劉玉秀 黃淑華 王景琳 張正茂,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 陜西楊凌 712100; 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院, 陜西楊凌 712100

鈣是人體生命活動(dòng)所必需的礦物質(zhì)元素。鈣不僅是骨骼和牙齒重要組成部分, 而且在人體中參與骨骼肌和心肌的收縮、神經(jīng)反應(yīng)、免疫吞噬等重要的生理功能[1]。全球約35億人缺鈣, 其中90%缺鈣人群在非洲和亞洲, 缺鈣已成為影響人類健康的世界性重大問題[2-3]。2012年我國(guó)居民人均鈣攝入量為366.1 mg d–1, 不到中國(guó)營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)推薦鈣攝入量的一半, 且低于2002年388.8 mg[4]。缺鈣可引起骨質(zhì)疏松癥、骨關(guān)節(jié)病、小兒佝僂病等疾病[1,5], 其中僅缺鈣引起的骨質(zhì)疏松性骨折, 美國(guó)和我國(guó)每年需花費(fèi)上百億的醫(yī)療費(fèi)用[6]。另外, 飲食中低鈣攝入量與腎結(jié)石和結(jié)腸癌的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)[7]。

人類借助富含鈣的食物、保健品或藥品等進(jìn)行補(bǔ)鈣, 但依然存在投資大、覆蓋面小和費(fèi)用高等缺陷, 不能根治鈣營(yíng)養(yǎng)不良的問題。主食是一種最優(yōu)安全的礦物質(zhì)元素補(bǔ)充途徑。在食品加工過程中添加營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑, 提高食品中鈣含量, 如鈣強(qiáng)化豆?jié){、鈣強(qiáng)化橙汁和富鈣餅干[1,8], 但提高了生產(chǎn)成本且覆蓋面不廣。生物強(qiáng)化是一種基于農(nóng)業(yè)的改善人體營(yíng)養(yǎng)的工具 。生物強(qiáng)化是通過遺傳改良方法提高小麥籽粒的鈣等礦物質(zhì)元素含量, 是在小麥生長(zhǎng)過程中自然而然的增加, 且不影響作物的農(nóng)藝性狀和口感特性[9-11]。糧食作物的生物強(qiáng)化是一種低成本、可持續(xù)和有效解決鈣缺乏的方案[12]。

小麥?zhǔn)欠植甲顝V的世界性糧食作物, 為人類提供約20%的蛋白質(zhì)和21%的食物熱量, 是人體膳食鈣的主要來源。小麥作為全球35%～40%人群賴以生存的主要糧食之一, 是礦物質(zhì)元素生物強(qiáng)化的重要對(duì)象[13-14]。小麥鈣生物強(qiáng)化對(duì)提高小麥營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,從而解決全球人口尤其是貧困地區(qū)人口由于鈣缺乏造成的健康問題具有重要現(xiàn)實(shí)意義。因此, 本文從小麥籽粒鈣元素含量的遺傳差異、影響因素、其與相關(guān)性狀關(guān)系以及分子調(diào)控機(jī)理的角度, 綜述其研究進(jìn)展, 為鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化小麥種質(zhì)資源創(chuàng)新、新品種選育與富鈣小麥?zhǔn)称费芯块_發(fā)利用提供一定的參考。

