小麥籽粒類胡蘿卜素含量的遺傳分析

鄭文寅，曾令楠，程 穎，侯丞志，曹文昕，趙 莉，姚大年，*

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮南片小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230036； 2.赤峰農(nóng)牧學(xué)校，內(nèi)蒙古 赤峰 024000； 3.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物研究所/農(nóng)作物品質(zhì)改良安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230001)

作物營養(yǎng)和健康品質(zhì)改良正在成為世界主要作物的重要研究方向和育種目標(biāo)。小麥類胡蘿卜素含有黃色素、玉米黃素、α-胡蘿卜素、β-胡蘿卜素和β-隱黃素等成分，后三者及黃色素的部分代謝產(chǎn)物是維生素A(V)的前體物質(zhì)，具有抗氧化、抗癌、預(yù)防眼睛老年性黃斑病變、延緩衰老、提高免疫力等重要生理保健功能?？梢姡←溩蚜Ｖ械念惡}卜素具有較高的營養(yǎng)價(jià)值，對人類健康具有重要作用。因此，以提高小麥籽粒類胡蘿卜素含量為目標(biāo)的品質(zhì)改良成為小麥遺傳育種和食品營養(yǎng)研究的熱點(diǎn)之一。

有關(guān)小麥籽粒類胡蘿卜素的遺傳特性前人已有過報(bào)道。Leenhardt等研究一粒小麥(二倍體)、硬粒小麥(四倍體)和面包小麥的類胡蘿卜素含量，結(jié)果為一粒小麥的平均值5.75 μg·g、杜倫小麥3.32 μg·g和面包小麥1.24 μg·g，一粒小麥?zhǔn)嵌艂愋←満兔姘←湹?.7倍和4.6倍，杜倫小麥?zhǔn)敲姘←湹?.7倍；其他研究者分析的小麥類胡蘿卜素含量的平均值結(jié)果為一粒小麥8.41 μg·g、杜倫小麥2.46 μg·g和面包小麥1.40 μg·g。雖然不同研究者的結(jié)果不盡一致，但均呈現(xiàn)隨著倍性增加而成倍遞減的趨勢。鄭文寅等的研究則認(rèn)為，我國小麥品種間的全麥粉類胡蘿卜素含量差異顯著，為篩選類胡蘿卜素含量較高和較低的種質(zhì)資源創(chuàng)造了條件。此外，Clarke等認(rèn)為，杜倫小麥總類胡蘿卜素的廣義遺傳力為91%。Digesù等也得出四倍體小麥的總類胡蘿卜素廣義遺傳力為94%的結(jié)論。Meng等的研究認(rèn)為杜倫小麥和普通小麥的類胡蘿卜素存在廣泛的遺傳變異，并具有較高的遺傳力。Rodríguez-Suárez等結(jié)合前人的研究認(rèn)為，小麥類胡蘿卜素是由主效基因控制的數(shù)量性狀。目前研究者在杜倫小麥和普通小麥的不同染色體上，已鑒定出幾個(gè)類胡蘿卜素的QTL。然而在我國，小麥類胡蘿卜素的育種改良尚處于起步階段，其遺傳研究還比較少。因此，在本課題組前期研究的基礎(chǔ)上，利用7個(gè)籽粒類胡蘿卜素含量有一定差異的小麥品種為試驗(yàn)材料，按7×7完全雙列雜交法Ⅱ配制21個(gè)組合，研究其遺傳規(guī)律，為我國針對小麥類胡蘿卜素含量的品質(zhì)改良和育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料來自于 2016—2017 年度種植在合肥市大揚(yáng)鎮(zhèn)安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)高新技術(shù)農(nóng)業(yè)園的21個(gè)雜交組合。2016年小麥抽穗期配制21個(gè)雜交組合，雜交組合的親本為蘇麥 188(P1)、鎮(zhèn)麥11(P2)、生選2號(P3)、揚(yáng)麥21(P4)、揚(yáng)輻麥4號(P5)、揚(yáng)麥16(P6)、揚(yáng)麥 15(P7)。組合配制按照 Griffing 雙列雜交法II，田間試驗(yàn)按隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3個(gè)重復(fù)。每組合行長1.5 m，行距25 cm。于2017年秋季將組合收獲F種子(F)，充分晾曬至安全水分(含水量≤13%)以下，缸藏備用。

1.2 方法

1.2.1 類胡蘿卜素含量的測定

參照鄭文寅等的方法。籽粒磨成全麥粉后稱取2 g加入到40 mL離心管中，在離心管中再加入10 mL的水飽和正丁醇，勻速振蕩1 h，之后再靜置15 min，放入離心機(jī)內(nèi)，10 000 ×離心10 min，離心完畢后提取上清液至比色皿，在440 nm的波長下，利用普析TU-1810型紫外分光光度計(jì)測定上清液的吸光值。重復(fù)3次，利用類胡蘿卜素含量(mg·kg)=×計(jì)算公式計(jì)算出各品種的類胡蘿卜素含量。公式中為440 nm處吸光度對應(yīng)濃度(μg·mL)，為類胡蘿卜素溶液體積(mL)，為全麥粉的質(zhì)量(g)。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析

