基于品質(zhì)性狀與礦質(zhì)元素含量的多花黃精種源多樣性分析及評價(jià)

關(guān)鍵詞：多花黃精；種質(zhì)資源；品質(zhì)性狀；礦質(zhì)元素；遺傳多樣性；綜合評價(jià)

中圖分類號：S567.239 文獻(xiàn)標(biāo)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(tài)似姜，習(xí)稱姜形黃精，其作為我國傳統(tǒng)藥食同源之一的中藥材，味甘性平，歸脾、肺、腎經(jīng)，有補(bǔ)氣養(yǎng)陰、健脾、潤肺、益腎之功效。近年來，黃精及其復(fù)方的治療和保健功效已得到試驗(yàn)證實(shí)和認(rèn)可，在生物醫(yī)藥及食品行業(yè)應(yīng)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(rèn)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(zhì)、氨基酸、維生素、礦物質(zhì)元素等營養(yǎng)物質(zhì)，是開發(fā)優(yōu)質(zhì)保健膳食產(chǎn)品的重要原料。其中礦質(zhì)元素是藥用植物細(xì)胞的組成部分和生命活動(dòng)的調(diào)節(jié)者，是緩解人體“隱形饑餓”的營養(yǎng)物質(zhì)之一，在臨床治病過程中與中藥等一起共同維護(hù)人體健康。隨著黃精產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，多花黃精已成為重要的經(jīng)濟(jì)作物，在脫貧致富和鄉(xiāng)村振興中發(fā)揮出重要作用。

遺傳多樣性是決定物種發(fā)生、進(jìn)化、選擇、重組和創(chuàng)新的物質(zhì)基礎(chǔ)。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(yōu)質(zhì)黃精品種選育和改良提供了重要的種質(zhì)基礎(chǔ)。目前，相關(guān)學(xué)者研究表明不同種源的多花黃精在生態(tài)特性、表型性狀、品質(zhì)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(zhì)元素是影響多花黃精品質(zhì)的重要指標(biāo)，對于篩選優(yōu)良多花黃精種質(zhì)資源具有十分重要的意義。本研究測定43份多花黃精種質(zhì)的品質(zhì)性狀和礦質(zhì)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(fā)利用提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

43份多花黃精種質(zhì)材料（表1）均于2021年10月中旬采挖自貴州大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)場黃精資源圃，經(jīng)貴州大學(xué)生命科學(xué)院趙財(cái)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(jié)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(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-6）、超聲清洗機(jī)（SB-5200DT）、全波長酶標(biāo)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(zhì)量分?jǐn)?shù)均≥98%）和無水乙醇、硝酸等均為分析純。

1.2測定指標(biāo)及方法

1.2.1礦質(zhì)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(jìn)程進(jìn)行緩慢灰化。加入5 mL體積分?jǐn)?shù)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(zhì)指標(biāo)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(jìn)行測定；總皂苷、總黃酮、總酚含量分別參照文獻(xiàn)[18-20]中的方法測定。

用Microsoft Excel LTSC整理數(shù)據(jù)和制表，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、頻數(shù)分布等統(tǒng)計(jì)分析。利用SPSS 26軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)描述性統(tǒng)計(jì)、主成分分析等；利用Origin 2022b軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、系統(tǒng)聚類分析和制圖。

2結(jié)果與分析

2.1多花黃精種質(zhì)品質(zhì)性狀的多樣性分析

由表2可知，43份多花黃精種質(zhì)的多糖、總黃酮、總酚、醇溶性浸出物含量平均值與中位數(shù)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(biāo)準(zhǔn)。

7個(gè)品質(zhì)性狀的變異系數(shù)在10.4%～46.7%之間，平均變異系數(shù)為27.4%，其中總皂苷、水分含量的變異系數(shù)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(zhì)選育范圍。參試種質(zhì)品質(zhì)性狀遺傳多樣性較豐富，多樣性指數(shù)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(shù)均大于1.900。

各品質(zhì)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(zhì)指標(biāo)含量進(jìn)行min-max標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(zhì)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(zhì)較多，而總皂苷和總黃酮含量較高的種質(zhì)較少。

2.2多花黃精種質(zhì)礦質(zhì)元素含量的多樣性分析

由表3可知，15種礦質(zhì)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(yuǎn)高于其他10種微量元素。大量及常量元素平均含量排序?yàn)镸ggt;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(guī)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(zhì)的Cu、Pb、Cd和As含量均遠(yuǎn)低于上述標(biāo)準(zhǔn)值。

