基于游离氨基酸含量的玉米自交系品质综合评价

南芝润 张 杰 侯 磊 田怀泽

（山西农业大学玉米研究所，忻州 034000）

玉米是世界上种植面积最大的谷类作物之一，集粮食、工业、饲料三大用途于一身。玉米不仅是保证粮食安全的重要组成部分，并且具有巨大的开发潜力。提高玉米必需氨基酸含量改善营养品质一直是育种工作者努力的目标[1]。氨基酸是植物氮代谢过程中重要的代谢产物，以游离态、多肽和蛋白质形式存在[2]。玉米富含各种氨基酸和维生素，其含量对玉米的营养品质有重要作用[3]。游离氨基酸广泛存在于玉米细胞中，它们不仅是玉米重要的氮源，而且可以通过调节代谢平衡，保证逆境环境下植物的生存[4]，对玉米的生长发育、抗逆[5]、物质代谢具有非常重要的作用，因此研究玉米中游离氨基酸的含量具有重要意义。玉米自交系是玉米杂种优势利用的基础，自交系的选育和改良是玉米育种工作中的重要环节。通过有目的地选育和筛选氨基酸含量高的自交系，为选育优质抗逆玉米杂交种奠定资源基础。

主成分分析是一种应用广泛、基础性强的多元统计分析方法，被广泛应用到对玉米、大豆、水稻、棉花、马铃薯、香菇和烟草等植物相关性状的研究中[6-10]。邱红梅等[11]通过主成分分析法和聚类分析对240 份大豆种质资源的蛋白及16个氨基酸组分进行测定分析，筛选出24 份高蛋氨酸资源。孟强等[12]对60 份糯玉米自交系的16 种氨基酸进行主成分分析和综合评价，筛选出3 份品质较优的糯玉米品种。彭友林等[13]对长江上游地区76 份水稻亲本材料的15个产量相关性状进行主成分分析并对其稻米品质进行评价。本试验采用主成分分析法以玉米籽粒中含有的17 种游离氨基酸含量作为评价指标，对25个农艺性状差异比较大的自交系进行综合评价，为玉米自交系的选育、品质育种和抗逆育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂试验材料包含25 份玉米自交系SZ1～SZ25，由山西农业大学玉米研究所选育。

氨基酸标准液、茚三酮及缓冲溶液等试剂购自富士和光纯药有限责任公司。优级纯柠檬酸、氢氧化钠、氯化钠、磺基水杨酸和色谱级无水乙醇等试剂购自科密欧化学试剂有限公司。

1.2 仪器设备氨基酸自动分析仪：L-5500 型，日本日立公司；离心机：ST16 型，德国Thermo Fisher公司；冷冻混合球磨仪：MW-400 型，德国Retsch 公司；电子天平：BSA323S-CW 型，赛多利斯科学有限公司。

1.3 试验方法样品含水量测定参照GB 5009.3—2016《食品安全国家标准 食品中水分的测定》进行；样品中氨基酸含量测定参照GB 5009.124—2016《食品安全国家标准 食品中氨基酸的测定》进行。

1.4 综合评价指数不同玉米品种的综合评价指数计算公式如下。Yj指第j个主成分的分值；Wj指第j个主成分的权重。

1.5 数据统计分析采用SPSS 20.0、Excel 2016进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 游离氨基酸测定结果与分析由表1 可知，25 份玉米品种中均含有17 种游离氨基酸，包括7种必需氨基酸：赖氨酸（Lys）、苯丙氨酸（Phe）、蛋氨酸（Met）、苏氨酸（Thr）、异亮氨酸（Ile）、亮氨酸（Leu）、缬氨酸（Val），10 种非必需氨基酸。25 份材料中SZ3 的总游离氨基酸（TAA）含量最高，为19.010nmol/20uL；SZ25 号最低，为4.368nmol/20uL。17 种氨基酸中Pro 含量最高，为2.039nmol/20uL；Glu 含量次之，为1.368nmol/20uL；Met 含量最少，为0.038nmol/20uL。样品的游离氨基酸组成中Pro、Glu、Asp、Thr、Ala 和Ser 含量较高，这6 种氨基酸总量在3.335～13.832nmol/20uL，占游离氨基酸总量的61.55%～90.32%。不同来源的玉米自交系中，游离氨基酸的含量和种类存在显著差异。

表1 玉米自交系中游离氨基酸组成及含量 （nmol/20uL）

2.2 玉米自交系中游离氨基酸的相关分析对25份玉米自交系的游离氨基酸含量进行相关性分析，由表2 可知，17 种氨基酸之间具有不同程度的相关性，其中Asp、Thr、Ser、Glu、Ala、Val、Tyr、Lys、His、Arg 和Pro 这11 种氨基酸和总氨基酸呈极显著正相关，Gly、Cys、Met、Ile、Leu、Phe这6 种氨基酸与总氨基酸相关不显著。Ser 与Asp、Glu、Gly、Val、Met、Pro 呈极显著相关，相关系数分别为0.511、0.636、0.563、0.857、0.728、0.687，与Ala、Ile、Tyr、Lys 和Arg 呈显著正相关。Met和Lys 属于植物蛋白质的限制性氨基酸，Arg 被称为半必需氨基酸或者条件必需氨基酸，在幼儿生长期是必需氨基酸。提高Ser 含量的同时也能提高这些氨基酸含量，同时Ser 含量与总氨基酸含量呈极显著相关，相关系数达到0.730，这些发现对于改善玉米品质具有重要意义。总体来看，Ser 与多数氨基酸的相关性都较高。Pro 和Ser 呈极显著相关。

