冬小麦的氨基酸品质。

表2 冬小麦氨基酸品质指标主成分特征值Tab.2 Principal component eigenvalues of amino acid quality index of winter wheat

表3 冬小麦氨基酸品质指标主成分因子载荷矩阵Tab.3 Principal component factor load matrix of amino acid quality index of winter wheat

通过各主成分特征值和载荷矩阵计算方程系数，同时对氨基酸品质数据进行标准化，构建前3个主成分分值(F)与氨基酸各品质指标(X)的线性方程式：

F1=0.287X1+0.278X2+0.052X3+

0.264X4+0.290X5+0.289X6+

0.176X7+0.271X8+0.261X9+

0.219X10+0.268X11+0.250X12+

0.276X13-0.204X14+0.260X15+

0.245X16

(1)

F2=-0.091X1+0.163X2+0.561X3+

0.161X4+0.080X5+0.006X6+

0.143X7-0.214X8-0.245X9-

0.393X10-0.212X11-0.320X12+

0.119X13-0.153X14+0.282X15+

0.270X16

(2)

F3=-0.038X1+0.069X2-0.310X3+

0.280X4-0.042X5-0.119X6+

0.637X7-0.047X8-0.117X9-

0.161X10+0.144X11+0.031X12-

0.230X13+0.447X14-0.049X15+

0.280X16

(3)

以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总特征值之和的比率作为权重，建立主成分综合分值计算模型：F=0.747F1+0.165F2+0.089F3，进一步计算得到：

F=0.196X1+0.241X2+0.104X3+

0.248X4+0.226X5+0.207X6+

0.211X7+0.163X8+0.144X9-

0.085X10+0.178X11+0.136X12+

0.205X13-0.138X14+0.236X15+

0.252X16

(4)

利用上述数学模型计算5个试验点冬小麦氨基酸品质的主成分和综合主成分得分，并对得分值进行排序(表4)，用以评价各试验点小麦品种的氨基酸品质优劣。可以看出，第一主成分(PC1)评价中，固城郯麦98和泰安山农18分值为正，品质表现较好，荆州郑麦9023、宿州皖麦52、徐州徐麦33得分依次递减且为负值，品质表现较差；第二主成分(PC2)针对蛋氨酸的评价中，荆州郑麦9023品质表现最好，其他品种均为负值，品质表现较差；第三主成分(PC3)针对赖氨酸的评价中，宿州皖麦52、固城郯麦98、荆州郑麦9023得分均为正值，品质表现较好，徐州徐麦33和泰安山农18得分为负，品质表现较差；综合主成分(PC)评价与第一主成分评价类同，固城郯麦98综合品质表现最好，其次为泰安山农18综合品质较好，而荆州郑麦9023、宿州皖麦52、徐州徐麦33分值均为负，综合品质表现较差。

表4 冬小麦氨基酸主成分分值及排序评价Tab.4 Amino acid principal component scores and ranking evaluation of winter wheat

2.2.2 聚类分析评价

聚类分析是数理统计中用于研究分类的一种方法，依据物以类聚原则，引用分类学与多元统计分析技术，将具有类似属性的事物聚为一类，使同一类事物具有高度相似性，其在育种和品种资源调查等工作中有广泛应用。将氨基酸成分含量作为分类指标对各试点品种进行聚类分析(图2)。将各试点品种分为两类时，固城郯麦98为Ⅰ类,其他4个品种聚为Ⅱ类；分为三类时，固城郯麦98为Ⅰ类，泰安山农18和宿州皖麦52聚为Ⅱ类，徐州徐麦33和荆州郑麦9023聚为Ⅲ类；分为四类时，固城郯麦98为Ⅰ类，泰安山农18为Ⅱ类，宿州皖麦52为Ⅲ类，徐州徐麦33和荆州郑麦9023聚为Ⅳ类。结合表1数据分析发现，类群排列与冬小麦氨基酸成分含量及其地域分布关系密切，第Ⅰ类固城郯麦98位于华北区域，其氨基酸成分平均含量最高，为7.74‰，且有14类氨基酸成分含量均列最高；第Ⅱ类泰安山农18位于黄淮北部区域，其氨基酸成分平均含量次高，为6.94‰，且有9类氨基酸成分含量均列次高；第Ⅲ类宿州皖麦52位于黄淮南部区域，其氨基酸成分平均含量列第三高值，为6.56‰；第Ⅳ类群徐州徐麦33和荆州郑麦9023分别位于黄淮南部和江淮区域，其氨基酸成分平均含量相对较低，其氨基酸成分含量平均值为6.21‰。另外，聚类分析中对固城郯麦98和泰安山农18的类群划分与主成分分析中对两者的综合评价排序表现一致。

