苦蕎種質資源評價及遺傳育種研究展望

任長忠,陳慶富,李洪有,魏黎明,郭來春,王春龍,李春花

(1 吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學院,吉林白城 137000;2 貴州師范大學蕎麥產(chǎn)業(yè)技術研究中心,貴陽 550001)

苦蕎屬于蓼科蕎麥屬(FagopyrumMill.)一年生植物,起源于中國西藏喜馬拉雅地區(qū)[1]。 作為藥食同源作物,苦蕎除含有豐富的營養(yǎng)物質(蛋白質、氨基酸、不飽和脂肪酸等)外,還富含黃酮、酚酸、生物堿、三萜、蒽醌等生物活性物質,具有降“三高”、消炎、抗氧化、抗病毒、抗動脈硬化和抗癌防癌等多種保健功能[2-3]。近年來,隨著人們對苦蕎保健作用的認識逐漸加深,以及國家對苦蕎產(chǎn)業(yè)的支持,苦蕎的需求量日益增加,相關加工產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展。然而,中國苦蕎育種技術落后,現(xiàn)有的苦蕎品種普遍存在產(chǎn)量低、落粒、難脫殼、易倒伏等問題,優(yōu)質高產(chǎn)、專用型新品種缺乏,現(xiàn)有的資源已不能滿足生產(chǎn)需求,嚴重制約了苦蕎生產(chǎn)加工的發(fā)展。為此,本研究歸納了中國苦蕎種質資源收集,概述了苦蕎種質資源的評價利用和遺傳育種現(xiàn)狀,以期為苦蕎的遺傳育種研究提供參考。

1 苦蕎種質資源收集與保存

中國有著極其豐富的苦蕎種質資源,具有上千年的苦蕎栽培歷史。中國有關苦蕎種質資源的收集開始于20世紀50年代,期間收集到大量苦蕎種質資源,但保存不規(guī)范等原因導致其中絕大部分種質材料被丟失[4]。在20世紀80年代,由中國農(nóng)業(yè)科學院牽頭對全國各地的苦蕎種質資源進行重新征集、收藏,共有883份苦蕎種質編入“中國蕎麥品種資源目錄”[4-5]。迄今,在這些編錄的苦蕎種質資源中,有754份苦蕎種質資源被很好地保存在中國農(nóng)業(yè)科學院種質資源庫長期庫中。除由中國農(nóng)業(yè)科學院牽頭的苦蕎種質資源大規(guī)模收集和保存外,超過收集與保存100份以上苦蕎種質的單位還有貴州師范大學、吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學院、山西省農(nóng)業(yè)科學院、云南省農(nóng)業(yè)科學院、山西農(nóng)業(yè)大學、西北農(nóng)林科技大學和西昌學院等單位[6-15]。

2 苦蕎種質資源評價

2.1 農(nóng)藝性狀評價

目前研究人員已對苦蕎種質資源的多個農(nóng)藝性狀進行了評價,這些農(nóng)藝性狀主要包括生育期、株型、株高、主莖節(jié)數(shù)、主莖分枝數(shù)、株粒重、株粒數(shù)、千粒重、產(chǎn)量、粒色、粒型、粒長、粒寬和抗倒伏等。大量研究表明,在苦蕎種質資源中,這些農(nóng)藝性狀遺傳多樣性豐富,變異廣泛[13-38]。同時基于各農(nóng)藝性狀的主成分分析和聚類分析,研究人員已篩選到各主要農(nóng)藝性狀相關的優(yōu)異種質資源。此外,基于各農(nóng)藝性狀間的相關性分析表明,生產(chǎn)上最為關心的苦蕎產(chǎn)量性狀主要與株高、株粒數(shù)、株粒重、千粒重、主莖分支數(shù)和生育期顯著正相關[16-21]; 倒伏性狀主要與株高、主莖節(jié)數(shù)、節(jié)間長度呈顯著正相關[22-24]。除對苦蕎種質資源主要農(nóng)藝性狀的大量評價外,最近研究者還對不同苦蕎品種的結實率性狀進行了評價。結果發(fā)現(xiàn),苦蕎的結實率20.7%～33.6%,并根據(jù)聚類分析結果將8個苦蕎品種分為高結實率(>31%)和中結實率(23.3%～29.1%)[39]。

