大蒜的生化品质受种质来源与生长季节影响，而非形态型决定

《Plants》：Biochemical Quality of Garlic Differs by Accession Provenance and Growing Season Rather than Morphotype

　　

中文翻译（摘要部分） 植物遗传资源的保存对农业可持续发展至关重要，尤其是对大蒜这类无性繁殖作物而言。现代农业实践、单一作物种植、环境退化和气候变化已导致遗传侵蚀，人们对可能蕴含优良性状的传统大蒜品种的兴趣日益增长。尽管大蒜是无性繁殖作物，但其生态型在表型和农艺性状上表现出丰富多样性。本研究分析了来自伊斯特拉和克瓦内尔（Istria and Kvarner）、达尔马提亚（Dalmatia）、克罗地亚大陆地区（Continental Croatia）及其他国家的77份大蒜种质，考察了形态性状及生化特性，包括大蒜素含量（allicin content）、总酚含量（TPC）和抗氧化能力（以铁离子还原抗氧化能力（FRAP）法和2,2-二苯基-1-苦基肼（DPPH）法测定）。形态学分析将种质划分为两个不同的形态型，但二者在任何生化参数上均无显著差异。相比之下，种质来源与TPC和FRAP的差异相关，其中伊斯特拉和克瓦内尔地区的种质数值最高；在2018/2019年度，其TPC和FRAP分别达到820.8 mg GAE/100 g DW和354.6 μmol TE/100 g DW，显著高于克罗地亚大陆地区（分别为494.1和180.4）。这一区域差异模式在两个生长季节间有所不同。DPPH和大蒜素含量则因两个生长季节而异，DPPH从2018/2019年度到2019/2020年度显著上升（QlG1从358.1升至892.2 μmol TE/100 g DW，QlG2从380.6升至836.3 μmol TE/100 g DW）。这些结果表明，在该种质资源库中，形态型不能可靠预测大蒜的生化品质，并强调了在种质资源保护和育种计划中结合形态学与生化评估的重要性。

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一、研究背景与目的

大蒜（Allium sativum L.）是全球种植最广泛的葱属（Allium）作物之一，产量仅次于洋葱。据联合国粮食及农业组织统计，2019年全球大蒜产量达30,708,243吨，其中中国以28,220,105吨位居首位。大蒜鳞茎富含多种生物活性化合物，其中以有机硫化合物和酚类化合物最为丰富。酚类化合物是植物中常见的次生代谢产物，含有单个（酚）或多个（多酚）羟基基团，在植物抵御食草动物、病原体及各种非生物胁迫中发挥重要的抗氧化作用。大蒜素（allicin）是新鲜大蒜中主要的硫代亚磺酸酯，赋予大蒜特有的风味和气味，并因其抗氧化、抗菌、抗生素、心脏保护和抗癌等特性而备受关注。

近年来，由于现代农业的发展、单一作物种植的扩张、环境退化和气候变化，遗传侵蚀日益加剧。植物遗传资源的保存对农业生产至关重要，尤其是对大蒜这类无性繁殖作物。大蒜种质资源库此前已针对植物化学性状进行筛选，包括大蒜素含量、总酚含量（TPC）和抗氧化能力。基于标准化描述符的形态学鉴定仍是评估植物遗传资源的第一步也是最便捷的途径，可为生化及分子变异提供表型框架。然而，仅靠形态学或仅靠生化评估均不足以全面指导种质资源的保护与育种。因此，本研究旨在实现两个目标：第一，利用标准化描述符对广泛的大蒜种质资源进行形态多样性鉴定；第二，检验形态型、种质来源和生长季节是否与种质的生化特性（即大蒜素含量、总酚含量和抗氧化能力）相关，从而确定易于评分的形态性状（尤其是抽薹能力）能否作为生化品质的替代指标。