图2 冬小麦氨基酸含量聚类图Fig.2 Winter wheat amino acid content clustering map

2.3 冬小麦氨基酸品质与气候生态因子的关系

小麦灌浆期内的气象条件是影响小麦籽粒品质形成的主要因素[11]，温、光、水等气候生态因子对小麦籽粒产量与品质性状存在着不同程度的影响[16]。对冬小麦灌浆期内的积温、平均气温、日最高气温、日最低气温、气温日较差、空气相对湿度、平均风速、降水量、日照时数及土壤湿度等要素与品质指标进行典型相关分析得到两组变量的相关性，通过回归分析选择相关显著的因子(P<0.05)与品质指标构建关系方程。

2.3.1 氨基酸品质与气候生态因子的典型相关分析

典型相关分析方法是测度两组变量之间相关程度的一种多元统计方法，是简单相关、多重相关的推广。对冬小麦氨基酸成分含量与灌浆期气候生态因子进行典型相关分析，共得到16对典型变量，其中13对典型变量(表略)的典型相关均达到极显著水平(P=0.000)。

在13对达到极显著相关水平的典型变量中，第1对至第5对变量表现的主要是必需氨基酸中缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸含量与灌浆期内最高气温、最低气温、平均最高气温与平均最低气温差值之间的相关关系；第6对至第8对变量表现的主要是必需氨基酸中缬氨酸、苯丙氨酸和赖氨酸含量，非必需氨基酸甘氨酸、半必需氨基酸精氨酸含量与灌浆期内各层土壤湿度之间的相关关系；第9对、第10对和第12对变量表现了必需氨基酸中亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸和非必需氨基酸脯氨酸含量与灌浆期内日照时数相关密切；第11对和第13对变量表现的是部分必需氨基酸与平均最低气温和平均最高气温之间的相关性，与第1对至第5对典型变量的分析结果有一致性。结合气象观测试验数据分析，灌浆期内最高气温在29.5～38.3 ℃之间时，其与缬氨酸和亮氨酸含量呈正相关；最低气温在13.7～18.0 ℃之间时，其与亮氨酸含量呈负相关，而与缬氨酸和异亮氨酸含量呈正相关；平均最高气温与平均最低气温差值在9.3～15.5 ℃之间时，其与缬氨酸含量呈负相关，与异亮氨酸和亮氨酸含量均呈正相关。结合土壤湿度试验数据分析，10 cm土壤湿度在14.1%～24.6%之间时，其与缬氨酸含量呈正相关，与甘氨酸含量呈负相关；20 cm土壤湿度在11.9%～21.7%之间、30 cm土壤湿度在11.3%～22.3%之间时，一般与甘氨酸和精氨酸含量呈负相关；40 cm土壤湿度在10.5%～23.3%之间时，其与苯丙氨酸和赖氨酸含量呈正相关。另外，灌浆期日照时数在201.2～481.0 h之间时，其与缬氨酸和脯氨酸含量呈正相关。

2.3.2 构建氨基酸品质与气候生态因子关系方程

以氨基酸品质为目标函数，应用逐步回归方法剔除对目标函数影响不显著的因子，建立气象因子与氨基酸品质关系的最优多元线性回归模型(表5)。建模过程中表明，除蛋氨酸、赖氨酸、丙氨酸三类氨基酸指标，因无显著影响因子不能作为构建回归方程的变量外，其他13类氨基酸指标对应回归方程的显著性水平都在显著以上，具有统计学意义。方程的回归系数显示，冬小麦籽粒氨基酸品质与最高、最低气温及土壤湿度等要素关系密切，一般表现为随气温日较差增大，氨基酸含量不同程度增高，如灌浆期内平均最高气温与平均最低气温差值每上升1 ℃，必需氨基酸中的苏氨酸和苯丙氨酸含量将分别增加0.301‰和0.353‰，两类半必需氨基酸含量将分别增加0.294‰和0.417‰，非必需氨基酸中的天冬氨酸和丝氨酸将分别增加0.511‰和0.281‰，这与较大的气温日较差有利于增加光合产物减少呼吸消耗，增加营养成分积累有关。随最低气温平均值升高或土壤湿度增大，氨基酸含量有不同程度降低的趋势，如灌浆期内最低气温平均值每增加1 ℃，必需氨基酸中缬氨酸和异亮氨酸含量分别减少0.184‰和0.169‰，非必需氨基酸中甘氨酸、脯氨酸和酪氨酸含量将分别减少0.255‰、0.483‰和0.137‰；灌浆期内10 cm和30 cm深土壤湿度每增加1%，必需氨基酸中的亮氨酸和非必需氨基酸中的甘氨酸含量将分别减少0.107‰和0.075‰，这与干燥的土壤有利于氮的积累有关，并且与前述的氨基酸和气候生态因子典型相关分析结果一致。

