34份菊芋种质资源农艺性状及块茎品质综合评价

王璐 刘芳芳 郭洪海 胡鑫慧 刘振林 贾曦

关键词：菊芋；种质资源；植株性状；产量；品质；主成分分析；综合评价

菊芋（Helianthus tuberosusL．）是菊科向日葵属一种多年生宿根性草本植物，原产于北美洲，18世纪末自欧洲传人我国后被广泛种植，在生态治理、食品配料、生物质能源等方面都有广泛应用。菊芋具有很强的抗逆性，耐旱、耐盐、耐低温、抗风沙，适应性广且繁殖能力强，产量高，利用方式多样，是环境友好型植物。研究表明，菊芋可以在中度盐碱程度的松花江退化草地上正常生长，并获得一定的生态效益，经过进一步选育后，还可以在重度盐碱地上生长并完成生活史。菊芋种植不但可使盐碱地向着农用耕地转变，还具有生态修复的作用，成为生态治理的有效途径之一。菊芋块茎中富含果聚糖，利用菊粉酶可进一步开发出低聚果糖和超高果糖浆等多种产品，目前，菊粉已成为继淀粉、小麦精粉之后的又一重要食品及配料，被40多个国家批准为食品配料和营养增补剂，用低聚果糖、超高果糖浆替代蔗糖成为必然趋势。另菊芋地上部生物量大，茎叶可用作饲料，既可在生长旺季割取地上茎叶用作青饲料，也可在秋季粉碎后用作干饲料。杨梅、袁文杰等提出利用菊芋块茎生产燃料乙醇，制作生物乙醇取代化石燃料。菊芋叶浸提液对根结线虫病害有较好的防治效果，可以作为防治番茄根结线虫病害的植物源制劑。大力开发菊芋的工业化应用技术对加快菊芋生物资源的开发利用具有重要意义。

了解种质资源的特性可为其高效利用奠定基础。目前对我国菊芋种质资源的研究多集中于地下部块茎的品质性状。本研究以34份菊芋种质为试验材料，通过测定菊芋生长期地上部的植株性状、地下部块茎的产量和品质指标，采用主成分分析法进行综合评价，以期为今后菊芋种质资源的收集、评价、分类、鉴定、良种选育等提供科学依据，为菊芋的全面利用及产业发展提供理论支撑。

1材料与方法

1.1试验材料及试验地概况

共选用35份菊芋种质参加试验，其编号、名称及块茎皮色和形状见表1。其中青芋3号（ S22）因不耐涝而死亡，最终仅对34份种质进行分析评价。于2021年10月收获菊芋块茎，带回实验室清洗、晾干表面水分，置-4℃冰箱备用。34份菊芋种质的块茎表型见图1。

试验地位于山东省农业科学院东营基地北试验区，土壤质地为重壤，春季耕层土壤含盐量3.2g/kg，有机质含量10.2g/kg、碱解氮23.4mg/kg．速效磷11.7mg/kg、速效钾281.2mg/kg。

1.2试验设计

试验材料于2021年4月15日种植，采用随机区组设计，每个种质1个小区，重复3次。小区面积50.4m2，行距80cm，株距35cm，播种深度7～10cm。种植前旋耕，耕深25cm左右；按有效N145kg/hm2、P205136 kg/hm2、K20 56kg/hm2基施尿素、过磷酸钙、氯化钾。

1.3调查性状及方法

植株性状：11月份成熟期，参照《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南菊芋》（NY/T2503-2013）的方法，每个小区取15株，计数菊芋的茎数、主茎分枝数，并测量主茎高度、主茎粗度、次茎高度、次茎粗度、节高。

产量性状：成熟期收获后统计每个小区的单株块茎数、单株块茎重、块茎总重。

块茎品质：采用紫外分光光度法测定菊芋块茎可溶性糖、纤维素、淀粉、蛋白质含量。

1.4数据处理与统计分析

采用WPS Excel和SPSS软件进行数据主成分分析、相关性分析、方差分析等。

2结果与分析

2.1 34份菊芋种质农艺性状统计分析

由表2可见，34份菊芋种质的9个农艺性状中变异系数最大的是主茎分枝数，达60.49%，主茎分枝数变幅为3.00～52.33个；其次为产量，变异系数为58.55%，变幅为7.30～85.75 t/hm2；单株块茎数的变异系数也较大，为44.10%，变幅为6.33～79.33个；主茎粗度的变异系数最小，为7.13%，变幅为15.13～20.91mm;其余性状的变异系数在13.76～33.34%之间。34份种质中．产量高于30.00t/hm2的有S9、S12、S15、S16、S17、S24、S33、S34、S35。

2.2 34份菊芋种质块茎品质差异分析

表3表明．34份菊芋种质块茎中蛋白质含量最高的是S23，其次是S13，分别为15. 12、14. 60mg/g，含量较低的是S17、S18，分别为7.25、7.14mg/g；其中，52.9%种质的块茎蛋白质含量集中在10.00～13.00mg/g，32.4%的种质集中在8.00～10.00mg/g。块茎可溶性糖含量以S6、S24、S23的较高，分别为214.00、212.52、201.02mg/g；S9的含量最低，为105.47mg/g；52.9%的种质块茎可溶性糖含量集中在140.00～170.00mg/g。块茎淀粉含量变幅为1.15～6.18mg/g，其中，超过5.00mg/g的种质有7份，包括S6、S33、S1、S25、S12、S8、S3，以S6的最高；S27、S34、S35的块茎淀粉含量较低，为1.15～1.71 mg/g；有50.0%的种质块茎淀粉含量集中在3.00～5.00mg/g。种质S3的块茎纤维素含量最高，达到71.83mg/g．其次是S12，为63.59mg/g；含量最低的是S9，为15.62mg/g；其中，67.6%的种质块茎纤维素含量集中在30～50mg/g。4个指标中，变异系数最大的是块茎淀粉含量，为33.49%，其次是纤维素含量（29.55%），蛋白质含量和可溶性糖含量的变异系数相当，分别为18.45%和17.64%。说明34份种质的块茎淀粉和纤维素含量差异较大。