1 小麥籽粒鈣含量的測(cè)定方法

鈣含量測(cè)定比較常見的方法有原子吸收光譜法(AAS)[15-16]、原子吸收分光光度計(jì)分析法(FAAS)[17-18]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)[19-20]和電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)[21]等。AAS方法具有快速、準(zhǔn)確、不干擾等優(yōu)點(diǎn), 但需要繁瑣的樣品預(yù)處理過程[15]。FAAS方法, 樣品的前處理是其分析結(jié)果的關(guān)鍵影響因素,其中高溫灰化法是最常用的前處理方法之一, 具有消化完全、消化時(shí)間長(zhǎng)和操作較復(fù)雜等特點(diǎn); 而鹽酸浸提法具有操作簡(jiǎn)便、污染少和處理時(shí)間較短等特點(diǎn)。以上方法均存在費(fèi)用高、預(yù)處理過程繁雜、易受到污染、難于對(duì)育種材料進(jìn)行大規(guī)模分析和篩選等缺點(diǎn)[13,22]。相比以上方法, X-射線能譜儀法具有快速、準(zhǔn)確、不需化學(xué)試劑和提取等操作步驟等優(yōu)點(diǎn), 適用于篩選富含必需礦質(zhì)元素的育種材料或測(cè)定籽粒各部位礦質(zhì)元素(除H和He元素外)組成及分布情況, 但只能測(cè)定元素的相對(duì)含量, 需標(biāo)準(zhǔn)樣品才能測(cè)定絕對(duì)含量[23]。近年來逐漸得到科研工作者關(guān)注的X射線熒光光譜法(XRF), 具有樣品前處理準(zhǔn)備簡(jiǎn)便、多元素同時(shí)測(cè)定、重現(xiàn)性好、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)[22], 已用于分析育種材料的礦質(zhì)元素含量[24],其中采用X-Supreme 8000 (Oxford Instrument plc,Abingdon, UK) 或 Bruker S2 Ranger (Bruker Corporation, Massachusetts, USA)儀器, 具有無損傷、低成本、高通量、高效率等優(yōu)點(diǎn)[13]。鈣元素不直接吸收近紅外光, 但在植物體內(nèi)與有機(jī)物結(jié)合使得鈣元素可被近紅外光譜技術(shù)(NIR)間接測(cè)定。利用NIR技術(shù)對(duì)大米、煙葉中鈣元素的含量進(jìn)行了測(cè)定分析,分別應(yīng)用修正的偏最小二乘回歸分析(MPLS)和最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)建立了預(yù)測(cè)模型[25-26],可用于種質(zhì)資源的快速測(cè)定和篩選。在試驗(yàn)和生產(chǎn)中, 測(cè)定小麥籽粒鈣含量應(yīng)根據(jù)具體情況選用適宜的測(cè)定方法。

2 小麥籽粒鈣含量的差異及影響因素

2.1 小麥基因型間籽粒鈣含量的差異

小麥籽粒鈣含量受基因型、環(huán)境及兩者互作的顯著影響, 但基因型效應(yīng)遠(yuǎn)大于基因型與環(huán)境互作效應(yīng)[27-30]。不同基因型小麥種質(zhì)籽粒鈣含量的變異范圍較寬, 基因型間存在顯著差異。我國(guó)小麥微核心種質(zhì)庫(kù)的 262份種質(zhì)籽粒鈣含量變異范圍為290～976 mg kg–1[19], 北方地區(qū)主推小麥品種為317～653 mg kg–1[28], 黃淮麥區(qū)小麥骨干種質(zhì)為40.79～954.80 mg kg–1[31], 豫北地區(qū)主栽小麥品種為376.23～693.73 mg kg–1[32], 長(zhǎng)江中下游地區(qū)主推小麥品種和部分國(guó)內(nèi)外引進(jìn)小麥品種籽粒鈣含量介于242.66～620.51 mg kg–1[16]。山農(nóng) 483×川 35050 構(gòu)建的小麥重組自交系群體籽粒鈣含量范圍為 317～737 mg kg–1[33]。中國(guó)15個(gè)小麥主要種植區(qū)以及俄羅斯等 7個(gè)國(guó)家小麥種質(zhì)籽粒鈣含量分布范圍為139.18～676.04 mg kg–1[34]。歐洲小麥品種籽粒鈣含量變異范圍為288.2～647.5 mg kg–1[30], 葡萄牙小麥種質(zhì)為 381～496 mg kg–1[3], 美國(guó)小麥種質(zhì)為 242～765 mg kg–1[29], 巴基斯坦小麥種質(zhì)為 295～455 mg kg–1[35]。土耳其農(nóng)家種籽粒鈣含量為340～685 mg kg–1[36], 其硬粒小麥品種為290～685 mg kg–1[37]。山羊草屬(AegilopsL. species)穎果鈣含量高于普通小麥籽粒, 野生一粒小麥、二粒小麥和斯佩耳特小麥籽粒鈣含量高于栽培種品種, 是富集鈣的潛在種質(zhì)資源[38]。人工合成六倍體小麥籽粒鈣含量低于面包小麥品種[39], 變異范圍為 21.6～167.2 mg kg–1[21]。有芒小麥品種籽粒鈣含量高于無芒小麥品種[40]。彩色小麥籽粒鈣含量高于普通白粒小麥[41]。通過測(cè)定分析, 篩選到了一些高鈣含量小麥種質(zhì), 如徐麥856[28]、豫麥 47[28]、鄭麥 9405[28]、NP164[16]、地方品種 47[36]、Eyyubi[40]等, 可作為當(dāng)?shù)貎?yōu)良的高鈣含量種質(zhì)資源材料供育種利用。然而, 如何進(jìn)一步評(píng)估和拓寬這類種質(zhì)資源, 并借助遺傳改良的方法生產(chǎn)富含鈣營(yíng)養(yǎng)元素并有益于人類健康的糧食, 這也成為作物科學(xué)和國(guó)際營(yíng)養(yǎng)科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。

