野生二粒小麥與栽培小麥農藝性狀及籽粒營養組分比較研究

韋小寶， 詹志杰， 嚴 俊， 程劍平*

(1.貴州大學 麥作中心，貴州 貴陽 550025；2.成都大學 藥學與生物工程學院，四川 成都 625014)

野生二粒小麥與栽培小麥農藝性狀及籽粒營養組分比較研究

韋小寶1， 詹志杰1， 嚴 俊2， 程劍平1*

(1.貴州大學 麥作中心，貴州 貴陽 550025；2.成都大學 藥學與生物工程學院，四川 成都 625014)

為豐富小麥的遺傳背景、提升小麥的品質，以來自于以色列Hermon地區的110個野生二粒小麥和2份國外栽培小麥為供試材料，并測定其農藝性狀和籽粒多組分營養成分，以發掘新的基因資源。結果發現，野生二粒小麥與栽培小麥籽粒蛋白質、植酸、氨基酸、總酚和農藝性狀指標達到顯著差異水平。網絡相關性分析顯示，野生二粒小麥與栽培小麥在籽粒營養性狀間都呈現出較多的正相關，但是野生二粒小麥籽粒營養性狀與農藝性狀多呈現負相關。對兩年環境中野生二粒小麥群體籽粒可溶性蛋白質和多組分營養含量的篩選中，發現基因型HP1籽粒氮素營養表現出極低值。同時，基因型HP143籽粒可溶性蛋白質的含量表現出較高值。通過對兩個環境下小麥群體籽粒可溶性蛋白質和多組分營養物質含量的主成分分析發現，基因型HP143存在明顯的分離，且HP143籽粒多組分營養性狀的含量都較高。篩選到的小麥籽粒各組分含量極端的基因型個體，將為今后小麥遺傳與育種研究提供有效的基因材料。對這些差異進行研究為改良小麥品種提供了遺傳基礎。

野生二粒小麥；栽培小麥；籽粒多組分營養；農藝性狀

野生二粒小麥(Triticumdicoccoides， 2n=4x=28， AABB) 是普通小麥的四倍體祖先，于1906年被 Aaronsohn 在以色列北部地區發現并命名，主要分布在地中海東岸，包括以色列、約旦、黎巴嫩、伊朗、土耳其和敘利亞等。Nevo等[1]指出，在經歷了復雜環境演變和長期進化的條件下，以色列野生二粒小麥已經積聚了豐富的遺傳多樣性和適應復雜生物、非生物生態環境脅迫的能力。Kovacsetal[2]將野生二粒小麥6B染色體上的高蛋白基因轉移到兩個高產低蛋白含量的加拿大硬粒小麥中，結果發現蛋白質含量、沉降值以及生面團的黏彈性等均高于親本。野生二粒小麥含有豐富的基因資源，如優良農藝性狀、高蛋白含量、高光和產量、抗病、抗旱、抗鹽以及抗穗發芽等[3-4]，是普通小麥改良非常重要及豐富的遺傳資源。但是，有關野生二粒小麥與栽培小麥籽粒蛋白質含量、植酸、氨基酸、總酚之間的差異及相關性較少報道。因此，本研究擬對來源于以色列Hermon地區110個基因型的野生二粒小麥群體和21個四倍體栽培小麥群體為研究材料，分別進行盆栽和田間兩種種植方式，并測定其農藝性狀和籽粒營養組分，比較不同種植環境對其性狀以及野生小麥與栽培小麥品種間的籽粒含氮量的影響，并篩選出野生小麥群體高氮和低氮基因型。為今后小麥遺傳與育種研究提供有效的基因材料。同時，分析不同種植環境對野生二粒小麥籽粒營養物質遺傳率的影響。比較不同種單體型對其農藝性狀和籽粒營養組分的影響，為進一步研究小麥籽粒多組分營養物質積累和遺傳機理提供材料與依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為110個來源于以色列北部Hermon地區野生二粒小麥材料和21個國外栽培小麥種，由以色列海法大學進化研究所和貴州大學麥作研究中心提供，見表1。

1.2 農藝性狀及籽粒營養物質測定

1.2.1 試驗設計和小麥農藝性狀觀察與檢測 野生二粒小麥群體于2014年 (Y14) 種植于中國四川省崇州市羊馬鎮國家大麥產業技術體系成都綜合實驗站 (103°16′-103°44′E， 30°66′-30°78′N， 海拔530 m)。該試驗地土壤為水稻土，土壤肥力中等均勻，pH 6.57，小麥播種采用溝施，溝長1.5 m，每溝播種30粒種子，溝間距60 cm。采用完全隨機區組設計，區組間重復3次，設置保護行。小麥收獲時，每溝所有麥穗放于同一紙袋內。分蘗期前為人工灌溉，后自然降雨。小麥生育期日照時數677.54 h，平均氣溫15.9℃，無霜期較長；年降雨量1 010 mm，降雨量充沛。收獲后將小麥脫粒后烘干，研磨過篩后待測。在小麥成熟期測定株高、穗長、芒長、旗葉長和旗葉寬；單行收獲，籽粒烘干后研磨、過40目篩備用。分別檢測粉樣總類黃酮、總酚、植酸和無機磷以及α-氨基和可溶性蛋白質含量，重復3次。

