硬粒小麥與野生二粒小麥籽粒鐵、鋅、硒元素質(zhì)量分數(shù)的相關性分析

姬虎太，王 敏，曹 勇，李曉麗，姜蘭芳，馬小飛

(山西省農(nóng)業(yè)科學院 小麥研究所，山西臨汾 041000)

鐵、鋅等微量元素缺乏癥，即隱性饑餓，是全世界所面臨的首要營養(yǎng)不良問題，該問題在亞非拉等發(fā)展中國家尤其突出[1]。據(jù)世界衛(wèi)生組織研究,當前全世界約有40億人口正遭受著隱性饑餓的威脅(WHO，2014)，隱形饑餓已成為全世界普遍存在和廣泛關注的重要問題。在中國，隱形饑餓同樣也是一個重大的社會公共健康問題，在陜、甘、寧、新等西北地區(qū)微量元素缺乏問題尤為嚴重。大量研究指出，增加口糧中鐵、鋅等的攝入量是解決隱形饑餓問題最安全、最經(jīng)濟和最有效的途徑[2-5]。

小麥(TriticumaestivumL.)是世界上消費量最大的糧食作物之一，提供全球約30%的谷物消費量[6]。作為中國第二大糧食作物，小麥是中國北方民眾最重要的能量來源和礦質(zhì)來源，其產(chǎn)量和品質(zhì)直接關系到中國居民的生存安全和健康質(zhì)量。但是，現(xiàn)有主栽小麥品種籽粒中有益微量元素特別是Zn、Fe和Se的質(zhì)量分數(shù)低，生物有效性差[7]，普通小麥鐵和鋅質(zhì)量分數(shù)的變異范圍分別為23～88 mg/kg和13.5～76.2 mg/kg[8]。因此，提高小麥籽粒中有益微量元素的質(zhì)量分數(shù)，特別是對人體影響較大的Zn、Fe和Se質(zhì)量分數(shù)，是解決中國乃至全世界所面臨的微量元素營養(yǎng)匱乏問題的重要途徑[9]。種質(zhì)資源是作物遺傳改良的物質(zhì)基礎，也是生物學研究的重要材料[10]。二粒小麥(T.dicoccoides,2n=4x= 28,AABB)，又稱為四倍體小麥，是普通小麥的A、B染色體組的供體，包括野生二粒小麥(T.dicoccoidesKoern.)、硬粒小麥(T.durumL.)和圓錐小麥(T.turgidumL.)等多種類型[11]，具有穗大、粒大、貯藏蛋白遺傳多樣性豐富及微量元素質(zhì)量分數(shù)高等優(yōu)良性狀[12-13]。同時，作為普通小麥的祖先種，二粒小麥易與普通小麥雜交，不存在生殖隔離，雜種后代結(jié)實率較高，因而在小麥育種中有著重要的應用價值，是普通小麥改良的重要遺傳資源[14-15]。因此，發(fā)掘野生二粒小麥、硬粒小麥等二粒小麥中高微量元素質(zhì)量分數(shù)的種質(zhì)材料，鑒定其優(yōu)異基因并利用育種手段轉(zhuǎn)入普通小麥中，將為高鐵、高鋅、高硒小麥新品種培育提供重要的數(shù)據(jù)支撐和優(yōu)異種質(zhì)資源，對豐富小麥微量元素育種的遺傳基礎尤其是小麥優(yōu)質(zhì)功能育種有著重要意義。

為鑒定、發(fā)掘二粒小麥中高鐵鋅優(yōu)異種質(zhì)，本研究對20份野生二粒小麥和30份硬粒小麥，利用空氣-乙炔火焰法，測定和分析籽粒中Fe、Zn和Se元素的質(zhì)量分數(shù)，以期鑒定和篩選出高微量元素質(zhì)量分數(shù)的優(yōu)異材料,為小麥微量元素強化育種和豐富小麥品質(zhì)育種遺傳基礎提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗材料共計50份(表1)，包括硬粒小麥材料30份，野生二粒小麥20份，所有材料由西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院宋衛(wèi)寧老師實驗室保存并提供。

