不同芜菁种质资源营养品质分析及综合评价

马一栋,李晓娟,赵孟良,3,张海旺,韩睿,赵家兴,赵凤,任延靖,3*

1(青海大学 农林科学院,青海 西宁,810016) 2(青海省蔬菜遗传与生理重点实验室,青海 西宁,810016) 3(青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室,青海 西宁,810016)

芜菁(BrassicarapaL.ssp.rapa)属十字花科芸薹属两年生蔬菜作物[1],又名地蔓菁、扁萝卜、芫根、盘菜[2],在中国各地均有栽培,性喜冷凉,不耐暑热、栽培容易、耐储藏[3]。芜菁的地下块根以及上端绿叶均可食用,绿叶可作为春季蔬菜,块根中富含多种营养元素,具有抗缺氧、补肾生精、健胃消食的功效[4],被誉为“长寿圣果”[5]。芜菁是制作食材的好原料、改良土壤的优良作物、观光农业新宠,还是提高免疫力的良药。芜菁还具有抗衰老作用,也是冬春补饲大畜、种畜的良好饲料[6]。具有药用、食用、饲用三大应用价值,有助于对抗营养不良和多样化饮食[7],深受人们的喜爱[8],是青藏高原地区最具有特色的蔬菜资源之一[9-11],也是青海地区重要的经济作物[6]。

芜菁在青海玉树地区已有上千年的栽培历史,近年来,青海也已经有芜菁加工的产品,为芜菁种质资源的进一步开发奠定了研究基础,成为一种发展三江源地区草业经济的特色产品资源[12]。

目前国内针对芜菁的研究主要集中在农艺性状多样性研究[13-14]、倍性鉴定[15]、基因克隆[16]、糖料加工[17]、抗缺氧[18]、品质分析[19]等方面,而对青海芜菁种质资源的营养物质及成分分析的研究未见系统性报道。本研究分析了来自不同地区的50份芜菁资源中含水量及抗坏血酸、抗氧化能力、可溶性蛋白、可溶性糖、粗纤维等5个营养指标的含量,以期明晰芜菁中重要的营养成分。在此基础上,结合实际提出了芜菁价值最大化利用的发展建议,促进芜菁的优势得以充分利用,并实现多用途利用[20]。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以课题组前期收集来源不同的50份芜菁种质资源为试验材料,具体信息见表1。材料种植于青海大学农林科学院园艺所1号试验基地内。该地区属湟水流域灌溉区,土壤为栗钙土,土壤有机质含量20.28 g/kg,pH 8.12,全氮1.17 g/kg,全磷2.18 g/kg,全钾22.5 g/kg,速效氮0.069 g/kg,速效磷0.065 g/kg,速效钾0.299 g/kg[18]。取成熟时期的芜菁叶片、叶柄、根皮、根肉4个组织,用清水冲洗干净后取样,每个样品重复3次,共18个重复。

表1 供试材料信息Table 1 Information of materials tested

1.2 仪器与设备

BCD-471 WDCD型冷冻储藏箱,海尔智家股份有限公司;DW-40L508 J型医用低温保存箱,海尔生物医疗股份有限公司;SPECORD210PLUS型可见光分光光度计,德国耶拿分析仪器股份公司;HH-600型数显恒温水箱,金坛市大地自动化仪器厂;EPOCH2TS型酶标仪,BioRek Instruments,Inc.;Tissuelyser-96型磨样机,上海净信实业发展有限公司;Eppendorf AG 22331 Hamburg型离心机,eppendorf。

