71份藜麦品种资源的农艺性状及营养品质分析与评价

王思宇 左文博 朱凯莉 郭慧敏 邢 宝郭雨晴 包玉英 杨修仕 任贵兴

（1内蒙古大学生命科学学院，010010，内蒙古呼和浩特；2中国农业科学院作物科学研究所，100081，北京；3张家口市农业科学院，075000，河北张家口；4中国农业科学院麻类研究所，410205，湖南长沙）

藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）是苋科藜属的一种粮食作物，原产于南美安第斯山地区，距今已有约7000年的种植历史[1]。藜麦具有蛋白质含量高、必需氨基酸全面且比例均衡和不含过敏麸质等营养特点[2]，备受联合国粮农组织的推崇。同时，还表现出耐旱、耐寒和耐盐碱等特性，是一种极具开发潜力的杂粮作物[3]。我国最早于20世纪80年代末在西藏开展了藜麦的试种评价，但久未形成大规模产业化种植[4]。2019年我国藜麦种植面积达1.6万hm2，总产量约2.88万t，生产规模已跃居世界第3位，仅次于秘鲁和玻利维亚[5]。

随着藜麦种植规模的迅速扩大，生产上对优异品种的需求日益增加。为了支撑优良品种选育，国内多个省区在藜麦种质资源农艺性状鉴定和营养品质评价方面开展了较多工作。李想等[6]对12份青海藜麦的8种营养成分进行分析，并筛选出综合品质最优的藜麦品系2个。叶君等[7]对内蒙古呼和浩特地区引种的101份藜麦材料的生育期等农艺性状及蛋白质含量等品质特性进行了分析评价，并初步探讨了藜麦农艺性状和品质特征间的相关性。黄杰等[8]调查分析了甘肃陇中旱作区38份藜麦种质的农艺性状，并分析了影响藜麦产量的主要农艺性状。王艳青等[9]对云南昆明地区试种的135份国内外藜麦材料进行农艺性状调查，筛选出31份特异性藜麦种质。通过利用优异种质资源，青海、内蒙古和甘肃等地选育出“青藜1号”、“蒙藜1号”和“陇藜1号”等14个藜麦品种[10]，有力支撑了当地藜麦生产。

河北坝上地区属于典型的大陆性季风气候，日照充足，干旱少雨[11]。藜麦作为一种可适应干旱和盐碱等逆境的作物，在坝上地区的种植推广具有重要的生态意义。河北藜麦引种起步较晚，2013年在张家口张北县成功试种4份藜麦材料[12]，随后在沽源、康保和尚义等县域开始较大面积的种植。近年来，张家口市农业科学院选育出了适宜坝上地区种植的“冀藜1号”等4个品种[13-14]，推动了该地区藜麦规模化种植。然而有关河北坝上地区藜麦种质资源筛选评价的研究报道较少。本研究对在张北县种植的71份藜麦种质资源进行花期和成熟期农艺性状调查，并对其籽粒营养成分进行测定，通过相关性分析、主成分分析和聚类分析对藜麦的农艺性状和营养品质进行综合评价，筛选出适宜河北坝上地区种植的优良藜麦材料。

1 材料与方法

1.1 试验材料

71份藜麦材料来自智利、玻利维亚、秘鲁以及我国甘肃、青海、内蒙古、山西和云南等地。样品编号和来源见表1。

表1 71份藜麦材料的编号及来源Table 1 Sample codes and origin of the 71 quinoa accessions

1.2 试验方法

所有材料种植在河北省张家口市张北县喜顺沟村（41°4′12′E，114°43′12′N），海拔 1300m。播种前翻地、施基肥，铺设滴灌带，覆膜保墒。2020年5月23日播种，每份材料种植1个小区，小区面积24m2，行距40cm，株距20cm，人工穴播。间苗后留苗量约为1.21×105株/hm2。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 农艺性状调查 参照《藜麦种质资源描述规范和数据标准》[15]调查农艺性状。在开花期对株高、茎粗度、叶片长、叶片宽和叶柄长进行调查，每小区选取3个单株进行测量。成熟期进行考种。收获后及时晾晒、脱粒、去壳。

