冬作马铃薯后代品系营养品质评价
2021-11-12罗文彬李华伟许国春许泳清林志坚纪荣昌邱思鑫汤浩
罗文彬 李华伟 许国春 许泳清 林志坚 纪荣昌 邱思鑫 汤浩
摘要:【目的】培育适宜在冬作区种植且具有早熟、耐寒、高产、优质等综合性状的马铃薯新品种。【方法】采用田问随机区组试验设计,以耐寒、高产、优质的闽薯2号为母本,早熟、优质的中龙薯I号为父本,对其27份杂交后代品系进行研究,分析其维生素C、还原糖、干物质、蛋白质、矿质元素和氨基酸等主要营养品质的变异程度。【结果】27份杂交后代品系的营养品质性状的变异程度较大,其中:维生素C和还原糖含量的变异系数(CV)分别为22.4%和18.3%。干物质和蛋白质含量的变异程度较小,CV值分别为10.8%和14.9%。矿质元素中,镁和铁的变异程度较大,CV值分别为17.0%和24.2%;钾和锌的CV值分别为10.2%和12.1%。17种氨基酸组分的CV值范围在12.9%~38.0%,CV值超过25%的组分有天门冬氨酸、谷氨酸、胱氨酸、精氨酸和脯氨酸;总氨基酸的CV值为14.6%。通过主成分分析和聚类分析,对27份杂交后代品系进行营养品质评价,初步筛选m 1320040、1320001、1320009等12份高營养品质材料。【结论】27份杂交后代品系的营养品质性状具有丰富的遗传多样性,试验筛选出的12份高营养品质材料可为进一步选育冬作马铃薯优良新品种奠定物质基础。
关键词:马铃薯;后代品系;营养品质;评价
中图分类号:S 532
文献标志码:A
文章编号:1008-0384(2021) 07-0742-08
Nutritional Quality of Winter-potato Progenies
LUO Wenbin. LI Huawei, XU Guochun. XU Yongqing, LIN Zhijian, JI Rongchang,
QIU Sixin. TANG Hao
(Crop Research Institute, Fujian Academy ofAgricultural Sciences/Scientific Observing and Experimental Station of Tuber andRoot Crops m South China, Ministry ofAgricultrue,P R China/Fujian Engineering Research CenterforCharacteristic Dry Crop VarieN Breeding, Fuzhou, Fujian 350013,China)
Abstract: 【Objective】 In preparation of breeding new earIy-mature. cold tolerant, high yield winter-potato varieties thenutritional quality of the hybrid candidates was evaluated. 【Method】 A randomized block experiment was conducted in thefield to compare the contents of vitamin C, reducing sugar, dry matters, protein, mineral elements. and amino acids in 27 hybridprogenies of a cold tolerant. high yield. high quality Minshu 2 as the female parent and a very early-mature, high qualityZhonglongshu l as the male parent. 【Result】 Significant variations on contents of the nutrients were found among the 27cultivars. The coefficient of variations (CV) on vitamin C and reducing sugar were 22.4% and 18 3%,respectively, and smallerCV on dry matters and protein 10.8% and 14.g%, respectively. On minerals, the greatest differentiations were shown on