趙孟良，劉明池，鐘啟文，何洪巨，季延海，李 莉

(1青海大學(xué) 農(nóng)林科學(xué)院，青海省蔬菜遺傳與生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016；2 北京市農(nóng)林科學(xué)院 蔬菜研究中心，北京 100097；3西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100；4 省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016)

菊芋(HelianthustuberosusLinn)又名洋姜[1]，為菊科向日葵屬多年生宿根植物，原產(chǎn)北美洲。菊芋適應(yīng)性強(qiáng)、分布廣，在全球的熱帶、溫帶、寒帶以及干旱、半干旱地區(qū)都有分布，在我國大部分地區(qū)都有種植，其地方資源也十分豐富。近年來，菊芋在食品配料[2]、生態(tài)治理[3]、生物質(zhì)能源[4]等方面都具有廣泛的應(yīng)用。菊芋塊莖中富含菊粉，菊粉占菊芋干物質(zhì)的80%以上，由于其低熱能且富含膳食纖維，與目前普遍食用的甜味劑蔗糖相比，具有不會(huì)引發(fā)肥胖癥、糖尿病和心血管疾病等健康問題的優(yōu)勢[5]，成為繼淀粉、小麥精粉之后的又一重要食品及配料，已被世界上40多個(gè)國家批準(zhǔn)為食品配料和營養(yǎng)增補(bǔ)劑[6]，對菊芋菊粉的加工和利用，顯示出極大的發(fā)展?jié)摿7]。

目前關(guān)于菊芋營養(yǎng)品質(zhì)方面的研究較多?？诐萚8]對5種菊芋資源的塊莖及莖葉的營養(yǎng)成分研究發(fā)現(xiàn)，菊芋莖葉的蛋白質(zhì)含量小于10%，而灰分含量在5%～10%；紅菊芋莖葉水分、灰分、脂肪、水溶性成分、適口性等指標(biāo)皆最高，適宜作為牲畜飼料。王麗慧等[9]分別對2個(gè)品種菊芋秸稈的粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、粗灰分、鈣、磷、無氮浸出物含量進(jìn)行了測定。王芳芳等[10]通過消化試驗(yàn)，就菊芋粕對泌乳奶牛的營養(yǎng)價(jià)值進(jìn)行評定，結(jié)果表明，菊芋粕是一種營養(yǎng)價(jià)值略低而養(yǎng)分消化率較高的能量飼料。呂炳起等[11]對花前的菊芋秸稈和葎草的營養(yǎng)成分的研究表明，菊芋秸稈中的營養(yǎng)成分優(yōu)于葎草。上述研究大多是針對少量菊芋品種進(jìn)行營養(yǎng)成分分析，而對不同來源、不同類型菊芋種質(zhì)資源品質(zhì)性狀進(jìn)行系統(tǒng)分析的研究尚未見報(bào)道。為此，本研究以近期收集自法國和丹麥的25份菊芋種質(zhì)資源為材料，以我國4份菊芋種質(zhì)資源為對照，對不同來源菊芋塊莖中多種營養(yǎng)成分及其有效功能成分含量進(jìn)行分析，為今后進(jìn)行菊芋種質(zhì)資源的分類、新品種選育和功能產(chǎn)品開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以保存在青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院種質(zhì)資源圃中引自法國和丹麥的25份菊芋種質(zhì)資源為材料，以來自我國的4份資源為對照(表1和圖1)。試驗(yàn)材料種植于青海省西寧市城北區(qū)二十里鋪鎮(zhèn)青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院3號(hào)試驗(yàn)地，該地區(qū)屬湟水流域灌區(qū)，土壤為栗鈣土，土壤有機(jī)質(zhì)含量20.28 g/kg，pH值8.12，土壤全氮含量1.17 g/kg，全磷含量2.18 g/kg，全鉀含量22.5 g/kg，速效氮含量69.0 mg/kg，速效磷含量65.0 mg/kg，速效鉀含量229.0 mg/kg[12]。于2014年4月10日進(jìn)行菊芋資源的大田種植，株行距40 cm×60 cm，10月25日收獲塊莖，收獲后于-4 ℃貯藏。

