山桐子不同种源和家系果实化学成分及脂肪酸组分的差异分析

刘 仁，贺小林，温黎斌，郭志强，朱 琪，魏敏，厉月桥，刘 儒

（中国林业科学研究院 亚热带林业实验中心，江西 新余 336600）

【研究意义】山桐子（Idesia polycarpa）又称山梧桐、油葡萄、半霜红、水冬瓜、椅树等，是大风子科（Flacourtiaceae）山桐子属（Idesia）高大落叶乔木[1-2]，其在我国分布广泛且适应性强，主要生长于华北、华中、西南、西北等地[3]。山桐子作为健康食用油的潜在资源及可再生的生物质能源树种，其极高的利用价值已逐渐受到相关研究人员的极度关注和重视。【前人研究进展】山桐子果实中含有大量能降低血脂、血压和预防心脑血管疾病等保健功效的不饱和脂肪酸，高达82%以上，其中亚油酸的含量更是高达52.5%～81.4%，与红花籽油和葵花籽油相当，比菜籽油、橄榄油和花生油的含量都高。除此之外，山桐子果实中还含有棕榈油酸，油酸和亚麻酸等人体所需的不饱和脂肪酸[4-6]。研究已证明山桐子果实所含的亚油酸具有能够减少机体的单不饱和脂肪酸和胆固醇含量、抗氧化、抗癌等重要生理功能[7-8]。高含量的亚油酸等油脂成分亦可以作为提取亚油酸制剂及做油漆、涂料和制皂的原料，且市场需求量大[9]。因此，山桐子被誉为“树上油库”，是重要的木本油料树种，有着较高的研究价值[10-11]。作为新兴油料作物，山桐子油已于2020 年9 月被中华人民共和国国家卫生和健康委员会列为普通食品[12]，发展山桐子产业可以为我国增添一种新型食用油，对于缓解市场压力和促进经济发展具有积极作用。此外，山桐子适应性强，耐旱、耐瘠薄、速生，是优秀的退耕还林和城市绿化的理想树种[13]。【本研究切入点】目前有关山桐子的研究，主要集中在其植株的天然表型[14-15]、虫害防治[16]、品种选育[17-18]以及开发利用[19-20]等方面。研究人员对于中国不同地区山桐子果实的化学成分和脂肪酸组成、含量的详细研究甚少，龚榜初等[21]和祝志勇等[22]研究表明不同种源的山桐子果实脂肪酸组成变异显著。包杰和陈凤香[23]在不同产地山桐子果含油率和脂肪酸组成分析研究中发现山桐子果含油率为35.02%～39.36%，山桐子油的不饱和脂肪酸含量较高，在测出的6种主要脂肪酸中亚油酸含量最高，达到68.02%～70.97%。另外，陈子茜等[24]和闻乐嫣等[25]探究了山桐子果实的多种化学成分含量以及油脂的脂肪酸组成的变化差异，但对于果实中非油脂化学成分（碳、氮、磷）研究相对较少。因此，分析不同种源和家系山桐子果实非油脂化学成分（碳、氮、磷）、含油率及脂肪酸含量差异，对于开发我国油料树种资源具有重要价值。【拟解决的关键问题】本研究对采自4 个种源16 个家系的山桐子果实碳、氮、磷化学成分、粗脂肪及脂肪酸组分含量进行研究分析，旨在揭示不同种源与家系山桐子果实的碳、氮、磷化学成分、粗脂肪含量及其占比的差异，初步筛选出含有特定脂肪酸成分的优良山桐子种源家系，同时摸清非油脂化学成分（碳、氮、磷）、脂肪酸组分与环境因子之间的关系，为进一步的山桐子良种选育及山桐子油开发提供科学的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于江西省新余市分宜县中国林业科学研究院亚热带林业实验中心山下林场，地理坐标为27°42′～27°45′N，114°33′～114°45′E，属亚热带湿润季风气候，年平均日照时间约为1 512 h，年平均气温17.5 ℃，年平均降雨量1 650 mm，降雨集中在每年4—6 月，6 月最多，无霜期约270 d。母质为千枚岩，土壤为红壤，大部分土层厚度在80 cm以上，土壤肥力较好，适宜山桐子生长。