1.3 实验方法

1.3.1 抗坏血酸含量测定

参考抗坏血酸含量检测试剂盒(北京索莱宝科技有限公司)微量法测定[21]。

1.3.2 抗氧化能力测定

采用总抗氧化能力检测试剂盒(北京索莱宝科技有限公司)可见分光光度法测定[22-23]。

1.3.3 可溶性双缩脲蛋白质含量测定

采用双缩脲法蛋白质含量检测试剂盒(北京索莱宝科技有限公司)可见分光光度法测定。

1.3.4 可溶性糖含量测定

采用植物可溶性糖含量检测试剂盒(北京索莱宝科技有限公司)可见分光光度法测定。

1.3.5 含水量测定

新鲜健康的芜菁组织称其鲜重后,经105 ℃杀青15 min,采用70 ℃烘干至恒重并称重,计算含水量,每个组织样品重复3次。

1.3.6 粗纤维含量测定

参考GB/T 5009.10—2003《植物类食品中粗纤维的测定》,采用改良酸碱消煮法进行粗纤维含量的测定。分别取芜菁干样5 g地上部组织混合样(叶片+叶柄)和5 g地下部组织混合样(根皮+根肉)置于烧杯中,加入体积分数为1.25%的浓硫酸200 mL,煮沸30 min,其间不断搅拌,保持200 mL体积不变(补充蒸馏水)。煮沸完成后用12层纱布过滤,用蒸馏水清洗滤渣,拧干水分后放回烧杯,加入质量分数为1.25%的KOH 200 mL煮沸30 min,其间不断搅拌,保持200 mL体积不变(补充蒸馏水)。煮沸完成后用12层纱布过滤,用蒸馏水清洗滤渣,再用75%的乙醇清洗,收集清洗后的滤渣,105 ℃烘干至恒重。

1.4 数据统计分析

采用EXCEL2017进行数据的整理,并计算各性状的最大值、最小值、平均值和变异系数。采用SPSS 20.0软件进行隶属函数分析、相关性分析和聚类分析。根据(-1.281 8S)、(-0.542 6S)、(+0.542 6S)和(+1.281 8S)4分点原则和前人的分级标准[24-25]对各性状数量分级并整理,通过公式:H′=-∑piInPi(其中Pi为某一性状在第i个级别出现的频率)计算各性状的Shannon-Weiner多样性指数(H′)。隶属函数计算如公式(1)所示[26]。

(1)

式中:Xi为指标测定值;Xmax、Xmin为所有参试材料某一指标的最大值和最小值。

2 结果与分析

2.1 50份芜菁种质资源抗坏血酸含量分析

通过对50份芜菁种质资源叶柄、叶片、根肉、根皮4个部位中的抗坏血酸含量检测结果发现(图1):叶柄中抗坏血酸平均含量1.12 mg/g FW,叶柄抗坏血酸含量最高的资源是1403和T1,均为5.28 mg/g FW,含量最低的是1404、W24和IC0028,含量均为0.04 mg/g FW,极差5.24 mg/g FW,变异系数1.18,多样性指数1.19;叶片抗坏血酸平均含量2.47 mg/g FW,叶片抗坏血酸含量最高的资源是W26(8.72 mg/g FW),含量最低的是BLK和IC0044,含量均为0.18 mg/g FW,极差8.54 mg/g FW,变异系数为0.73,多样性指数为1.35;根肉抗坏血酸平均含量1.29 mg/g FW,根肉抗坏血酸含量最高的资源是T1和IC0043,均为3.70 mg/g FW,芜菁作为十字花科重要的根茎类蔬菜,主要食用部位为根肉,T1和IC0043可作为高抗坏血酸芜菁品种选育的亲本材料,含量最低的是1412、IC009、IC0023和SK,含量均为0.18 mg/g FW,极差3.52 mg/g FW,变异系数为0.77,多样性指数为1.23;根皮抗坏血酸平均含量1.52 mg/g FW,根皮抗坏血酸含量最高的资源是1402(8.81 mg/g FW),含量最低的是1410、G3和IC0023,含量均为0.04 mg/g FW,极差8.77 mg/g FW,变异系数为1.18,多样性指数为1.04;抗坏血酸含量在4个部位中排序为叶片>根皮>根肉>叶柄。

a-叶柄;b-叶片;c-根肉;d-根皮图1 50份芜菁材料4个组织的抗坏血酸含量Fig.1 Ascorbic acid content of four tissues in 50 turnip samples

