小麥重組自交系群體籽粒主要礦質(zhì)元素含量的分析

孫憲印，田 楓，米 勇，牟秋煥，王瑞霞，王 超，亓?xí)岳?，錢兆國，吳 科，李斯深

(1.泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東泰安 271000； 2.山東省郯城縣種子公司，山東郯城 276100；

3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生物學(xué)重點實驗室，山東泰安 271018)

?

小麥重組自交系群體籽粒主要礦質(zhì)元素含量的分析

孫憲印1，田 楓2，米 勇1，牟秋煥1，王瑞霞1，王 超1，亓?xí)岳?，錢兆國1，吳 科1，李斯深3

(1.泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，山東泰安 271000； 2.山東省郯城縣種子公司，山東郯城 276100；

3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生物學(xué)重點實驗室，山東泰安 271018)

為進一步了解小麥生物強化育種的可行性，以山農(nóng)483×川35050雜交衍生的小麥重組自交系(RIL)群體的131個株系(QM1～QM131)及其親本為材料，連續(xù)2年在泰安和菏澤兩地種植。測定該RIL群體籽粒鎂、磷、硫、鉀、鈣等常量元素及錳、鐵、銅、鋅等微量元素的含量，分析了其變異系數(shù)、遺傳力、相關(guān)性及環(huán)境對微量元素含量的影響。結(jié)果表明，供試材料中各被測元素的變異系數(shù)范圍為7.9%～32.7%，遺傳力的變化范圍為29.58%～56.34%；常量元素中，鎂和磷間的相關(guān)性較大，相關(guān)系數(shù)為0.440；微量元素中，錳和銅間的相關(guān)性較大，相關(guān)系數(shù)為0.454；環(huán)境對小麥微量元素含量有明顯影響。高鐵元素含量株系QM103、高鋅元素含量株系QM105可作為育種材料。

小麥；重組自交系；礦質(zhì)元素

目前約有30億人受制于Fe、Zn等微量營養(yǎng)元素的缺乏所造成的營養(yǎng)不良(隱形饑餓)，嚴重阻礙了經(jīng)濟和社會的發(fā)展[1]?！半[性饑餓”的解決方法主要有4種，即膳食多樣化、營養(yǎng)補充劑、食物強化和生物強化(bio-fortification)[2]。其中膳食多樣化被認為是解決微量營養(yǎng)元素缺乏的最終途徑，與營養(yǎng)補充劑、食物強化類似，這些方法僅局限于發(fā)達城市或者經(jīng)濟狀況好的地區(qū)[3]。對于發(fā)展中國家的邊遠貧困地區(qū)，比如非洲撒哈拉以南及南亞等Zn缺乏最嚴重的區(qū)域[4]，人體所需的微量元素主要來源于作為主食的糧食作物，生物強化措施被認為是這些地區(qū)最有發(fā)展前景、經(jīng)濟有效及可持續(xù)的解決方法。生物強化即直接通過育種手段提高農(nóng)作物中能被人體吸收利用的微量營養(yǎng)元素的含量，從作物育種角度解決微量元素營養(yǎng)缺乏的問題。生物強化項目是國際農(nóng)業(yè)組織發(fā)起的挑戰(zhàn)計劃項目之一，國際生物強化項目組于2005年資助和啟動了生物強化中國項目，目標是通過遺傳育種和營養(yǎng)學(xué)研究，提高作物中的微量營養(yǎng)元素含量和人體攝入量，減少中國人群尤其是廣大貧困人群中廣泛存在的“隱性饑餓”[5-11]。

