中国紫苏籽粒性状及对品质产量的影响分析

商志伟， 杨仕梅， 张天缘， 徐 静， 王仙萍， 温 贺， 杨 森，张 恒， 田 飞， 张 品， 王文华， 沈 奇,

(1.贵州省农业科学院油菜研究所， 贵阳 550008；2.贵州大学生命科学学院，山地植物资源保护与种质创新省部共建教育部重点实验室， 贵阳 550025)

紫苏(Perillafrutescens(L.)Britt.)别名荏、苏麻、引子、桂荏、白苏、赤苏等，是唇形科一年生草本植物[1-2]。紫苏原产于中国，至今已有2 000多年的栽培历史，在我国的华北、华中、华南、西南等地区均有分布，在印度、缅甸、日本、朝鲜、韩国等国家也有引种及种植[3-5]。中国药典记载紫苏叶、紫苏籽和紫苏梗均可入药，但未做种下变异类型的规定。我国从《证类本草》中就区别紫苏和白苏，前者叫苏，后者叫荏[6-7]。两者的种子特征，包括大小、颜色、硬度及脊纹均有较大差异[8]。紫苏籽形态特征是作为其种群分类的一个重要依据。此外，紫苏籽作为药材，归肺经，主要有降气化痰，止咳平喘，润肠通便等功效，用于治疗痰壅气逆，咳嗽气喘，肠燥便秘[9]。紫苏籽中还富含油脂[10]，其油脂中α-亚麻酸含量可高达65%，是陆生植物中α-亚麻酸含量最高的物种之一[11]，具有降血脂、降血压、抗血栓，影响脑神经视神经功能，抑制过敏以及免疫调节作用[12]，具有重要的应用价值及经济前景。

鉴于紫苏种下变异及果实形态的多样性，而籽粒表型性状与其品质产量间关系的研究又一直缺乏系统性。因此，本研究对431份紫苏种质资源的籽粒表型特征及品质产量进行考察，通过相关性及聚类分析，获得籽粒表型性状与分类对品质产量间影响的依据，以期为紫苏籽的研究与应用提供指导。

1 材料和方法

1.1 材 料

431份紫苏为2010—2016年收集的国内各地及日本种质资源(资源来源地及分类情况见表1)。经贵州省农业科学院油菜研究所紫苏课题组鉴定，363份种质属于紫苏原变种(Pfvar.frutescens)，68份种质属于回回苏变种(Pfvar.crispa)。

表1 431份紫苏籽粒来源

1.2 仪 器

分析天平(FA 2014 N型)，显微镜(OLYMPUS SZX 9)，数显谷物硬度仪(浙江托普云，GWJ 1)；标准色卡；近红外分析仪(FOSS)。

1.3 方 法

试验采用随机区组设计，于2017年3月中旬统一播种，直播定苗，每穴1株，行距40 cm，窝距30 cm，小区面积20 m2，重复3次。

收获种子后进行种子表型考察及品质性状分析。

千粒重：随机选取1 000粒称重，重复3次，取平均数。

籽粒大小：取10粒并排一条直线，钢尺测量，重复3次，取平均值。

籽粒硬度：取5粒种子，采用数显谷物硬度仪进行测量，取平均数。

籽粒含油量及α-亚麻酸(C 18：3)含量：采用近红外光谱测定。

单株产量：随机选取5株植株，测定其种子产量，取平均值。

种皮颜色：选择代表性颜色的果实，采用标准色卡核对果皮颜色色号，再合并成一种颜色类型，所有果实样品可以区分为4种颜色，分别赋值：1为褐色，2为白色，3为灰色及4为其他；其中，其他包含花色，粉色，黄色，绿色等。

脊纹高度：在显微镜下观察果实外表纹路，脊纹显著高出果皮，为高脊纹，赋值为1；脊纹略高于果皮或不明显，为低脊纹，赋值为0。

1.4 统计分析方法

数据统计采用SPSS 19.0软件。形态特征量化后采用R语言包采用k-means法进行聚类及主成分分析。

2 结果和分析

2.1 特征分析

对供试样品籽粒的千粒重、大小、硬度、含油量、α-亚麻酸(C 18：3)含量、单株产量、种皮颜色、种皮表面脊纹高度等8个指标进行统计分析(见表2)。结果表明，除种皮颜色、种皮表面脊纹高度以外的6个指标中，变异系数从大到小分别为单株产量、千粒重、硬度、含油量、籽粒大小、α-亚麻酸含量。其中籽粒单株产量变幅变异系数最大，为0.838，变幅为0.2～65.371 g。α-亚麻酸的变异系数最小，仅为0.092。种皮颜色中，346份(80.278%)材料的种皮为褐色，44份(10.209%)种皮为白色，24份(5.568%)种皮为灰色，还有17份(3.944%)种皮为黄色，黄粉及绿色等颜色。种皮的脊纹有367份(85.151%)为低脊纹，64份(14.849%)为高脊纹。