1.3.2 营养成分及氨基酸评价 使用Cyclotec旋风式样品磨（丹麦福斯特卡托公司）粉碎藜麦籽粒，过60目筛。分别参照GB/T 5009.5-2016（凯氏定氮法）[16]、GB/T 5009.6-2016（索氏抽提法）[17]和NY/T 11-1985[18]测定蛋白质、脂肪和淀粉含量。采用L-8800型日立全自动氨基酸分析仪（株式会社日立制作所），参照GB/T 5009.124-2016[19]测定氨基酸含量。采用世界卫生组织（WHO）和联合国粮食与农业组织（FAO）联合提出的氨基酸评分（amino acid score，AAS）模式对藜麦的氨基酸含量进行评价[20]，计算公式为：

式中，P1（mg/g）为待测物中蛋白的氨基酸含量，P2（mg/g）为FAO/WHO评分标准模式中相应必需氨基酸含量。

根据兰氏距离法[21]计算贴近度U(a,ui)，计算公式为：

式中，ak为标准蛋白模式的第k种必需氨基酸含量，uik为第i个样品中第k种必需氨基酸含量。

氨基酸比值系数（RC）计算公式为：

式中，RCi为样品中第i种必需氨基酸的比值系数，AASi为样品中第i种必需氨基酸的氨基酸评分，为样品中第i种必需氨基酸评分的平均值。

氨基酸比值系数分（SRC）计算公式为：

式中，RCi为样品中第i种必需氨基酸的比值系数，为样品中各必需氨基酸比值系数的平均值，n为样品中必需氨基酸的数量。

U(a,ui)用来评价样品与模式蛋白间必需氨基酸的接近程度，越接近1则蛋白质价值越高。RC反映样品与模式氨基酸的氨基酸组成间的偏离程度，若RC＞1则含量相对过剩，若RC＜1则含量相对不足。SRC表示样品的相对营养价值，值越接近100，则营养价值越高。

1.4 数据处理

农艺性状和营养品质指标以测定3次的平均值±标准差表示，使用SPSS 26.0软件进行相关性分析、主成分分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 农艺性状分析

对71份藜麦材料的9个数量性状和1个质量性状进行田间调查。数量性状结果如表2所示。不同性状的变异系数存在一定差异，其中，花期株高的变异系数最大，为17.68%。主花序长、成熟期株高、茎粗度、叶柄长、叶片宽和叶片长的变异系数分别为15.91%、15.71%、14.11%、13.52%、11.09%和10.55%，均大于10%。粒径和生育期的变异系数相对较小，分别为6.39%和9.54%。在质量性状方面，71份材料的籽粒共涉及4种颜色，其中包括白色53份、灰色9份、黑色5份和红色4份。

表2 71份藜麦材料数量性状调查结果的描述性分析Table 2 Descriptive analysis of investigation results of quantitative traits of the 71 quinoa accessions

2.2 产量性状分析

受试材料单株产量和千粒重结果如图1所示，单株产量的变异系数高达47.00%，变幅为14.28～95.19g，千粒重变异系数为17.53%，变幅为1.35～3.72g。单株产量换算成理论产量为952.22～4884.89 kg/hm2，均值为 2764.76kg/hm2。

图1 71份藜麦材料单株产量和千粒重箱型图Fig.1 Box plot of grain weight per plant and 1000-grain weight of the 71 quinoa accessions

2.3 品质性状分析

2.3.1 蛋白质、淀粉、脂肪含量 如表3所示，71份藜麦材料淀粉、蛋白质和脂肪含量的变幅分别为53.16%～61.91%、13.79%～18.87%和3.92%～7.49%，均值分别为57.22%、16.10%和5.09%。3个营养成分中，脂肪含量的变异系数最大（13.27%），蛋白质含量次之（6.91%），淀粉含量最小（3.14%）。