2.2 小麥籽粒不同部位鈣含量的差異

小麥籽粒和糊粉層中均富含鈣元素, 胚乳層中鈣含量比皮層和糊粉層低, 不同小麥品種籽粒各部位的鈣含量存在遺傳性差異[23,42]。鈣含量在麩皮中最高, 變異幅度最大; 籽粒中次之; 面粉中最低[16]。籽粒鈣含量是面粉中的1.11～2.31倍, 麩皮鈣含量是面粉中的 2.83～8.70倍, 麩皮鈣含量是籽粒的1.48～5.48 倍[16]。

2.3 農(nóng)藝措施對(duì)小麥籽粒鈣含量的影響

在石灰性土壤中施用鈣肥氯化鈣可促進(jìn)小麥干物質(zhì)形成, 增加穗數(shù)和籽粒產(chǎn)量, 顯著增加整株鈣累積量, 但對(duì)籽粒鈣含量無影響[18]; 但在酸性淋溶土中施用石灰, 顯著提高了小麥籽粒鈣含量[43]。無論氮肥施用量如何, 接種巴西固氮螺菌可增加小麥籽粒鈣含量[44]。施用腐殖酸(85%腐殖酸)顯著增加小麥生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量; 隨著腐殖酸施用量增加,顯著降低小麥籽粒鈣含量[45]。施用基于氨基酸的生物刺激素(AminoPrim和AminoHort)有助于提高小麥籽粒鈣含量[46]。小麥與綠豆、大豆、秋豆輪作, 其籽粒鈣含量增加; 隨著施氮量增加, 小麥籽粒鈣含量增加[47-48]。然而, 也有研究發(fā)現(xiàn)小麥等前茬作物對(duì)冬小麥籽粒鈣含量無明顯影響, 施氮肥對(duì)籽粒鈣含量無影響[49-51]。葉面噴施較高濃度硒酸鈉降低了小麥籽粒鈣含量[52]。土壤施用鋅肥顯著提高了小麥籽粒鈣含量[53], 但噴施葉面鋅肥(ZnSO4·7H2O,0.3%, w/v)降低了小麥籽粒鈣含量[54]。剪葉遮光可提高小麥籽粒鈣含量, 但降低了單穗鈣產(chǎn)量[55]。與傳統(tǒng)栽培方法相比, 地膜覆蓋、秸稈還田和種植綠肥降低了旱地小麥籽粒鈣含量[56]; 與施氮量較高的常規(guī)栽培相比, 少耕(覆蓋耕作和免耕)和降低施氮量對(duì)小麥籽粒鈣含量增加效應(yīng)更好[57]。有機(jī)栽培管理,尤其是不施可溶性肥料, 并沒有引起小麥籽粒鈣含量的急劇增加[58]。此外, 集約化種植制度提高了小麥產(chǎn)量, 但同時(shí)降低了其營(yíng)養(yǎng)品質(zhì), 籽粒養(yǎng)分鈣含量低[59]。

