基于品質性狀與礦質元素含量的多花黃精種源多樣性分析及評價

關鍵詞：多花黃精；種質資源；品質性狀；礦質元素；遺傳多樣性；綜合評價

中圖分類號：S567.239 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2024）06-0055-10

多花黃精（Polygonatum cyrtonema Hua）為百合科黃精屬多年生草本植物，是2020版《中華人民共和國藥典》中黃精的三種基源植物之一，因形態似姜，習稱姜形黃精，其作為我國傳統藥食同源之一的中藥材，味甘性平，歸脾、肺、腎經，有補氣養陰、健脾、潤肺、益腎之功效。近年來，黃精及其復方的治療和保健功效已得到試驗證實和認可，在生物醫藥及食品行業應用廣泛。根莖為黃精的主要人藥部位，富含多糖、多酚、黃酮、皂苷、生物堿等多種活性成分，有改善認知障礙、降血糖、抗腫瘤、抗氧化、抗炎抗菌等作用。多花黃精根莖肥厚，富含碳水化合物、可溶性膳食纖維、蛋白質、氨基酸、維生素、礦物質元素等營養物質，是開發優質保健膳食產品的重要原料。其中礦質元素是藥用植物細胞的組成部分和生命活動的調節者，是緩解人體“隱形饑餓”的營養物質之一，在臨床治病過程中與中藥等一起共同維護人體健康。隨著黃精產業的蓬勃發展，多花黃精已成為重要的經濟作物，在脫貧致富和鄉村振興中發揮出重要作用。

遺傳多樣性是決定物種發生、進化、選擇、重組和創新的物質基礎。我國幅員遼闊，黃精屬植物種源存在巨大差異和豐富的遺傳多樣性，為優質黃精品種選育和改良提供了重要的種質基礎。目前，相關學者研究表明不同種源的多花黃精在生態特性、表型性狀、品質及活性成分等方面存在差異。多糖、總酚、總皂苷、總黃酮、水分、灰分、醇溶性浸出物及礦質元素是影響多花黃精品質的重要指標，對于篩選優良多花黃精種質資源具有十分重要的意義。本研究測定43份多花黃精種質的品質性狀和礦質元素含量，分析其差異和多樣性，以期為多花黃精的品種選育和開發利用提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

43份多花黃精種質材料（表1）均于2021年10月中旬采挖自貴州大學教學實驗場黃精資源圃，經貴州大學生命科學院趙財副教授鑒定均為多花黃精（Polygonatum cyrtonema Hua）。選取一年生和二年生的齡節各一半，混合、洗凈，60℃烘箱中烘干至恒重，打粉備用。

主要儀器和試劑：數顯恒溫水浴鍋（HH-6）、超聲清洗機（SB-5200DT）、全波長酶標儀1510；蘆丁、人參皂苷Rbl、無水葡萄糖、沒食子酸對照品（批號分別為MUST-20011302、2022. 904、D0806AS、810H022，質量分數均≥98%）和無水乙醇、硝酸等均為分析純。

1.2測定指標及方法

1.2.1礦質元素含量測定 精確稱取干樣0.5 g，置于瓷坩堝中，采用馬弗爐200℃2h、400℃2h、600℃4h的進程進行緩慢灰化。加入5 mL體積分數為50%的硝酸溶解灰分，過濾至25 mL容量瓶中，定容。采用ICP-MS（Inductively Cou-pled Plasma Mass Spectronmetry，Agilent 7800）測定Na、Mg、Al、K、Ca、P、Mn、Fe、Al、Sr、Zn、As、Ag、Cd、Pb共15種元素含量。

1.2.2品質指標測定 多糖含量按2020版《中華人民共和國藥典》一部中的方法測定；醇溶性浸出物、總灰分、水分含量分別參照2020版《中華人民共和國藥典》四部通則中的2201熱浸法、2302總灰分測定法、0832水分測定法進行測定；總皂苷、總黃酮、總酚含量分別參照文獻[18-20]中的方法測定。

用Microsoft Excel LTSC整理數據和制表，并進行標準差、變異系數、頻數分布等統計分析。利用SPSS 26軟件進行數據描述性統計、主成分分析等；利用Origin 2022b軟件進行相關性分析、系統聚類分析和制圖。

2結果與分析

2.1多花黃精種質品質性狀的多樣性分析

由表2可知，43份多花黃精種質的多糖、總黃酮、總酚、醇溶性浸出物含量平均值與中位數差異較小，含量較為集中。多糖含量平均值在7.848%～20.805%之間，總皂苷為0.169%～2.984%，總黃酮為0.239%～0.553%，總酚為0.020%～0.372%，醇溶性浸出物為49.334%～77.845%，總灰分為1.245%～3.964%，水分為0.663%～5.383%，其中多糖、醇溶性浸出物、總灰分及水分含量均符合2020版《中華人民共和國藥典》標準。

