不同粒重大豆籽粒蛋白质、脂肪及可溶性糖积累动态

王春雨，李彦生，刘长锴，张秋英，3，金 剑，刘居东，刘晓冰

(1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土区农业生态重点实验室，哈尔滨 150081；3.中国科学院种子设计创新研究院，北京 100101)

0 引 言

【研究意义】大豆是起源于中国的作物之一，籽粒蛋白质含量达40%左右，可以加工成食品和饲料，成为人类和动物的重要蛋白质来源[1]。同时，大豆籽粒中含有20%左右的脂肪，是重要的油料作物。统计表明，95%的大豆油作为食用，其余5%作为工业用途[2]。不同品种大豆籽粒大小差异显著，按照目前国家标准，百粒重5.0～9.9 g为小粒大豆，10.0～14.9 g为中小粒大豆，15.0～19.9 g为中粒大豆，20.0～24.9 g为中大粒大豆，大于25.0 g为大粒大豆[3]。而大豆在加工过程中往往只被划分为小粒大豆、中粒大豆和大粒大豆3种。一般而言，小粒大豆用作芽用，中粒大豆用作饲料和油品的加工，而大粒大豆被用来与米饭一起蒸煮、菜用、做豆腐、豆奶和酱油等[4]。肖伶俐等[5]通过对不同大豆品种芽用特性比较发现，百粒重在7 g左右的小粒大豆品种适合芽用，百粒重在10～20 g的大豆品种比较适用于食用油的提取以及豆制品加工，百粒重大于30 g被亚洲蔬菜研究中心确定为鲜食菜用大豆品种的选择标准[6-7]。研究粒重不同的大豆蛋白质和脂肪等积累差异以及相关机制，对于不同用途大豆的品种选育和合理栽培具有重要科学意义。【前人研究进展】通过籽粒大小来划分大豆的用途，是因为大豆籽粒的大小与不同营养成分含量密切相关[8]。例如，宋江峰等[9]发现大豆籽粒大小与脂肪含量之间呈较强的负相关关系(r= -0.399)，与蛋白质的负相关关系则较弱(r= -0.015)。美国西部大豆种植区域百粒重9.2 g的小粒大豆蛋白质含量比百粒重18.6 g的中粒大豆低1%左右，但脂肪含量基本相同[10]。虽然以上研究结果基本证实大豆籽粒大小与蛋白质和脂肪含量存在密切关系。但是在同一生态条件下研究不同籽粒大小大豆籽粒灌浆期蛋白质和脂肪积累规律及差异的研究较少。有研究表明，籽粒灌浆过程中，籽粒蛋白质和脂肪的绝对含量与籽粒干物质重变化趋势基本一致，总体上表现为不断上升的趋势[11]。蛋白质和脂肪的相对含量在大豆籽粒灌浆过程中存在差异。于凤瑶等[12]指出，大豆籽粒中脂肪相对含量的变化呈先快后慢、最后趋于缓慢的S型曲线；蛋白质的相对含量则大致呈W型曲线变化，二者积累关键期在生殖后期。【本研究切入点】大豆籽粒灌浆过程中蛋白质和脂肪的积累很可能取决于大豆对光合产物的同化能力，例如光合产物获得能力较强的高节位籽粒中蛋白质和脂肪的相对含量更高[13]。邹琦等[14]发现在相同栽培条件下，小粒大豆的单株光补偿点和光饱和点都比普通大豆低，这很可能是导致籽粒大小不同大豆蛋白质和脂肪积累差异的原因。籽重不同的大豆籽粒干物质、蛋白质和脂肪积累规律差异的研究还鲜有报道，三者之间的关系尚不清楚。研究粒重不同的大豆籽粒蛋白质、脂肪及可溶性糖积累动态。【拟解决的关键问题】研究选取籽粒大小差异明显，但生育期基本一致的3个大豆品种作为材料，分析籽粒干物质、蛋白质和脂肪积累规律，阐明三者之间的相互关系，为大豆生物学规律和不同用途大豆的栽培和选育提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验在中国科学院东北地理与农业生态研究所哈尔滨试验场进行(45o73`N，126o61`E)。供试土壤为典型黑土，土壤总N为2.3 g/kg，速效N为148 mg/kg，速效P为48 mg/kg，速效K为75 mg/kg，有机质含量31 g/kg。

供试品种材料分别为小粒大豆：品系y53，百粒重为7.13 g左右，紫花，亚有限结荚习性，生育期为118 d左右；普通大豆：品系p13，百粒重为20.21 g左右，紫花，亚有限结荚习性，生育期为120 d左右；大粒大豆：品系025，百粒重约为30.54 g左右，白花，亚有限结荚习性，生育期为121 d左右。

