彩色小麦籽粒营养功能成分的差异
Differences in Nutritional Functional Components of Color Wheat Grains
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Keywords:
- color wheat /
- pigments /
- quality /
- microelement /
- agronomic traits
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藜麦(Chenopodium quinoa Willd.)为苋科藜属植物，原产于南美洲安第斯山脉高原地区，有5 000~7 000年的种植历史，富含蛋白质、赖氨酸、纤维素和多种微量元素，具有非常高的营养价值[1]。藜麦种子颜色各异，常见有白、黑、红等不同颜色，但不同颜色的藜麦其营养成分差异较小，是一种全谷全营养完全蛋白碱性食物，深受肥胖者、心血管疾病和糖尿病患者的青睐。藜麦是重要的粮食作物，且不同生长时期的藜麦颜色丰富，若将藜麦产业和乡村旅游业深度融合，不仅可以发展以养生保健、生态观光和休闲度假为一体的乡村旅游业，还对调整区域种植结构、改良盐碱土质、促进农牧民增收、培育和壮大特色精品农业具有重要意义[2-3]。忻州市静乐县是中国藜麦的主要种植区域，该地区处于华北干旱一带。与其他自然灾害相比，旱灾发生范围广、历时长，对农业生产影响最大[4]。干旱对农作物造成的损失位居非生物胁迫之首，即使在非干旱主要农业区，也经常受到季节性干旱的袭击。
在众多的非生物因子中，干旱是影响植物生长的最主要因子之一。据统计，全世界因干旱引起的农业和社会损失相当于其他各种自然灾害造成损失的总和。世界干旱和半干旱地区面积占地球陆地面积的1/3，在中国则占国土面积的52.5% (干旱地区为30.5%，半干旱地区为22.0%)。中国又是水资源相对贫乏的国家，人均水资源占有率不足，是世界平均水平的1/4，居世界109位。在全球气候变化下，干旱发生的频率不断增加，因此，干旱对植物的影响一直是人们关注的焦点[5]。干旱是影响种子萌发的重要因素。种子萌发对干旱胁迫的响应反映了其适应局地环境的生态机制，对生长于不同生境中的植物种子萌发特性的研究可揭示其生活史特征，为本地植物种子的开发利用提供依据[6]。目前，有关种子萌发特性与干旱胁迫关系的研究主要集中在水稻、向日葵和散叶生菜等方面[7-9]，藜麦的种子萌发特性与干旱胁迫关系的研究未见报道。本研究采用聚乙二醇(PEG-6000)配制成预定的水势溶液来模拟土壤的自然水势，对种子发芽进行干旱胁迫处理，观测种子的发芽能力及生理变化，可以揭示藜麦的抗旱能力[10-12]，为研究藜麦抗旱机理、选育抗旱品种提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
藜麦种子由山西静乐藜麦种植基地提供。
1.2 试验方法
1.2.1 藜麦种子处理
挑选籽粒饱满、大小均匀、无机械损伤、无病虫害的藜麦成熟种子，用75%乙醇清洗2 min，再用2.0%的次氯酸钠消毒15 min，后用蒸馏水反复冲洗干净至无味后晾干备用。将已灭菌消毒的54个培养皿分为3组，每组6个并编号，在培养皿中铺1层发芽纸，每皿放入50粒种子。向每组培养皿中分别加入质量浓度为0.00、0.05、0.10、0.15、0.20和0.25 g/mL的PEG-6000溶液，然后置于25 ℃恒温光照培养箱中进行发芽，每个处理重复3次。
1.2.2 形态指标的测定
将处理后的种子分别培养36、60和84 h，记录藜麦种子的发芽数，测量其胚芽长度并取平均值；计算发芽率。
发芽率=发芽的种子数/种子总数×100%。
1.2.3 生理指标的测定
游离氨基酸含量的测定采用茚三酮比色法[9]；超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定采用氮蓝四唑光化还原法[13]；过氧化物酶(POD)活性的测定采用愈创木酚法[14]；过氧化氢酶(CAT)的活性采用紫外分光光度法[15]；α-淀粉酶活性的测定采用3,5-二硝基水杨酸比色法[9]。
1.3 数据统计与分析
数据均采用Excel统计并制图，应用SPSS 17.0统计分析软件对不同处理下的发芽率、芽长等各项指标进行差异显著性分析。
2. 结果与分析
2.1 不同质量浓度PEG-6000对藜麦种子发芽率的影响