7個品質性狀的變異系數在10.4%～46.7%之間，平均變異系數為27.4%，其中總皂苷、水分含量的變異系數較大，分別為40.6%、46.7%。表明總皂苷和水分含量有較大的種質選育范圍。參試種質品質性狀遺傳多樣性較豐富，多樣性指數范圍為1.600～2.015，平均為1.880，除總灰分、總皂苷、水分含量外，其他性狀遺傳多樣性指數均大于1.900。

各品質性狀的改良潛力在24.6%～139.4%之間，平均為65.8%。其中總皂苷含量的最高，水分含量的次之（99.6%）；總灰分和醇溶性浸出物含量的較低，分別為34.3%和24.6%。

將品質指標含量進行min-max標準化處理，分為低量（0～0.25）、中量（0.25～0.50）、高量（0.50～0.75）、過高（0.75～1.00）共4個等級，繪制含量分配比例圖（圖1）。可知，總黃酮和水分為低量的種質占比分別為41.86%和32.56%；總皂苷、總黃酮和多糖為中量的占比分別為60.47%、51.16%和41.86%：多糖、醇溶性浸出物和水分為高量的占比分別為32.56%、32.56%和30.23%；總灰分和總酚含量為過高的占比分別為53.49%和32.56%。說明多糖、總酚和總灰分含量較高的種質較多，而總皂苷和總黃酮含量較高的種質較少。

2.2多花黃精種質礦質元素含量的多樣性分析

由表3可知，15種礦質元素含量范圍為0.006mg/kg（Ag）～9.403g/kg（Mg），大量及常量元素Na、Mg、K、Ca、P含量遠高于其他10種微量元素。大量及常量元素平均含量排序為Mggt;Cagt;Nagt;Kgt;P，微量元素為Fegt;Algt;Cugt;Mngt;Zngt;Srgt;Pbgt;Cdgt;Asgt;Ag。2020版《中華人民共和國藥典》規定：Cu含量不得高于20 mg/kg，Pb不得高于5mg/kg，Cd不得高于1 mg/kg，As不得高于2mg/kg。43份種質的Cu、Pb、Cd和As含量均遠低于上述標準值。

15種礦質元素含量的變異系數范圍為23.6%～92.7%，平均變異系數為56.1%，除Ag外的其他14種礦質元素含量的變異系數均大于35%，Al和Mn的較高，分別為92.7%和87.8%。種質間15種礦質元素含量的遺傳多樣性指數范圍為1.526～2.006，平均為1.791。說明15種礦質元素含量的遺傳差異較大，遺傳多樣性較為豐富，其中Cu、Mg含量的遺傳多樣性指數較大，分別為2，006、1.961，Pb、Al的較小，分別為1.526、1.532。

43份多花黃精種質礦質元素含量的改良潛力在39.7%～442.7%之間，平均為186.1%，遠高于品質性狀。相較于Ag、Mg、P和K，其他11種礦質元素含量的改良潛力較大。

將礦質元素含量進行mm-max標準化處理，分為低量（0～0.25）、中量（0.25～0.50）、高量（0.50～0.75）、過高（0.75～1.00）4個等級，繪制含量分配比例圖。由圖2可知，Al、As和Pb為低量的占比較高，分別為83.71%、76.74%和72.09%；Ca、Cu和P為中量的占比較高，分別為55.81%、41.86%和39.53%；Mg、Cu、Ag和Cd為高量的種質占比分別為30.23%、25.58%、20.93%和20.93%；K、Ag和Mg為過高的占比分別為23.26%、23.26%和16.28%。表明，15種礦質元素含量較高的種質較少，而含量較低的種質偏多。

2.3多花黃精種質品質性狀與礦質元素含量的相關性分析

對43份多花黃精種質品質性狀和礦質元素含量進行皮爾遜相關性分析，結果（圖3）顯示，7個品質性狀間有4對呈顯著相關，其中多糖與醇溶性浸出物、總皂苷與總黃酮呈顯著正相關，多糖與水分呈極顯著正相關，醇溶性浸出物與總灰分呈顯著負相關。

礦質元素之間相關性較為明顯，共有51對礦質元素間呈顯著相關。其中，Ca與Sr、Ag、K、Pb，Sr與Fe、Na，As與Mn、K、Ag、Cd，Pb與Zn、Sr、Na，共計13對礦質元素間呈顯著正相關；Na與Mg、K、Mn、Fe、Al、Zn、As，Mg與K、Ca、Mn、Fe、Al、Zn、As，K與Mn、Fe、Al、Zn，Ca與Fe、Al、Zn、As，P與Cu、Ag，Mn與Al、Zn、Cd、Pb，Fe與Al、As、Pb，Al與As、Pb，Zn與Cd，Cu與Ag，Pb與As、Ag、Cd，共計38對礦質元素間呈極顯著正相關。

