富含有益礦質(zhì)元素小麥種質(zhì)資源的篩選及育種利用

王 維，郭 紅，于 慧，吳崇寧，李小康，陳廣鳳，田紀(jì)春，鄧志英?

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，小麥品質(zhì)育種研究室，山東 泰安 271018；2.德州學(xué)院 生態(tài)與資源環(huán)境學(xué)院，山東 德州 253000）

人體礦質(zhì)元素與其生存的天然環(huán)境息息相關(guān)，包括常量元素、微量元素和有害元素。目前公認(rèn)的人體必需的微量元素有13種：鐵（Fe）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鉬（Mo）、碘（I）、鈷(Co)、錳（Mn）、釩（V）、硅（Si）、硒（Se）、氟（F）、鎳(Ni)、錫（Sn）[1]。中國營養(yǎng)學(xué)會(huì)認(rèn)為，人體每日攝取鈣元素總量應(yīng)不超過2 000 mg；在正常人的膳食中，Mn的需求量為每天4～9 mg；推薦成人Fe攝入量為17.5 mg人/天，可耐受最高攝入量為50 mg人/天；成年人每天需要Cu 0.05～2 mg；成人Zn攝入量為男性 15 mg人/天，女性11.5 mg人/天，對(duì)鋅的可耐受最高攝入量為男性45 mg人/天，女性37 mg人/天；成人推薦Se攝入量為50 μg人/天，可耐受最高攝入硒量男女均為400 μg人/天。砷（As）元素廣泛存在于自然界，幾乎在人類所有食品中都有，我國規(guī)定原糧中砷含量應(yīng)低于 0.7 mg/kg[2]。

現(xiàn)代營養(yǎng)醫(yī)學(xué)研究表明，礦質(zhì)元素在人體中有相當(dāng)重要的生理作用，但是礦質(zhì)元素是人體自身無法合成的，必須要從日常食物當(dāng)中獲取[3]。隨著人們生活方式的變化，一部分居民營養(yǎng)失衡，也表現(xiàn)為攝入過量的常量元素、過少的微量元素及有益的非營養(yǎng)元素，這是對(duì)人們身體健康造成危害的重要原因。

小麥在我國北方民眾生活中是最重要的食物以及礦質(zhì)來源，為人們提供了生命活動(dòng)所需要的蛋白質(zhì)及礦質(zhì)元素等物質(zhì)，其營養(yǎng)品質(zhì)跟人類健康有著密切的關(guān)系。小麥籽粒中有益礦質(zhì)元素的含量低并且生物有效性差，這是中國乃至全球各國尤其是發(fā)展中國家廣泛存在的問題[4]。

小麥籽粒中礦質(zhì)元素含量會(huì)受到多種因素的影響，例如遺傳因素和非遺傳因素，包含小麥品種、種植區(qū)域的環(huán)境情況、施肥的種類以及數(shù)量、種植地氣候條件等[5-7]。

從品種方面來講，藍(lán)粒小麥和紫粒小麥中的Mn、Fe、Cu、Zn的含量都顯著高于普通小麥[8]。黑粒小麥中的鈣（Ca）、Fe、Zn、Se等元素含量以及蛋白質(zhì)含量一般都要高于紅?；虬琢Ｐ←淸9]。前人研究發(fā)現(xiàn)，小麥中存在可以控制其礦質(zhì)元素含量的基因。從野生小麥中克隆而來的 Gpc-B1基因就是一種能提高小麥籽粒中蛋白質(zhì)、鋅和鐵含量的基因[10]。

雖然小麥籽粒礦質(zhì)元素的含量是由環(huán)境和基因共同決定的，但是遺傳效應(yīng)對(duì)其的影響仍舊很強(qiáng)[11]。對(duì)一種礦質(zhì)元素而言，在不同基因型小麥籽粒中的含量差異也會(huì)比較大。張勇等從240份小麥中篩選出了含F(xiàn)e元素較高的品種（系）8份，篩選出含Zn比較高的品種（系）5份[12]。石榮麗等對(duì)中國小麥微核心種質(zhì)庫籽粒礦質(zhì)元素含量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)在我國小麥籽粒中，八種礦質(zhì)元素含量都存在明顯的基因型差異，小麥籽粒中的Mn、Fe、Cu、Zn四種元素含量之間也存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系[13]。

盡管前人對(duì)小麥種質(zhì)資源進(jìn)行了篩選，但多數(shù)考慮的是有益微量礦質(zhì)元素，同時(shí)考慮有益礦質(zhì)元素和低重金屬元素的篩選，鮮見報(bào)道。因此，本研究利用電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）對(duì)205份小麥種質(zhì)資源3年2個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了有益礦質(zhì)元素和重金屬含量的測(cè)定，以期篩選出高有益礦質(zhì)元素低重金屬含量的優(yōu)異種質(zhì)資源，為富含有益礦質(zhì)元素小麥新品種的培育奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)涉及的元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 μg/mL）：國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心。

