普冰3228,籽粒主要矿质元素含量的遗传分析

王健胜，王二伟，马爱锄，侯桂玲

（1. 平顶山学院，河南 平顶山 467000；
2. 河南省生态经济型木本植物种质创新与利用重点实验室，河南 平顶山 467000；
3. 平顶山市农业科学院，河南 平顶山 467001）

小麦是我国主要粮食作物，而品质一直是小麦主要的育种目标之一。随着人们生活水平的不断提高及对健康的日益重视，人们对粮食作物中矿质元素尤其是微量营养元素的关注程度越来越高[1-3]。虽然微量元素在人体内的含量不高，但是其与人们健康素质有着密切的关系，很多医学专家认为，人类90%以上的疾病都与微量元素含量的高低有着直接关系，许多疑难杂症和地方病都与人体内微量营养元素的失衡紧密相关。

国内外学者对小麦包括微量元素在内的矿质元素均进行了较多的研究，但这些研究主要集中于矿质元素含量检测分析[4-7]、环境条件对矿质元素含量的影响[8-10]及矿质元素QTL分析等方面[11-16]。有关小麦矿质元素遗传分析的研究仍未见报道。冰草是小麦的近缘物种，具有抗旱、抗病、多分蘖及多花多粒等许多优良性状[14]。为了将冰草的多种优异基因导入普通小麦并创建可用于小麦育种的丰富小麦新种质，中国农业科学院作物科学研究所李立会课题组开展了数十年的连续攻关，通过远缘杂交、胚挽救等多种技术在普通小麦与冰草远缘杂交方面取得了很大进展，该课题组目前已经成功获得了大量具有优异农艺性状的小麦新种质[17-20]，这些新种质均以普通小麦为遗传背景且包含了大量优异冰草基因。普冰3228 是小麦与冰草杂交获得的稳定遗传材料，具有多花、多粒等多个优良性状。为了探讨普冰3228 籽粒主要矿质营养元素含量的遗传特点，利用普冰3228×京4839的F2:3群体对其主要矿质营养元素含量进行遗传分析，以期为普冰3228的有效利用提供理论依据。

1.1 试验材料及田间种植

普冰3228 是小麦与冰草远缘杂交后经过多代人工选择获得的稳定遗传渐渗系，该材料为冬性，株型合理，分蘖成穗中等，穗形为长方形，短芒、白壳、红粒。京4839 是普通小麦品种。普冰3228×京4839的F2:3群体共包含150个家系，该材料由中国农业科学院作物科学研究所资源研究中心小麦室提供。2019 年将普冰3228 与京4839 及其F2:3群体分别种植于陕西省杨凌示范区陕西省杂交油菜研究中心试验基地（108.72°E、34.36°N）和河南省平顶山市农业科学院小麦种植基地（113.17°E、33.44°N），每个家系种3 行，行长2 m，株距8 cm，行距25 cm，田间管理与普通大田相同。

1.2 矿质元素含量测定

待小麦自然成熟后，普冰3228 和京4839 按单株收获，其F2:3群体按家系收获籽粒，每个家系收获3 份重复样品。籽粒自然晾干后，取一部分用小型粉碎机粉碎，用孔径0.15 mm 筛过筛，称取0.50 g 样品放入50 mL微波消解管中，加入硝酸和过氧化氢，混匀后放入微波消解仪进行消解，最后充分过滤消解液并用1%硝酸溶液定容至50 mL，作为待测液。利用日本岛津原子吸收分光光度仪AA-6300，采用火焰-原子吸收法测定小麦籽粒Ca、Mg、Zn 含量，每个样品重复测定2～3次，取平均值。

1.3 遗传分析

采用植物数量性状主基因+多基因混合遗传模型[21-25]对3228×京4839 的F2:3群体的籽粒Ca、Mg、Zn含量进行分析，获得3 类11 个遗传模型的极大似然函数值和AIC（Akaike’s information criterion）值，选出AIC值最小或接近最小的几个备选遗传模型，然后利用均匀性检验（U1、U2和U3）、Smirnov 检验（W）和Kolmogorov 检验（Dn），选择最优遗传模型，通过IECM （Itertated expectation and conditional maximization）算法计算出最优遗传模型的一阶分布参数和一阶遗传参数，并估计主基因的遗传率等。