除對苦蕎種質資源的重要農(nóng)藝性狀評價外,一些研究已對苦蕎的部分農(nóng)藝性狀進行了遺傳分析。李春花等[40]通過株高差異較大的2個苦蕎品種雜交,對獲得的F2和F3群體的株高、分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)和單株粒重進行了遺傳分析,結果發(fā)現(xiàn)4個性狀在F2和F3群體中均出現(xiàn)了超親分離,廣義遺傳率為0.62～0.78;相關性分析表明,株高、分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)均與單株粒重顯著相關,且株高與單株粒重間的遺傳相關系數(shù)較大。唐鏈等[41]利用高稈和中稈苦蕎雜交獲得的F2和F3群體,對株高、主莖分枝數(shù)進行遺傳分析,結果表明苦蕎株高、主莖分枝數(shù)是數(shù)量性狀,且株高、主莖分枝數(shù)與產(chǎn)量呈極顯著正相關,表明株高與主莖分枝數(shù)可作為苦蕎高產(chǎn)雜交育種的重要目標性狀。石桃雄等[42]利用苦蕎重組自交系對8個農(nóng)藝性狀(株高、主莖分枝數(shù)、主花序二分叉花枝數(shù)、頂三花枝粒數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒質量、千粒質量、籽粒產(chǎn)量)進行了遺傳變異和相關性分析,結果表明各性狀變異系數(shù)為13.1%～42.4%,7個性狀(除主莖分枝數(shù))均存在雙向超親分離現(xiàn)象;在各性狀間,單株粒數(shù)、主花序二分叉花枝數(shù)(影響粒數(shù))和千粒質量是影響單株粒重的主要因素,表明單株粒數(shù)可作為高產(chǎn)苦蕎品種選育的重要參考指標。石桃雄等[43]和鄭俊青等[44]利用不同的苦蕎重組自交系群體對苦蕎粒長、粒寬和千粒重進行遺傳分析,結果均發(fā)現(xiàn)3個性狀均存在連續(xù)變異及雙向超親分離現(xiàn)象,表明這3個性狀是數(shù)量性狀。李春花等[45]利用籽粒大小差異較大的2個苦蕎品種雜交獲得的F2和F3群體,對粒長、粒寬和千粒重進行遺傳分析,獲得了與石桃雄等[43]和鄭俊青等[44]相似的結果。陳慶富等[46]利用4個F2群體(厚殼苦蕎與薄殼苦蕎雜交)對苦蕎厚殼和薄殼特性進行遺傳分析,結果發(fā)現(xiàn)苦蕎厚殼特性為顯性單基因遺傳模式,其隱性純合基因型表現(xiàn)為薄殼特性;薄殼特性與低千粒重和低單株產(chǎn)量呈極顯著的相關性,但薄殼型植株千粒重變異幅度的最大值可以接近厚殼苦蕎的平均水平;表明通過雜交育種方法可使薄殼苦蕎的產(chǎn)量接近或達到常規(guī)厚殼苦蕎水平。此外,崔婭松等[47]利用多個薄殼苦蕎和厚殼苦蕎組合獲得的F2和F3群體分析表明,各組合果殼率的廣義遺傳力變幅為0.42～0.91,狹義遺傳力變幅為0.07～0.27;廣義遺傳力與狹義遺傳力數(shù)值相差極大;粒重和果仁重對果殼率直接效應最大,其中前者為正效應,后者為負效應。

2.2 品質性狀評價

苦蕎品質性狀包括營養(yǎng)成分和功能成分2個方面。營養(yǎng)成分主要是淀粉、蛋白質、脂肪酸,而功能成分主要是黃酮、抗性淀粉等。目前,研究者已在種質水平上對苦蕎這些品質性狀進行了大量評價。

2.2.1 營養(yǎng)成分苦蕎籽粒中最豐富的營養(yǎng)物質主要是淀粉、蛋白質和脂肪酸。通過大規(guī)模對苦蕎種質籽粒中的淀粉分析表明,苦蕎總淀粉含量為60.49%～77.98%,其中對淀粉品質影響很大的直鏈淀粉含量為11.59%～28.30%[30-31,48-49]。值得注意的是,不同種質間,苦蕎的總淀粉和直鏈淀粉含量變異幅度較大,表明不同種質間淀粉的合成存在較大遺傳差異[30-31,48-52]。