3 小麥籽粒鈣含量與其他性狀的關(guān)系

3.1 小麥籽粒鈣含量與主要農(nóng)藝性狀的關(guān)系

由于過去的小麥育種目標(biāo)過分集中在產(chǎn)量和抗逆性改良, 忽視其籽粒礦物質(zhì)元素含量, 在一定程度上導(dǎo)致育成的小麥品種籽粒礦物質(zhì)含量較低[3]。小麥籽粒鈣含量與千粒重、產(chǎn)量均呈顯著負(fù)相關(guān)[29],但也有研究發(fā)現(xiàn)小麥籽粒鈣含量與千粒重呈顯著正相關(guān)[37]。幼苗發(fā)育的第一階段取決于種子中礦物質(zhì)元素的含量[60]。二價(jià)鈣離子(Ca2+)調(diào)節(jié)和控制與光合作用相關(guān)的氣孔運(yùn)動(dòng), 加速糖分運(yùn)輸, 增強(qiáng)光合效率[61]。

3.2 小麥籽粒鈣含量與品質(zhì)和其他礦質(zhì)元素的關(guān)系

測(cè)定不同小麥品種(系)籽粒鈣含量和品質(zhì)相關(guān)性狀, 發(fā)現(xiàn)籽粒鈣含量與粗蛋白含量、濕面筋和沉降值之間呈正相關(guān), 但無顯著性[20]。小麥籽粒鈣含量與籽粒蛋白質(zhì)含量、鋅含量、鐵含量、硫含量、磷含量、鎂含量和錳含量呈顯著正相關(guān)[21,29,37-38,62-63]。

3.3 小麥籽粒鈣含量與其生物有效性影響因子的關(guān)系

禾谷類作物(小麥、水稻等)籽粒中含有一些影響鈣元素生物有效性的抗?fàn)I養(yǎng)因子, 它們不僅能與鈣形成螯合物, 而且通過調(diào)控機(jī)制能調(diào)節(jié)鈣的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)以及在籽粒中的重新分配, 其中植酸是最主要的抗?fàn)I養(yǎng)因子, 降低了鈣的生物有效利用率[64-65]。小麥籽粒中鈣主要以植酸鹽螯合物形式存在, 在自然界中無法自行降解, 只能通過植酸酶分解為低磷肌醇衍生物和無機(jī)磷酸鹽, 才能被人體加以有效利用[13,66]。植酸在作物抵抗生物和非生物脅迫中起著重要作用, 其含量在籽粒中保持在一定水平[67]。因此, 提高植酸酶活性可能是提高鈣吸收利用率、解決鈣含量缺乏問題的重要途徑。

3.4 小麥籽粒鈣含量與面粉鈣含量的關(guān)系

小麥籽粒鈣含量高, 面粉鈣含量也高, 二者呈極顯著正相關(guān)[16], 說明從籽粒鈣含量高的小麥種質(zhì)材料中有可能選育出面粉鈣含量高的小麥品種。小麥磨粉即去除麥麩制成精粉。小麥粉的加工精度越高, 所含的麩皮和胚芽越少, 營(yíng)養(yǎng)價(jià)值越低。利用生產(chǎn)線上取得的各系統(tǒng)小麥粉配制成不同出粉率的面粉, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)出粉率為35%～70%時(shí), 面粉中鈣含量保持一個(gè)較低且穩(wěn)定的含量; 但當(dāng)出粉率高于80%時(shí),其鈣含量明顯升高[68]。利用布勒試驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)制備面粉, 隨著出粉率的提高(66%～78%), 小麥面粉鈣含量無顯著變化[69]。因此, 在不影響面粉食用品質(zhì)和加工品質(zhì)的前提下, 適量降低面粉的精度, 提高面粉出粉率, 進(jìn)而提高面粉中鈣營(yíng)養(yǎng)元素含量。