1.2 试验材料

本试验所选取的材料由2008年从不同种源地采集的山桐子种子培育而来，于2009年栽植在中国林业科学研究院亚热带林业实验中心山下林场岭下组，种源地地理位置及气象因子详见表1。供试的山桐子果实采集于2022年10月，共采集了4个种源的16个家系，其来源和生长状况信息见表2、3。

表1 种源地地理位置及气象因子Tab.1 Provenance geographical location and meteorological factors

表2 种源及家系概况Tab.2 Overview of provenance and family

表3 不同山桐子家系采果树生长状况Tab.3 Growth status of fruit trees in different Idesia polycarpa families

1.3 试验设计

栽植区分为4个重复区，每个重复区覆盖了4个种源16个家系，每排种植5株同一种家系，共随机种植3排，株行距为2 m×2 m。采果树为生长及结实状况良好的单株，每个重复区每个家系每排选择3棵生长发育良好的健壮植株，随机摘取20 g无病虫害的果实混合，用锡箔纸包好做好标记，放入液氮中暂存，带回实验室保存在超低温冰箱以备用于测定脂肪酸组分含量试验。另外分装20 g的果实于有编号的塑料自封袋内，带回实验室内用于测定果实化学成分。

1.4 测定方法

1.4.1 果实全碳、全氮、全磷含量测定 果实全碳含量采用元素分析仪，果实全氮含量采用自动定氮分析仪测定，果实全磷含量采用压力罐消解法—电感耦合等离子体发射光谱仪测定[26]，最后计算得到碳氮比、碳磷比、氮磷比。

1.4.2 山桐子果实粗脂肪含量的测定 参考GB 5009.6—2016《食品中脂肪的测定》[27]索氏抽提法。称取5 g（精确至0.1 mg）样品粉末，滤纸包裹后，加入约300 mL 石油醚（30～60 ℃），60 ℃水浴提取8 h，旋转蒸发仪蒸干，得到粗脂肪提取物，称量，计算粗脂肪含量（以质量分数表示）。

1.4.3 山桐子果实脂肪酸组分测定 样品在液氮环境下磨成粉状，称取约0.2 g 样品至10 mL 的离心管中。加入5 mL的色谱甲醇浸泡2 h，10 000转速下离心10 min，提取2次合并上清液。加入5 mL的三氯甲烷（氯仿）混匀后浸泡2 h，10 000转速下离心10 min，用注射器过滤，提取2次合并上清液。将上述步骤所获取的提取液各取2.5 mL 至离心管中混匀，用氮吹仪吹干。加入5%氢氧化钾-甲醇溶液1 mL，摇匀，在60 ℃水浴加热30 min，取出冷却至室温。加入3 mL14 %三氟化硼-甲醇溶液，摇匀，在60 ℃水浴加热3 min，冷却至室温。加入2.5 mL正己烷，充分振荡，静置，取上清液于气相色谱质谱联用仪分析[28]。

1.5 数据统计与分析

采用 Excle 2010 进行数据处理，并以平均值±标准误（SE）（n=4）的形式表示，采用SPSS 26.0 分别对不同山桐子种源和家系进行单因素方差分析和Duncan法进行多重比较（α=0.05），用Pearson法分析各果实化学成分、脂肪酸含量及占比与种源地气候因子间的相关性，利用脂肪酸含量指标进行聚类分析。绘图工具采用Origin Pro 2022制图。

2 结果与分析

2.1 不同种源及家系山桐子果实化学成分含量及其化学计量比差异分析

由图1 可知，不同种源及家系山桐子果实化学成分含量及其化学计量比均存在显著差异。其中，江西修水种源的山桐子果实全碳含量（535.47 g∕kg）和全氮含量（15.32 g∕kg）显著高于其他3 个种源，其中，江西修水4家系的全碳含量（550.40 g∕kg）和江西修水1家系的全氮含量（17.73 g∕kg）显著高于其他家系。安徽黄山11 家系的全碳（502.26 g∕kg）、全氮（7.02 g∕kg）和全磷（1.21 g∕kg）含量最低，但其粗脂肪含量（23.89%）、碳氮比和碳磷比最高，而湖南吉首2家系（3.09%）和湖南吉首60（2.98%）家系粗脂肪酸含量最低。此外，安徽黄山种源的山桐子果实全碳、全氮、全磷含量和氮磷比显著低于湖南吉首种源，但安徽黄山种源的果实粗脂肪含量（23.89%）、碳氮比和碳磷比显著高于湖南吉首种源，由此可见，山桐子果实中的全碳、全氮、全磷与粗脂肪含量存在一定的关系。