1.2 測定指標(biāo)及方法

從每份資源中隨機(jī)選取30個(gè)塊莖切片混合作為品質(zhì)測試樣本，用凍干機(jī)(Labconco freeie dry system)凍干后帶表皮磨粉后備用。菊芋資源塊莖主要營養(yǎng)成分含量的測定方法為：含水率測定采用冷凍干燥法[13]，可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法[14]，蛋白質(zhì)含量測定采用凱氏定氮法[15]，粗纖維含量測定采用酸堿洗滌劑法[16]，黃酮含量測定采用硝酸鋁-亞硝酸鈉法[17]，果聚糖含量測定采用HPAEC法[18]，淀粉含量測定采用酶水解法[19]。干物質(zhì)含量=1-含水率。

表1 29份供試菊芋種質(zhì)資源外觀性狀Table 1 Appearance of 29 Helianthus tuberosus Linn

1～29代表的菊芋種質(zhì)資源名稱同表1 1-29.The names are same as Table 1

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

各指標(biāo)的最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及變異系數(shù)采用Microsoft Excel 2010分析。相應(yīng)的主成分分析和聚類分析在 SPSS(19.0 版)軟件上進(jìn)行。為便于對塊莖顏色性狀進(jìn)行相關(guān)分析，根據(jù)顏色深淺對其進(jìn)行了賦值，定義紫色為5、紅色為4、淺紅色為3、粉色為2、白色為1。

2 結(jié)果與分析

2.1 菊芋種質(zhì)資源的品質(zhì)性狀

菊芋種質(zhì)資源塊莖主要品質(zhì)性狀如表2所示。

表2 菊芋種質(zhì)資源塊莖的主要品質(zhì)性狀Table 2 Main quality traits of tuber statistics

由表2可見，菊芋種質(zhì)資源變異系數(shù)最大的為黃酮，達(dá)到37.96%；其次是粗纖維和淀粉，變異系數(shù)分別為25.33%，17.77%；最小的為可溶性糖，變異系數(shù)為6.78%。果聚糖含量最高的是F20(60.30 g/kg)，最低的是F18(39.80 g/kg)，68.90%的菊芋種質(zhì)資源果聚糖含量分布在40.00 ～60.00 g/kg；可溶性糖含量最高的是F12(73.36 g/kg)，最低的是D3(55.64 g/kg)，93.00%的菊芋種質(zhì)資源可溶性糖含量分布在55.00～60.00 g/kg；蛋白質(zhì)含量最高的是D13(12.37 g/kg)，最低的是青芋2號(hào)(5.81 g/kg)，79.30%的菊芋種質(zhì)資源蛋白質(zhì)含量分布在7.00～12.00 g/kg；黃酮含量最高的是D3(106.39 mg/kg)，最低的是F14(19.95 mg/kg)，75.90%的菊芋種質(zhì)資源黃酮含量分布在30.00～50.00 mg/kg；粗纖維含量最高的是青芋3號(hào)(5.72 g/kg)，最小的是F5(1.16 g/kg)，75.90%的菊芋種質(zhì)資源粗纖維含量分布在3.00～5.00 g/kg；淀粉含量最高的是青芋3號(hào)和D7(13.7 g/kg)，最低的是F17(7.0 g/kg)，82.80%的菊芋種質(zhì)資源淀粉含量分布在8.0～13.0 g/kg。

由表3可知，29份菊芋種質(zhì)資源中，來自丹麥的11份資源塊莖品質(zhì)含量中最高的為可溶性糖，其次為果聚糖含量；黃酮和粗纖維含量的變異系數(shù)均較高，分別為39.99%和26.29%。來自法國的14份種質(zhì)資源中，塊莖品質(zhì)含量較高的為可溶性糖，其次是果聚糖含量；變異系數(shù)較大的是黃酮和粗纖維，分別為37.96%和25.33%。來自中國的4份菊芋種質(zhì)資源中，品質(zhì)性狀含量較高的為可溶性糖含量，其次為果聚糖含量；變異系數(shù)較大的是黃酮和粗纖維，分別為39.50%和20.82%。從平均值來看，可溶性糖、蛋白質(zhì)含量以法國資源最高；果聚糖、黃酮、粗纖維、淀粉含量均以中國資源最高。

表3 不同區(qū)域菊芋種質(zhì)資源塊莖的品質(zhì)性狀Table 3 Analysis of quality traits of Helianthus tuberosus Linn from different sources