利用DPS V18.10數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)方差分析和顯著性檢驗(yàn)，在Grififing配合力分析模型2模式下分析類胡蘿卜素含量的一般配合力效應(yīng)和特殊配合力方差、效應(yīng)及遺傳參數(shù)估算，在親本及一組F組合Hayman遺傳分析模式下分析親本序列方差r 、協(xié)方差r、(r+r)和(r-r)方差分析和回歸方程等。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及其雜交組合類胡蘿卜素含量的差異

從表1可知，供試的7個(gè)親本類胡蘿卜素含量在1.935～3.622 mg·kg，其中蘇麥188籽粒類胡蘿卜素含量最高，鎮(zhèn)麥11含量次之，揚(yáng)幅麥4號的含量最低。雜交組合的籽粒類胡蘿卜素含量在1.951～3.377 mg·kg。隨機(jī)區(qū)組的方差分析結(jié)果(表2)顯示，類胡蘿卜素含量在區(qū)組間未達(dá)到顯著差異，表明該性狀不易受到環(huán)境條件變化的影響。表2同樣顯示，供試材料的類胡蘿卜素含量的基因型差異達(dá)到極顯著水平，說明這一性狀在不同品種和雜交組合間存在著顯著的遺傳差異，可進(jìn)一步分析其親本一般配合力、雜交組合特殊配力以及遺傳模型和遺傳參數(shù)的估算。

表1 親本及其雜交組合的類胡蘿卜素含量

表2 供試材料類胡蘿卜素含量的方差分析

2.2 類胡蘿卜素含量的配合力分析

2.2.1 方差分析

表3中一般配合力和特殊配合力方差分析結(jié)果表明，親本的一般配合力以及雜交組合的特殊配力方差值均達(dá)到了極顯著水平，說明真實(shí)存在著不同的配合力效應(yīng)，同時(shí)表明小麥籽粒類蘿卜素含量的遺傳同時(shí)受基因加性效應(yīng)和非加性效應(yīng)的共同作用，可做進(jìn)一步估算和比較。

表3 類胡蘿卜素含量的配合力方差分析

2.2.2 一般配合力效應(yīng)

一般配合力效應(yīng)及配合力效應(yīng)差異(兩兩比較)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可以看出，各親本間類胡蘿卜素含量的一般配合力效應(yīng)差異較大，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果說明親本間均存在真實(shí)的一般配合力效應(yīng)差異；親本蘇麥188和生選2號的類胡蘿卜素含量配合力效應(yīng)為正向，顯著優(yōu)于其他5個(gè)親本；鎮(zhèn)麥11、揚(yáng)麥15、揚(yáng)麥16和揚(yáng)麥21間的一般配合力差異不顯著；揚(yáng)幅麥4號的一般配合力效應(yīng)值顯著低于其他6個(gè)親本。比較7個(gè)親本的一般配合力效應(yīng)可以得知，蘇麥188、生選2號可以作為較好的育種親本，可使后代的類胡蘿卜素含量提高，而其他5個(gè)親本的類胡蘿卜素含量的加性遺傳效應(yīng)較弱。

表4 親本的一般配合力效應(yīng)及比較

2.2.3 特殊配合力效應(yīng)

比較表5中各組合的相對效應(yīng)值可得知，在21個(gè)雜交組合中，有9個(gè)組合的特殊配合力效應(yīng)是負(fù)值，12個(gè)組合表現(xiàn)為正值。其中特殊配合力效應(yīng)值較大的3個(gè)組合是生選2號×揚(yáng)麥21、蘇麥188×揚(yáng)麥16和生選2號×揚(yáng)麥15，分別為0.444 2、0.411 6和0.389 6；特殊配合力效應(yīng)值最小的3個(gè)組合是蘇麥188×鎮(zhèn)麥11、揚(yáng)麥16×揚(yáng)麥15和蘇麥188×揚(yáng)麥21，分別為-0.735 5、-0.371 4和-0.329 1。結(jié)合表4和表5可以看出，一般配合力最大的蘇麥188與鎮(zhèn)麥11、生選2號和揚(yáng)麥21的組合特殊配合力均為負(fù)值，與揚(yáng)幅麥4號、揚(yáng)麥16和揚(yáng)麥15的特殊配合力均為正值，且正、負(fù)值間的差異性達(dá)到了顯著水平，可見蘇麥188參與的組合中除了加性效應(yīng)，還存在明顯的非加性效應(yīng)。而生選2號參與的組合特殊配合力效應(yīng)值都比較高，結(jié)合其一般配合力效應(yīng)值，可將生選2號作為高類胡蘿卜素含量育種目標(biāo)的優(yōu)良親本。

