Accurate identification and correlation analysis of iron and zinc contents in soybean core accessions
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摘要:目的
针对中国居民因铁、锌等微量元素摄取不足引发的营养不良问题，开展大豆核心种质籽粒铁、锌含量的精准鉴定。
方法以国内外来源不同的163份大豆核心种质为材料，2019—2020年种植于华南农业大学试验教学基地，采用火焰原子吸收光谱仪测定籽粒铁和锌的含量，并进行相关性分析。
结果大豆种质籽粒铁、锌含量在年份间存在显著差异(P<0.05)；籽粒铁质量分数为71.02~159.92 mg·kg−1，平均为107.09 mg·kg−1；籽粒锌质量分数为36.32~53.11 mg·kg−1，平均为42.80 mg·kg−1。相关性分析发现，不同年份间籽粒铁与锌含量存在正相关关系，说明这2个元素在大豆籽粒吸收中存在较强的相互促进关系。利用概率分级法将163份大豆种质籽粒铁、锌元素含量分为5级(即极低、低、中、高和极高)，综合分析筛选出4份高铁含量、4份高锌含量、5份低铁含量、6份低锌含量和2份铁锌含量双高的大豆种质。
结论鉴定出多份不同来源的高/低铁、锌含量的大豆种质，可用于富铁、锌大豆新品种的选育和种质创新，同时也为营养功能型新品种遗传基础解析提供基础材料，加快推动大豆核心种质在华南地区的开发与利用。
Abstract:ObjectiveAiming at the malnutrition problem caused by iron (Fe) and zinc (Zn) minerals deficiency for Chinese people, it is significant to conduct the accurate identification of Fe and Zn contents in soybean core accessions.
MethodThe 163 domestic and foreign soybean core accessions were planted in teaching base of South China Agricultural University consecutively in the early season from 2019 to 2020. The contents of two trace elements of Fe and Zn in the sample grains, were measured by flame atomic absorption spectrometer method, and the correlation analysis was carried out.
ResultThere were significant differences in the contents of two trace elements between the test years (P<0.05). The variation range of grain Fe content of soybean germplasm resources in two years was 71.02−147.91 mg·kg−1, the average Fe content was 107.09 mg·kg−1, and the variation range of grain Zn content was 36.32−53.11 mg·kg−1, the average content of Zn was 42.80 mg·kg−1. There was a positive correlation between Fe and Zn contents in grains of 163 soybean lines from different sources in different years, indicating that there was a strong mutual promotion between two elements. The mineral contents of 163 soybean accessions were divided into five grades by probability grading method, namely extremely low, low, medium, high and very high. And four soybean accessions with high Fe content, four with high Zn content, five with low Fe content, six with low Zn content and two with high Fe and Zn contents were screened out.
ConclusionThe soybean core accessions screened with high/low Fe and Zn content in this study can not only be used for breeding new accessions rich in Fe and Zn content, but also provide the valuable materials for elucidating the genetic basis of functional and new nutrition accessions, and accelerate the use of soybean core accessions and promote the development of soybean production in the South China area.