小麥中含有多種礦物元素如Mg、P、S、K、Ca、Mn、Fe、Cu和Zn等，這些元素的含量與小麥的營養(yǎng)品質(zhì)關(guān)系密切。其中，小麥籽粒中的Fe、Zn、Mn、Cu等多種礦質(zhì)元素是人體微量元素的重要來源之一[12]。張 勇等[13]對來自北京、河北、河南、山東、山西和陜西等6省區(qū)240 個小麥品種和高代品系籽粒的主要礦物質(zhì)元素含量分布及其相關(guān)性做了分析，認為品種間各微量和常量礦物質(zhì)元素含量均存在明顯差異；通過育種，可同時提高小麥籽粒中Fe、Zn和P等礦物質(zhì)元素的含量，并指出現(xiàn)階段可以從中國現(xiàn)有小麥品種特別是各地主栽品種中篩選出高礦物質(zhì)含量的基因型，特別是高Fe和Zn元素的基因型，用作親本進行生物強化育種，以便經(jīng)濟有效地直接或間接利用這些種質(zhì)。郭明慧等[14]分析了山西省主栽和骨干親本共17個小麥品種的Fe、Zn、Mn和Cu元素含量，認為籽粒中Mn與Fe含量顯著相關(guān)，Mn與Zn含量極顯著相關(guān)，并從小麥主栽品種中篩選出4種高礦質(zhì)元素含量的基因型，作為進行籽粒富含F(xiàn)e、Zn礦質(zhì)營養(yǎng)小麥遺傳改良的親本材料。小麥重組自交系是兩個親本雜交后獲得的純系后代，具有相對一致的遺傳背景和豐富的自然變異，是研究性狀表型的遺傳變異規(guī)律及其與環(huán)境間互作的理想材料。目前，利用小麥重組自交系(RIL)群體分析小麥礦質(zhì)元素含量的研究鮮有報道。因此，本研究利用山農(nóng)483和川35050雜交獲得的 RIL 群體，在泰安和菏澤兩地連續(xù)種植兩年(2007和2008年)，測定四種環(huán)境下小麥籽粒中的礦物元素(Mg、P、S、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn)的含量，分析其變異系數(shù)、遺傳力和相關(guān)系數(shù)，以期為后續(xù)的生物強化育種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為山農(nóng)483和川35050雜交獲得的131個RIL株系。川35050是廣泛種植于我國西南地區(qū)的小麥品種，穗較大、強筋；山農(nóng)483則廣泛種植于黃淮麥區(qū)，穗數(shù)較多、筋力較弱；二者籽粒礦質(zhì)元素含量差異較大。

1.2 試驗設(shè)計

于2007年和2008年，在泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院和菏澤市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗田分別進行RIL群體種植。2行區(qū)點播，行長1.2 m，行寬0.25 m。Env1、Env2、Env3、Env4分別代表2007年泰安、2008年泰安、2007年菏澤、2008年菏澤等4個環(huán)境。

1.3 測定方法

各株系籽粒收獲并風(fēng)干后，于70 ℃烘干72 h，利用 Perten 3100 型旋風(fēng)磨磨粉后混勻。準確稱取0.5 g樣品于50 mL的消煮管，加入5 mL的消化液(硝酸∶高氯酸=4∶1)，在消煮爐上消化直至溶液清亮，轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，定容并搖勻；利用波通電感耦合等離子反射光譜儀(inductively coupled plasma atomic emission spectrometry，ICPOES)測定Mg、P、S、K、Ca、Mn、Fe、Cu、Zn等礦質(zhì)元素的含量。從中國標準物質(zhì)中心購買的標準樣品，稀釋成4個梯度，用于各元素定標方程的建立。每間隔20個樣品進行一次平行分析，以保證儀器測定結(jié)果的可靠性。3次重復(fù)。

