基因型和環(huán)境對以色列野生二棱大麥籽粒營養(yǎng)品質的影響

李 念, 阮景軍, 嚴 俊, 趙 鋼, 代永露, 程劍平

(1.貴州大學麥作研究中心, 貴州貴陽 550025; 2.成都大學藥學與生物工程學院, 四川成都 610106)

基因型和環(huán)境對以色列野生二棱大麥籽粒營養(yǎng)品質的影響

李 念1, 阮景軍1, 嚴 俊2, 趙 鋼2, 代永露2, 程劍平1

(1.貴州大學麥作研究中心, 貴州貴陽 550025; 2.成都大學藥學與生物工程學院, 四川成都 610106)

為探討基因型和生長環(huán)境對野生二棱大麥營養(yǎng)性狀的影響，對源自以色列不同地區(qū)的9個群體60個基因型野生二棱大麥材料在3個環(huán)境條件下的籽粒可溶性蛋白質、氨基酸、植酸、無機磷和淀粉含量及粒重進行測定，并對檢測數(shù)據(jù)進行了單因素方差分析(One-Way ANOVA)、相關性網(wǎng)絡分析(correlation-based network analysis, CNA)和斯皮爾曼秩相關分析(Spearmanp’s Rho Correlation)。結果表明，野生二棱大麥各被測性狀與生長地土壤成分存在顯著相關性(P<0.01)；以色列野生二棱大麥籽粒中無機磷、總淀粉含量和粒重受生長環(huán)境和基因型的共同影響，而植酸、可溶性蛋白質、氨基酸含量等性狀則主要受生長地環(huán)境的影響。

野生二棱大麥；基因型；營養(yǎng)性狀；環(huán)境

野生大麥是現(xiàn)代栽培大麥的祖先，經(jīng)過長期的進化和自然選擇，形成了豐富的遺傳多樣性[1-2]。近東的新月地帶包括以色列、巴勒斯坦、約旦、伊拉克、敘利亞等地是現(xiàn)代栽培大麥的起源中心[3]。在以色列，從南部極端干旱的內蓋夫沙漠到北部濕潤多雨的戈蘭高地、地中海沿岸地區(qū)均有野生二棱大麥分布[4-5]。野生二棱大麥難以自然遷移異地[6]，而不同地區(qū)或同一地區(qū)不同微域環(huán)境的氣候、地形、土壤、植被等生態(tài)地理條件有較大差異，野生二棱大麥通過自然選擇演化產生出特有的群體和基因型[7-9]。研究表明，大麥的籽粒營養(yǎng)性狀不僅與基因型有關，而且與環(huán)境關系密切[7,10-11]。但就野生大麥營養(yǎng)性狀與環(huán)境關系的研究較少。研究野生大麥在不同生長環(huán)境條件下性狀的差異，可以為野生大麥遺傳多樣性和作物適應性研究提供有效信息。本研究以9個群體60個基因型的以色列野生二棱大麥為材料，在3個不同環(huán)境進行種植，對其籽粒的可溶性蛋白質、氨基酸、總淀粉、植酸、無機磷含量以及粒重進行測定，并分析生長環(huán)境和基因型對被測性狀的影響，以期為野生二棱大麥資源在育種中的有效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設計

供試的9個群體60個基因型的野生二棱大麥來自于以色列海法大學進化研究所，起源地生態(tài)地理數(shù)據(jù)見表1，于2012、2013和2014分別種植于貴州省安順市農科所試驗農場、貴州省貴陽市花溪區(qū)貴州大學麥作中心農場和安徽省來安縣廣大鄉(xiāng)，試點土壤概況見表2。

采用隨機區(qū)組排列，重復三次，每個基因型材料進行溝播，行長1.5 m，每行播種50粒種子，行間距40 cm。同行種子收獲后放在同一紙袋內作為一個種子庫(Seed Bulk)。種子收獲后于40 ℃烘干，研磨過0.441 mm孔徑篩備用。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 氨基酸、可溶性蛋白質的提取及測定

取30 mg過篩樣品，加入1 600 μL的NaOH(0.1 moL·L-1)溶液，搖勻于70 ℃水浴1 h，在此過程中，每隔20 min振搖一次，10 000 r·min-1離心10 min，上清液即為提取液，4 ℃保存?zhèn)溆?。氨基酸的測定參照Adler等[12]方法，可溶性蛋白質的測定參照Smith等[13]方法。