1.2 微量元素的測定

微量元素Zn、Fe和Se的質(zhì)量分數(shù)測定采用火焰原子吸收分光光度法(FAAS)[16-17]。稱取烘干的小麥籽粒樣品10 g，置于瓷坩堝中，電爐上加熱碳化后移入高溫電爐中于525～550 ℃灰化3～4 h，燒至灰分近于白色為止；冷卻至室溫后加入體積比4∶1的硝酸、高氯酸混合溶液5 mL溶解灰分，溶解后移入50 mL容量瓶中，用ddH2O定容；然后再用干濾紙過濾，濾液收集于50 mL塑料瓶，利用原子分光光度計進行微量元素的測定，同時制作空白樣品作對照。根據(jù)標準曲線計算溶液中Zn、Fe和Se元素的濃度，進而推算籽粒中各元素的質(zhì)量分數(shù)。

Zn和Fe標準曲線制作：取7只50 mL容量瓶，加入Zn、Fe混合標準溶液0、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL，再加入與待測溶液相同體積的硝酸或鹽酸，用蒸餾水定容后備用。在樣品測定時，在完全相同的條件之下，測定各標準溶液的吸收值，用于制作Zn和Fe標準曲線。

Se標準曲線的制作： 取10 mL Se標準液(100 μg/mL)于1 L容量瓶中，用φ=1%稀硝酸溶液定容，配置為1 μg/mL的Se標準使用液，然后取0、2、4、6、8、10 mL 標準使用液分別加入到6個100 mL容量瓶，用φ=1%硝酸定容備用，用于制作Se標準曲線。

Zn標準液(100 μg/mL)：將純金屬鋅0.100 0 g于50 mL體積比為1∶1的鹽酸溶液中溶解，然后用去離子水稀釋定容至1 L；Fe標準液(500 μg/mL)：溶解0.500 0 g優(yōu)純級純鐵粉于體積比為1∶1的鹽酸50 mL溶液，用去離子水定容至1 L；Zn、Fe混合標準液(Zn：10 μg/mL，F(xiàn)e：50 μg/mL)：取Zn、Fe標準液各50 mL于500 mL容量瓶中，用去離子水定容，搖勻；Se標準液(100 μg/mL)：稱取0.100 0 g元素硒(光譜純)，溶于少量硝酸中，加2 mL過氯酸，置沸水浴中加熱3～4 h，冷卻后加入8.4 mL鹽酸，定容至1 L。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20數(shù)據(jù)分析軟件包進行方差分析和相關性分析，參照李瑞國等的方法[18]計算方差的貢獻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 硬粒小麥和野生二粒小麥籽粒微量元素的測定結(jié)果

利用火焰原子吸收分光光度法，對30份硬粒小麥和20份野生二粒小麥籽粒的Fe、Zn和Se 3種微量元素進行測定(表1)。結(jié)果顯示，在硬粒小麥中，F(xiàn)e、Zn和Se質(zhì)量分數(shù)的最高值分別為57.55 mg/kg、55.92 mg/kg、164.02 μg/kg；而在野生二粒小麥中，3種微量元素質(zhì)量分數(shù)最高的材料均為采集自以色列‘Mt Gilboa 2’，其Fe、Zn和Se的質(zhì)量分數(shù)分別高達102.32 mg/kg、83.57 mg/kg和218.21 μg/kg，相較于硬粒小麥的最高材料，其微量元素質(zhì)量分數(shù)分別達到1.78倍、1.49倍、1.33倍(圖1)，是所有供試材料中Fe、Zn、Se質(zhì)量分數(shù)最高的種質(zhì)資源。在其余的野生二粒小麥材料中，‘Mt Hemon 88’‘IG 46282’‘IG 116187’及‘IG 46374’等各微量元素的質(zhì)量分數(shù)也相對較高。在硬粒小麥中，品種‘Candeal’，‘Golden Ball’ 和‘Nanking’的微量元素質(zhì)量分數(shù)也相對較高。同時，研究中也鑒定到一些某一種特定微量元素質(zhì)量分數(shù)較高的材料。比如，野生二粒小麥品系‘Mt Hemon79’的Zn質(zhì)量分數(shù)較高，而硬粒小麥品種‘Hamira’和‘Creten’的Se質(zhì)量分數(shù)較高。

整體上，硬粒小麥Fe、Zn和Se的平均質(zhì)量分數(shù)分別為44.46 mg/kg，32.23 mg/kg和104.94 μg/kg，變異系數(shù)分別為為0.17、0.24和0.33；而野生二粒小麥Fe、Zn和Se質(zhì)量分數(shù)的平均值分別為59.20 mg/kg，55.34 mg/kg和85.40 μg/kg，變異系數(shù)分別為0.23、0.27和 0.58(表2)。相對于硬粒小麥，野生二粒小麥各微量元素變異幅度和變異系數(shù)均明顯高于硬粒小麥，暗示了野生二粒小麥可能具有更高的遺傳變異和遺傳多樣性。

