冀东地区10个谷子品种籽粒矿质元素和氨基酸主成分及聚类分析

杨梦涵，高 慧，姚 锐，李明昊，韩玉翠，郭振清，林小虎

(河北科技师范学院农学与生物科技学院，河北省作物逆境生物学重点实验室(筹)，河北 秦皇岛，066600)

随着农业生产对水资源的节约要求和人们生活水平的不断提高，谷子抗寒抗旱易储藏和营养价值高等优势逐渐凸显，成为环境友好型和保健营养型作物[1～3]。目前，对谷子优质品种没有明确界定，有关谷子品质检测的研究还处于初级阶段。王婧等[4]研究了燕麦、荞麦、大麦、小麦的氨基酸的质量分数；梁克红等[5]和崔纪菡等[6]研究了谷子矿质元素的质量分数差异等，但通过氨基酸和矿质元素综合分析谷子品质的研究报道较少，张爱霞[7]通过对冀谷19的加工副产物进行矿质元素和氨基酸测定，得到小米加工副产物富含多种矿物质，组成蛋白质的氨基酸结构合理。为此，笔者选取河北、山东和河南等省份的10个谷子品种，测定其籽粒中矿质元素与氨基酸的质量分数并通过主成分分析与聚类分析进行综合性评价，旨在为谷子品种品质遗传改良、选择应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年在河北科技师范学院生命科技实验站进行(北纬39.70°，东经119.15°)。该区域属于暖温带、半湿润大陆性气候。供试土壤类型为中壤土，土壤有机质的质量分数为32.63 g·kg-1，全氮的质量分数为3.24 g·kg-1，碱解氮的质量分数为121.32 mg·kg-1，速效磷的质量分数为 20.31 mg·kg-1，速效钾的质量分数为109.28 mg·kg-1。播前整地施入农家肥15 000 kg/hm2，后期不做追肥。试验选取10个谷子品种为试验材料(表1)，采取随机区组设计，3次重复。5月20日人工造墒，5月24日播种，9行区，行长4 m，宽4 m，小区面积16 m2。各品种收获成熟籽粒参试。

表1 10个谷子品种的品种来源及育成单位

1.2 试验方法

1.2.1氨基酸质量分数的测定 氨基酸测定采用氨基酸自动分析仪测定(Biochrom30型全自动氨基酸分析仪，美国通用公司生产)。称量各品种谷子籽粒粉末0.100 0 g(保留4位小数)，记录样品质量，编号置于消化管。V(浓盐酸)∶V(水)= 1∶1稀释，吸取10 mL稀释后的溶液加入消化管。将所有消化管放入烘箱中，烘箱温度调至105 ℃，处理时间20～24 h。烘箱取出消化管，用纯水定容到25 mL，过滤。吸取1 mL过滤后溶液于蒸发皿，置于75～80 ℃的水浴锅蒸干。吸取1 mL蒸馏水到蒸发皿，蒸干(蒸馏水蒸干的过程重复2次)。将蒸干后的蒸发皿取出，加入2 mL pH 2.2柠檬酸钠缓冲液。使用注射器吸出，通过无机滤膜过滤到小瓶中，得到待测液后上机测定。

1.2.2矿质元素质量分数的测定 称取谷子籽粒粉末约0.1 g，加入5 mL浓硝酸。加热使硝酸变成离子溶液。离心、定容、过滤，通过全谱直读等离子发射光谱仪(Opyima 2100 DV型电感耦合等离子体发射光谱仪，美国铂金爱尔默公司生产)测定，3次重复取其平均值。

1.3 数据处理与统计分析方法

采用IBM SPSS Statistics 22统计软件对试验数据进行主成分分析和系统聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种谷子籽粒中矿质元素质量分数差异分析

2.1.1矿质元素主成分质量分数分析 10个谷子品种矿质元素的质量分数测定结果表明(表2)，Ca的质量分数以济谷19最高；Cu，Fe，Mg，Mn和Zn的质量分数以冀科谷1号最高。Ca，Mn和Zn的质量分数以冀谷19最低；Cu和Fe的质量分数以豫谷1号最低；Mn的质量分数以济谷18最低。10个谷子品种中，Mg的质量分数最高，达1 343.58 mg·kg-1，其次是Ca，Fe，Zn，Mn的质量分数，Cu质量分数最低(4.55 mg·kg-1)。

表2 10个品种谷子籽粒中的矿质元素组成及质量分数 mg·kg-1

2.1.26种主要成分分析 10个品种谷子籽粒中的6种矿质元素的质量分数主成分分析后得到的主成分特征值、贡献率和累计贡献率见表3。根据特征值取值大于1的原则，提取2个主要成分。第一主成分特征值为3.916，代表10个品种的6种矿质元素的质量分数的65.270%的信息。进一步分析可知，第一主成分主要反映了Mg，Mn，Zn等矿质元素的信息；第二主成分代表10个品种的6种矿质元素的质量分数的18.055%信息，这2个主成分反映了原始变量的83.325%的信息(表4)。