2.1 普冰3228、京4839及其F2：3群体籽粒矿质元素含量分析

从表1 和图1 可以看出，普冰3228 和京4839 籽粒Ca、Mg、Zn 含量存在一定差异，尤其是Zn 含量差异最大。与亲本相比，F2:3群体籽粒Ca、Mg、Zn 含量变化均较大，尤其是Zn 含量的变化幅度最大，其变异系数达到76.37%；
其次是Ca 含量，其变异系数为56.28%；
Mg 含量的变化幅度最小。F2:3群体籽粒Ca含量最大为999.55 mg/kg，最小只有81.76 mg/kg，平均值为232.41 mg/kg；
Mg 含量介于337.24～1 380.86 mg/kg，平均值为599.52 mg/kg；
Zn 含量最低，其最大值为148.11 mg/kg，最小值为5.21 mg/kg，平均值为23.43 mg/kg。从2 个环境下F2:3群体籽粒Ca、Mg、Zn含量的分布可以看出，F2:3群体籽粒Ca、Mg、Zn 含量均呈正态或近正态分布，表明小麦籽粒Ca、Mg、Zn含量的遗传均具有数量性状遗传特点。

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

图1 普冰3228×京4839的F2：3群体籽粒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含量的遗传分析

2.2.1 普冰3228籽粒Zn、Ca、Mg含量遗传模型的确定 普冰3228×京4839 的F2:3群体籽粒Ca、Mg、Zn含量均具有数量性状遗传的特点，故本研究利用主基因+多基因遗传模型对籽粒Ca、Mg、Zn 含量进行了遗传分析。结果（表2）表明，籽粒Ca、Mg、Zn含量均获得了3 类11 种遗传模型，一类是无主基因模型（A-0），一类是一对主基因模型（A-1、A-2、A-3、A-4），另一类是2 对主基因模型（B-1、B-2、B-3、B-4、B-5、B-6）。依据AIC值最小原则初步确定不同元素含量的最适遗传模型。从表2 可以看出，虽然籽粒Ca、Mg、Zn含量的遗传模型的AIC值存在差异，但它们的最适遗传模型基本一致，均为B-1 模型。可见，普冰3228×京4839 的F2:3群体籽粒Ca、Mg、Zn 含量均具有相似的遗传特点，即均受2对主基因+多基因控制，且主基因均具有加性-显性-上位性效应。

表2 普冰3228×京4839的F2：3群体籽粒Zn、Ca、Mg含量的遗传模型分析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含量遗传模型的适合性检验 利用U1、U2、U3、Dn和W等5个参数对F2:3群体籽粒Zn、Ca、Mg 含量的最适遗传模型作了检验（表3）。从表3 可以看出，籽粒Ca、Mg 含量最适遗传模型的5 个参数均未达到显著水平；
Zn 含量最适遗传模型除U3外，其余4 个参数均未达到显著水平。表明B-1 模型是普冰3228×京4839 的F2:3群体籽粒Ca、Mg、Zn含量的最适遗传模型。

表3 普冰3228×京4839的F2：3群体籽粒Zn、Ca、Mg含量遗传模型的适合性检验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含量最适遗传模型相关参数的估计 通过籽粒Zn、Ca、Mg 含量最适遗传模型获得了其一阶分布参数，利用一阶分布参数进行一阶遗传参数的估计，结果见表4。从表4 可以看出，籽粒Zn、Ca、Mg 含量的一阶分布参数和一阶遗传参数差异较大。对于籽粒Ca 含量，9 个主基因型AABB、AABb、AAbb、AaBB、AaBb、Aabb、aaBB、aaBb、aabb 的成分分布平均数分别为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；
获得的9个一阶遗传参数中，群体平均数为192.266 4，AA 和BB 的加性效应值分别为15.190 9 和14.814 8，Aa 和Bb 的显性效应值分别是129.041 1 和73.339 1，加性×加性效应值分别是14.766 9，加性×显性效应值分别是73.344 2，显性×加性效应值分别是129.235 4，显性×显性效应值是-113.704 0，很明显，控制Ca 含量的2对主基因的加性、显性和上位性效应总体表现较好，只有基因间的显性上位性效应表现较差。对于籽粒Mg 含量，9个主基因型的成分分布平均数特征与Ca 含量类似，但其一阶遗传参数与Ca 含量差异较大。Mg 含量的9 个一阶遗传参数中，2 对主基因的加性效应表现较好，其加性效应值分别为94.638 9 和38.599 9；
Aa 和Bb 的显性效应值分别是168.126 4 和-17.101 1；
2 对主基因的上位性效应差异较大，其中加性×加性效应和显性×加性效应表现较好，其效应值分别为36.571 8 和18.467 1，而加性×显性及显性×显性均表现为负效应，其效应值分别为-16.170 1 和-35.594 0。可以看出，控制Mg 含量的2 对主基因的加性和显性效应表现都较好，而基因间的上位性效应表现较差。对于Zn 含量，9 个主基因型AABB、AABb、AAbb、AaBB、AaBb、Aabb、aaBB、aaBb、aabb 的成分分布平均数介于18.005 9～58.239 3，其一阶遗传参数间存在一定的差异。其中，群体平均数为26.625 5；
2 对主基因的加性效应较好，其效应值分别为8.618 3和8.608 7；
2对主基因的显性效应表现不同，Aa的显性效应值为-6.623 4，而Bb 的显性效应值为11.497 7；
在基因的上位性方面以加性×加性效应和加性×显性效应表现较好，其效应值分别为8.607 4和11.497 8，而显性×加性效应值和显性×显性效应值分别为-6.618 5 和-7.420 9，均为负效应。