Mgand Fe contents with CVs at 17.0% on Mg and 24.2% on Fe. but lower at 10.2% on K. and 12.1% on Zn. The contents of 17amino acids varied in the CV range from 12.g% t0 38.0% with Asp, Glu, Cys, Agr, and Pro higher than 25%. and the totalamino acids at 14.6%. It appeared that these progemes were highly diverse geneticallv resulting in significant variations ontheir nutritional quality. Hence. careful selection of the hybrids would be necessary to maximize the nutritional quality of thenew breed. Using the principal component and cluster analyses, 12 high-quality candidates including 1320040. 1320001. and1320009 were preliminarily selected. 【Conclusion】The nutritional quality of the 27 hybrids with rich genetic diversity wascompared. Accordingly, 12 were chosen as candidates for breeding experimentation
Key words: potato; progenies; nutritional quality; evaluate
0 引言
【研究意义】马铃薯是世界上最重要的非禾本科作物[1],其营养全面丰富,块茎干物质主要由淀粉组成,必需氨基酸含量高,富含赖氨酸,是人体内膳食纤维、维生素、矿物质、植物营养素的重要来源[2-3]。南方冬作区是我国马铃薯栽培区划中的重要组成部分[4],该区域冬作马铃薯收获期与国内其他栽培区的鲜薯供应期错开,拥有较大市场,田间收购价较高,具有明显的效益优势[5-6]。为满足春节期间国内市场对鲜薯的需求,选用早熟新品种,提早鲜薯上市期,有助于进一步提升南方冬作马铃薯产业价值。此外,由于冬作马铃薯生长期与南方气温最低季节重叠,易遭受持续低温胁迫及早霜和晚霜危害[7-9];而在马铃薯生育期的中后期,南方地区气温逐渐回升,降雨增多,导致晚疫病的发病频率高[10-12]。因此,選育早熟、优质、耐寒、抗病的马铃薯新品种对发展南方冬作马铃薯产业具有重要意义。【前人研究进展】杂交育种是目前国内外植物新品种选育中应用最普遍、最有成效的一种育种方法[1.l3],该方法通过特定品种间的杂交和后代定向选择,可选育出符合育种目标、集双亲优点于一体的新材料或新品种[14-16]。在杂交育种中,选择遗传基础差异大(不同亲缘关系、地理来源、生态型等)的材料作为亲本,由于其后代能产生丰富的变异,可为筛选出目标材料提供更大可能【17】。例如:王虹等[13]通过3个亲本多元杂交,筛选出不同类型的高产优质苜蓿材料;卢道宽等[16]研究了野生大豆和栽培大豆杂交后代秸秆的营养品质,获得一份具有优质牧草潜力的材料。杂交育种是目前选育马铃薯新品种的基本方法,现有主栽品种多数由杂交技术育成。进入21世纪以来,我国已育成马铃薯品种200多个,遗传背景狭窄的问题也得到逐步改善,选育出一批高产和抗晚疫病、青枯病、早疫病新品种[18]。杂交选育的中薯、克新、鄂薯、陇薯、青薯等系列品种在我国马铃薯产业发展中发挥了重要作用[1]。【本研究切入点】目前我国马铃薯育种T作主要以高产、抗病及淀粉加工、炸片、炸条等专用型品种为目标,对新品种的评价也重点针对产量和病害抗性等性状,缺少对马铃薯营养品质性状的关注和育种投入,导致生产上缺少营养品质优良的品种资源。【拟解决的关键问题】前期本课题组以优质耐寒马铃薯材料闽薯2号为母本,早熟优质马铃薯品种中龙薯1号为父本配制杂交组合,经多年多点无性世代的选择与评价,筛选获得27份综合性状较优的高代品系。在此基础上本研究对闽薯2号/中龙薯1号的27份高代杂交品系材料的营养品质性状进行评价,分析块茎主要营养成分、矿质元素和氨基酸等营养品质性状的差异,并结合应用主成分分析法和聚类分析法,对双亲及27份后代品系材料的综合品质进行评价与筛选,以期为培育具有优良营养品质性状的马铃薯新品种提供基础数据和种质材料。
