小麥面粉黃色素含量相關分子標記的研究進展

張 楠,彭義峰,張士昌,李亞青,何明琦,李孟軍

(石家莊市農林科學研究院/河北省小麥工程技術研究中心,河北石家莊 050041)

黃色素是普通小麥和硬粒小麥籽粒中最主要的天然色素。小麥面粉顏色主要由小麥胚乳中類胡蘿卜素含量決定[1]。在類胡蘿卜素中,β-胡蘿卜素是維生素A的前體,是人體維生素A的植物來源[2];而葉黃素(Lutein)和玉米黃素(Zeaxanthin)則可以降低視網膜黃斑發生病變的風險[3]。普通小麥是中國最主要的口糧作物之一,隨著人們對營養和保健意識的增強,提高小麥籽粒黃色素含量,培育高黃色素含量小麥品種,已成為小麥品質育種新的目標之一[4]。中國冬小麥品種籽粒黃色素含量變異范圍很廣,為高黃色素含量小麥育種提供了可行性[5-6]。

小麥籽粒黃色素含量雖然受環境的影響[7],但主要由基因型決定[8]。在小麥面粉加工和貯藏過程中,脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)和過氧化物酶(peroxidase,POD)對黃色素具有漂白作用[9-10]。本文從黃色素合成途徑關鍵酶基因以及對黃色素具有漂白作用的氧化物酶基因功能標記的開發和育種應用方面進行綜述,并對今后高黃色素含量小麥育種思路進行探討,以期為更有效地開展分子標記輔助選擇育種提供參考。

1 黃色素生物合成途徑

黃色素是由酯類、類胡蘿卜素、含量極微的花色素類色素、黃酮類化合物等多種物質組成的混合物,其主要成分是類胡蘿卜素[11]。類胡蘿卜素是在生物體內通過類異戊二烯途徑經十余步酶促反應合成,呈黃色、橙紅色或紅色的一大類萜類色素物質,其生物合成的第一步是由八氫番茄紅素合酶(phytoene synthase, PSY)催化兩分子牻牛兒基牻牛兒基焦磷酸(geranylgeranyl pyrophosphate, GGPP)形成八氫番茄紅素,八氫番茄紅素再經過八氫番茄紅素脫氫酶(phytoene desaturase, PDS)和ζ-胡蘿卜素脫氫酶(ζ-carotene desaturase, ZDS)的脫氫作用以及類胡蘿卜素異構酶(carotenoid isomerase, CRTISO)的異構化作用生成全反式番茄紅素[12]。番茄紅素環化是植物體內類胡蘿卜素生物合成的一個重要分支點。植物體內存在ε-番茄紅素環化酶(lycopeneε-cyclase, LCYE)和β-番茄紅素環化酶(lycopene β-cyclase, LCYB)兩種環化酶。LCYE可催化番茄紅素的一端形成δ-環,生成δ-胡蘿卜素;LCYB可催化番茄紅素的兩個末端形成β-環,生成β-胡蘿卜素。δ-胡蘿卜素再經過一系列酶促反應生成葉黃體素[13],而β-胡蘿卜素在胡蘿卜素β環羥化酶(β-OHase)作用下轉變成β-隱黃質,進而生成玉米黃質,玉米黃質經過一系列的酶促反應還可生成花藥黃質、堇菜黃質、新黃質等葉黃素類物質[14]。

2 黃色素合成途徑關鍵酶基因的功能標記

2.1 八氫番茄紅素合酶基因(Psy)

PSY是植物體內類胡蘿卜素合成途徑中的限速酶[15]。在Psy-A1位點,何心堯[16]基于Psy-A1基因序列的多態性開發了共顯性功能標記YP7A和YP7A-2,其中YP7A可區分Psy-A1a(194 bp)和Psy-A1b(231 bp)兩種等位變異,分別與高黃色素含量和低黃色素含量相關;YP7A-2可區分Psy-A1a(1 686 bp)、Psy-A1b(1 686 bp)和Psy-A1c(1 001 bp)三種等位變異,由于Psy-A1c基因型的材料數量極少,因此無法與黃色素含量進行相關性分析,但根據其序列特點,推斷Psy-A1c基因型材料與Psy-A1a基因型材料表型值相似,即與高黃色素含量相關。在Psy-B1位點,何心堯[16]開發了功能標記YP7B-1、YP7B-2、YP7B-3和YP7B-4,其中YP7B-1為共顯性標記,可區分Psy-B1a(151 bp)和Psy-B1b(156 bp)兩種等位變異,分別與中等黃色素含量和低黃色素含量相關;YP7B-2為顯性標記,在Psy-B1c基因型材料中可擴增出428 bp的片段,與高黃色素含量相關;YP7B-3在Psy-B1d基因型材料中可擴增出884 bp的片段;YP7B-4在Psy-B1e基因型材料中可擴增出717 bp的片段。但Psy-B1d和Psy-B1e這兩種基因型材料數量極少,因此也無法與黃色素含量進行相關性分析。在Psy-D1位點,Wang等[17]根據Psy-D1a和Psy-D1g序列的多態性開發了共顯性功能標記YP7D-1和YP7D-2,其中YP7D-1在Psy-D1a和Psy-D1g基因型材料中分別可擴增出1 074 bp和1 093 bp的片段;而YP7D-2分別可擴增出967 bp和1 046 bp的片段。由于Psy-D1g基因型材料數量極少,因此無法與黃色素含量進行相關性分析[18]。