1.2 方 法

试验采取小区随机区组方式，12行区，0.67 m垄距，5 m行长，3次重复。采取人工点播的播种方式，播种密度为33×104株/hm2，保苗27×104株/hm2。播种前施用化肥磷酸氢二铵150 kg/hm2，尿素50 kg/hm2和硫酸钾50 kg/hm2。生育期内人工除草，定期喷施杀虫剂控制虫害。

从始花期(R1)开始到叶片完全老化，每隔10 d采用手持便携式光合仪CI-301(CID公司，美国)测定大豆叶片光合速率。从鼓粒始期(R5)后第10 d(大约是开花后30 d)到籽粒完全成熟，每隔10 d对大豆籽粒进行取样。每次取样连续拔取大豆植株10株，摘取大豆中上部节位豆荚，去荚皮后籽粒放入烘箱中105℃杀青，30 min后于80℃烘至恒重，干样称重后置于干燥器中编号保存并用于不同指标的测定。

蛋白质含量的测定采取杜马斯燃烧定氮法[15]，总氮含量乘以换算系数6.25即得蛋白质含量，仪器为元素分析仪(Elementar GmbHE-Ⅲ，德国)。脂肪测定使用索氏提取法，精确称取粉碎后干样2.000 g左右放入滤纸斗中密封后称重，然后，放入装有乙醚的索氏提取器中提取12 h，借蒸发除去溶剂后称量滤纸包重量，通过差重得出样品中脂肪的含量。籽粒中可溶性糖用80%乙醇进行提取，采用经典蒽酮比色法进行测定。

1.3 数据处理

使用统计分析软件SPSS 16.0，利用单因素方差分析方法(one way ANOVA)对相同时期不同籽粒大小大豆样本数据差异进行统计分析；不同指标之间的相互关系通过Pearson相关系数显著性确定；对比不同方程的R2和显著性(Curve estimation)确定籽粒蛋白质、脂肪和可溶性糖与籽粒大小之间的回归关系。用专业画图软件SigmaPlot12.5画图。

2 结果与分析

2.1 粒重不同大豆籽粒干物质积累动态

研究表明，鼓粒前期(0～20 d)小粒大豆、普通大豆和大粒大豆籽粒干物质积累强度显著不同，所积累干物质分别达到最终干物质重的82%、49%和66%；在鼓粒后的20～30 d、30～40 d和40～50 d，小粒大豆籽粒干物质重比上一时期分别增加12%、3.8%和4.1%；普通大豆分别增加30%、26%和25%；大粒大豆则分别增加16%、17%和11%，即鼓粒前期是小粒大豆籽粒干物质积累的快速期和关键期，对籽粒的物质积累至关重要，而鼓粒后期对普通大豆和大粒大豆的物质积累同样重要。图1

3种大豆单株籽粒产量差异显著，其中普通大豆单株产量最高为36.2 g/株，比大粒大豆和小粒大豆分别高出38%和53%。图2

2.2 粒重不同大豆叶片生殖生长期光合速率

研究表明，生殖生长期3种大豆叶片净光合速率变化趋势相近，都呈单峰曲线变化。普通大豆和大粒大豆叶片光合速率在开花后0～30 d(始花期-鼓粒后10 d)保持较高水平，净光合速率峰值出现开花后30 d，之后逐渐降低。小粒大豆叶片净光合速率峰值则出现开花后20 d(鼓粒始期)，随后进入下降期。开花后30 d，大粒大豆叶片净光合速率比普通大豆和小粒大豆分别显著(P< 0.05)高出13%和22%。小粒豆与普通大豆和大粒大豆叶片净光合速率差异主要出现在开花后30～40 d，其他时期无显著差异(P> 0.05)。大粒大豆与普通大豆叶片净光合速率在其他时期并无显著(P> 0.05)差异。图3

2.3 粒重不同大豆籽粒可溶性糖积累动态

研究表明，3种大豆籽粒中可溶性糖积累趋势基本一致，在大豆鼓粒过程中籽粒可溶性糖含量呈先增加后下降的单峰曲线变化，峰值出现在鼓粒后20 d。高峰期大粒大豆籽粒中可溶性糖含量最高，比普通大豆和小粒大豆分别显著(P< 0.05)高出16%和50%。在鼓粒后20～50 d，3种大豆籽粒中可溶性糖含量均不断下降，但普通大豆和小粒大豆两者之间无显著差异(P> 0.05)；而鼓粒后40～50 d，大粒大豆籽粒中可溶性糖含量显著高于普通大豆和小粒大豆(P< 0.05)。图4

