荞麦远缘杂交种质(Fagopyrum tataricymosum)的再生特性与品质分析
2021-06-29梁成刚汪燕喻武鹃廖凯陈敏关志秀付全兰孟子烨陈庆富
梁成刚 汪燕 喻武鹃 廖凯 陈敏 关志秀 付全兰 孟子烨 陈庆富
摘 要: 该文选用荞麦远缘杂交育成品系‘贵多苦75为材料,进行40 cm(I)、20 cm(Ⅱ)和10 cm(Ⅲ)留桩高度处理,对再生植株主要农艺性状、产量性状和品质性状进行分析。结果表明:留桩高度40 cm内,留桩高度对再生植株株高、茎叶重、单株粒数、单株产量和产量影响显著;处理I植株的株高、茎叶重、单株粒数、单株产量和产量均显著或极显著高于处理Ⅱ和处理Ⅲ,说明留40 cm高桩有利于再生植株营养器官的生长与产量的形成。‘贵多苦75种子清蛋白含量>谷蛋白含量>醇溶蛋白含量>球蛋白含量。留桩高度40 cm内,留桩高度对种子总蛋白和谷蛋白影响显著,但对清蛋白、醇溶蛋白和球蛋白含量影响不显著。‘贵多苦75再生植株种子总黄酮含量在3.17%~3.33%之间,受留桩高度的影响不显著。留桩高度为40 cm时,‘贵多苦75再生植株产量达到1.5 t·hm-2,清蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白、球蛋白、总黄酮含量分别达到4.06%、3.26%、1.27%、0.39%、3.33%,具有较高营养价值和药用价值。
关键词: 荞麦, 远缘杂交, 再生特性, 产量性状, 品质性状
中图分类号: S517;S326
文献标识码: A
文章编号: 1000-3142(2021)04-0606-08
Abstract: ‘Guiduoku 75 bred by distant hybridization was selected to investigate the major agronomic traits, yield traits and quality traits in ratooning plants under the 40 cm(I), 20 cm(Ⅱ) and 10 cm(Ⅲ) of stubble height treatment. The results indicated that the plant height, shoot weight, grain number per plant, yield per plant and yield in ratooning plants were significantly altered by stubble height when stubble height was less than 40 cm. The values of plant height, shoot weight, grain number per plant, yield per plant and yield in ratooning plants under treatment I were significant or extremely significant higher than those of treatments Ⅱ and Ⅲ, suggesting that higher stubble height is beneficial for vegetative organ growth and yield formation in ratooning plants. ‘Guiduoku 75 seeds contained four protein components as albumine content > gluten content > prolamine content > globulin content. The total protein content and gluten content were significantly altered by stubble height, but the albumin content, prolamine content, globulin content were not when stubble height was less than 40 cm. The total flavonoid content in ratooning plants of ‘Guiduoku 75 ranged from 3.17% to 3.33%, that was little affected by stubble height. The ratooning plants of ‘Guiduoku 75 under 40 cm of stubble height treatment harvested 1.5 t·hm-2 seeds that contained 4.06% of albumin content, 3.26% of gluten content, 1.27% of prolamine content, 0.39% of globulin content and 3.33% of total flavonoid content, exhibiting high nutritional value and medicinal value.
