大麥籽?？偦ㄉ蘸康倪z傳變異及其與粒色的相關(guān)分析

楊曉夢(mèng) 杜 娟 李 霞 普曉英 曾亞文楊加珍 Muhammad Kazim Ali 楊 濤

(1云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所/云南省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南昆明 650205;2 聯(lián)邦烏爾都藝術(shù)科技大學(xué)生物技術(shù)系,卡拉奇 75300,巴基斯坦)

有色大麥(Hordeum vulgareL.)是由不同色素積累在種子果皮和糊粉層內(nèi)而形成,其所含的花色苷、氨基酸、酚類化合物、微量礦質(zhì)元素等活性物質(zhì)普遍高于普通大麥,是珍貴的藥食兼用作物[1]。有色大麥具有抗氧化[2-3]、抗衰老[4]、預(yù)防心血管疾病[5]、抗炎[6]、抗腫瘤[7]及降血糖[8-9]等功能,其中起作用的關(guān)鍵成分是花色苷。有色大麥在促進(jìn)人類健康和營(yíng)養(yǎng)功能性食品開(kāi)發(fā)方面具有巨大潛力[10],因此剖析大麥籽粒花色苷含量的遺傳變異特點(diǎn),對(duì)培育高花色苷含量大麥具有重要意義。

目前,有色大麥主要有黃、紫、黑和藍(lán)4 種顏色,不同顏色大麥的花色苷組成成分及含量存在差異[1,11-12]。研究表明,黃色大麥不含花色苷,而黑色和藍(lán)色大麥含有矢車菊素-3-葡萄糖苷(cyanidin-3-glucoside,C3G)和飛燕草花色素- 3-葡萄糖苷(delphinidin-3-glucoside,Dp),紫色大麥含C3G、Dp和天竺葵花色素- 3 -葡萄糖苷(pelargonidin-3-glucoside,P3G)[11]。Kim 等[12]研究表明,不同顏色大麥(共127 種基因型)花色苷含量變異范圍為13.0 ～1 037.8 μg·g-1。其中藍(lán)色和紫色大麥的花色苷含量顯著(P＜0.05)高于黑色,紫色大麥中C3G 含量最高,藍(lán)色和黑色大麥Dp 含量最高。Bellido 等[3]檢測(cè)到黃色大麥和紫色大麥的總花色苷含量分別為210 和573 μg·g-1,且花色苷主要集中在麩皮,黃色大麥和紫色大麥麩皮中花色苷含量分別高達(dá)1 587 和3 534 μg·g-1,其花色苷含量明顯高于吳曉敏等[13]報(bào)道的內(nèi)蒙產(chǎn)紫色馬鈴薯(13.68 mg·100g-1)、山東產(chǎn)紫色馬鈴薯(6.15 mg·100g-1)和Abdel-Aal 等[14]報(bào)道的紅水稻(22 μg·g-1)、藍(lán)小麥(153 μg·g-1)、紫小麥(13 μg·g-1)、紫玉米(965 μg·g-1)、粉玉米(93 μg·g-1)、紅玉米(559 μg·g-1)和藍(lán)玉米(225 μg·g-1)。王楠等[15]研究發(fā)現(xiàn),不同品種、不同顏色大麥籽粒中花色苷成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同,其花色苷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0 ～182.41 μg·g-1之間。胡家坤等[16]分析表明,不同顏色的地方大麥籽粒花色苷和總黃酮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其比值均存在明顯差異。申曉蓉等[17]和張帥等[18]研究發(fā)現(xiàn),不同粒色大麥(青稞)間的營(yíng)養(yǎng)成分(淀粉、膳食纖維、蛋白質(zhì)等)和抗氧活性物質(zhì)(總酚、黃酮、維生素)差異顯著。但前人對(duì)大麥花色苷的研究,主要集中在花色苷組成成分及不同大麥品種花色苷含量變異方面,而對(duì)紫色大麥/黃色大麥構(gòu)建的重組自交系群體花色苷含量的遺傳變異的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究以云南特有的紫光芒裸二棱(成熟時(shí)全株紫色)(母本)×Schooner(成熟時(shí)全株黃色)(父本)為親本構(gòu)建的193 個(gè)重組自交系為研究材料,分析大麥籽?？偦ㄉ蘸康倪z傳變異及其與粒色的相關(guān)性,以期為高花色苷大麥種質(zhì)創(chuàng)新及選育提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以紫光芒裸二棱(成熟時(shí)全株紫色)(母本)×Schooner(成熟時(shí)全株黃色)(父本)為親本,其中,紫光芒裸二棱(Ziguangmangluoerleng,簡(jiǎn)寫(xiě)為Zgmlel)屬云南地方特有的有色大麥品種,源于云南省昭通市;Schooner 屬普通大麥品種,源于澳大利亞。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 田間種植 2013 年秋季,在玉溪試驗(yàn)基地種植親本及其193 個(gè)F9重組自交系(recombinant inbred line,RIL)株系;2014 年秋季,在白邑試驗(yàn)基地種植親本及其193 個(gè)F10RIL;2015 年秋季,在嵩明試驗(yàn)基地種植親本及其193 個(gè)F11RIL。試驗(yàn)地肥力均勻,行長(zhǎng)2 m,行距為0.3 m,每行100 粒種子,1 行區(qū),按順序排列,設(shè)2 次生物學(xué)重復(fù)。其他同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培管理,分別于次年4 月中下旬待籽粒完全成熟后按株系收獲。白邑和嵩明屬于高海拔冷涼地區(qū)(海拔分別為1 973 m 和1 918 m;年平均氣溫分別為13.0、14.1℃),玉溪屬于低海拔高溫地區(qū)(海拔1 638 m,年平均氣溫24.2℃),3 個(gè)試點(diǎn)種植當(dāng)年全年氣候均正常。