表1 以色列野生二粒小麥及栽培小麥品種Tab.1 The genotypes of wild emmer wheat from Israel and cultivated wheat varieties

1.2.1.1 籽粒總類黃酮、總酚、植酸和無機磷含量的測定 稱取50 mg樣品，加入1.6 mL甲醇溶液 (50%)，超聲1 h后65 ℃恒溫水浴1 h。10 000 rpm/min離心10 min，4℃靜置48 h；靜置后取上清液同時進行籽粒總類黃酮和總酚含量的測定。總類黃酮和總酚含量的測定分別參照Jia[5]和Ainsworth采用紫外分光光度法[6]。

將以上樣品剩余物經真空濃縮儀 (Eppendorf， Concentrator Plus) 濃縮6 h后至無水，干燥底物加入1.6 mL 0.5 mol/L的HCl溶液，并用組織研磨器將底物研磨至勻漿，10 000 rpm/min離心10 min后，上清液待測。植酸和無機磷含量的測定分別參照Latta[7]和Ficco[8]采用紫外分光光度法。

1.2.1.2 可溶性蛋白質和氨基酸含量的測定 取30 mg樣品，加入1.6 mL 0.1 mol/L的NaOH溶液，用組織研磨器將底物研磨至勻漿，85℃恒溫水浴1 h。13 000 rpm/min離心15 min后，取上清液，分別參照 Brown[9]和 Freedman[10]的方法測定可溶性蛋白質和氨基酸。

1.3 數據統計

用JMP 6.0進行方差 (ANOVA)分析，用R 2.11構建小麥農藝性狀與籽粒營養相關性狀間的皮爾森相關性矩陣 (Pearson correlation matrix)，并由Cytoscape 2.7.0對相關性矩陣進行相關性網絡分析 (correlation-based network analysis， CNA)。

2 結果與分析

2.1 野生二粒小麥與栽培小麥籽粒營養成分及農藝性狀的比較

如表2所示，野生二粒小麥群體可溶性蛋白質平均值約為25%，而栽培小麥平均值約為15%，其籽粒可溶性蛋白質的平均值是栽培小麥的1.67倍。植酸的含量在Hermon群體中約為25.12 g/kg，在栽培種中約為17.12 g/kg，其籽粒植酸含量是栽培小麥的1.67倍。氨基酸的含量在Hermon群體中約為5.85 g/kg，在栽培種中約為4.26 g/kg，其籽粒氨基酸含量是栽培小麥的1.3倍。總酚的含量在Hermon群體中約為1.22 mg/kg，在栽培種中約為1.61 mg/kg，栽培小麥籽粒總酚含量是野生小麥的1.31倍。總類黃酮的含量在Hermon群體中約為361.32 mg/kg，在栽培種中約為373.37 mg/kg。無機磷的含量在Hermon群體中約為165.87 mg/kg，在栽培種中約為152.92 mg/kg。

表2 野生二粒小麥群體及栽培小麥在2種環境下籽粒可溶性蛋白質及多組分營養物質含量的平均值和范圍Tab.2 Mean values and ranges of total soluble protein and multi-component content of nutrients of wild emmer wheat population and cultivated wheat in two environments

如表3所示，Hermon群體植株成熟期株高約為49.43 cm，栽培種的株高約為77.3 cm。Hermon群體植株成熟期穗長約為6.64 cm，栽培種的穗長約為7.59 cm。Hermon群體植株成熟期芒長約為15.86 cm，栽培種的芒長約為13.45 cm。Hermon群體植株成熟期主莖旗葉長約為12.01 cm，栽培種的主莖旗葉長約為23.37 cm。Hermon群體植株成熟期主莖旗葉寬約為0.57 cm，在2009年盆栽環境中約為0.97 cm。