表2 紫苏籽粒形态特征

通过相关性分析(表3)发现，紫苏籽粒千粒重与籽粒大小呈显著正相关，即表现为千粒重越大的籽粒大小也越大。两者均与硬度呈显著负相关，即表现为千粒重小，籽粒小的种子硬度越高。种皮的颜色与千粒重及种子大小呈正相关。种皮脊纹与千粒重、籽粒大小及颜色呈正相关。由于种皮颜色和脊纹均为赋值数据，其表现相关性规律还需进一步分析。籽粒品质中，α-亚麻酸与千粒重、颜色呈正相关，与其他指标的相关性不显著。而含油量与千粒重，种子大小均呈显著正相关，与硬度呈现显著负相关。即表现为千粒重大，籽粒大，硬度低的种子含油量较高。产量性状中的单株籽粒产量与千粒重、籽粒大小呈显著正相关。总之，从分类特征看，紫苏类型与千粒重、大小、硬度、颜色、脊纹及含油量均有显著相关性。

表3 紫苏籽粒形态特征的相关性分析

综上所述，籽粒千粒重、大小、硬度与籽粒含油量品质相关性较高，因此可通过籽粒表型选择作为品质育种初判指标。产量与品质性状也表现为显著正相关，暗示选育产量及品种均优良的紫苏种质的可能性。

2.2 聚类分析

以产地、千粒重、大小、硬度、颜色、脊纹、亚麻酸含量、含油量等为籽粒特征，用k-means法进行聚类分析，结果见图1，紫苏资源可分为两个主要类群。Ⅰ类群主要由回回苏变种及紫苏原变种的小粒种组成，籽粒平均千粒重1.619 g，平均粒径1.590 mm，平均硬度7.797 g，籽粒颜色除Ⅰ.11(来自北京及河北的材料)外，其余均为褐色，全部为低脊纹材料。含油量平均为29.753%，亚麻酸平均含量为56.041%，单株产量为14.519 g。Ⅱ类群主要由紫苏原变种组成，籽粒平均千粒重2.245 g，平均粒径1.830 mm，平均硬度3.276 g。

籽粒颜色多样性，种子脊纹主要为低脊纹，含油量平均为42.894%，亚麻酸含量平均为57.325%，单株产量为12.534 g。两个类群比较，Ⅰ类群为小粒种，硬度较高。Ⅱ类群为大粒种，硬度较低。Ⅰ类群含油量比Ⅱ类群低11个百分点，亚麻酸比Ⅱ类群低1个百分点，而平均单株产量比Ⅱ类群高2个百分点。

如图1，进一步分析，Ⅰ类群下又可分为两个亚类群，两个亚类群分别由3个组构成。Ⅱ类群下又可分为4个亚类群，其中，有3个亚类群均由3个组构成，一个亚类群由4个组构成。如表4，种皮颜色的多样性主要集中在Ⅱ.1亚类群及Ⅱ.24、Ⅱ.31、Ⅱ.43。如Ⅱ.11主要以花色、粉色、黄色、绿色等颜色为主，Ⅱ.12以白色为主，Ⅱ.13以白色及灰色为主。脊纹类型来看，Ⅱ.1亚类群为高脊纹，其余均为低脊纹。对每个组的特征进行分析，如Ⅰ.21由24个材料组成，均为贵州省来源的回回苏变种，平均千粒重仅为0.659 g，平均粒径1.160 mm，为供试材料中种子最小的组。其平均硬度3.725 g，亚麻酸含量59.229%，含油量31.502%，单株产量8.493 g。如Ⅱ.21亚类群，千粒重1.544 g，平均粒径16.227 mm，尽管种子大小居中，但含油量却达到49.957%，亚麻酸含量53.729%，是一组优良的高油种质。但其单株产量仅为7.501 g，还有待改良提升。Ⅱ.41亚类群，其千粒重为1.387 g，平均粒径14.467 mm，硬度5.652 g，尽管含油量为39.512%，但其单株产量可达到52.048 g，是一组优良的高产材料。

表4 紫苏种质组内特征分析

由此可见，通过籽粒特征进行聚类分析可以有效的对材料进行分类利用。如小粒种Ⅰ类群中含油量均较低，不宜作为油用资源。油用紫苏主要来源于Ⅱ种群中，主要有Ⅱ.21高油种质，Ⅱ.33为大粒且高油种质，Ⅱ.43为高产的种质。籽粒特征聚类与种质分类有一定的关系，如回回苏变种主要集中在Ⅰ类群中。但是种质来源地点与籽粒特征聚类关联不大。