205份具有代表性的小麥種質(zhì)：分別在2013—2014年（E1）于山東省德州市、2014—2015年（E2）、2015—2016年（E3）、2016—2017年（E4）于山東省泰安市等兩個(gè)不同地點(diǎn)種植。四個(gè)環(huán)境下均為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，2次重復(fù)，3行區(qū)種植，均勻播種40粒，行長(zhǎng)1.3 m，行間距0.25 m。將收獲的籽粒儲(chǔ)藏于4 ℃冷庫中備用。

不同地點(diǎn)的土壤條件見表 1。兩地土壤中礦質(zhì)元素含量差異不大，由此可知，兩地的土壤條件趨于一致，其對(duì)小麥籽粒中礦質(zhì)元素的影響也趨于一致。

表1 不同種植環(huán)境的土壤條件Table 1 Soil conditions in different planting environments mg/kg

1.2 主要儀器

微波消解儀，Multiwave PRO：奧地利Antonpaar公司；3100錘式實(shí)驗(yàn)粉碎磨：瑞典Perten儀器有限公司；電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，ICAP Q ICP-MS：美國Thermo Fisher ScientificInc。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 各元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

1.3.1.1 鈣錳鐵銅鋅混合標(biāo)準(zhǔn)溶液 標(biāo)準(zhǔn)溶液由Ca、Mn、Fe、Cu、Zn五種單元素國家標(biāo)準(zhǔn)母液（國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心）1 000 μg/mL逐級(jí)稀釋取得，溶液介質(zhì)為 10%HNO3溶液。根據(jù)樣品中Ca、Mn、Fe、Cu、Zn的含量，制備5個(gè)濃度梯度的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液供檢測(cè)時(shí)使用（表2）。

表2 Ca、Mn、Fe、Cu、Zn混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制Table 2 The preparation of standard solution containting Calcium,Manganese,Iron,Copper and Zinc μg/mL

1.3.1.2 砷硒鎘鉛混合標(biāo)準(zhǔn)溶液 濃度為 1 000 μg/mL的 As、Se、Cd、Pb四種元素的單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心），使用時(shí)用先稀釋到1 000倍，再分別稀釋到5個(gè)濃度（表3），溶液介質(zhì)為10%HNO3溶液。

表3 As、Se、Cd、Pb混合標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制Table 3 The preparation of standard solution containting Arsenic Selenium Cadmium and Lead μg/mL

1.3.1.3 內(nèi)標(biāo)溶液 將濃度為1 000 μg/mL的Ge、Rh（國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心）標(biāo)準(zhǔn)溶液用 HNO3溶液分別稀釋為 0.50 μg /mL、0.50 μg /mL，作為內(nèi)標(biāo)溶液備用。

1.3.1.4 空白標(biāo)準(zhǔn)溶液 在 100 mL容量瓶中加入10 mL硝酸（HNO3），然后用超純水（電阻率為18.2 MΩ·cm）定容到100 mL，即為空白標(biāo)準(zhǔn)溶液，過濾并備用。

1.3.2 全麥粉制備

參考姬翔等方法[14]。

1.3.3 樣品的微波消解

參照韓張雄等方法[15]。

1.3.4 樣品中礦質(zhì)元素的檢測(cè)

參照馬艷等方法[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用DPS DPS v7.05和SPSS Statistics 22軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各元素標(biāo)準(zhǔn)曲線

各元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖 1～9，各礦質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)線性值r值在0.997 7～0.999 9之間，說明各元素在一定質(zhì)量濃度范圍內(nèi)與信號(hào)強(qiáng)度呈良好的線性關(guān)系。對(duì)全麥粉樣品進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，各元素的回收率均在80 %～120 %之間，表明該方法重復(fù)性較好，能夠應(yīng)用于小麥籽粒中礦質(zhì)元素的含量分析。

圖1 鈣元素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of calcium

圖2 錳元素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Standard curves of manganese

圖3 鐵元素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 Standard curve of iron

圖4 銅元素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.4 Standard curve of copper

圖5 鋅元素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.5 Standard curve of zinc

圖6 硒元素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.6 Standard curve of selenium

圖7 砷元素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.7 Standard curve of arsenic

圖8 鎘元素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.8 Standard curve of cadmium

圖9 鉛元素標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.9 Standard curve of lead

