花生氨基酸品质改良途径的决策分析

王传堂，唐月异，周朋，吴琪，王志伟，宋国生，王强

（1.山东省花生研究所，山东 青岛 266100；2.山东鲁花集团有限公司，山东 莱阳 265200；3.辽宁省义县农业发展服务中心，辽宁 义县 121100；4.中国农业科学院农产品加工研究所，北京 100193）

花生富含蛋白质和油脂，是世界上广受消费者欢迎的主要食用和油料作物。氨基酸组成不仅关系到花生的营养价值和保健价值，而且对花生感官品质有着显著影响。开发符合市场需求乃至创造市场需求的花生产品，对于新时期花生产业发展具有极其重要的意义。迄今关于花生氨基酸品质的研究，多涉及品种（系）［1-4］、种子不同部位、地点和年份间差异［1，5-7］，种子发育过程中的变化［8］，不同播期及覆膜、灌溉与否、成熟度、收获日期、种子大小、贮藏时间对花生氨基酸含量的影响［7-12］，以及氨基酸含量间的简单相关分析、杂种优势与配合力分析等［12，13］，而氨基酸含量的通径分析或决策分析未见报道。

本研究旨在对本团队育成的50个花生基因型进行氨基酸组分分析，在此基础上利用决策分析探讨不同氨基酸含量之间的关系，为花生氨基酸品质遗传改良提供参考。

1 材料与方法

参试花生基因型共计50个，包括18个测产品系。参试花生于2018年种植于山东省花生研究所莱西试验基地，起垄覆膜滴灌栽培，管理措施同常规。花生荚果收获日晒干燥后，取子仁样品送农业农村部油料及制品质量监督测试中心（武汉）按GB 5009.124—2016方法测定16种氨基酸含量。

按下列公式计算必需氨基酸、半必需氨基酸、甜味氨基酸、鲜味氨基酸、苦味氨基酸、药效氨基酸、芳香族氨基酸含量、（甜味氨基酸+鲜味氨基酸）/苦味氨基酸比值［14］、烤花生香味相关氨基酸以及烤花生异味相关氨基酸含量［15］：必需氨基酸＝苏氨酸+缬氨酸+蛋氨酸+异亮氨酸+亮氨酸+苯丙氨酸+赖氨酸（色氨酸未测，未计入）；半必需氨基酸＝精氨酸+组氨酸（计入或不计入）+丝氨酸+酪氨酸，其中，组氨酸对成人而言，不是半必需氨基酸，但其在婴幼儿体内合成较慢，对婴幼儿来说属于半必需氨基酸，因此，本研究进行数据统计时分计入和不计入两种情况；甜味氨基酸＝苏氨酸+丝氨酸+甘氨酸+丙氨酸+赖氨酸+脯氨酸；鲜味氨基酸＝天冬氨酸+谷氨酸；苦味氨基酸＝缬氨酸+蛋氨酸+异亮氨酸+亮氨酸+苯丙氨酸+组氨酸+精氨酸；药效氨基酸＝天冬氨酸+谷氨酸+甘氨酸+蛋氨酸+异亮氨酸+亮氨酸+苯丙氨酸+赖氨酸+精氨酸；芳香族氨基酸＝苯丙氨酸+酪氨酸；烤花生香味相关氨基酸＝天冬氨酸+谷氨酸+组氨酸+苯丙氨酸；烤花生异味相关氨基酸＝赖氨酸+苏氨酸+精氨酸。

氨基酸含量改良潜力据段乃雄等［16］的方法计算。改良潜力＝（最高含量-平均含量）/平均含量×100%。

利用DPS 14.5软件包，以必需氨基酸、半必需氨基酸、与味道有关的氨基酸，以及近年来受重视有保健功能的氨基酸或与特定人群健康相关的特定氨基酸或其组合为因变量，其他氨基酸为自变量，进行逐步回归分析，计算通径系数，并在此基础上，按袁志发等［17，18］提出的方法计算决策系数（其中为直接通径系数，rjy为相关系数），进行决策分析。

2 结果与分析

2.1 氨基酸含量变幅与改良潜力

50个花生基因型16种氨基酸及其各种组合含量如表1所示。16种氨基酸含量均值变幅为0.15%～3.37%，值最高的是谷氨酸，天冬氨酸次之（2.07%），精氨酸位居第三（2.03%），值最低的是蛋氨酸。最大值位居前三位的及值最低的氨基酸与均值的一致。变异系数变幅为15.38%（苏氨酸）～33.33%（蛋氨酸）。有4种氨基酸改良潜力超过100%，分别为蛋氨酸144.73%、谷氨酸120.90%、苯丙氨酸103.70%、丝氨酸101.29%。