4 小麥籽粒鈣含量調(diào)控的機(jī)制研究

4.1 小麥籽粒鈣含量積累的生理基礎(chǔ)與遺傳機(jī)制研究

高鈣型植物具有較高的鈣富集能力, 其地上部分在低鈣含量土壤中可維持較高的鈣含量; 低鈣型植物反之亦然[70]。蒸騰作用、導(dǎo)管壁上的陽離子吸附及組織水勢(shì)的變化影響植物體內(nèi)鈣的運(yùn)輸和分配。盡管在細(xì)胞內(nèi)鈣轉(zhuǎn)運(yùn)研究取得了相當(dāng)大的進(jìn)展,但迄今為止, 籽粒中高鈣含量積累的分子基礎(chǔ)研究報(bào)道很少[61]。小麥籽粒鈣含量主要取決于根系吸收、體內(nèi)運(yùn)輸和再分配以及在種子中轉(zhuǎn)移和積累等過程[71]。這些過程中的每一個(gè)都很可能受到多個(gè)基因控制, 使得鈣在籽粒中的積累是一個(gè)復(fù)雜的多基因現(xiàn)象。隨著灌漿進(jìn)程的推進(jìn), 小麥籽粒鈣含量和鈣累積速率逐漸降低, 但籽粒鈣總量逐漸提高; 葉片和葉鞘鈣不能向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn), 籽粒鈣主要來自于根系的轉(zhuǎn)運(yùn)[72]。鈣在韌皮部遷移水平顯著影響其在籽粒中的含量和位置, 而鈣在韌皮部移動(dòng)性差, 不易到達(dá)籽粒胚乳, 部分殘留在小麥籽粒種皮上[53]。到目前為止, 對(duì)小麥籽粒中鈣含量轉(zhuǎn)運(yùn)、積累的生理基礎(chǔ)與遺傳機(jī)制還不是很清楚。

4.2 小麥籽粒鈣含量基因定位研究

近十年來, 隨著營(yíng)養(yǎng)基因組學(xué)的發(fā)展, 營(yíng)養(yǎng)生物學(xué)科學(xué)得到了廣泛的發(fā)展和進(jìn)步。在營(yíng)養(yǎng)隱形饑餓日益嚴(yán)重的時(shí)代, 必須利用谷物的營(yíng)養(yǎng)特性來開發(fā)具有新營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的谷物[59]。從目前育種目標(biāo)來看,利用常規(guī)育種策略已培育出許多具有多種營(yíng)養(yǎng)豐富特性的潛在品種。然而, 小麥傳統(tǒng)育種技術(shù)主要通過表型性狀對(duì)基因型進(jìn)行間接選擇, 需要豐富的育種經(jīng)驗(yàn)和較長(zhǎng)時(shí)間; 同時(shí)籽粒鈣含量性狀受多因素影響, 選擇效率低?；蚪M學(xué)輔助育種就為營(yíng)養(yǎng)生物學(xué)研究開辟一條新的途徑。