2.2 菊芋種質(zhì)資源塊莖品質(zhì)性狀與顏色及干物質(zhì)的相關(guān)性

表4結(jié)果表明，干物質(zhì)與黃酮、果聚糖含量呈極顯著正相關(guān)，與顏色呈顯著正相關(guān)；黃酮含量與顏色呈極顯著正相關(guān)；果聚糖含量與顏色也呈顯著正相關(guān)；蛋白質(zhì)含量與粗纖維含量呈顯著負(fù)相關(guān)。

表4 菊芋塊莖品質(zhì)性狀與顏色及干物質(zhì)的相關(guān)性Table 4 Correlation between quality traits of tuber and color and dry matter of Helianthus tuberosus Linn

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05) ，**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

Note：* means significant correlation (P<0.05), ** means extremely significant correlation (P<0.01).

2.3 菊芋種質(zhì)資源塊莖品質(zhì)性狀的主成分及聚類分析

對29份菊芋種質(zhì)資源的主成分分析結(jié)果(表5)表明，前4個(gè)主成分果聚糖、可溶性糖、蛋白質(zhì)和黃酮含量的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)86.073 1% ，這4個(gè)主成分包含了所有性狀的大部分信息，可以用來對菊芋材料進(jìn)行綜合評價(jià)。

表5 菊芋種質(zhì)資源的主成分分析Table 5 Principal component analysis of Helianthus tuberosus Linn resources

由圖2可以看出，在遺傳距離為25.24處，可將29份菊芋種質(zhì)資源分成3大類群。第Ⅰ類群包括25份菊芋種質(zhì)資源，分為5個(gè)亞群，F(xiàn)12、D7、F9、F16、F20等5份為第1亞群；F19、D13、D1、青芋3號(hào)等4份為第2亞群；D12、D10、D4、D11、F6、F10、F18、D5等8份為第3亞群；F3、D8、D14、青芋4號(hào)、F5等5份為第4亞群，F(xiàn)17、青芋2號(hào)、F7等3份為第5亞群。第Ⅱ類群僅有F14 1份。第Ⅲ類群包括F2、D3、青芋1號(hào)3份資源。

基于相似系數(shù)的遺傳距離 Genetic distance based on similarity coefficient

對29份來源不同的菊芋種質(zhì)資源聚類結(jié)果中各類群的塊莖品質(zhì)性狀進(jìn)行分析，結(jié)果(表6)表明，第Ⅰ～Ⅲ類群中含量最高的均為可溶性糖，其次均為果聚糖。聚類結(jié)果與主成分分析相同，說明果聚糖、可溶性糖含量兩個(gè)因子是研究菊芋種質(zhì)資源品種性狀的重點(diǎn)指標(biāo)。

表6 不同類群菊芋塊莖主要品質(zhì)成分的比較Table 6 Comparison of main quality components of Helianthus tuberosus Linn from different groups

2.4 菊芋特異種質(zhì)資源的篩選

根據(jù)品質(zhì)性狀測定結(jié)果，從菊芋種質(zhì)資源中篩選出一批在品質(zhì)性狀上比較特異的資源，結(jié)果見表7。

表7 篩選的特異菊芋種質(zhì)資源Table 7 Selection of specific Helianthus tuberosus Linn resources

根據(jù)本研究結(jié)果，對照中國食物成分表[20]中薯芋類作物的含量進(jìn)行了界定，篩選出了特異菊芋種質(zhì)資源，其中高果聚糖的3份，分別為F2、F20、D3；高可溶性糖的2份，分別為F12、F16；高蛋白質(zhì)的1份，為D13；高黃酮的1份，為D3；高粗纖維的3份，分別為F12、F14、F17；高淀粉的3份，分別為F6、F7、D12。