表5 冬小麦氨基酸品质与灌浆期气候生态因子关系模型Tab.5 Relationship between amino acid quality of winter wheat and meteorological ecological factors during grain filling

3 结论与讨论

(1)冬小麦氨基酸品质含量分布有差异性，非必需氨基酸——谷氨酸平均含量为34.65‰±4.24‰列最高，必需氨基酸——蛋氨酸平均含量为1.10‰±0.10‰列最低，第一限制性氨基酸——赖氨酸的平均含量为3.71‰±0.23‰。半必需氨基酸变异系数最大为22.25%，变异范围广，在进行优质育种时选择潜势较大，非必需氨基酸和必需氨基酸变异系数分别为11.47%和7.97%，变异程度相对较小，环境适应性较强。北方麦区品种郯麦98和山农18氨基酸品质含量均高于南方麦区各供试品种，且部分氨基酸成分含量地域性差异显著。

(2)冬小麦籽粒氨基酸品质可由3个主成分解释评价，其中第一主成分包含大部分氨基酸的品质构成，第二主成分主要代表了具有促进人体脾脏、胰脏及淋巴功能的必需氨基酸——蛋氨酸的含量，第三主成分主要代表了具有促进大脑发育、脂肪代谢、防止细胞退化功能的必需氨基酸——赖氨酸的含量；氨基酸品质综合评价中，固城郯麦98表现最优，泰安山农18表现较好，而荆州郑麦9023、宿州皖麦52、徐州徐麦33表现较差。聚类分析表明，类群排列与冬小麦氨基酸成分含量及其地域分布关系密切，华北麦区品种郯麦98氨基酸成分含量最高为第Ⅰ类，黄淮北部麦区品种山农18氨基酸成分含量次高为第Ⅱ类，黄淮南部麦区皖麦52为第Ⅲ类，黄淮南部麦区徐麦33和江淮麦区郑麦9023氨基酸成分含量相对较低为第Ⅳ类。上述分析均与差异分析中北方麦区品种氨基酸品质含量高于南方麦区各品种的结论一致。

(3)典型相关和回归分析表明，灌浆期内气温日较差和最高气温对大部分氨基酸品质含量形成有正效应，最低气温平均值和土壤湿度对氨基酸品质含量形成有负效应，表明白天略高的高温与夜间适当的低温易形成较大的气温日较差，从而增强白天的光合作用和减弱夜间的呼吸作用，利于小麦籽粒营养成分的积累和增加对氮的吸收量，而较低的土壤湿度即相对干燥的土壤对氮的积累有积极作用。

研究显示，北方冬麦区日较差大的气温条件更利于冬小麦籽粒氨基酸含量的积累和储存，其氨基酸含量品质高于南方冬麦区。小麦籽粒品质不仅受基因类型调控，同时还受生态环境的影响[35-37]。从冬小麦氨基酸含量品质的变异分析入手，通过主成分和聚类分析，可实现对氨基酸品质由定性评价到定量评价的转变，同时通过典型相关分析，发现各环境因子对各类氨基酸品质的影响程度不同，必需氨基酸含量与气候生态因子的相关性更显著。作用于黄体、乳腺及卵巢组织的缬氨酸含量可通过适当提升灌浆期高低温要素值和降低高低温差值的方法来提高，对机体具有协调和平衡作用的异亮氨酸和亮氨酸含量可通过适当提高灌浆期日较差的方法来提高，而参与消除肾及膀胱功能损耗的苯丙氨酸与促进大脑发育和脂肪代谢及防止细胞退化的限制性氨基酸——赖氨酸含量则可通过调节灌浆期土壤湿度的方式来提升；对于半必需氨基酸精氨酸和非必需氨基酸甘氨酸来说，适当降低灌浆期30 cm土壤层湿度将有助于提高其含量，而适当调节灌浆期内的日照时数也将不同程度影响多类氨基酸的含量。研究成果指出了改良和提高小麦品质的气候生态因子调节途径，对优质小麦生产具有十分重要的意义。