表1 硬粒小麥與野生二粒小麥材料名稱及其鐵、鋅、硒的質(zhì)量分數(shù)Table 1 The mass fraction of Fe,Zn and Se in durum wheat and wild emmer wheat

圖1 野生二粒小麥和硬粒小麥各元素最高質(zhì)量分數(shù)品種(系)及其質(zhì)量分數(shù)Fig.1 Comparing analysis of materials with the highest microelements mass fraction between wild wheat and durum wheat

表2 硬粒小麥和野生二粒小麥鐵、鋅和硒微量元素質(zhì)量分數(shù)的統(tǒng)計分析Table 2 Statistics of the mass fraction of iron,zinc and selenium in durum and wild emmer wheat

2.2 硬粒小麥和野生二粒小麥籽粒微量元素的比較分析

進一步對硬粒小麥和野生二粒小麥的3種微量元素進行比較分析。整體上，野生二粒小麥中Fe、Zn元素的平均質(zhì)量分數(shù)顯著高于硬粒小麥，而Se的質(zhì)量分數(shù)在野生二粒小麥和硬粒小麥間無顯著差異。結(jié)合均值結(jié)果和單樣本t檢驗，發(fā)現(xiàn)野生二粒小麥Fe、Zn質(zhì)量分數(shù)高于硬粒小麥，且達到極顯著水平(表3)。

表3 硬粒小麥與野生二粒小麥單樣本t檢驗結(jié)果Table 1 t-test of Fe,Zn and Se contents between durum wheat and wild emmer wheat

2.3 硬粒小麥和野生二粒小麥中各微量元素相關性和貢獻率分析

本研究進一步探究了供試材料中各微量元素質(zhì)量分數(shù)間的相關性，通過計算各微量元素間的相關系數(shù)，硬粒小麥Fe質(zhì)量分數(shù)與Zn質(zhì)量分數(shù)間呈極顯著正相關；野生二粒小麥中Fe質(zhì)量分數(shù)、Zn質(zhì)量分數(shù)、Se質(zhì)量分數(shù)互相呈極顯著正相關；四倍體小麥籽粒中Fe質(zhì)量分數(shù)與Zn質(zhì)量分數(shù)、Fe質(zhì)量分數(shù)與Se質(zhì)量分數(shù)均呈極顯著正相關，而Zn質(zhì)量分數(shù)與Se質(zhì)量分數(shù)相關性未達到顯著水平(表4)。

同時，對3種微量元素進行貢獻因子分析率分析。由表5可知，二粒小麥微量元素質(zhì)量分數(shù)前2個主成分的方差貢獻率分別為63.82%、28.92%，前2個主成分的特征值累計貢獻率達92.74%，暗示前2個主成分保留了絕大部分差異信息。第一主成分中，F(xiàn)e、Zn質(zhì)量分數(shù)的載荷值較Se大且二者均為正值，說明Fe、Zn對第一主成分起主要貢獻，說明這二者間存在一定的正相關性；而第二主成分中，Se的載荷值較大，達到0.982，明顯高于另外兩個元素，說明Se對第二主成分起主要作用。

表4 硬粒小麥和野生二粒小麥各微量元素質(zhì)量分數(shù)相關性分析Table 4 Relation analysis of all microelements between durum wheat and wild emmer wheat

表5 方差極大正交旋轉(zhuǎn)因子載荷陣Table 5 The factor matrix after varimax rotation

3 討 論

麥類近緣種是小麥遺傳改良種質(zhì)創(chuàng)新最重要的基因庫。本研究以四倍體野生二粒小麥和硬粒小麥為研究材料，通過測定和分析其籽粒中微量元素Fe、Zn和Se質(zhì)量分數(shù)，以期從中挖掘優(yōu)異種質(zhì)，用于小麥微量元素質(zhì)量分數(shù)的強化育種。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，野生二粒小麥和硬粒小麥中蘊含豐富的微量元素遺傳資源。

