大别山山核桃坚果种仁主要营养及功能性成分含量变异分析

代英超 夏国华 朱先富 张深梅 黄坚钦

摘要：【目的】探讨不同地理种源大别山山核桃种仁主要营养物质及功能性成分多样性以及变异规律，为大别山山核桃种质资源利用提供参考。【方法】对大别山山核桃主产区19 个天然种群198 个单株的11 个坚果种仁主要营养物质及功能性成分进行测定，进行单因素方差、多重比较、相关性、主成分等分析。【结果】大别山山核桃天然种群坚果种仁主要营养及功能性成分含量多样性丰富，单因素方差分析、多重比较表明大别山山核桃11个性状在种群间存在丰富变异（p＜0.01）；表型分化系数表明种群间平均分化系数为68.68%，种群间变异是主要变异来源。大别山山核桃营养及功能性成分含量变异幅度为2.30%～25.18%，平均变异系数为13.46%，其中脂肪含量的变异幅度最小，β-维生素E含量的变异幅度最大，JGXZ种群的多样性最为丰富；相关性分析表明种仁性状各成分之间达到显著相关的共10对，脂肪含量与其他组分的相关性最显著，淀粉、δ-维生素E含量与其他性状均不存在相关性；11个性状的主成分分析中前4个主成分的累计贡献率为78.742%，各营养及功能在成分中均占有重要位置。【结论】大别山山核桃天然种源种仁主要营养物质及功能性成分遗传变异丰富，选择育种潜力大，脂肪含量最为稳定；遗传多样性保护及种质资源收集应尽可能增加种群数量。

关键词：大别山山核桃；营养物质；功能性成分；表型变异；多样性；天然种群

中图分类号：S664.1 文献标志码：A 文章编号：1009-9980（2023）05-0959-10

大别山山核桃（Carya dabieshanensis M. C. Liu &Z. J. Li）隶属胡桃科（Juglandaceae）山核桃属（CaryaNutt.），特产于中国安徽、湖北和河南三省交界的大别山山区（115°～116°E，29°～31°N），主要分布于安徽金寨县、霍山县、湖北罗田和河南商城等地。现有大别山山核桃投产林均为天然起源、人工抚育更新而成，大别山山核桃呈岛屿状分布，群体分化明显，遗传变异丰富，而且果大、壳薄，出油率高，不饱和脂肪酸、矿质元素、可溶性糖含量亦比山核桃（C. cathayensisSarg.）丰富，是中国特有的优良干果和木本油料树种。前人对其研究主要集中在分类学[1-2]、生态学[3-5]、遗传多样性[6-9]、坚果表型和油脂组分[10-12]等方面，但大别山山核桃天然林分布区域、不同地理种源坚果种仁的营养及功能性成分遗传变异的系统分析尚未见报道。

种质资源的营养组分含量变化可以反映基因型对环境变化的适应性，是了解生物遗传变异的重要线索[13-14]。在林木中，由于对特殊生境的适应，天然种群拥有更加丰富的表型和基因变异，而种仁营养及功能性成分含量的变异对于干果和木本油料树种来说尤为重要。笔者在本研究中以大别山山核桃主产区19个天然种群198个植株的坚果种仁为研究对象，测定分析种仁主要营养及功能性成分含量，采用单因素方差分析、多重比较、变异分析、相关性分析和主成分分析等方法研究不同种群坚果营养及功能性成分变异规律，旨在揭示大别山山核桃的遗传变异规律，为大别山山核桃营养品质评价、功能性成分选择育种、核心种质资源库的建立和资源保护提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料来源和样品采集

在大别山山核桃种质资源调查的基础上，从大别山山核桃在中国的中心分布区金寨县、罗田县、霍山县收集了19 个天然种群的果实样品，每个种群选择树龄40 a（年）以上、生长健康的植株进行采样，植株间相距50 m以上，原则上每種群的样本数应在10株以上，但部分种群由于群体数量少，样本数不足10 株，共采集19 个天然种群的198 个植株，采用全球卫星定位系统（GPS）测定单株的经纬度及海拔。每个植株采集树冠中上部外围果实，每株采集1.5～3.0 kg，称量后放置于编织网中，及时带回，并对样品进行去壳，浮选，保留饱满籽粒，敲取种仁，称重后保存至4 ℃低温冰箱冷藏，备用。