1.4 統(tǒng)計分析

2 結(jié)果與分析

2.1 RIL群體的礦質(zhì)元素含量與遺傳力

小麥RIL群體籽粒中各常量元素(Mg、P、S、K、Ca)和微量元素(Mn、Fe、Cu、Zn)的含量在不同環(huán)境下存在不同程度的差異，不同元素的遺傳力也不同(表1)。總體上，微量元素的變異系數(shù)大于常量元素。常量元素中，K的含量最高，4種環(huán)境下的均值分別為4 212、5 326、3 944和5 284 mg·kg-1，不同環(huán)境下最高值為最低值的2.28倍；Ca的含量最低，4種環(huán)境下的平均值分別為550、544、481和495 mg·kg-1，不同環(huán)境下最高值為最低值的2.32倍，并且在常量元素中的變異系數(shù)最大，平均為15.6%，P、S、Mg的含量分別為2 210～5 249 mg·kg-1、1 052～2 581 mg·kg-1、1 010～2 126 mg·kg-1。微量元素中，Zn的平均變異系數(shù)最高；Fe的含量最高，4種環(huán)境下的均值分別為52.3、51.4、42.5和44.1mg·kg-1；Cu的含量最低，4種環(huán)境下分別為8.2、4.1、7.2和5.6 mg·kg-1，而Mn、Zn則介于兩者之間。與人體健康密切相關(guān)的微量元素Fe和Zn的最高值分別為85.3和50.1 mg·kg-1，是各自最低值的3.9和4.5倍。礦質(zhì)元素遺傳力的變異范圍為29.58%～56.34%，其中Fe的遺傳力為46.78%，Zn的遺傳力為39.68%。

表1 4個環(huán)境下RIL群體礦質(zhì)元素含量的基本統(tǒng)計量和遺傳力

Env1:2007年泰安；Env2:2008年泰安；Env3:2007年荷澤；Env4:2008年荷澤。表4、表5同。

Env1:2007 Tai’an;Env2:2008 Tai’an;Env3:2007 Heze;Env4:2008 Heze.The same as in table 4,5.

2.2 環(huán)境對RIL群體微量元素含量的影響

從表2中可以看出，Mn、Fe、Cu、Zn等微量元素中，F(xiàn)e元素的含量最高，Cu元素的含量最低，不同微量元素在不同試點的含量不同。泰安點小麥籽粒Fe和Zn元素含量分別比菏澤試點高20.47%和27.26%，差異顯著，說明泰安試驗點的環(huán)境更有利于Fe和Zn的積累。泰安試驗點微量元素含量變異系數(shù)為16.50%～39.42%，菏澤試驗點的微量元素含量變異系數(shù)為18.83%～26.41%。說明不同RIL群體株系微量元素含量與環(huán)境有關(guān)。

表2 RIL群體在不同地點微量元素含量的變異

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Different letter following date mean significant difference(P<0.05).

2.3 RIL群體礦物元素含量的相關(guān)分析

由小麥RIL群體籽粒各礦物質(zhì)元素含量間相關(guān)性可知(表3)，在常量元素中，Mg和P的相關(guān)性最大且極顯著(r=0.440)，說明兩者相互依存關(guān)系較大。除此以外，Mg與Ca、P與S、S與Ca、P與K的相關(guān)性也達極顯著水平，Mg與K的相關(guān)性顯著。在微量元素中，Mn和Cu的相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為0.454，Cu與Zn、Mn與Zn、Mn與Fe、Fe與Zn的相關(guān)系性也均達極顯著水平。同時，常量元素與微量元素之間也存在著一定的相關(guān)性，Mg與Mn和Cu、P與Mn和Cu、S與Zn、Cu和Mn、K與Cu的相關(guān)性均極顯著。

表3 RIL群體礦物元素含量間的相關(guān)系數(shù)

**：P<0.01；*：P<0.05.

2.4 小麥籽粒中Fe、Zn含量較高的株系

由表4可以看出，F(xiàn)e含量最高的株系為QM103，平均值為61.3 mg·kg-1。由表5可以看出，Zn含量最高的株系為QM105，平均值為36.8 mg·kg-1。QM53的Fe和Zn含量均相對較高。QM103和QM105株型半緊湊呈杯狀，旗葉上沖，近方形穗，籽粒硬質(zhì)、飽滿，田間群體結(jié)構(gòu)合理，可作為親本資源加以利用。