2.4 粒重不同大豆籽粒蛋白质积累动态

研究表明，3种大豆籽粒中蛋白质积累整体表现出鼓粒前期较低，籽粒成熟后达到最高值。普通大豆籽粒中蛋白质浓度在整个鼓粒期都显著(P< 0.05)低于小粒大豆和大粒大豆。小粒大豆和大粒大豆在鼓粒后20～50 d期间籽粒中蛋白质浓度无明显差异。小粒大豆籽粒中蛋白质浓度在40%～43%，普通大豆籽粒中蛋白质浓度在37%～39%，而大粒大豆籽粒中蛋白质浓度40%～43%。图5

2.5 粒重不同大豆籽粒脂肪积累动态

研究表明，3种大豆籽粒中脂肪积累规律基本相似，其浓度从鼓粒后10 d开始逐渐上升，并于鼓粒后40 d达到顶峰，完全成熟后则略有下降。3种大豆籽粒中脂肪含量在鼓粒前期差异不大，但后期差异明显。鼓粒后40 d，普通大豆籽粒脂肪浓度显著高于大粒大豆和小粒大豆，分别高出10%和20%，鼓粒后50 d，则显著高出8.8%和23%(P< 0.05)。但鼓粒后10 d，小粒大豆、普通大豆和大粒大豆籽粒中脂肪浓度，相当于完全成熟后籽粒中脂肪浓度的91%、76%和87%，即籽粒发育前期小粒大豆和大粒大豆的脂肪积累速率明显高于普通大豆。图6

2.6 籽粒大小与大豆籽粒蛋白质、脂肪和可溶性糖积累的关系

研究表明，大豆籽粒蛋白质(Yp)、脂肪(Yo)和可溶性糖浓度(Yf)与籽粒大小的关系可以分别用以下一元二次回归函数估计。表1

Yp=11.485+1.017X-0.024X2(R2=0.946，P< 0.001).

Yo=51.603-1.392X+0.038X2(R2=0.913，P< 0.001).

Yf=39.992-2.255X+0.073X2(R2=0.908，P< 0.001).

式中，X代表大豆籽粒百粒重。

在籽粒干物质快速积累期(0～20 d)，3种大豆籽粒干物质重与籽粒中可溶性糖和蛋白质浓度呈显著(P< 0.05)正相关关系，可溶性糖浓度与蛋白质浓度也表现出显著(P< 0.05)正相关关系。

在鼓粒中后期(30～50 d)，3种大豆籽粒内可溶性糖浓度与籽粒干物质重均呈显著(P< 0.05)负相关关系。普通大豆和大粒大豆籽粒中脂肪浓度与干物质重呈显著(P< 0.05)正相关关系。大粒大豆籽粒中脂肪浓度与可溶性糖和蛋白质浓度均呈显著(P< 0.05)负相关关系，蛋白质与可溶性糖浓度则呈显著(P< 0.05)正相关关系。小粒大豆的蛋白质、脂肪和可溶性糖浓度相关关系未达到显著差异水平。表2

表1 大豆籽粒大小与籽粒蛋白质、脂肪和可溶性糖浓度回归分析Table 1 Regression of seed protein, oi and soluble sugar concentration with seed size

表2 鼓粒不同时期籽粒干物质重、蛋白质、脂肪和可溶性糖浓度相关系数Table 2 Correlation analysis in soybean chemicals in different seed filling stage

3 讨 论

大豆籽粒灌浆前期是产量形成的关键时期[16]，研究表明，3种大豆在鼓粒0～20 d期间籽粒干物质重均快速增加，但增长速率明显不同。此时期小粒大豆籽粒所积累干物质达到最终干物质重的82%，而普通大豆和大粒大豆分别只有49%和66%，即鼓粒0～20 d是小粒大豆籽粒灌浆的“线性增长期”。协调好此时期大豆光合产物生产和运输是确保小粒大豆籽粒干物质积累及其最终粒重的关键。由于鼓粒0～20 d期间，豆荚类型和数量已经确定，而且3种大豆的叶片光合速率无明显差异，表明“库强”的大小成为光合产物积累速率的主要限制因素[17]。研究中3种大豆“库强”大小表现为小粒大豆<大粒大豆<普通大豆，而此时期籽粒中光合产物积累速度则表现为小粒大豆>大粒大豆>普通大豆。籽粒大小不同大豆籽粒灌浆策略有所不同，小粒大豆前期光合产物积累速率快，伴随着较高的可溶性糖含量，而且叶片光合速率峰值早，后期叶片光合速率显著低于普通大豆和大粒大豆，籽粒干物质增加缓慢，小粒大豆的“库强”反馈调节“源端”的光合产物输出能力，提高该段时期大豆光合产物供应能力有利于该类型大豆产量的提高[18-19]。而普通大豆和大粒大豆类型叶片光合速率峰值出现的较晚，前期和后期光合产物积累均衡，普通大豆和大粒大豆“库强”对“源端”的负反馈相对较低[20]。这种现象也体现在灌浆过程中籽粒可溶性糖浓度的品种间差异，表明在籽粒灌浆过程中“源”和“库”的调节地位不同，鼓粒后期“库强”对普通大豆和大粒大豆的调控地位更加突出[21]。