數(shù)量性狀基因座(QTL)分析是解析小麥礦物質(zhì)含量性狀的有效方法, 廣泛應(yīng)用于作物數(shù)量性狀遺傳研究。利用QTL分析能有效檢測(cè)與小麥籽粒鈣含量的相關(guān)基因位點(diǎn), 從而提高富鈣小麥育種的效率。目前, 關(guān)于小麥籽粒鈣含量的基因定位研究較少。Peleg等[73]通過連鎖分析定位到9個(gè)控制籽粒鈣含量的QTL, 位于1A、4A、6A、2B、4B、5B、6B和7B染色體(表1), 解釋表型變異1.0%～21.0%; 除了4B染色體, 位于其他染色體上的QTL均在所有環(huán)境中檢測(cè)到; 6B染色體上的QTL位點(diǎn)同時(shí)與鈣、鋅和鐵含量相關(guān); 7B染色體上的QTL位點(diǎn)同時(shí)與鈣、籽粒蛋白質(zhì)含量、鉀和錳含量相關(guān), 說明這些QTL同時(shí)可用于改良籽粒鈣、鋅、鐵、鉀和錳含量。Shi等[74]在1A、2A、7B和2D染色體上定位到4個(gè)控制籽粒鈣含量QTL (表1), 解釋表型變異5.8%～14.0%; 在1A染色體上檢測(cè)到的QTL, 其遺傳距離位于10.1～10.9 cM之間, 這與Peleg等[73]報(bào)道的QTL (5.0～58.7 cM)的異同還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證; 在7B染色體上檢測(cè)到的QTL (0～9.7 cM)與Peleg等[73]報(bào)道的遺傳距離位于15.2～30.8 cM之間的QTL不同。Alomari等[30]以353份歐洲小麥品種為材料, 對(duì)籽粒鈣含量進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析, 共發(fā)現(xiàn)485個(gè)與籽粒鈣含量顯著關(guān)聯(lián)的單核苷酸多態(tài)性(SNP)標(biāo)記, 分布在除3D、4B和4D以外的所有染色體上, 其中在2個(gè)環(huán)境和BLUE值(閾值為?log10(P-value≥3))中均與籽粒鈣含量顯著關(guān)聯(lián)的標(biāo)記位于2A、3A、5A、6A、5B和5D染色體上(表1); 在這6條染色體上與籽粒鈣含量顯著相關(guān)的SNP位點(diǎn)附近找到了41個(gè)與鈣吸收或轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的候選基因。植物鈣轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白已被證實(shí)了可增加胡蘿卜等可食根的鈣含量[75]。在2A和6A染色體上檢測(cè)的位點(diǎn)與Shi等[74]和Peleg等[73]報(bào)道的不同。Bhatta等[21]通過對(duì)123份人工合成六倍體小麥種質(zhì)的籽粒鈣含量進(jìn)行全基因關(guān)聯(lián)分析, 在3A、6A、7A、1B、2B、3B、6B、2D和3D染色體上發(fā)現(xiàn)了15個(gè)與籽粒鈣含量顯著關(guān)聯(lián)的SNP標(biāo)記(表1), 解釋表型變異2.7%～21.5%。由于所用群體(RILs、DHs或自然群體)、標(biāo)記不同(AFLP、SSR、DArTs、90K)或準(zhǔn)確位置信息缺乏或IWGSC RefSeq v1.0以外的其他版本參考小麥基因組使用, 在3A染色體上定位的QTL與Alomari等[30]、6A染色體上定位的QTL與Peleg等[73]和Alomari等[30]以及在2B、6B染色體上定位的QTL與Peleg等[73]的異同還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。Shen等[63]在RILs群體中發(fā)現(xiàn)了位于4B染色體上調(diào)控鉀、鈣和鎂含量的QTL位點(diǎn), 但沒有定位到控制籽粒鈣含量的QTL。以上研究?jī)H限于初步QTL定位水平, 尚未有精細(xì)定位的研究結(jié)果, 也不清楚調(diào)控小麥籽粒鈣含量的基因是什么。鈣依賴性蛋白激酶(CDPKs)作為植物細(xì)胞中鈣濃度變化的關(guān)鍵傳感器, 在小麥中鑒定出20個(gè)CDPK基因[76]。近年來, 在擬南芥、穇子(finger millet)和水稻上有關(guān)籽粒鈣含量的研究較多,不僅開發(fā)了用于檢測(cè)籽粒鈣含量的EST-SSR標(biāo)記和SSR標(biāo)記[77-78]; 同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些調(diào)控籽粒鈣含量基因, 如CAX[61,79-80]和TPC、CaMK、EcCIPK基因家族[59]。相對(duì)于籽粒鈣含量, 小麥籽粒中鐵、鋅、硒元素基因定位的研究進(jìn)展較快, 不僅QTL定位研究較多[11], 而且還成功克隆到一個(gè)提高籽粒蛋白質(zhì)、鐵和鋅含量而對(duì)產(chǎn)量無影響的基因GPC-B1[81]。