1.2.2 植酸、無機磷的提取及測定

取50 mg過篩樣品，加入200 μL的HCl(0.5 moL·L-1)溶液，室溫靜置2 h至樣品完全吸漲，用組織研磨器將樣品研磨至勻漿，加入1.4 mL HCl(0.5 moL·L-1)，震蕩30 min后10 000 r·min-1離心10 min，上清液即為提取液，4 ℃放置備用。植酸的測定參照Latta等[14]方法，無機磷含量的測定采用鉬酸銨比色法。

1.2.3 淀粉的提取及測定

取20 mg過篩樣品，加入1.8 mL的醋酸鈉(pH 5.0)緩沖液， 95 ℃糊化1 h，冷卻至室溫，加入200 μL多酶復合物 (Enzyme Mix)，50 ℃靜置5 h，10 000 r·min-1離心10 min，取上清液采用GOPOD法[15]測定。

表1 9個以色列野生二棱大麥群體起源地生態(tài)地理數(shù)據(jù)Table 1 Eco-geographical data for nine populations of H.spontaneum in Israel

Tm：年平均溫度；Ta：八月平均溫度；Tj：一月平均溫度；Td：季節(jié)溫差；Tdd：晝夜溫差；Ev：年蒸發(fā)量；Rn：年降雨量；Rd：年降雨天數(shù)；Hu14：14 時平均濕度；Huan：年平均濕度。

Tm:The annual average temperature; Ta:The average temperature in August; Tj:The average temperature in January; Td:Seasonal temperature; Tdd:Temperature difference between day and night; Ev:Annual evaporation; Rn:Annual rainfall; Rd:Annual rainfall days; Hu14:Average humidity at 14 pm; Huan:Annual average humidity; Ln:Longitude; Lt:Latitude; Al:Altitude.

1.2.4 粒重的測定

每個基因型取代表性植株主莖穗籽粒50粒，測定質量，并計算粒重。3次重復。

1.3 統(tǒng)計分析

用Excel 2007整理數(shù)據(jù)，用JMP 6.0軟件(SAS Institute)進行單因素方差分析(ANOVA)，Tukey-Kramer HSD檢測差異顯著性，用R 2.11構建起源地生態(tài)地理因素與被測性狀間的皮爾森相關性矩陣(Pearson correlation matrix)，并用Cytoscape 2.7.0對相關性矩陣進行相關性網(wǎng)絡分析(correlation-based network analysis,CNA)；用斯皮爾曼秩相關系數(shù)(Spearmanp’s Rho Correlation)分析大麥籽粒植酸等營養(yǎng)性狀與生長地土壤因子的多元相關性。

2 結果與分析

2.1 野生二棱大麥籽粒營養(yǎng)品質的環(huán)境和群體差異

2.1.1 環(huán)境對野生二棱大麥籽粒營養(yǎng)品質的影響

由表3可知，淀粉和可溶性蛋白質是野生大麥籽粒的主要組成成分；環(huán)境對植酸、無機磷、氨基酸、可溶性蛋白質含量和粒重均有顯著影響。在土壤錳含量偏高的安順試點，籽粒氨基酸和可溶性蛋白的含量顯著低于其他試點，其含量不到另外2個試點的50%；貴陽點籽粒氨基酸、可溶性蛋白質含量顯著高于其他兩點。淀粉含量和粒重在安順和來安點差異不顯著，二者淀粉含量顯著低于貴陽點，粒重顯著高于貴陽點。

2.1.2 不同群體野生二棱大麥籽粒的營養(yǎng)品質

由表4可知，植酸、氨基酸、可溶性蛋白質含量在9個群體間無顯著差異，群體對籽粒無機磷和淀粉含量、粒重有極顯著影響(P<0.01)。來自世界陸地海拔最低點死海地區(qū)的Ein-Zukim群體的淀粉含量最大，來自地中海邊的Akhziv群體次之。粒重低于30 mg的群體有Ein-Zukim(22.39 mg)、Mehola(25.81 mg)、Sede Boqer(27.78 mg)，這3個群體起源地的年平均降雨量均較低(100、270、91 mm)，遠低于降雨量第4低的Atlit(500 mm)。起源于沙漠地區(qū)的Sede Boqer群體是基因型差異最大的群體，其植酸、無機磷含量變異系數(shù)在9個群體中處于第2，可溶性蛋白質含量、總淀粉含量及粒重的變異系數(shù)都是9個群體中最大。說明在極端干旱環(huán)境下，野生大麥籽粒的多種性狀變異程度較高，遺傳多樣性較豐富。