2.3 34份菊芋种质资源农艺性状的综合评价

运用主成分分析法从9个农艺性状中筛选出能更充分反映菊芋种质生长发育和产量的主导因素，并对34份种质进行综合评价。首先对数据进行标准化处理，然后进行相关性分析，并对其进行Bartlett球形检验，发现Sig.=0.00<0.05，說明性状间存在显著相关性，可用于主成分分析。

2.3.1 34份菊芋种质资源农艺性状相关性分析

相关性分析结果（表4）显示，茎数与主茎粗度显著负相关，与次茎高度、次茎粗度极显著正相关：主茎分枝数与主茎高度、节高极显著负相关，与主茎粗度、次茎粗度极显著正相关；主茎高度与次茎高度、节高极显著正相关；主茎粗度与次茎粗度极显著正相关；次茎高度分别与次茎粗度、节高呈极显著、显著正相关；单株块茎数分别于主茎分枝数、主茎粗度、次茎高度、次茎粗度显著正相关；产量分别与茎数、主茎分枝数、主茎粗度、次茎高度、次茎粗度、节高、单株块茎数极显著正相关，与主茎高度显著负相关。

2.3.2 34份菊芋种质农艺性状主成分分析由表5可知，前3个主成分的特征值分别为3.05、2.20和1.41，均大于1.00，累积贡献率为74.00%，表明这3个主成分基本代表了9个性状74.00%的信息量，可用于对34份种质进行综合评价。3个主成分中，第一主成分主要解释次茎粗度、产量、次茎高度、茎数，主要反映菊芋种质的产量和株型信息；第二主成分主要解释节高、主茎高度、次茎高度，主要反映菊芋种质的株高信息；第三主成分主要解释主茎粗度、单株块茎数，主要反映菊芋种质的主茎粗和块茎数。

2.3.3 34份菊芋种质农艺性状综合评价根据特征向量进行主成分得分计算，再根据每个主成分的特征值占所提取主成分总特征值的权重，构建出不同菊芋种质的综合评价模型：F=（3.05F1+ 2.20F2+1.41F3）/6.662。结果（表6）显示，在第一主成分中，S17、S34、S35得分较高，表明这3份种质在产量和株型方面表现优异：在第二主成分中，S4、S17、S18、S24、S29得分较高，表明这5份种质在株高方面表现优异：在第三主成分中，S9、S13、S20、S26得分较高，表明这4份种质在主茎粗度和单株块茎数方面表现优异。经计算综合得分，排名前六位的种质为S17、S34、S9、S24、S16、S4，说明这6份种质综合表现较好。

进一步对经综合评价筛选出的6份菊芋种质的农艺性状进行多重比较，结果（表7）显示，S34的主茎高度和节高极显著低于其他种质，次茎和主茎均较粗，产量则极显著高于其他种质，达到85.75t/hm2（表2）。其余5份种质的主茎高度、次茎和主茎粗度、节高差异较小，除S4产量仅19.85t/hm2外，产量都在30.81～41.29t/hm2范围内。

3讨论与结论

为进一步丰富菊芋种质资源库，本研究选用34份菊芋种质，在山东省东营市盐碱地种植，对其植株性状及块茎产量性状和品质指标进行差异性分析。结果表明，主茎分枝数和产量的变异系数较高，分别达到60.49%和58.55%；单株块茎数、茎数、淀粉含量的变异系数也较大，分别为44.10%、33.34%、33.49%；主茎粗度的变异系数最小，仅7.13%：其余指标的变异系数在13.76%～29.55%之间。其中，有9份种质的产量高于30t/hm2，分别为S9、S12、S15、S16、S17、S24、S33、S34、S35；根据《中国食物成分表》对薯芋类作物品质指标的界定，筛选出S23、S13、S35、S11为高蛋白种质，S6、S24、S23为高可溶性糖种质，S3、S12、S26、S30、S34为高纤维种质，S6、S33、S1、S25为高淀粉种质。这可为盐碱地菊芋栽培提供多种可选择种质，并为其新品种选育及功能性食品开发利用提供参考。

主成分分析法是现代育种常用的一种辅助手段，已在多种作物上应用。本研究基于菊芋的9个农艺性状提取出3个主成分，累计贡献率达到74.00%，表明其能反映全部性状的绝大部分信息。其中，第一主成分主要反映产量和株型信息，第二主成分主要反映株高信息，第三主成分主要反映主茎粗度和单株块茎数。进一步利用3个主成分构建综合评价模型，对34份菊芋种质进行综合评价，综合得分前六位的种质分别为S17（X2020-2）、S34（HZ）、S9（TJ）、S24（L2-1）、S16（X2020-1）、S4（ N2019-4）.

通过对综合评价得分较高的6份种质进行多重比较，发现S34的主茎高度和节高显著低于其他种质，而次茎和主茎均较粗，产量显著高于其他种质，达到85.75t/hm2。可能是因为降低菊芋主茎高度和节高，增加茎粗，可以避免开花期和块茎膨大期地上植株倒伏，从而显著提高菊芋块茎产量。另外发现，这6份种质中，除S24的块茎可溶性糖含量、S34的纤维含量较高外，各菊芋种质的块茎品质表现并不突出。因此，亟需选育出植株性状优异、块茎产量和品质高的菊芋品种，解决菊芋生产中高产优质品种短缺的问题，进一步推进菊芋精深加工产业的发展。