图1 不同种源和家系山桐子果实化学成分含量及化学计量比Fig.1 Fruit chemical component content and stoichiometric ratio of Idesia polycarpa from different provenances and families

2.2 不同种源及家系山桐子果实脂肪酸组分含量差异分析

由表4 可知，不同种源及家系山桐子果实脂肪酸组分含量存在显著差异。山桐子果实脂肪酸组分平均含量由高到低排序为亚油酸、棕榈酸、反式油酸、硬脂酸、γ-亚麻酸、棕榈油酸、月桂酸、肉豆蔻酸，说明亚油酸和棕榈酸是山桐子果实脂肪酸的主要组分。除月桂酸外，江西修水种源的山桐子果实各脂肪酸组分及总脂肪酸显著高于江西九连山种源，且其含量最低。另外，安徽黄山种源和湖南吉首种源的山桐子果实肉豆蔻酸、棕榈酸、棕榈油酸含量及总脂肪酸含量显著高于江西九连山种源。由此说明，江西九连山种源的果实品质较低。在山桐子各家系中，安徽黄山6 家系的硬脂酸、反式油酸、亚油酸、γ-亚麻酸和总脂肪酸含量（5 089.31 mg∕kg）显著低于其他家系，而肉豆蔻酸含量最低的是江西九连山1 家系，为39.83 mg∕kg。湖南吉首2 家系的棕榈酸（642.04 mg∕kg）、棕榈油酸（40.52 mg∕kg）和γ-亚麻酸（158.97 mg∕kg）含量最低，江西修水4 家系的反式油酸（1 536.21 mg∕kg）和γ-亚麻酸（625.37 mg∕kg）含量最高。另外，湖南吉首1 家系月桂酸（170.66 mg∕kg）、肉豆蔻酸（161.86 mg∕kg）、亚油酸（14 338.51 mg∕kg）和总脂肪酸（19 898.77 mg∕kg）含量最高且显著高于其他家系。由此可知，各家系果实的脂肪酸组分含量差异较大。

表4 不同种源和家系山桐子果实脂肪酸组分含量Tab.4 Contents of fatty acid components in fruits of different provenances and families of Idesia polycarpa mg·kg-1

2.3 不同种源和家系山桐子果实脂肪酸组分占比分析

如表5所示，不同种源及家系山桐子果实脂肪酸组分占比存在显著差异。不同种源中的脂肪酸组分占比由高到低排序为亚油酸、棕榈酸、反式油酸、硬脂酸、γ-亚麻酸、棕榈油酸、月桂酸、肉豆蔻酸，其中亚油酸和棕榈酸两者之和占脂肪酸总量的80.61%～86.57%，亚油酸所占的平均比例高达68.66%，说明不同种源的脂肪酸均以亚油酸和棕榈酸为主，且亚油酸占比最高。湖南吉首种源的亚油酸占比最高，均值为72.71%；反式油酸占比最低，为3.57%，而江西修水种源的亚油酸占比（63.04%）最低，反式油酸占比（7.66%）最高，主要体现在湖南吉首2 家系和江西修水4 家系，说明亚油酸和棕榈油酸存在一定的关系。另外，不同种源的月桂酸和肉豆蔻酸占比最低，均不足1.00%，均值分别是0.95%和0.74%，说明月桂酸和肉豆蔻酸在山桐子果实内含量不高。棕榈酸占比（12.44%）和棕榈油酸占比（1.45%）最低的是江西九连山种源；最高是安徽黄山，分别是17.66%和3.32%。硬脂酸占比（2.29%）和γ-亚麻酸占比（2.34%）是安徽黄山种源最低，江西九连山种源的硬脂酸占比（3.94%）和江西修水种源的γ-亚麻酸占比（3.75%）最高。但在家系中，棕榈油酸占比最低的是湖南吉首36 家系（0.53%），硬脂酸占比是湖南吉首57 家系（2.25%）最低，江西九连山1 家系（43%）却最高。另外，湖南吉首1 家系（1.54%）和安徽黄山11 家系（1.64%）的γ-亚麻酸占比最低，均小于2%，说明同种源内各家系间及不同种源内的家系间果实脂肪酸占比差异较大。

