基于游離氨基酸含量的玉米自交系品質綜合評價

南芝潤 張 杰 侯 磊 田懷澤

（山西農業大學玉米研究所，忻州 034000）

玉米是世界上種植面積最大的谷類作物之一，集糧食、工業、飼料三大用途于一身。玉米不僅是保證糧食安全的重要組成部分，并且具有巨大的開發潛力。提高玉米必需氨基酸含量改善營養品質一直是育種工作者努力的目標[1]。氨基酸是植物氮代謝過程中重要的代謝產物，以游離態、多肽和蛋白質形式存在[2]。玉米富含各種氨基酸和維生素，其含量對玉米的營養品質有重要作用[3]。游離氨基酸廣泛存在于玉米細胞中，它們不僅是玉米重要的氮源，而且可以通過調節代謝平衡，保證逆境環境下植物的生存[4]，對玉米的生長發育、抗逆[5]、物質代謝具有非常重要的作用，因此研究玉米中游離氨基酸的含量具有重要意義。玉米自交系是玉米雜種優勢利用的基礎，自交系的選育和改良是玉米育種工作中的重要環節。通過有目的地選育和篩選氨基酸含量高的自交系，為選育優質抗逆玉米雜交種奠定資源基礎。

主成分分析是一種應用廣泛、基礎性強的多元統計分析方法，被廣泛應用到對玉米、大豆、水稻、棉花、馬鈴薯、香菇和煙草等植物相關性狀的研究中[6-10]。邱紅梅等[11]通過主成分分析法和聚類分析對240 份大豆種質資源的蛋白及16個氨基酸組分進行測定分析，篩選出24 份高蛋氨酸資源。孟強等[12]對60 份糯玉米自交系的16 種氨基酸進行主成分分析和綜合評價，篩選出3 份品質較優的糯玉米品種。彭友林等[13]對長江上游地區76 份水稻親本材料的15個產量相關性狀進行主成分分析并對其稻米品質進行評價。本試驗采用主成分分析法以玉米籽粒中含有的17 種游離氨基酸含量作為評價指標，對25個農藝性狀差異比較大的自交系進行綜合評價，為玉米自交系的選育、品質育種和抗逆育種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑試驗材料包含25 份玉米自交系SZ1～SZ25，由山西農業大學玉米研究所選育。

氨基酸標準液、茚三酮及緩沖溶液等試劑購自富士和光純藥有限責任公司。優級純檸檬酸、氫氧化鈉、氯化鈉、磺基水楊酸和色譜級無水乙醇等試劑購自科密歐化學試劑有限公司。

1.2 儀器設備氨基酸自動分析儀：L-5500 型，日本日立公司；離心機：ST16 型，德國Thermo Fisher公司；冷凍混合球磨儀：MW-400 型，德國Retsch 公司；電子天平：BSA323S-CW 型，賽多利斯科學有限公司。

1.3 試驗方法樣品含水量測定參照GB 5009.3—2016《食品安全國家標準 食品中水分的測定》進行；樣品中氨基酸含量測定參照GB 5009.124—2016《食品安全國家標準 食品中氨基酸的測定》進行。

1.4 綜合評價指數不同玉米品種的綜合評價指數計算公式如下。Yj指第j個主成分的分值；Wj指第j個主成分的權重。

1.5 數據統計分析采用SPSS 20.0、Excel 2016進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 游離氨基酸測定結果與分析由表1 可知，25 份玉米品種中均含有17 種游離氨基酸，包括7種必需氨基酸：賴氨酸（Lys）、苯丙氨酸（Phe）、蛋氨酸（Met）、蘇氨酸（Thr）、異亮氨酸（Ile）、亮氨酸（Leu）、纈氨酸（Val），10 種非必需氨基酸。25 份材料中SZ3 的總游離氨基酸（TAA）含量最高，為19.010nmol/20uL；SZ25 號最低，為4.368nmol/20uL。17 種氨基酸中Pro 含量最高，為2.039nmol/20uL；Glu 含量次之，為1.368nmol/20uL；Met 含量最少，為0.038nmol/20uL。樣品的游離氨基酸組成中Pro、Glu、Asp、Thr、Ala 和Ser 含量較高，這6 種氨基酸總量在3.335～13.832nmol/20uL，占游離氨基酸總量的61.55%～90.32%。不同來源的玉米自交系中，游離氨基酸的含量和種類存在顯著差異。

表1 玉米自交系中游離氨基酸組成及含量 （nmol/20uL）

2.2 玉米自交系中游離氨基酸的相關分析對25份玉米自交系的游離氨基酸含量進行相關性分析，由表2 可知，17 種氨基酸之間具有不同程度的相關性，其中Asp、Thr、Ser、Glu、Ala、Val、Tyr、Lys、His、Arg 和Pro 這11 種氨基酸和總氨基酸呈極顯著正相關，Gly、Cys、Met、Ile、Leu、Phe這6 種氨基酸與總氨基酸相關不顯著。Ser 與Asp、Glu、Gly、Val、Met、Pro 呈極顯著相關，相關系數分別為0.511、0.636、0.563、0.857、0.728、0.687，與Ala、Ile、Tyr、Lys 和Arg 呈顯著正相關。Met和Lys 屬于植物蛋白質的限制性氨基酸，Arg 被稱為半必需氨基酸或者條件必需氨基酸，在幼兒生長期是必需氨基酸。提高Ser 含量的同時也能提高這些氨基酸含量，同時Ser 含量與總氨基酸含量呈極顯著相關，相關系數達到0.730，這些發現對于改善玉米品質具有重要意義。總體來看，Ser 與多數氨基酸的相關性都較高。Pro 和Ser 呈極顯著相關。