由图1可知：种子的发芽率随着PEG-6000质量浓度的升高而呈现先上升后降低的趋势，质量浓度为0.10 g/mL时种子的发芽率最高，处理36、60和84 h种子的发芽率分别为98.0%、95.6%和97.6%；当PEG-6000质量浓度大于0.10 g/mL时，随着PEG-6000质量浓度的增加，种子发芽率下降。可见，低质量浓度的PEG-6000对藜麦种子的发芽率有促进作用，较高质量浓度的PEG-6000对藜麦种子的发芽率有抑制作用。
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图 1 不同质量浓度PEG-6000处理对藜麦种子发芽率的影响注：“*”和“**”分别表示处理组与对照组比较呈显著差异(P<0.05)和极显著差异(P<0.01)；下同。Figure 1. Effects of different concentrations of PEG-6000 on the germination rate of quinoa seedsNote：“*” and “**” mean significant difference (P<0.05) and extremely significant difference (P<0.01) between treatment group and control group; the same as below.2.2 不同质量浓度PEG-6000对藜麦种子芽长的影响
由图2可知：随着PEG-6000质量浓度的升高，藜麦种子的芽长呈现先上升后降低的趋势。在0.15 g/mL质量浓度下，种子的芽长最长，处理36、60和84 h时种子的芽长分别为3.35、3.45和3.65 cm；当PEG-6000质量浓度大于0.15 g/mL时，种子芽长减小。可见，低质量浓度的PEG-6000对藜麦种子的芽长有促进作用，较高质量浓度的PEG-6000对藜麦种子的芽长有抑制作用。
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图 2 不同质量浓度PEG-6000处理对藜麦种子芽长的影响Figure 2. Effects of different concentrations of PEG-6000 on the seed germination of quinoa seeds2.3 不同质量浓度PEG-6000对萌发藜麦种子游离氨基酸含量的影响
种子的游离氨基酸含量随着PEG-6000质量浓度的升高而显著上升(P<0.01)(图3)，在0.25 g/mL时，种子的游离氨基酸含量最高，处理36、60和84 h的种子其游离氨基酸含量分别为10.65、9.74和9.95 μg。可见，较高质量浓度的PEG-6000对藜麦种子的游离氨基酸含量有促进作用。
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图 3 不同质量浓度PEG-6000处理对藜麦种子游离氨基酸含量的影响Figure 3. Effects of different concentrations of PEG-6000 on the free amino acids content of quinoa seeds2.4 不同质量浓度PEG-6000对萌发藜麦种子SOD、CAT、POD、α-淀粉酶活性的影响
由图4可知：种子的SOD活性随PEG-6000质量浓度的升高呈先上升后降低的趋势，0.15 g/mL处理下活性最高，处理36、60和84 h后种子的SOD活性分别为120.20、126.04和130.23 U/(g·min)。此外，与对照组相比，0.20和0.25 g/mL质量浓度下种子的SOD活性仍高于对照组。说明低质量浓度的PEG-6000对藜麦种子的SOD活性有促进作用，较高质量浓度对其促进作用减弱。
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图 4 不同质量浓度PEG-6000处理对藜麦种子SOD、CAT、POD和α-淀粉酶活性的影响Figure 4. Effects of different concentrations of PEG-6000 on the SOD、CAT、POD and α-amylase activities of quinoa seeds由图4还可知：PEG-6000质量浓度为0.15 g/mL时，种子的CAT活性最高。处理36、60和84 h种子的CAT活性分别达到320.9、342.9和420.4 U/(g·min)；当PEG-6000质量浓度大于0.15 g/mL后，随着质量浓度的增加，种子CAT活性下降。与对照组相比，在0.20 g/mL和0.25 g/mL浓度下种子的CAT活性仍高于对照组。可见，低质量浓度的PEG-6000对藜麦种子的CAT活性有一定的促进作用，较高质量浓度对其促进作用减弱。
