林业科学  2012, Vol. 48 Issue (4): 43-48   PDF    
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刘淑明, 孙丙寅, 贺安乾, 刘杜玲, 张刚, 魏典典
Liu Shuming, Sun Bingyin, He Anqian, Liu Duling, Zhang Gang, Wei Diandian
西部地区文冠果种群种子特征及主要化学成分的地理变化
Geographical Change of Seed Characteristic and the Main Chemical Composition of Xanthoceras sorbifolia Population in the West of China
林业科学, 2012, 48(4): 43-48.
Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(4): 43-48.

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收稿日期:2011-06-20
修回日期:2011-10-31

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刘淑明
孙丙寅
贺安乾
刘杜玲
张刚
魏典典

西部地区文冠果种群种子特征及主要化学成分的地理变化
刘淑明1, 孙丙寅2, 贺安乾3, 刘杜玲4, 张刚1, 魏典典1    
1. 西北农林科技大学理学院 杨凌 712100;
2. 杨凌职业技术学院 杨凌 712100;
3. 杨凌气象局 杨凌 712100;
4. 西北农林科技大学林学院 杨凌 712100
摘要: 通过野外实际调查和测定,对我国西部地区8个文冠果天然群体的种子特征及主要化学成分进行研究。结果表明: 8个文冠果种群的种子横径为1.05~1.51 cm,纵径为0.86~1.38 cm,种形指数为1.07~1.32,种群间存在显著差异; 陕西延安种群种子的千粒质量和出仁率均最大,分别为1 108.4 g和48.28%,显著高于甘肃和青海种群; 8个种群的种仁含油率均在53%以上,且不同种群间差异显著; 文冠果种仁油含有12种脂肪酸,其中含量最高的是亚油酸(40.90%~46.12%),其次是油酸(29.21%~31.25%); 含有17种氨基酸(22.53%~27.58%),包括7种必需氨基酸,占总氨基酸的27.61%。相关分析结果表明:文冠果种形指数表现出明显的地理变化规律,随经度的增加,种形指数逐渐减小; 种子千粒质量与4—9月份的降水量呈极显著正相关,与年平均温度呈显著正相关,与年干燥度呈显著负相关; 种仁油含量随地理经度的减小而降低,与4—9月份的降水量呈显著正相关; 种仁氨基酸含量与地理经度及无霜期相关性显著,随经度和无霜期的增加而增大,即东部地区氨基酸含量较高。
关键词:文冠果    种子特征    含油率    脂肪酸    氨基酸    
Geographical Change of Seed Characteristic and the Main Chemical Composition of Xanthoceras sorbifolia Population in the West of China
Liu Shuming1, Sun Bingyin2, He Anqian3, Liu Duling4 , Zhang Gang1, Wei Diandian1    
1. College of Sciences, Northwest A & F University Yangling 712100;
2. Yangling Vocational and Technical College Yangling 712100;
3. Yangling Meteorological Bureau Yangling 712100;
4. College of Forestry, Northwest A & F University Yangling 712100
Abstract: The seed characteristics and main chemical composition of 8 natural populations of Xanthoce sorbifolia in the west of China were studied by field investigation. The results showed that the seed length, width and seed-shape index were 1.05~1.51 cm, 0.86~1.38 cm, and 1.07~1.32, respectively, these parameters were significantly different among different populations. The mass of 1 000 seeds and kernel rate from Yan'an of Shaanxi were 1 108.4 g and 48.28%, respectively and significantly higher than those from Gansu and Qinghai population. The average oil content in the seed kernel was over 53%, and there were 12 fatty acids in the oil, among which the linolenic acid was the most (40.90%~46.12%), followed by oleic acid (29.21%~31.25%). There were 17 amino acids in the seed kernel, including 7 essential amino acids (27.61%). The seed index showed a significantly negative correlation with longitude. A positive correlation was observed between the mass of 1 000 seeds and the rainfall from April to September rainfall, as well as the mean annual temperature. The greater the longitude and the longer the frost free period, the higher the content of amino acids.
Key words: Xanthoceras sorbifolia    seed characteristic    oil ratio    fatty acid    amino acid    