1.2 山核桃仁主要营养及功能性成分测定方法

试验按照国家标准方法进行测定：脂肪含量、蛋白质含量根据GB 5009.6—2016 测定；淀粉和可溶性糖含量根据蒽酮比色法测定；角鲨烯含量根据LS/T 6120—2017 测定；维生素E 含量根据GB5009.82—2016 测定；单宁含量根据NY/T 1600—2008测定；总酚含量根据Folin-Ciocaltea法测定[15-18]。

1.3 数据处理

采用Minitab7 软件进行单因素方差分析，对11个营养和功能性成分进行单因素方差分析和多重比较，其线性模型：Yik=αi+eik。式中，Yik为第i 个种群的第k个观测值，αi为第i个种群的效应值，eik为第i个种群内第k个体的随机误差。在SPSS 23.0软件中进行相关性分析、主成分分析，并计算各营养成分性状的变异系数（CV）、表型分化系数（Vst）。变异系数CV=σ/x?x?。σ 和x?x?分别代表性状的标准差和均值；表型分化系数Vst=σ2t/s（/ σ2t/s+ σ2s）。σ2t/s和σ2s分别为种群间和种群内的方差值[19]。基于样本功能成分的测量均值，采用Pearson相关系数和双尾检验进行相关性分析。利用不同居群不同数据的平均值进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 营养物质及功能性成分的变异规律

大别山山核桃11个种仁主要营养及功能性成分在种群内和种群间的方差分析（表1）表明，11个性状在种群间存在极显著差异（p＜0.01），说明大别山山核桃营养及功能性成分在种群间存在较大的组分变异。多重比较（表2）表明，脂肪含量以JWB种群最高，其次为JYLW、JWZD、JGY 和JYL 种群，均与JWB种群差异不显著，而JWB种群与其他种群的差异均达到显著水平，JBQ种群脂肪含量最低。蛋白质含量以JSZC种群最高，达到（10.48±0.98）g·100 g-1，除与JTY 种群差异不显著外，与其他种群均差异显著，其次为JTY 种群，达到（10.04±0.99）g · 100 g-1，JWZC 种群最低。角鲨烯、单宁、总酚和α-维生素E 含量均以JBQ 种群最高，分别为（471.52 ±21.20）mg · kg- 1、（64.01 ± 53.38）g · kg- 1、（96.91 ±8.77）g·kg-1和（1.51±0.37）mg·kg-1，其中角鲨烯较高的种群有JSS、JYLW，含量均超过400 mg·kg-1，JWZC种群最低（177.85±17.22 mg· kg- 1），仅为JBQ 的37.72%；单宁含量较高的种群有JGSW、JSS、JSZL，含量均超过50 g · kg- 1；JGY 种群总酚含量最低（46.81±4.22 g·kg-1），仅为JBQ 的48.30%；α-维生素E含量较高的种群还有JSZL、LJX、HTJB；总酚含量除与JGSW种群差异不显著外，与其他种群均差异显著；JBQ 种群的单宁、角烯鲨含量与其他18 个种群均差异显著。β-维生素E 含量最高的是JSZL 种群，达到0.49 mg·100 g-1，除与HTJB差异不显著外，与其他18 个种群的差异都较为显著。γ-维生素E含量最高的是JCSZ 种群，达到32.35 mg·100 g-1，除与JWZD、JBQ、JGXL种群差异不显著外，与其他15 个种群均差异显著。

2.2 种群间营养及功能性成分的表型分化

表型分化系数是种群间表型分化大小的反映，其值越大，表明种群间的遗传分化和遗传变异越大[20]。11 个营养及功能性成分含量在种群间和种群内的方差分量及分化系数（表3）表明，11个性状在群体间的表型分化系数介于47.19%～87.96%之间，其中δ-维生素E含量的分化系数最大，为87.80%，其次是α-维生素E、角烯鲨和总酚含量，均高于平均分化系数，说明δ-维生素E、α-维生素E、角烯鲨和总酚含量在种群间的分化较大；淀粉含量的分化系数最小，仅为47.19%，可溶性糖含量次之，说明淀粉、可溶性糖含量在种群间分化较小，相对稳定。11 个性状种群间表型分化系数平均为68.88%，表明大别山山核桃种仁营养及功能性成分变异主要存在于种群间，贡献率达到68.88%，而种群内的贡献率为31.12%，种群间的多样性高于种群内多样性。