必需氨基酸、非必需氨基酸、半必需氨基酸（不含组氨酸）、半必需氨基酸（含组氨酸）、甜味氨基酸、鲜味氨基酸、苦味氨基酸、药效氨基酸、（甜味氨基酸+鲜味氨基酸）/苦味氨基酸比值、烤花生香味和异味相关氨基酸的变异系数变幅为0.56%～24.70%，改良潜力为17.23%～111.44%，其中，鲜味氨基酸和药效氨基酸的变异系数和改良潜力较大，而烤花生异味和香味相关氨基酸的变异系数和改良潜力较小。

表1 50个花生基因型16种氨基酸含量及相关参数统计结果 （%）

2.2 特定氨基酸含量与其他氨基酸含量间的决策分析

赖氨酸、苏氨酸和蛋氨酸是花生必需氨基酸中的限制性氨基酸，其中赖氨酸、苏氨酸又与烤花生异味相关；天冬氨酸、谷氨酸、组氨酸、苯丙氨酸与烤花生香味相关，其中苯丙氨酸还与特定人群健康相关；精氨酸有益身体健康，且与烤花生异味相关。因此，通过决策分析明确其他氨基酸对上述特定氨基酸含量的影响，可为特定氨基酸改良提供参考。进行数据统计分析时，首先通过逐步回归分析剔除其他氨基酸中对各特定氨基酸含量影响不显著的氨基酸，仅保留影响显著的氨基酸进行进一步的决策分析。

2.2.1 赖氨酸含量 按决策系数排序，甘氨酸＞苏氨酸＞丙氨酸＞谷氨酸＞缬氨酸＞天冬氨酸＞丝氨酸，其中丝氨酸、天冬氨酸、缬氨酸、谷氨酸的决策系数＜0（表2）。可知，欲提高赖氨酸含量，须注重提高主要决策变量甘氨酸、苏氨酸和丙氨酸含量，降低主要限制变量丝氨酸和天冬氨酸含量。

2.2.2 苏氨酸含量 决策分析结果显示，欲提高苏氨酸含量，宜提升主要决策变量亮氨酸、缬氨酸含量，降低主要限制变量谷氨酸、苯丙氨酸、甘氨酸含量（表3）。

表2 赖氨酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

表3 苏氨酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

2.2.3 蛋氨酸含量 决策分析和通径分析结果显示，天冬氨酸的直接效应和其他氨基酸通过天冬氨酸的间接效应均为负，且决策系数达到-80.4405，是影响蛋氨酸含量的首位限制因子，因此，要提高蛋氨酸含量，必须限制天冬氨酸含量（表4）。

2.2.4 天冬氨酸含量 表明，提高主要决策变量丝氨酸、丙氨酸、精氨酸含量，降低主要限制变量缬氨酸、赖氨酸含量，有利于提高天冬氨酸含量（表5）。

2.2.5 谷氨酸含量 欲提高谷氨酸含量，应着力提高主要决策变量丝氨酸含量，降低主要限制变量甘氨酸、苏氨酸和丙氨酸含量（表6）。

表4 蛋氨酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

表5 天冬氨酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

表6 谷氨酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

2.2.6 组氨酸含量 提升主要决策变量缬氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸含量，降低主要限制变量丝氨酸、异亮氨酸含量，有利于提高组氨酸含量（表7）。

2.2.7 苯丙氨酸含量 丝氨酸和亮氨酸对苯丙氨酸含量的直接效应均为正，且高于0.5，决策系数也较高且均为正；而苏氨酸和甘氨酸对苯丙氨酸含量的直接效应均为负，决策系数均＜0（表8）。因此，提高丝氨酸和亮氨酸含量，降低苏氨酸、甘氨酸含量，有利于提高苯丙氨酸含量。

2.2.8 精氨酸含量 天冬氨酸对精氨酸含量的正直接效应最大（1.6016），丝氨酸和异亮氨酸对精氨酸含量的负直接效应显著；从决策系数来看，缬氨酸、酪氨酸、甘氨酸、天冬氨酸的决策系数均＞0，而丝氨酸、异亮氨酸的决策系数均＜0（表9）。表明，欲提高精氨酸含量，可提高缬氨酸、酪氨酸、甘氨酸、天冬氨酸含量，降低丝氨酸和异亮氨酸含量。

2.3 特定氨基酸组合与其他氨基酸含量间的关系

经逐步回归分析，剔除对各特定氨基酸组合影响不显著的其他氨基酸，选出对其影响显著的其他氨基酸进行通径分析和决策分析。

2.3.1 必需氨基酸含量 提高丙氨酸和组氨酸含量，降低丝氨酸含量，有助于提升必需氨基酸含量（表10）。

表7 组氨酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

表8 苯丙氨酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

表9 精氨酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

表10 必需氨基酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

2.3.2 半必需氨基酸（含或不含组氨酸）含量提高天冬氨酸含量、降低丙氨酸含量，有助于提升半必需氨基酸（含或不含组氨酸）含量（表11、表12）。

2.3.3 甜味氨基酸含量 为提升甜味氨基酸含量，应提高亮氨酸、谷氨酸、组氨酸、天冬氨酸含量，限制苯丙氨酸和异亮氨酸含量（表13）。

表13 甜味氨基酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

2.3.4 鲜味氨基酸含量 提高丝氨酸含量，降低苏氨酸和甘氨酸含量，有助于提升鲜味氨基酸含量（表14）。

2.3.5 苦味氨基酸含量 欲降低苦味氨基酸含量，除降低其组成氨基酸——缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、组氨酸和精氨酸的含量外，还应注意提高丝氨酸含量，降低天冬氨酸、苏氨酸含量（表15）。