品質性狀與礦質元素間，共計21對呈顯著相關。其中，總灰分與P、Cu呈顯著正相關；總皂苷與Na、K、Al，總酚與Fe、Sr、Pb，醇溶性浸出物與K、Cu，水分與Cu、Cd，共計10對呈顯著負相關；總皂苷與Mn、Cu、As、Ag、Pb，總黃酮與Cu、Ag，總酚與Al、As，共計9對呈極顯著負相關。

綜上表明，品質性狀間正相關多于負相關，協同作用較強；礦質元素間多為正相關，元素間協同作用較強；品質性狀和礦質元素間相關性較為復雜，負相關多于正相關，表明礦質元素對品質性狀拮抗作用較強，不利于有效成分積累。

2.4多花黃精種質礦質元素含量的主成分分析

主成分分析法在原始變量間存在較強的相關性和盡量不損失信息的基礎上，對原始變量進行降維分析，采用少量因素描述多種指標或因素間的關系。上述7個品質性狀是多花黃精主要藥理及品質評判指標，Cu、As、Cd、Pb是2020版《中華人民共和國藥典》中規定限量的部分重金屬及有害元素，因此，本研究對另外11種礦質元素進行主成分分析，結果顯示，KMO檢驗統計值為0.706，巴特利特球形檢驗Plt;0.05，說明數據適宜做主成分分析。

由表4可知，提取特征值大于1的前3個主成分，累計方差貢獻率為66.710%，可代表大部分數據的原始信息。第1主成分中Na（0.767）、Mg（0.794）、K（0.827）、Mn（0.651）、Fe（0.759）、Al（0.703）、Zn（0.696）載荷值較高，其中K與Na、Mg的相關系數均為0.72，Mn與Zn的相關系數為0.67，Fe與Al的相關系數為0.74，均為極顯著正相關；第2主成分中P（0.845）、Ag（0.799）載荷值較高，且P與Ag相關系數為0.49，表現為極顯著正相關；第一、二主成分累計方差貢獻率（55.466%）gt;50%，因此將K、Zn、Fe、P作為評價多花黃精種質資源的特征元素。

2.5 43份多花黃精種質的聚類分析

由7個品質性狀和Cd、Pb、As、Cu、K、Zn、Fe、P含量對43份種質進行系統聚類分析（圖4），逆時針方向劃分，在距離為100時將43份種質分為4個類群。Ⅰ類群僅包含1個種質，占總數的2.33%；Ⅱ類群包含19個種質，占總數的44.19%；Ⅲ類群包含8個種質，占總數的18.60%：Ⅳ類群包含15個種質，占總數的34.88%。

由表5可知，Ⅰ類群的水分、K、Fe、Zn、Cd、As、Pb含量均最高，說明該類群為礦質元素富集較高的資源；Ⅱ類群的總酚、Cu含量均最高，其他各指標含量較為居中，這可能與其包含種質數量最多有關；Ⅲ類群的醇溶性浸出物、總皂苷、總黃酮含量均最高，是藥理成分種類和含量較豐富的一類資源；Ⅳ類群的多糖、總灰分、P含量均最高，可作為以多糖為種質選育目標的優質類群。

2.6多花黃精種質資源的綜合評價

隸屬函數分析法是運用模糊數學的原理，從多個性狀對種質進行鑒定評價的一種科學方法。用7個品質性狀、重金屬和有害元素含量及主成分分析篩選出的K、Zn、Fe、P含量指標對43份多花黃精種質計算隸屬函數綜合得分（圖5），綜合得分越高，說明種質的綜合品質越好。

由圖5可知，43份多花黃精種質綜合得分在0.355～0.646之間，平均值為0.536;綜合評價得分排序與聚類分析結果較為一致，得分相近的種質基本聚為一類。通過排名來看，第1類群靠后，另外3個類群所含種質均較靠前。排名前十的種質為 S33、S27、S29、S28、S31、S10、S17、S36、S32、S2O，表明這10個種質綜合品質較優異。

3討論與結論

種質資源的發掘、收集和利用是開發新品種的基礎。中藥材生態變異與生態型的分化和形成使其在形態、生理、生化上表現出差異，這也是導致同種中藥種質資源品質和療效存在差異的實質。中藥化學物質是影響其品質和療效的物質基礎，是選育優異種質資源的關鍵，對中藥材種質資源的遺傳育種研究具有重要意義。