如图4所示：种子的POD活性随着PEG-6000质量浓度的升高而呈现上升趋势。0.25 g/mL处理下种子的POD活性最高，处理36、60和84 h种子的POD活性分别达到90.7、92.6和110.5 U/(g·min)。可见，较高质量浓度的PEG-6000对藜麦种子的POD活性有促进作用。
图4还显示：种子的α-淀粉酶活性随着PEG-6000质量浓度的升高在0.00~0.15 g/mL的范围呈现上升趋势，0.15 g/mL时种子的α-淀粉酶活性最高，处理36、60和84 h种子的α-淀粉酶活性分别达到12.11、7.22和6.74 mg/min；PEG-6000质量浓度大于0.15 g/mL后，随着质量浓度的增加，其α-淀粉酶活性明显下降；在0.25 g/mL处理下，种子的α-淀粉酶活性低于对照组。说明低质量浓度的PEG-6000对藜麦种子的α-淀粉酶活性有促进作用，较高质量浓度则有抑制作用。
3. 讨论
藜麦种子在生长发育过程中，不同质量浓度的PEG-6000作用不同的时间对其发芽与生长具有不同的作用。植物种子萌发指标是反映其耐旱性能的最直接指标，PEG-6000主要是模拟干旱胁迫对藜麦种子的影响，通过调节细胞内外的渗透压来阻止水分子进入细胞内，细胞缺水就会影响种子的萌发，从而达到控制PEG的质量浓度与作用时间来影响种子萌发的目的。这与对水稻[9]和沙冬青[16]的研究结果类似，即低、中质量浓度的PEG胁迫可促进种子的萌发，而高浓度PEG则会抑制种子萌发。
游离氨基酸含量与植物抗逆性存在一定关系，游离氨基酸越多，结合水越多，抗逆性越强。说明藜麦种子在较高质量浓度的PEG胁迫下，抗逆性增强。POD、SOD和CAT普遍存在于植物体内，是植物体内的重要抗氧化酶，与植物的生理生化有着密切关系。随着PEG质量浓度的增加，SOD活性也增加，以抵制干旱对种子萌发的影响，但当PEG-6000质量浓度过高时，SOD酶活性受到一定的影响，导致藜麦种子的发芽率受到影响。CAT和POD同属于过氧化物酶类，与呼吸作用、光合作用和生长素的氧化都有密切的关系[17-18]。低质量浓度的PEG-6000处理藜麦种子，酶活升高，增加了光合作用强度，为种子萌发提供了充分的养分，促进种子萌发，降低了干旱对种子萌发的影响；高质量浓度的PEG-6000使种子内部的渗透压增高，种子活性降低，各类营养物质与酶活的下降不利于种子的萌发。POD活性随着PEG-6000质量浓度的增加而增加，而POD一般在老化组织中活性较高，说明高质量浓度的PEG-6000能加速藜麦种子的木质化[19-20]。这与前人研究结果[21-22]略有不同，其原因可能是不同植物种子对干旱胁迫应答的生理特征和机制有所差异。
藜麦种子能够通过调节抗氧化酶系统、渗透胁迫物质应对干旱胁迫，当PEG-6000质量浓度超过0.2 g/mL时可对藜麦种子产生伤害，应及时补水抗旱。较低质量浓度的PEG-6000处理能提高CAT和SOD活性等，对种子萌发也表现出明显的促进作用；较高质量浓度的PEG-6000处理能不同程度地降低CAT和SOD活性并抑制种子萌发；高质量浓度的PEG-6000处理显著降低了藜麦种子发芽率；随着PEG-6000质量浓度的升高，游离氨基酸含量也随之增加。要综合评价藜麦的抗旱性，应该以多个指标为依据综合考虑，后续的研究还需进一步探讨影响藜麦种子发芽的生理机制，为选育抗旱品种提供更为全面的理论依据。
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表 1 彩色小麦与普通小麦的农艺性状
Table 1 The agronomic characters of the color wheat and common wheat
品种
cultivar株高/cm
plant height基本苗数 ×104
basic seedling分蘖数 ×104
number of tiller有效穗数 ×104
effective tiller穗粒数
grains per spike千粒重/g