表2 試點土壤的主要成分Table 2 Soil composition of tested regions

AN:Available nitrogen; AP:Available phosphorus; AK:Available potassium; OM:Organic matter.

表3 環(huán)境對野生二棱大麥籽粒營養(yǎng)品質的影響Table 3 Effect of environment on grain traits of wild barley

同行數(shù)據(jù)后不同字母表示試點間差異顯著(P<0.05)。PHY:Phytic acid content; Pi:Inorganic phosphorus content;NH2:Amino acid content; TSP:Total soluble protein content; TS:Total starch content; SKW:Single kernel weight. The same in table 4，F(xiàn)ig.2 and Fig.2.Different letters following data at same line mean significant difference among location(P<0.05).

綜上所述，野生大麥籽粒的無機磷、總淀粉含量、粒重既受遺傳因素控制，又受生長地環(huán)境條件影響。而植酸、氨基酸、可溶性蛋白質含量則主要是受生長環(huán)境的影響。

表4 9個群體野生二棱大麥的籽粒營養(yǎng)品質與粒重分析Table 4 Nutrition-related traits and SKW of the nine H.spontaneum populations

同列數(shù)據(jù)后的不同字母表示群體間差異顯著(P<0.05)。

Different letters following data in same column mean significant difference among populations(P<0.05).

2.2 大麥籽粒性狀與起源地生態(tài)因子的網(wǎng)絡分析

籽粒營養(yǎng)性狀與起源地生態(tài)地理因素間的網(wǎng)絡分析結果(圖1)顯示，野生二棱大麥的植酸、氨基酸、無機磷含量及粒重與起源地生態(tài)因子間存在顯著相關性(P<0.05)。無機磷含量與13個生態(tài)因子中的12個有顯著相關性；粒重和植酸含量分別與10個和6個生態(tài)因子顯著相關；氨基酸含量僅與年蒸發(fā)量顯著負相關。無機磷、植酸含量和粒重均與濕潤氣候因子呈正相關，與干旱氣候因子負相關。起源地年平均溫度、八月平均溫度、晝夜溫差、年蒸發(fā)量和年降雨量與較多野生大麥籽粒營養(yǎng)性狀存在顯著相關性，是對野生大麥籽粒性狀影響較大的生態(tài)因子。

2.3 大麥籽粒性狀與生長地土壤因子的斯皮爾曼秩相關性分析

斯皮爾曼秩相關性檢驗結果(圖2)顯示，野生二棱大麥的植酸、無機磷、可溶性蛋白質、總淀粉、氨基酸含量和粒重均與生長地土壤元素間存在不同程度的相關性。植酸、無機磷、可溶性蛋白質和氨基酸含量與生長地的11種土壤元素都有顯著相關性(P<0.01)；可溶性蛋白質含量與有效氮、有效磷、全氮、磷、錳含量呈顯著負相關，而與有效鉀、全鉀、有機質、鈣、鎂、硒含量呈顯著正相關。被測的11種土壤元素與氨基酸含量、可溶性蛋白質含量的相關性具有相同相似度，與植酸含量的相關性與二者相似度相反?？偟矸叟c土壤有效鉀、全鉀、有機質、鎂、硒含量有顯著正相關性；粒重與這5個指標呈顯著負相關。說明提高土壤中有效鉀、全鉀、有機質、鎂、硒含量在增加大麥籽粒中營養(yǎng)物質含量的同時會降低大麥的粒重。研究發(fā)現(xiàn)，大麥籽粒中可溶性蛋白質和氨基酸含量與土壤中錳含量呈顯著負相關，由此推測安順環(huán)境中可溶性蛋白質和氨基酸含量偏低可能是由于土壤中過高的錳含量所導致。