表5 雜交組合間的特殊配合力相對效應(yīng)值

2.3 類胡蘿卜素含量的遺傳模型分析

結(jié)合表2和表3可以得知，小麥類胡蘿卜素含量的基因型間效應(yīng)、親本效應(yīng)和組合效應(yīng)差異均達(dá)到了顯著或極顯著水平，因而可以進(jìn)行親本序列方差r、協(xié)方差r等的分析，以明確這一性狀的遺傳模型。

2.3.1r/r回歸分析

根據(jù)莫惠棟介紹的Hayman雙列雜交遺傳模型的估算，若性狀的r依r的線性回歸顯著即回歸系數(shù)與0的差異顯著，而同時(shí)與1差異不顯著，該性狀可推斷是加性-顯性模型遺傳，否則，就意味著還存在著上位性效應(yīng)；在加性-顯性模型中，回歸截距大于0為部分顯性，等于0為完全顯性，小于0為超顯性。從表6可知，本試驗(yàn)中類胡蘿卜素含量的r/r的回歸方程為r=-1.991 9+0.487 6r，回歸關(guān)系0達(dá)到了極顯著水平，且與1的差異(1)也達(dá)到極顯著水平，表明該性狀不符合加性-顯性遺傳，而存在上位性效應(yīng)，因此可推斷其遺傳模型為加性-顯性-上位性。

表6 Wr/Vr直線回歸分析結(jié)果

2.3.2r+r和r-r方差分析

r+r和r-r的方差分析結(jié)果可作為判別顯性和上位性效應(yīng)的依據(jù)，通常r+r的異質(zhì)性是由顯性效應(yīng)引起的，而r-r的異質(zhì)性是由非等位相互作用即基因的上位性效應(yīng)引起的。從表7方差分析結(jié)果可知，本試驗(yàn)中類胡蘿卜素含量的r+r和r-r在公共親本間的差異均達(dá)到了極顯著水平，說明該性狀的遺傳和基因作用方式比較復(fù)雜，既有加性和顯性效應(yīng)也有非等位基因間的互作，為加性-顯性-上位性遺傳，這與r和r的直線回歸分析結(jié)果一致。

表7 Wr+Vr和Wr-Vr的方差分析

2.4 親本顯隱性基因的分布和作用方向

在Hayman遺傳分析模式下還可以通過比較各親本在協(xié)方差r和序列方差r回歸圖中的位置去推測親本某一性狀的顯性基因和隱性基因的分布和多少。在回歸圖中，如果親本的陣列點(diǎn)離原點(diǎn)越近，表明其控制類胡蘿卜素含量遺傳的顯性基因多；遠(yuǎn)離原點(diǎn)則表明其擁有較多的控制類胡蘿卜素含量的隱性基因。因此，從圖1可看出，鄭麥11、揚(yáng)麥21、揚(yáng)幅麥4號、揚(yáng)麥16和揚(yáng)麥15等5個(gè)親本具有較多控制類胡蘿卜素含量的顯性基因，而生選2和蘇麥188具有較多控制這一性狀的隱性基因。

為了進(jìn)一步判斷小麥籽粒類胡蘿卜素含量高低值是受顯性基因還是隱性基因控制，繼續(xù)利用r、r值和各親本類胡蘿卜素含量進(jìn)行了r+r與親本值間的Pearson簡單相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為-0.632 7，說明高值受隱性基因控制，低值受顯性基因控制。

P1， 蘇麥188；P2， 鄭麥11；P3， 生選2號；P4， 揚(yáng)麥21；P5， 揚(yáng)幅麥4號；P6， 揚(yáng)麥16；P7， 揚(yáng)麥 15。P1， Sumai 188；P2， Zhenmai 11；P3， Shengxuan No. 2；P4， Yangmai 21；P5， Yangfumai No. 4；P6， Yangmai 16；P7， Yangmai 15.圖1 類胡蘿卜素含量Wr依Vr的回歸直線圖Fig.1 Line regressions of Wr on Vr for carotenoid content

2.5 遺傳參數(shù)估計(jì)

從表8估算的遺傳參數(shù)可以看出，普通小麥類胡蘿卜素含量的加性方差和顯性方差差別不大，說明類胡蘿卜素含量的遺傳不是以加性效應(yīng)為主。從廣義遺傳力和狹義遺傳力看，二者均低于50%，進(jìn)一步說明普通小麥類胡蘿卜素含量的遺傳變異不僅包括加性遺傳變異，還包括顯性效應(yīng)變異等非加性遺傳變異。而環(huán)境方差較小，說明類胡蘿卜素受環(huán)境影響相對較小。因此，該性狀適宜在高代進(jìn)行選擇。