表3 谷子籽粒中的6种矿质元素主成分的特征值及贡献率

相关分析表明，第一主成分与10个品种谷子籽粒中检测出的6种矿质元素均呈正相关(表4)，贡献率最大的是Mg和Mn，载荷量均为0.236；贡献最小的是Ca，载荷量为0.130。第二主成分与Ca，Mn和Zn均为正相关，与Cu，Fe和Mg呈负相关，贡献率最大的是Ca，载荷量为0.772；贡献率最小的是Cu，载荷量为-0.388。

表4 谷子籽粒中6种矿质元素主成分载荷矩阵

根据“总分=(65.270/83.325)*FAC1_1+(18.005/83.325)*FAC2_1”计算主成分因子得分。结果表明，在第1主成分中，得分最高的品种为冀科谷1号；在第2主成分中，得分最高的品种为济谷19。在综合评价中，得分最高的品种为冀科谷1号。综合得分从高到低顺序依次为：济谷19，济谷20，冀谷41，济谷17，豫谷18，济谷18，济谷21，豫谷1号，冀谷19。

应用SPSS软件对10个品种谷子籽粒中矿质元素进行聚类分析，结果表明，10个品种谷物可聚为3类(图1)。第一类为冀科谷1号，该类谷子品种在10个品种谷子中Cu，Fe，Mg，Mn和Zn的质量分数最高；第二类为豫谷1号，冀谷19，济谷21，济谷18，表现为Ca，Mg和Zn的质量分数在10个品种谷子中较低；第三类为济谷20，济谷19，冀谷41，豫谷18和济谷17，其6种矿质元素的质量分数在10个品种谷子中处于相对中等水平。

图1 10个品种谷子籽粒中矿质元素的聚类分析结果

2.2 不同品种谷子籽粒中氨基酸质量分数差异分析

2.2.1氨基酸主成分质量分数分析 测定10个品种谷子籽粒中17种氨基酸的质量分数，结果见表5。结果分析表明，10个谷子品种总氨基酸平均值为36.92 g·kg-1，其中济谷20总氨基酸质量分数最高，达到42.94 g·kg-1，冀谷41次之(42.07 g·kg-1)；济谷21总氨基酸的质量分数最低，仅为32.48 g·kg-1。

表5 10个品种谷子的氨基酸组成及其质量分数 g·kg-1

10个谷子品种必需氨基酸质量分数均值为13.71 g·kg-1，其中济谷20的必需氨基酸的质量分数最高，达到15.97 g·kg-1；冀谷41次之，达15.6 g·kg-1；济谷21的必需氨基酸的质量分数分数最低，仅为11.99 g·kg-1。

10个品种谷子籽粒中检测的17种氨基酸中平均质量分数最高的为谷氨酸，为7.57 g·kg-1，其中济谷20中谷氨酸的质量分数是10个品种谷子最高的(8.93 g·kg-1)。冀谷19中谷氨酸的质量分数是10个品种谷子中最低的(6.5 g·kg-1)；在7种必需氨基酸中亮氨酸的质量分数最高(5.09 g·kg-1)；10个品种谷子中济谷20的亮氨酸的质量分数最高(6.03 g·kg-1)，而冀谷19亮氨酸的质量分数最低(4.37 g·kg-1)。

10个品种谷子籽粒中支链氨基酸(BCAA)平均质量分数为8.23 g·kg-1，其中济谷20的质量分数最高(9.9 g·kg-1)，冀谷41次之(9.54 g·kg-1)，济谷19最低(5.44 g·kg-1)。进一步分析表明，必需氨基酸/非必需氨基酸比值范围(E/N)为0.960～0.993，高于WHO规定标准的0.6[8]。因此谷子中含有丰富营养成分，深入研究谷子营养具有积极意义。

2.2.2主要17种氨基酸质量分数主成分分析 10个品种谷子籽粒中的17种氨基酸质量分数，经主成分分析后得到的主成分特征值、贡献率和累计贡献，按照特征值取值大于1的原则提取2个主要成分(表6)。氨基酸主成分载荷矩阵分析结果表明，第1主成分特征值为12.976(贡献率76.329%)，代表了不同谷物中17种氨基酸质量分数全部性状的76.329%的信息，主要反映了天冬氨酸、组氨酸、苏氨酸等的信息；第1主成分与检测的17种氨基酸均呈正相关，其中对第1主成分贡献最大的是天冬氨酸、组氨酸和苏氨酸，载荷量均为0.076，贡献最小的是异亮氨酸，载荷量为0.036；第2主成分与检测的17种氨基酸有正相关也有负相关，其中第2主成分与精氨酸、蛋氨酸、胱氨酸、酪氨酸和异亮氨酸呈正相关，与天冬氨酸、丙氨酸、组氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸、苏氨酸、丝氨酸、甘氨酸、缬氨酸、谷氨酸和赖氨酸呈负相关，其中对第2主成分贡献最大的是酪氨酸，载荷量为0.405，贡献最小的是赖氨酸，载荷量为-0.121(表7)。