點與點之間的連線代表性狀之間的相關性，實線代表正相關，虛線代表負相關，所有相關性均達到顯著水平(P<0.05)。六邊形和三角形分別代表干旱因子和濕潤因子，菱形和圓形分別代表營養(yǎng)性狀和粒重，正方形代表經(jīng)度。

3 討 論

本研究中，環(huán)境對野生二棱大麥6個被測性狀均有極顯著影響；群體對無機磷、總淀粉含量和粒重有極顯著影響。表明無機磷、總淀粉含量和粒重受基因型和生長環(huán)境的共同影響，來自極度干旱內蓋夫沙漠地區(qū)的 Sede Boqer群體和死海地區(qū)的Ein-Zukim群體的上述3個性狀有很高的變異系數(shù)。說明一些特殊環(huán)境的自然選擇壓力對物種的進化起到了重要的作用[3,16]。濕潤地區(qū)因為一致性的環(huán)境條件導致野生大麥遺傳變異較低，而干旱氣候條件下環(huán)境選擇較為多樣，所以野生大麥在干旱等生存壓力下，更易形成豐富的遺傳多樣性[17-18]。有研究認為，環(huán)境因素對麥類的品質性狀影響較大[19-21]。也有一些研究認為，基因型在若干品質性狀上的作用比環(huán)境因素更為重要[22-24]。本研究結果表明，野生大麥籽粒蛋白質含量的差異主要受環(huán)境條件影響，前人的研究也有類似發(fā)現(xiàn)[25-28]?；蛐?、生長環(huán)境差異均影響野生大麥淀粉的含量，在降水豐富、氣溫偏低的生長環(huán)境條件下大麥淀粉含量更高。而野生大麥植酸含量的環(huán)境效應大于遺傳效應，這可能是因為籽粒植酸含量與環(huán)境間的變化、生長地土壤磷含量、作物生育期的長短及光照、氣溫、水分等氣象因素有關[29]。具有極端性狀的群體，如高粒重的Caesarea群體和高淀粉含量的Ein-Zukim群體可為大麥遺傳育種提供基因資源。

起源于不同環(huán)境的野生大麥，在適應其起源地生態(tài)地理條件過程中，經(jīng)過長期進化和自然選擇，形成了具有豐富遺傳多樣性的野生二棱大麥群體和基因型。研究表明，以色列野生二棱大麥的起源地生態(tài)地理環(huán)境對其農藝性狀指標有重要影響[6]。本研究發(fā)現(xiàn)，大麥籽粒植酸、無機磷、氨基酸含量和單粒重等與若干個起源地生態(tài)地理因子顯著相關，并且均與濕潤生態(tài)因子正相關，與干旱生態(tài)因子負相關。

斯皮爾曼秩相關性分析顯示，野生二棱大麥植酸、無機磷、可溶性蛋白質、總淀粉、氨基酸含量和單粒重與生長地不同土壤元素含量間存在不同程度的相關性，在土壤錳含量過高環(huán)境下，大麥籽粒中可溶性蛋白質和氨基酸含量明顯偏低。原因可能與錳參與包括ATP、蛋白質、光合作用以及硝態(tài)氮同化等多種重要生理過程有關[30-31]。過量的錳含量會抑制光合產物的形成[32]，影響光合作用活性中心和光能傳導，間接影響硝態(tài)氮的同化，導致蛋白質的合成受到抑制，最終導致籽粒蛋白質含量降低。

圖2 營養(yǎng)性狀與生長地土壤成分的斯皮爾曼秩顯著相關性

[1] BAEK H,BEHARAV A,NEVO E.Ecological-genomic diversity of microsatellites in wild barley,Hordeumspontaneum,populations in Jordan [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2003,106(3):397.

[2] ELLIS R P,FORSTER B P,ROBINSON D,etal.Wild barley:A source of genes for crop improvement in the 21stcentury?[J].JournalofExperimentalBotany,2000,51(342):9.

[3] VOLIS S,MENDINGER S,WARD D.Adaptive traits of wild barley plants of Mediterranean and desert origin [J].Oecologia,2002,133(2):133.