文冠果(Xanthoceras sorbifolia)为无患子科(Sapindaceae)木本药食两用油料植物及生物质能源植物,主要分布于内蒙古、甘肃、陕西、山西、河北、河南等省(区),是中国特有的适生于长江以北的耐旱生态经济树种(佟常耀等,1979)。文冠果种子营养丰富,可食用,有北方油茶之称,还可用作高级润滑剂、增塑剂、制油漆和肥皂,亦可作为生物柴油,具有很高的应用价值(王红斗,1998; 谷战英等,2007; 贾虎森等,2003)。文冠果具有较强的抗旱、抗寒、抗盐碱能力,在-30~-40 ℃条件下能正常开花结实,在年降水量148.2 mm的地区也有分布(程冉,2004),其根系发达、根萌蘖性强,也是保持水土的优良树种。随着生物柴油产业发展,文冠果作为生物柴油树种越来越受到人们的重视。“十一五”期间,我国已在河北、陕西、内蒙古、新疆等地发展文冠果生物能源林13.3万hm2(于莜涵,2010),目前已在陕西、吉林和山东等地相继建立了文冠果示范基地。

我国西部地区文冠果分布较广,但大部分处于半野生状态,类型混杂,产量低,经济效益不高(康永祥等,2010)。由于该区文冠果自然分布区内生态条件差别较大(万群芳等,2011),不同种群的产量性状和经济性状存在差异,表现在结实量、种子大小、饱满度、含油率等方面显著不同。目前,现有的研究主要集中在资源分布、繁殖与栽培技术、药用成分及种子性状等方面(王红斗,1998; 牟宏香等,2006; 杨雨春等,2011),有关文冠果种子特征及化学成分的地理变化研究鲜见报道。笔者对我国西部地区文冠果种质资源进行了调查,并对8个不同种群的种子形态、种仁油含量、脂肪酸组成及氨基酸含量等进行测定和分析,揭示其地理变异规律及其与生态环境的关系,为该区文冠果优良种质资源的选择和合理利用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

文冠果种子采自内蒙古赤峰,陕西延安、安塞,甘肃子午岭、靖远,青海循化,新疆喀什、伊宁等8个地区(表 1),选择生长发育正常、无病虫害的样株(10株以上)进行采种,树龄10~15年,每个产地采种5 kg以上。

表 1 文冠果种子原产地地理气候因子 Tab.1 Geographical and climatic factors of origins of the seeds of X. sorbifolia
1.2 试验方法 1.2.1 测定方法

1) 种子形态。每个种源随机取50粒种子,用游标卡尺(精度0.1 mm)测定种子横径和纵径,重复5次。根据横径与纵径的测定值计算种形指数。2)千粒质量。采用四分法对每个种源取样,每次取100粒,并称质量,计算千粒质量。每种源5个重复。3)种子出仁率。每种源随机取50粒种子,剥取种仁,并称质量。每种源5个重复,计算种仁占种子总重的比例,即为出仁率(%)。4)种仁脂肪酸含量、含油率及氨基酸含量。由陕西省农产品质量监督检测站测定,每个种源重复测定3次。

1.2.2 数据处理

利用SPSS17.0软件对所测数据进行分析。变异系数(CV)=VG/X×100%。

2 结果与分析 2.1 文冠果种子特征的变化 2.1.1 种子形态

表 2可知:我国西部8个文冠果种群中,横径、纵径和种形指数均存在显著差异(P<0.05),地理变异较大。其中,种形指数最大的是甘肃靖远种群,种子呈扁圆形,颜色呈灰褐色; 种形指数最小的是陕西安塞种群,基本呈圆形,颜色呈灰褐色。从种子颜色上看,该区西部(新疆、青海)种群的颜色较深,东部(陕西、内蒙、甘肃)种群颜色较浅。

表 2 不同种群文冠果种子特征及含油率 Tab.2 The seed characteristic and the oil ratio in seed kernel of different X. sorbifolia population

表 3可以看出:文冠果种子横径、纵径与4—9月的降水量呈正相关; 种形指数则表现出明显的地理变化规律,随经度的增加,种形指数逐渐减小,即东部种子较宽短,西部种子较窄长。

表 3 文冠果种子特征及主要化学成分与环境因素的相关性 Tab.3 Correlation between the seed characteristic, main chemical composition of X. sorbifolia and environmental factors
2.1.2 千粒质量