表5 不同种源和家系山桐子果实脂肪酸组分占比Tab.5 Proportion of fatty acid components in fruits of different provenances and families of Idesia polycarpa %

2.4 种源地气候因子与山桐子果实化学成分和脂肪酸组分的关系

由图2可知，种源地气候与山桐子果实成分和脂肪酸组分存在一定的相关关系。其中，经纬度、七月均温、年降水量和年日照时数与反式油酸、粗脂肪酸含量及碳氮比、碳磷比呈显著正相关关系，与全氮、全磷呈显著负相关关系。一月均温和年降水量与肉豆蔻酸、全氮、氮磷比存在显著负相关关系。七月均温、年降水量和年日照时数与棕榈酸、棕榈油酸和硬脂酸呈显著的正相关关系。年降水量与总脂肪酸呈显著的正相关关系。

图2 种源地气候因子与山桐子果实化学成分和脂肪酸组分的相关性Fig.2 Heatmap of correlation between climatic factors of provenance and chemical composition and fatty acid composition of Idesia polycarpa fruit

2.5 山桐子果实化学成分与脂肪酸组分的相关性分析

由图3 可知，山桐子果实化学成分与脂肪酸组分存在一定的相关关系。其中，肉豆蔻酸与月桂酸之间存在显著的正相关关系。与脂肪酸组分的关系中，棕榈酸与月桂酸存在不相关关系，与其他脂肪酸组分呈现显著正相关关系。棕榈油酸和亚油酸与各脂肪酸组分和粗脂肪存在显著正相关关系。硬脂酸、反式油酸、γ-亚麻酸除了与月桂酸、肉豆蔻酸无相关关系外，与其他脂肪酸组分呈显著正相关关系。棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、反式油酸与全氮、全磷呈显著负相关关系，但与全碳、粗脂肪、碳氮比和碳磷比之间存在显著正相关关系。γ-亚麻酸与全碳、粗脂肪呈显著正相关关系，总脂肪酸与各脂肪酸组分、全碳、粗脂肪、碳氮比和氮磷比呈显著正相关关系。全碳、全氮、全磷之间存在显著正相关关系，碳氮比与碳磷比存在显著正相关关系，但与氮磷比呈负相关关系。粗脂肪与全氮、全磷存在显著负相关关系，与碳氮比、碳磷比呈负相关关系。

图3 山桐子果实化学成分与脂肪酸组分之间的相关性Fig.3 Correlation heat map between chemical composition and fatty acid composition of Idesia polycarpa fruit

2.6 不同家系山桐子脂肪酸组分含量的聚类分析

对16个家系山桐子果实脂肪酸组分含量进行聚类分析（图4）。结果表明，湖南吉首1与其他家系的遗传距离最大。以欧氏距离0.60 为阈值，可将16 个家系分为4 大类，包括1 个较大的类群和3 个较小的类群。第Ⅰ类包括湖南吉首5、17、70和江西修水1等12个家系，又分别聚为2个小类。第Ⅱ类包括江西修水3 和安徽黄山11 家系，这类家系果实棕榈酸、棕榈油酸、硬脂酸、反式油酸、亚油酸和总脂肪酸含量较高，与其他家系脂肪酸含量相比，均可位列前4位。第Ⅲ类为江西修水4家系，其家系果实反式油酸和γ-亚麻酸含量明显高于其他家系。第Ⅳ类为湖南吉首1 家系，此家系果实的月桂酸、肉豆蔻酸、亚油酸和总脂肪酸含量明显高于其他家系，且其他脂肪酸含量也较高，与其他家系脂肪酸含量相比，均可位列前5位。

图4 16个家系山桐子果实脂肪酸组分含量的聚类分析Fig.4 Cluster analysis of fatty acid composition in fruits of 16 Idesia polycarpa families

