啤酒大麥籽粒品質性狀胚、胚乳、細胞質和母體遺傳效應分析

包海柱 張鳳英 徐壽軍 劉志萍 呂二鎖

(內蒙古農業大學農學院1，呼和浩特 010019) (內蒙古農牧業科學院2，呼和浩特 010031) (內蒙古民族大學3，通遼 028000)

大麥(HordeumVulgareL.)是全球栽培的四大禾谷類作物之一，在我國的種植區域主要集中在江蘇省、甘肅省、內蒙古自治區和西藏自治區等地區。大麥有裸大麥(青稞)和皮大麥之分，其中裸大麥作為藏族同胞的傳統口糧主要在青藏地區種植；皮大麥主要用于飼料和啤酒加工，行業內習慣上將用于啤酒釀造的大麥稱作啤酒大麥。目前中國已成為世界最大的啤酒生產國和消費國,每年需求量約400萬t[1]，2016年海關統計數據表明，當年進口量達到了500.07萬t。啤酒大麥籽粒品質性狀主要有蛋白質、淀粉、脂肪、纖維及β-葡聚糖，其中蛋白質、淀粉存在于籽粒胚乳中，纖維素存在于種殼、糊粉層和淀粉質胚乳中[2]。脂肪存在于糊粉層內和種胚中。β-葡聚糖是大麥籽粒胚乳細胞壁和糊粉層細胞壁的主要成分。在啤酒釀造中，大麥籽粒品質性狀關乎著啤酒的釀造質量。研究認為蛋白質含量不僅影響麥芽浸出率，還能影響啤酒的清澈度及啤酒泡沫的穩定性[3-4]，Bertholdsson[5]認為蛋白質含量應低于11.5%為宜。非淀粉類的β-葡聚糖具有高黏性、凝膠形成等特性，制麥芽過程中，如果β-葡聚糖含量過高及分解不完全時，會造成麥汁黏度增高過濾困難的同時，還會導致啤酒口味變差和渾濁[6]。而對于淀粉含量而言，淀粉含量愈高，大麥的可浸出物也越多，制備麥汁時收得率也愈高。大麥籽粒含2%～3%的脂肪和4.1%～4.8%的纖維，對于這兩個性狀指標在飼料加工中有明確規定，而在啤酒釀造中對此未做規定(GB/T 7416—2008)。

在大麥品質方面，研究者針對品質的熱敏性[7]、生化特性[8]、提取工藝[9]，農藝性狀的遺傳多樣性[10-11]、農藝性狀與產量雜種優勢[12]、品種差異[13]等方面做了有益研究，但有關釀造品質性狀遺傳效應方面的研究鮮見報道。本研究通過構建遺傳群體及交配體系，應用朱軍[14]提出的包括母體、細胞質、細胞核、胚乳基因效應在內的種子混合線性遺傳模型分析不同世代的大麥遺傳群體，旨在揭示大麥釀造品質性狀的遺傳效應及規律，以期為啤酒大麥品質育種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

以10個不同基因型二棱啤酒大麥自交系為親本,采用不完全雙列(NC designⅡ)雜交方式配制F1種子，F1自交獲得F2種子；用親本、F2及F1種子構建出56份遺傳群體作供試材料。

1.2 實驗設計

田間實驗于內蒙古農牧業科學院實驗農場(呼和浩特市)進行。2015年配制F1組合。2016年種植F1組合及相應親本，自交獲得親本及F2種子，并在抽穗期再次配制F1種子。2017年重復進行2016年的實驗內容。田間種植采用Lattice(7×8)設計，小區隨機排列，行長1.0 m，行距0.25 m，2行區，三次重復，田間管理與當地大田生產技術相同。

1.3 測定內容

測定的大麥籽粒品質性狀為蛋白質含量(%)、淀粉含量(%)、纖維含量(%)、脂肪含量(%)、β-葡聚糖含量(%)，測定儀器為波通DA7200近紅外谷物分析儀(瑞士)。