表1 小麥籽粒鈣含量QTL的匯總Table 1 Summary of QTL detected for calcium content in wheat grains

(續(xù)表 1)

4.3 小麥籽粒鈣含量根際工程研究

鈣是以鈣離子形式從小麥根系進(jìn)入小麥根部,然后再轉(zhuǎn)移到地上部分(如種子)。農(nóng)藥和化肥的長(zhǎng)期持續(xù)使用, 土壤肥力和穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響, 最終導(dǎo)致作物養(yǎng)分利用效率低下[59]。根瘤菌和內(nèi)生菌是一組重要的農(nóng)用土壤微生物區(qū)系, 根據(jù)功能活性分為生物化肥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)、植物根際生物修復(fù)劑和生物農(nóng)藥[59,82]。根際工程主要是借助生物介質(zhì)即促進(jìn)植物生長(zhǎng)的根瘤菌和內(nèi)生菌等來提高作物養(yǎng)分利用效率, 其中根瘤菌可直接通過輔助營(yíng)養(yǎng)同化(如鈣等必需礦物質(zhì))或調(diào)解作物激素含量, 減少各種病原菌及其毒素對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響[59]。研究發(fā)現(xiàn)生物接種不同內(nèi)生菌通過提高土壤肥力、細(xì)胞伸長(zhǎng)和改變重金屬脅迫下土壤礦物質(zhì)的生物有效性來刺激礦物質(zhì)獲取、生物量增加和植物加速修復(fù)。

5 問題與展望

5.1 籽粒富集鈣元素小麥種質(zhì)篩選與創(chuàng)制

自綠色革命實(shí)現(xiàn)以來, 小麥單產(chǎn)明顯增加, 也導(dǎo)致了必需礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素含量大大降低, 即“稀釋效應(yīng)”[3]。隨著人們對(duì)礦物質(zhì)元素在人類健康中所起作用的認(rèn)識(shí)不斷提高, 相關(guān)的生物強(qiáng)化項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)外相繼展開。小麥籽粒中含有鈣等各種具有重要生理效應(yīng)的功能性因子。選育和利用富鈣小麥品種是克服鈣元素缺乏最經(jīng)濟(jì)有效的途徑, 而籽粒富集鈣元素小麥種質(zhì)資源的篩選、研究與利用是富鈣小麥育種的重要基礎(chǔ)。小麥籽粒鈣含量在不同基因型間存在明顯差異, 這為富鈣小麥新品種的篩選及選育提供了廣泛的種質(zhì)資源和空間。現(xiàn)有的大多數(shù)高鈣含量小麥種質(zhì)篩選研究?jī)H在一年或一點(diǎn)開展的, 因此還需在不同生態(tài)區(qū), 進(jìn)行多年多點(diǎn)鑒定試驗(yàn), 篩選出籽粒鈣含量高的小麥品種(系), 為富鈣小麥育種提供優(yōu)良的種質(zhì)資源, 為合理選配親本提供參考。同時(shí), 以高鈣含量種質(zhì)材料為基礎(chǔ), 對(duì)各地大面積推廣種植的代表性品種進(jìn)行多種方式的改良, 創(chuàng)制出中間材料, 為富鈣小麥新品種培育提供優(yōu)良的育種材料。

