气候条件对大豆籽粒维生素E含量的影响

刘焕成，赵强，杜艳丽，王洁琦，张文慧，韩毅强，姜凯岩，杜吉到

（1.黑龙江八一农垦大学农学院，大庆 163319；2.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院；3.北大荒集团黑龙江尖山农场有限公司）

大豆作为蛋白质和油料作物在世界范围广泛种植。除此之外，大豆还是天然维生素E（VE）的主要来源。VE又称生育酚，黄色粘稠性液体，不溶于水，溶于有机溶剂。在光照、碱性条件、氧气和金属离子中容易分解[1-2]。VE包括α-、β-、γ-和δ-生育酚及其相应的生育三稀酚。α-生育酚在大豆籽粒中含量较低，但活性最高，且更易被人体吸收并保留在细胞中，VE含量目前以α-生育酚含量为标准。据报道，提高α-生育酚摄入量有利于抑制或改善癌症[3-4]、心血管病[2，5]、眼部疾病[6-7]、神经系统疾病[2]、肌肉膜修复[8]、肝功能[9]和肺功能[10]等疾病的发病率。

由于医疗和保健作用，大豆籽粒VE的价值越来越受到消费者和相关产业重视。东北是我国大豆主产区，从南到北气候差异较大、生态区分布多样、环境条件多变。据报道，环境因素对生育酚含量有巨大的影响[11-12]，环境条件会造成植物内营养物质的含量的大幅度改变[13]。但是目前针对东北环境条件对大豆VE含量影响的研究还鲜有报道。研究利用重组自交系群体及其亲本两年三地的气象条件和VE含量表型数据进行初步分析研究，以期了解气候因素对大豆籽粒VE含量的影响，为指导大田生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

研究以富含维生素E的大豆品种北丰9和低维生素E含量大豆品种Freeborn为亲本衍生的238份F6：7重组自交系为材料。重组自交系群体及其亲本2013年和2014年种植于长春（43.86 °N，125.35 °E）、哈尔滨阿城区（45.33 °N，127.00 °E）和哈尔滨呼兰区（46.04 °N，126.73 °E）三个地点。田间采取随机区组设计，三次重复，每个重复种1行，行长3 m，垄宽0.67 m，株距0.06 m。管理同大田生产。为了排除边际效应影响，成熟后在每行中间区域随机收获5株，脱粒后用于大豆籽粒维生素E及其组分含量检测。

1.2 气象数据

气象数据来源于2014年和2015年中国统计年鉴。

1.3 大豆生育酚提取与检测

把大豆籽粒在65℃温度下烘箱中烘干后磨成粉，称取0.100 0 g，加入0.050 0 g抗坏血酸，与3 mL 80%乙醇震荡混匀10 s后置于超声波清洗器中提取15 min，提取8 min时再次震荡混匀10 s一次，提取完成后在13 000 rpm下离心15 min，上清液经0.45 μm滤膜过滤后在设定色谱条件下测定[14]。

利用高压液相色谱技术（HPLC），采用外标法对大豆籽粒维生素E及其组分进行定性和定量分析。β-生育酚含量在大豆籽粒中含量很低，检测时忽略不计。维生素E总含量为α-生育酚、γ-生育酚和δ-生育酚含量之和。

色谱条件：色谱柱为DIKMA公司产品，色谱柱填料为Diamonsil（TM）钻石C18，5 μm，柱规格为250×4.6 mm；荧光检测器激发波长295 nm，发射波长330 nm；流动相为甲醇，流速1.5 mL·min-1；柱温40℃；进样量为20 μL；检测时间长度为10 min[14]。

1.4 数据处理与统计分析

采用DPS9.50统计分析软件进行数据分析，采用Microsoft Excel 2010进行作图。

2 结果与分析

2.1 试验年份气候条件分析

5-9月是大豆生长发育时期，如表1所示，这段时期哈尔滨市和长春市日均气温2013年均高于2014年，除了6月份同期日均气温2014年高于2013年外，其他月份同期日均气温均2013年高于2014年。整个大豆生长发育时期，哈尔滨市和长春市平均降水量2013年高于2014年。两市月平均降水量9月份同期降水2014年高于2013年，5-8月份同期2013年高于2014年。大豆生长发育阶段，哈尔滨市地区平均日照时数2013年长于2014年，长春地区则2013短于2014年。5月、6月和8月份同期，哈尔滨和长春地区月平均日照时数年际间变化趋势相同，即5月份2013年长于2014年，6月和8月份2014年长于2013年。而在其它月份（7和9月份），哈尔滨和长春地区月平均日照时数年际间变化趋势完全相反，即7月和9月份同期，哈尔滨地区日平均日照时数均为2013年>2014年，而长春地区2013年<2014年。