Key words: buckwheat, distant hybridization, ratooning characteristics, yield traits, quality traits
中國是荞麦(buckwheat)的重要起源中心,特别是西南地区荞麦属(Fagopyrum)野生种质资源尤为丰富(Ohnishi & Matsuoka, 1996;Ohnishi, 1998;Ohsako et al., 2002;陈庆富,2001,2012)。目前已报道的荞麦种达到30个、变种4个和亚种2个(陈庆富, 2012;Hou et al., 2015;Wang et al., 2017)。荞麦属中普通荞麦\[F. esculentum(甜荞)\]和鞑靼荞麦\[F. tataricum(苦荞)\]是我国的主要杂粮作物。随着人们生活水平的不断提高,“三高”人群数量急剧增加,荞麦种子蛋白与黄酮类物质的营养价值和降“三高”保健功效越来越受到关注(Sedej et al., 2012; Ahmed et al., 2014;Giménez-Bastida et al., 2015)。当前,日本、韩国等发达国家都成为了荞麦的主要消费和进口国。
荞麦属中甜荞与苦荞为一年生草本植物,我国北方地区以种植甜荞为主,南方地区则以种植苦荞为主。苦荞种子黄酮类物质含量丰富,保健功效优于甜荞。由于苦荞花朵较小,且为自花授粉植物,导致杂交育种工作进展较慢,苦荞育种以常规育种与辐射诱变育种等为主(马名川等,2015;陈庆富,2018)。吴云江和陈庆富(2001)对二倍体苦荞进行染色体加倍,获得了一批四倍体苦荞种质。廉立坤和陈庆富(2013)研究发现四倍体苦荞的种子总黄酮平均含量达3.64%,极显著高于二倍体苦荞的种子总黄酮平均含量(2.77%)。但由于四倍体苦荞遗传稳定性较差,难以育成高产品种,生产上也尚未进行大面积推广。
多年生作物在保持土壤水分、肥力,改善农业生态环境等方面具有明显优势(Shim,2012;田超等,2013;Ryan et al., 2018)。不仅如此,多年生作物在减少劳动投入,降低种植成本方面也具有巨大潜力(田超等,2013)。荞麦属中金荞麦(F. dibotrys)为多年生草本植物,其根茎是我国的传统中药材。野生金荞麦多为四倍体,广泛分布于云南、贵州、四川与西藏等地(梁成刚等,2018)。前人研究认为金荞麦与栽培苦荞的亲缘关系较近,金荞麦可能是栽培苦荞的祖先种(张以忠和陈庆富,2010;张以忠和陈庆富,2011;汪燕等,2018)。陈庆富(2018)利用野生金荞麦与四倍体苦荞进行远缘杂交,成功创制了远缘杂交种,经过多世代的连续选育,现已经获得遗传稳定的株系。荞麦远缘杂交种较常规苦荞表现出更明显的抗寒、抗旱特性,生长适应性更强,且植株表现出异于常规苦荞的再生特性,可作为多年生作物利用。不仅如此,荞麦远缘杂交种的种子总黄酮含量明显高于常规苦荞,最高可达4.13%,保健功效更好(陈庆富,2018;杨丽娟等,2018)。留桩高度与再生作物产量密切相关(易镇邪等,2009;田超等,2013),但目前尚未见有关留桩高度与再生荞麦生长的相关报道。因此,本研究利用荞麦远缘杂交获得的杂交品系‘贵多苦75为材料,研究不同留桩高度对再生植株的主要农艺性状、产量性状和品质性状的影响,为荞麦的远缘杂交育种与高产栽培技术研究与推广提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验设计
试验选用金荞麦与四倍体苦荞远缘杂交育种育成品系‘贵多苦75为材料,于2016年在贵州省荞麦工程技术研究中心试验基地进行。试验采用随机区组设计,种植密度为每公顷60万株。春季肥料施用量为每公顷60 kg N、60 kg P2O5、30 kg K2O;夏季收割后追施肥料用量为每公顷30 kg N、30 kg P2O5、15 kg K2O。试验于3月26日播种,8月7日第一次收获,收获时进行留桩处理,三个水平,留桩40 cm(处理I)、留桩20 cm(处理Ⅱ)、留桩10 cm(处理Ⅲ),每小区面积为20 m2(2 m×10 m),3次重复。
1.2 试验方法
1.2.1 样品采集与测定 11月19日,荞麦达到70%成熟时,每小区选取植株均匀生长的1 m2区域进行测产,并选取生长一致的植株12株调查主要农艺性状;随后将籽粒与茎叶分装,并于60 ℃下烘干至恒重,测定产量性状;然后将籽粒去壳粉碎,过100目筛,测定品质性状。