2.2 50份芜菁种质资源抗氧化能力分析

通过对50份芜菁种质资源叶柄、叶片、根肉、根皮4个部位中的抗氧化能力检测结果发现(图2),叶柄中平均抗氧化能力2.90 U/g FW,叶柄抗氧化能力最强的资源是IC0022(7.02 U/g FW),含量最低的是W22(0.21 U/g FW),极差6.81 U/g FW,变异系数为0.59,多样性指数为1.57;叶片中平均抗氧化能力8.19 U/g FW,叶片抗氧化能力最强的资源是IC0044(11.25 U/g FW),含量最低的是BLK(1.67 U/g FW),极差9.58 U/g FW,变异系数为0.25,多样性指数为1.45;根肉中平均抗氧化能力2.20 U/g FW,根肉抗氧化能力最强的资源是IC0040(8.61 U/g FW),含量最低的是BLK(0.01 U/g FW),极差8.60 U/g FW,变异系数为0.88,多样性指数为1.21,其中IC0040、T17和W29中的抗氧化能力明显高于其他种质资源,可作为高抗氧化芜菁新品种选育的亲本材料;根皮中平均抗氧化能力3.24 U/g FW,根皮抗氧化能力最强的资源是1406(10.54 U/g FW),含量最低的是BLK(0.004 U/g FW),极差10.54 U/g FW,变异系数为0.69,多样性指数为1.45;在芜菁4个部位中抗氧化能力的强弱呈现为叶片>根皮>叶柄>根肉。

2.3 50份芜菁种质资源可溶性蛋白含量分析

通过对50份芜菁种质资源叶柄、叶片、根肉、根皮4个部位中的可溶性蛋白含量检测结果发现(图3),叶柄中可溶性蛋白平均含量36.27 mg/g FW,叶柄可溶性蛋白含量最高的资源是T17(143 mg/g FW),含量最低的是1413(2.87 mg/g FW),极差140.13 mg/g FW,变异系数为0.65,多样性指数为1.22;叶片可溶性蛋白平均含量77.51 mg/g FW,叶片可溶性蛋白含量最高的资源是T1(159.89 mg/g FW),含量最低的是G1(23.46 mg/g FW),极差136.43 mg/g FW,变异系数为0.45,多样性指数为1.50;根肉可溶性蛋白的平均含量21.99 mg/g FW,含量最高的资源是T17(96.06 mg/g FW),含量最低的是1406(1.93 mg/g FW),极差94.13 mg/g FW,变异系数为0.90,多样性指数为1.24,其中T17和IC0043可溶性蛋白含量显著高于其他种质资源,可以作为芜菁高可溶性蛋白特异品种选育的亲本材料;根皮可溶性蛋白平均含量27.59 mg/g FW,根皮可溶性蛋白含量最高的资源是T16(91.09 mg/g FW),含量最低的是T1(1.52 mg/g FW),极差89.57 mg/g FW,变异系数为0.80,多样性指数为1.27;可溶性蛋白含量在4个部位中排序为叶片>叶柄>根皮>根肉。

a-叶柄;b-叶片;c-根肉;d-根皮图2 50份芜菁材料4个组织抗氧化能力Fig.2 Antioxidant capacity of four tissues in 50 turnip materials

a-叶柄;b-叶片;c-根肉;d-根皮图3 50份芜菁材料4个组织中可溶性蛋白含量Fig.3 Soluble protein content of four tissues in 50 turnip samples

