王健勝，王二偉，馬愛鋤，侯桂玲

（1. 平頂山學(xué)院，河南 平頂山 467000；2. 河南省生態(tài)經(jīng)濟(jì)型木本植物種質(zhì)創(chuàng)新與利用重點(diǎn)實驗室，河南 平頂山 467000；3. 平頂山市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 平頂山 467001）

小麥?zhǔn)俏覈饕Z食作物，而品質(zhì)一直是小麥主要的育種目標(biāo)之一。隨著人們生活水平的不斷提高及對健康的日益重視，人們對糧食作物中礦質(zhì)元素尤其是微量營養(yǎng)元素的關(guān)注程度越來越高[1-3]。雖然微量元素在人體內(nèi)的含量不高，但是其與人們健康素質(zhì)有著密切的關(guān)系，很多醫(yī)學(xué)專家認(rèn)為，人類90%以上的疾病都與微量元素含量的高低有著直接關(guān)系，許多疑難雜癥和地方病都與人體內(nèi)微量營養(yǎng)元素的失衡緊密相關(guān)。

國內(nèi)外學(xué)者對小麥包括微量元素在內(nèi)的礦質(zhì)元素均進(jìn)行了較多的研究，但這些研究主要集中于礦質(zhì)元素含量檢測分析[4-7]、環(huán)境條件對礦質(zhì)元素含量的影響[8-10]及礦質(zhì)元素QTL分析等方面[11-16]。有關(guān)小麥礦質(zhì)元素遺傳分析的研究仍未見報道。冰草是小麥的近緣物種，具有抗旱、抗病、多分蘗及多花多粒等許多優(yōu)良性狀[14]。為了將冰草的多種優(yōu)異基因?qū)肫胀ㄐ←湶?chuàng)建可用于小麥育種的豐富小麥新種質(zhì)，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所李立會課題組開展了數(shù)十年的連續(xù)攻關(guān)，通過遠(yuǎn)緣雜交、胚挽救等多種技術(shù)在普通小麥與冰草遠(yuǎn)緣雜交方面取得了很大進(jìn)展，該課題組目前已經(jīng)成功獲得了大量具有優(yōu)異農(nóng)藝性狀的小麥新種質(zhì)[17-20]，這些新種質(zhì)均以普通小麥為遺傳背景且包含了大量優(yōu)異冰草基因。普冰3228 是小麥與冰草雜交獲得的穩(wěn)定遺傳材料，具有多花、多粒等多個優(yōu)良性狀。為了探討普冰3228 籽粒主要礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量的遺傳特點(diǎn)，利用普冰3228×京4839的F2:3群體對其主要礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量進(jìn)行遺傳分析，以期為普冰3228的有效利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及田間種植

普冰3228 是小麥與冰草遠(yuǎn)緣雜交后經(jīng)過多代人工選擇獲得的穩(wěn)定遺傳漸滲系，該材料為冬性，株型合理，分蘗成穗中等，穗形為長方形，短芒、白殼、紅粒。京4839 是普通小麥品種。普冰3228×京4839的F2:3群體共包含150個家系，該材料由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所資源研究中心小麥?zhǔn)姨峁?019 年將普冰3228 與京4839 及其F2:3群體分別種植于陜西省楊凌示范區(qū)陜西省雜交油菜研究中心試驗基地（108.72°E、34.36°N）和河南省平頂山市農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥種植基地（113.17°E、33.44°N），每個家系種3 行，行長2 m，株距8 cm，行距25 cm，田間管理與普通大田相同。

1.2 礦質(zhì)元素含量測定

待小麥自然成熟后，普冰3228 和京4839 按單株收獲，其F2:3群體按家系收獲籽粒，每個家系收獲3 份重復(fù)樣品。籽粒自然晾干后，取一部分用小型粉碎機(jī)粉碎，用孔徑0.15 mm 篩過篩，稱取0.50 g 樣品放入50 mL微波消解管中，加入硝酸和過氧化氫，混勻后放入微波消解儀進(jìn)行消解，最后充分過濾消解液并用1%硝酸溶液定容至50 mL，作為待測液。利用日本島津原子吸收分光光度儀AA-6300，采用火焰-原子吸收法測定小麥籽粒Ca、Mg、Zn 含量，每個樣品重復(fù)測定2～3次，取平均值。