[4] NEVO E,BEILES A,GUTTERM Y,etal.Genetic resources of wild cereals in Israel and Vicinity.II.Phenotypic variation within and between populations of wild barley,Hordeumspontaneum[J].Euphytica,1984,33(3):719.

[5] MATTATIA J ,FEINBRUM D N.The nomenclature ofAegilopsbiuncialisVis.[J].IsraelJournalofPlantSciences,1986,35(1):53.

[6] 嚴 俊,王 瑩,Gutterman Y,等.起源地生態(tài)地理因素對野生二棱大麥生長的影響[J].西南農業(yè)學報,2010,23(6):1799.

YAN J,WANG Y,GUTTERM Y,etal.Influence of eco-geographic factors on growth of wild barley(Hordeumspontaneum) in Israel [J].SouthwestChinaJournalofAgriculturalSciences,2010,23(6):1799.

[7] NEVO E,BROWN A H D,ZOHARY D.Genetic diversity in the wild progenitor of barley in Israel [J].Cellular&MolecularLifeSciencesCmls,1979,35(8):1027.

[8] NEVO E,BROWN A H D,etal.Genetic diversity and environmental associations of wild barley,Hordeumspontaneum,in Israel [J].Evolution,1979,33(3):832.

[9] GUTTERM Y.Survival strategies of annual desert plants [J].AdaptationsofDesertOrganisms,2002,15:39.

[10] 陳曉東,趙 斌,季昌好,等.不同地理來源大麥種質蛋白質含量分析[J].中國農學通報,2013,29(3):78.

CHEN X D,ZHAO B,JI C H,etal.Analysis of protein content of barley germplasm from different geographical origins [J].ChineseAgriculturalScienceBulletin,2013,29(3):78.

[11] 張 宇,司二靜,孟亞雄,等.不同來源大麥材料的農藝性狀和籽粒蛋白質含量及群體遺傳結構分析[J].麥類作物學報,2015,35(07):946.

ZHANG Y,SI E J,MENG Y X,etal.Analysis on agronomic traits,grain protein content and population structure of barley germplasm from different geographical origins [J].JournalofTriticeaeCrops,2015,35(07):946.

[12] ADLER N J.Determination of the degree of hydrolysis of food protein hydrolysates by trinitrobenzenesulfonic acid [J].JournalofAgricultural&FoodChemistry,1979,27(6):1256.

[13] SMITH P K,KROHN R I,HERMANSON G T,etal.Measurement of protein using bicinchoninic acid [J].AnalyticalBiochemistry,1985,150(1):76.

[14] LATTA M,ESKIN M.A simple and rapid colorimetric method for phytate determination [J].JournalofAgricultural&FoodChemistry,1980,28(6):1313.

[15] NIBA L L.Effect of storage period and temperature on resistant starch and β-glucan content in cornbread [J].FoodChemistry,2004,83(4):493.

[16] VOLIS S,MENDINGER S,WARD D.Demography and role of the seed bank in Mediterranean and desert populations of wild barley [J].Basic&AppliedEcology,2004,5(1):54.

[17] TURPEINEN T,TENHOLA T,MANNINEN O,etal.Microsatellite diversity associated with ecological factors inHordeumspontaneumpopulations in Israel [J].MolecularEcology,2001,10(6):1585.

[18] CRONIN J K,BUNDOCK P C,HENRY R J,etal.Adaptive climatic molecular evolution in wild barley at the Isa defense locus [J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,2007,104(8):2776.

[19] MINURA H,TANII S.Endosperm starch properties in several wheat cultivars preferred for Japanese noodles [J].Euphytica,1993,72(3):172.

[20] 吳東兵,曹廣才,強小林,等.西藏和北京異地種植小麥的品質變化[J].應用生態(tài)學報,2003,14(12):2199.

WU D B,CAO G C,QIANG X L,etal.Quality variation of wheat planted in different regions of Tibet and Beijing [J].ChineseJournalofAppliedEcology,2003,14(12):2199.

[21] 吳昆侖.基因型與環(huán)境效應對青稞淀粉含量的影響[J].西南農業(yè)學報,2011,24(2):423.

WU K L.Influence of genotype and environment on starch content of hulless barley [J].SouthwestChinaJournalofAgriculturalSciences,2011,24(2):423.