黃淮麥區、陜西、湖北、黑龍江、甘肅以及俄羅斯引進小麥中,Psy-A1a和Psy-B1b的分布頻率均較高,而Psy-A1c、Psy-B1c、Psy-B1d和Psy-B1e僅存在于極少數樣本中[18-23]。中國小麥品種、INRA世界普通小麥核心種質、黃淮麥區小麥品種和甘肅小麥品種中,Psy-D1a的分布頻率也較高,而Psy-D1g僅存在于極少數樣本中[17-18,23-24]。

周渭皓等[25]檢測了甘肅省62份主栽品種Psy1位點的等位變異類型,結果表明,Psy-A1a/Psy-B1c/Psy-D1a基因型組合材料的黃色素含量顯著高于其他基因型組合材料,而Psy-A1b/Psy-B1b/Psy-D1a基因型組合材料的黃色素含量顯著低于其他基因型組合材料。因此,綜合運用Psy基因功能標記,可為高黃色素含量小麥育種提供幫助。

2.2 ζ-胡蘿卜素脫氫酶基因(Zds)

ZDS是類胡蘿卜素生物合成途徑中的關鍵酶。Dong等[26]根據Zds-A1基因序列差異開發了功能標記YP2A-1,可區分Zds-A1a(183 bp)和Zds-A1b(179 bp)兩種等位變異,分別與低黃色素含量和高黃色素含量相關。Zhang等[27]根據Zds-D1基因序列差異開發了功能標記YP2D-1,可區分Zds-D1a(無擴增片段)和Zds-D1b(981 bp)兩種等位變異,分別與高黃色素含量和低黃色素含量相關。

217份中國小麥品種(系)中,Zds-A1a和Zds-A1b基因型材料分別占41.9%和58.1%[28],Zds-D1a和Zds-D1b基因型材料分別占98.2%和1.8%[27]。91份寧夏小麥品種中,Zds-A1a和Zds-A1b基因型材料分別占59.3%和40.7%,Zds-D1a和Zds-D1b基因型材料分別占95.6%和4.4%[29]。194份陜西小麥品種中,Zds-A1a和Zds-A1b基因型材料分別占43.3%和56.7%,Zds-D1a基因型材料占100%[30]。405份山西小麥品種中,僅檢測到Zds-A1a基因型材料,占比為87.16%[31]。這些研究表明,中國小麥Zds基因多態性較低,Zds-A1和Zds-D1均僅有兩種等位變異。Zds-A1位點兩種等位變異的分布頻率無明顯規律,而Zds-D1位點的等位變異Zds-D1a的分布頻率遠高于Zds-D1b。

2.3 八氫番茄紅素脫氫酶基因(Pds)

PDS是類胡蘿卜素合成途徑中的另一個限速酶[32],其催化活性受到抑制時,會導致八氫番茄紅素大量積累[33-34]。董長海[28]根據Pds-B1基因序列差異開發了顯性標記YP4B-1和YP4B-2,可區分Pds-B1a和Pds-B1b兩種等位變異。YP4B-1在Pds-B1a基因型材料中無擴增片段,在Pds-B1b基因型材料可擴增出652 bp的片段;YP4B-2在Pds-B1a基因型材料中可擴增出382 bp的片段,在Pds-B1b基因型材料中無擴增片段。在來自PH82-2/內鄉188組合的240個重組自交系中,Pds-B1a和Pds-B1b基因型株系分別占61.2%和38.8%,且Pds-B1a基因型株系的黃色素含量低于Pds-B1b基因型材料,但差異未達顯著水平[28],推測Pds-B1基因的兩種等位變異未出現功能分化。