表4 RIL群體中Fe含量前10位的株系

表5 RIL群體中Zn含量前10位的株系

3 討 論

小麥籽粒含有Ca、Mg、K、P、S等常量元素，其中Ca與人體健康息息相關(guān)，是兒童生長發(fā)育必不可少的元素，是蛋白質(zhì)和許多酶的重要組成要素，參與人體新陳代謝。提高小麥中Ca的含量，可以從食物層面緩解目前兒童和中老年人普遍缺鈣的現(xiàn)象。王秀敏等[15]研究表明，小麥籽粒中Ca的含量由加性和顯性基因共同控制，不同基因型間的鈣含量存在顯著差異；通過雜交手段可利用基因的累加效應(yīng)，使鈣元素保持較高水平。本研究中，小麥鈣含量為137～317 mg·kg-1，變異系數(shù)在5種常量元素中最大，遺傳力為36.76%，說明通過遺傳改良可提高小麥籽粒中鈣的含量。多種被測常量元素之間呈正相關(guān)關(guān)系，這與張 勇等[13]的研究一致，其中Mg和P的相關(guān)性最大中，推測小麥磷肥的使用對小麥礦質(zhì)元素Mg的積累有促進作用。

張 勇等[13]、郭明慧等[14]及吳兆明等[16]均認為不同基因型小麥品種的微量元素間存在正相關(guān)關(guān)系，這與本研究結(jié)果基本一致。同時，RIL群體中不同株系間微量元素含量存在較大差異，其中含F(xiàn)e較高的株系為QM103，含Zn較高的株系為QM105。利用這兩個株系進一步累積優(yōu)良性狀，有可能培育出Fe、Zn含量高的新品種，說明通過生物育種提高小麥礦質(zhì)元素含量的可行性。

土壤中礦質(zhì)元素的含量和施肥措施對小麥籽粒的微量元素含量存在影響。魯 璐等[18]認為小麥中的微量元素來源于土壤；小麥中Zn、Fe元素的含量和土壤中Zn、Fe元素的含量關(guān)系密切，且這兩種元素會相互促進吸收，說明要想提高小麥籽粒中微量元素的含量，就必須提高土壤中相應(yīng)元素的含量。建議施用微肥時，需要了解各種微量元素之間的相互作用和最佳搭配比例，以發(fā)揮小麥吸收礦物元素的最大潛力。姜麗娜等[19]、羅付香等[20]及常旭虹等[21]的研究發(fā)現(xiàn)，施用氮肥可以提高小麥籽粒中微量元素的含量。本研究表明，同一品種小麥在不同地區(qū)種植，所得到的小麥籽粒中的微量元素差別較大。說明環(huán)境條件對小麥籽粒中微量元素的含量有較大影響?？梢?，小麥籽粒中微量元素的含量不僅受其本身基因型的影響，也受外部環(huán)境養(yǎng)分等多條件的作用，因此，在小麥生產(chǎn)中，要注意土壤環(huán)境條件和適當?shù)墓芾泶胧员闾岣咝←溩蚜Ｎ⒘吭睾俊?/p>

綜上所述，RIL群體小麥籽粒中礦質(zhì)元素含量存在較高的遺傳力和較大變異系數(shù)，各礦物質(zhì)元素含量間也存在一定相關(guān)性，通過生物強化育種可以同時提高其鐵和鋅等元素的含量，生產(chǎn)中應(yīng)關(guān)注環(huán)境因素對礦質(zhì)元素含量的影響。

[1]GRAHAM,R D,WELCH R M,BOUIS H E.Addressing micronutrient malnutrition through enhancing the nutritional quality of staple foods:Principles,perspectives and knowledge gaps [J].AdvancesinAgronomy,2001,70:77-142.

[2]CAKMAK I,PFEIFFER W H,MCCLAFFERTY B.Bio-fortification of durum wheat with zinc and iron [J].CerealChemistry,2010,87(1):10-20.