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Keywords:
- Soybean /
- Core accession /
- Identification /
- Iron content /
- Zinc content /
- Correlation analysis
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大豆 Glycine max 起源于5000多年前的古中国，有报告预测，2022/2023年度世界大豆产量预计为3.91亿t[1-2]。大豆具有很高的营养价值，富含蛋白质、维生素、矿质元素和很多生物活性物质等，以其为原料产生的种类繁多的豆制品在许多亚洲国家的饮食中扮演着重要角色[3-5]。在过去25年里，随着世界各国人民对大豆营养价值的认识，豆制品的消耗也在急剧增加[6]。随着大豆在全球饮食结构中越来越受到重视和对其研究的深入，科学家们在致力于提升大豆产量的同时，也日益注重提升大豆籽粒的营养品质[7-8]。
人类赖以生存的矿质元素有22种以上，铁、锌等微量元素对人体健康不可或缺，在人体新陈代谢和生物化学功能中占据着重要地位[9]。由微量元素的摄入不足导致的营养不良问题长期影响着人类的健康，这种现象被称为“隐性饥饿”[10-12]。全球超过30亿人因为食物中铁、锌含量摄入不足而遭受各种健康问题[13]。铁和锌是许多关键酶的辅助因子，参与人体很多代谢过程。例如，含铁酶参与氧化代谢和类固醇激素合成和电子传递，除了作为许多酶的辅助因子外，铁还是载氧血红蛋白的主要成分[14]375-392。而含锌酶在碳水化合物、脂质、蛋白质和核酸的生物合成和降解中发挥重要作用[14]393-408。人体摄入铁、锌含量不足会导致人体生长缓慢和发育不良，造成视力和免疫能力下降，还会影响人体的生殖功能，甚至会导致死亡[15]。
随着对“隐性饥饿”问题越来越重视，铁、锌强化作物也越来越多。目前，国内外已筛选、培育出多种铁、锌强化品种。如国际水稻所选育出高铁水稻品种IR68144-3B-2-2-3，其糙米铁质量分数达到21 mg·kg−1[16]。2014年，印度审定了6个高锌含量的小麦品种(BHU1、BHU3、BHU5、BHU6、BHU7和BHU8)，2015年在巴基斯坦，4个籽粒高锌含量的小麦品种也被审定(NR419、NR42、NR421和Zincl)；扁豆Lablab purpureus属于旱地作物，近些年来，已有15个高铁、锌含量的扁豆被国际旱地农业研究中心先后在孟加拉、印度等国审定[17]。在我国，相继有高锌含量的小麦、富铁水稻、富铁玉米、铁锌强化小麦等品种被审定及推广[18]。这些铁、锌强化作物的培育，在缓解微量元素营养不良方面取得了实质性进展。
铁、锌在不同作物中含量相差甚远。我国小麦籽粒铁质量分数平均约为45.4 mg·kg−1，锌质量分数平均约为30.4 mg·kg−1[19-20]，水稻籽粒中铁、锌质量分数分别约为17.69和21.5 mg·kg−1[21-22]。然而在大豆中，董慕新等[23]测定了来自我国大豆主要8省产区的90份大豆籽粒中的铁、锌含量，发现我国8省产区中大豆籽粒的平均铁、锌质量分数分别为93和41 mg·kg−1，且不同品种的铁、锌含量存在较大差异，因此筛选、培育出富铁、锌大豆种质意义重大。
增加作物可食用部分中微量元素的含量是解决这些问题的一种比较有效的方法，被称为“生物强化”。通过作物生物强化来提高大豆籽粒中铁、锌含量，从而应对“隐性饥饿”，是一个可行且高效的办法[24]。本研究连续2年(2019—2020)在我国华南地区进行试验，种植了163份来自不同国家和地区的大豆核心种质并在成熟期收获，通过测定籽粒中铁、锌含量及数据分析，得到大豆籽粒铁、锌含量的基本变异信息与分布规律，以期为优化大豆微量元素营养品质提供理论支持与参考依据。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
来自国内外不同地区农艺性状优良的163份大豆核心种质，由国家大豆改良中心广东分中心提供，编号和名称见表1。
表 1 163份大豆种质的编号与名称Table 1. Number and name of 163 soybean accessions编号
No.名称
Name编号
No.名称
Name编号
No.名称
Name编号
No.名称
Name编号
No.名称
Name1 BX1 34 泉豆27 67 HX13 100 华春2号 133 耐荫黑豆 2 BX2 35 泉豆5号 68 HX14 101 HX3 134 新晃黑豆 3 BX3 36 圣豆40 69 HX16 102 2015-XT-23 135 永顺黑豆 4 BX4 37 M6-497 70 HX17 103 2015XT-35 136 徐豆20 5 BX5 38 M桂2-599 71 HX18 104 瓦窑黄豆 137 南农99-6 6 BX6 39 Y15 72 HX20 105 桂早1号 138 赣2016-7 7 BX7 40 Y16 73 HX21 106 桂0112-3 139 赣豆10 8 BX8 41 Y1697 74 HX22 107 桂0114-4 140 赣豆5 9 BX9 42 Y1800 75 HX23 108 桂0513-3 141 赣豆7 10 BX10 43 Y19 76 HX24 109 桂1605 142 S2 11 BX11 44 Y3 77 HX25 110 桂1701 143 S20 12 BX12 45 Y4 78 粤春2013-1 111 桂1702 144 Young 13 BX14 46 Y5 79 粤春2014-2 112 桂1703 145 S427/5/7 