野生二粒小麦与栽培小麦农艺性状及籽粒营养组分比较研究

韦小宝， 詹志杰， 严 俊， 程剑平*

(1.贵州大学 麦作中心，贵州 贵阳 550025；2.成都大学 药学与生物工程学院，四川 成都 625014)

野生二粒小麦与栽培小麦农艺性状及籽粒营养组分比较研究

韦小宝1， 詹志杰1， 严 俊2， 程剑平1*

(1.贵州大学 麦作中心，贵州 贵阳 550025；2.成都大学 药学与生物工程学院，四川 成都 625014)

为丰富小麦的遗传背景、提升小麦的品质，以来自于以色列Hermon地区的110个野生二粒小麦和2份国外栽培小麦为供试材料，并测定其农艺性状和籽粒多组分营养成分，以发掘新的基因资源。结果发现，野生二粒小麦与栽培小麦籽粒蛋白质、植酸、氨基酸、总酚和农艺性状指标达到显著差异水平。网络相关性分析显示，野生二粒小麦与栽培小麦在籽粒营养性状间都呈现出较多的正相关，但是野生二粒小麦籽粒营养性状与农艺性状多呈现负相关。对两年环境中野生二粒小麦群体籽粒可溶性蛋白质和多组分营养含量的筛选中，发现基因型HP1籽粒氮素营养表现出极低值。同时，基因型HP143籽粒可溶性蛋白质的含量表现出较高值。通过对两个环境下小麦群体籽粒可溶性蛋白质和多组分营养物质含量的主成分分析发现，基因型HP143存在明显的分离，且HP143籽粒多组分营养性状的含量都较高。筛选到的小麦籽粒各组分含量极端的基因型个体，将为今后小麦遗传与育种研究提供有效的基因材料。对这些差异进行研究为改良小麦品种提供了遗传基础。

野生二粒小麦；栽培小麦；籽粒多组分营养；农艺性状

野生二粒小麦(Triticumdicoccoides， 2n=4x=28， AABB) 是普通小麦的四倍体祖先，于1906年被 Aaronsohn 在以色列北部地区发现并命名，主要分布在地中海东岸，包括以色列、约旦、黎巴嫩、伊朗、土耳其和叙利亚等。Nevo等[1]指出，在经历了复杂环境演变和长期进化的条件下，以色列野生二粒小麦已经积聚了丰富的遗传多样性和适应复杂生物、非生物生态环境胁迫的能力。Kovacsetal[2]将野生二粒小麦6B染色体上的高蛋白基因转移到两个高产低蛋白含量的加拿大硬粒小麦中，结果发现蛋白质含量、沉降值以及生面团的黏弹性等均高于亲本。野生二粒小麦含有丰富的基因资源，如优良农艺性状、高蛋白含量、高光和产量、抗病、抗旱、抗盐以及抗穗发芽等[3-4]，是普通小麦改良非常重要及丰富的遗传资源。但是，有关野生二粒小麦与栽培小麦籽粒蛋白质含量、植酸、氨基酸、总酚之间的差异及相关性较少报道。因此，本研究拟对来源于以色列Hermon地区110个基因型的野生二粒小麦群体和21个四倍体栽培小麦群体为研究材料，分别进行盆栽和田间两种种植方式，并测定其农艺性状和籽粒营养组分，比较不同种植环境对其性状以及野生小麦与栽培小麦品种间的籽粒含氮量的影响，并筛选出野生小麦群体高氮和低氮基因型。为今后小麦遗传与育种研究提供有效的基因材料。同时，分析不同种植环境对野生二粒小麦籽粒营养物质遗传率的影响。比较不同种单体型对其农艺性状和籽粒营养组分的影响，为进一步研究小麦籽粒多组分营养物质积累和遗传机理提供材料与依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为110个来源于以色列北部Hermon地区野生二粒小麦材料和21个国外栽培小麦种，由以色列海法大学进化研究所和贵州大学麦作研究中心提供，见表1。

1.2 农艺性状及籽粒营养物质测定

1.2.1 试验设计和小麦农艺性状观察与检测 野生二粒小麦群体于2014年 (Y14) 种植于中国四川省崇州市羊马镇国家大麦产业技术体系成都综合实验站 (103°16′-103°44′E， 30°66′-30°78′N， 海拔530 m)。该试验地土壤为水稻土，土壤肥力中等均匀，pH 6.57，小麦播种采用沟施，沟长1.5 m，每沟播种30粒种子，沟间距60 cm。采用完全随机区组设计，区组间重复3次，设置保护行。小麦收获时，每沟所有麦穗放于同一纸袋内。分蘖期前为人工灌溉，后自然降雨。小麦生育期日照时数677.54 h，平均气温15.9℃，无霜期较长；年降雨量1 010 mm，降雨量充沛。收获后将小麦脱粒后烘干，研磨过筛后待测。在小麦成熟期测定株高、穗长、芒长、旗叶长和旗叶宽；单行收获，籽粒烘干后研磨、过40目筛备用。分别检测粉样总类黄酮、总酚、植酸和无机磷以及α-氨基和可溶性蛋白质含量，重复3次。