表2 各種游離氨基酸含量相關性分析

2.3 主成分分析主成分分析是將多指標轉化為少數幾個綜合指標，其中每個主成分都能反映原始變量的大部分信息[14]。在本研究中，通過SPASS 20.0 對25 份玉米自交系進行主成分分析，并對原始數據進行KMO（KaiSer-Meyer-Olkin）和Bartlett 檢驗后發現，Bartlett 球形檢驗的顯著性P值為0，小于0.05，說明數據適合做因子分析（表3）。

表3 KMO 和Bartlett 檢驗

選取25 份自交系的17 種氨基酸進行主成分分析，以游離氨基酸的含量為分析指標。將特征值＞1作為主成分（表4），前5個主成分的特征值累計貢獻率已經達到80.925%，說明這5個主成分基本包含了全部游離氨基酸所具有的信息，因此前5個特征值可以將原來的17 種氨基酸轉化為5個主成分。第1主成分能解釋所有玉米自交系游離氨基酸含量變異的36.932%，第2 主成分可解釋16.552%的氨基酸含量變異，第3 主成分可解釋11.356%的氨基酸含量變異，第4 主成分可解釋9.252%的氨基酸含量變異，第5 主成分可解釋6.833%的氨基酸含量變異。利用這5個主成分對25 份玉米自交系進行品質綜合評價。

表4 主成分特征值及其貢獻率

游離氨基酸的主成分矩陣中（表5）顯示了各氨基酸在5個主成分中的權重系數，主成分1 中的Glu、Asp、Ala、Val、Lys、Ser、Arg、Pro、Tyr 和His 權重系數較大（特征向量平均為0.73）；主成分2中Val、Ser、Ile、Met 這4個氨基酸的權重系數比較大（特征向量平均為0.60）；Phe 和Cys 在主成分3 中權重系數比較大（特征向量平均為0.73）；Tyr、Cys 和Leu 在主成分4 中權重系數比較大（特征向量平均為0.50）；主成分5 中Leu 和Gly 的權重系數比較大（特征向量平均為0.49）。

通過主成分分析得到的主成分矩陣（表5）顯示了不同氨基酸在5個主成分中的權重系數，用得到的5個因子得分再乘以相應的特征值的算術平方根得到各自的主成分得分（表6）。

表5 主成分矩陣

本研究根據選擇的5個主成分分值（表6）和它們各自的權重，計算各自交系綜合得分D 值，D=（36.93Y1+16.55Y2+11.36Y3+9.25Y4+6.83Y5）/80.93。結果見表7，25 份氨基酸含量和農藝性狀差異較大的自交系中有10個高于平均得分（0），15個低于平均得分。綜合評價指數大于1 的有5個，分別是SZ2、SZ3、SZ4、SZ5 和SZ10，表明這5個自交系游離氨基酸的綜合評價較好。這5個自交系的游離氨基酸總量也較高，與綜合評分結果相符合。SZ25 的綜合評價指數最小，說明其游離氨基酸的主成分含量偏低，而其本身的游離氨基酸含量也偏低。

表6 各主成分分值

表7 不同玉米自交系的綜合評價指數

3 結論

玉米品質性狀中的氨基酸含量非常重要，不僅是蛋白質合成的底物原料，還能通過自身及代謝產物所具有的生物活性對許多生命活動起到調節作用[15]。有目的地對種質資源的氨基酸組成及含量進行綜合評價，對玉米品質育種具有重要意義。25份玉米自交系中共檢測出17 種游離氨基酸，其中包括7 種必需氨基酸、10 種非必需氨基酸。17 種氨基酸中Pro 含量最高，Glu 含量次之，Met 含量最少。在樣品的游離氨基酸組成中Pro、Glu、Asp、Thr、Ala 和Ser 含量較高，它們占游離氨基酸總量的61.55%～90.32%，不同來源的玉米自交系中，游離氨基酸的含量和種類存在顯著差異。相關性分析發現，17 種氨基酸之間具有不同程度的相關性，Ser 與Glu、Gly、Met 等多種氨基酸含量呈顯著或極顯著相關，這與孫強等[16]、祁新等[17]的研究結果基本一致。提高Ser 含量的同時也能提高這些氨基酸含量，同時Ser 含量與總氨基酸含量呈極顯著相關，相關系數達到0.730，這些發現對于改善玉米品質具有重要意義。

利用主成分分析法對25 份自交系進行綜合評價，構建綜合評價指數，高于平均得分的有10 份。其中SZ2、SZ3、SZ4、SZ5、SZ10 自交系得分突出。綜合游離氨基酸總量和主成分綜合評價指數得分進行評價，SZ2、SZ3、SZ4、SZ5 和SZ10 的品質較優，SZ25 的品質最差。本研究基于游離氨基酸含量對玉米品質進行綜合評價，但對于氨基酸的遺傳分析及雜優模式配合力分析有待進一步研究。