3 討 論

3.1 不同來源菊芋種質(zhì)資源的品質(zhì)性狀比較

本研究結(jié)果表明，來自法國、丹麥、中國的29份菊芋資源塊莖中品質(zhì)性狀存在差異，但均表現(xiàn)為塊莖品質(zhì)含量最高的為可溶性糖，其次為果聚糖；丹麥菊芋種質(zhì)資源的黃酮和粗纖維含量的變異系數(shù)均較高[21]，分別為39.99%，26.29%，說明丹麥菊芋資源在黃酮、粗纖維上有很大的選擇潛力。對來自不同國家的菊芋種質(zhì)資源進(jìn)行對比分析可知，中國種質(zhì)資源黃酮及果聚糖含量比法國和丹麥高，特別是黃酮含量，這可能與中國種質(zhì)資源皮色多為紫色和紅色有關(guān)[22]；中國種質(zhì)資源的粗纖維含量比法國和丹麥高，但蛋白質(zhì)含量低，這也與相關(guān)系數(shù)的結(jié)果對應(yīng)，蛋白質(zhì)與粗纖維含量呈顯著負(fù)相關(guān)。對菊芋種質(zhì)資源品質(zhì)性狀進(jìn)行的分析，可為今后進(jìn)行菊芋種質(zhì)資源的創(chuàng)新利用、新品種的選育提供可靠的依據(jù)[23]。

3.2 菊芋品質(zhì)性狀間的相關(guān)性

本研究對29份來源不同的菊芋資源品質(zhì)性狀相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，干物質(zhì)與黃酮、果聚糖含量呈極顯著正相關(guān)，與顏色呈顯著正相關(guān)；黃酮含量與顏色呈極顯著正相關(guān)；果聚糖含量與顏色呈顯著正相關(guān)；蛋白質(zhì)含量與粗纖維含量呈顯著負(fù)相關(guān)。本研究分析了菊芋干物質(zhì)、顏色與黃酮及果聚糖的相互關(guān)系，探究菊芋品質(zhì)性狀相關(guān)的最密切的指標(biāo)，為后續(xù)菊芋資源的開發(fā)利用奠定了基礎(chǔ)[24]。

主成分分析能夠較好地解釋群體方差的主要來源，從而獲得解釋方差的重要性狀并簡化研究性狀，以利于更好地研究群體[25]。本研究中，菊芋塊莖中果聚糖、可溶性糖、蛋白質(zhì)、黃酮4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá) 86.073 1%，這4個(gè)主成分包含了所有性狀的大部分信息，為今后選育高糖專用菊芋品種及富含黃酮的功能菊芋品種，進(jìn)而對菊芋材料進(jìn)行綜合評價(jià)提供了參考。

3.3 不同菊芋種質(zhì)資源的聚類分析

菊芋在長期的進(jìn)化過程中形成了穩(wěn)定的遺傳特性，同時(shí)導(dǎo)致不同地區(qū)的菊芋種質(zhì)資源出現(xiàn)較高的遺傳相似性[26]。本研究對29份菊芋資源進(jìn)行聚類分析，并根據(jù)聚類結(jié)果對各類群的品質(zhì)性狀進(jìn)行了比較分析。根據(jù)聚類結(jié)果，可將29份菊芋資源分成3大類群，并對不同類群的品質(zhì)性狀進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：第Ⅰ～Ⅲ類群中含量最高的均為可溶性糖，其次為果聚糖。聚類與主成分分析結(jié)果相同，說明了果聚糖、可溶性糖含量兩個(gè)因子是今后菊芋資源品種性狀中研究的重點(diǎn)指標(biāo)。從聚類分析結(jié)果還可以看出，聚類分組與菊芋種質(zhì)資源的來源無相關(guān)性。

3.4 特異菊芋種質(zhì)資源的篩選

通過對菊芋資源進(jìn)行系統(tǒng)的主要品質(zhì)性狀分析，從中篩選出特異性菊芋種質(zhì)資源，其中高果聚糖資源3份，高可溶性糖資源2份，高蛋白資源1份，高黃酮資源1份，高粗纖維資源3份，高淀粉資源3份。品質(zhì)性狀特異的菊芋資源可用于今后功能食品的開發(fā)，以及作為雜交育種的親本材料[27]。由于本研究中所篩選的菊芋資源大部分主要針對國外菊芋資源，后續(xù)可對保存的國內(nèi)菊芋資源進(jìn)行相關(guān)研究。

志謝:感謝國家自然科學(xué)基金、青海大學(xué)昆侖學(xué)者專項(xiàng)等項(xiàng)目的資金資助，對省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國家蔬菜工程技術(shù)研究中心和青海省蔬菜遺傳與生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)提供的實(shí)驗(yàn)條件一并表示感謝！

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