套作对大豆品质的影响及差异蛋白组学分析

【摘要】：近年来,玉米-大豆套作种植迅速发展,它充分利用了光、热、水、肥等资源,提高了大豆种植面积,增加了大豆总体产量,对缓解区域粮食安全具有重要作用。然而套作大豆在玉米生育后期种植,高秆作物的荫蔽作用导致大豆营养生长受阻,使大豆品质形成受到影响。前人对套作大豆品质的研究局限在蛋白质、脂肪含量的变化上,对套作大豆的贮藏蛋白亚基、氨基酸、脂肪酸积累特征及其营养价值评价尚未研究,且机理未明。因此,本研究在2011-2012年,以3个不同品质特征的大豆为试验材料,对套作大豆营养价值进行系统评价,揭示套作大豆品质形成规律,并利用差异蛋白组学探究套作大豆品质发生改变的机理,旨在为进一步改良套作大豆品质奠定基础。研究结果如下： 1.在净作和玉米-大豆套作模式下对三个不同品种大豆籽粒发育过程中可溶性糖、氮素含量及品质形成规律和产量进行了研究。结果表明：套作大豆可溶性糖、氮及各营养物质的积累趋势与净作大豆相似；但籽粒可溶性糖含量显著高于净作、氮素含量显著低于净作,表明套作大豆茎、叶等源器官向籽粒转运的碳水化合物相对更多；套作大豆籽粒发育过程中蛋白质含量、11S、7S亚基含量显著低于净作,11S/7S比值大于净作；总氨基酸、必需氨基酸、第一限制氨基酸(蛋氨酸+半胱氨酸)含量显著高于净作；脂肪含量显著高于净作,饱和脂肪酸含量较净作降低,不饱和脂肪酸显著升高；单株产量降低；不同品种大豆的品质形成规律和产量对套作的响应程度不同,中间型大豆D2单株荚数、单株粒数、单株产量接近甚至高于净作；高油脂型大豆D1饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸的合成对套作的敏感度大于D2和D3；高蛋白型大豆D3蛋白质、脂肪、亚基含量及比例、氨基酸变化幅度大于D1和D2；可见,中间型大豆D2在套作环境下具有更好的耐荫适应性。综上可见,套作对不同品质类型大豆生长及物质积累的影响不同,将决定大豆种子蛋白质、脂肪营养品质的优劣。 2.在玉米-大豆套作模式下对三个不同品质类型套作大豆营养价值进行了系统性评价,并与净作大豆营养价值作比较。结果表明：套作大豆蛋白质含量较净作降低了0.99个百分点(P=0.018),脂肪含量升高了0.54个百分点(P=0.024)。11S/7S比值达到2.84,显著高于净作大豆0.09(P=0.029),高蛋白型大豆D3贮藏蛋白11S/7S比值高达3.05,显著高于净作5.53%(P=0.001),高油脂型大豆D1及中间型大豆D2分别上升2.40%(P=0.081)、2.88%(P=0.031),说明套作大豆D3完全可为大豆制品加工提供优质蛋白原料。在FAO/WHO参考模式下,套作大豆五种化学分析指标氨基酸评分(AAS)、化学评分(CS)、必需氨基酸指数(EAAI)、氨基酸比值系数分(SRCAA)和必需氨基酸相对比值(EAARR)分别为64.34、76.82、82.10、83.06、78.06,达到了较高的营养价值水平；与净作大豆相比各化学评分AAS、CS、EAAI、SCRAA、EAARR分别变化：2.38(P=0.002)、3.01(P=0.012)、0.03(P=0.209)、0.45(P=0.202)、-0.19(P=0.754)；高油脂型大豆D1氨基酸总体评分高于D2和D3,高蛋白型大豆D3氨基酸评分(AAS)提升了6.79%(P=0.001),显著高于D1和D2。套作大豆必需脂肪酸相对含量较净作大豆上升了2.02%(P=0.045),多不饱和脂肪酸与饱和脂肪酸的比值(P/S)较净作增大了2.56%(P=0.015)；高油脂型大豆D1必需脂肪酸相对含量(66.70%)、P/S比值(4.3)极显著显著高于D2、D3且提升幅度最大。可见,套作不仅没有降低反而提高大豆贮藏蛋白和油脂的营养价值；高蛋白型大豆具有优质蛋白基础,高油脂型大豆氨基酸、脂肪酸组成营养价值高,中间型大豆营养价值受套作环境的影响最小。 3.利用差异蛋白质组学对套作对大豆品质形成规律及营养价值的影响机理进行了探究。结果表明,套作大豆在初荚后20d与净作大豆有38个差异表达蛋白点,其中28个差异蛋白点得到鉴定,10个功能未知蛋白。经鉴定是与抗性、抗营养、物质能量代谢及氨基酸、脂肪酸代谢相关的功能蛋白。套作大豆乙酰辅酶A羧化酶的表达上调,丙酮酸脱氢酶表达量上调,促进了糖酵解产物丙酮酸不可逆氧化脱羧转化成乙酰辅酶A,增加了脂肪合成的前体物质而降低了蛋白质合成的前体物质,因此套作大豆脂肪含量升高,相应的蛋白质含量降低。同时,套作大豆p半球蛋白β亚基降低,相对提高了11S/7S比值,改良了大豆贮藏蛋白的加工特性。磷酸甘油酸激酶、苹果酸脱氢酶表达上调,利于生成半胱氨酸和甲硫氨酸的碳架来源,S-腺苷甲硫氨酸合成酶表达下调,降低了甲硫氨酸的消耗,从而增加了套作大豆第一限制氨基酸含量,有利于优化氨基酸组成及提高氨基酸营养价值。套作大豆乙酰辅酶A羧化酶、生物素羧化酶表达上调,利于脂肪酸合成前体物质的积累,而且脂肪酸从头合成途径中最后的关键酶-烯酰-ACP还原酶表达量上调,促进了脂肪酸的合成,从而有利于提高套作大豆油脂营养价值。 综上,由于套作大豆营养生长受到荫蔽的影响,籽粒代谢过程中与氨基酸、脂肪酸合成的相关蛋白的表达上调或下调,因而改变了品质形成规律并决定了大豆种子营养物质的组成及营养价值,不同品种大豆对套作的响应程度不同,因此通过此研究可为套作大豆品质的改良、套作模式的优化及推广奠定基础。