表1 2013年和2014年试验区气象条件Table 1 The meteorological conditions in 2013 and 2014

2.2 大豆维生素E及其组分含量表型分析

不同年份和地点的大豆维生素E及其组分含量，如表2所示。重组自交系群体维生素E及其组分含量分布广，所有性状均表现为超亲分离。2013年，重组自交系群体α-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚和维生素E总含量的平均含量最高值均出现在哈尔滨阿城区。2014年，最高值则均出现在哈尔滨呼兰区。同一地点不同年份间比较，父母本和重组自交系群体平均值维生素E及其组分含量2013年均高于2014年。

表2 亲本及其重组自交系群体维生素E含量Table 2 Vitamin E contents of the soybean recombinant inbred line（RIL）population and parents（μg·g-1）

2.3 大豆维生素E及其组分含量多因素统计分析

研究对重组自交系群体的α-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚和维生素E总含量进行了多因素统计分析。如表3所示，α-生育酚含量在年份、群体、年份×地点互作、年份×群体互作、地点×群体互作和年份×地点×群体互作差异均达到极显著（P<0.001），在地点变异达到显著性差异（P=0.001 1）。如表4、表5和表6所示，对于γ-生育酚、δ-生育酚和维生素E总含量，年份、地点、群体、年份×地点互作、年份×群体互作、地点×群体互作和年份×地点×群体互作差异均达到极显著（P<0.001）。说明不同种植环境对大豆籽粒维生素E及其组分含量影响较大。

表3 重组自交系群体大豆籽粒α-生育酚含量多因素统计分析Table 3 Multiariable statistical analysis of α-tocopherol contents in RILs

表4 重组自交系群体大豆籽粒γ-生育酚含量多因素统计分析Table 4 Multiariable statistical analysis of γ-tocopherol contents in RILs

表5 重组自交系群体大豆籽粒δ-生育酚含量多因素统计分析Table 5 Multiariable statistical analysis of δ-tocopherol contents in RILs

表6 重组自交系群体大豆籽粒维生素E总含量多因素统计分析Table 6 Multiariable statistical analysis of total VE contents in RILs

2.4 大豆维生素E及其组分含量比较分析

为了更清晰和详细地对比不同年份和地点间大豆籽粒维生素E的差异水平，研究从重组自交系群体选取维生素E及其组分含量在不同环境条件下分别属于高、中和低水平的三个株系RIL-31、RIL-132和RIL-98，并与亲本和重组自交系群体平均值进行多重比较分析。

如图1所示，2013年任一地点大豆籽粒α-生育酚含量均极显著高于2014年（P<0.01）。2013年，Freeborn的α-生育酚含量在三个种植地点之间呈极显著差异（P<0.01），含量顺序为呼兰>长春>阿城。北丰9和RIL-31（高）在2013年三个种植地点之间差异显著（P<0.05），北丰9的含量顺序为长春>呼兰>阿城，RIL-31含量顺序为呼兰>阿城>长春。RIL-132（中）和RIL-98（低）在2013年阿城的α-生育酚含量分别极显著（P<0.01）和显著（P<0.05）低于其它两个种植地点，而长春和呼兰之间没有显著性差异。2013年长春、阿城和呼兰三个地点RILs平均值α-生育酚含量之间差异不显著。2014年，呼兰试验点北丰9的α-生育酚含量极显著高于长春和阿城试验点（P<0.01），Freeborn的α-生育酚含量在阿城最高，呼兰最低，两种植地点间呈极显著差异（P<0.01），RIL-31在呼兰的α-生育酚含量极显著低于长春和阿城（P<0.01），RIL-132在长春的α-生育酚含量极显著高于阿城和呼兰（P<0.01），RIL-98在三个种植地点间的α-生育酚含量呈显著性差异（P<0.05），含量顺序为长春>呼兰>阿城。2014年三个地点RILs平均值α-生育酚含量呼兰显著高于长春和阿城（P<0.05）。