1.2.2 大麥籽?？偦ㄉ蘸康臏y(cè)定 參照覃鴻妮等[19]和Hosseinian 等[20]的pH 示差法測(cè)定大麥籽粒總花色苷含量。

1.2.3 大麥籽粒顏色劃分 參照大麥測(cè)試指南(NY/T 2224-2012)[21]。采用目測(cè)法觀察大麥籽粒顏色,將粒色劃分為1～5 個(gè)等級(jí),分別為1(黃色)、2(灰褐)、3(淺紫)、4(紫)、5(紫黑)(圖1),3 年收獲的大麥籽粒顏色基本一致。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及相關(guān)性分析。

圖1 大麥RIL 群體籽粒顏色劃分Fig.1 Grain color grade in barley grain of RIL population

2 結(jié)果與分析

2.1 大麥籽?？偦ㄉ蘸康谋硇妥儺惙治?/h3>

由表1 可知,玉溪、白邑和嵩明試驗(yàn)點(diǎn)親本紫光芒裸二棱和Schooner 之間總花色苷含量差異均達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)。3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)大麥總花色苷含量在供試的RIL 群體中呈現(xiàn)廣泛遺傳變異。玉溪大麥籽?？偦ㄉ蘸孔儺惙秶鸀?.36 ～1.38 mg·g-1,其最高含量(1.38 mg·g-1)是最低含量(0.36 mg·g-1)的3.8 倍;白邑大麥籽粒總花色苷含量變異幅度為0.50～1.50 mg·g-1,最高含量(1.50 mg·g-1)是最低含量(0.50 mg·g-1)的3 倍;嵩明大麥籽?？偦ㄉ蘸孔兎鶠?.50～1.58 mg·g-1,其最高含量(1.58 mg·g-1)是最低含量(0.50 mg·g-1)的3.2 倍。玉溪、白邑、嵩明大麥籽?？偦ㄉ蘸孔儺愊禂?shù)分別為33.85%、26.58%和25.00%。玉溪大麥籽?？偦ㄉ蘸孔儺愊禂?shù)(33.85%)最大,這與標(biāo)準(zhǔn)差反映的離散程度相一致。RIL 群體總花色苷平均含量表現(xiàn)為玉溪(0.65 mg·g-1)＜白邑(0.79 mg·g-1)＜嵩明(0.84 mg·g-1),差異極顯著(P＜0.01),表明環(huán)境對(duì)大麥籽?？偦ㄉ蘸坑幸欢ㄓ绊?。此外,大麥籽?？偦ㄉ蘸康钠群头宥染鶠檎?且絕對(duì)值總體大于1,呈右偏態(tài),尖頂峰分布特征,由主效基因控制遺傳。