表6 氨基酸主成分的特征值及贡献率

表7 谷子籽粒中17种氨基酸主成分载荷矩阵

根据“总分=(76.329/87.992)*FAC1_1+(11.663/87.992)*FAC2_1.”计算主成分因子得分。结果表明，在第1主成分中，得分最高的品种为济谷20，得分最低的是济谷21；第2主成分中得分最高的品种是冀谷41，得分最低的是豫谷1号；总分从高到低依次为：冀谷41，济谷20，冀科谷1号，济谷18，济谷19，豫谷18，济谷17，豫谷1号，冀谷19，济谷21。

SPSS软件对10个品种谷子籽粒中17种氨基酸组成进行聚类分析。结果表明，10个品种谷物可聚为3类(图2)：第1类为冀谷41，济谷20和济谷18，该类谷子品种其总氨基酸质量分数最高，在39.31～42.94 g·kg-1之间，并且品质往往最佳；第2类为济谷19，豫谷18，冀科谷1号，济谷17和豫谷1号，其总氨基酸的质量分数在34.67～37.43 g·kg-1之间，营养水平中等；第3类为冀谷19和济谷21，其总氨基酸的质量分数较低，在32.48～32.78 g·kg-1之间，其营养水平在所选10个品种谷子中较低。

图2 10个品种谷子籽粒中氨基酸聚类分析结果

3 结论与讨论

本次试验测定了10个品种谷子籽粒的17种氨基酸中，谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸、脯氨酸和天冬氨酸等5种氨基酸最为丰富，这与古世禄等[9]研究结果一致。10个品种谷子的氨基酸质量分数，主成分分析结果总分从高到低依次为冀谷41，济谷20，冀科谷1号，济谷18，济谷19，豫谷18，济谷17，豫谷1号，冀谷19，济谷21。表明不同品种谷子氨基酸质量分数和组成比例存在差异，这与王峰等[10]研究结果一致。本次试验对10个品种谷子6种矿质元素的质量分数进行测定，不同谷子品种间矿质元素的质量分数有一定的差异，质量分数从高到低依次为Mg，Ca，Fe，Zn，Mn，Cu。Mg和Ca的质量分数显著高于其它矿质元素，与卫学青等[11]对8个谷子品种矿质元素研究结果一致。品种间矿质元素的质量分数存在差异，可能是由于不同品种谷子对矿质元素的吸收积累效率和组织分配不同造成的[12]。本次试验中谷子Mg，Ca，Fe，Zn，Mn，Cu质量分数高于大米中相应矿质元素[13]；Mg，Ca和Zn高于糙米中相应的微量元素[14]；Mg和Ca高于糯米中相应的微量元素[15]，说明谷子中富含Mg，Ca，Fe，Zn，Mn和Cu元素。微量元素在生物体内虽然含量极微小，但在生物体内发挥极大的作用[16]。

人们对谷子的评价认识大多还局限于色泽口味上，但随着居民生活水平不断提高，人们对健康食品越来越重视[17]。从营养角度讲，更应关注谷子矿质元素与氨基酸含量，食用谷子对人体健康尤为重要[18]。本次试验采用主成分分析对在冀东地区10个品种谷子进行综合评价，矿质元素综合得分从高到低顺序依次为：济谷19，济谷20，冀谷41，济谷17，豫谷18，济谷18，济谷21，豫谷1号，冀谷19。氨基酸综合得分从高到低依次为：冀谷41，济谷20，冀科谷1号，济谷18，济谷19，豫谷18，济谷17，豫谷1号，冀谷19，济谷21，可以看出谷子矿质元素与氨基酸含量品种间存在差异，这些差异的表现来自品种内在遗传因素、人为栽培措施和种植地不同等因素。谷子品种的遗传因素在很大程度上决定籽粒品质和色泽口味，但栽培措施从轮作倒茬方式、整地方式、施肥种类、播期、田间管理以及贮藏，都有可能对谷子的品质产生影响[19,20]。谷子的种植地不同，其生态环境发生改变，土壤、水分、气候等影响谷子的生长发育，进而也会对谷子品质产生一定影响，所以不同品种谷子品质的差异是多种因素共同影响造成的[21～23]。通过对不同品种谷子籽粒品质进行综合评价，可以筛选出较优品种，为谷子新品种品质遗传改良和谷子农产品深加工利用提供依据。