苦蕎籽?？偟鞍缀糠治霭l(fā)現(xiàn),不同苦蕎種質籽粒中的總蛋白含量存在較大差異,其總含量為6.82%～15.02%[48, 53-57]。蛋白組分分析表明,苦蕎中的蛋白主要是球蛋白、清蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白和殘渣蛋白等。在各種蛋白含量分析方面,不同的研究結果存在一定差異。大部分研究結果表明,苦蕎籽粒中各種蛋白含量從高到低依次為清蛋白、谷蛋白、球蛋白和醇溶蛋白[57-60]。Pomeranz等[61]研究結果認為蕎麥籽粒蛋白中的清蛋白和球蛋白含量高達80%。最近,筆者課題組通過分析不同發(fā)育時期苦蕎籽粒中這5種蛋白相關基因的表達情況,發(fā)現(xiàn)清蛋白和球蛋白相關基因的表達是谷蛋白和醇溶蛋白的幾十至萬倍(數(shù)據(jù)未發(fā)表),因此筆者更偏向于Pomeranz等的觀點,苦蕎中主要蛋白是清蛋白和球蛋白。

苦蕎籽粒脂肪含量檢測發(fā)現(xiàn),不同苦蕎種質的籽粒中脂肪含量差異極大,含量為1.22%～4.70%,明顯高于小麥和水稻籽粒中的脂肪含量[49,63]。目前苦蕎中已有13種脂肪酸被鑒定,其中含量最多的脂肪酸是油酸和亞油酸,且它們的含量在不同苦蕎種質中存在較大差異[63-67]。

2.2.2 功能成分抗性淀粉在降血脂、改變腸道微生物以及降血壓等過程中具有顯著作用以及極高的保健功能。目前,僅有個別研究在種質水平上對苦蕎籽粒中的抗性淀粉含量進行了評價。Qin等[48]對21份苦蕎種質的抗性淀粉含量測定發(fā)現(xiàn),不同苦蕎種質間的抗性淀粉含量存在較大差異,其含量為13.06%～22.53%,遠高于小麥和水稻種子中的抗性淀粉含量。

黃酮類化合物具有降“三高”、消炎、抗氧化、抗病毒、抗動脈硬化、抗糖尿病、抗癌防癌等多種保健功能。通過對苦蕎籽粒中黃酮含量的大量研究表明,不同苦蕎種質籽粒中總黃酮含量差異極大,其含量為0.65%～2.84%[14,48,68-69]。目前,研究者還對苦蕎籽粒中的黃酮組分進行了詳細鑒定,結果表明苦蕎籽粒中大約存在90種黃酮類化合物[3]。這些黃酮化合物中含量最豐富的是蘆丁(占總黃酮含量的70%～85%)、槲皮素、山奈酚-3-O-蕓香糖苷、山奈酚等,這些主要黃酮類化合物含量在不同苦蕎種質中差異極大[48,70-71]。有意思地,不同苦蕎種質籽粒中的蘆丁含量與槲皮素含量存在一定的負相關性[48,70-71]。