2.3 主要营养及功能性成分的变异特征

大别山山核桃19个种群间种仁主要营养及功能性成分变异系数（表4）介于2.30%～25.18%之间，平均变异系数为13.46%，其中β-维生素E含量变异系数最大，达到25.18%，其次为淀粉、α-维生素E、β-维生素E、δ-维生素E含量，均大于平均变异系数；脂肪含量变异系数最小，仅为2.3%，其次为蛋白质含量，变异系数为7.91%，说明脂肪、蛋白质含量相对稳定，尤其是脂肪含量。在种群水平上，19个种群不同性状的平均变异系数介于7.09%～27.34%之间，其中JGXZ 种群的多样性最为丰富，JYL种群次之，而JSS、JBQ和JYLW种群的营养组分和功能性成分多样性程度相对较低。

2.4 主要营养及功能性成分的相关分析

主要营养及功能性成分含量的相关分析（表5）表明，11个性状间的相关性相对较弱，达到极显著相关的性状仅7对（p＜0.01），达到显著相关的性状为3对（p＜0.05）。脂肪含量与其他主要营养及功能性成分的相关性极显著，与总酚含量（-0.815）、可溶性糖含量（-0.682）、单宁含量（-0.670）、蛋白质含量（-0.456）均存在极显著负相关。蛋白质含量与α-维生素E含量（-0.459）存在显著负相关；可溶性糖含量与总酚含量存在极显著正相关，与单宁含量存在显著正相关；总酚含量与单宁含量存在极显著正相关；单宁含量与角鲨烯含量存在极显著正相关；β-维生素E含量与γ-维生素E含量（-0.501）存在显著负相关。淀粉、δ-维生素E含量与其他性状均不存在相关性，这说明淀粉、δ-维生素E含量是相对独立的性状。

2.5 主要营养及功能性成分的主成分分析

根据大别山山核桃19 个种群11 个主要营养及功能性成分的平均值，进行主成分分析（表6），得到4个特征值大于1的主成分，累积贡献率为78.742%，基本涵盖11个主要营养及功能性成分的主要信息。第一主成分的贡献率32.771%，主要表征脂肪（-0.867）、可溶性糖（0.770）、总酚（0.881）、單宁（0.881）、角烯鲨（0.654）含量；第二主成分的贡献率为18.483%，主要包含蛋白质（0.767）、α-维生素E（- 0.622）、δ-维生素E（0.675）含量等；第三主成分的贡献率为15.673%，包含α-维生素E（0.537）、β-维生素E（0.843）、γ-维生素E（-0.588）含量，表征维生素E的含量；第四主成分贡献率为11.815%，表征淀粉（0.676）含量。

3 讨论

3.1 大别山山核桃种仁主要营养及功能性成分的变异来源

种群间的变异反映了地理、生殖隔离上的差异，是种内多样性的重要体现，其意义大于种群内的变异[21-22]。方差分析和多重比较表明，大别山山核桃的主要营养及功能性成分在种群间存在极显著差异，这与张深梅等[9]、夏国华等[10]对大别山山核桃表型性状和脂肪酸组分的研究结果一致。种群间营养及功能性成分含量的平均分化系数表明，种群间的变异程度大于种群内的变异，种群间变异是大别山山核桃主要营养及功能性成分变异的主要来源，这可能与大别山山核桃集中分布在海拔600～800 m的大别山山区，种群地理分布呈岛屿状间断分布，生境片段化现象明显，地理隔离阻碍了种群间的花粉传播和基因交流，导致不同种群间的遗传分化加剧有关。王正加等[8]研究发现大别山山核桃的基因流为0.730 6，Wright[23]认为群体间的基因流值若小于1，有限的基因流是促使群体发生遗传分化的主要原因[24]。张深梅等[9]研究发现沙河乡祝畈村长源林场（JSZC）与沙河乡祝畈村卢孝武（JSZL）种群相隔仅11.1 km，但与果实和坚果相关的10个性状中，除了蒲壳厚度和坚果果壳厚度外，其余8个性状均存在显著差异，本研究表明大别山山核桃主要营养及功能性成分含量在两种群间差异显著，营养组分含量分化明显，这可能是因为大别山山核桃虽是雌雄同株植物，但花粉的有效传播距离远低于一般风媒花植物；而大别山山核桃种子颗粒大，主要靠啮齿动物传播，其有效传播距离小于种群间的地理距离，使得种群间基因交流困难，从而加大了种群间的遗传分化。同时，近缘种山核桃存在无融合生殖现象[25-26]，大别山山核桃也可能存在无融合生殖现象，有利于维持种群地理隔离产生的分化。

