菜豆抗营养因子器官分布特异性分析

陈 高，朱慧玲，胡格格，刘巧玲，缪宇娴，朱 洵，陈禅友

（江汉大学 生命科学学院；湖北省豆类（蔬菜）植物工程技术研究中心，湖北 武汉 430056）

菜豆（Phaseolus vulgarisL.），又名四季豆，芸豆，属豆科（Leguminosa）、蝶型花亚科（Papilionideae）一年生缠绕性草本植物，分为食荚菜豆和粮用普通菜豆。菜豆具有丰富的营养价值及药用价值，含有丰富的蛋白质、多种维生素及矿物质，并且可促进新陈代谢，缓解慢性疾病，提高免疫力［1］。菜豆不仅在我国各地广泛栽培，在亚洲、非洲及拉丁美洲的许多地区也已成为当地居民日常饮食中主要的植物蛋白来源之一。

菜豆中含有植物凝集素（phaseolus vulgaris agglutinin，PHA）、胰蛋白酶抑制剂（trypsin inhibitor，TI）、皂苷（saponin）和植酸（phytic acid）等抗营养因子，这些抗营养因子影响了人畜对营养元素的吸收，干扰其正常的新陈代谢，严重时导致食物中毒，制约了人类对菜豆及菜豆制品进一步的开发利用。早期由于抗营养因子对动物饲料营养吸收有影响，对于抗营养因子的研究多集中于大豆［2］、蚕豆［3］等饲料用豆科植物。现在随着菜豆作为一种主要的植物蛋白来源越来越受到人们的重视，因而菜豆抗营养因子的研究也逐渐展开［4-5］。但对于菜豆叶片和豆荚抗营养因子的水平分布及相关分析的研究还鲜见报道。

本研究选取13 份国内外具有代表性的菜豆品种为材料，通过测定其成熟后的豆荚和叶片的植酸、皂苷、胰蛋白酶抑制剂和植物凝集素含量或活性，分析13 个菜豆品种的叶片和豆荚的抗营养因子的水平分布及器官特异性，并对其进行相关分析和聚类分析，以期为菜豆育种及其进一步开发利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 植物材料

菜豆由江汉大学湖北省豆类（蔬菜）植物工程技术研究中心实验基地提供。试验样品均选取开花后15 d 的鲜荚作为试验材料，共计13 个品种，其编号、名称、来源地和特性分别列于表1。

1.2 试验方法

凝集素含量的测定采用文献［6］的血凝法；皂苷含量的测定采用文献［7］提供的酶标仪三波长比色法略有改动；胰蛋白酶抑制剂活性的测定参照标准文献［8］；植酸含量的测定参照标准文献［9］。

1.3 数据统计分析

通过Excel 2010 软件完成菜豆抗营养因子基础数据分析。通过DPS7.05 完成相关分析、方差分析、聚类分析等分析。其中相关分析先将变量标准化处理，继而采用柏森双侧相关性分析处理数据。方差分析采用完全随机设计，Duncan 新复极差法分析处理数据。聚类分析先将变量标准化处理，继而采用系统聚类分析处理数据。

2 结果与分析

2.1 菜豆叶片和豆荚植物凝集素的水平分布

菜豆叶片和豆荚植物凝集素的水平分布见图1。由图1 可见，菜豆叶片的凝集素含量变幅为0.569 ～ 1.164 mg/g，1 号含量最高为 1.164 mg/g，10 号含量最低为 0.569 mg/g；菜豆豆荚的凝集素含量变幅为1.034 ～ 1.588 mg/g，8 号含量最高为1.588 mg/g，11 号含量最低为1.034 mg/g。13 个菜豆品种豆荚的凝集素含量均高于叶片。

表1 13 个菜豆品种来源及主要性状特征Tab.1 Source and the main characteristic of 13 cultivars of common beans

图1 菜豆叶片和豆荚植物凝集素的水平分布Fig.1 Level distribution of lectins in common bean′s leaf and pod

2.2 菜豆叶片和豆荚胰蛋白酶抑制剂的水平分布

菜豆叶片和豆荚胰蛋白酶抑制剂的水平分布见图2。由图2 可知，菜豆叶片的胰蛋白酶抑制剂活性变幅为0.230 ～ 2.974 TIU/g，13 号含量最高为2.974 TIU/g，8 号含量最低为0.230 TIU/g；菜豆豆荚的胰蛋白酶抑制剂活性变幅为0.154 ～5.781 TIU/g，3 号含量最高为5.781 TIU/g，12 号含量最低为 0.154 TIU/g。1 号、2 号、3 号、6 号、7 号、8 号、9 号 7 个菜豆品种豆荚的胰蛋白酶抑制剂活性均高于叶片；4 号、5 号、10 号、11 号、12 号、13 号 6 个品种叶片胰蛋白酶抑制剂活性均高于豆荚。

2.3 菜豆叶片和豆荚皂苷的水平分布

菜豆叶片和豆荚皂苷的水平分布及相关分析见图3。由图3 可知，菜豆叶片的皂苷含量变幅为9.438 ～ 13.011 mg/g，3 号含量最高为 13.011 mg/g，5 号含量最低为 9.438 mg/g；菜豆豆荚的皂苷含量变幅为 12.624 ～ 18.708 mg/g，11 号含量最高为 18.708 mg/g，7 号含量最低为 12.624 mg/g。13 个菜豆品种豆荚的皂苷含量均高于叶片。

