張 楠,彭義峰,張士昌,李亞青,何明琦,李孟軍

(石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院/河北省小麥工程技術(shù)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(lái)源[2];而葉黃素(Lutein)和玉米黃素(Zeaxanthin)則可以降低視網(wǎng)膜黃斑發(fā)生病變的風(fēng)險(xiǎn)[3]。普通小麥?zhǔn)侵袊?guó)最主要的口糧作物之一,隨著人們對(duì)營(yíng)養(yǎng)和保健意識(shí)的增強(qiáng),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(zhì)育種新的目標(biāo)之一[4]。中國(guó)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(huán)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(guò)程中,脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)和過(guò)氧化物酶(peroxidase,POD)對(duì)黃色素具有漂白作用[9-10]。本文從黃色素合成途徑關(guān)鍵酶基因以及對(duì)黃色素具有漂白作用的氧化物酶基因功能標(biāo)記的開(kāi)發(fā)和育種應(yīng)用方面進(jìn)行綜述,并對(duì)今后高黃色素含量小麥育種思路進(jìn)行探討,以期為更有效地開(kāi)展分子標(biāo)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(zhì)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(nèi)通過(guò)類異戊二烯途徑經(jīng)十余步酶促反應(yīng)合成,呈黃色、橙紅色或紅色的一大類萜類色素物質(zhì),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(jīng)過(guò)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(gòu)酶(carotenoid isomerase, CRTISO)的異構(gòu)化作用生成全反式番茄紅素[12]。番茄紅素環(huán)化是植物體內(nèi)類胡蘿卜素生物合成的一個(gè)重要分支點(diǎn)。植物體內(nèi)存在ε-番茄紅素環(huán)化酶(lycopeneε-cyclase, LCYE)和β-番茄紅素環(huán)化酶(lycopene β-cyclase, LCYB)兩種環(huán)化酶。LCYE可催化番茄紅素的一端形成δ-環(huán),生成δ-胡蘿卜素;LCYB可催化番茄紅素的兩個(gè)末端形成β-環(huán),生成β-胡蘿卜素。δ-胡蘿卜素再經(jīng)過(guò)一系列酶促反應(yīng)生成葉黃體素[13],而β-胡蘿卜素在胡蘿卜素β環(huán)羥化酶(β-OHase)作用下轉(zhuǎn)變成β-隱黃質(zhì),進(jìn)而生成玉米黃質(zhì),玉米黃質(zhì)經(jīng)過(guò)一系列的酶促反應(yīng)還可生成花藥黃質(zhì)、堇菜黃質(zhì)、新黃質(zhì)等葉黃素類物質(zhì)[14]。

2 黃色素合成途徑關(guān)鍵酶基因的功能標(biāo)記

2.1 八氫番茄紅素合酶基因(Psy)

PSY是植物體內(nèi)類胡蘿卜素合成途徑中的限速酶[15]。在Psy-A1位點(diǎn),何心堯[16]基于Psy-A1基因序列的多態(tài)性開(kāi)發(fā)了共顯性功能標(biāo)記YP7A和YP7A-2,其中YP7A可區(qū)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(guān);YP7A-2可區(qū)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(shù)量極少,因此無(wú)法與黃色素含量進(jìn)行相關(guān)性分析,但根據(jù)其序列特點(diǎn),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(guān)。在Psy-B1位點(diǎn),何心堯[16]開(kāi)發(fā)了功能標(biāo)記YP7B-1、YP7B-2、YP7B-3和YP7B-4,其中YP7B-1為共顯性標(biāo)記,可區(qū)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(guān);YP7B-2為顯性標(biāo)記,在Psy-B1c基因型材料中可擴(kuò)增出428 bp的片段,與高黃色素含量相關(guān);YP7B-3在Psy-B1d基因型材料中可擴(kuò)增出884 bp的片段;YP7B-4在Psy-B1e基因型材料中可擴(kuò)增出717 bp的片段。但Psy-B1d和Psy-B1e這兩種基因型材料數(shù)量極少,因此也無(wú)法與黃色素含量進(jìn)行相關(guān)性分析。在Psy-D1位點(diǎn),Wang等[17]根據(jù)Psy-D1a和Psy-D1g序列的多態(tài)性開(kāi)發(fā)了共顯性功能標(biāo)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(kuò)增出1 074 bp和1 093 bp的片段;而YP7D-2分別可擴(kuò)增出967 bp和1 046 bp的片段。由于Psy-D1g基因型材料數(shù)量極少,因此無(wú)法與黃色素含量進(jìn)行相關(guān)性分析[18]。

黃淮麥區(qū)、陜西、湖北、黑龍江、甘肅以及俄羅斯引進(jìn)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(shù)樣本中[18-23]。中國(guó)小麥品種、INRA世界普通小麥核心種質(zhì)、黃淮麥區(qū)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(shù)樣本中[17-18,23-24]。