14 BX15 47 Y6 80 粤春2015-2 113 桂春16号 146 S519/6/14 15 BX16 48 本地2号 81 粤春2017-1 114 桂春1805 147 SOMA 16 BX17 49 华春1号 82 粤夏05-3 115 桂春1号 148 TGX1803-20E 17 BX18 50 华春3号 83 粤夏05-5 116 桂春5 149 TGX1903-3F 18 ICA-6-2 51 华春5 84 粤夏2012-1 117 桂春豆1号 150 TGX1908-89 19 BX13 52 华春6号 85 粤夏2013-1 118 桂夏1801 151 OPE-Para4 20 中黄24 53 华春7号 86 粤夏2013-2 119 桂夏1802 152 TGX48-30-20F 21 福豆12 54 华春8号 87 粤夏2013-4 120 桂夏7号 153 简阳五月黄 22 福豆15 55 华春10号 88 粤夏2014-3 121 桂夏豆109 154 贡秋豆5号 23 福豆234 56 华春11号 89 粤夏2014-6 122 桂夏豆116 155 贡夏6973 24 福豆310 57 华春12号 90 粤夏2016-1 123 桂夏豆117 156 贡夏7103 25 莆豆019 58 粤春2016-1 91 粤夏2016-2 124 桂夏豆118 157 贡夏8173 26 莆豆014 59 粤春2016-2 92 粤夏2016-4 125 桂夏豆119 158 贡选1号 27 莆豆041 60 HX1 93 粤夏2017-1 126 桂夏豆2号 159 滇86-5 28 莆豆5号 61 HX2 94 粤夏2017-2 127 黔豆6号 160 滇豆4号 29 莆豆611 62 HX4 95 粤夏2017-3 128 冀豆12 161 滇豆7号 30 莆豆704 63 HX5 96 粤夏2018-1 129 冀豆17 162 浙春3号 31 莆豆8008 64 HX6 97 粤夏2018-2 130 天隆1号 163 浙春4号 32 泉豆24 65 HX9 98 粤小黄粒1 131 中豆32 33 泉豆26 66 HX10 99 粤小黄粒3 132 中豆41 1.2 主要仪器和试剂
电热鼓风干燥箱(上海一恒)，植物样品粉碎机(百信)，万分位电子天平(岛津)，HYP-340消化炉(上海纤检)，铁、锌空心阴极灯(岛津)，火焰原子吸收光谱仪(岛津)。铁、锌标准溶液购于国家标准物质中心，优级纯高氯酸、优级纯硝酸，试验用水为超纯水。
1.3 试验设计
163份大豆种质分别于2019年和2020年6月底种植于广州市华南农业大学试验教学基地(23.17°N，113.37°E)。试验用地均选择肥力均匀、土壤结构一致和地势平坦的地块。试验采用随机区组排列，小区畦宽2.50 m，畦长50.00 m，行株距为50 cm × 10 cm，单粒播种，每份材料种植3行重复。严格参照热带亚热带夏大豆区域试验管理方法进行田间管理[25]，待大豆处于完熟期(R8)后按品系收获豆荚，脱粒后晒干保存。
1.4 试验方法
1.4.1 籽粒铁、锌含量测定
每个材料挑选100粒饱满且无病害的种子，清洁干净后放入恒温干燥箱内37 ℃充分干燥，随后使用粉碎机磨成粉末，过100目筛，暂存4 ℃冰箱备用，消化前将豆粉统一干燥。
籽粒铁、锌含量测定采用浓硝酸−高氯酸湿法消解法[26-27]。具体过程：准确称取0.5000 g豆粉(精确至 ± 0.0005 ｇ)加入到消化管中，加入现配的混合酸(HNO3︰HCIO4体积比＝4︰1) 10 mL，避光静置冷消化12 h。把消化管置于消化炉上，120 ℃进行消煮，1 h后温度调至240 ℃，待到有白烟产生时，将温度调至280 ℃，直到管内白烟散尽，此时溶液呈无色澄清透明状或者微带黄色，预示着样品已充分消化。取下消化管，静置冷却(此时体积大约为1 mL)。将消化管中的溶液转移到50 mL容量瓶中，期间使用超纯水进行3~4次润洗，以确保消化样品全部转移，并定容到50 mL，摇匀，室温下静置，准备进行微量元素的测定。为了验证试验的准确性，每次消化过程设置2个空白对照。
1.4.2 仪器工作条件
本试验中，铁和锌元素的测量均使用空气–乙炔火焰原子吸收分光光度法，用一定浓度的铁、锌元素标准样品(试验样品浓度范围内)上机测试并调试仪器，从而得到最适测定参数，工作条件如表2。
表 2 仪器工作条件Table 2. Working conditions of instrument元素
Elementλ/nm
Wave lengthI灯/mA
Lamp current狭缝宽度/nm
Slit width燃头高度/mm
Burner height点灯方式
Lighting method燃气流量/(L·min−1)
Gas flow助燃气
Supporting gasFe 248.3 12 0.2 9.0 BGC-D2 2.2 空气 Zn 213.9 8 0.7 7.0 BGC-D2 2.0 空气 1.4.3 标准曲线的绘制
根据表2火焰原子吸收仪的参数操作，分别配置一定浓度梯度(试验样品浓度范围内)的铁、锌标准溶液并进行检测，然后绘制元素的标准曲线，如图1所示：
1.5 数据统计与处理
将测定结果依次录入到Excel 2016表中，同一样品3次测量值取平均值得到最终单个环境对应的表型数据。利用SPSS 22.0对各个环境的表型数据进行描述性统计、Kolmogorov-Smirnov正态性分布检验(K-S检验)和方差分析，使用GraphPad Prism 8软件对数据进行频率分布直方图绘制，使用Origin 22对表型数据进行Pearson相关性分析。采用K-S检验法，用(X − 1.2818S)、(X − 0.5246S)、(X + 0.5246S)和(X + 1.2818S)这4个点将性状分为5级，其中X、S分别代表性状的平均值和标准差[28-29]。