1.3 遺傳分析

采用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型[21-25]對3228×京4839 的F2:3群體的籽粒Ca、Mg、Zn含量進(jìn)行分析，獲得3 類11 個遺傳模型的極大似然函數(shù)值和AIC（Akaike’s information criterion）值，選出AIC值最小或接近最小的幾個備選遺傳模型，然后利用均勻性檢驗（U1、U2和U3）、Smirnov 檢驗（W）和Kolmogorov 檢驗（Dn），選擇最優(yōu)遺傳模型，通過IECM （Itertated expectation and conditional maximization）算法計算出最優(yōu)遺傳模型的一階分布參數(shù)和一階遺傳參數(shù)，并估計主基因的遺傳率等。

2 結(jié)果與分析

2.1 普冰3228、京4839及其F2：3群體籽粒礦質(zhì)元素含量分析

從表1 和圖1 可以看出，普冰3228 和京4839 籽粒Ca、Mg、Zn 含量存在一定差異，尤其是Zn 含量差異最大。與親本相比，F(xiàn)2:3群體籽粒Ca、Mg、Zn 含量變化均較大，尤其是Zn 含量的變化幅度最大，其變異系數(shù)達(dá)到76.37%；其次是Ca 含量，其變異系數(shù)為56.28%；Mg 含量的變化幅度最小。F2:3群體籽粒Ca含量最大為999.55 mg/kg，最小只有81.76 mg/kg，平均值為232.41 mg/kg；Mg 含量介于337.24～1 380.86 mg/kg，平均值為599.52 mg/kg；Zn 含量最低，其最大值為148.11 mg/kg，最小值為5.21 mg/kg，平均值為23.43 mg/kg。從2 個環(huán)境下F2:3群體籽粒Ca、Mg、Zn含量的分布可以看出，F(xiàn)2:3群體籽粒Ca、Mg、Zn 含量均呈正態(tài)或近正態(tài)分布，表明小麥籽粒Ca、Mg、Zn含量的遺傳均具有數(shù)量性狀遺傳特點(diǎn)。

表1 普冰3228、京4839及其F2：3群體籽粒Zn、Ca、Mg含量比較Tab.1 The comparison of Zn，Ca，Mg contents in grains of Pubing 3228，Jing 4839 and their F2：3 population

圖1 普冰3228×京4839的F2：3群體籽粒Zn、Ca、Mg含量分布Fig.1 The distribution of Zn，Ca and Mg contents in grains of F2：3 population of Pubing 3228×Jing 4839

2.2 普冰3228籽粒Zn、Ca、Mg含量的遺傳分析

2.2.1 普冰3228籽粒Zn、Ca、Mg含量遺傳模型的確定 普冰3228×京4839 的F2:3群體籽粒Ca、Mg、Zn含量均具有數(shù)量性狀遺傳的特點(diǎn)，故本研究利用主基因+多基因遺傳模型對籽粒Ca、Mg、Zn 含量進(jìn)行了遺傳分析。結(jié)果（表2）表明，籽粒Ca、Mg、Zn含量均獲得了3 類11 種遺傳模型，一類是無主基因模型（A-0），一類是一對主基因模型（A-1、A-2、A-3、A-4），另一類是2 對主基因模型（B-1、B-2、B-3、B-4、B-5、B-6）。依據(jù)AIC值最小原則初步確定不同元素含量的最適遺傳模型。從表2 可以看出，雖然籽粒Ca、Mg、Zn含量的遺傳模型的AIC值存在差異，但它們的最適遺傳模型基本一致，均為B-1 模型。可見，普冰3228×京4839 的F2:3群體籽粒Ca、Mg、Zn 含量均具有相似的遺傳特點(diǎn)，即均受2對主基因+多基因控制，且主基因均具有加性-顯性-上位性效應(yīng)。

表2 普冰3228×京4839的F2：3群體籽粒Zn、Ca、Mg含量的遺傳模型分析Tab.2 Analysis of different genetic models of Zn，Ca and Mg contents in grains of F2：3 population of Pubing 3228×Jing 4839

2.2.2 普冰3228籽粒Zn、Ca、Mg含量遺傳模型的適合性檢驗 利用U1、U2、U3、Dn和W等5個參數(shù)對F2:3群體籽粒Zn、Ca、Mg 含量的最適遺傳模型作了檢驗（表3）。從表3 可以看出，籽粒Ca、Mg 含量最適遺傳模型的5 個參數(shù)均未達(dá)到顯著水平；Zn 含量最適遺傳模型除U3外，其余4 個參數(shù)均未達(dá)到顯著水平。表明B-1 模型是普冰3228×京4839 的F2:3群體籽粒Ca、Mg、Zn含量的最適遺傳模型。

表3 普冰3228×京4839的F2：3群體籽粒Zn、Ca、Mg含量遺傳模型的適合性檢驗Tab.3 The suitable test for the genetic model of Ca，Mg and Zn contents in grains of F2：3 population of Pubing 3228×Jing 4839