[3]BOUIS H E,CHRISTINE H,BONNIE M C,etal.Biofortification:A new tool to reduce micronutrient malnutrition [J].Food&NutritionBulletin,2011,32(1):31-40.

[4]WESSELLS K R,BROWN K H.Estimating the global prevalence of zinc deficiency:results based on zinc availability in national food supplies and the prevalence of stunting [J].PlosOne,2012,7(11):e50568-e50568.

[5]WELCH R M,GRAHAM R D.A new paradigm for world agriculture:meeting human needs:productive,sustainable,nutritious [J].FieldCropResearch,1999,60(1-2):1-10.

[6]GRAHAM R,SENADHIRA D,BEEBE S,etal.Breeding for micronutrient density in edible portions of staple food crops:conventional approaches [J].FieldCropResearch,1999,60(1-2):57-80.

[7]BOUIS H E.Economics of enhanced micronutrient density in food staples [J].FieldCropResearch,1999,60(1):165-73.

[8]BOUIS H E,WELCH R M.A sustainable agricultural strategy for reducing micronutrient malnutrition in the global south [J].CropScience,2010,50(2):20-32.

[9]ORTIZ-MONASTERIO J,PALACIOS-ROJAS N,MENG E,etal.Enhancing the mineral and vitamin content of wheat and maize through plant breeding [J].JournalofCerealScience,2007,46(3):293-307.

[10]MONASTERIO I,GRAHAM R D.Breeding for trace minerals in wheat [J].Food&NutritionBulletin,2000,21(4):392-396.

[11]ZOU C,ZHANG Y,RASHID A,etal.Biofortification of wheat with zinc through zinc fertilization in seven countries [J].PlantSoil,2012,361:119-130.

[12]FAN M S,ZHAO F J,FAIRWEATHER-TAIT S J,etal.Evidence of decreasing mineral density in wheat grain over the last 160 years [J].JournalofTraceElementsinMedicine&Biology,2008,22(4):315-324.

[13]張 勇,王德森,張 艷,等.北方冬麥區(qū)小麥品種籽粒主要礦物質(zhì)元素含量分布及其相關(guān)性分析[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,40(9):1871-1876.

ZHANG Y,WANG D S,ZHANG Y,etal.Variation of major mineral elements concentration and their relationships in grain of Chinese wheat [J].ScientiaAgriculturaSinica,2007,40(9):1871-1876 .

[14]郭明慧,裴自友,溫輝芹,等.普通小麥品種籽粒礦質(zhì)元素含量分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2011,27(18):41-44.

GUO M H,PEI Z Y,WEN H Q,etal.Mineral elements concentration analysis on major wheat cultivars [J].ChineseAgriculturalScienceBulletin,2011,27(18):41-44.

[15]王秀敏,許民安,常淑惠,等.冬小麥品種子粒鈣含量的遺傳研究[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2002,25(4):25-28.

WANG X M,XU M A,CHANG S H,etal.Heredity study on grain calcium content of winter wheat varieties [J].JourmalofAgriculturalUniversityofHebei,2002,25(4):25-28.

[16]吳兆明,王玉琦,孫景信.不同品系小麥和小黑麥種子中金屬元素含量的比較研究[J].作物學(xué)報,1996,22(5):565-567.

WU Z M,WANG Y Q,SUN J X.Comparison of the metal content in the seeds of different wheat and triticale lines [J].ScientiaAgriculturaSinica,1996,22(5):565-567.

[17]郝元峰,張 勇,何中虎.作物鋅生物強化研究進展[J].生命科學(xué),2015,8(27):1047-1054.

HAO Y F,ZHANG Y,HE Z H.Progress in zinc bio-fortification of crops [J].ChineseBulletinofLifeSciences,2015,8(27):1047-1054 .