3 结论与讨论

本研究发现，不同种源及家系山桐子果实化学成分含量及其化学计量比均存在显著差异。江西修水种源的山桐子果实全碳、全氮和全磷含量最高，安徽黄山种源的山桐子果实粗脂肪含量最高，主要表现在江西修水4家系和安徽黄山11家系，这可能与其气候条件因素有关，安徽黄山和江西修水同处于亚热带季风气候区，但安徽黄山相较于江西修水的年日照时间较长，年降水量充足，这些均为山桐子自身的生长以及果实积累更多油脂提供了有利条件。正如与龚榜初等[29]研究表明不同立地及环境条件对山桐子生长、结果及果实内含油率具有较高的影响结果一致。此外，本研究的相关性分析结果也表明了不同的外界环境条件包括经度、纬度、七月均温、年降水量、年日照时数与山桐子果实粗脂肪含量呈显著正相关关系。该结果与祝志勇等[22]在对9个野生山桐子群居果实含油率的研究结果一致。另外，本研究发现粗脂肪含量与全氮和全磷存在显著的负相关关系，与碳磷比和碳氮比呈显著的正相关关系，说明粗脂肪的合成会减少氮磷养分的积累，同时氮磷养分的利用率高于碳的利用。山桐子果实全碳与全氮之间呈显著正相关关系，这是因为植物碳和氮的代谢过程存在许多交互作用，如氮的同化需要碳骨架才能转变成植物所需要原料。该结果可为进一步培育高含油率的山桐子良种试验提供宝贵的材料。

山桐子油作为一种高品质食用油及生物柴油，其中，山桐子果实脂肪酸组分中亚油酸、亚麻酸、棕榈酸和硬脂酸对人体健康具有重要作用[30]。本研究发现江西修水种源山桐子果实的亚麻酸、棕榈酸和硬脂酸含量显著高于江西九连山种源，说明江西修水种源可作为培育山桐子优质植物油的筛选对象，尤其是江西修水4家系。这可能是江西修水相对于江西九连山的七月均温较高且降水日较短，有助于山桐子果实脂肪酸的合成与积累。另外，棕榈酸、硬脂酸与全氮、全磷呈显著负相关关系，但与全碳、粗脂肪、碳氮比和碳磷比之间存在显著正相关关系，说明有效成分脂肪酸的合成会消耗氮磷养分同时促进碳和粗脂肪含量的积累。另外，种源中的脂肪酸组分占比中亚油酸和棕榈酸之和占脂肪酸总量的80%以上，说明不同种源山桐子果实的脂肪酸成分均以亚油酸和棕榈酸为主，其与Li等[31]研究结果一致，但比宋明发等人[5]的研究结果较低，这可能由不同种源、树龄差异、提取方法等因素所导致的。有趣的是，湖南吉首种源的亚油酸占比最高，棕榈酸、棕榈油酸、反式油酸占比最低，而江西修水与之相反，说明山桐子油脂中亚油酸占比与棕榈酸占比、棕榈油酸占比和反式油酸占比是此消彼长的，该结果与代莉[32]研究一致。此外，在16个家系的脂肪酸组分含量聚类中湖南吉首、江西修水、江西九连山、安徽黄山的几个家系都没有聚为一类，这说明同种源不同家系间遗传变异较大，而4 个种源16 个家系并未按照地理距离而聚类，表明不同山桐子家系果实脂肪酸组分在空间上不存在特异性。该研究结果与宋雨[33]研究结果一致，表明不同种源和家系山桐子果实脂肪酸含量存在丰富的变异性，选择潜力较大，具有极大的开发与利用价值，为进行特定的油脂成分选择性育种提供了较大的便利。

本研究初步分析了4个种源16个家系的山桐子果实化学成分和脂肪酸组分含量及种源地环境因子各指标间的关系。由于受到调查数据的限制，种源地环境因子数据偏少，本试验还未能充分说明种源地的环境因子对山桐子果实化学成分和脂肪酸组分含量及占比的影响，因此在后期试验中可补充种源地的海拔、积温、土壤养分和地形（坡位、坡向）等环境因子进一步进行研究。总体而言，不同种源及家系山桐子果实化学成分含量及其化学计量比、脂肪酸组分含量和占比均存在显著差异。4个种源中江西修水和安徽黄山种源的优势明显，16个家系中安徽黄山11、江西修水4的优势较为突出。山桐子果实的脂肪酸成分均以亚油酸和棕榈酸为主，脂肪酸的合成会促进碳和粗脂肪含量的积累。种源和家系间的脂肪酸含量差异明显且不存在空间特异性，受环境因素影响较大，温度和降水量的提高有助于消耗氮磷养分来提高粗脂肪含量。本研究结果可以作为进一步富含油脂山桐子良种选育的素材，亦可作为特定的油脂成分选择性育种提供了较大的便利。