1.2.2 蛋白质组分含量测定 称取待测样品0.100 0 g,置于2 mL离心管中,加入1.5 mL蒸馏水进行清蛋白提取,震荡2 min,于4 000 r·min-1下离心2 min,将上清液转移至20 mL离心管,向沉淀中加入1.5 mL蒸馏水重复提取3次;向沉淀中加入10%氯化钠溶液进行球蛋白提取,提取步骤和次数与清蛋白一致;向沉淀中加入55%正丙醇进行醇溶蛋白提取,提取步骤和次数与清蛋白一致;向沉淀中加入谷蛋白提取液(含1.68% KOH溶液、0.24% CuSO4·5H2O、0.5%酒石酸钾钠和50%异丙醇)进行谷蛋白提取。蛋白质组分的测定参考汪燕等(2017)方法进行。
1.2.3 总黄酮含量测定 称取待测样品0.100 0 g,置于15 mL离心管中,加入10 mL 80%乙醇进行总黄酮提取,70 ℃下间断震荡浸提4 h后,超声提取10 min,静置后收集上清液。总黄酮含量的测定参考汪燕等(2018)方法。
1.3 数据分析与处理
数据使用SPSS18.0进行统计分析,差异显著性分析使用One-way ANOVA test法进行。
2 结果与分析
2.1 再生植株的农艺与产量性状
2.1.1 留桩高度对再生植株农艺性状的影响 对‘贵多苦75进行不同留桩高度处理,结果发现不同处理下98%以上植株均能形成再生枝条。再生枝条于茎节与基部伸出,能正常生长发育至种子成熟。成熟期对植株进行主要农艺性状测定,结果发现留桩高度对组间株高和茎叶重影响极显著(表1)。处理I植株的株高、茎叶重显著或极显著高于处理Ⅱ;处理Ⅱ的株高、茎叶重显著或极显著高于处理Ⅲ;说明留40 cm高桩有利于新枝条的形成与再生植株的营养器官生长。
2.1.2 留桩高度对再生植株产量性状的影响 成熟期对植株进行主要产量性状测定,结果发现留桩高度对组间单株粒数、单株产量和产量影响极显著。由表1可知,处理I的单株粒数与单株产量均极显著高于处理Ⅱ和处理Ⅲ,处理Ⅱ单株粒数与单株产量均高于处理Ⅲ,但未达到显著差异水平;处理I的产量极显著高于处理Ⅱ和处理Ⅲ,处理Ⅱ产量显著高于处理Ⅲ,说明留40 cm高桩有利于再生植株产量的形成。留桩高度对千粒重影响不明显,不同处理间差异未达到显著水平。
2.2 再生植株的品质性状
2.2.1 留桩高度对再生植株种子蛋白质组分含量的影响 对再生植株成熟种子进行蛋白质组分含量测定,结果发现留桩高度对‘贵多苦75谷蛋白含量影响显著,对清蛋白、醇溶蛋白和球蛋白含量影响不显著。由图1可知,‘贵多苦75的种子蛋白以清蛋白(图1:A)和谷蛋白(图1:B)含量最高,醇溶蛋白(图1:C)较低,球蛋白(图1:D)含量最低。处理间清蛋白与谷蛋白含量变异较明显,隨着留桩高度的增加,含量逐渐降低。其中,处理Ⅲ中清蛋白和谷蛋白含量显著高于处理I。而不同处理间醇溶蛋白与球蛋白含量均未达到显著差异水平。留桩高度对总蛋白含量影响极显著,随着留桩高度的增加,总蛋白含量下降明显,处理Ⅱ种子中总蛋白含量显著高于处理I,处理Ⅲ种子中总蛋白含量显著高于处理Ⅱ,极显著高于处理I(图1:E)。
2.2.2 留桩高度对再生植株种子总黄酮含量的影响 对再生植株成熟种子进行总黄酮含量测定,结果发现,不同处理下‘贵多苦75种子总黄酮含量在3.17%~3.33%之间,留桩高度对总黄酮含量影响不显著。不同处理间种子总黄酮含量差异也均不显著(图1:F)。
2.3 留桩高度与再生植株性状间的相关性分析
对不同处理下再生植株进行留桩高度与农艺性状和产量性状相关性分析结果见表2。由表2可知,留桩高度与株高(0.992**)、茎叶重(0.985**)、单株粒数(0.937**)、单株产量(0.934**)和产量(0.963**)呈极显著正相关;与千粒重(-0.688*)呈显著负相关(表2)。再生植株农艺性状和产量性状中株高(0.955**)、茎叶重(0.953**)、单株粒数(0.965**)、单株产量(0.962**)与产量呈极显著正相关,仅千粒重与产量相关性未达到显著水平。