图1 不同环境大豆籽粒α-生育酚含量比较分析Fig.1 Comparative analysis of α-tocopherol contents in soybean seeds in different environments

如图2所示，2013年任一地点大豆籽粒γ-生育酚含量均极显著高于2014年（P<0.01）。2013年，呼兰试验点的北丰9和RIL-31的γ-生育酚含量均极显著低于长春和阿城（P<0.01），而在长春与阿城之间差异不显著。长春试验点RIL-132的γ-生育酚含量极显著高于阿城和呼兰（P<0.01）。Freeborn、RIL-98和自交系群体平均值的γ-生育酚平含量三个种植地点间均呈极显著差异（P<0.01），Freeborn的含量顺序为呼兰>阿城>长春，RIL-98的含量顺序与Freeborn恰恰相反，为长春>阿城>呼兰，自交系平均值含量顺序为阿城>长春>呼兰。2014年，北丰9和RIL-132的γ-生育酚含量三个种植地点间均呈极显著差异（P<0.01），含量顺序均为呼兰>长春>阿城。在呼兰种植地点，Freeborn和重组自交系群体平均值的γ-生育酚含量均极显著高于其它两个地点（P<0.01），长春和阿城之间差异不显著。长春试验点RIL-31的γ-生育酚含量极显著低于阿城和呼兰（P<0.01），而RIL-98的γ-生育酚含量极显著高于阿城和呼兰（P<0.01），两个株系在阿城和呼兰之间差异均不显著。

图2 不同环境大豆籽粒γ-生育酚含量比较分析Fig.2 Comparative analysis of γ-tocopherol contents in soybean seeds in different environments

如图3所示，2013年任一地点的大豆籽粒δ-生育酚含量均极显著高于2014年（P<0.01）。2013年，阿城试验点北丰9的δ-生育酚含量极显著高于长春和呼兰（P<0.01），长春和呼兰两地间差异不显著。Freeborn、RIL-31和RIL-98的δ-生育酚含量在三个地点呈极显著差异（P<0.01），含量顺序分别为呼兰>阿城>长春、阿城>呼兰>长春和阿城>长春>呼兰。2013年，重组自交系群体δ-生育酚平均含量在三个地点间呈显著差异（P<0.05），含量顺序为阿城>呼兰>长春。2014年，北丰9、RIL-31和RIL-98的δ-生育酚含量在三个地点呈极显著差异（P<0.01），含量顺序为别为呼兰>长春>阿城、阿城>长春>呼兰和长春>阿城>呼兰。呼兰试验点Freeborn的δ-生育酚含量极显著高于长春和阿城（P<0.01），长春和阿城之间差异不显著。呼兰试验点RIL-132的δ-生育酚含量最高，长春最低，两地间差异极显著（P<0.01），与阿城试验点的δ-生育酚含量差异未达到显著水平。呼兰试验点重组自交系群体δ-生育酚平均含量显著高于长春和阿城（P<0.05），长春和阿城之间差异不显著。

图3 不同环境大豆籽粒δ-生育酚含量比较分析Fig.3 Comparative analysis of δ-tocopherol contents in soybean seeds in different environments

如图4所示，2013年任一地点的大豆籽粒维生素E总含量均极显著高于2014年（P<0.01）。2013年，北丰9和RIL-132的维生素E总含量在三个地点间呈现显著或极显著差异，其中，呼兰试验点北丰9的维生素E总含量与长春和阿城之间的差异均达到极显著水平（P<0.01），含量顺序为阿城>长春>呼兰。长春试验点RIL-132的维生素E总含量极显著高于阿城和呼兰（P<0.01），含量顺序为长春>呼兰>阿城。Freeborn的维生素E总含量三个地点间差异极显著（P<0.01），含量顺序为呼兰>阿城>长春。阿城试验点RIL-31维生素E总含量极显著高于长春试验点（P<0.01），呼兰含量介于两地之间，与长春和阿城差异不显著。呼兰试验点RIL-98维生素E总含量极显著低于长春和阿城（P<0.01），长春和阿城之间差异不显著。阿城试验点重组自交系群体维生素E总含量平均值极显著高于长春和呼兰（P<0.01），长春和呼兰之间差异不显著。2014年，北丰9维生素E总含量在三个地点之间呈极显著差异（P<0.01），含量顺序为呼兰>长春>阿城。呼兰试验点Freeborn、RIL-132和重组自交系群体平均值的维生素E总含量极显著高于长春和阿城（P<0.01），长春和阿城之间差异不显著。长春试验点RIL-31的维生素E总含量显著低于阿城和呼兰（P<0.05），而RIL-98的维生素E总含量极显著高于阿城和呼兰（P<0.01），两个株系在阿城和呼兰之间均差异不显著。