1.4 數據統計分析

采用文獻中提出的遺傳模型[17]對性狀測定值進行遺傳效應分析，觀測性狀的遺傳主效應分解為，

G=Ao+Do+Ae+De+C+Am+Dm

(1)

式中：G為遺傳主效應；Ao為胚直接加性效應；Do為胚直接顯性效應；Ae為胚乳直接加性效應；De為胚乳直接顯性效應；C為細胞質效應；Am母體加性效應；Dm為母體顯性效應。分析中采用Jackknife法重復抽樣，MINQUE(0/1)法無偏估算各遺傳效應方差分量。數據處理應用QGA[14]運算程序進行。

2 結果與分析

2.1 啤酒大麥5個品質性狀的遺傳方差分析

啤酒大麥蛋白質、淀粉、脂肪、纖維、β-葡聚糖5個品質性狀的遺傳方差分量比率估算見表1。由表1可知，所測5個品質性狀的遺傳效應總方差由遺傳主效應 (VG=VAo+VDo+VAe+VDe+VC+VAm+VDm)方差、環境互作方(VGE=VAoE+VDoE+VAeAm+VDeE+VCE+VAmE+VDmE)及主效應互作方差(VGG=VAoAe+VDoDe+VAeAm+VDeDm+VAoAm+VDoDm)組成，所測5個性狀的遺傳主效應比率在60.15%～76.44%，以淀粉的遺傳主效應比率最高為76.44%；環境互作效應比率范圍在0.53%～4.96%，β-葡聚糖的環境互作效應最大4.96%；遺傳主效應互作比率在9.94%～34.43%，以纖維的遺傳主效應互作比率最大為34.43%。上述結果說明，所測5個籽粒品質性狀的表達，主要以遺傳主效應為主，同時受到一定的環境及遺傳主效應互作的影響。

此外，由表1可知，在遺傳主效應中,5個所測性狀的遺傳表現不盡相同。籽粒蛋白主要受控于極顯著的胚顯性、細胞質、母體加性遺傳；淀粉的表達以極顯著的胚乳顯性、細胞質效應突出；纖維性狀的遺傳效應中，除了胚乳顯性效應未被檢測到，其余6種遺傳效應均有表達，但主要以胚乳加性和細胞質遺傳效應為主要因素；脂肪的遺傳主效應僅檢測到極顯著的胚顯性和母體顯性，其余5種遺傳效應為零。

表1 啤酒大麥品質性狀遺傳方差分量比率估算值

注：*為0.05的顯著水平；**為0.01的極顯著水平，下同。

環境互作效應中,環境互作遺傳效應較為簡單，所測5個品質性狀均受到來自胚加性×環境、細胞質×環境和母體加性×環境的互作遺傳效應，并達到顯著水平。在遺傳主效應互作中,淀粉、纖維和β-葡聚糖的胚與胚乳加性互作效應比重較大，并達到極顯著水平；脂肪、蛋白質分別以胚與母體顯性互作和胚乳與母體加性互作效應為主，并達極顯著。

2.2 啤酒大麥5個品質性狀狹義遺傳率分析

表2 啤酒大麥品質性狀狹義遺傳率估算

2.3 啤酒大麥籽粒5個品質性狀的加性遺傳相關分析

5個籽粒品質性狀的4種加性遺傳相關系數見表3。由表3可見，脂肪含量與蛋白質含量、淀粉、纖維、β-葡聚糖含量以及蛋白質含量與淀粉含量的4種加性相關系數估算值均為0，表明不易實現蛋白質含量與淀粉含量，脂肪含量與蛋白質、淀粉性狀β-葡聚糖含量的協同選擇。蛋白質性含量與纖維含量的遺傳相關中，主要表現為細胞質、母體加性的完全正相關，表明母本蛋白質含量的變化，可以影響纖維含量的變化；蛋白質與β-葡聚糖含量的遺傳相關表現為細胞質的完全負相關，表明可以通過母本蛋白質含量的選擇來降低后代β-葡聚糖含量。纖維含量與淀粉含量、β-葡聚糖含量的相關表明，存在胚、胚乳、細胞質的完全加性負相關，因此提高淀粉含量與降低籽粒纖維可同步完成，但會引起β-葡聚糖含量的升高。淀粉與β-葡聚糖含量的加性相關中，被檢測到存在顯著的胚、細胞質加性正相關，表明淀粉含量的選擇會引β-葡聚糖含量的同步變化。