对不同处理下再生植株进行留桩高度与品质性状相关性分析,结果发现,留桩高度与种子清蛋白(-0.847**)、谷蛋白(-0.696**)、总蛋白(-0.943**)呈极显著负相关;与醇溶蛋白、球蛋白和总黄酮含量相关性未达到显著水平(表3)。再生植株种子品质性状间清蛋白(0.892**)、谷蛋白(0.701*)和醇溶蛋白(0.721*)与总蛋白呈显著或极显著正相关,球蛋白与总蛋白间相关性未达到显著水平。种子蛋白质各组分与总黄酮间相关性也未达到显著水平。
3 讨论与结论
3.1 留桩高度对农艺性状与产量性状的影响
近年来,多年生作物育种越来越受到关注,关于多年生水稻、多年生小麦等粮食作物的研究报道也日益增多(赵正武等,2006;郭效琼等,2016;赵海滨等,2012)。陈金铨等(1996)对多年生水稻进行研究发现,留高桩能增加活桩率,促进分蘖发生,其再生分蘖多由地下基部节萌发,倒二节位为再生优势芽位。陈庆富(2018)指出多年生苦荞较常规栽培苦荞生长适应性好和抗逆性强,可实现一次栽培多季收获。本研究发现,‘贵多苦75春播收割后98%以上植株均能形成再生枝条,留桩高度为40 cm的植株株高、茎叶重显著或极显著高于留桩高度为20 cm和10 cm的植株,说明留桩40 cm有利于新枝条的形成与再生植株营养器官的生长。与水稻不一样的是,‘贵多苦75的地上部与基部节间均有再生枝条抽出,且上部抽出枝条生长较低位枝条旺盛。虽然留桩高度对株高、茎叶重有极显著影响,且呈极显著正相关关系,但生产上并不建议进一步增加留桩高度。因为留桩高度高于40 cm后,一方面植株茎节间长度较低位节间明显增加,并不能通过提高留桩高度明显增加再生枝条抽出;另一方面则会影响当季植株低位分枝的种子收获与脱粒而导致减产。
陈庆富(2018)指出多年生苦荞在主产区当季产量可达2.2 t·hm-2。本研究发现留桩高度为40 cm的植株单株粒数达到144.8粒,单株产量达到4.7 g,产量达到1.5 t·hm-2,这与常规苦荞品种当季产量相当(汪燕等,2017)。易镇邪等(2009)研究发现, 再生稻的源库流关系与留桩高度和品种特性密切相关。本研究发现,留桩高度对单株粒数、单株产量和产量有极显著影响,再生植株农艺性状中株高、茎叶重与产量呈极显著正相关;产量性状中单株粒数、单株产量与产量呈极显著正相关,留桩40 cm的产量极显著高于留桩高度为20和10 cm的植株。说明留桩40 cm能促进再生植株的营养器官生长,进而有利于产量的形成。
3.2 留桩高度对品质性状的影响
苦荞的蛋白质含量丰富,氨基酸成分均衡,营养价值高。汪燕等(2017)研究发现,常规苦荞蛋白质组分以清蛋白(1.72%~4.47%)和谷蛋白(3.00%~4.03%)含量较高,醇溶蛋白(0.86%~1.38%)含量较低,球蛋白(0.20%~0.42%)含量最低。本研究发现,‘贵多苦75种子蛋白质组分中清蛋白含量在4.06%~4.97%之间,谷蛋白含量在3.26%~3.78%之间,醇溶蛋白含量在1.27%~1.38%之间,球蛋白含量在0.39%~0.42%之间,蛋白质组分比例与常规苦荞和甜荞较为一致(张启迪等,2017;汪燕等,2017)。随着留桩高度的增加,种子总蛋白、清蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白和球蛋白含量均逐渐降低。留桩高度对种子总蛋白和谷蛋白影响显著,但对清蛋白、醇溶蛋白和球蛋白含量影响不显著。相关性分析结果发现,留桩高度与种子清蛋白、谷蛋白、总蛋白呈极显著负相关。推测这可能与留高桩再生植株生物量和产量提高,氮肥供应量相对不足有关。
荞麦富含黄酮类物质,被作为芦丁提取的主要作物(Couch et al., 1946)。刘三才等(2007)研究发现,76份常规苦荞资源种子总黄酮含量在1.97%~3.03%之间,平均为2.46%。杨丽娟(2018)对3份多年生苦荞材料进行研究,发现其中‘贵多苦03和‘贵多苦60当季种子总黄酮含量分别达到4.03%和4.13%。钟林等(2018)研究指出多年生苦荞药用价值较高,值得推广利用。本研究发现,‘贵多苦75再生植株种子总黄酮含量在3.17%~3.33%之间,明显高于常规苦荞(汪燕等,2017)。留桩高度对种子总黄酮含量影响不显著,无明显相关性,且不同处理间种子总黄酮含量差异也均不显著。这说明再生植株种子总黄酮含量稳定,具有较高的药用价值。
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(责任编辑 何永艳)