周渭皓等[25]檢測(cè)了甘肅省62份主栽品種Psy1位點(diǎn)的等位變異類型,結(jié)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(yùn)用Psy基因功能標(biāo)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(guān)鍵酶。Dong等[26]根據(jù)Zds-A1基因序列差異開(kāi)發(fā)了功能標(biāo)記YP2A-1,可區(qū)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(guān)。Zhang等[27]根據(jù)Zds-D1基因序列差異開(kāi)發(fā)了功能標(biāo)記YP2D-1,可區(qū)分Zds-D1a(無(wú)擴(kuò)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(guān)。

217份中國(guó)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(cè)到Zds-A1a基因型材料,占比為87.16%[31]。這些研究表明,中國(guó)小麥Zds基因多態(tài)性較低,Zds-A1和Zds-D1均僅有兩種等位變異。Zds-A1位點(diǎn)兩種等位變異的分布頻率無(wú)明顯規(guī)律,而Zds-D1位點(diǎn)的等位變異Zds-D1a的分布頻率遠(yuǎn)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(gè)限速酶[32],其催化活性受到抑制時(shí),會(huì)導(dǎo)致八氫番茄紅素大量積累[33-34]。董長(zhǎng)海[28]根據(jù)Pds-B1基因序列差異開(kāi)發(fā)了顯性標(biāo)記YP4B-1和YP4B-2,可區(qū)分Pds-B1a和Pds-B1b兩種等位變異。YP4B-1在Pds-B1a基因型材料中無(wú)擴(kuò)增片段,在Pds-B1b基因型材料可擴(kuò)增出652 bp的片段;YP4B-2在Pds-B1a基因型材料中可擴(kuò)增出382 bp的片段,在Pds-B1b基因型材料中無(wú)擴(kuò)增片段。在來(lái)自PH82-2/內(nèi)鄉(xiāng)188組合的240個(gè)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(dá)顯著水平[28],推測(cè)Pds-B1基因的兩種等位變異未出現(xiàn)功能分化。

2.4 ε-番茄紅素環(huán)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(huán)分子轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶。Crawford等[35]根據(jù)Lcye-3A基因序列差異開(kāi)發(fā)了CAPS功能標(biāo)記e-LCY3A,該標(biāo)記可擴(kuò)增出包含SNP的1 024 bp片段,用限制性內(nèi)切酶HpaII酶切后,Lcye-3Aa基因型材料可擴(kuò)增出537 bp的片段;Lcye-3Ab基因型材料可擴(kuò)增出309 bp和230 bp的片段。董長(zhǎng)海[28]根據(jù)Lcye-B1基因序列差異開(kāi)發(fā)了顯性標(biāo)記YP3B-1,可區(qū)分Lcye-B1a(635 bp)和Lcye-B1b(無(wú)擴(kuò)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L(zhǎng)cye-3Ab基因型,推測(cè)Lcye-3A與面粉黃色度b*值無(wú)關(guān)[35]。在中國(guó)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(wú)明顯差異,推測(cè)Lcye-3A和Lcye-B1基因?qū)S色素合成影響較小[28]。因此,需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)Lcye基因功能標(biāo)記,以便在高黃色素含量小麥育種中得以應(yīng)用。

3 對(duì)黃色素具有漂白作用基因的功能標(biāo)記

3.1 脂氧合酶基因(Lox)

小麥面粉色素的降解主要發(fā)生在磨粉和面制品加工過(guò)程中,面制品加工過(guò)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(fù)相關(guān)[37],基因型是影響LOX活性的主要因素[38]。

Geng等[39]利用來(lái)自中優(yōu)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(gè)控制LOX活性的主效QTL位點(diǎn)QLpx.caas.1AL和QLpx.caas-4B,二者分別與SSR標(biāo)記Xwmc312和Xwmc251連鎖,其中Xwmc312可區(qū)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(guān),Xwmc312-235與高LOX活性相關(guān);Xgwm251可區(qū)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(duì)180份寧夏小麥材料進(jìn)行Lox基因等位變異檢測(cè),發(fā)現(xiàn)Xwmc312-227、Xwmc312-235和Xwmc312-247的分布頻率分別為46.11%、32.78%和18.89%;同時(shí)在該位點(diǎn)也發(fā)現(xiàn)了Xwmc312-199(199 bp)和Xwmc312-223(223 bp)兩種新的等位變異。Geng等[41]根據(jù)普通小麥Lox基因位點(diǎn)Lox-B1的序列差異,開(kāi)發(fā)了顯性互補(bǔ)標(biāo)記LOX16和LOX18,其中LOX16在高LOX活性材料中可擴(kuò)增出489 bp的片段(Lox-B1a),在低LOX活性材料中無(wú)擴(kuò)增片段(Lox-B1b);LOX18在高LOX活性材料中無(wú)擴(kuò)增片段(Lox-B1a),在低LOX活性材料中可擴(kuò)增出791 bp的片段(Lox-B1b),并發(fā)現(xiàn)Lox-B1位點(diǎn)與SSR標(biāo)記Xwmc251緊密連鎖。Zhang等[42]根據(jù)4BS染色體Lox-B2和Lox-B3位點(diǎn)的序列差異開(kāi)發(fā)了共顯性標(biāo)記Lox-B23,其在Lox-B2a/Lox-B3a基因型材料中可擴(kuò)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(kuò)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(diǎn)的等位變異均會(huì)引起籽粒LOX活性發(fā)生顯著變化,其中Lox-B2和Lox-B3位點(diǎn)的等位變異對(duì)面粉黃度和白度影響較大[43]。在新疆、黃淮麥區(qū)(南片)、陜西、寧夏和甘肅小麥品種中,Lox-B1b的分布頻率均遠(yuǎn)高于Lox-B1a,而Lox-B2和Lox-B3位點(diǎn)的等位變異占比無(wú)明顯規(guī)律[40,44-48]。另外張福彥等[43]、白 璐等[44]和陳 杰等[45]的研究結(jié)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(guò)氧化物酶基因(Pod)