1材料与方法
1.1试验材料
试验材料包括2个马铃薯亲本闽薯2号(母本)和中龙薯1号(父本),以及从2个亲本杂交后代中筛选出的27份优良品系。亲本的来源与基本性状见表1。
1.2试验设计
试验地点位于福建省霞浦县沙江镇小马村( 119°93'E,26°79'N),属亚热带季风气候类型,试验地前茬为水稻,土壤类型为砂壤土。试验采用随机区组设计,共29个处理,每个处理3垄,小区面积20m2,3次重复。试验于2018年12月21日播种,单垄双行种植,垄宽1.2 m,密度为7.5万株.hm-2。田间的水肥管理、病虫草防治等措施一致。
1.3品质测定方法
于马铃薯成熟期在各小区取块茎样品,分别采用烘干法测定干物率,凯氏定氮法测定蛋白质含量,2,6-二氯靛酚法测定维生素C含量,3,5--硝基水杨酸比色法测定还原糖含量。钾、镁、铁、锌元素含量的测定分别参照《食品安全国家标准食品中钾、纳测定》( GB 5009.91-2017)[21],《食品安全国家标准食品中镁的测定》( GB 5009.241-2017)[22],《食品安全国家标准食品中铁的测定》( GB 5009.902016)[23]、《食品安全国家标准食品中锌的测定》( GB 5009.14-2017)[24]进行测定。参照《食品安全国家标准食品中氨基酸的测定方法》( GB 5009.1242016)[25],使用全自动氨基酸分析仪进行氨基酸含量的测定。
1.4数据分析
采用Excel计算各性状的平均值、标准差和变异系数(标准差/平均值)。参照汪明华等[26]的方法,采用SPSS软件进行主成分分析,对9个品质性状进行降维转化,建立新的综合指标,并计算品质综合评价指数(Q)。根据Q值,采用SPSS软件进行聚类分析(系统聚类组间连接法)。
2 结果与分析
2.1杂交后代品质性状的差异
2.1.1主要营养成分 对亲本及其杂交后代的4种主要营养成分的测定结果表明,杂交后代蛋白质和维生素C含量均值高于亲本均值,而干物率和还原糖含量较亲本均值低(表2)。27份杂交后代块茎主要营养成分存在不同程度的差异,维生素C和还原糖含量的差异较大,变异系数(CV)分别为22.4%和18.3%,其中维生素C含量最大值与最小值之间相差2倍以上;干物率和蛋白质含量的差异相对较小,CV值为10.8%和14.9%。
2 .1.2矿质元素 由表3可知,杂交后代块茎中钾和镁含量均值低于两个亲本,而锌和铁含量高于亲本均值。杂交后代中4种矿质元素含量差异最大的为铁,变异系数达24.2%,最大值是最小值的2.8倍;镁的差异也较大,CV值为17.0%;其次为锌,CV值为12.1%;钾的差异最小,CV值为10.2%。
2.1.3氨基酸 27份杂交后代的氨基酸组分及总氨基酸含量均值都高于亲本均值,且存在不同程度的差异(表4)。胱氨酸和脯氨酸的变异系数高于其他组分,CV值均大于30%;天门冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸和精氨酸的变异系数介于20%~30%;而缬草氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸以及总氨基酸含量的变异系数相对较小,CV值均小于15%。
2.2品质性状的相关关系
9个品质性状两两之间的相互关系达显著水平以上的有6对。由表5可知,干物率与矿质元素含量的关系较紧密,其与钾、镁、锌含量呈极显著正相关,相关系数分别为0.659、0.611和0.554;钾含量与镁、锌含量呈显著正相关,相关系数分别为0.467和0.441;蛋白质含量与总氨基酸含量呈极显著正相关,相关系数为0.927;其余品质性状之间相关不显著。
2.3优质品系筛选
2.3.1主成分分析 对29份供试材料9个品质性状的隶属函数值进行主成分分析,根据特征值≥1的原则提取了3个主成分,它们的贡献率分别为30.362%、24.642%和15.303%,累计贡献率达70.307%(表6)。由表6可知,第1主成分对应的特征向量中载荷较大的因子有干物率、钾、镁和锌,第2主成分载荷较大的因子有蛋白质和总氨基酸,第3主成分在还原糖和铁元素上的载荷较大。结果表明,这3个主成分包含了9个品质性状中的大部分信息。因此,可将这9个品质性状转化为3个综合性指标,进一步对杂交后代的品质进行评价。
