基因型和環境對以色列野生二棱大麥籽粒營養品質的影響

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)

基因型和環境對以色列野生二棱大麥籽粒營養品質的影響

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境對野生二棱大麥營養性狀的影響，對源自以色列不同地區的9個群體60個基因型野生二棱大麥材料在3個環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，并對檢測數據進行了單因素方差分析(One-Way ANOVA)、相關性網絡分析(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境的影響。

野生二棱大麥；基因型；營養性狀；環境

野生大麥是現代栽培大麥的祖先，經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]，而不同地區或同一地區不同微域環境的氣候、地形、土壤、植被等生態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，大麥的籽粒營養性狀不僅與基因型有關，而且與環境關系密切[7,10-11]。但就野生大麥營養性狀與環境關系的研究較少。研究野生大麥在不同生長環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，起源地生態地理數據見表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貴州大學麥作中心農場和安徽省來安縣廣大鄉，試點土壤概況見表2。

采用隨機區組排列，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 ℃保存備用。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地理數據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：季節溫差；Tdd：晝夜溫差；Ev：年蒸發量；Rn：年降雨量；Rd：年降雨天數；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 統計分析

用Excel 2007整理數據，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絡分析(correlation-based network analysis,CNA)；用斯皮爾曼秩相關系數(Spearmanp’s Rho Correlation)分析大麥籽粒植酸等營養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品質的環境和群體差異

2.1.1 環境對野生二棱大麥籽粒營養品質的影響

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都是9個群體中最大。說明在極端干旱環境下，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 環境對野生二棱大麥籽粒營養品質的影響Table 3 Effect of environment on grain traits of wild barley

同行數據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，Fig.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境的影響。

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

同列數據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因子的網絡分析

籽粒營養性狀與起源地生態地理因素間的網絡分析結果(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因子間存在顯著相關性(P<0.05)。無機磷含量與13個生態因子中的12個有顯著相關性；粒重和植酸含量分別與10個和6個生態因子顯著相關；氨基酸含量僅與年蒸發量顯著負相關。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、年蒸發量和年降雨量與較多野生大麥籽粒營養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。總淀粉與土壤有效鉀、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物質含量的同時會降低大麥的粒重。研究發現，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性狀和粒重，正方形代表經度。

3 討 論

本研究中，環境對野生二棱大麥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境的共同影響，來自極度干旱內蓋夫沙漠地區的 Sede Boqer群體和死海地區的Ein-Zukim群體的上述3個性狀有很高的變異系數。說明一些特殊環境的自然選擇壓力對物種的進化起到了重要的作用[3,16]。濕潤地區因為一致性的環境條件導致野生大麥遺傳變異較低，而干旱氣候條件下環境選擇較為多樣，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境條件影響，前人的研究也有類似發現[25-28]。基因型、生長環境差異均影響野生大麥淀粉的含量，在降水豐富、氣溫偏低的生長環境條件下大麥淀粉含量更高。而野生大麥植酸含量的環境效應大于遺傳效應，這可能是因為籽粒植酸含量與環境間的變化、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。

起源于不同環境的野生大麥，在適應其起源地生態地理條件過程中，經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地理環境對其農藝性狀指標有重要影響[6]。本研究發現，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地理因子顯著相關，并且均與濕潤生態因子正相關，與干旱生態因子負相關。

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 營養性狀與生長地土壤成分的斯皮爾曼秩顯著相關性

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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