表4 普冰3228×京4839的F2：3群体籽粒Zn、Ca、Mg含量最适遗传模型相关参数的估计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含量主基因遗传率估计

在控制小麦籽粒矿质元素含量的数量基因中，主基因往往发挥着重要作用，而遗传率又是反映主基因遗传特点的重要指标。本研究对普冰3228 小麦籽粒Ca、Mg、Zn 含量的主基因遗传率进行估算（表5），发现Ca、Mg、Zn含量主基因遗传率的差异较大。其中，Zn 含量的主基因遗传率最高，达到了38.98%；
其次是Mg 含量，为30.67%；
Ca 含量的主基因遗传率较低，只有18.86%。综合上述结果，对主基因遗传率较高的Mg、Zn 含量，可以在较早世代对其进行选择；
而对遗传率较低的Ca 含量来说，应该结合其他微效基因遗传率综合分析，适当延长选择世代。

表5 普冰3228×京4839的F2：3群体籽粒Zn、Ca、Mg含量的主基因遗传率估计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

营养元素对人类健康具有重要影响，但营养元素缺乏是全球面临的挑战。从长远角度和可持续发展理念来看，生物强化策略作为一个有效途径可以解决矿质元素缺乏的问题。小麦是世界上的主要粮食作物，培育并食用富含矿质元素的优良小麦可以明显增加人们对矿质元素的摄入量，从而有效缓解矿质元素缺乏的问题。近年来，小麦籽粒矿质元素研究日益引起了人们的重视。

小麦籽粒矿质元素遗传机制解析是提高小麦矿质元素含量的重要基础性工作，但从已有文献报道来看，这方面的研究开展甚少。前人对由国内外207个小麦种质组成的自然关联群体的籽粒Zn、Ca、Fe 含量进行测定，发现测定群体的Zn、Ca、Fe 含量均呈连续正态分布，故认为小麦籽粒Zn、Ca、Fe含量的遗传受多基因控制[14-16]。虽然本研究采用的是普冰3228、京4839杂交后的F2:3群体，但本研究获得了与前人研究基本一致的结果。孙宪印等[26]对山农483×川35050杂交衍生小麦重组自交系群体的主要矿质元素含量进行分析，发现供试材料Ca、Mg、Zn含量的变异系数为7.9%～32.7%。本研究发现，Ca、Mg、Zn 含量具有更丰富的变异，变异系数为25.24%～76.37%。孙宪印等[26]发现，小麦籽粒Ca、Mg、Zn 含量主基因的遗传率分别是36.76%、40.21%、39.68%，而本研究中籽粒Ca、Mg、Zn含量主基因的遗传率分别是18.86%、30.67%、38.98%，可以看出，本研究获得的这3种元素的遗传率较低，这可能与研究材料不同有关。目前，开展小麦籽粒矿质元素含量遗传分析仍未见报道，只有少数研究人员开展了与遗传分析相关的研究[27-28]。与前人研究不同，本研究首次利用主基因+多基因模型对小麦籽粒Ca、Mg、Zn 含量进行了遗传分析，结果发现，3种元素均具有相似的遗传特点，即均受2 对主基因控制，且主基因均具有加性-显性-上位性效应。这将为小麦籽粒矿质元素含量遗传机制的解析及有效改良提供理论基础。

种质资源匮乏已成为小麦遗传改良进度缓慢的主要原因，故创制并有效利用新的小麦种质显得尤为迫切。在小麦矿质元素含量改良方面也是如此。WHITE 等[29]研究认为，栽培小麦籽粒中Fe、Zn等主要有益矿质元素含量较低，不能满足人体对营养的需求。因此，创制并利用新的小麦种质开展矿质元素含量改良已显得尤为重要。本研究选用的材料普冰3228，是普通小麦与冰草远缘杂交获得的小麦衍生系，其含有部分冰草优异外源基因，这使得该种质表现出其他普通小麦品种所不具有的优异农艺性状。利用普冰3228×京4839 的F2:3群体开展小麦矿质元素含量的遗传分析，不仅可以有效揭示矿质元素含量的遗传规律，同时也将为小麦矿质元素含量改良提供丰富的种质资源。