2.3 主成分分析

将紫苏亚种类型8项农艺性状数据进行无量纲化处理后再进行主成分分析，如图2和表5结果显示，为了更好地呈现紫苏资源籽粒特性，文中仅提取主成分一和主成分二。第一主成分(PC 1)和第二主成分(PC 2)方差贡献率为33.8%和18.6%。根据每个形态特征在主成分上的特征向量分析，千粒重、种子大小、颜色、脊纹、含油量、亚麻酸含量及单株产量均在PC 1起正向作用，而硬度在PC 1起负向作用。千粒重、种子大小、含油量及单株产量在PC 2起负向作用，而其他指标，如硬度、颜色、脊纹、亚麻酸在PC 2起正向作用。因此回回苏种质，形态特征为小粒种、含油量低，主要集中在第一象限。紫苏原变种在坐标上分布情况较广，主要分布在第三、四象限，少量在第二象限。特征指标中，千粒重、种子大小、含油量及单株产量指向相近，并在第四象限发散，暗示这部分资源在大粒、高油及高产种质选育上较具优势。硬度与其方向相反，向第一象限发散，这部分种质较为坚硬。颜色与脊纹的发散方向与其基本垂直，两个指标对种质材料的选育干扰较小。

表5 紫苏形态特征在主成分上的特征向量

2.4 产地影响分析

鉴于以上分析未得到种质来源地点对籽粒特征影响的结论，进一步对供试资源采集地点，即来自14个省份获得的2个亚种的紫苏种子特征进行分析。结果(表6)发现，北方地区，包括北京、甘肃、河北、宁夏、吉林、辽宁地区主要以原变种为主要类型。甘肃地区种质籽粒大、千粒重大，而硬度较低，种子含油量也较高，亚麻酸含量略低。该地区种子颜色较多，高脊纹及低脊纹种质均存在。宁夏地区种子同样籽粒大，千粒重大，而硬度较低，种子含油量也较高，亚麻酸含量也较高。而同样以原变种为主的河北地区种子千粒重略小，硬度高，但含油量较低。晋中地区山西、山东、陕西、安徽地区也主要以原变种为主要类型。该地区种子籽粒大小、千粒重及硬度均属中等。4个省份相比较，山东地区亚麻酸含量最高，含油量最低；安徽地区亚麻酸含量最高，含油量最高；湖南与日本种质主要以回回苏变种为主，籽粒较小，千粒重小，含油量也较低；贵州地区两种类型均有，该地区原变种类型籽粒，千粒重、硬度均属中等。

表6 产地对紫苏籽粒指标的影响分析

3 讨论与结论

紫苏为唇形科一年生草本植物，无论从叶片挥发油类型及种子含油量等有效成分，均显示出其种质广泛的多样性。对其种子特征进行梳理，判定种质分类与籽粒形态特征分类之间关系，明确籽粒性状对品质产量的影响，对紫苏鉴定及应用有着重要的意义。张琛武等[8]对55份中国产紫苏的果实形态特征(粒径、百粒重、颜色、硬度、表面脊纹高度)进行了描述和统计分析，经聚类分析将其分为6个大类，并从种群分类及化学型上对其进行归类分析，得到小粒、脊纹低、质地硬、黄棕色或深褐色的果实形态具有较大可能为药典规定的紫苏醛型(PA型)紫苏，且主要为回回苏变种。在其研究基础上，扩大研究的样本量，选择覆盖国内18个省以及日本的两大类型种质进行分析，获得如下结论，1)紫苏种质的多样性复杂，供试6个指标变异系数从大到小分别为单株产量、千粒重、硬度、含油量、籽粒大小、α-亚麻酸含量；2)籽粒千粒重、大小、硬度与籽粒含油量品质相关性较高，因此可通过籽粒表型选择作为品质育种初判指标。产量与品质性状也表现为显著正相关，暗示选育产量及品种均优良的紫苏种质的可能性；3)通过籽粒特征进行的聚类分析可以有效的对材料进行分类利用。籽粒特征聚类与种质分类有一定的关联，但是种质来源地点与籽粒特征聚类关联不大；4)主成分分析表明千粒重、种子大小、含油量及单株产量指向相近，并在第四象限发散，暗示这部分资源在大粒、高油及高产种质选育上较具优势；5)对供试资源采集地点分析，各区域种质受栽培环境及选择驯化的影响，资源具有一定的特征性。

通过对431份紫苏种质资源的形态特征、品质产量及分类特点进行分析，建立了系统的紫苏籽粒表型聚类图谱。并通过分析，深入了解紫苏籽粒大小、千粒重及硬度等表型特征对其品质产量的影响，明确油用紫苏育种材料的来源，并筛选获得优异的组系。另外，籽粒千粒重及种子大小可作为品质育种的初判指标，且在育种中可选择兼顾大粒、高油及高产的育种目标等结论。该研究结果将为紫苏资源的深入开发及品质育种提供指导。