POD不僅能催化阿魏酸等主要酚酸物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng),產(chǎn)生發(fā)色基團(tuán)(如醌式結(jié)構(gòu)),使小麥面粉中的無(wú)色前體物質(zhì)形成有色物質(zhì),也能氧化降解面粉中的色素類物質(zhì)(如類胡蘿卜素),是面粉和面制品在加工、儲(chǔ)藏過(guò)程中發(fā)生褐變和黃色被漂白的主要原因[49-51]?；蛐?、環(huán)境以及基因型與環(huán)境互作對(duì) POD活性均具有顯著影響[52]。

魏景欣[52]根據(jù)3A染色體上Pod基因的序列差異開(kāi)發(fā)了顯性互補(bǔ)標(biāo)記POD-3A1和POD-3A2,其中POD-3A1在低POD活性材料中可擴(kuò)增出291 bp的片段(Pod-A1a),而在高POD活性材料中無(wú)擴(kuò)增片段;POD-3A2在低POD活性材料中無(wú)擴(kuò)增片段,而在高POD活性材料中可擴(kuò)增出766 bp的片段(Pod-A1b)。時(shí) 佳[53]根據(jù)7D染色體上Pod基因的序列差異開(kāi)發(fā)了顯性互補(bǔ)標(biāo)記POD-7D1和POD-7D6,其中POD-7D1在Pod-D1a基因型材料中可擴(kuò)增出540 bp的片段,在Pod-D1b基因型材料中無(wú)擴(kuò)增片段;POD-7D6在Pod-D1a基因型材料中無(wú)擴(kuò)增片段,在Pod-D1b基因型材料中可擴(kuò)增出640 bp的片段,并發(fā)現(xiàn)在Pod-D1b基因型材料的POD活性顯著高于Pod-D1a基因型材料。

來(lái)自中國(guó)北部冬麥區(qū)、黃淮麥區(qū)、長(zhǎng)江流域與西南麥區(qū)以及國(guó)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(lái)自黃淮南片麥區(qū)的94份小麥品種(系)中,Pod-A1位點(diǎn)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(diǎn)僅檢測(cè)到Pod-D1b等位變異[54];來(lái)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(shí) 佳[53]的研究結(jié)果一致。來(lái)自黃淮麥區(qū)和北部冬麥區(qū)的224份小麥品種中,在Pod-A1和Pod-D1兩個(gè)位點(diǎn)共發(fā)現(xiàn)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(biāo)記,可提高高黃色素含量小麥種質(zhì)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(shù)量性狀,同時(shí)也受環(huán)境因素的影響。近年來(lái),與小麥面粉黃色素含量相關(guān)基因的標(biāo)記開(kāi)發(fā)取得了較大進(jìn)展,利用這些標(biāo)記開(kāi)展了大量基因分型工作,但在輔助育種方面有幾點(diǎn)尚需加強(qiáng):(1)收集高黃色素含量小麥種質(zhì)資源。目前,國(guó)內(nèi)高葉黃素含量小麥品種山農(nóng)48和濟(jì)麥8040的審定,為高黃色素含量小麥育種提供了優(yōu)良的育種親本。但國(guó)內(nèi)高黃色素含量小麥種質(zhì)資源仍十分匱乏,應(yīng)廣泛引進(jìn)國(guó)外種質(zhì)資源。(2)建立高黃色素含量小麥分子標(biāo)記輔助育種體系。加強(qiáng)高黃色素含量基因及其相關(guān)分子標(biāo)記的相關(guān)性研究,通過(guò)構(gòu)建育種群體,對(duì)黃色素含量相關(guān)分子標(biāo)記的有效性進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估,建立高黃色素含量小麥分子標(biāo)記輔助育種體系(高黃色素含量供體親本+分子標(biāo)記)。(3)創(chuàng)制高黃色素含量小麥種質(zhì)資源。在已有高黃色素含量小麥品種的基礎(chǔ)上,通過(guò)以下三種方法進(jìn)行種質(zhì)創(chuàng)新:①通過(guò)系統(tǒng)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(guò)突變體篩選的方法,利用物理化學(xué)突變創(chuàng)建突變?nèi)后w,對(duì)突變?nèi)后w進(jìn)行黃色素含量檢測(cè);③通過(guò)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(biāo)記與黃色素含量檢測(cè)相結(jié)合的方法篩選高黃色素含量小麥新種質(zhì)。