表3 啤酒大麥品質性狀加性遺傳相關系數估算

3 討論與結論

大麥籽粒的主要營養存在于胚乳中，胚乳是受兩個極核和一個精核結合的三倍體，包含的三倍體遺傳物質一份來自父本，兩份來自母本。另外，種子的世代是其著生植株的下一代。因此，在同質雜合的F1植株上所結種子已存在遺傳分離，其基因的遺傳效應與通常的植株性狀有所不同。就此問題朱軍[14]、莫惠棟[15]提出了胚乳和種子性狀的三倍體遺傳系統。基于此，本研究以朱軍[14]提出的混合顯性遺傳模型對啤酒大麥籽粒的蛋白質含量、淀粉含量、纖維含量、脂肪含量及β-葡聚糖含量5個品質性狀進行了遺傳效應分析。結果表明，上述5個品質性狀主要受控于遺傳主效應，環境互作也起到一定程度的作用。對遺傳主效應的進一步剖分發現，籽粒蛋白含量、淀粉含量、纖維含量、β-葡聚糖在各自的遺傳效應中以細胞質遺傳和胚乳遺傳效應為主，并受控于一定的胚遺傳效應，該結果與石春海等[17]在秈稻上研究結果不盡相同，究其原因可能是實驗地點所處的生態環境不同所致。故針對該4個品質性狀的雜交育種及改良中，可同過選擇適宜母本來實現目標；脂肪含量的遺傳效應以母體顯性比重最大為45.70%，在特定環境下，通過母體基因與環境互作也可實現該性狀的表達。

品質育種實踐中，解析成對性狀之間的遺傳相關性，有助于多個性狀的同步選擇。本研究中根據前文結果(表1)，重點分析了5個品質性狀的加性相關系數。研究發現，脂肪含量與蛋白質、淀粉、纖維、β-葡聚糖含量，蛋白質含量與淀粉含量的胚加性、胚乳加性、細胞質加性、母體加性的相關系數為零，表明在雜交后代中較難實現上述性狀間的間接選擇。蛋白質含量與纖維含量間主要呈細胞質、母體加性的完全正相關，因此在進行蛋白質含量性狀選擇時可同時兼顧纖維含量的目標選擇。蛋白質含量與β-葡聚糖含量，纖維含量與淀粉、β-葡聚糖含量存在極顯著的的細胞質完全負相關，表明提高蛋白質含量、淀粉含量時，會引起β-葡聚糖含量和纖維含量的降低，值得注意的是在進行提高淀粉含量的選擇中，會引起β-葡聚糖含量的升高，因此，在品質育種實踐中，需要協同考慮育種目標的可行性，避免顧此失彼。此外，對存在顯著胚加性相關的，還需注意雜交父本的選用。

本研究中采用的禾本科種子混合線性遺傳模型的統計分析方法，有效地解析了啤酒大麥籽粒品質性狀的胚、胚乳、細胞質和母體的遺傳效應、狹義遺傳率遺傳組成及遺傳相關分析,避免了以往僅為核基因遺傳效應的局限。有關實踐應用方面，筆者所在的課題組應用2倍體種子混合線性遺傳模型[14，16]分析方法，育成了優質油用向日葵雜交種GF01(蒙審葵2015015)。因此，針對啤酒大麥的品質性狀遺傳而言，通過剖分遺傳效應的組成，進而解析其中的關鍵效應，對啤酒大麥的品質育種實踐具有指導意義。