大豆籽粒中蛋白质和脂肪含量是衡量大豆籽粒品质的重要指标之一。研究发现，3种大豆籽粒中蛋白质积累整体上均表现出鼓粒前期较低，籽粒成熟后达到最高值的趋势，该结果与前人研究结果一致。例如Kim等[22]发现，百粒重为11和22 g的2个大豆品种籽粒中蛋白质浓度随着籽粒的成熟而不断增加。但研究发现，普通大豆籽粒中蛋白质浓度在整个鼓粒期都显著低于小粒大豆和大粒大豆，这或许与不同品种对营养器官的氮元素再利用能力的差异有关[23-24]。Chung等[24]认为蛋白质浓度高的大豆品种在籽粒灌浆后期对营养器官的氮元素再利用能力更强，同时这种较高比例氮素再利用会降低光合产物持续供应能力造成产量及与碳相关化合物含量的下降。Poeta等[25]指出，大豆鼓粒后期叶片面积较大且衰老迅速的品种虽然产量低但籽粒中蛋白质含量较高。研究发现小粒大豆和大粒大豆的产量要低于普通大豆，而蛋白质含量相对较高，进一步证实了这种观点。鉴于大豆籽粒大小与蛋白质浓度都属于数量遗传性状，两者之间的关系较为复杂[26-27]，在育种工作中培育出产量高同时籽粒蛋白质浓度高的品种仍具挑战性。

大豆籽粒脂肪浓度在籽粒鼓粒期的变化趋势与蛋白质类似，只是在籽粒成熟时略有下降，这与前人研究结果一致，如刘中奇等[28]通过对不同熟期的3个大豆品种脂肪积累规律的研究发现，各品种脂肪积累总体上是先稳定上升，在接近成熟时略有下降，这是因为籽粒不断增加的干物质为两者的合成提供了原料和能量[29]。

已有研究表明，大豆籽粒脂肪和蛋白质浓度的变化与籽粒内其他化学物质，特别是光合产物的变化密切相关[30]；豆科作物鼓粒初期，氨基酸合成蛋白质需要大量来自光合产物的C架[31]；提高鼓粒期大豆同化产物供应能力有利于提高籽粒内蛋白质的积累[32-33]。研究发现，在鼓粒0～20 d期间，籽粒蛋白质浓度与可溶性糖浓度和干物质重呈显著(P< 0.05)正相关关系，表明籽粒内的可溶性糖是合成蛋白质的基础。稳定同位素14CO2标记技术示踪光合C在籽粒内的代谢证明，40%标记的C会经过苹果酸代谢途径用来合成蛋白质[34]。功能性蛋白质的单拷贝基因表达量往往与籽粒中其他物质含量密切相关[29]。普通大豆成熟籽粒中的蛋白质含量显著低于小粒大豆和大粒大豆，同时脂肪含量高。这种结果可能与籽粒形成后期普通大豆营养器官氮素转移量相对较低，但光合产物供应和运输能力强有关，相关机制有待于深入探讨。

4 结 论

粒重不同大豆籽粒蛋白质、脂肪和可溶性糖含量差异明显，大粒大豆籽粒中可溶性糖含量最高；小粒大豆和大粒大豆籽粒蛋白质含量显著高于普通大豆；而普通大豆籽粒中脂肪含量显著高于小粒大豆和大粒大豆。粒重不同大豆籽粒干物质积累规律具有明显差异，鼓粒前期是小粒大豆籽粒干物质积累的快速期和关键期，对籽粒的物质积累至关重要。鼓粒后期对普通大豆和大粒大豆的物质积累同样重要，特别是对普通大豆籽粒中蛋白质和脂肪的积累。