2.4 ε-番茄紅素環化酶基因(Lcye)

LCYE是類胡蘿卜素生物合成途徑中催化線形分子向具環分子轉化的關鍵酶。Crawford等[35]根據Lcye-3A基因序列差異開發了CAPS功能標記e-LCY3A,該標記可擴增出包含SNP的1 024 bp片段,用限制性內切酶HpaII酶切后,Lcye-3Aa基因型材料可擴增出537 bp的片段;Lcye-3Ab基因型材料可擴增出309 bp和230 bp的片段。董長海[28]根據Lcye-B1基因序列差異開發了顯性標記YP3B-1,可區分Lcye-B1a(635 bp)和Lcye-B1b(無擴增片段)兩種等位變異。

在32份澳大利亞小麥中,Lcye-3Aa和Lcye-3Ab基因型材料分別占37.5%和62.5%,其中Schomburgk和Yarralinka小麥的面粉黃色度b*值存在極顯著差異,但二者均為Lcye-3Ab基因型,推測Lcye-3A與面粉黃色度b*值無關[35]。在中國217份小麥品種中,Lcye-B1a和Lcye-B1b基因型材料分別占52.1%和47.9%,二者黃色素含量無明顯差異,推測Lcye-3A和Lcye-B1基因對黃色素合成影響較小[28]。因此,需進一步開發Lcye基因功能標記,以便在高黃色素含量小麥育種中得以應用。

3 對黃色素具有漂白作用基因的功能標記

3.1 脂氧合酶基因(Lox)

小麥面粉色素的降解主要發生在磨粉和面制品加工過程中,面制品加工過程中色素的損失則主要源于LOX的漂白作用[36]。小麥面粉LOX活性與類胡蘿卜素含量呈極顯著負相關[37],基因型是影響LOX活性的主要因素[38]。

Geng等[39]利用來自中優9507/CA9632的雙單倍體(DH)群體,在小麥1AL和4B染色體上分別定位到1個控制LOX活性的主效QTL位點QLpx.caas.1AL和QLpx.caas-4B,二者分別與SSR標記Xwmc312和Xwmc251連鎖,其中Xwmc312可區分Xwmc312-227(227 bp)、Xwmc312-247(247 bp)和Xwmc312-235(235 bp)三種等位變異,Xwmc312-227和Xwmc312-247與低LOX活性相關,Xwmc312-235與高LOX活性相關;Xgwm251可區分Xgwm251-113(113 bp)、Xwmc251-117(117 bp)和Xgwm251-125(125 bp)三種等位變異,Xwmc251-117基因型材料的LOX活性顯著高于Xgwm251-113和Xgwm251-125基因型材料。楊 杰[40]對180份寧夏小麥材料進行Lox基因等位變異檢測,發現Xwmc312-227、Xwmc312-235和Xwmc312-247的分布頻率分別為46.11%、32.78%和18.89%;同時在該位點也發現了Xwmc312-199(199 bp)和Xwmc312-223(223 bp)兩種新的等位變異。Geng等[41]根據普通小麥Lox基因位點Lox-B1的序列差異,開發了顯性互補標記LOX16和LOX18,其中LOX16在高LOX活性材料中可擴增出489 bp的片段(Lox-B1a),在低LOX活性材料中無擴增片段(Lox-B1b);LOX18在高LOX活性材料中無擴增片段(Lox-B1a),在低LOX活性材料中可擴增出791 bp的片段(Lox-B1b),并發現Lox-B1位點與SSR標記Xwmc251緊密連鎖。Zhang等[42]根據4BS染色體Lox-B2和Lox-B3位點的序列差異開發了共顯性標記Lox-B23,其在Lox-B2a/Lox-B3a基因型材料中可擴增出788 bp和677 bp的片段,在Lox-B2a/Lox-B3b和Lox-B2b/Lox-B3b基因型材料中分別可擴增出788 bp和660 bp的片段。