表3 71份藜麦材料淀粉、蛋白质和脂肪含量的测定结果Table 3 The results of starch,protein and fat contents of the 71 quinoa accessions %

2.3.2 氨基酸含量 71份藜麦材料16种氨基酸含量的测定结果如图2所示，氨基酸总量均值为9.89g/100g，其中测定的8种必需氨基酸（indispensable amino acid，IAA）在16种氨基酸中的平均占比为38.32%。谷氨酸（1.67g/100g）含量最高，甲硫氨酸（0.09g/100g）含量最低。甲硫氨酸（15.91%）和丝氨酸（11.10%）的变异系数均大于10%，其他14种氨基酸的变异系数为5.14%～9.57%。

图2 71份藜麦材料中16种氨基酸含量箱型图Fig.2 Box plot of 16 amino acid content of the 71 quinoa accessions

为了进一步分析藜麦蛋白质的营养价值，根据U(a,ui)、RC和SRC对71份样品的IAA进行评价（表4），U均值为0.84。从各IAA的RC值来看，甲硫氨酸的RC值最低，为藜麦的第一限制氨基酸，且其变异系数为所有IAA中最大（15.97%）；异亮氨酸、苏氨酸和缬氨酸的RC值接近1，与模式蛋白组成较为一致；赖氨酸、亮氨酸及苯丙氨酸+ 酪氨酸的RC值较高，表明其含量过剩。SRC值的变幅为57.53～68.56，变异系数为3.34%。

表4 71份藜麦材料必需氨基酸营养价值描述性分析Table 4 Descriptive analysis of nutrition value of indispensable amino acids of the 71 quinoa accessions

2.4 藜麦农艺性状与营养品质的相关性分析

为了考察不同农艺性状、不同营养指标及二者之间的关系，对测定的11个数量性状与4个营养指标（蛋白质、脂肪、淀粉、氨基酸总量）进行相关性分析，结果见表5。营养品质与农艺性状之间：淀粉与单株产量呈极显著负相关，与叶片宽、叶柄长和成熟期株高呈显著负相关，与粒径呈显著正相关；蛋白质含量与茎粗度呈极显著正相关，与花期株高和主花序长呈显著正相关；氨基酸总量与叶片宽呈极显著负相关，与叶片长和叶柄长呈显著负相关。在不同农艺性状之间，叶片长与叶片宽、叶柄长、花期株高和茎粗度呈极显著正相关，与千粒重显著正相关；叶片宽与叶柄长、花期株高和茎粗度呈极显著正相关，与千粒重呈显著正相关；叶柄长与花期株高、茎粗度、千粒重和主花序长呈极显著正相关，与单株产量和成熟期株高呈显著正相关；花期株高与茎粗度呈极显著正相关，与千粒重呈显著正相关，与生育期呈显著负相关；茎粗度与单株产量、千粒重和主花序长呈显著正相关；单株产量与成熟期株高和主花序长呈极显著正相关；千粒重与粒径呈极显著正相关；成熟期株高与主花序长和生育期呈极显著正相关；主花序长与生育期呈极显著正相关。

表5 营养品质和农艺性状的相关性分析Table 5 Correlation analysis of nutritional components and agronomic traits

2.5 藜麦农艺性状与营养品质的主成分分析

对71份藜麦材料的19个营养成分（蛋白质、脂肪、淀粉及16种氨基酸）和11个农艺性状进行主成分分析（表6），计算各成分的贡献值，前5个主成分的累计贡献率达到70.020%。第1主成分的贡献率为36.570%，特征值为11.336，主要指标为16种氨基酸等营养成分。第2主成分的贡献率为12.680%，特征值为3.930，主要指标为叶柄长、叶片长和叶片宽等花期农艺性状。第3主成分主要为成熟期株高、主花序长和生育期等成熟期农艺性状。第4主成分主要包括甲硫氨酸、脂肪、酪氨酸和丝氨酸等营养指标。第5主成分主要涉及丝氨酸、脯氨酸和千粒重等。