2. 结果与分析
2.1 大豆籽粒表型数据统计分析
利用火焰原子吸收光谱仪测定了163份大豆核心种质籽粒的铁和锌含量。对籽粒铁、锌含量描述性统计分析结果见表3，由表3可知，2019年不同来源大豆种质籽粒铁质量分数变化范围为71.02~147.91 mg·kg−1，平均为97.17 mg·kg−1，2020年大豆籽粒铁质量分数变化范围为90.19~159.92 mg·kg−1，平均为117.02 mg·kg−1；2019年不同来源大豆种质籽粒锌质量分数变化范围为34.62~53.11 mg·kg−1，平均为42.41 mg·kg−1，2020年大豆籽粒锌质量分数变化范围为36.32~51.47 mg·kg−1，平均为43.41 mg·kg−1。2019年籽粒铁、锌质量分数的变异系数最大，分别为16.49%和8.21%，但从两者整体比较来看，籽粒锌含量的变化较小。此外，从单因素方差分析可知，不同年份下，163份大豆种质籽粒铁、锌含量均存在明显差异(P<0.05)。
表 3 不同年份163份大豆种质籽粒铁、锌含量的描述性统计Table 3. Descriptive statistical of grain Fe and Zn content in 163 soybean accessions in two years元素
Element年份
Yearw/(mg·kg−1) 变异系数/%
Coefficient
of variationK-S检验 K-S test F1) 最小值
Minimum最大值
Maximum平均值
Mean标准差
Standard
deviation偏度
Skewness峰度
KurtosisSig.值
Sig. valueFe 2019 71.02 147.91 97.17 16.02 16.49 1.01 0.63 0.00 12.09** 2020 90.19 159.92 117.02 13.00 11.11 0.58 0.44 0.20 7.58** 平均 Mean 84.14 144.86 107.09 11.22 10.48 0.65 0.51 0.20 2.02** Zn 2019 34.62 53.11 42.41 3.48 8.21 0.11 −0.10 0.20 30.62** 2020 36.32 51.47 43.41 3.06 7.05 0.03 −0.42 0.20 1.31* 平均 Mean 37.03 49.51 42.80 2.45 6.43 0.00 −0.66 0.20 3.71** 1) “*”和“**”分别表示数据在0.05和0.01水平上差异显著
1) “*” and “**” indicate there were significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively通过数据整体分布可知，2019年籽粒铁含量的偏度绝对值大于1，除此之外，2020年籽粒铁含量以及2019和2020年籽粒锌含量的偏度和峰度的绝对值都小于1；经过K-S检验分析得知，除2019年籽粒铁含量差异性显著的检验值(Sig.值)小于0.05外，其余年份下铁、锌含量表型Sig.值都大于0.05，表明除2019年籽粒铁含量外，都符合正态分布，这些结果与偏度、峰度的结果相一致。结合籽粒铁、锌含量频率分布直方图(图2)可知，2019年中籽粒铁含量呈现一定程度的偏左移偏态分布，但分布形态仍符合正态分布，结合数量性状的遗传特点，这一特别情况仍可当做正态分布进行后续分析。
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图 2 2019—2020年163份大豆种质籽粒铁、锌含量频率分布直方图Figure 2. Histogram of frequency distribution of grain Fe and Zn contents of 163 soybean accessions in 2019 and 20202.2 大豆籽粒铁、锌含量间相关性分析
利用Origin 22对不同种质来源及种植年份的大豆籽粒铁、锌含量进行相关性分析。结果(图3)表明，总计的15对相关系数均表现为正相关，相关性达显著的有11对(P<0.05)，占总数的73.33%。2019年籽粒铁含量与2020年籽粒铁含量、铁平均含量、2019年籽粒锌含量、2020年籽粒锌含量和锌平均含量的相关系数分别为0.13、0.78、0.30、0.17和0.29；2020年籽粒铁含量与铁平均含量、2019年籽粒锌含量、2020年籽粒锌含量和锌平均含量的相关系数分别为0.70、0、0.14和0.079；铁平均含量与2019年籽粒锌含量、2020年籽粒锌含量和锌平均含量的相关系数分别为0.21、0.18和0.24；2019年籽粒锌含量与2020年籽粒锌含量和锌平均含量的相关系数分别为0.35和0.88；2020年籽粒锌含量与锌平均含量的相关系数为0.74。由相关分析可以看出，大豆籽粒铁含量越高，伴随着籽粒锌含量也高，说明籽粒铁含量和锌含量的吸收有一定的相互促进作用，进一步说明大豆籽粒铁和锌的含量积累可能具有相似的相关遗传机制[30]。
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图 3 2019—2020年163份大豆种质籽粒铁、锌含量相关性分析“×”表示相关性不显著Figure 3. Correlation analyses of grain Fe and Zn contents of 163 soybean accessions in 2019 and 2020“×” indicate no significance correlation2.3 大豆籽粒铁、锌含量概率分级