2.3 抗逆性評價

目前,研究者對苦蕎種質資源的抗逆性評價主要集中在抗旱、抗鹽、抗重金屬、耐瘠(耐低磷和耐低氮)等方面。

2.3.1 抗 旱干旱是威脅苦蕎生產(chǎn)的主要非生物脅迫之一。目前,研究人員主要利用PEG-6000模擬干旱脅迫對不同苦蕎種質萌發(fā)期的抗旱性進行評價。研究發(fā)現(xiàn),PEG-6000處理明顯降低了苦蕎的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、胚芽長度、胚根長度,但不同苦蕎種質的相關指標受到的抑制程度存在較大差異,表明不同苦蕎種質在萌發(fā)期具有不同的抗旱能力[72-75]。研究人員進一步通過各指標相關性分析和灰色關聯(lián)分析確定發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、萌發(fā)指數(shù)、胚根長可作為苦蕎萌發(fā)期抗旱評價指標,并基于此篩選出了抗旱苦蕎種質[72-75]。除利用PEG-6000處理對苦蕎萌發(fā)期抗旱性評價外,研究者還通過土培法模擬自然干旱對苦蕎種質苗期抗旱性進行了鑒定。路之娟等[76]通過沙培方式對9個苦蕎品種苗期抗旱性進行評價,結果發(fā)現(xiàn)干旱脅迫對苦蕎形態(tài)、生理指標產(chǎn)生了極大影響,不同苦蕎品種受到的影響存在一定差異;確定了株高、莖粗、根冠比、根系活力、最大根長、丙二醛含量和葉片相對水勢可作為苦蕎苗期抗旱性評價的關鍵指標,并在此基礎上篩選出3個苦蕎品種(迪慶苦蕎、西農(nóng)9909 和奇臺農(nóng)家品種)為耐旱型品種。Aubert等[77]對土培下12份苦蕎種質進行苗期抗旱性鑒定發(fā)現(xiàn),干旱脅迫嚴重抑制了苦蕎的株高和葉面積,不同品種受到的抑制差異較大,暗示這兩個指標也可作為苦蕎苗期抗旱性評價的關鍵指標。

2.3.2 抗 鹽陸啟環(huán)等[78]對19個苦蕎品種NaCl脅迫下的相關生理指標分析表明,鹽脅迫抑制了苦蕎種子萌發(fā)率和幼苗SOD活性,減少了幼苗葉片中葉綠素含量,增加了幼苗質膜透性和MDA含量。此外,研究還發(fā)現(xiàn),不同品種間這些指標存在較大差異,抗性強的品種具有更高的種子萌發(fā)率、SOD活性和葉綠素含量,更低的質膜透性和MDA含量。在此基礎上,篩選出‘黔苦3號’為耐鹽品種,‘西農(nóng)9909’為鹽敏感品種[78]。翁文鳳[79]對268份苦蕎種質進行了萌發(fā)期耐鹽性評價,結果發(fā)現(xiàn)鹽脅迫處理明顯抑制了苦蕎種子的發(fā)芽率、胚根長和上胚軸長。不同品種間相關指標受到的抑制存在極大差異,總隸屬函數(shù)值>1.5和<0.7篩選到耐鹽種質24份,鹽敏感種質17份。

2.3.3 抗重金屬目前,僅有少部分研究開展了苦蕎重金屬耐性評價。毛旭等[80]通過在重金屬污染的農(nóng)用地上直接種植苦蕎,評價7個苦蕎品種(黔黑苦1號、黔苦2～7號)對土壤中鎘(Cd)、砷(As)、鉛(Pb)、鎳(Ni)、銅(Cu)和鋅(Zn)等6種典型有害重金屬的污染情況,篩選重金屬低積累的苦蕎品種。結果表明,苦蕎籽粒對重金屬的富集能力因元素而異,總體表型出Cd>Zn>Cu>Ni>Pb>As的特征;7個苦蕎品種籽粒受到Cd元素嚴重污染,并且污染等級均達高污染;苦蕎產(chǎn)量主要受到籽粒Pb含量的影響,達到強負相關關系,籽粒中Zn與Ni、Cu含量呈顯著強正相關關系;‘黔苦3號’為Cd低積累品種,‘黔苦7號’為As、Ni和Pb的低積累品種,‘黔苦5號’為Cu低積累品種,‘黔苦4號’為Zn低積累品種。毛旭等[81]通過在Cd污染的農(nóng)用地上直接種植苦蕎,評價了7個苦蕎品種對Cd的積累成立差異,結果表明,在苦蕎不同部位Cd富集能力表現(xiàn)為葉>莖≈根>穎殼>籽粒;不同苦蕎品種根部與籽粒2個部位的Cd 含量差異顯著;7個苦蕎品種地上部分富集系數(shù)與轉運系數(shù)皆小于1,其中‘黔黑苦1號’與‘黔苦3號’籽粒Cd濃度為0.12 mg/kg,植株、籽粒Cd積累量的系統(tǒng)聚類分析將其列為較低值類品種,可推選為低Cd積累品種。