表6 营养指标和农艺性状的主成分分析Table 6 Principal components analysis of nutritional indicators and agronomic traits

2.6 藜麦农艺性状与营养品质的聚类分析

聚类分析结果（图3）表明，在遗传距离为7.5时，71份藜麦种质可分为5类。类群Ⅰ包含21份材料，其特点是蛋白质含量高、株高较高、茎粗较粗和千粒重大。在这类材料中，有10份材料的千粒重在3.0～3.6g之间，其中20HZ61B、20HZ24B、20HZ92和20HZ07的蛋白质含量与千粒重表现突出，可作为高蛋白和大粒种质进行进一步筛选。类群Ⅱ包含19份材料，特征是株高较高、千粒重较大，但单株产量为5类中最低，均值仅为21.06g，有待进一步观察筛选利用。类群Ⅲ包含13份材料，特征为株高和茎粗度值大，蛋白质含量和单株产量也较高，其中20HZ35、20HZ68、20HZ94和20HZ14B的单株产量和千粒重表现突出，可作为高产和大粒种质进一步筛选。类群Ⅳ包含3份材料，特征为株高值低、单株产量较大，但千粒重较小，具有进一步筛选矮秆高产种质的潜力。类群Ⅴ包含15份材料，特征为株高较低。

图3 营养指标和农艺性状的聚类分析Fig.3 Cluster analysis of nutritional indicators and agronomic traits

2.7 特异种质筛选

根据农艺性状和营养品质分析的相关结果初步筛选出早熟、大粒、粗茎、高单株产量、矮秆高产、高蛋白和高氨基酸含量的特异种质19份（表7）。其中，早熟材料4份，生育期116d；大粒材料4份，千粒重3.51～3.72g；粗茎材料6份，茎粗度1.06～1.18cm；高单株产量材料3份，单株产量93.86～95.19g；矮秆高产材料2份，成熟期株高100～107cm，单株产量80.10～80.32g；高蛋白质含量材料5份，为17.83%～18.86%；高氨基酸含量材料5份，氨基酸总量10.80～11.30g/100g。

表7 19份藜麦特异种质的性状和营养成分Table 7 The 19 quinoa accessions with elite agronomic traits and nutritional components

3 讨论

本研究的田间种植于2020年5月开展，由于试验点降雨较少，土壤墒情较往年差，为了确保受试材料的出苗率，播种时采取了铺设滴灌和覆膜保墒的方法。从田间调查结果来看，农艺性状表现出不同程度的变异，变异系数为6.39%～47.00%。变异系数越大，表明受试材料之间的遗传背景差异越大，越有筛选出特异种质的潜力。本研究中71份材料的最大单株产量为95.19g，低于王艳青等[22]在云南试种的135份藜麦材料（153.7g）。通过单株产量折算的理论产量均值为2764.76kg/hm2，高于闫锋等[23]报道的2250kg/hm2，低于周海涛等[12]报道的2887.36～3637.32kg/hm2。这可能与供试材料的基因差异以及不同种植地光照时间和积温等环境条件差异有关。在本研究的条件下，20HZ27B、20HZ85、20HZ63、20HZ89、20HZ94、20HZ52、20HZ84、20HZ68、20HZ51B和20HZ03的折合理论产量均在4000kg/hm2以上，有进一步筛选培育高产藜麦的潜力。受试材料生育期的变幅为116～144d，存在较大变异。生育期和成熟期株高均值分别为126d和125.48cm，与王艳青等[9]报道结果较为一致，但均低于周海涛等[12]在张北试种的结果（111d和145.58cm），远低于李想等[24]在青海试验的结果（186d和216.20cm）。坝上地区作物生长期相对较短，且生长后期的风沙较多，容易导致藜麦倒伏，生产上对早熟、矮秆藜麦的需求逐渐增多。从本研究的结果来看，部分材料具备培育矮秆藜麦品种的潜质。