根据K-S检验法，按照(X − 1.2816S)、(X − 0.5244S)、(X + 0.5244S)、(X + 1.2816S)这4个分割点将不同种质来源及种植年份的大豆籽粒铁、锌含量性状从低到高顺序各分为5个等级，以1、2、3、4和5级表示，其分别代表极低、低、中、高和极高，性状划分等级标准可以用来筛选评价大豆种质，性状表现极高品系可作为大豆育种利用的基础亲本材料。
根据分级标准计算得出了各级分界点和每一级相应的具体大豆种质数量(表4)。由表4可知：2019年，163份大豆种质中，铁质量分数 < 76.64 mg·kg−1为1级(极低)，代表种质有粤春2015-2、莆豆8008、桂春16号等共7份，铁质量分数 > 117.70 mg·kg−1为5级(极高)，代表种质有华春1号、BX17、贡夏8173等共22份；2020年，铁质量分数 < 100.36 mg·kg−1为1级(极低)，代表种质有华夏16、莆豆5号、华夏25等共15份，铁质量分数 > 133.68 mg·kg−1为5级(极高)，代表种质有桂早1号、BX17、莆豆704等共16份。2019年，163份大豆种质中，锌质量分数 < 37.95 mg·kg−1为1级(极低)，代表种质有瓦窑黄豆、桂春1号、桂春5号等共17份，锌质量分数 > 46.87 mg·kg−1为5级(极高)，代表种质有桂夏7号、桂1701、赣豆7号等共14份；2020年，锌质量分数 < 39.49 mg·kg−1为1级(极低)，代表种质有中豆41、冀豆12、桂春16等共16份，锌质量分数 > 47.33 mg·kg−1为5级(极高)，代表种质有赣豆7号、中黄24、华春3号等共16份。从整体来看，不同年份163份大豆种质铁、锌含量处在概率分级中级的数量均是最多的。
表 4 163份大豆种质籽粒铁、锌含量概率分级1)Table 4. Probability classification of grain Fe and Zn contents of 163 soybean accessionsw/(mg·kg−1) 元素
Element年份
Year1/极低
1/Very low2/低
2/Low3/中级
3/Middle4/高
4/High5/极高
5/Very highFe 2019 < 76.64(7) 76.64 ~ 88.77(50) 88.77 ~ 105.57(66) 105.57 ~ 117.70(16) > 117.70(22) 2020 < 100.36(15) 100.36 ~ 110.20(31) 110.2 ~ 123.84(19) 123.84 ~ 133.68(25) > 133.68(16) 平均 Mean < 92.71(14) 92.71 ~ 101.20(40) 101.2 ~ 112.98(64) 112.98 ~ 121.47(32) > 121.47(13) Zn 2019 < 37.95(17) 37.95 ~ 40.58(31) 40.58 ~ 44.24(60) 44.24 ~ 46.87(40) > 46.87(14) 2020 < 39.49(16) 39.49 ~ 41.8(29) 41.8 ~ 45.02(58) 45.02 ~ 47.33(36) > 47.33(16) 平均 Mean < 39.28(21) 39.28 ~ 41.36(29) 41.36 ~ 44.24(57) 44.24 ~ 46.32(38) > 46.32(18) 1) 括号中数据为相应概率等级的种质数量
1) Data in brackets represent the number of the soybean accessions in the corresponding probability classification2.4 籽粒铁、锌含量表现突出的大豆种质筛选
通过2年大豆籽粒铁、锌含量数据分析和比较可知，大豆籽粒铁、锌含量变异较大，因此鉴定出环境稳定的富铁、锌大豆非常重要。由表5可知，基于不同种质来源和两年平均铁、锌含量K-S检验概率分级，粤夏2018-2、BX7和TGX1803-20E的籽粒铁含量都处于极高类别，粤春2015-2的籽粒铁含量都处于极低类别；桂夏豆116、桂夏豆109、贡夏6973和赣豆7的籽粒锌含量都处于极高类别，桂春5、Y4和桂春1号的籽粒锌含量都处于极低类别。此外，华夏24和圣豆40虽然在2020年其籽粒铁含量不属于极高类型，但是其2019年和两年平均铁含量均属于极高类型，并且其变异较小，比较稳定，粤春2017-1、桂夏豆117、桂夏7号和OPE-Para4的籽粒锌含量情况类似；TGX1908-89、S20、莆豆5号和粤夏2017-2的籽粒铁含量在2019年不属于极低类型，但是其在 2020 年和两年的平均铁含量均属于极低类型，且其变异较小和表现比较稳定，而S519/6/14、中豆41 和 Y6 的籽粒锌含量情况类似；桂1701和桂夏豆109的两年平均铁、锌含量均属于极高类型，其分别在不同年份中表现突出，属于籽粒高铁高锌含量的双高大豆种质代表；S20、瓦窑黄豆、Y6和BX5的两年平均铁、锌含量均属于极低类型，其分别在不同年份中表现突出，属于籽粒低铁、低锌含量的双低大豆种质代表。所以，最终从163份核心种质中分别筛选到5份稳定的高铁材料和8份稳定的高锌材料；5份稳定的低铁材料和6份稳定的低锌材料；2份铁锌含量双高材料和4份双低材料。
表 5 大豆种质籽粒铁、锌含量突出表现材料概要1)Table 5. Summary of soybean accessions with prominent grain Fe and Zn contents类型
TypeFe含量突出 Outstanding Fe content Zn含量突出 Outstanding Zn content 名称 Name w(Fe)/(mg·kg−1) 名称 Name w(Zn)/(mg·kg−1) 高含量