2.2 樣品中礦質(zhì)元素含量的表型分析

各品種同一礦質(zhì)元素含量的極值在不同環(huán)境下差異較大，但是大致趨勢(shì)相同（見表4），不同礦質(zhì)元素在不同的小麥品種中含量差異十分顯著。各元素的含量均呈連續(xù)分布，為典型的數(shù)量性狀，在遺傳上是受多基因控制，可對(duì)其進(jìn)行性狀/標(biāo)記之間的關(guān)聯(lián)分析。

重金屬元素含量相對(duì)較低（見表5），從平均值來看鎘元素含量最高，鉛元素含量在 0～0.692 6 μg/mL之間，說明不同小麥種質(zhì)資源遺傳多樣性差異較大。在205份材料中，硒元素的偏度和峰度、錳元素的偏度參數(shù)絕對(duì)值均在1左右，說明這些礦質(zhì)元素含量在試驗(yàn)材料中呈正態(tài)分布。而其他元素含量的偏度、峰度值和錳元素含量的峰度值均大于1，表明各元素含量分布傾向于高含量。

2.3 不同環(huán)境下各元素含量的差異分析

由表4可知，鈣元素含量在2014年德州含量最高，與其他三個(gè)環(huán)境相比達(dá)極顯著差異；在泰安點(diǎn)，除2016年，其他兩個(gè)年份沒有顯著性差異。錳元素含量在2017年泰安點(diǎn)最高，與其他兩個(gè)年份相比達(dá)極顯著差異，但與德州點(diǎn)相比未達(dá)顯著性差異。鐵元素含量在2016年泰安點(diǎn)最高，與其他兩個(gè)年份和2014年德州相比，達(dá)顯著性差異。銅元素含量在2014年德州點(diǎn)最高，與泰安點(diǎn)3個(gè)年份相比，達(dá)極顯著性差異，且泰安點(diǎn)3個(gè)年份之間也達(dá)極顯著差異。鋅元素含量在2014年德州點(diǎn)最高，與2017年泰安點(diǎn)相比，達(dá)顯著性差異，與其他兩個(gè)年份相比，達(dá)極顯著差異；泰安點(diǎn)，2017年鋅含量與其他兩個(gè)年份相比，也都達(dá)極顯著性差異。硒元素含量以2014年德州點(diǎn)最高，和其他環(huán)境相比達(dá)極顯著差異。

表4 小麥籽粒中各有益礦質(zhì)元素含量的表型分析Table 4 Phenotypic analysis of the content of beneficial mineral elements in wheat grain

由表5可知，重金屬砷以2017年泰安點(diǎn)最高，與其環(huán)境達(dá)極顯著差異，其次是2015年泰安點(diǎn)；重金屬鎘以2014年德州點(diǎn)最高，與其他環(huán)境達(dá)極顯著差異，泰安點(diǎn)2015和2016年之間達(dá)極顯著差異。由于絕大多數(shù)材料中未檢測(cè)出鉛含量，只有個(gè)別材料中檢出，因此，未做詳細(xì)分析。

表5 小麥籽粒中各有害礦質(zhì)元素含量的表型分析Table 5 Phenotypic analysis of the content of harmful mineral elements in wheat grain

2.4 環(huán)境對(duì)小麥籽粒中礦質(zhì)元素含量的影響

由表6可知，德州點(diǎn)籽粒中鈣元素含量比泰安點(diǎn)高314.392 2 μg/mL，籽粒中錳元素含量比泰安點(diǎn)高1.351 5 μg/mL，籽粒中鋅元素含量比泰安點(diǎn)高13.496 6 μg/mL，德州點(diǎn)的小麥籽粒中鈣、錳、銅、鋅、硒五種礦質(zhì)元素均高于泰安點(diǎn)，差異也十分顯著，由此可知，德州試驗(yàn)點(diǎn)的環(huán)境更有利于上述五種元素的積累?？赡苡捎诘轮莪h(huán)境污染，致使重金屬含量總高于泰安點(diǎn)，可知泰安點(diǎn)環(huán)境條件優(yōu)于德州點(diǎn)。

表6 不同地點(diǎn)小麥籽粒中礦質(zhì)元素含量Table 6 The content of mineral elements of wheat grain in different locations

2.5 優(yōu)異種質(zhì)材料的篩選

籽粒中有益元素含量較高的材料共38個(gè)（表7和表 8）。其中，Ca含量最高的材料為 B111，平均值為2 903.441 3 μg/mL；Mn含量最高的小麥品種為B21，均值為163.160 7 μg/mL；含F(xiàn)e最高的品種是B189，含量為457.170 1 μg/mL，并且Pb含量也很低；B163含銅量最高，為20.494 4 μg/mL，B33的籽粒含銅量比較高的同時(shí)，鎘含量也比較低；B14的鋅含量最高，達(dá)158.365 9 μg/mL；Se含量最高的品種是B38，含量為0.002 5 μg/mL，B178有較高的硒含量和較低的砷含量。