表8 類胡蘿卜素含量的遺傳參數(shù)

3 討論

人類自身不能合成類胡蘿卜素，必須依靠從食物中攝取。類胡蘿卜素研究在水稻和玉米上開展較早，在小麥上相對較晚。Rodríguez-Suárez等認(rèn)為，通過轉(zhuǎn)基因和非轉(zhuǎn)基因方法均可獲得高類胡蘿卜素含量的小麥。研究者以普通小麥為受體，分別將谷物的類胡蘿卜素高表達(dá)基因(玉米1和、大麥1-、二倍體小麥1-)導(dǎo)入小麥，均能夠較大幅度地提高小麥的類胡蘿卜素含量。但是，通過雜交等傳統(tǒng)育種進(jìn)行小麥籽粒類胡蘿卜素含量改良當(dāng)前仍是最安全有效的手段，對其遺傳規(guī)律的研究依然是必要的。

通過測定親本的一般配合力和雜交組合的特殊配合力，有助于挖掘不同作物品種在某一性狀上的遺傳育種潛力，也是正確選擇育種親本以進(jìn)行高效分子水平輔助選擇育種的一種途徑。本研究中，供試7個(gè)親本材料中蘇麥188和生選2號的類胡蘿卜素含量平均值和一般配合力均較高，而生選2號在進(jìn)一步的特殊配合力中表現(xiàn)最好。因此，推測親本生選2號具有較大改良類胡蘿卜素含量的遺傳潛力，而在高類胡蘿卜素含量的品種選育中，最好選用高×中類型。此外，該性狀的高值受隱性基因控制，在早代選擇中不易發(fā)現(xiàn)較好的后代。

Clarke等研究認(rèn)為，杜倫小麥總類胡蘿卜素的廣義遺傳力較高，其不同色素成分的遺傳力范圍為34%～95%；Digesu等得出廣義遺傳力為：總類胡蘿卜素94%、黃色素93%、玉米黃素48%、α-胡蘿卜素79%、β-胡蘿卜素57%、β-隱黃素72%。Meng等研究認(rèn)為，杜倫小麥和普通小麥的類胡蘿卜素存在廣泛的遺傳變異，并具有較高的遺傳力，有利于針對育種目標(biāo)篩選高、低類胡蘿卜素含量的資源材料。而在本研究中，小麥籽粒(全麥粉)中類胡蘿卜素含量的廣義和狹義遺傳均低于50%且環(huán)境方差較小?？梢姡捎谠囼?yàn)材料的群體差異和試驗(yàn)方法的不同，小麥籽粒類胡蘿卜素含量的遺傳特性研究結(jié)果還存在一些差異?；趨擎骆碌日J(rèn)為類胡蘿卜素含量的環(huán)境變異大于基因型變異且基因×環(huán)境互作效應(yīng)達(dá)到極顯著水平的研究水平，有必要在多個(gè)環(huán)境條件下對我國不同小麥品種籽粒類胡蘿卜素含量進(jìn)一步深入研究和評價(jià)，以獲得更準(zhǔn)確更有育種指導(dǎo)意義的遺傳規(guī)律結(jié)論。

更多的研究支持小麥籽粒黃色素含量受多個(gè)基因位點(diǎn)的調(diào)控，田紀(jì)春利用包含了182個(gè)家系的RIL群體進(jìn)行了QTL定位，并認(rèn)為小麥面粉類蘿卜素的含量除受加性QTL影響外，其上位性效應(yīng)也起重要作用。這與本文研究結(jié)果大致相同，小麥籽粒的類胡蘿卜素含量的遺傳機(jī)制較復(fù)雜，存在上位性效應(yīng)為加性-顯性-上位性模型遺傳。

因此， 在以高類胡蘿卜素含量為目標(biāo)的雜交育種中， 應(yīng)盡量避免使用籽粒類胡蘿卜素含量低的品種作親本。在親本選配時(shí)，選擇高×中類胡蘿卜素含量的品種類型。由于小麥籽粒類胡蘿卜素含量的遺傳不僅存在加性和顯性效應(yīng)， 還存在非等位基因間互作，是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)量性狀，其高值受隱性基因控制，遺傳力中等偏下。因此，在進(jìn)行該性狀早代選擇時(shí)，可適當(dāng)增大選擇群體只做寬泛的選擇以剔除含量特別低的后代，有效地材料選擇應(yīng)在高代進(jìn)行，此時(shí)選擇類胡蘿卜素含量較高的新品系比較準(zhǔn)確且能加快純合速度。