多糖、總酚、總黃酮、總皂苷、醇溶性浸出物、水分及灰分含量是直接影響多花黃精品質的重要指標。43份種質的品質性狀和礦質元素含量的變異系數均大于10%，說明這些指標在參試種質間差異較為顯著，而礦質元素含量相較品質性狀變異程度更大，變異類型更豐富。遺傳多樣性指數是評價不同種質間性狀變異程度的綜合指標，其數值越高則變異類型越多、程度越高、幅度越大，遺傳多樣性越豐富。本研究中品質性狀遺傳多樣性指數在1.600～2.015之間，礦質元素含量遺傳多樣性指數在1.526～2.066之間，多糖、總黃酮、總酚、醇溶性浸出物、Na、Mg、Cu均大于1.900，表明多花黃精種質資源以上品質性狀和礦質元素含量的遺傳多樣性較豐富，改良潛力較大，能為多花黃精種質資源創新和改良提供豐富材料。比較各指標的變異系數和遺傳多樣性指數發現，醇溶性浸出物、總黃酮、多糖、Ag、P、Mg、Fe含量的變異系數較小，遺傳多樣性指數較大，這可能是因為這些指標在遺傳多樣性劃分的各等級中分布更均勻；而水分、總皂苷、總灰分、Al、Mn、Pb含量的變異系數較大，遺傳多樣性指數較小，可能與這些指標在多花黃精種質資源中的分散程度較大有關。品質性狀與礦質元素的改良潛力在24.6%～442.7%之間，其中礦質元素的平均改良潛力高于品質性狀，表明在多花黃精種質選育過程中，相較于品質性狀礦質元素含量有更大的改良潛力。

本研究中43份多花黃精種質資源品質性狀與礦質元素含量的相關性分析結果表明，品質性狀間協同作用較強，拮抗作用存在但數量較少。礦質元素間協同作用強且復雜，存在拮抗作用的較少，其中Zn和Cu呈負相關，這與樓柯浪等的研究結果相反，可能與種質來源不同有關。品質性狀與礦質元素之間拮抗作用較強，其中，總皂苷和總酚受多種礦質元素抑制，不利于其累積，表明多花黃精品質性狀和礦質元素含量遺傳的多樣性和復雜性。

單一指標評價種質資源不足以反映其綜合品質且具有片面性，而評價指標過多則會對結果造成偏差。礦質元素間的相互作用關系復雜，作為評價指標會存在信息重疊，可用主成分分析對信息進行進一步分類和簡化。本研究對重金屬及有害元素除外的11種礦質元素進行主成分分析，進一步篩選出的K、Zn、Fe、P可以作為評價多花黃精種質資源的特征元素。聚類分析將綜合品質接近的種質資源聚為一類，Ⅰ類群的礦質元素平均含量最高，其中包含重金屬及有害元素Cd、As、Pb，這可能與其包含種質單一有關；而多花黃精是多年生草本植物，能否作為修復重金屬污染土壤的植物，需進一步研究其對重金屬的耐受性和積累能力。Ⅱ、Ⅲ類群的藥理活性成分平均含量最高，可分別作為以總酚、總黃酮和皂苷種質選育為目的的資源。第Ⅳ類群種質的多糖和總灰分含量最高，多糖作為多花黃精中最主要的成分，與總灰分一樣是評價黃精質量的重要指標。因此，可將Ⅳ類群的15份種質資源作為選育多糖型多花黃精新品種的材料。隸屬函數綜合評價得分前十的種質資源為S33、S27、S29、S28、S31、S10、S17、S36、S32、S20，與第Ⅲ類群所含種質資源基本一致，可信度較高，是綜合品質優異的種質資源。我國多花黃精種質分布廣泛，種質資源豐富，以化學成分含量進行優質種源評價，工作難度較大，運用隸屬函數綜合評價再進一步結合表型性狀進行研究，可有效降低優質種源選育的難度。

綜上所述，多花黃精種質資源品質性狀與礦質元素含量變異程度較大，遺傳多樣性豐富：礦質元素間關系復雜且對品質性狀拮抗作用較大；K、Zn、Fe、P可作為評價多花黃精種質的特征元素；43份多花黃精種質資源品質性狀和礦質元素含量差異明顯。結合聚類分析和隸屬函數分析篩選出10個綜合品質較優異的種質資源：S33（和縣烏江鎮）、S27（江永縣上江圩鎮）、S29（衡東縣甘溪鎮）、S28（湘潭縣花石鎮）、S31（石臺縣仁里鎮）、S10（習水縣東皇鎮）、S17（汝城縣馬橋鎮）、S36（鄱陽縣鄱陽鎮）、S32（貴池區民生村）、S20（資興市永樂江鎮）。該研究結果可為多花黃精品種選育、科學管理及產品開發提供參考依據。