3.2 大别山山核桃种仁主要营养及功能性成分组分的变异特征

变异系数是衡量各观测值离散程度的统计量，变异系数越大，观测值离散程度越大，多样性越丰富[27]。大别山山核桃11 个主要营养及功能性成分的平均变异系数为13.46%（＞10%），大别山山核桃主要营养及功能性成分遗传变异丰富。脂肪、淀粉、蛋白质、γ-维生素E 含量等4 个组分的变异系数小于10%，而脂肪的变异系数最小，仅为4.18%，这与杜洋文等[11]、王江铭等[12]的研究结果一致。坚果类种仁脂肪含量均相对稳定，山核桃[2（8] CV=4.88%）、薄壳山核桃[2（9] CV=7.22%）、核桃[3（0] Juglansregia）（CV=4.06%）等的变异系数均小于10%。在种群水平上，不同种群内的变异系数介于7.09%～27.34%之间，JYLY、JGXZ种群变异相对更丰富。这种多层次的变异为优质种质资源筛选和生物多样性保护提供了物质基础[31]。

3.3 大别山山核桃种仁主要营养及功能性成分的相关性

植物性状间的相关性是提高育种效率的理论基础。对大别山山核桃11 个主要营养及功能性成分含量的相关性分析显示，相关系数达到显著水平以上的有10 对，显示了主要营养及功能性成分间存在一定的相关性，这种相关性为选择少量指标判别种源优劣提供了科学依据，同时也说明大别山山核桃主要营养及功能性成分在适应特定的生境条件下有特定的关联性。脂肪含量与总酚、蛋白质、淀粉、可溶性糖、单宁含量之间存在极显著的负相关，说明在坚果成分中，脂肪含量越高，总酚、蛋白质、淀粉、可溶性糖、单宁含量越低。蛋白质含量与α-维生素E含量之间存在显著负相关，β-维生素E含量与γ-维生素E 含量之间存在显著负相关，可溶性糖含量与总酚含量存在极显著正相关，与单宁含量存在显著正相关，总酚含量与单宁含量存在极显著正相关，单宁含量与角鲨烯含量存在极显著正相关，这说明可溶性糖、总酚、单宁、角烯鲨含量之间存在共同促进的关系。虽然脂肪含量在种群间和种群内的变异系数均较小，但相关性分析表明脂肪含量是表征大别山山核桃种仁品质的重要营养组分，与其他营养组分的相关性极显著，这与解红恩等[32]对山核桃成熟过程中粗脂肪含量与粗蛋白和可溶性糖含量均存在极显著负相关的结果一致。因此，在大别山山核桃优良种源的选择中，可以选用脂肪、总酚、蛋白质、可溶性糖、单宁含量作为主要指标；若该规律在单株间也存在，可作为今后优良单株选择的主要指标。

主成分分析是通过几个变量来揭示多个变量内部结构的统计方法，一方面可以消除评价指标之间的相关影响，另一方面用少数几个综合指标代替原指标进行分析且保留了绝大部分信息量，其确定指标权重的方法客观合理[33]。本研究中4 个主成分的累计贡献率为78.22%，前4 个主成分涵盖11 个主要营养及功能性成分中78.22%的信息，主成分因子足以代表原始因子所代表的大部分信息，且各营养及功能性成分在整体中均占有重要位置，这与多重比较显示大别山山核桃营养及功能性成分间差异显著相一致，说明大别山山核桃种仁各性状的多方向性和复杂性，在品种选育中可根据育种目标调整各主成分特征值的大小[34]，选择适宜品种，大别山山核桃在选择育种方面具有较大的潜力。

4 结论

大别山山核桃天然种源坚果主要营养及功能性成分含量在种群和物种水平上多样性丰富，主要营养物质及功能性成分选择育种潜力大。11 个主要营养和功能性成分中脂肪含量最为稳定，且与其他组分相关性极显著；其他组分离散程度较高，群体分化明显。大别山山核桃种群间的变异是种仁主要营养和功能性成分变异的主要来源，要重视不同地理种群间目标性状的分布规律，遗传多样性保护及种质资源收集应尽可能增加种群数量。

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