如表4所示，整體上，除無機磷和總類黃酮以外，野生二粒小麥與栽培小麥在農藝性狀和籽粒營養組分均有極顯著差異。野生二粒小麥的可溶性蛋白質、植酸、氨基酸、芒長明顯高于栽培小麥。相反，栽培小麥的總酚、株高、穗長、主莖旗葉長和主莖旗葉寬明顯高于野生二粒小麥群體。因此，栽培小麥具有較高的植株和較大的旗葉，但其籽粒有機氮和有機磷水平較野生二粒小麥明顯降低。2014年田間種植環境中的野生二粒小麥明顯提高了籽粒蛋白質水平，但株高相較栽培種下降43%。農藝性狀穗長-芒長在野生二粒小麥和栽培小麥中具有相反的變化趨勢。而栽培種在抗氧化指標總酚和旗葉性狀上明顯高于野生二粒小麥。

表3 野生二粒小麥群體及栽培小麥在2種環境下農藝性狀含量的平均值和范圍

Tab.3 Mean values and ranges of agronomic traits content of wild emmer wheat population and cultivated wheat in two enviroments

株高(cm)穗長(cm)芒長(cm)主莖旗葉長(cm)主莖旗葉寬(cm)20092014野生小麥野生小麥栽培小麥81.4±7.49.5±0.912.4±1.59.8±1.80.7±0.166.0～101.07.0～12.18.7～17.55.5～15.20.6～1.249.4±9.56.6±1.315.8±2.612.0±2.60.5±0.127.6～68.73.3～8.99.8～22.14.8～20.40.4～0.977.3±16.07.5±1.513.4±2.423.3±4.10.9±0.255.6～104.35.1～11.29.9～18.317.3～32.20.6～1.3

表4 農藝性狀及籽粒營養成分的比較Tab.4 Comparison of agronomic traits and grain nutrient components

注：“**”代表P<0.01差異顯著。

2.2 野生二粒小麥與栽培小麥農藝性狀與籽粒營養成分間的相關性分析

圖1 A和B分別代表栽培小麥和野生二粒小麥農藝性狀與籽粒營養成分的網絡相關性，籽粒營養成分包含可溶性蛋白質 (TSP)、植酸 (Phy)、氨基酸 (NH2)、總酚 (Phe)、總類黃酮 (Fla) 和無機磷 (Pi)，農藝性狀則是株高 (PH)、主莖旗葉長 (FL)、主莖旗葉寬 (FW)。在圖1A中，可溶性蛋白質與其它5種營養組分都成正相關，無機磷與主莖旗葉長呈現正相關。在圖1B中，可溶性蛋白質只與氨基酸、植酸和無機磷呈現出正相關，氨基酸則表現出較多的相關性。以上相關性網絡顯示栽培小麥農藝性狀與種子營養成分之間的相關性較

圖1 野生二粒小麥與栽培小麥農藝性狀及籽粒營養組分的相關性網絡

Fig. 1 Correlation based network of agronomic traits and grain nutrient components between wild emmer wheat and wheat.

注：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，而虛線代表負相關。

少，而野生二粒小麥則顯示農藝性狀與種子多組分營養之間有較多的相關性且多為負相關。在籽粒營養成分方面，野生二粒小麥和栽培小麥表現出一致性，都表現出豐富的正相關。同時，主莖旗葉長和主莖旗葉寬都是呈現正相關。以上結果證明野生二粒小麥與栽培小麥相關性網絡發生改變，主要體現在農藝性狀與籽粒營養組分的相關性。