122份河南小麥品種(系)中,Lox-B1a和Lox-B1b基因型材料分別占63.9%和39.1%,Lox-B2a和Lox-B2b基因型材料分別占57.4%和42.6%,Lox-B3a和Lox-B3b基因型材料分別占41.8%和48.2%,且Lox-B1、Lox-B2和Lox-B3位點的等位變異均會引起籽粒LOX活性發生顯著變化,其中Lox-B2和Lox-B3位點的等位變異對面粉黃度和白度影響較大[43]。在新疆、黃淮麥區(南片)、陜西、寧夏和甘肅小麥品種中,Lox-B1b的分布頻率均遠高于Lox-B1a,而Lox-B2和Lox-B3位點的等位變異占比無明顯規律[40,44-48]。另外張福彥等[43]、白 璐等[44]和陳 杰等[45]的研究結果均表明,Lox-B1b/Lox-B2b/Lox-B3b基因組合類型材料的LOX活性最低,與其余基因組合類型差異顯著。

3.2 過氧化物酶基因(Pod)

POD不僅能催化阿魏酸等主要酚酸物質發生氧化反應,產生發色基團(如醌式結構),使小麥面粉中的無色前體物質形成有色物質,也能氧化降解面粉中的色素類物質(如類胡蘿卜素),是面粉和面制品在加工、儲藏過程中發生褐變和黃色被漂白的主要原因[49-51]。基因型、環境以及基因型與環境互作對 POD活性均具有顯著影響[52]。

魏景欣[52]根據3A染色體上Pod基因的序列差異開發了顯性互補標記POD-3A1和POD-3A2,其中POD-3A1在低POD活性材料中可擴增出291 bp的片段(Pod-A1a),而在高POD活性材料中無擴增片段;POD-3A2在低POD活性材料中無擴增片段,而在高POD活性材料中可擴增出766 bp的片段(Pod-A1b)。時 佳[53]根據7D染色體上Pod基因的序列差異開發了顯性互補標記POD-7D1和POD-7D6,其中POD-7D1在Pod-D1a基因型材料中可擴增出540 bp的片段,在Pod-D1b基因型材料中無擴增片段;POD-7D6在Pod-D1a基因型材料中無擴增片段,在Pod-D1b基因型材料中可擴增出640 bp的片段,并發現在Pod-D1b基因型材料的POD活性顯著高于Pod-D1a基因型材料。

來自中國北部冬麥區、黃淮麥區、長江流域與西南麥區以及國外的281份小麥品種中,Pod-A1a和Pod-A1b等位變異的分布頻率分別為55.5%和44.5%[52];來自黃淮南片麥區的94份小麥品種(系)中,Pod-A1位點的等位變異Pod-A1a和Pod-A1b的分布頻率分別為48.9%和51.1%,而在Pod-D1位點僅檢測到Pod-D1b等位變異[54];來自新疆的113份小麥品種(系)中,等位變異以Pod-A1a和Pod-D1a為主,Pod-D1b基因型材料的POD活性顯著高于Pod-D1a基因型材料[55],與時 佳[53]的研究結果一致。來自黃淮麥區和北部冬麥區的224份小麥品種中,在Pod-A1和Pod-D1兩個位點共發現4種基因組合類型,其中Pod-D1a/Pod-A1b基因組合類型材料的POD活性顯著高于Pod-D1a或Pod-A1b基因型材料[53]。

因此,充分利用Lox和Pod基因功能標記,可提高高黃色素含量小麥種質篩選效率。

4 高黃色素含量小麥的育種思路

小麥面粉黃色素含量是由多基因控制的數量性狀,同時也受環境因素的影響。近年來,與小麥面粉黃色素含量相關基因的標記開發取得了較大進展,利用這些標記開展了大量基因分型工作,但在輔助育種方面有幾點尚需加強:(1)收集高黃色素含量小麥種質資源。目前,國內高葉黃素含量小麥品種山農48和濟麥8040的審定,為高黃色素含量小麥育種提供了優良的育種親本。但國內高黃色素含量小麥種質資源仍十分匱乏,應廣泛引進國外種質資源。(2)建立高黃色素含量小麥分子標記輔助育種體系。加強高黃色素含量基因及其相關分子標記的相關性研究,通過構建育種群體,對黃色素含量相關分子標記的有效性進行系統評估,建立高黃色素含量小麥分子標記輔助育種體系(高黃色素含量供體親本+分子標記)。(3)創制高黃色素含量小麥種質資源。在已有高黃色素含量小麥品種的基礎上,通過以下三種方法進行種質創新:①通過系統選育的方法,利用自然變異提高小麥面粉黃色素含量;②通過突變體篩選的方法,利用物理化學突變創建突變群體,對突變群體進行黃色素含量檢測;③通過雜交選育的方法,在高黃色素含量小麥雜交后代中,采用分子標記與黃色素含量檢測相結合的方法篩選高黃色素含量小麥新種質。