2.4 50份芜菁种质资源可溶性糖含量分析

通过对50份芜菁种质资源叶柄、叶片、根肉、根皮4个部位中的可溶性糖含量检测结果发现(图4),叶柄中可溶性糖平均含量32.00 mg/g FW,叶柄可溶性糖含量最高的资源是T17(78.73 mg/g FW),含量最低的是NS1(0.23 mg/g FW),极差78.5 mg/g FW,变异系数为0.58,多样性指数为1.42;叶片可溶性糖平均含量39.17 mg/g FW,叶片可溶性糖含量最高的资源是W21(77.75 mg/g FW),含量最低的是T1(0.28 mg/g FW),极差77.47 mg/g FW,变异系数为0.50,多样性指数为1.36;根肉可溶性糖的平均含量55.35 mg/g FW,根肉可溶性糖含量最高的资源是W31(110.64 mg/g FW),可以作为芜菁高可溶性糖特异品种选育的亲本材料,含量最低的是T15(17.54 mg/g FW),极差93.10 mg/g FW,变异系数为0.35,多样性指数为1.48;根皮可溶性糖平均含量38.01 mg/g FW,根皮可溶性糖含量最高的资源是IC0040(70.17 mg/g FW),含量最低的是T15(0.30 mg/g FW),极差69.83 mg/g FW,变异系数为0.39,多样性指数为1.43;可溶性糖含量在4个部位中排序为根肉>叶片>根皮>叶柄。

a-叶柄;b-叶片;c-根肉;d-根皮图4 50份芜菁材料可溶性糖含量Fig.4 Soluble sugar content of 50 turnip samples

2.5 50份芜菁种质资源含水量分析

通过对50份芜菁种质资源叶柄、叶片、根肉、根皮4个部位中的含水量检测结果发现(图5),叶柄平均含水量92%,叶柄含水量最高的资源是IC0040(95%),含水量最低的是W29(84%),极差11%,变异系数为0.02,多样性指数为1.04;叶片平均含水量85%,叶片含水量最高的资源是T17(90%),含水量最低的是W29(77%),极差13%,变异系数为0.02,多样性指数为1.45;根肉平均含水量90%,根肉含水量最高的资源是T11(97%),含水量最低的是W23(74%),极差23%,变异系数为0.04,多样性指数为1.12;根皮平均含水量90%,根皮含水量最高的资源是W25(98%),含水量最低的是W22(82%),极差16%,变异系数为0.04,多样性指数为1.47;在4个部位中叶柄平均含水量最高,叶片平均含水量最低,根肉、根皮平均含水量无明显差异。

a-叶柄;b-叶片;c-根肉;d-根皮图5 50份芜菁材料4个组织中的含水量Fig.5 Water content of four tissues in 50 turnip samples

2.6 50份芜菁种质资源粗纤维含量分析

通过对50份芜菁种质资源地上部组织(叶片+叶柄)与地下部组织(根皮+根肉)中的粗纤维含量检测结果发现(图6),地上部平均粗纤维含量为8%,粗纤维含量最高的资源是G1、G4、IC0022,均为12%,粗纤维含量最低的资源是T17、IC0023、IC0039、IC0044、BLK,均为5%,极差7%,变异系数为0.24,多样性指数为1.48;地下部平均粗纤维含量10%,粗纤维含量最高的资源是G2(18%),粗纤维含量最低的资源是T18(3%),极差15%,变异系数为0.44,多样性指数为1.57,T18粗纤维含量显著低于其他资源,可以作为低粗纤维芜菁品种选育的改良亲本;粗纤维含量在2个部位中呈现为地下部>地上部。