2.2.3 普冰3228籽粒Zn、Ca、Mg含量最適遺傳模型相關(guān)參數(shù)的估計 通過籽粒Zn、Ca、Mg 含量最適遺傳模型獲得了其一階分布參數(shù)，利用一階分布參數(shù)進(jìn)行一階遺傳參數(shù)的估計，結(jié)果見表4。從表4 可以看出，籽粒Zn、Ca、Mg 含量的一階分布參數(shù)和一階遺傳參數(shù)差異較大。對于籽粒Ca 含量，9 個主基因型AABB、AABb、AAbb、AaBB、AaBb、Aabb、aaBB、aaBb、aabb 的成分分布平均數(shù)分別為237.038 9、216.090 9、177.875 7、465.357 5、280.942 6、177.257 3、177.123 2、177.070 2、177.027 5；獲得的9個一階遺傳參數(shù)中，群體平均數(shù)為192.266 4，AA 和BB 的加性效應(yīng)值分別為15.190 9 和14.814 8，Aa 和Bb 的顯性效應(yīng)值分別是129.041 1 和73.339 1，加性×加性效應(yīng)值分別是14.766 9，加性×顯性效應(yīng)值分別是73.344 2，顯性×加性效應(yīng)值分別是129.235 4，顯性×顯性效應(yīng)值是-113.704 0，很明顯，控制Ca 含量的2對主基因的加性、顯性和上位性效應(yīng)總體表現(xiàn)較好，只有基因間的顯性上位性效應(yīng)表現(xiàn)較差。對于籽粒Mg 含量，9個主基因型的成分分布平均數(shù)特征與Ca 含量類似，但其一階遺傳參數(shù)與Ca 含量差異較大。Mg 含量的9 個一階遺傳參數(shù)中，2 對主基因的加性效應(yīng)表現(xiàn)較好，其加性效應(yīng)值分別為94.638 9 和38.599 9；Aa 和Bb 的顯性效應(yīng)值分別是168.126 4 和-17.101 1；2 對主基因的上位性效應(yīng)差異較大，其中加性×加性效應(yīng)和顯性×加性效應(yīng)表現(xiàn)較好，其效應(yīng)值分別為36.571 8 和18.467 1，而加性×顯性及顯性×顯性均表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，其效應(yīng)值分別為-16.170 1 和-35.594 0。可以看出，控制Mg 含量的2 對主基因的加性和顯性效應(yīng)表現(xiàn)都較好，而基因間的上位性效應(yīng)表現(xiàn)較差。對于Zn 含量，9 個主基因型AABB、AABb、AAbb、AaBB、AaBb、Aabb、aaBB、aaBb、aabb 的成分分布平均數(shù)介于18.005 9～58.239 3，其一階遺傳參數(shù)間存在一定的差異。其中，群體平均數(shù)為26.625 5；2 對主基因的加性效應(yīng)較好，其效應(yīng)值分別為8.618 3和8.608 7；2對主基因的顯性效應(yīng)表現(xiàn)不同，Aa的顯性效應(yīng)值為-6.623 4，而Bb 的顯性效應(yīng)值為11.497 7；在基因的上位性方面以加性×加性效應(yīng)和加性×顯性效應(yīng)表現(xiàn)較好，其效應(yīng)值分別為8.607 4和11.497 8，而顯性×加性效應(yīng)值和顯性×顯性效應(yīng)值分別為-6.618 5 和-7.420 9，均為負(fù)效應(yīng)。

表4 普冰3228×京4839的F2：3群體籽粒Zn、Ca、Mg含量最適遺傳模型相關(guān)參數(shù)的估計Tab.4 The estimation for the related parameters of the optimal genetic models of Zn，Ca and Mg contents in grains of F2：3 population of Pubing 3228×Jing 4839

2.3 普冰3228籽粒Zn、Ca、Mg含量主基因遺傳率估計

在控制小麥籽粒礦質(zhì)元素含量的數(shù)量基因中，主基因往往發(fā)揮著重要作用，而遺傳率又是反映主基因遺傳特點(diǎn)的重要指標(biāo)。本研究對普冰3228 小麥籽粒Ca、Mg、Zn 含量的主基因遺傳率進(jìn)行估算（表5），發(fā)現(xiàn)Ca、Mg、Zn含量主基因遺傳率的差異較大。其中，Zn 含量的主基因遺傳率最高，達(dá)到了38.98%；其次是Mg 含量，為30.67%；Ca 含量的主基因遺傳率較低，只有18.86%。綜合上述結(jié)果，對主基因遺傳率較高的Mg、Zn 含量，可以在較早世代對其進(jìn)行選擇；而對遺傳率較低的Ca 含量來說，應(yīng)該結(jié)合其他微效基因遺傳率綜合分析，適當(dāng)延長選擇世代。