1 000-seed weight滇麦9号 Dianmai 9 105.65±1.18 Aa 15.23±1.14 Aa 23.57±2.83 Bb 17.60±2.79 Ab 54.17±3.19 Aa 41.24±0.91 Bb 滇麦10号 Dianmai 10 102.85±1.03 Aa 7.50±1.28 Bb 23.27±2.96 Bb 19.40±1.53 Ab 51.67±1.30 Aa 26.52±0.09 Cc 云麦56 Yunmai 56 97.15±1.02 Bb 16.33±1.33 Aa 43.53±4.33 Aa 27.03±0.20 Aa 54.00±4.47 Aa 52.82±1.10 Aa 注：同列数据不同大写字母表示在 0.01 水平差异极显著，不同小写字母表示在 0.05 水平差异显著；下同。基本苗数、分蘖数、有效穗是每 667 m2 的数据。
Note: The same column data with different uppercase letters indicate extremely significant difference at the 0.01 level, different lowercase letters indicate significant difference the 0.05 level; the same as below. The number of basic seedlings, tillers and effective panicles is the quantity per 667 m2.
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表 2 彩色小麦与普通小麦的色素含量
Table 2 The contents of pigment in the color wheat and common wheat
μg/g 品种 cultivar 花青素 anthocyanin 黄酮 flavone 总叶绿素 chlorophyll 类胡萝卜素 carotenoid 滇麦9号 Dianmai 9 86.16±0.41 Aa 1143.67±11.61 Aa 5.85±0.72 Bb 2.15±0.02 Bb 滇麦10号 Dianmai 10 29.52±0.12 Bb 855.33±8.88 Bb 7.38±0.17 Aa 3.73±0.10 Aa 云麦56 Yunmai 56 1.98±0.06 Cc 760.67±12.02 Cc 0.98±0.03 Cc 1.31±0.07 Cc
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表 3 彩色小麦与普通小麦的微量元素含量
Table 3 The contents of microelements in the color wheat and common wheat
μg/g 品种 cultivar 锌 Zn 硒 Se 锰 Mn 滇麦9号 Dianmai 9 36.46±0.36 Ab 0.31±0.001 Aa 39.00±1.15 Bb 滇麦10号 Dianmai 10 38.64±0.63 Aa 0.02±0.002 Bb 44.33±0.33 Aa 云麦56 Yunmai 56 24.75±0.39 Bc 0 Cc 17.33±0.33 Cc
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表 4 彩色小麦与普通小麦的品质分析
Table 4 The quality analysis of the color wheat and common wheat
品种
cultivar可溶性蛋白质含量/(mg·g−1)
soluble protein content总游离氨基酸含量/(mg·g−1)
total free amino acids content淀粉含量/(mg·g−1)
starch content湿面筋比例/%
wet gluten percent干面筋比例/%
dry gluten percent滇麦9号
Dianmai 946.65±0.23 Bb 1.52±0.07 Aa 290.81±1.62 Bb 25.39±0.01 Bb 11.30±0.01 Bb 滇麦10号
Dianmai 1062.15±0.46 Aa 0.91±0.004 Bb 347.94±9.85 Aa 33.89±0.01 Aa 15.17±0.01 Aa 云麦56
Yunmai 5642.47±0.40 Cc 0.65±0.01 Cc 262.49±0.22 Cc 18.33±0.01 Cc 9.03±0.01 Cc
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