15種礦質(zhì)元素含量的變異系數(shù)范圍為23.6%～92.7%，平均變異系數(shù)為56.1%，除Ag外的其他14種礦質(zhì)元素含量的變異系數(shù)均大于35%，Al和Mn的較高，分別為92.7%和87.8%。種質(zhì)間15種礦質(zhì)元素含量的遺傳多樣性指數(shù)范圍為1.526～2.006，平均為1.791。說明15種礦質(zhì)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(shù)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(zhì)礦質(zhì)元素含量的改良潛力在39.7%～442.7%之間，平均為186.1%，遠(yuǎn)高于品質(zhì)性狀。相較于Ag、Mg、P和K，其他11種礦質(zhì)元素含量的改良潛力較大。

將礦質(zhì)元素含量進(jìn)行mm-max標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(zhì)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(zhì)元素含量較高的種質(zhì)較少，而含量較低的種質(zhì)偏多。

2.3多花黃精種質(zhì)品質(zhì)性狀與礦質(zhì)元素含量的相關(guān)性分析

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

礦質(zhì)元素之間相關(guān)性較為明顯，共有51對礦質(zhì)元素間呈顯著相關(guān)。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(jì)13對礦質(zhì)元素間呈顯著正相關(guān)；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，F(xiàn)e與Al、As、Pb，Al與As、Pb，Zn與Cd，Cu與Ag，Pb與As、Ag、Cd，共計(jì)38對礦質(zhì)元素間呈極顯著正相關(guān)。

品質(zhì)性狀與礦質(zhì)元素間，共計(jì)21對呈顯著相關(guān)。其中，總灰分與P、Cu呈顯著正相關(guān)；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(jì)10對呈顯著負(fù)相關(guān)；總皂苷與Mn、Cu、As、Ag、Pb，總黃酮與Cu、Ag，總酚與Al、As，共計(jì)9對呈極顯著負(fù)相關(guān)。

綜上表明，品質(zhì)性狀間正相關(guān)多于負(fù)相關(guān)，協(xié)同作用較強(qiáng)；礦質(zhì)元素間多為正相關(guān)，元素間協(xié)同作用較強(qiáng)；品質(zhì)性狀和礦質(zhì)元素間相關(guān)性較為復(fù)雜，負(fù)相關(guān)多于正相關(guān)，表明礦質(zhì)元素對品質(zhì)性狀拮抗作用較強(qiáng)，不利于有效成分積累。

2.4多花黃精種質(zhì)礦質(zhì)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(qiáng)的相關(guān)性和盡量不損失信息的基礎(chǔ)上，對原始變量進(jìn)行降維分析，采用少量因素描述多種指標(biāo)或因素間的關(guān)系。上述7個(gè)品質(zhì)性狀是多花黃精主要藥理及品質(zhì)評判指標(biāo)，Cu、As、Cd、Pb是2020版《中華人民共和國藥典》中規(guī)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(zhì)元素進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示，KMO檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為0.706，巴特利特球形檢驗(yàn)Plt;0.05，說明數(shù)據(jù)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(gè)主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為66.710%，可代表大部分?jǐn)?shù)據(jù)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(guān)系數(shù)均為0.72，Mn與Zn的相關(guān)系數(shù)為0.67，F(xiàn)e與Al的相關(guān)系數(shù)為0.74，均為極顯著正相關(guān)；第2主成分中P（0.845）、Ag（0.799）載荷值較高，且P與Ag相關(guān)系數(shù)為0.49，表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)；第一、二主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率（55.466%）gt;50%，因此將K、Zn、Fe、P作為評價(jià)多花黃精種質(zhì)資源的特征元素。

2.5 43份多花黃精種質(zhì)的聚類分析

由7個(gè)品質(zhì)性狀和Cd、Pb、As、Cu、K、Zn、Fe、P含量對43份種質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析（圖4），逆時(shí)針方向劃分，在距離為100時(shí)將43份種質(zhì)分為4個(gè)類群。Ⅰ類群僅包含1個(gè)種質(zhì)，占總數(shù)的2.33%；Ⅱ類群包含19個(gè)種質(zhì)，占總數(shù)的44.19%；Ⅲ類群包含8個(gè)種質(zhì)，占總數(shù)的18.60%：Ⅳ類群包含15個(gè)種質(zhì)，占總數(shù)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(zhì)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(biāo)含量較為居中，這可能與其包含種質(zhì)數(shù)量最多有關(guān)；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(zhì)選育目標(biāo)的優(yōu)質(zhì)類群。

2.6多花黃精種質(zhì)資源的綜合評價(jià)