表7 小麥籽粒中鈣、錳、鐵含量最高的材料Table 7 The materials with the highest Ca,Mn and Fe concentration in wheat grain μg/mL

表8 小麥籽粒中銅、鋅、硒含量最高的材料Table 8 The materials with the highest Cu,Zn and Se concentration in wheat grain μg/mL

多種礦質(zhì)元素含量都比較高的材料共 24個(gè)（表9）。其中B45、B38和B21三個(gè)品種的籽粒中4種有益礦質(zhì)元素的含量都較高；B111、B125、B202、B113、B36、B38、B114、B35 等八個(gè)品種籽粒有3種含量都比較高的礦質(zhì)元素。

表9 小麥籽粒中多種有益礦質(zhì)元素含量高的材料Table 9 Variety with high mineral content in wheat grains μg/mL

高有益礦質(zhì)元素低重金屬含量的材料共 33個(gè)（表10）。其中B70的砷含量比較低，B125中的鈣元素和鐵元素含量高，鉛元素含量低。

表10 高有益礦質(zhì)元素含量低重金屬含量的小麥材料Table 10 Variety with high mineral content and low heavy metal content in wheat grains μg/mL

3 討論

不同類型的礦質(zhì)元素在不同小麥材料中的含量差異也十分顯著，在所測(cè)的九種礦質(zhì)元素中，鐵元素的含量變幅為從 41.778 4 μg/mL到1 267.636 9 μg/mL之間，變幅較大，與前人研究相比，本研究的材料中具有相對(duì)較大的遺傳多樣性。

群體中不同品種之間的礦質(zhì)元素含量存在比較大的差異，B111品種的鈣、鐵、鋅含量都比較高，B198是鐵含量較高的品種。如果利用這兩個(gè)品種進(jìn)行雜交，累積優(yōu)良性狀，有可能培育出富含鈣、鐵、鋅元素的小麥新品種，這也說明了通過生物育種提高小麥礦質(zhì)元素含量的可行性。

前人研究發(fā)現(xiàn)施用氮肥能有效提高小麥籽粒中礦質(zhì)元素的含量[17-19]。本研究表明，同一品種小麥在泰安和德州兩個(gè)地區(qū)種植，所得到的小麥籽粒中的元素也會(huì)有差別，說明了小麥籽粒中微量元素的含量受環(huán)境條件的影響。不同品種的小麥在同樣的栽培環(huán)境下，礦質(zhì)元素含量也會(huì)存在差異。張勇等測(cè)量了在相同環(huán)境下種植的來自 6個(gè)省區(qū) 240個(gè)小麥品種中一部分礦質(zhì)元素的含量，結(jié)果表明，由于遺傳背景不同，品種間各礦質(zhì)元素含量存在著明顯的差異[18]。本研究中，小麥籽粒中各礦質(zhì)元素的含量在泰安點(diǎn)的三個(gè)環(huán)境下也有差異，不同礦質(zhì)元素在不同的小麥品種中含量差異也十分顯著。例如，鈣元素在4個(gè)環(huán)境下的含量均值變幅在1 635.239 5 μg/mL到2 057.703 3 μg/mL之間，不同小麥種質(zhì)資源遺傳多樣性差異較大。在205份材料中，除了硒元素的礦質(zhì)元素含量呈正態(tài)分布，剩余其他元素含量分布都傾向于高含量。

由此可見，小麥籽粒中微量元素的含量不僅跟其本身基因型有關(guān)，與外部環(huán)境、養(yǎng)分等也有較密切的關(guān)聯(lián)，因此，在小麥生產(chǎn)中要注意種植地的土壤環(huán)境條件并采取科學(xué)的管理措施，提供良好的外部環(huán)境來使小麥籽粒中有益礦質(zhì)元素含量的增加。

4 結(jié)論

共篩選出單種有益礦質(zhì)元素含量較高的材料38個(gè)，其中鈣、鐵、鋅、硒含量最高的材料分別為B111、B189、B14和B38；多種有益礦質(zhì)元素含量都比較高的材料有 24個(gè)，如 B45、B38和B21三個(gè)品種的籽粒中同時(shí)含有4種高含量的有益礦質(zhì)元素；高有益礦質(zhì)元素低有害礦質(zhì)元素含量的材料共33個(gè)，如B125，Ca、Fe、Cu的含量較高而Pb含量低。這些材料為富含有益礦質(zhì)元素功能性小麥品種的培育及研發(fā)利用奠定了良好的基礎(chǔ)。