High content粤夏2018-2 144.86±23.10 桂夏豆116 49.51±1.64 BX17 140.13±8.35 桂夏豆109 48.92±2.43 TGX1803-20E 131.44±7.05 贡夏6973 47.85±4.40 华夏24 130.76±9.50 赣豆7 47.74±2.19 圣豆40 130.08±4.14 粤春2017-1 47.56±2.00 桂夏豆117 47.11±1.62 桂夏7号 47.10±0.70 OPE-Para4 46.96±1.65 双高含量
Double high content桂1701 136.30±13.67 桂1701 47.58±3.16 桂夏豆109 127.33±6.02 桂夏豆109 48.92±2.43 低含量
Low content粤春2015-2 84.14±12.12 S519/6/14 37.03±1.94 TGX1908-89 84.38±6.96 中豆41 37.28±2.11 S20 87.12±12.10 桂春5 37.47±2.55 莆豆5号 88.77±10.81 Y4 37.62±2.43 粤夏2017-2 90.63±5.63 Y6 37.83±2.89 桂春1号 37.89±2.11 双低含量
Double low contentS20 87.12±12.10 S20 39.12±2.20 瓦窑黄豆 90.91±14.39 瓦窑黄豆 38.44±5.49 Y6 91.40±10.44 Y6 37.83±2.89 BX5 91.62±15.66 BX5 38.97±0.96 1) 表中数据为3次重复的平均值±标准差
1) The data in the table show the mean ± standard deviation of three replicates3. 讨论与结论
可摄入矿质元素的缺乏是人类正面临着的又一挑战，生物强化可能是一个解决此困境的有效方法。这一过程可以通过普通植物育种和现代生物技术极大地提高主食作物的矿质元素含量，从而对人类健康产生显著的影响[25]。铁和锌在全球公共健康上有一个重要的生物学相关性和临床意义[31]。在人体中，铁是红细胞中血红蛋白的形成所必需的，也是能量代谢所需要的，并且是细胞内电子的传输介质，另外，在各种组织重要的酶系统中，铁有着不可或缺的作用；锌同样有着重要的作用，锌是许多酶结构中的重要组成部分，也是蛋白和遗传物质的形成中所必需的，锌在味觉感知、伤口愈合、精子产生、胎儿正常发育、性成熟和免疫系统健康等方面起着重要作用[3]。
大豆不同种质间籽粒铁、锌含量存在很大的差异。本研究连续两年测定163份不同来源的大豆核心种质，结果显示，不同年份籽粒铁、锌含量存在显著差异，且呈现偏正态分布，籽粒铁、锌含量间存在显著正相关性。相同品种在不同年份下籽粒铁、锌含量也存在差异。通过概率分布检验分析，分别筛选到5份稳定的高铁含量、8份稳定的高锌含量、5份稳定的低铁含量、6份稳定的低锌含量、2份铁锌含量双高和4份双低含量的大豆代表种质。桂1701和桂夏豆109籽粒铁和锌的含量都很高，说明这两个品种自身对铁、锌的吸收能力较强。通过品种改良，提高铁、锌微量元素含量，利于营养功能型大豆新品种选育。桂夏豆109是由中豆8号和BX13杂交育成的夏大豆中熟品种，作为母本的中豆系列品种和作为父本的巴西系列品种都表现出较强的铁、锌富集能力。这些材料都将为华南地区高铁、锌含量大豆品种选育、种质创新以及相关遗传解析提供材料支撑。
作物籽粒中铁和锌的含量同时受自身基因型和环境的交互影响。提高作物籽粒中的铁和锌元素的含量，通常可通过常规育种、分子辅助育种和基因工程等手段来实现。对于常规育种，选定出主干亲本，将控制籽粒高铁、锌含量的基因与其他控制优异农艺性状基因聚合在一起，培育出籽粒高铁、锌含量和产量高等品种，是一种行之有效的办法。例如，高铁水稻品种IR68144-3B-2-2-3和高铁、高锌小麦品种秦黑1号就是通过优异亲本杂交而成功选育的[16, 32]。本研究所测定的163份国内外大豆资源中，籽粒铁质量分数变化范围为71.02 ~ 159.92 mg·kg−1，籽粒锌质量分数变化范围为34.62 ~ 53.11 mg·kg−1。说明参试大豆资源籽粒铁、锌质量分数存在丰富的遗传潜力，生产上可根据需要选择不同的大豆资源作为基础亲本材料进行种植或者进行选择育种，育成专有型品种。利用概率分级法分别将大豆籽粒铁、锌质量分数性状分为5级，即极低、低、中、高和极高，推荐极高品系作为大豆籽粒高铁、高锌含量育种利用的基础亲本材料。
目前我国在大豆的栽培育种上正在积极开展各项工作来提高籽粒矿质元素的积累。大豆含有非常丰富的营养物质和矿质元素，是人体吸收铁和锌元素的重要食物来源[33]，因此分析大豆种质资源籽粒中铁、锌含量可为培育富铁、锌大豆提供重要依据。本研究连续两年在华南农业大学试验基地进行试验，163份不同来源大豆种质资源籽粒铁、锌微量元素被鉴定。结果表明：大豆籽粒铁、锌元素含量受到基因型和环境的共同影响，相同品系在不同年份下由于气候和降雨等因素从而存在一定的差异，不同品系由于基因型的影响，对环境的敏感程度也不相同。不同来源大豆种质资源间的铁、锌含量也存在显著差异，籽粒铁、锌质量分数变异系数分别为10.48% ~ 16.49%、6.43% ~ 8.21%，表现出丰富的遗传变异。鉴于目前大豆的生产环境，研究大豆的矿质元素含量以及矿质元素之间的关系，筛选出品质性状表现优良的品种是具有科学意义的。
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图 2 2019—2020年163份大豆种质籽粒铁、锌含量频率分布直方图
Figure 2. Histogram of frequency distribution of grain Fe and Zn contents of 163 soybean accessions in 2019 and 2020
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图 3 2019—2020年163份大豆种质籽粒铁、锌含量相关性分析