[22] MORRIS C F,SHACKLEY B J,KING G E,etal.Genotypic and environmental variation for flour swelling volume in wheat [J].CerealChemistry,1997,74(1):18.

[23] RUBENTHALER G L,HUANG M L,POMERANZ Y.Steamed bread.I.Chinese steamed bread formulation and interactions [J].CerealChemistry,1990,67(5):475.

[24] 燕 麗,王志忠,鄭文寅,等.基因型和環(huán)境對安徽小麥品質性狀的影響[J].麥類作物學報,2016,36(11):1498.

YAN L,WANG Z Z,ZHENG W Y,etal.Effect of genotypes and environments on wheat quality in Anhui province [J].JournalofTriticeaeCrops,2016,36(11):1498.

[25] ZHANG G,CHEN J,WANG J,etal.Cultivar and environmental effects on(1→3,1→4)-β-D-glucan and protein content in malting barley [J].JournalofCerealScience,2001,34(3):295.

[26] WANG J,ZHANG G,CHEN J.Cultivar and environmental effects on protein content and grain weight of malting barley [J].JournalofZhejiangAgriculturalUniversity,2001,27(5):50.

[27] 呂 超,張新忠,金 能,等.環(huán)境對大麥籽粒啤用品質性狀的影響[J].浙江農業(yè)學報,2010,22(5):645.

Lü C,ZHANG X Z,JIN N,etal.Effects of environment on grain characters related with malting quality of barley [J].ActaAgriculturaeZhejiangensis,2010,22(5):645.

[28] 孟亞雄,趙向田,馬小樂,等.海拔對啤酒大麥產量和品質的影響[J].麥類作物學報,2016,36(9):1262.

MENG Y X,Z HAO X T,MA X L,etal.Effect of altitude on quality and yield of different malting barley varieties [J].JournalofTriticeaeCrops,2016,36(9):1262.

[29] LIU Z H,CHENG F M,ZHENG G P.Grain phytic acid content in japonica rice as affected by cultivar and environment and its relation to protein content [J].FoodChemistry,2005,89(1):49.

[30] PFEFFER P E,CAVANAUGH J R.In vivoA3A1P NMR studies of corn root tissue and its uptake of toxic metals [J].PlantPhysiology,1986,80(1):77.

[31] DUCIC T,POLLE A.Transport and detoxification of manganese and copper in plants [J].BrazilianJournalofPlantPhysiology,2005,17(1):103.

[32] GANGWAR S,SINGH V P.Indole acetic acid differently changes growth and nitrogen metabolism inPisumsativumL.seedlings under chromium(VI) phytotoxicity:Implication of oxidative stress [J].ScientiaHorticulturae,2011,129(2):325.

EffectofGenotypeandEnvironmentonNutritionalTraitsofWildBarley(Hordeumspontaneum)fromIsrael

LINian1,RUANJingjun1,YANJun2,ZHAOGang2,DAIYonglu2,CHENGJianping1
(1.Institute of Triticeae Crops, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025, China; 2.School of Pharmacy and Bioengineering, Chengdu University, Chengdu, Sichuan 610106, China)

In this study, 60 genotypes of wild barley(Hordeumspontaneum) with nine populations derived from different habitats of Israel were studied for the effect of eco-geographical factors of the origin place and growing environment on nutritional traits under three experimental trials of field. The main nutritional components of nine wild barley populations were measured by single factor variance analysis, correlation network analysis and Spearman Rho significant correlation analysis. The results showed that there is a significant correlation between the multiple nutritional traits ofHordeumspontaneumand the soil composition of tested regions. Meanwhile, the results indicated that genotypes and environments had a collaborative influence on content of inorganic phosphorus, total starch and single grain weight of wild barley, and the difference of environmental conditions was the main factor affecting the phytic acid, soluble protein and amino acid content in grains.

Hordeumspontaneum; Genotype; Nutritional traits; Environment

時間：2017-12-11

網(wǎng)絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171211.1106.012.html

2017-04-04

2017-04-28

國家自然科學基金項目(31560578)；國家科技部國際科技合作專項(2013DFA32200)

E-mail：982283656@qq.com

程劍平(E-mail:agr.jpcheng@gzu.edu.cn)

S512.1；S331

A

1009-1041(2017)12-1564-07