a-地上部;b-地下部图6 50份芜菁材料粗纤维含量Fig.6 Crude fiber content of 50 turnip samples

2.7 芜菁含水量及营养指标含量与其他十字花科作物比较

芜菁属十字花科作物,经查阅文献将其含水量及营养指标含量与十字花科其他8种蔬菜作物进行了比较(表2),结果表明,芜菁叶柄中抗坏血酸的含量是其他5种叶用蔬菜(青白口大白菜、小白口大白菜、小白菜、菜薹、芥菜)商品器官的2.5～16倍,叶片抗坏血酸含量是其他5种蔬菜商品器官含量的5.6～35倍,根肉抗坏血酸含量是其他3种根茎类蔬菜(白萝卜、青萝卜、红皮萝卜)商品器官的5.4～9.2倍,根皮抗坏血酸含量是其他3种蔬菜地下部抗坏血酸含量的6.3～10.9倍;芜菁叶柄中可溶性蛋白的含量是其他5种蔬菜的1.3～2.8倍,叶片可溶性蛋白含量是其他5种蔬菜的2.8～6.0倍,根肉可溶性蛋白含量是其他3种蔬菜的1.7～2.4倍,根皮可溶性蛋白含量是其他3种蔬菜的2.1～3.1倍;芜菁地上部可溶性糖的含量略高于其他5种蔬菜或含量相近,地下部可溶性糖含量略低于其他3种蔬菜或含量相近;芜菁地上部含水量相较于其他5种蔬菜略低或相近,芜菁地下部含水量相较于其他3种蔬菜略低或相近;芜菁地上部粗纤维含量是其他5种蔬菜地上部粗纤维含量的0.14～0.44倍,芜菁地下部粗纤维含量是其他3种蔬菜的0.66～1.12倍。综合结果表明,芜菁的抗坏血酸含量、可溶性蛋白含量均高于十字花科其他8种蔬菜作物,干重粗纤维含量低于十字花科其他8种蔬菜作物,可溶性糖含量、含水量与十字花科其他8种蔬菜作物基本处于同一水平。分析结果表明,芜菁的营养品质优于相比较的十字花科常见蔬菜作物,具有较高的食用及饲用价值。

表2 十字花科蔬菜含水量及营养指标比较Table 2 Water content and nutrient index of Cruciferous vegetables

2.8 基于营养成分的相关性分析

采用SPSS 20.0对芜菁各个组织的6种营养成分进行了相关性分析,结果表明芜菁营养成分间存在一定的相关性。6种营养成分间呈现显著相关(P<0.05)或极显著相关(P<0.01),但相关系数较低。根肉抗坏血酸含量与叶柄抗氧化能力存在极显著正相关;叶片可溶性蛋白含量与根肉可溶性蛋白含量存在极显著正相关;根肉可溶性蛋白含量与根皮可溶性蛋白含量存在极显著正相关;根肉可溶性糖含量与根皮可溶性糖含量存在极显著正相关;根肉含水量与根皮含水量存在极显著正相关。由相关性系数可以看出,芜菁根肉组织与根皮组织的营养成分存在较强的相关性。

表3 芜菁不同营养元素间相关系数Table 3 Correlation coefficients among different nutrient elements of B.rapa L.ssp.rapa

续表3

2.9 基于营养成分的聚类分析

依据芜菁6个营养成分数据,采用系统聚类分析法对50份芜菁种质资源进行了分类(图7),结果表明在遗传距离为5处,可以将芜菁种质资源分为7个类群。

图7 基于营养元素的聚类分析Fig.7 Cluster analysis based on nutrient elements

第Ⅰ类群聚类了20份资源,包括1401、1402、1403、1404、1405、1406、1407、1408、1409、1410、1412、1413、G1、G2、G3、G4、T2、T6、T11以及IC0044,该类特征为叶片、根肉可溶性蛋白含量最低,仅有44.17、9.84 mg/g;第Ⅱ类聚类了16份资源,包括1411、W21、W22、W23、W24、W25、W28、W29、T5、IC009、IC0022、IC0023、IC0028、IC0039、IC0040以及BLK,表现为抗坏血酸含量均低于各部位平均值;第Ⅲ类仅包括W31,表现为根皮抗坏血酸含量和抗氧化能力在7个类群中最高,叶片、根肉可溶性糖含量均为7个类群中最高;第Ⅳ类包括T4、T14、T16、T18、NS1和SK,该类根皮可溶性糖含量为7个类群最低,仅有19.05 mg/g。第V类仅包括IC0043,表现为根肉抗坏血酸含量、叶柄抗氧化能力以及根皮可溶性蛋白为7个类群最高,根皮抗氧化能力、叶片、叶柄可溶性蛋白含量均为7个类群最低。第VI类包括W26、W27、W30、T1、T15等5份资源,该类各部位抗坏血酸含量均显著高于平均值;第VII类仅包括T17,叶片、根肉、根皮部位抗坏血酸含量显著低于各部位平均值,同时叶片、根肉抗氧化能力、各部位可溶性蛋白含量、叶柄、根皮可溶性糖含量均为7个类群最高,且地上部粗纤维含量最低,仅有5%。