“×”表示相关性不显著
Figure 3. Correlation analyses of grain Fe and Zn contents of 163 soybean accessions in 2019 and 2020
“×” indicate no significance correlation
表 1 163份大豆种质的编号与名称
Table 1 Number and name of 163 soybean accessions
编号
No.名称
Name编号
No.名称
Name编号
No.名称
Name编号
No.名称
Name编号
No.名称
Name1 BX1 34 泉豆27 67 HX13 100 华春2号 133 耐荫黑豆 2 BX2 35 泉豆5号 68 HX14 101 HX3 134 新晃黑豆 3 BX3 36 圣豆40 69 HX16 102 2015-XT-23 135 永顺黑豆 4 BX4 37 M6-497 70 HX17 103 2015XT-35 136 徐豆20 5 BX5 38 M桂2-599 71 HX18 104 瓦窑黄豆 137 南农99-6 6 BX6 39 Y15 72 HX20 105 桂早1号 138 赣2016-7 7 BX7 40 Y16 73 HX21 106 桂0112-3 139 赣豆10 8 BX8 41 Y1697 74 HX22 107 桂0114-4 140 赣豆5 9 BX9 42 Y1800 75 HX23 108 桂0513-3 141 赣豆7 10 BX10 43 Y19 76 HX24 109 桂1605 142 S2 11 BX11 44 Y3 77 HX25 110 桂1701 143 S20 12 BX12 45 Y4 78 粤春2013-1 111 桂1702 144 Young 13 BX14 46 Y5 79 粤春2014-2 112 桂1703 145 S427/5/7 14 BX15 47 Y6 80 粤春2015-2 113 桂春16号 146 S519/6/14 15 BX16 48 本地2号 81 粤春2017-1 114 桂春1805 147 SOMA 16 BX17 49 华春1号 82 粤夏05-3 115 桂春1号 148 TGX1803-20E 17 BX18 50 华春3号 83 粤夏05-5 116 桂春5 149 TGX1903-3F 18 ICA-6-2 51 华春5 84 粤夏2012-1 117 桂春豆1号 150 TGX1908-89 19 BX13 52 华春6号 85 粤夏2013-1 118 桂夏1801 151 OPE-Para4 20 中黄24 53 华春7号 86 粤夏2013-2 119 桂夏1802 152 TGX48-30-20F 21 福豆12 54 华春8号 87 粤夏2013-4 120 桂夏7号 153 简阳五月黄 22 福豆15 55 华春10号 88 粤夏2014-3 121 桂夏豆109 154 贡秋豆5号 23 福豆234 56 华春11号 89 粤夏2014-6 122 桂夏豆116 155 贡夏6973 24 福豆310 57 华春12号 90 粤夏2016-1 123 桂夏豆117 156 贡夏7103 25 莆豆019 58 粤春2016-1 91 粤夏2016-2 124 桂夏豆118 157 贡夏8173 26 莆豆014 59 粤春2016-2 92 粤夏2016-4 125 桂夏豆119 158 贡选1号 27 莆豆041 60 HX1 93 粤夏2017-1 126 桂夏豆2号 159 滇86-5 28 莆豆5号 61 HX2 94 粤夏2017-2 127 黔豆6号 160 滇豆4号 29 莆豆611 62 HX4 95 粤夏2017-3 128 冀豆12 161 滇豆7号 30 莆豆704 63 HX5 96 粤夏2018-1 129 冀豆17 162 浙春3号 31 莆豆8008 64 HX6 97 粤夏2018-2 130 天隆1号 163 浙春4号 32 泉豆24 65 HX9 98 粤小黄粒1 131 中豆32 33 泉豆26 66 HX10 99 粤小黄粒3 132 中豆41 
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表 2 仪器工作条件
Table 2 Working conditions of instrument
元素
Elementλ/nm
Wave lengthI灯/mA
Lamp current狭缝宽度/nm
Slit width燃头高度/mm
Burner height点灯方式
Lighting method燃气流量/(L·min−1)
Gas flow助燃气
Supporting gasFe 248.3 12 0.2 9.0 BGC-D2 2.2 空气 Zn 213.9 8 0.7 7.0 BGC-D2 2.0 空气
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表 3 不同年份163份大豆种质籽粒铁、锌含量的描述性统计
Table 3 Descriptive statistical of grain Fe and Zn content in 163 soybean accessions in two years
元素
Element年份
Yearw/(mg·kg−1) 变异系数/%
Coefficient
of variationK-S检验 K-S test F1) 最小值
Minimum最大值
Maximum平均值
Mean标准差
Standard
deviation偏度
Skewness峰度
KurtosisSig.值