表1 大麥籽?？偦ㄉ蘸縏able 1 Total anthocyanin content in barley grains

由圖1 可知,大麥總花色苷含量存在一定雙向超親分離現(xiàn)象。玉溪試驗(yàn)點(diǎn)RIL 群體總花色苷含量在0.45～0.50 mg·g-1分布最多,有22 株高于高親紫光芒裸二棱,35 株低于低親Schooner。白邑試驗(yàn)點(diǎn)RIL 群體總花色苷含量在0.65～0.70 mg·g-1分布最多,有32株高于高親紫光芒裸二棱,28 株低于低親Schooner。嵩明試驗(yàn)點(diǎn)RIL 群體總花色苷含量在0.80 ～0.85 mg·g-1分布最多,有24 株高于高親紫光芒裸二棱,47株低于低親Schooner。說(shuō)明該RIL 群體可篩選出花色苷超親株系。

圖2 大麥籽粒總花色苷含量頻率分布Fig.2 Frequency distribution of total anthocyain content in barley grains

2.2 高花色苷含量大麥株系篩選

由表2 可知,F值(15.28)＞1,差異極顯著(P＜0.01),說(shuō)明大麥193 個(gè)重組自交系籽?？偦ㄉ蘸恐g的差別有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。高親紫光芒裸二棱總花色苷含量均值為1.04 mg·g-1,3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的超親株系中,有16 個(gè)株系編號(hào)一致,其中有8 個(gè)株系的總花色苷含量顯著或極顯著提高,編號(hào)分別為27、34、35、37、38、60、138、167,總花色苷含量均值分別為1.26、1.25、1.21、1.42、1.26、1.17、1.29、1.18 mg·g-1(圖3)。這8 個(gè)株系除27 號(hào)為紫黑色大麥,其余株系均為紫色大麥(表3)。

表2 紫光芒裸二棱×Schooner 大麥RIL 群體籽?？偦ㄉ蘸糠讲罘治鯰able 2 Variance analysis of total anthocyanin content in barley grains of RIL population derived from Zgmlel×Schooner

圖3 大麥RIL 群體超親株系籽?？偦ㄉ蘸可Ⅻc(diǎn)分布Fig.3 Scatter plot of total anthocyanin content in barley grains of over-parent RIL lines

表3 超親株系與紫光芒裸二棱總花色苷含量差異顯著性比較Table 3 Comparison and analysis of the difference of total anthocyanin content between over-parent lines and Zgmlel

2.3 大麥籽粒總花色苷含量和粒色相關(guān)分析

由表4 可知,3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)間大麥籽?？偦ㄉ蘸块g均呈極顯著正相關(guān),表明大麥總花色苷含量主要受基因型控制。3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)大麥總花色苷含量與粒色均呈極顯著正相關(guān),說(shuō)明在一定程度上,大麥籽粒顏色越深,其總花色苷含量越高。