表2 各种游离氨基酸含量相关性分析

2.3 主成分分析主成分分析是将多指标转化为少数几个综合指标，其中每个主成分都能反映原始变量的大部分信息[14]。在本研究中，通过SPASS 20.0 对25 份玉米自交系进行主成分分析，并对原始数据进行KMO（KaiSer-Meyer-Olkin）和Bartlett 检验后发现，Bartlett 球形检验的显著性P值为0，小于0.05，说明数据适合做因子分析（表3）。

表3 KMO 和Bartlett 检验

选取25 份自交系的17 种氨基酸进行主成分分析，以游离氨基酸的含量为分析指标。将特征值＞1作为主成分（表4），前5个主成分的特征值累计贡献率已经达到80.925%，说明这5个主成分基本包含了全部游离氨基酸所具有的信息，因此前5个特征值可以将原来的17 种氨基酸转化为5个主成分。第1主成分能解释所有玉米自交系游离氨基酸含量变异的36.932%，第2 主成分可解释16.552%的氨基酸含量变异，第3 主成分可解释11.356%的氨基酸含量变异，第4 主成分可解释9.252%的氨基酸含量变异，第5 主成分可解释6.833%的氨基酸含量变异。利用这5个主成分对25 份玉米自交系进行品质综合评价。

表4 主成分特征值及其贡献率

游离氨基酸的主成分矩阵中（表5）显示了各氨基酸在5个主成分中的权重系数，主成分1 中的Glu、Asp、Ala、Val、Lys、Ser、Arg、Pro、Tyr 和His 权重系数较大（特征向量平均为0.73）；主成分2中Val、Ser、Ile、Met 这4个氨基酸的权重系数比较大（特征向量平均为0.60）；Phe 和Cys 在主成分3 中权重系数比较大（特征向量平均为0.73）；Tyr、Cys 和Leu 在主成分4 中权重系数比较大（特征向量平均为0.50）；主成分5 中Leu 和Gly 的权重系数比较大（特征向量平均为0.49）。

通过主成分分析得到的主成分矩阵（表5）显示了不同氨基酸在5个主成分中的权重系数，用得到的5个因子得分再乘以相应的特征值的算术平方根得到各自的主成分得分（表6）。

表5 主成分矩阵

本研究根据选择的5个主成分分值（表6）和它们各自的权重，计算各自交系综合得分D 值，D=（36.93Y1+16.55Y2+11.36Y3+9.25Y4+6.83Y5）/80.93。结果见表7，25 份氨基酸含量和农艺性状差异较大的自交系中有10个高于平均得分（0），15个低于平均得分。综合评价指数大于1 的有5个，分别是SZ2、SZ3、SZ4、SZ5 和SZ10，表明这5个自交系游离氨基酸的综合评价较好。这5个自交系的游离氨基酸总量也较高，与综合评分结果相符合。SZ25 的综合评价指数最小，说明其游离氨基酸的主成分含量偏低，而其本身的游离氨基酸含量也偏低。

表6 各主成分分值

表7 不同玉米自交系的综合评价指数

3 结论

玉米品质性状中的氨基酸含量非常重要，不仅是蛋白质合成的底物原料，还能通过自身及代谢产物所具有的生物活性对许多生命活动起到调节作用[15]。有目的地对种质资源的氨基酸组成及含量进行综合评价，对玉米品质育种具有重要意义。25份玉米自交系中共检测出17 种游离氨基酸，其中包括7 种必需氨基酸、10 种非必需氨基酸。17 种氨基酸中Pro 含量最高，Glu 含量次之，Met 含量最少。在样品的游离氨基酸组成中Pro、Glu、Asp、Thr、Ala 和Ser 含量较高，它们占游离氨基酸总量的61.55%～90.32%，不同来源的玉米自交系中，游离氨基酸的含量和种类存在显著差异。相关性分析发现，17 种氨基酸之间具有不同程度的相关性，Ser 与Glu、Gly、Met 等多种氨基酸含量呈显著或极显著相关，这与孙强等[16]、祁新等[17]的研究结果基本一致。提高Ser 含量的同时也能提高这些氨基酸含量，同时Ser 含量与总氨基酸含量呈极显著相关，相关系数达到0.730，这些发现对于改善玉米品质具有重要意义。

利用主成分分析法对25 份自交系进行综合评价，构建综合评价指数，高于平均得分的有10 份。其中SZ2、SZ3、SZ4、SZ5、SZ10 自交系得分突出。综合游离氨基酸总量和主成分综合评价指数得分进行评价，SZ2、SZ3、SZ4、SZ5 和SZ10 的品质较优，SZ25 的品质最差。本研究基于游离氨基酸含量对玉米品质进行综合评价，但对于氨基酸的遗传分析及杂优模式配合力分析有待进一步研究。