在营养品质方面，71份藜麦蛋白质平均含量为16.10%，略高于申瑞玲等[25]测定的3种南美藜麦（14.18%）和石振兴等[26]报道的60份藜麦材料蛋白质含量（14.03%），而脂肪和淀粉的平均含量与这2个研究的结果较为一致。Saavedra等[27]测定的17份秘鲁藜麦蛋白质和脂肪含量的均值与本研究也较为接近。这些结果表明坝上地区具备生产高品质藜麦的潜力。本研究测得的藜麦蛋白质含量要高于美国农业部营养数据实验室[28]公布的玉米（6.2%）、稻米（6.9%）和小麦（15.1%）等常见谷物，表明食用等量的藜麦可摄入较常规主食更多的蛋白质。而在氨基酸方面，除甲硫氨酸外，测定的15种氨基酸含量均值较王倩朝等[29]报道的结果低。71份材料中，20HZ78、20HZ18和20HZ54的氨基酸总量较高，20HZ28的苏氨酸、亮氨酸和赖氨酸含量最高，且其苯丙氨酸、缬氨酸和异亮氨酸含量也较高。这些材料具有进一步选育高氨基酸藜麦品种的潜力。从氨基酸评分结果可知甲硫氨酸为藜麦第一限制性氨基酸，但其赖氨酸的RC值高，含量丰富。而多数谷物，如大米、小麦和小米等的第一限制性氨基酸为赖氨酸[30-31]。赖氨酸可调节人体代谢水平趋于平衡，促进幼儿的生长发育，而长期缺乏赖氨酸将导致新陈代谢紊乱和造血障碍[32]。通过在日常饮食中增加藜麦的摄入有利于补充赖氨酸，促进营养平衡。

针对藜麦不同农艺性状之间相关性的研究已有开展。黄杰等[8]报道了藜麦单株产量与冠幅显著正相关；而王艳青等[22]发现单株产量与生育期显著负相关。主花序直径、主花序长、株高和茎粗度也对藜麦产量有重要影响[24,33]。从本研究的相关性分析结果来看，对藜麦单株产量存在显著影响的因素主要为成熟期株高、主穗长、叶柄长和茎粗度。单株产量与生育期尽管存在正相关关系，但不显著。同时，本研究通过对农艺性状和营养指标进行相关性分析，发现单株产量与淀粉含量显著负相关。此外，叶片长和叶片宽与氨基酸总量也显著负相关。这些结果表明，在藜麦育种和生产上，农艺性状调查结果可用于初步判断其营养品质。

主成分分析将71份藜麦材料的农艺与品质性状综合成5个主成分，主要反映了花期和成熟期株高、不同氨基酸含量、叶片相关性状和主花序长等特征。这些是影响藜麦种质多样性的主要因素。聚类分析将受试材料分为5个类群，不同类群中的材料在营养或农艺性状方面存在一定差异，从类群Ⅰ中可筛选出千粒重大且蛋白质含量高的材料，而类群Ⅲ中拥有单株产量高和千粒重较大的材料。

4 结论

通过对71份藜麦材料的农艺和品质性状进行调查分析，证实多个农艺性状间存在显著的相关性，且发现单株产量、叶片长等农艺性状与淀粉含量、氨基酸含量等品质性状也显著相关。这些材料经聚类分析划分为5个类群，其中类群Ⅰ和Ⅲ具有较大的筛选培育潜力。从受试材料中初筛出19份特异材料，包括4份早熟、4份大粒、6份粗茎、3份高单株产量、2份矮秆高产、5份高蛋白及5份高氨基酸材料，可为坝上地区藜麦育种提供丰富的亲本选择。