Liu等[1]比較了186份中國的普通小麥微量元素的質(zhì)量分數(shù)，發(fā)現(xiàn)Fe和Zn的質(zhì)量分數(shù)分別為40.3 mg/kg和23.3 mg/kg，明顯低于本研究中硬粒小麥的44.46 mg/kg和32.23 mg/kg以及野生二粒小麥的59.20 mg/kg和55.34 mg/kg，表明四倍體小麥Fe、Zn、Se微量元素質(zhì)量分數(shù)較高，從中可鑒定一批Fe、Zn和Se質(zhì)量分數(shù)高的優(yōu)異種質(zhì)材料，如野生二粒小麥中3種微量元素質(zhì)量分數(shù)均很高的‘Mt Hemon 88’‘IG 46282’‘IG 116187’及‘IG 46374’，鋅質(zhì)量分數(shù)較高的‘Mt Hemon79’，硬粒小麥中‘Candeal’，‘Golden Ball ’和‘Nanking’微量元素質(zhì)量分數(shù)也都較高，‘Hamira’和‘Creten’Se質(zhì)量分數(shù)較高。這些材料都可作為普通小麥Fe、Zn、Se遺傳改良的潛在種質(zhì)資源[19]。

不同品種(系)間微量元素質(zhì)量分數(shù)存在明顯差異。整體上，野生二粒小麥品系間的變異系數(shù)、變異范圍以及極差等都明顯大于硬粒小麥各品種，表明野生材料微量元素比栽培材料具有更高的遺傳變異，同時，野生二粒小麥的Fe、Zn質(zhì)量分數(shù)平均值大于硬粒小麥，但野生二粒小麥Se質(zhì)量分數(shù)的平均值小于硬粒小麥，暗示籽粒Se質(zhì)量分數(shù)可能在長期的馴化和遺傳改良中受到了人工選擇的強化作用。Se作為對人類健康最重要的微量元素之一，通常在小麥籽粒中質(zhì)量分數(shù)較低,而且外源增施對其吸收和富集影響不大[20]，因而運用遺傳學手段提高小麥籽粒Se質(zhì)量分數(shù)是最經(jīng)濟有效的手段。本研究發(fā)現(xiàn)野生二粒小麥和硬粒小麥中各品系間Se質(zhì)量分數(shù)具有明顯差異，同時，野生二粒小麥Se質(zhì)量分數(shù)的變幅也遠遠大于Fe、Zn，因而，野生二粒小麥中的高Se材料，對于選育高Se小麥品種具有重要價值。而且野生二粒小麥中具有多個優(yōu)異的高Se資源，野生二粒小麥品系‘Mt Gilboa 2’Se質(zhì)量分數(shù)高達218.21 mg/kg，遠遠高于其他材料。進一步分析發(fā)現(xiàn)，品系‘Mt Gilboa 2’除了Se質(zhì)量分數(shù)最高，其Fe、Zn質(zhì)量分數(shù)也是所有供試材料中最高的，是十分優(yōu)異的高微量元素種質(zhì)資源，可作為小麥高Se遺傳改良的寶貴種質(zhì)材料，也可作為麥類Se吸收、轉(zhuǎn)運和富集分子機理研究的重要材料。

3種微量元素質(zhì)量分數(shù)的相關性分析表明，硬粒小麥和野生二粒小麥籽粒Fe質(zhì)量分數(shù)與Zn及Se的質(zhì)量分數(shù)存在顯著正相關，推測二粒小麥中Fe與Zn和Se的質(zhì)量分數(shù)存在協(xié)同關系，而Zn和Se質(zhì)量分數(shù)相關性不顯著。貢獻因子分析進一步得出Fe與Zn對第一主成分起作用，從而在Fe與Zn的性狀選擇上存在一定的相關性，這也驗證了相關性分析的結(jié)論。前人研究發(fā)現(xiàn)，增施氮肥可以提高小麥籽粒中的微量元素質(zhì)量分數(shù)，表明小麥籽粒微量元素的質(zhì)量分數(shù)受到環(huán)境的影響[21-22]。本研究發(fā)現(xiàn)四倍體小麥籽粒中質(zhì)量分數(shù)與Zn及Se的質(zhì)量分數(shù)存在顯著相關性，暗示提高籽粒中Fe質(zhì)量分數(shù)可以協(xié)同提高Zn和Se的質(zhì)量分數(shù)，為四倍體乃至六倍體小麥的微量元素生物強化育種和協(xié)調(diào)改良提供了有益信息。

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