表1 以色列野生二粒小麦及栽培小麦品种Tab.1 The genotypes of wild emmer wheat from Israel and cultivated wheat varieties

1.2.1.1 籽粒总类黄酮、总酚、植酸和无机磷含量的测定 称取50 mg样品，加入1.6 mL甲醇溶液 (50%)，超声1 h后65 ℃恒温水浴1 h。10 000 rpm/min离心10 min，4℃静置48 h；静置后取上清液同时进行籽粒总类黄酮和总酚含量的测定。总类黄酮和总酚含量的测定分别参照Jia[5]和Ainsworth采用紫外分光光度法[6]。

将以上样品剩余物经真空浓缩仪 (Eppendorf， Concentrator Plus) 浓缩6 h后至无水，干燥底物加入1.6 mL 0.5 mol/L的HCl溶液，并用组织研磨器将底物研磨至匀浆，10 000 rpm/min离心10 min后，上清液待测。植酸和无机磷含量的测定分别参照Latta[7]和Ficco[8]采用紫外分光光度法。

1.2.1.2 可溶性蛋白质和氨基酸含量的测定 取30 mg样品，加入1.6 mL 0.1 mol/L的NaOH溶液，用组织研磨器将底物研磨至匀浆，85℃恒温水浴1 h。13 000 rpm/min离心15 min后，取上清液，分别参照 Brown[9]和 Freedman[10]的方法测定可溶性蛋白质和氨基酸。

1.3 数据统计

用JMP 6.0进行方差 (ANOVA)分析，用R 2.11构建小麦农艺性状与籽粒营养相关性状间的皮尔森相关性矩阵 (Pearson correlation matrix)，并由Cytoscape 2.7.0对相关性矩阵进行相关性网络分析 (correlation-based network analysis， CNA)。

2 结果与分析

2.1 野生二粒小麦与栽培小麦籽粒营养成分及农艺性状的比较

如表2所示，野生二粒小麦群体可溶性蛋白质平均值约为25%，而栽培小麦平均值约为15%，其籽粒可溶性蛋白质的平均值是栽培小麦的1.67倍。植酸的含量在Hermon群体中约为25.12 g/kg，在栽培种中约为17.12 g/kg，其籽粒植酸含量是栽培小麦的1.67倍。氨基酸的含量在Hermon群体中约为5.85 g/kg，在栽培种中约为4.26 g/kg，其籽粒氨基酸含量是栽培小麦的1.3倍。总酚的含量在Hermon群体中约为1.22 mg/kg，在栽培种中约为1.61 mg/kg，栽培小麦籽粒总酚含量是野生小麦的1.31倍。总类黄酮的含量在Hermon群体中约为361.32 mg/kg，在栽培种中约为373.37 mg/kg。无机磷的含量在Hermon群体中约为165.87 mg/kg，在栽培种中约为152.92 mg/kg。

表2 野生二粒小麦群体及栽培小麦在2种环境下籽粒可溶性蛋白质及多组分营养物质含量的平均值和范围Tab.2 Mean values and ranges of total soluble protein and multi-component content of nutrients of wild emmer wheat population and cultivated wheat in two environments

如表3所示，Hermon群体植株成熟期株高约为49.43 cm，栽培种的株高约为77.3 cm。Hermon群体植株成熟期穗长约为6.64 cm，栽培种的穗长约为7.59 cm。Hermon群体植株成熟期芒长约为15.86 cm，栽培种的芒长约为13.45 cm。Hermon群体植株成熟期主茎旗叶长约为12.01 cm，栽培种的主茎旗叶长约为23.37 cm。Hermon群体植株成熟期主茎旗叶宽约为0.57 cm，在2009年盆栽环境中约为0.97 cm。