千粒质量是体现种子大小与饱满程度的指标,是检验种子质量的重要内容,也是预测产量的重要依据。千粒质量较大的种子,营养物质含量较高,可为种子发芽提供充足的营养物质。表 2结果表明:陕西延安种群文冠果种子的千粒质量最大,较平均值高32.1%,显著高于内蒙古、新疆、甘肃及青海种群(P<0.05);青海循化种群的千粒质量最小,较平均值低26.0%,显著小于陕西和甘肃种群。表明该区的东部地区文冠果种子较大,西部地区种子较小。

表 3结果表明:文冠果种子千粒质量与4—9月的降水量呈极显著的正相关,与年平均温度呈显著正相关,与年干燥度呈显著负相关。在果实膨大期和种子充实期,养分和水分的缺乏是果实体积增长和种子粒质量增加的限制因子(徐东翔,1990)。在地理区位上,陕西、甘肃位于该区的东南,水热条件较好(表 1),利于光合作用的进行,能够满足文冠果生长发育的需要,因而千粒质量大。

2.1.3 出仁率

出仁率反映了种子的饱满程度。种粒饱满表明种子中储藏物质丰富,有利于种子发芽和幼苗生长。根据测定结果及统计分析可知(表 2):8个种群文冠果的出仁率存在差异,陕西延安种群和新疆伊宁种群显著高于甘肃、青海种群,种群内变异系数较小(1.1%~3.7%)。根据不同种群文冠果在陕西杨陵的大田育苗试验结果,陕西延安的出苗率最高,达到95.6%,其次是新疆伊宁,出苗率为92.8%,且出苗整齐,1年生苗高平均值分别为55.3和50.6 cm,显著高于其他种群。

文冠果的出仁率与气候条件相关紧密。干燥度和海拔对文冠果的出仁率影响极显著(α=0.01),在干燥度1.6~1.8、海拔1 000 m以下的地区,出仁率较大,达到46%~48%,干燥度低于1.6或高于1.8、海拔高于1 000 m时,出仁率低于46%(表 3)。表明文冠果在干旱、半干旱气候区,温暖的气候条件有利于种实营养物质的积累,种粒饱满。

2.2 文冠果种仁主要化学成分的地理变化 2.2.1 种仁含油率的变化

研究结果表明:我国西部地区文冠果种仁含油率均在53%以上,含油率最高的是陕西安塞种群,达到58.60%,显著高于甘肃子午岭(53.77%)和新疆喀什(54.06%)种群(表 4)。不同种群的含油率变异系数不同(表 2),其中,陕西延安和陕西安塞的文冠果含油率变异较为明显,变异系数分别为8.608%和6.318%,说明这2个种群存在较丰富的变异,可以进行种群内选择,选育出含油率较高优良单株; 但高海拔地区如青海循化、甘肃靖远及子午岭种群的变异系数均很小,分别为0.972%,1.843%和1.155%,因此,这些种群中含油率比较稳定,不宜进行种群内选择。

表 4 不同种群文冠果种仁脂肪酸含量 Tab.4 Fatty acid content of X. sorbifolia oil in seed kernel from different site

相关分析结果表明:文冠果种仁油含率受地理经度及4—9月份降水量的影响显著,随地理经度的降低,含油率减小,与4—9月份的降水量呈显著正相关。

2.2.2 脂肪酸的组成及其变化

文冠果种仁油含有12种脂肪酸,包括棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸、亚麻酸、花生酸、花生一烯酸、花生二烯酸、山嵛酸、芥酸、二十四烷酸、二十四一烯酸,其中含量最高的是亚油酸(40.90%~46.12%),其次是油酸(29.21%~31.25%)。陕西安塞和延安的亚油酸含量较高,分别为46.12%和45.32%,显著高于其他种群; 新疆喀什和青海循化种群的油酸含量较高,分别为31.25%和31.01 %,但与其他种群之间差异较小(表 4)。

研究结果表明:西部地区文冠果油中,碳链长度在C16~C20之间的占87.75%。由于生物柴油是利用植物油脂与甲醇(或乙醇)在高温条件下进行酯化反应,生成相应的脂肪酸甲酯(或乙酯),经过洗涤和干燥后而获得,文冠果油的碳链长度与普通生物柴油主要成分(C15~C19)非常接近,因此,文冠果是理想的生物柴油树种。

文冠果种仁油富含油酸和亚油酸等不饱和脂肪酸,其不饱和脂肪酸的含量为88.50%~91.11%,平均为89.46%;在不饱和脂肪酸中,单不饱和脂肪酸含量为43.91%~47.97%,平均为45.63%。不同种群中,青海循化的不饱和脂肪酸的含量最高,达到47.97%(表 4)。