3 討論與結論

在大田種植環境中，野生二粒小麥與栽培小麥農藝性狀及主要籽粒營養組分有顯著影響。其中野生二粒小麥在氮素營養指標上要明顯高于栽培小麥，不同品種其氮素積累各不相同[11]。Avivi等(1978)研究表明，野生二粒小麥籽粒蛋白質含量達到20%～27%[12]。另外小麥高蛋白基因GPC-B1已經被成功克隆和轉移到多個現有小麥品種[13]。廖東梅等[14]研究得出，與普通小麥相比，野生二粒小麥蛋白質、沉降值、面筋均呈現出較高值。野生二粒小麥籽粒植酸的含量明顯高于栽培小麥，前人發現植酸是小麥種子磷素的主要提供者，對種子前期萌發生長具有重要作用[15]。本研究中，野生二粒小麥蛋白質、氨基酸、植酸、總酚以及農藝性狀與栽培小麥呈極顯著差異，而且4種營養指標均高于栽培小麥；兩者間無機磷和總類黃酮不存在顯著差異。相關性分析表明，野生二粒小麥與栽培小麥在籽粒營養性狀間都呈現出較多的正相關，但是野生二粒小麥籽粒營養性狀與農藝性狀多呈現負相關。兩個年份不同種植環境，對野生二粒小麥籽粒可溶性蛋白質(SP)、氨基(AG)、植酸(PA)和無機磷(Pi)都有顯著影響。其中籽粒氮素水平在兩種環境之間存在較大差異，田間種植環境不僅顯著提高了籽粒SP和AG水平，而且也提高了PA的含量。但不同種植環境對總酚(TP)和總類黃酮(TF)并無顯著影響。TP和TF都屬于抗氧化物，主要是在種子發育后期合成[1]，此類化合物沒有受到環境的顯著影響，表明其合成代謝途徑具有保守性。在磷素營養中，種子內60%的磷元素為有機磷，僅有8%的磷為無機磷，而小麥種子內50-85%的有機磷都是植酸(PA)[16]。PA和Pi在不同環境中呈現出相反的趨勢，說明較高的有機磷含量會導致游離無機磷含量的下降。同時，穗長/芒長與旗葉長/旗葉寬之間也表現為競爭關系，說明野生二粒小麥總穗長和旗葉總面積具有一定的上限，不同種植環境可改變穗長/芒長與旗葉長/旗葉寬比例。同時，不同種植環境也改變了農藝性狀與種子營養成分的網絡關系，在田間環境條件下微量營養呈現出較多的相關性。籽粒SP和SP含量與PA、AG、TP在兩個環境下呈現顯著正相關，農藝性狀與籽粒多組分營養間呈負相關。本研究對兩個年份不同環境中野生二粒小麥群體籽粒可溶性蛋白質(SP)和多組分營養的含量(MCNC)的篩選中，發現基因型 HP1 籽粒SP和AA在兩個年份不同環境中均表現出極低值。同時，基因型 HP143 籽粒SP的含量在兩個年份不同環境中均表現出較高值；基因型 HP117 籽粒展現出豐富的磷素營養。通過對兩個環境下小麥群體籽粒SP和MCNC的主成分分析，發現基因型 HP143 存在明顯的分離，而且 HP143 在兩個環境下，MCNC都較高。篩選到的基因型，將為小麥籽粒SP和MCNC的遺傳與育種研究提供有效的基因材料。通過兩個環境下野生二粒小麥群體籽粒氮素營養成分結合多組分營養物質的主成分分析，發現大部分野生二粒小麥基因型聚集在一起。但是基因型 HP143 則明顯分離出來，表明該基因型不僅在氮素營養上存在明顯差異，并且在其它5個籽粒營養物質的含量上也存在明顯差異。這為今后育種提供優異種質資源打下基礎。

致謝：本研究采用了以色列進化研究所的相關材料，對國家科技部和貴州省科技廳的國際合作項目支持表示衷心的感謝!

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Study on Grain Multicomponent Nutrition and Agronomic Characters of Wild Emmer Wheat from Israel and Some Cultivated Wheat

WEIXiao-bao1，ZHANZhi-jie1，YANJun2，CHENGJian-ping1*

(1.InstituteofTriticeaeCrops，GuizhouUniversity，Guiyang，Guizhou550025，China; 2.SchoolofPharmacyandBioengineering，ChengduUniversity，Chengdu，Sichuan625014，China.)

In order to enrich the genetic background of the wheat varieties and to improve their quality， 110 genotypes of wild emmer wheat which derived from Mt. Hermon of Israel and 21 foreign cultivated wheats were taken as material and multicomponent nutrition and agronomic characters of the grains were determined . The results showed that there were significant differences among protein， phytates， NH2， total phenol and agronomic characters betweenT.dicoccoidesmaterials and cultivated wheat varieties. There was a certain positive correlation between different quality characters ofT.dicoccoidesmaterials and cultivated wheat varieties， but multicomponent nutrition of wild emmer wheat grain had a negative correlation with agronomic characters. In the screening of wild emmer wheat population by soluble protein and multicomponent nutritional concentrations in two year environment， we found that HP1 was in low nitrogen nutrition. At the same time， we discovered that HP143 was in relatively high soluble protein. By analyzing the content of grain’s soluble protein and multicomponent nutritional under two different environments， we found that HP143 separated remarkably and its multicomponent nutritional content was relatively high. Screened genotypes with extreme nutrition contents might provide effective genetic material for inheritance and breeding of wheat. There were abundant diversities in quality characters ofT.dicoccoides， which could be used in quality improvement of cultivated wheat varieties.

T.dicoccoides; Cultivated wheat; Multicomponent nutrition in grain; Agronomic characters

2016-11-23；

2016-12-08

國家科技部國際科技合作專項(2013DFA32200 ); 貴州省國際科技合作計劃項目[黔科合外G字 (2012) 7011] 。

Q346.4；S339.51

A

1008-0457(2017)01-0040-05 國際

10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2017.01.007

*通訊作者：程劍平(1963- )，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向：作物遺傳育種和植物營養；E-mail： chengjianping63@qq.com。