图4 不同环境大豆籽粒维生素E总含量比较分析Fig.4 Comparative analysis of Total VE contents in soybean seeds in different environments

3 结论与讨论

相关报道显示，大豆籽粒维生素E及其组分含量是由多基因控制的数量遗传性状，具有较低的广泛遗传力[15-16]。研究通过多因素统计分析显示，α-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚和维生素E总含量在年份、地点、群体、年份×地点互作、年份×群体互作、地点×群体互作和年份×地点×群体互作均达到了极显著差异（表3、表4、表5和表6），说明环境条件对大豆籽粒维生素E及其组分含量有显著的影响。

为了解析气候条件对大豆籽粒维生素E的影响方式，研究进一步对北丰9、Freeborn、RIL-31（高）、ROL-132（中）、RIL-98（低）和RILs平均值的α-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚和维生素E总含量进行了多因素比较分析。结果显示，2013年大豆籽粒维生素E及其组分含量均极显著高于2014年（图1、图2、图3和图4）。Shaw[15]利用重组自交系群体2年3地的数据分析也得出与研究相同结果，维生素E及其组分含量呈现年际间显著差异。这个结果可能与2013年与2014年3个地点环境年际变化有关。通过查阅中国统计年鉴[17-18]，研究选取2013年和2014年5月至9月份大豆生长发育阶段的气象数据进行了分析。分析结果显示，哈尔滨地区和长春地区日均气温2013年高于2014年。两区域5月至9月平均降水量2013年高于2014年。研究显示，高温和干旱条件有利于α-生育酚含量提高，但是不利于γ-生育酚、δ-生育酚和维生素E总含量的积累[11，19-22]。9月份大豆生长发育处于鼓粒期至完熟期，是大豆籽粒维生素E含量积累逐渐达到最大值阶段。根据气象资料，此时期，哈尔滨地区和长春地区日均气温2013年＞2014年，月平均降水量2013年<2014年，气温和降水条件均更有利于2013年大豆籽粒α-生育酚含量的积累，但是相反也会抑制γ-生育酚、δ-生育酚和维生素E总含量的提高。以往研究结论与气象因素可以解释大豆籽粒α-生育酚含量2013年高于2014年。但是，不足以解释γ-生育酚、δ-生育酚和维生素E总含量为何2013年也高于2014年。据报道，光照强度、臭氧和紫外线辐射均能影响植物维生素E及其组分的含量[23-37]。由于目前研究所掌握气象数据不足及相关研究还不够深入，还很难以解释这个结果。但研究认为，γ-生育酚、δ-生育酚和维生素E总含量2013年高于2014年可能因为受到其它气象因素年际变化的影响，而这些因素有可能是造成年际差异的主要因素。想要阐明大豆籽粒维生素E及其组分含量年季差异的原因，还需进行深入的研究加以解释和验证。

根据表型数据显示，2013年，重组自交系群体α-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚和维生素E总含量的平均含量最高值均出现在哈尔滨阿城区。2014年，最高值则均出现在哈尔滨呼兰区。研究显示，我国东北北部且包括哈尔滨地区，大豆籽粒中富含生育酚等多项功能性成分，而东北中南部且包括长春地区，则不属于高生育酚含量区域[38]。这也与研究结果相互印证。相关研究也指出，要根据种植区土壤和气候特点进行农业生产[39]。研究结果显示哈尔滨地区较长春地区气候条件更易种植生产出高维生素E含量的大豆产品，可以为高维生素E大豆生产提供参考。研究中，重组自交系群体的α-生育酚、γ-生育酚、δ-生育酚和维生素E总含量具有广泛的表型变异，所有性状均表现为超亲分离。这些性状的超亲变异有益于大豆维生素E性状的改良。