二、研究设计与方法概述

研究人员从克罗地亚各地及国外共收集77份大蒜种质，其中克罗地亚55份（克罗地亚大陆13份、伊斯特拉和克瓦内尔22份、达尔马提亚20份），国外22份（来自澳大利亚、捷克、法国、芬兰、希腊、匈牙利、意大利、哈萨克斯坦、荷兰、挪威、罗马尼亚、俄罗斯、斯洛文尼亚和西班牙等14个国家）。所有种质在实验前均于IPTPO试验田统一繁殖保存。实验在2018/2019和2019/2020两个生长季节进行，采用完全随机设计，每份种质每季种植一个田间小区。形态学分析依据ECP/GR葱属描述符对每份种质10个鳞茎进行7个定性性状的描述。生化分析方面，每份种质取10个鳞茎的10瓣蒜，液氮速冻后冷冻干燥48小时，研磨成粉后进行提取。总酚含量采用Folin–Ciocalteu法测定，抗氧化能力采用FRAP法和DPPH法测定，大蒜素含量采用反相高效液相色谱（HPLC-DAD）法定量。数据分析采用Shannon多样性指数、主成分分析（PCA）、K-means聚类分析、Spearman秩相关分析和线性混合模型。

三、研究结果

3.1 形态性状

研究人员依据ECPGR葱属描述符对77份大蒜种质进行了形态学鉴定。Shannon多样性指数分析显示，各性状的总多样性（H_T）差异较大，从抽薹能力（Ql7）的0.963到蒜瓣皮色（Ql4）的1.924不等。外鳞茎皮色（Ql3，H_T=1.889）和鳞茎结构类型（Ql5，H_T=1.867）也表现出较高的总多样性。多样性分配分析表明，所有性状的大部分多样性分布于种质来源组内而非组间，种质来源组间的多样性占比仅为1.68%（Ql1）至11.44%（Ql7），说明区域分化较弱，大部分表型变异保留在种质来源组内部。

主成分分析（PCA）中前两个主成分（PC1和PC2）共同解释了总变异的38.33%。K-means聚类分析依据ABC准则选择两个聚类（K=2，Gap统计量=0.4029），将77份种质分为两个形态型组：QlG1组包含46份种质，以黄和浅棕色蒜瓣皮色（Ql4_2）、不规则鳞茎结构类型（Ql5_6）、横切面椭圆形复鳞茎（Ql6_2）和不能抽薹（Ql7_0）为特征；QlG2组包含31份种质，以紫色蒜瓣皮色（Ql4_5）、规则双扇形鳞茎结构类型（Ql5_2）、横切面圆形复鳞茎（Ql6_1）和能抽薹（Ql7_1）为特征。

3.2 生化特性

线性混合模型分析揭示了各生化参数不同的变异模式。总酚含量（TPC）受种质来源显著影响（p<0.001），且存在显著的种质来源×年份交互作用（p<0.001）。在2018/2019年度，伊斯特拉和克瓦内尔地区的TPC最高（820.8±31.6 mg GAE/100 g DW），显著高于克罗地亚大陆地区（494.1±47.9 mg GAE/100 g DW），达尔马提亚和非克罗地亚种质居中（分别为593.8±45.6和541.8±31.0 mg GAE/100 g DW）。但在2019/2020年度，种质来源效应不显著，TPC范围为克罗地亚大陆的511.1±51.9至非克罗地亚种质的629.9±33.6 mg GAE/100 g DW。

FRAP受种质来源显著影响（p<0.01），且存在显著的种质来源×年份交互作用（p<0.01）。2018/2019年度，伊斯特拉和克瓦内尔地区的FRAP最高（354.6±14.9 μmol TE/100 g DW），显著高于克罗地亚大陆地区（180.4±22.6 μmol TE/100 g DW）。2019/2020年度，非克罗地亚种质的FRAP最高（319.1±17.9 μmol TE/100 g DW），伊斯特拉、达尔马提亚和克罗地亚大陆地区较低（分别为243.0±18.2、250.4±26.3和226.2±27.6 μmol TE/100 g DW）。