如表4所示，整体上，除无机磷和总类黄酮以外，野生二粒小麦与栽培小麦在农艺性状和籽粒营养组分均有极显著差异。野生二粒小麦的可溶性蛋白质、植酸、氨基酸、芒长明显高于栽培小麦。相反，栽培小麦的总酚、株高、穗长、主茎旗叶长和主茎旗叶宽明显高于野生二粒小麦群体。因此，栽培小麦具有较高的植株和较大的旗叶，但其籽粒有机氮和有机磷水平较野生二粒小麦明显降低。2014年田间种植环境中的野生二粒小麦明显提高了籽粒蛋白质水平，但株高相较栽培种下降43%。农艺性状穗长-芒长在野生二粒小麦和栽培小麦中具有相反的变化趋势。而栽培种在抗氧化指标总酚和旗叶性状上明显高于野生二粒小麦。

表3 野生二粒小麦群体及栽培小麦在2种环境下农艺性状含量的平均值和范围

Tab.3 Mean values and ranges of agronomic traits content of wild emmer wheat population and cultivated wheat in two enviroments

株高(cm)穗长(cm)芒长(cm)主茎旗叶长(cm)主茎旗叶宽(cm)20092014野生小麦野生小麦栽培小麦81.4±7.49.5±0.912.4±1.59.8±1.80.7±0.166.0～101.07.0～12.18.7～17.55.5～15.20.6～1.249.4±9.56.6±1.315.8±2.612.0±2.60.5±0.127.6～68.73.3～8.99.8～22.14.8～20.40.4～0.977.3±16.07.5±1.513.4±2.423.3±4.10.9±0.255.6～104.35.1～11.29.9～18.317.3～32.20.6～1.3

表4 农艺性状及籽粒营养成分的比较Tab.4 Comparison of agronomic traits and grain nutrient components

注：“**”代表P<0.01差异显著。

2.2 野生二粒小麦与栽培小麦农艺性状与籽粒营养成分间的相关性分析

图1 A和B分别代表栽培小麦和野生二粒小麦农艺性状与籽粒营养成分的网络相关性，籽粒营养成分包含可溶性蛋白质 (TSP)、植酸 (Phy)、氨基酸 (NH2)、总酚 (Phe)、总类黄酮 (Fla) 和无机磷 (Pi)，农艺性状则是株高 (PH)、主茎旗叶长 (FL)、主茎旗叶宽 (FW)。在图1A中，可溶性蛋白质与其它5种营养组分都成正相关，无机磷与主茎旗叶长呈现正相关。在图1B中，可溶性蛋白质只与氨基酸、植酸和无机磷呈现出正相关，氨基酸则表现出较多的相关性。以上相关性网络显示栽培小麦农艺性状与种子营养成分之间的相关性较

图1 野生二粒小麦与栽培小麦农艺性状及籽粒营养组分的相关性网络

Fig. 1 Correlation based network of agronomic traits and grain nutrient components between wild emmer wheat and wheat.

注：点与点之间的连线代表性状之间的相关性，实线代表正相关，而虚线代表负相关。

少，而野生二粒小麦则显示农艺性状与种子多组分营养之间有较多的相关性且多为负相关。在籽粒营养成分方面，野生二粒小麦和栽培小麦表现出一致性，都表现出丰富的正相关。同时，主茎旗叶长和主茎旗叶宽都是呈现正相关。以上结果证明野生二粒小麦与栽培小麦相关性网络发生改变，主要体现在农艺性状与籽粒营养组分的相关性。