2.3.6 药效氨基酸含量 欲提高药效氨基酸含量，须重视提高丝氨酸含量，降低丙氨酸含量（表16）。

表14 鲜味氨基酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

表15 苦味氨基酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

表16 药效氨基酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

2.3.7 芳香族氨基酸含量 提高亮氨酸、丝氨酸含量，限制丙氨酸、甘氨酸、缬氨酸含量，有利于提高芳香族氨基酸含量（表17）。

表17 芳香族氨基酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

2.3.8 烤花生香味相关氨基酸含量 欲增强烤花生香味，除提高天冬氨酸、谷氨酸、组氨酸和苯丙氨酸含量外，还应重视提升丝氨酸含量，限制苏氨酸含量（表18）。

2.3.9 烤花生异味相关氨基酸含量 欲减轻烤花生异味，宜降低天冬氨酸、亮氨酸和组氨酸含量，提升苯丙氨酸含量（表19）。

表18 烤花生香味氨基酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

表19 烤花生异味氨基酸含量与其他氨基酸含量的通径系数与决策系数

3 讨论与结论

3.1 关于花生氨基酸含量变幅

本研究测定了50个花生基因型16种氨基酸的含量，其变幅窄于栾文琪和韩守萍的报道［2］，后者采用了5大类型共计379份材料，因而遗传变异更为丰富。

3.2 关于氨基酸含量的通径与决策分析

氨基酸生物合成存在复杂的调控机制，涉及酶活性的直接反馈抑制（如赖氨酸过量抑制天冬氨酸激酶，蛋氨酸过量抑制同型丝氨酸转酰基酶，脯氨酸过量抑制谷氨酸激酶和脱氢酶，精氨酸过量抑制氨基酸转乙酰基酶，缬氨酸过量抑制乙酰乳酸合酶，异亮氨酸过量抑制苏氨酸脱氢酶，亮氨酸过量抑制α-异丙基苹果酸酶）、酶活性的协同反馈抑制和累积反馈抑制以及酶生成量的调节［19］。可通过通径分析和决策分析研究各种氨基酸之间错综复杂的关系。

简单相关系数为某自变量的直接效应与通过其他自变量的间接效应之和，未将两者剖分开来，会因该自变量与其他自变量相关的大小与方向而变大或变小；直接通径系数即标准化的回归系数，未考虑间接效应，通径分析时研究者需综合权衡直接效应和间接效应；而决策分析中采用的决策系数则刻画了某自变量对因变量的综合决定能力，充分考虑了直接效应、总效应和间接效应，被认为优于相关系数和通径系数，也更便于掌握［17，18］。

3.3 关于特定氨基酸及氨基酸组合的遗传改良

赖氨酸、苏氨酸和蛋氨酸是花生限制性氨基酸。从人体健康角度看，应提高必需氨基酸、半必需氨基酸含量。精氨酸有益人体健康，据报道，每天摄入3～6 g精氨酸有改善心血管系统、降低肠道通透性并激活免疫系统之功效［20］。为提供苯丙酮尿症患者可食用的食品，最大限度地降低苯丙氨酸含量是必要的［21］。提高鲜味和烤花生香味相关氨基酸含量（天冬氨酸、谷氨酸、组氨酸、苯丙氨酸），降低与烤花生异味相关氨基酸含量（赖氨酸、苏氨酸和精氨酸）［15］，可望改善花生食品风味。必须指出，有的氨基酸如赖氨酸、精氨酸因不同的改良目标需采取提升或降低含量的不同策略。要增强烤花生香味，需提高天冬氨酸含量，要减轻烤花生异味，却认为需降低天冬氨酸含量，其实并不矛盾。氨基酸生物合成途径中，以三羧酸循环的中间体草酰乙酸为碳骨架作为起始物合成天冬氨酸，进而由天冬氨酸合成赖氨酸、苏氨酸，可见减少天冬氨酸供应将减少赖氨酸、苏氨酸含量。

本研究针对不同的品质改良目标，就花生必需限制性氨基酸、烤花生香味和异味相关氨基酸等特定氨基酸以及必需氨基酸、甜味氨基酸、鲜味氨基酸等组合，进行了决策分析，从生物统计学角度提出了氨基酸品质改良的可能途径，但可行性有待进一步检验。今后可在此基础上基于相应的生物化学和分子生物学知识并借助先进的技术手段，开展高效诱变技术开发应用、氨基酸优质突变体筛选鉴定以及氨基酸合成途径关键酶基因筛查等研究。