2.10 基于营养成分的隶属函数分析

芜菁种质资源的隶属函数数据处理结果表明,50份芜菁资源隶属函数均值分布在0.31～0.65,隶属函数均值为0.42,大于平均值的资源共有23份,占资源总数的46%,根据隶属函数均值的计算结果,筛选均值在0.5以上的资源,分别是T17、IC0039、W31和W26。

3 结论

(1)50份芜菁资源中营养元素含量存在较大差异,其中抗坏血酸含量变异系数在0.78～1.18,多样性指数在1.04～1.35,含量最高为8.81 mg/g FW(1402根皮组织);抗氧化能力变异系数在0.25～0.88,多样性指数在1.21～1.57,含量最高为11.25 U/g FW(IC0044叶片组织);可溶性蛋白含量变异系数在0.45～0.90,多样性指数在1.22～1.50,含量最高为159.89 mg/g FW(T1叶片组织);可溶性糖含量变异系数在0.35～0.58,多样性指数在1.36～1.48,含量最高为110.64 mg/g FW(W31根肉组织);含水量变异系数在0.02～0.04,多样性指数在1.04～1.47,其中W25根皮部位含水量最高(98%);粗纤维含量变异系数在0.24～0.44,多样性指数在1.48～1.57,其中粗纤维含量最低的是T18地下部(3%)。综合结果表明,芜菁种质资源中具有极显著的遗传差异性和种质多样性,本研究结果可以为今后筛选特异性芜菁种质资源及探究调控芜菁种质资源营养含量的基因提供选择依据。

(2)50份芜菁资源中营养指标数据芜菁中抗坏血酸含量、可溶性蛋白含量均超过本文中所比较的十字花科常见蔬菜作物,可溶性糖含量、含水量与本文中所比较的十字花科常见蔬菜作物在同一水平,粗纤维含量普遍低于十字花科常见蔬菜作物。综合结果表明,芜菁营养价值要高于比较的十字花科常见蔬菜作物,具有较高的利用价值。

(3)根据50份芜菁种质资源的营养指标数据可知:T1和IC0043根肉抗坏血酸含量接近根肉抗坏血酸平均含量的3倍,IC0040根肉抗氧化能力达到根肉平均抗氧化能力的4倍,T17根肉可溶性蛋白含量达到根肉平均可溶性蛋白含量的4倍,W31根肉可溶性糖含量达到根肉平均可溶性糖含量的2倍,这些资源可以分别作为高抗坏血酸含量、高抗氧化能力、高可溶性蛋白及高可溶性糖的专用型资源进行开发利用;W26叶片抗坏血酸含量接近叶片抗坏血酸平均含量的4倍,可以作为高抗血酸含量叶片专用型资源进行开发利用。在隶属函数分析中显示T17、IC0039和W31的隶属函数均值较高,表明这3份资源在所检测的营养指标中综合评价较高,主要表现为T17具有较高的可溶性蛋白和可溶性糖,且粗纤维含量较低,可作为食用和饲用的优质资源;IC0039各营养指标均处于平均值之上,可以作为营养全面的资源优先进行加工利用;W31在抗坏血酸含量、抗氧化能力及可溶性糖的含量均较高,可以优先考虑作为特异蔬菜资源的鲜食种质,本研究结果可为新时代优质芜菁育种、功能食品开发及特异种质资源利用等提供理论依据。