3 讨论与结论

在大田种植环境中，野生二粒小麦与栽培小麦农艺性状及主要籽粒营养组分有显著影响。其中野生二粒小麦在氮素营养指标上要明显高于栽培小麦，不同品种其氮素积累各不相同[11]。Avivi等(1978)研究表明，野生二粒小麦籽粒蛋白质含量达到20%～27%[12]。另外小麦高蛋白基因GPC-B1已经被成功克隆和转移到多个现有小麦品种[13]。廖东梅等[14]研究得出，与普通小麦相比，野生二粒小麦蛋白质、沉降值、面筋均呈现出较高值。野生二粒小麦籽粒植酸的含量明显高于栽培小麦，前人发现植酸是小麦种子磷素的主要提供者，对种子前期萌发生长具有重要作用[15]。本研究中，野生二粒小麦蛋白质、氨基酸、植酸、总酚以及农艺性状与栽培小麦呈极显著差异，而且4种营养指标均高于栽培小麦；两者间无机磷和总类黄酮不存在显著差异。相关性分析表明，野生二粒小麦与栽培小麦在籽粒营养性状间都呈现出较多的正相关，但是野生二粒小麦籽粒营养性状与农艺性状多呈现负相关。两个年份不同种植环境，对野生二粒小麦籽粒可溶性蛋白质(SP)、氨基(AG)、植酸(PA)和无机磷(Pi)都有显著影响。其中籽粒氮素水平在两种环境之间存在较大差异，田间种植环境不仅显著提高了籽粒SP和AG水平，而且也提高了PA的含量。但不同种植环境对总酚(TP)和总类黄酮(TF)并无显著影响。TP和TF都属于抗氧化物，主要是在种子发育后期合成[1]，此类化合物没有受到环境的显著影响，表明其合成代谢途径具有保守性。在磷素营养中，种子内60%的磷元素为有机磷，仅有8%的磷为无机磷，而小麦种子内50-85%的有机磷都是植酸(PA)[16]。PA和Pi在不同环境中呈现出相反的趋势，说明较高的有机磷含量会导致游离无机磷含量的下降。同时，穗长/芒长与旗叶长/旗叶宽之间也表现为竞争关系，说明野生二粒小麦总穗长和旗叶总面积具有一定的上限，不同种植环境可改变穗长/芒长与旗叶长/旗叶宽比例。同时，不同种植环境也改变了农艺性状与种子营养成分的网络关系，在田间环境条件下微量营养呈现出较多的相关性。籽粒SP和SP含量与PA、AG、TP在两个环境下呈现显著正相关，农艺性状与籽粒多组分营养间呈负相关。本研究对两个年份不同环境中野生二粒小麦群体籽粒可溶性蛋白质(SP)和多组分营养的含量(MCNC)的筛选中，发现基因型 HP1 籽粒SP和AA在两个年份不同环境中均表现出极低值。同时，基因型 HP143 籽粒SP的含量在两个年份不同环境中均表现出较高值；基因型 HP117 籽粒展现出丰富的磷素营养。通过对两个环境下小麦群体籽粒SP和MCNC的主成分分析，发现基因型 HP143 存在明显的分离，而且 HP143 在两个环境下，MCNC都较高。筛选到的基因型，将为小麦籽粒SP和MCNC的遗传与育种研究提供有效的基因材料。通过两个环境下野生二粒小麦群体籽粒氮素营养成分结合多组分营养物质的主成分分析，发现大部分野生二粒小麦基因型聚集在一起。但是基因型 HP143 则明显分离出来，表明该基因型不仅在氮素营养上存在明显差异，并且在其它5个籽粒营养物质的含量上也存在明显差异。这为今后育种提供优异种质资源打下基础。

致谢：本研究采用了以色列进化研究所的相关材料，对国家科技部和贵州省科技厅的国际合作项目支持表示衷心的感谢!

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Study on Grain Multicomponent Nutrition and Agronomic Characters of Wild Emmer Wheat from Israel and Some Cultivated Wheat

WEIXiao-bao1，ZHANZhi-jie1，YANJun2，CHENGJian-ping1*

(1.InstituteofTriticeaeCrops，GuizhouUniversity，Guiyang，Guizhou550025，China; 2.SchoolofPharmacyandBioengineering，ChengduUniversity，Chengdu，Sichuan625014，China.)

In order to enrich the genetic background of the wheat varieties and to improve their quality， 110 genotypes of wild emmer wheat which derived from Mt. Hermon of Israel and 21 foreign cultivated wheats were taken as material and multicomponent nutrition and agronomic characters of the grains were determined . The results showed that there were significant differences among protein， phytates， NH2， total phenol and agronomic characters betweenT.dicoccoidesmaterials and cultivated wheat varieties. There was a certain positive correlation between different quality characters ofT.dicoccoidesmaterials and cultivated wheat varieties， but multicomponent nutrition of wild emmer wheat grain had a negative correlation with agronomic characters. In the screening of wild emmer wheat population by soluble protein and multicomponent nutritional concentrations in two year environment， we found that HP1 was in low nitrogen nutrition. At the same time， we discovered that HP143 was in relatively high soluble protein. By analyzing the content of grain’s soluble protein and multicomponent nutritional under two different environments， we found that HP143 separated remarkably and its multicomponent nutritional content was relatively high. Screened genotypes with extreme nutrition contents might provide effective genetic material for inheritance and breeding of wheat. There were abundant diversities in quality characters ofT.dicoccoides， which could be used in quality improvement of cultivated wheat varieties.

T.dicoccoides; Cultivated wheat; Multicomponent nutrition in grain; Agronomic characters

2016-11-23；

2016-12-08

国家科技部国际科技合作专项(2013DFA32200 ); 贵州省国际科技合作计划项目[黔科合外G字 (2012) 7011] 。

Q346.4；S339.51

A

1008-0457(2017)01-0040-05 国际

10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2017.01.007

*通讯作者：程剑平(1963- )，男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：作物遗传育种和植物营养；E-mail： chengjianping63@qq.com。