3 討論

前人關(guān)于花色苷含量的變異分析多集中于水稻、玉米、小麥等作物,如孫明茂等[22]分析表明,F5家系糙米總花色苷含量變異幅度為0 ～5 459.34 mg·kg-1,平均值和變異系數(shù)分別為 834.47 mg·kg-1和191.96%,呈右偏態(tài)、尖頂峰分布。黃瑩瑩[23]研究發(fā)現(xiàn),F3家系水稻籽?？偦ㄉ蘸孔兎鶠?.15 ～5.97 μg·g-1,平均值和變異系數(shù)分別為1.80 μg·g-1和67.72%,呈近正態(tài)分布。張名位等[24-25]研究發(fā)現(xiàn),不同黑米品種花色苷含量變幅(0.65 ～14.98 μg·g-1)和變異系數(shù)(57%)較大,呈偏態(tài)單峰分布,黑米F2群體呈近似正態(tài)分布。Kim 等[26]報(bào)道,黑稻×白稻的F2、F3群體花色苷含量呈偏態(tài)分布,黑稻×黑稻的F2群體呈正態(tài)分布。柏鶴等[27]分析發(fā)現(xiàn),黑巨胚糯米1464 和黑米1432 品種的花色苷含量最高,較其余18 個(gè)品種高253.23% 和248.83%。本研究結(jié)果表明,玉溪(2013 年)、白邑(2014 年)及嵩明(2015 年)3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)大麥總花色苷含量變幅分別為0.36 ～1.38、0.50 ～1.50、0.50～1.58 mg·g-1,平均值分別為0.65、0.79 和0.84 mg·g-1,變異系數(shù)分別為33.85%、26.58%和25.00%。大麥總花色苷含量變異幅度大于前人[12,15-16]的報(bào)道,表明紫光芒裸二棱×Schooner 構(gòu)建的大麥RIL 群體總花色苷含量呈廣泛遺傳變異,適合用于基因定位研究及高花色苷含量材料篩選。3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)大麥RIL 群體總花色苷含量的偏度(1.22、1.33、1.14)和峰度(0.75、1.09、0.81)絕對(duì)值總體上大于1且均為正值,呈右偏態(tài)、尖頂峰分布特征,表明大麥籽?？偦ㄉ蘸恐饕苤餍Щ蚩刂七z傳,這與前人研究結(jié)果[19,22,24,28-29]基本一致。

表4 大麥籽粒總花色苷含量與粒色的相關(guān)性分析Table 4 Correlation coefficient between total anthocyanin content and grain color in barley grains

我國(guó)有色大麥改良品種對(duì)象主要是黑大麥,已報(bào)道的有甘墾5 號(hào)[30]、墾啤黑糯1 號(hào)[31]、贛大麥1號(hào)[32]、荊黑大麥1 號(hào)[33]等。王楠等[15]、胡家坤等[16]以25 個(gè)不同顏色的地方大麥品種為材料,篩選出高花色苷紫黑色大麥品種宜平長(zhǎng)方頭,總花色苷含量為291.16 μg·g-1。本研究中,3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的超親株系中有16 個(gè)株系編號(hào)一致,其中有8 個(gè)株系(27、34、35、37、38、60、138、167)的總花色苷含量顯著或極顯著提高,且均高于前人[3,12,15-16]的報(bào)道。除27 號(hào)為紫黑色大麥,其余株系均為紫色大麥。有研究認(rèn)為紫大麥及紫黑色大麥可能含有促進(jìn)花色苷合成與積累的某些代謝酶基因[16],這與本研究結(jié)果一致。因此可利用這些超親株系配制高花色苷近等基因系,為后續(xù)基因精細(xì)定位及克隆奠定基礎(chǔ)。此外,這些高花色苷家系可進(jìn)一步培育開(kāi)發(fā)為高花色苷大麥新品種,滿足市場(chǎng)需求。