隸屬函數(shù)分析法是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的原理，從多個(gè)性狀對種質(zhì)進(jìn)行鑒定評價(jià)的一種科學(xué)方法。用7個(gè)品質(zhì)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(biāo)對43份多花黃精種質(zhì)計(jì)算隸屬函數(shù)綜合得分（圖5），綜合得分越高，說明種質(zhì)的綜合品質(zhì)越好。

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

3討論與結(jié)論

種質(zhì)資源的發(fā)掘、收集和利用是開發(fā)新品種的基礎(chǔ)。中藥材生態(tài)變異與生態(tài)型的分化和形成使其在形態(tài)、生理、生化上表現(xiàn)出差異，這也是導(dǎo)致同種中藥種質(zhì)資源品質(zhì)和療效存在差異的實(shí)質(zhì)。中藥化學(xué)物質(zhì)是影響其品質(zhì)和療效的物質(zhì)基礎(chǔ)，是選育優(yōu)異種質(zhì)資源的關(guān)鍵，對中藥材種質(zhì)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(zhì)的重要指標(biāo)。43份種質(zhì)的品質(zhì)性狀和礦質(zhì)元素含量的變異系數(shù)均大于10%，說明這些指標(biāo)在參試種質(zhì)間差異較為顯著，而礦質(zhì)元素含量相較品質(zhì)性狀變異程度更大，變異類型更豐富。遺傳多樣性指數(shù)是評價(jià)不同種質(zhì)間性狀變異程度的綜合指標(biāo)，其數(shù)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(zhì)性狀遺傳多樣性指數(shù)在1.600～2.015之間，礦質(zhì)元素含量遺傳多樣性指數(shù)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(zhì)資源以上品質(zhì)性狀和礦質(zhì)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(zhì)資源創(chuàng)新和改良提供豐富材料。比較各指標(biāo)的變異系數(shù)和遺傳多樣性指數(shù)發(fā)現(xiàn)，醇溶性浸出物、總黃酮、多糖、Ag、P、Mg、Fe含量的變異系數(shù)較小，遺傳多樣性指數(shù)較大，這可能是因?yàn)檫@些指標(biāo)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(shù)較大，遺傳多樣性指數(shù)較小，可能與這些指標(biāo)在多花黃精種質(zhì)資源中的分散程度較大有關(guān)。品質(zhì)性狀與礦質(zhì)元素的改良潛力在24.6%～442.7%之間，其中礦質(zhì)元素的平均改良潛力高于品質(zhì)性狀，表明在多花黃精種質(zhì)選育過程中，相較于品質(zhì)性狀礦質(zhì)元素含量有更大的改良潛力。

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

單一指標(biāo)評價(jià)種質(zhì)資源不足以反映其綜合品質(zhì)且具有片面性，而評價(jià)指標(biāo)過多則會(huì)對結(jié)果造成偏差。礦質(zhì)元素間的相互作用關(guān)系復(fù)雜，作為評價(jià)指標(biāo)會(huì)存在信息重疊，可用主成分分析對信息進(jìn)行進(jìn)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(zhì)元素進(jìn)行主成分分析，進(jìn)一步篩選出的K、Zn、Fe、P可以作為評價(jià)多花黃精種質(zhì)資源的特征元素。聚類分析將綜合品質(zhì)接近的種質(zhì)資源聚為一類，Ⅰ類群的礦質(zhì)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(zhì)單一有關(guān)；而多花黃精是多年生草本植物，能否作為修復(fù)重金屬污染土壤的植物，需進(jìn)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(zhì)選育為目的的資源。第Ⅳ類群種質(zhì)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(jià)黃精質(zhì)量的重要指標(biāo)。因此，可將Ⅳ類群的15份種質(zhì)資源作為選育多糖型多花黃精新品種的材料。隸屬函數(shù)綜合評價(jià)得分前十的種質(zhì)資源為S33、S27、S29、S28、S31、S10、S17、S36、S32、S20，與第Ⅲ類群所含種質(zhì)資源基本一致，可信度較高，是綜合品質(zhì)優(yōu)異的種質(zhì)資源。我國多花黃精種質(zhì)分布廣泛，種質(zhì)資源豐富，以化學(xué)成分含量進(jìn)行優(yōu)質(zhì)種源評價(jià)，工作難度較大，運(yùn)用隸屬函數(shù)綜合評價(jià)再進(jìn)一步結(jié)合表型性狀進(jìn)行研究，可有效降低優(yōu)質(zhì)種源選育的難度。

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