DPPH受生长季节显著影响（p<0.001），且存在显著的形态组×年份交互作用（p<0.05）。两个形态组的DPPH均从2018/2019年度到2019/2020年度显著上升：QlG1从358.1±20.8升至892.2±20.8 μmol TE/100 g DW，QlG2从380.6±13.7升至836.3±13.7 μmol TE/100 g DW（均p<0.001）。大蒜素含量仅受生长季节显著影响（p<0.001），从2018/2019年度的136.2±15.2 mg/100 g DW升至2019/2020年度的207.5±15.2 mg/100 g DW，而形态组、种质来源及其交互作用均不显著。

Spearman秩相关分析显示，两个生长季节中TPC与FRAP均呈强正相关（2018/2019年度ρ=0.892，2019/2020年度ρ=0.669）。TPC和FRAP与DPPH也呈正相关，但相关性较弱。大蒜素与其他参数的相关性在两个生长季节间不一致：2018/2019年度大蒜素与TPC、FRAP均无显著相关，与DPPH的相关性经Holm校正后不显著；2019/2020年度大蒜素与TPC（ρ=0.373）和FRAP（ρ=0.382）呈弱但显著的正相关，与DPPH相关性不显著。

四、讨论与结论

讨论部分指出，形态型不能可靠预测大蒜的生化品质。两个形态组在TPC、FRAP、DPPH和大蒜素含量上均无显著差异，这与Hirata等人（2016）的研究结果一致，但与Barboza等人（2020）报告的抽薹大蒜TPC显著高于非抽薹大蒜的结果相反。大蒜素含量在形态组间无显著差异，这与Wongsa等人（2016）关于硬颈和软颈大蒜大蒜素含量无统计学差异的报道相符。种质来源和生长季节才是生化变异的主要结构因素，TPC和FRAP受种质来源×年份交互作用影响，DPPH受形态组×年份交互作用影响。伊斯特拉和克瓦内尔地区种质在2018/2019年度表现出最高的TPC和FRAP，且该地区此前被报道具有最高的私有基因型比例和私有基因型丰富度，表明该地区是形态和植物化学变异的重要来源，对以抗氧化品质为目标的保护和育种具有重要价值。酚类相关指标（TPC、FRAP及较小程度的DPPH）在两个生长季节间持续正相关，而大蒜素与抗氧化参数的关系较弱且不稳定，在方向和大小上均随生长季节变化。

研究结论部分可翻译为：尽管四个定性性状清楚地区分了两个大蒜形态型，但二者在TPC、FRAP、DPPH和大蒜素含量上均无显著差异。种质来源与TPC和FRAP的差异相关：伊斯特拉和克瓦内尔地区的种质达到最高值（2018/2019年度分别为820.8 mg GAE/100 g DW和354.6 μmol TE/100 g DW），显著超过克罗地亚大陆地区（分别为494.1和180.4），尽管这一模式在两个生长季节间有所变化。DPPH抗氧化能力和大蒜素含量存在年度间差异。TPC在两个生长季节中均与FRAP和DPPH抗氧化能力呈正相关。综上，这些结果表明形态型不能可靠预测大蒜的生化品质：两个形态组在TPC、FRAP、DPPH或大蒜素含量上无差异，而种质来源和生长季节则有影响。从实践角度看，这意味着形态学和生化鉴定是互补而非可互换的工具，针对所需生化特性的选择不能仅依赖鳞茎或抽薹表型。伊斯特拉和克瓦内尔种质较高的TPC，加上此前利用分子标记报道的该地区高私有基因型丰富度，表明伊斯特拉和克瓦内尔是以抗氧化品质为目标的保护和育种的特别有价值的材料来源。两个生长季节间观察到的差异提示生长季节可能影响DPPH和大蒜素含量；然而，由于这些观察仅基于两个季节，应将其解释为可能的季节性趋势的指示而非确定性效应，需要多年评估才能更详细地表征。对如此规模的种质资源库同时进行形态学和生化性状筛选，为种质资源管理和育种计划中确定种质优先顺序提供了实用基础。