5.2 常規(guī)育種技術(shù)與生物技術(shù)緊密結(jié)合提高小麥籽粒鈣含量

人類所需的營(yíng)養(yǎng), 主要依賴于植物性食品, 即從主糧作物可食部分獲取足夠的礦物質(zhì)、蛋白質(zhì)和維生素等必不可少的營(yíng)養(yǎng)素。通過農(nóng)藝生物強(qiáng)化或常規(guī)育種技術(shù)增加主糧作物的礦物質(zhì)元素含量, 仍是全球科學(xué)家的一項(xiàng)艱巨任務(wù)。盡管已取得了一些成績(jī), 但在大多數(shù)情況下, 仍未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。為了使作物最大程度地吸收養(yǎng)分并將其轉(zhuǎn)移到不同的經(jīng)濟(jì)器官, 科學(xué)家們定制并實(shí)施了一些生物強(qiáng)化策略, 但在當(dāng)前的農(nóng)業(yè)和環(huán)境問題上, 這些方法并不十分有效。

小麥籽粒是最重要的經(jīng)濟(jì)器官, 其籽粒鈣含量與小麥產(chǎn)量和品質(zhì)密切相關(guān), 是品種選育和品質(zhì)評(píng)估的重要依據(jù)之一。通過遺傳改良途徑進(jìn)行小麥鈣營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化, 需要常規(guī)育種技術(shù)與生物技術(shù)緊密結(jié)合,加快育種步伐, 提高富鈣小麥育種效率。生物技術(shù)主要包括QTL定位分析、分子標(biāo)記輔助選擇和基因組選擇(genomic selection)。其研究思路是在種質(zhì)資源篩選的基礎(chǔ)上, 利用目標(biāo)性狀的分離群體, 通過QTL作圖鑒定, 獲得與控制小麥籽粒鈣含量QTL緊密連鎖的分子標(biāo)記, 并對(duì)控制籽粒鈣含量QTL進(jìn)行精細(xì)定位和功能分析, 克隆到控制小麥籽粒鈣含量的主效基因, 最終培育出抗逆、廣適、高產(chǎn)的健康型小麥新品種。目前, 選育并推廣種植了鋅生物強(qiáng)化小麥品種Zinc Shakti、Zincol 2016[11]和富鋅小麥品種中麥175[28]。

5.3 富鈣小麥?zhǔn)称烽_發(fā)利用

隨著生活水平普遍提高和醫(yī)療保健意識(shí)增強(qiáng),人們對(duì)作為主糧作物的小麥提出了新要求, 其品質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀況越來越成為關(guān)注的焦點(diǎn)。盡管食物供需穩(wěn)定增長(zhǎng), 但世界上大部分人口尤其發(fā)展中國(guó)家人口仍無法從食物中獲得足夠的營(yíng)養(yǎng), 且這些食物總體營(yíng)養(yǎng)成分較差[59]。因此, 選育富鈣小麥新品種的同時(shí), 還應(yīng)改良富鈣小麥?zhǔn)称芳庸すに嚭烷_發(fā)富鈣小麥?zhǔn)称?。除了銅元素外, 所有礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素主要存在于小麥麩皮和胚芽中, 因此生產(chǎn)生物強(qiáng)化面食需使用全麥粉[83]。富鈣小麥加工成全麥粉或?qū)⑵淙湻叟c精制面粉配粉制成健康營(yíng)養(yǎng)食品, 以提高鈣元素的生物有效性, 這在缺乏膳食纖維的飲食結(jié)構(gòu)中或貧困地區(qū)顯得尤為重要。鈣含量在小麥籽粒不同部位存在差異, 因?qū)Ω烩}小麥籽粒不同部位分別進(jìn)行加工和食品開發(fā)是一個(gè)重要發(fā)展方向。麥胚可直接工業(yè)剝?nèi)?、壓片后制成富鈣營(yíng)養(yǎng)食品。胚芽可制成礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素豐富的胚芽超微粉。麥麩可制作纖麩食品或直接作為摻粉提高食品中鈣含量。