图2 菜豆叶片和豆荚胰蛋白酶抑制剂的水平分布Fig.2 Level distribution of trypsin inhibitor in common bean′s leaf and pod

图3 菜豆叶片和豆荚皂苷的水平分布Fig.3 Level distribution of saponins in common bean′s leaf and pod

2.4 菜豆叶片和豆荚植酸的水平分布

菜豆叶片和豆荚植酸的水平分布见图4。由图4 可知，叶片植酸的含量变幅为11.853 ～14.221 mg/g，9 号含量最高为14.221 mg/g，7 号含量最低为11.853 mg/g；豆荚植酸含量变幅为12.252 ～ 14.039 mg/g，9 号含量最高为 14.039 mg/g，3 号含量最低为 12.252 mg/g。7 号、8 号、13 号 3 个菜豆品种豆荚植酸含量均高于叶片；1 号、2 号、3 号、4 号、5 号、6 号、9 号、10 号、11 号、12号10 个品种叶片植酸含量均高于豆荚。

图4 菜豆叶片和豆荚植酸水平分布Fig.4 Level distribution of phytic acid in common bean′s leaf and pod

2.5 菜豆抗营养因子相关性分析

菜豆的叶片和豆荚的4 种抗营养因子的相关性分析见表2。由表2 可知，菜豆叶片的皂苷含量与叶片的胰蛋白酶抑制剂含量呈正相关显著，相关系数为0.59；叶片的植酸含量与豆荚的皂苷含量呈负相关显著，相关系数为-0.56；其他函数相关性均不显著。可见菜豆的叶片与豆荚之间同种抗营养因子的含量/活性均不显著，没有显著的相关性。

表2 相关性分析Tab.2 Correlation analysis

2.6 菜豆抗营养因子聚类分析

抗营养因子含量/活性数据标准转化后，对13 个菜豆品种进行系统聚类分析。如图5 所示，在欧氏距离为1.050 3 时，4 号和6 号首先聚在一起。当欧氏距离为4.780 4 时，聚为4 个品种群，即 I：1 号、2 号、4 号、5 号、6 号、11 号、12 号；II：10 号、13 号；III：7 号；Ⅳ：3 号、8 号、9 号。欧式距离为6.001 6 时，所有品种聚为一群。

结合4 种抗营养因子含量总体进行分析，可以发现种群I 中菜豆品种叶片及豆荚4 种抗营养因子含量或活性均处于整体偏下水平，可用于低毒菜豆品种的育种；种群III 和种群Ⅳ中菜豆品种叶片及豆荚4 种抗营养因子含量或活性均为整体偏上水平，可用于菜豆毒性物质研究；种群II中菜豆品种叶片及豆荚4 种抗营养因子含量或活性均为整体中等水平。

图5 基于4 种抗营养因子水平的菜豆品种聚类分析图Fig.5 Cluster analysis of common beans based on four anti-nutritional factors level

3 结论与讨论

13 个菜豆品种的叶片和豆荚中的4 种抗营养因子含量或活性均不相同，且植物凝集素、胰蛋白酶抑制剂、皂苷主要分布在菜豆的豆荚中，植酸在叶片中分布较多，可见4 种抗营养因子在菜豆叶片和豆荚中水平分布是不同的，具有器官特异性。抗营养因子与植物抗性有一定的关系。研究［10-11］表明植物凝集素能抑制多类昆虫生长，对抵御病虫害有一定作用，并且对动物有毒素作用。John 等［12］研究表明皂苷与植株抗病虫害机制有关。江均平等［13］研究表明胰蛋白酶抑制剂可以抑制南瓜蔓枯病、辣椒疫病、菜豆角斑病和辣椒炭疽病等病原菌的生长。本实验中菜豆的植物凝集素、胰蛋白酶抑制剂、皂苷主要集中于豆荚中，可能是植物在长期的自然进化中为了更加有效地保护菜豆豆荚免遭病虫害的侵蚀而导致的。

相关性分析表明菜豆叶片的4 种抗营养因子与豆荚的4 种抗营养因子之间相关性均不显著，难以通过叶片的抗营养因子水平来预测豆荚的抗营养因子水平。综合性状分析和聚类分析发现种群Ⅰ中菜豆品种抗营养水平偏低，且均为蔓生品种（除6 号外）；种群Ⅲ、Ⅳ中菜豆品种抗营养因子水平偏高，且均为矮生品种（除3 号外）。可以推测矮生菜豆品种可能比蔓生菜豆品种具有更高的抗营养因子水平，这可能是由于矮生菜豆品种离地面更近，更易受到病虫害的侵袭。同时，抗营养因子含量低的品种可用于低抗营养因子水平菜豆的育种（如低植酸、低PHA 菜豆的培育等），而抗营养因子含量高的品种可用于提取纯化抗营养因子进行进一步研究，或用于抗虫转基因工程研究。