表5 普冰3228×京4839的F2：3群體籽粒Zn、Ca、Mg含量的主基因遺傳率估計Tab.5 Estimation of heritability of main genes for Zn，Ca and Mg contents in grains of F2：3 population of Pubing 3228×Jing 4839

3 結(jié)論與討論

營養(yǎng)元素對人類健康具有重要影響，但營養(yǎng)元素缺乏是全球面臨的挑戰(zhàn)。從長遠(yuǎn)角度和可持續(xù)發(fā)展理念來看，生物強(qiáng)化策略作為一個有效途徑可以解決礦質(zhì)元素缺乏的問題。小麥?zhǔn)鞘澜缟系闹饕Z食作物，培育并食用富含礦質(zhì)元素的優(yōu)良小麥可以明顯增加人們對礦質(zhì)元素的攝入量，從而有效緩解礦質(zhì)元素缺乏的問題。近年來，小麥籽粒礦質(zhì)元素研究日益引起了人們的重視。

小麥籽粒礦質(zhì)元素遺傳機(jī)制解析是提高小麥礦質(zhì)元素含量的重要基礎(chǔ)性工作，但從已有文獻(xiàn)報道來看，這方面的研究開展甚少。前人對由國內(nèi)外207個小麥種質(zhì)組成的自然關(guān)聯(lián)群體的籽粒Zn、Ca、Fe 含量進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)測定群體的Zn、Ca、Fe 含量均呈連續(xù)正態(tài)分布，故認(rèn)為小麥籽粒Zn、Ca、Fe含量的遺傳受多基因控制[14-16]。雖然本研究采用的是普冰3228、京4839雜交后的F2:3群體，但本研究獲得了與前人研究基本一致的結(jié)果。孫憲印等[26]對山農(nóng)483×川35050雜交衍生小麥重組自交系群體的主要礦質(zhì)元素含量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)供試材料Ca、Mg、Zn含量的變異系數(shù)為7.9%～32.7%。本研究發(fā)現(xiàn)，Ca、Mg、Zn 含量具有更豐富的變異，變異系數(shù)為25.24%～76.37%。孫憲印等[26]發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒Ca、Mg、Zn 含量主基因的遺傳率分別是36.76%、40.21%、39.68%，而本研究中籽粒Ca、Mg、Zn含量主基因的遺傳率分別是18.86%、30.67%、38.98%，可以看出，本研究獲得的這3種元素的遺傳率較低，這可能與研究材料不同有關(guān)。目前，開展小麥籽粒礦質(zhì)元素含量遺傳分析仍未見報道，只有少數(shù)研究人員開展了與遺傳分析相關(guān)的研究[27-28]。與前人研究不同，本研究首次利用主基因+多基因模型對小麥籽粒Ca、Mg、Zn 含量進(jìn)行了遺傳分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種元素均具有相似的遺傳特點(diǎn)，即均受2 對主基因控制，且主基因均具有加性-顯性-上位性效應(yīng)。這將為小麥籽粒礦質(zhì)元素含量遺傳機(jī)制的解析及有效改良提供理論基礎(chǔ)。

種質(zhì)資源匱乏已成為小麥遺傳改良進(jìn)度緩慢的主要原因，故創(chuàng)制并有效利用新的小麥種質(zhì)顯得尤為迫切。在小麥礦質(zhì)元素含量改良方面也是如此。WHITE 等[29]研究認(rèn)為，栽培小麥籽粒中Fe、Zn等主要有益礦質(zhì)元素含量較低，不能滿足人體對營養(yǎng)的需求。因此，創(chuàng)制并利用新的小麥種質(zhì)開展礦質(zhì)元素含量改良已顯得尤為重要。本研究選用的材料普冰3228，是普通小麥與冰草遠(yuǎn)緣雜交獲得的小麥衍生系，其含有部分冰草優(yōu)異外源基因，這使得該種質(zhì)表現(xiàn)出其他普通小麥品種所不具有的優(yōu)異農(nóng)藝性狀。利用普冰3228×京4839 的F2:3群體開展小麥礦質(zhì)元素含量的遺傳分析，不僅可以有效揭示礦質(zhì)元素含量的遺傳規(guī)律，同時也將為小麥礦質(zhì)元素含量改良提供豐富的種質(zhì)資源。