加拿大扁豆基因型矿物质组成的变异性：育种与营养强化的新视角

本综述系统评估了34种加拿大扁豆基因型在10个地点年份的矿物质组成差异，利用电感耦合氩等离子体发射光谱仪（iCAP 6500）定量分析了27种矿物质。研究发现铁（Fe）、锌（Zn）、镁（Mg）等16种矿物质在基因型间存在显著变异（P≤0.05），且去壳处理对钙（Ca）、钾（K）、镍（Ni）等元素的分布具有特异性影响。研究为扁豆育种中的矿物质生物强化（Biofortification）提供了关键数据支撑，对改善人类微量营养素缺乏症具有重要实践意义。

　　

引言

扁豆（Lens culinaris Medik.）作为可持续饮食的重要组成部分，因其高营养价值和对人类健康的潜在积极作用而受到广泛关注。它是植物蛋白的优秀来源（部分品种含量高达30%），且具有低血糖指数特性，适合特殊饮食人群。更重要的是，扁豆富含多种人体必需矿物质，对骨骼发育、免疫功能、能量代谢等生理过程至关重要。全球约半数人口存在矿物质缺乏问题，可能导致心血管疾病和生物通路紊乱。例如铁缺乏会引发贫血，锌缺乏影响生长发育，镁缺乏则与心律失常相关。

近年来，尽管对扁豆中铁、锌、钙等矿物质的研究有所增加，但对加拿大育种项目中的新品种进行全面矿物质谱分析的研究仍显不足。行业伙伴对钠（Na）、钾（K）、钙（Ca）等风味增强矿物质特别关注，这些成分也是食品标签的强制要求内容。本研究通过分析作物发展中心（CDC）培育的34个扁豆品种和优良品系，旨在建立完整的矿物质组成谱，比较新旧品种差异，并为提升扁豆矿物质含量的育种策略提供依据。

材料与方法

研究在2017-2018年间于萨斯喀彻温省的5个地点（共10个地点-年份组合）展开，采用随机完全区组设计，每个基因设3次重复。试验在雨养条件下进行，杂草和害虫控制采用当地推荐措施。

矿物质分析在萨斯喀彻温大学CDC实验室完成。同时检测整粒（WS）和去壳种子（DS）（水分含量13%-14%），使用Satake TM05C谷物试验磨去壳，Udy研磨机粉碎样品。通过电感耦合氩等离子体发射光谱仪（iCAP 6500）定量分析27种矿物质，其中锂（Li）、钒（V）、铬（Cr）等11种元素因低于定量限而被排除。

统计分析采用R语言进行混合模型方差分析（ANOVA），将组织类型和基因型作为固定效应，地点-年份及其内重复作为随机效应。通过主成分分析（PCA）评估地点年份和组织类型对基因型变异的影响，并进行矿物质浓度与产量的相关性分析。

结果

不同生长地的矿物质浓度差异

所有矿物质浓度在整粒和去壳种子中均表现出显著的地点间差异（P≤0.05）。苏瑟兰17、苏瑟兰18和罗斯滕18地点的整粒种子铁浓度较高，而罗斯滕17的整粒种子磷和硫浓度最高。埃尔罗斯17和18地点的钼浓度最高，但磷和锰浓度相对较低。去壳种子在罗斯滕17地点表现出最高的矿物质浓度值。所有地点的整粒和去壳种子锌浓度在埃尔罗斯17最低。

整粒与去壳种子的矿物质分布特征

钙、铁、镁、锰、硼、铝和钡在整粒种子中浓度更高，而钾、镍和硫在去壳种子中富集。钠、钙、镍、钡、铝和钼的浓度变幅最大（最低至最高值相差1.5倍），钾和磷的基因型间变异最小。

具体而言：

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  铁：品种"CDC Impala"整粒铁浓度最高（72.5 mg·kg^-1），绿子叶品种"CDC QG-2"、"CDC QG-3"和"CDC QG-4"浓度较低

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  钙和镁：整粒与去壳种子差异最显著，"CDC Scarlet"整粒钙浓度（821.7 mg·kg^-1）是去壳品系IBC 1113（171.8 mg·kg^-1）的4倍

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  硼：整粒种子平均较高，但"CDC Impower"和"CDC Grimm"去壳种子出现硼在子叶富集现象

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  钾：去壳种子中含量最丰富，"CDC Impala"、"CDC Kermit"和品系08 mol·L^-2浓度最高（约9.9 g·kg^-1）

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  锰："CDC Karim"浓度最高（15.4 mg·kg^-1），"CDC Lima"和"CDC QG-3"次之

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  镍：品种"CDC Imax"最高（2.5 mg·kg^-1），"CDC Proclaim"整粒最低（1.7 mg·kg^-1）

多个基因型在多种矿物质中表现优异，包括"CDC Impala"、"CDC Karim"、"CDC Nimble"等。产量与铁呈正相关（r²=0.66），与铜（r²=0.64）和硼（r²=0.53）负相关。

讨论

本研究首次建立了CDC扁豆育种项目的完整矿物质谱，揭示了基因型、加工方式和环境对矿物质含量的综合影响。与过去二十年研究相比，扁豆矿物质含量未随时间显著提升，这主要因矿物质筛选耗时耗力且非育种优先目标。但与地中海和中东地区基因型相比，本研究某些矿物质浓度存在显著差异，表明基因型和环境互作共同决定矿物质积累。

与野生物种比较发现，栽培品种铁浓度略低于Lens lamottei，锌浓度相当，而钙、镁、铜较高。与其他豆类相比，扁豆铁、硒浓度与菜豆、鹰嘴豆、豌豆相似，硼浓度与鹰嘴豆相当，锰较高而镁较低，锌浓度低于鹰嘴豆。

矿物质生物强化可行性分析表明，没有基因型在所有矿物质中均表现优异，因此育种策略需针对特定目标。"CDC Impala"可作为铁锌改良的亲本材料。环境因素如热胁迫、干旱、土壤组成等对矿物质浓度的影响仍需深入研究。

加工方式对营养利用至关重要。约95%红扁豆以去壳形式消费，种壳占种子重量6%-10%但富含矿物质。去壳导致钙、镁、锰、硼和铁（部分基因型）损失，但钾、磷、镍、钼浓度因稀释效应去除而升高。抗营养因子如酚类化合物、植酸和草酸影响矿物质生物利用度，但加拿大扁豆植酸含量较低，且烹饪和加工可降低这些因子影响。

有害重金属砷、镉、汞、铅均未检出。钡和铝虽被量化，但其健康影响需结合日常总暴露量评估。

结论与展望

本研究建立了扁豆矿物质组成的全面数据库，为育种和营养强化提供了科学依据。未来研究方向包括：深入挖掘栽培和野生扁豆种质资源多样性；研究扁豆属根系表型与矿物质吸收的关系；通过遗传育种和环境互作研究探索矿物质强化的可行路径。这些工作将为解决全球矿物质营养不良问题提供重要解决方案。