2.3.4 耐 瘠目前,研究者對苦蕎耐貧瘠評價主要集中在氮、磷、鉀3個方面。張楚等[82-83]對9個不同基因型苦蕎品種在不同氮水平下的農(nóng)藝性狀、生理特性及植株氮素利用等指標進行了評價,發(fā)現(xiàn)低氮脅迫明顯抑制了苦蕎生長,不同苦蕎品種受到的抑制程度存在一定差異。通過各指標的綜合分析,篩選出株高、莖粗、葉面積、根冠比、葉綠素含量、SOD活性和氮利用效率可作為苦蕎耐低氮評價的關鍵指標,迪慶苦蕎為耐低氮品種。在苦蕎耐低磷評價方面,楊春婷等[84-85]對14個苦蕎品種苗期耐低磷進行評價發(fā)現(xiàn),低磷脅迫明顯抑制了苦蕎生長,且對地上部位的影響程度顯著大于地下部位。通過各指標的綜合分析,篩選出根表面積、根長、株高、地上部干質量、酸性磷酸酶、磷積累量和過氧化物酶活性7項指標為苦蕎苗期耐低磷能力快速鑒定的關鍵指標,‘綠寶蕎麥’、‘迪慶苦蕎’、額敏農(nóng)家品種和‘晉蕎4號’為耐低磷型品種。李振宙等[86]對四倍體苦蕎在不同鉀水平下籽粒灌漿特性、充實度進行了評價,發(fā)現(xiàn)中鉀處理的灌漿起始勢、達最大生長速率的天數(shù)、灌漿速率最大時的生長量、根系長度、根系表面積、根系體積、籽粒充實度和產(chǎn)量均最大,表明適宜的鉀肥施用量不僅可以促進四倍體苦蕎的生長發(fā)育,還有利于提高其籽粒充實度和產(chǎn)量。

3 苦蕎育種研究進展

作物育種可以分為4個階段:1.0時代農(nóng)家育種(根據(jù)表型選擇),2.0時代雜交育種,3.0時代分子育種(分子標記輔助育種、轉基因、基因編輯等),4.0時代生物技術+人工智能+大數(shù)據(jù)信息技術育種。在育種方法上主要包括系統(tǒng)選育、誘變選育、雜交選育、單倍體育種、分子標記輔助育種、轉基因育種、基因組育種等。目前,大作物如水稻、玉米、小麥等育種已由2.0進入3.0育種時代,并開始邁向4.0時代。相比于大作物,苦蕎育種極其落后,目前主要處于基于表型選擇的1.0農(nóng)家育種時代,僅個別育種單位進入2.0雜交育種階段。在苦蕎育種方法上,目前用到的育種方法主要是系統(tǒng)選育和誘變選育,極少數(shù)用到了雜交選育。據(jù)統(tǒng)計,目前全國審(認)定(國審和省審認定)的苦蕎品種有55個,其中通過系統(tǒng)選育法育成苦蕎品種31個,通過誘變法育成苦蕎品種19個,通過雜交育種法育成苦蕎品種僅5個[87]。幾乎所有審(認)定苦蕎品種果實都是厚殼型(誘變育種培育的‘米蕎1號’除外),果殼厚難以脫殼,僅在最近(2022年)貴州師范大學通過雜交育種法育成了可以作為鮮生苦蕎米生產(chǎn)的專用型薄殼苦蕎品種(圖1)。這可能與苦蕎花朵較小、雜交困難、雜交技術僅少數(shù)單位掌握有關。然而,雜交技術是育種關鍵技術,也是很多育種方法如分子標記輔助育種、單倍體育種、基因組育種等必不可少的技術。因此,提升苦蕎雜交育種技術對于推動苦蕎育種進步和產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。

A.晉蕎麥2號(常規(guī)苦蕎);B. 薄殼苦蕎‘小米蕎’(云南地方品種);C. 貴黑米‘苦蕎15號’(薄殼苦蕎雜交后代);D. 貴米‘苦蕎18號’(薄殼苦蕎雜交后代)。圖1 幾個苦蕎品種的種子形態(tài)比較A. The conventional Tartary buckwheat ‘Jinqiaomai No. 2’; B. The Yunnan local Tartary buckwheat thin shelled Tartary buckwheat ‘Xiaomiqiao’; C. New thin-shelled Tartary buckwheat varieties Guiheimi ‘Kuqiao No. 15’; D. Guimi ‘Kuqiao No. 18’ selected by hybridization.Fig.1 Comparison of seed morphology of several Tartary buckwheat varieties