2.2.3 氨基酸含量的变化

西部地区文冠果种仁中含有17种氨基酸(色氨酸未测),平均含量为25.68%(表 5)。不同种群中,谷氨酸和精氨酸的含量均较高,其平均值分别为5.97%和3.19%。同时,含有7种必需氨基酸,含量平均为6.87%,占总氨基酸的27.61%,除蛋氨酸和赖氨酸含量较低外,其他均接近或超过WHO/FAO推荐的构成模式(表 6)(王光慈,2001),表明文冠果种仁中氨基酸含量丰富。

表 5 不同种群文冠果种仁氨基酸含量 Tab.5 Amino acid content of X. sorbifolia seed kernel from different population
表 6 不同种群文冠果氨基酸构成 Tab.6 Amino acid composition of X. sorbifolia seed kernel from different population

对文冠果中氨基酸含量与地理因素的相关分析表明:氨基酸含量与地理经度及无霜期相关显著,随经度和无霜期的增加而增大,即东部地区氨基酸含量较高,延安种群含量最高,平均为27.75%,青海循化种群含量最低,平均为22.53%。表明不同产地的文冠果种仁氨基酸含量存在差异。

3 结论与讨论

我国西部地区8个文冠果种群的种子形态存在显著差异; 千粒质量平均839.2 g,其中陕西延安种群最大,为1 108.4 g,在我国各分布区中(633.8~977.1 g)最高(牟红香,2006)。

8个种群的种仁含油率均在53%以上,平均为55.85%,陕西安塞和延安种群的含油率较高。牟红香(2006)对我国14个文冠果分布区含油率研究表明:种仁的含油率为53.30%~58.85%,平均为56.90%。因此,我国西部地区文冠果种仁油含量与其他分布区基本相同,且高于花生(Phaseolus vulgris)(50.0%左右)(万书波等,2004)和大豆(Glycine max)(20%~23%)(闫日红等,2006),其经济价值较高。

文冠果种仁油中单不饱和脂肪酸含量平均为45.63%,与花生油中单不饱和脂肪酸含量(40%~60%)接近(姚云游,2005),略低于全国文冠果的平均值(47.60%)(牟红香等,2007)。因此,文冠果种仁油可以作为良好的食用油资源进行开发和利用。文冠果油气味芳香,易被人体吸收,其芥酸含量低,能长时间储存,因此,文冠果油属于高级食用油。

文冠果种仁含有17种氨基酸(22.53%~27.58%),包括7种必需氨基酸(色氨酸未检测),占总氨基酸的27.61%,表明文冠果蛋白在食品营养中具有很高的研究价值,具有极大的开发潜力。

西部地区文冠果的种子性状及含油率与地理气候因子有关。随经度的增加,种形指数逐渐减小,种子横径、纵径及千粒质量与4—9月份降水量呈正相关,表现出该区东部种子较大,西部种子较小; 随海拔增高,出仁率降低,如青海循化(海拔1 870 m)和甘肃子午岭(海拔1 480 m)出仁率显著低于新疆伊宁(海拔770 m),表明高海拔地区较短的生长周期、较差的土壤条件及热量条件限制了文冠果的营养生长,因而降低了文冠果对生殖器官的物质及能量分配。随地理经度的增加,文冠果种仁油及氨基酸含量增大,呈自西向东增加的趋势。因此,西部地区自西向东,海拔从高到低,种粒增大,种仁含油率提高,营养成分增多。

在物种核心分布区的种群是连续的,遗传多样性较高,而处于分布区边缘的种群较小,遗传多样性低(Hamrick et al., 1989; 王赞等,2005)。即处于中心分布区的种群由于异型杂交率较高,其后代在繁殖性状上更优良(Shea et al., 2002)。陕西是文冠果分布的中心,尤其是陕北和渭北旱塬地区,气候条件适宜(韩蓓蓓等,2010),文冠果表现出较优良的表型性状及较高的经济性状,且营养价值较高,可以作为西部文冠果优质富油种源。通过良种选育,筛选出生长快、树势健壮、单株产量高、籽粒饱满、出仁率和种子含油量高的优良母株(汪智军等,2011),进行快速繁殖,形成遗传性状稳定的无性系,进而培育成优良品种,建立西部地区文冠果优良种质基地,对于西部地区发展优质高产文冠果能源林具有重要作用。

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