2.3.2品质综合评价指数 通过对主成分得分值和贡献率之积进行累加,计算各材料的品质综合评价指数(Q),Q值越大表示综合品质越好。29份材料Q值介于1.11~0.53,根据Q值大小对参试材料进行排序,得到O值大于0.5的杂交后代有1320040和1320001,综合品质性状居前两位;Q值小于0.5的杂交后代有1320071、1320062和1320003,综合品质性状劣于父母本,品质相对较差。由表7还可知,共有6份杂交后代的综合品质优于双亲。
2.3.3聚类分析 图1是对亲本和杂交后代的O值进行聚类分析的结果。采用系统聚类组间连接法将29份参试材料分为3类(图1)。第1类为高品质材料,包括1320040、1320001、1320009等12份材料,占41 .4%,Q值变幅为0.22~0.53;第Ⅱ类为中等品质材料,包括1320045、1320069、1320011等14份材料,占48.3%,Q值变幅为0.42~0.17;第Ⅲ类为低品质材料,共3份,占10.3%,包括1320071、1320062和1320003,Q值变幅为1.11—0.73。
3讨论
3.1品质性状差异
本研究是在前期杂交以及对其后代品系鉴定试验的基础上进行的。前期试验主要围绕后代品系地上部生长势、熟性、块茎外观品质、产量、耐寒性和抗晚疫病等表型性状进行选择,共筛选出27份综合性状较优的高代品系,但未对其营养品质进行鉴定。根据早熟、优质、耐寒和抗晚疫病的育种目标,本研究对27份后代品系的营养品质进行了遗传变异性分析。分析结果表明,27份后代品系的营养品质表现出一定的遗传差异性,维生素C、还原糖、镁、铁,以及天门冬氨酸、谷氨酸、胱氨酸、精氨酸和脯氨酸等氨基酸组分的变异系数在17.0%~38.0%,表明具有较为丰富的遗传多样性,可为选育出高营养品质的后代材料提供更多可能。较大的遺传差异与两个亲本的地理和生态型差异大、亲缘关系较远不无关系[17]。干物率、蛋白质、钾、锌及氨基酸含量的变异系数相对较小,遗传性相对稳定。以矿质元素锌为例,其变异系数为12.1%,与李辉等[27]的研究结果相似。值得一提的是,马铃薯的品质性状不仅受基因型影响,也取决于栽培环境及其与基因型的互作[28-30],本研究也不例外,所测定的主要营养成分、矿质元素和氨基酸等的含量是基因与环境共同作用下的综合表现。因此,本研究相关结果并非完全由基因型产生的,还受到生育期内环境条件的影响,后续研究还应开展多点不同生态型的鉴定工作。
3.2高品质品系的评价与筛选
在杂交育种后代选择的过程中,通常根据单个或少数几个性状来评价后代资源的表现,并依此进行筛选,存在一定的主观性和片面性[31]。主成分分析法通过降维的方式可将数个相关指标转化为少数几个相互独立的综合指标,实现用少量的综合性指标来反映所有变量信息[32]。该方法在马铃薯无性系选择和资源评价中已得到有效应用[31.33-34]。本研究利用主成分分析法,将9个品质性状转化为3个综合指标,其累计贡献率超过70%,说明新构建的3个综合指标解释了9个品质性状的大部分信息,可进一步利用这3个综合指标的权重建立品质综合评价指数(Q)。根据Q值大小,借助聚类分析,将29份参试材料分为高品质、中等品质和低品质3类,在高品质类别中,包括1320001、1320040、1320007等品系,这些品系的Q值排名均位居前列(表7),亦证明本研究聚类分析结果可靠。但是,通过主成分分析和聚类分析筛选出的高品质材料的遗传稳定性还有待进行多点继代观察和检验,以确保筛选出的高品质材料的遗传稳定性。
4结论
27份后代品系营养品质性状的遗传分离明显,其中维生素C、还原糖、镁和铁的变异系数较大,分别为22.41%、18.3%、17.0%和24.2%;后代品系氨基酸组分的变异系数为12.9%~38.0%,分离较大的组分有天门冬氨酸、谷氨酸、胱氨酸、精氨酸和脯氨酸。本试验结果表明,27份后代品系的营养品质具有丰富的遗传多样性。运用主成分分析和聚类分析法对27份后代品系进行综合营养品质的评价和筛选,初步筛选出1320040、1320001、1320009等12份高品质材料。
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(責任编辑:杨小萍)
收稿日期:2020-11-12初稿;202004-12修改稿
作者简介:罗文彬( 1976-),男,副研究员,主要从事薯类遗传育种与栽培技术研究(E-mail: lwb9630@163com)
通信作者:汤浩( 1968-),男,研究员,主要从事薯类遗传育种与栽培技术研究( E-mail: 762590126@qqcom)
基金项目:福建省科技计划公益类专项( 2020R1031004);福建省农业科学院闽宁协作项目(MN2019-05;福建省农业科学院对外合作项目(DEC201914)