4 問題與展望

4.1 苦蕎種質資源評價

4.1.1 農(nóng)藝性狀和品質性狀評價雖然目前大量研究對苦蕎種質資源的農(nóng)藝性狀和品質性狀進行了評價,但相關研究一方面利用的苦蕎種質資源數(shù)較少,另一方面相關性狀的評價主要是在單個環(huán)境下進行的,導致表型數(shù)據(jù)精準度不高,很難為育種服務。因此,亟需建立苦蕎專屬種質資源庫,將中國不同單位收集的苦蕎種質資源進行整理,并對其進行農(nóng)藝性狀和品質性狀的評價。由于大多數(shù)農(nóng)藝性狀和品質性狀是受多基因控制的數(shù)量性狀,其表型受環(huán)境因素影響較大,因此需要開展大規(guī)?？嗍w種質資源的多年多點(苦蕎主產(chǎn)區(qū)和非主產(chǎn)區(qū))表型精準鑒定,而且要全面、系統(tǒng)地建立苦蕎種質資源農(nóng)藝性狀以及品質性狀的評價體系,為今后的遺傳學研究、分子育種以及品種改良奠定基礎,為中國各苦蕎生產(chǎn)區(qū)推廣應用提供參考。

4.1.2 抗逆性評價目前,研究人員已對苦蕎種質資源的抗旱性、抗鹽性、抗重金屬、耐低磷和耐低氮等進行了評價。但相關研究一方面用到的苦蕎種質資源數(shù)少,另一方面各抗逆性評價方法都是模擬試驗來完成,且不能很好地反映真實的逆境脅迫。如抗旱性評價主要采用PEG-6000模擬干旱脅迫,抗鹽性評價主要采用水培法、耐低磷和耐低氮評價主要采用營養(yǎng)元素扣除法,導致這些鑒定的數(shù)據(jù)和種質很難為育種服務。此外,苦蕎生產(chǎn)上目前面臨的主要逆境脅迫是干旱脅迫。因此,開展大規(guī)?？嗍w種質在土壤自然干旱脅迫下的抗旱性評價更具重要意義。此外,需要采用鹽堿地栽培、重金屬土壤栽培、貧瘠土壤(缺氮土或缺磷土)栽培分別對抗重金屬、耐低磷和耐低氮種質進行評價。

4.2 苦蕎育種

目前苦蕎育種技術方法主要以系統(tǒng)選育和誘變選育2種。由于雜交技術在作物育種中具有舉足輕重的地位,同時也是許多育種技術所需要的,因此未來應加強苦蕎雜交育種研究。由于苦蕎花朵較小,雜交困難,目前僅有少數(shù)研究單位掌握苦蕎雜交技術,因此這些單位需要組織苦蕎雜交技術培訓,讓更多的研究者掌握苦蕎雜交技術,這對推動苦蕎育種進步具有重要意義。另外,分子標記輔助育種將在苦蕎未來育種中占據(jù)主導地位,因此各苦蕎研究單位應該在對大規(guī)?？嗍w種質的各性狀進行精準鑒定的基礎上,開展全基因組關聯(lián)分析發(fā)掘控制各性狀的優(yōu)異關鍵基因和開發(fā)分子標記,同時通過重組自交系群體(連鎖群體)進行各性狀的QTL定位,發(fā)掘控制各性狀的關鍵遺傳位點和連鎖分字標記,并需要通過分離群體對標記的可靠性進行驗證,這將為苦蕎分子標記輔助育種奠定堅實基礎。此外,轉基因育種也是未來苦蕎育種的一個方向,不僅降低傳統(tǒng)方法對表型性狀鑒定的依賴性,還能提高選擇育種的可信度,更能夠實現(xiàn)早期選擇,有效地加快育種進程,因此對控制苦蕎重要農(nóng)藝性狀的關鍵基因的發(fā)掘和功能驗證以及苦蕎轉基因技術的開發(fā)也是必需的。