Sig. valueFe 2019 71.02 147.91 97.17 16.02 16.49 1.01 0.63 0.00 12.09** 2020 90.19 159.92 117.02 13.00 11.11 0.58 0.44 0.20 7.58** 平均 Mean 84.14 144.86 107.09 11.22 10.48 0.65 0.51 0.20 2.02** Zn 2019 34.62 53.11 42.41 3.48 8.21 0.11 −0.10 0.20 30.62** 2020 36.32 51.47 43.41 3.06 7.05 0.03 −0.42 0.20 1.31* 平均 Mean 37.03 49.51 42.80 2.45 6.43 0.00 −0.66 0.20 3.71** 1) “*”和“**”分别表示数据在0.05和0.01水平上差异显著
1) “*” and “**” indicate there were significant difference at 0.05 and 0.01 levels, respectively
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表 4 163份大豆种质籽粒铁、锌含量概率分级1)
Table 4 Probability classification of grain Fe and Zn contents of 163 soybean accessions
w/(mg·kg−1) 元素
Element年份
Year1/极低
1/Very low2/低
2/Low3/中级
3/Middle4/高
4/High5/极高
5/Very highFe 2019 < 76.64(7) 76.64 ~ 88.77(50) 88.77 ~ 105.57(66) 105.57 ~ 117.70(16) > 117.70(22) 2020 < 100.36(15) 100.36 ~ 110.20(31) 110.2 ~ 123.84(19) 123.84 ~ 133.68(25) > 133.68(16) 平均 Mean < 92.71(14) 92.71 ~ 101.20(40) 101.2 ~ 112.98(64) 112.98 ~ 121.47(32) > 121.47(13) Zn 2019 < 37.95(17) 37.95 ~ 40.58(31) 40.58 ~ 44.24(60) 44.24 ~ 46.87(40) > 46.87(14) 2020 < 39.49(16) 39.49 ~ 41.8(29) 41.8 ~ 45.02(58) 45.02 ~ 47.33(36) > 47.33(16) 平均 Mean < 39.28(21) 39.28 ~ 41.36(29) 41.36 ~ 44.24(57) 44.24 ~ 46.32(38) > 46.32(18) 1) 括号中数据为相应概率等级的种质数量
1) Data in brackets represent the number of the soybean accessions in the corresponding probability classification
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表 5 大豆种质籽粒铁、锌含量突出表现材料概要1)
Table 5 Summary of soybean accessions with prominent grain Fe and Zn contents
类型
TypeFe含量突出 Outstanding Fe content Zn含量突出 Outstanding Zn content 名称 Name w(Fe)/(mg·kg−1) 名称 Name w(Zn)/(mg·kg−1) 高含量
High content粤夏2018-2 144.86±23.10 桂夏豆116 49.51±1.64 BX17 140.13±8.35 桂夏豆109 48.92±2.43 TGX1803-20E 131.44±7.05 贡夏6973 47.85±4.40 华夏24 130.76±9.50 赣豆7 47.74±2.19 圣豆40 130.08±4.14 粤春2017-1 47.56±2.00 桂夏豆117 47.11±1.62 桂夏7号 47.10±0.70 OPE-Para4 46.96±1.65 双高含量
Double high content桂1701 136.30±13.67 桂1701 47.58±3.16 桂夏豆109 127.33±6.02 桂夏豆109 48.92±2.43 低含量
Low content粤春2015-2 84.14±12.12 S519/6/14 37.03±1.94 TGX1908-89 84.38±6.96 中豆41 37.28±2.11 S20 87.12±12.10 桂春5 37.47±2.55 莆豆5号 88.77±10.81 Y4 37.62±2.43 粤夏2017-2 90.63±5.63 Y6 37.83±2.89 桂春1号 37.89±2.11 双低含量
Double low contentS20 87.12±12.10 S20 39.12±2.20 瓦窑黄豆 90.91±14.39 瓦窑黄豆 38.44±5.49 Y6 91.40±10.44 Y6 37.83±2.89 BX5 91.62±15.66 BX5 38.97±0.96 1) 表中数据为3次重复的平均值±标准差
1) The data in the table show the mean ± standard deviation of three replicates
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