[18]魯 璐,季英苗,李莉蓉,等.不同地區(qū)不同品種(系)小麥鋅鐵和硒含量分析[J],應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報.,2010,16(5):646-649.

LU L,JI Y M,LI L R,etal.Analysis of Fe,Zn and Se contents in different wheat cultivars(lines) planted in different areas [J].ChineseJournalofAppliedandEnvironmentalBiology,2010,16(5):646-649.

[19]姜麗娜,鄭冬云,蒿寶珍,等.氮肥對小麥不同品種籽粒微量元素含量的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報,2009,18(6):97-102.

JIANG L N,ZHENG D Y,HAO B J.etal.Effects of nitrogen on micronutrient concentration and accumulation in grains of wheat varieties[J].AgriculturaeBoreali-occidentalisSinica，2009,18(6):97-102.

[20]羅付香,林超文,龐良玉,等.氮肥運籌對不同小麥品種籽粒微量元素含量和產(chǎn)量的影響[J].麥類作物學(xué)報.2011,31(4):695-701.

LUO F X,LIN C W,PANG L Y.etal.Effects of Nitrogen fertilizer applicationon the microelement content in grains of different wheat varieties [J].JournalofTriticeaeCrops,2011,31(4):695-701.

[21]常旭虹,趙廣才,王德梅,等.生態(tài)環(huán)境與施氮量協(xié)同對小麥籽粒微量元素含量的影響[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2014(4):885-895.

CHANG X H,ZHAO G C,WANG D M,etal.Effects of ecological environment and nitrogen application rate on microelement contents of wheat grain [J].JournalofPlantNutritionandFertilizer,2014(4):885-895.

Analysis of Major Mineral Elements Concentration in Grain of Wheat Recombinant Inbred Lines

SUN Xianyin1,TIAN Feng1,MI Yong1,MU Qiuhuan1,WANG Ruixia1,WANG Chao1,QI Xiaolei1,QIAN Zhaoguo1,WU Ke1,LI Sishen3

(1.Tai’an Academy of Agricultural Science,Tai’an,Shandong 271000,China; 2.The Tancheng County Seed Company,Tancheng,Shandong 276100,China; 3.State Key Laboratory of Crop Biology,Shandong Agricultural University,Tai’an,Shandong 271018,China)

In order to further understand the feasibility of bio-fortification breeding of wheat,131 recombinant inbred lines(RILs)(QM1-QM131) derived from a cross between Shannong 483 and Chuan 35050 were grown in the experiment stations of the academy of Tai’an and Heze agriculture Science in 2007-2009 wheat season,and the concentration of major mineral elements in grain,including macronutrients Mg,P,S,K and Ca,and micronutrients Mn,Fe,Cu,and Zn,were evaluated. The coefficients of variation,hereditary and correlation coefficients were calculated,and the effects of different locations on micronutrient concentration were also analyzed. Experimental results showed that the variation coefficients ranged from 7.9% to 32.7%,and the heritability ranged from 29.58% to 56.34%. Among the macronutrients,positive correlations between the concentration of Mg and P(r= 0.440) was highest,and among the micronutrients,positive correlations between the concentration of Mn and Cu(r=0.454) was highest. The differences in the micronutrient concentration between the two locations were obvious. The high Fe concentration line QM103 and high Zn concentration line QM105 were selected and could be used as the breeding materials.

Wheat; Recombinant inbred lines; Mineral elements

時間：2016-07-07

2015-12-25

2016-01-26

國家科技支撐計劃項目(2011BAD35B03)；國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(CARS-3-2-22)；山東省自助創(chuàng)新重大關(guān)鍵技術(shù)項目(2014GJJS201-4-5)；山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(SDAIT-04-021-12)

E-mail：sunxianyin2005sina.com

李斯深(E-mail：ssli@sdau.edu,cn); 吳 科(E-mail:sdtawk1964@163.com)

S512.1；S330

A

1009-1041(2016)07-0872-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160707.1530.014.html