李海芬等[34]發(fā)現(xiàn)花生花青素含量及相關(guān)基因表達(dá)量越高,其種皮顏色越深。覃鴻妮等[19]認(rèn)為F2∶3群體玉米籽?；ㄉ蘸颗c黑色素含量呈極顯著正相關(guān)。陳廷文[35]分析發(fā)現(xiàn)水稻穎殼顏色越深,糙米顏色越深,花色苷含量越高;Ham 等[36]發(fā)現(xiàn)C3G 含量與稻米籽粒顏色呈顯著正相關(guān)。孫明茂等[22]分析表明,F5家系糙米總花色苷含量與粒色極顯著正相關(guān)(0.69**)。紫蘇酚類物質(zhì)含量與粒色等多個(gè)農(nóng)藝性狀存在相關(guān)性[37-38]。本研究結(jié)果表明,3 試驗(yàn)點(diǎn)大麥RIL 群體總花色苷含量與粒色呈極顯著正相關(guān)(0.745**、0.693**、0.795**),這與前人研究結(jié)果一致。表明在一定程度上,大麥籽粒顏色越深,其總花色苷含量就越高。這可能主要與大麥遺傳因素有關(guān),但具體原因有待進(jìn)一步深入研究。因此,籽粒顏色可作為高花色苷含量大麥品種篩選的輔助選擇指標(biāo)。

此外,花色苷含量雖然主要由遺傳因素控制,但環(huán)境也能影響花色苷含量[39]。如李迪秦等[40]研究發(fā)現(xiàn)溫度是影響不同種植季節(jié)早、中、晚稻花色苷含量的主要因素。高溫(早、中稻時(shí)期)導(dǎo)致花色苷含量降低;低溫(晚稻時(shí)期)有利于花色苷含量提升。蔡光澤[41-43]研究表明低溫促使黑米顏色加深,有利于黑米花色苷含量積累;光照強(qiáng)度減弱(遮光處理)對(duì)花色苷含量影響不大;不同施肥水平對(duì)紅黑米著色度影響不大。楊曉夢(mèng)等[44]研究表明海拔和溫度均對(duì)大麥活性成分有一定影響。本研究中,大麥RIL 群體總花色苷平均含量表現(xiàn)為玉溪(0.65 mg·g-1)＜白邑(0.79 mg·g-1)＜嵩明(0.84 mg·g-1),差異極顯著。研究表明,高溫能促進(jìn)籽粒灌漿,從而加快養(yǎng)分的消耗,導(dǎo)致花色苷累積不充分[41],這與本研究結(jié)果一致。推測(cè)其原因可能是,高海拔冷涼氣候有利于大麥花色苷等活性成分累積,且嵩明氣候條件較佳(白邑和嵩明屬于高海拔冷涼地區(qū),玉溪屬于低海拔高溫地區(qū))。但大麥花色苷合成和積累過(guò)程復(fù)雜,該推論仍有待進(jìn)一步深入研究及驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,不同環(huán)境下大麥籽?？偦ㄉ蘸吭赗IL 群體中存在廣泛的遺傳變異,呈右偏態(tài)、尖頂峰分布,說(shuō)明由主效基因控制遺傳。不同環(huán)境下大麥籽粒總花色苷含量與粒色均呈極顯著正相關(guān),表明大麥總花色苷含量與籽粒顏色之間存在緊密的正向關(guān)系。高海拔冷涼氣候在一定程度上有利于大麥籽?？偦ㄉ蘸康睦鄯e,初步揭示了不同海拔氣候?qū)Υ篼溩蚜；ㄉ蘸康挠绊懸?guī)律,并篩選了一批高花色苷含量的優(yōu)異大麥新種質(zhì)。本研究結(jié)果為高花色苷功能大麥種質(zhì)創(chuàng)新、優(yōu)異基因資源篩選及后續(xù)育種利用提供了一定的理論依據(jù)。由于環(huán)境因素和花色苷合成途徑的復(fù)雜性,本研究對(duì)大麥籽?？偦ㄉ蘸康木唧w提升與進(jìn)化機(jī)理及其與粒色間的遺傳關(guān)聯(lián)仍有待進(jìn)一步深入研究及驗(yàn)證。后續(xù)研究建議基于上述大麥RIL群體籽?？偦ㄉ蘸康倪z傳變異及相關(guān)性狀表型數(shù)據(jù),可進(jìn)行花色苷分子標(biāo)記定位及相關(guān)基因挖掘研究。