藜麥種質資源及抗旱和耐鹽的研究進展

高琪 蔡志全

摘要 對藜麥在國內外研究成果進行歸納及整理，匯總其起源分布、遺傳多樣性、抗逆性及營養價值等方面的研究進展，也指出藜麥產業中存在的問題，如藜麥種質資源匱乏、創新應用不足以及藜麥高產栽培技術有待提高等，提出未來應加強科研及產業投入，深入開展藜麥新品種的培育及突破性種質的創制研究。藜麥作為一種新興的保健型糧食作物，在食用、農用和藥用等方面有著廣闊的開發利用前景。

關鍵詞 藜麥;種質資源;抗旱性;耐鹽性;營養價值

中圖分類號 S519文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）13-0001-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.13.001

Abstract We concluded the research results of induction and collation of quinoa at home and abroad， summarized the latest research progress of origin distribution， genetic diversity， resistance and nutritional value， and also pointed out the problems existing in the industry， such as lack of quinoa germplasm resources and innovative applications， and high yield cultivation techniques for improvement. It was suggested that scientific research and industrial investment should be strengthened in the future， and the cultivation of new varieties of quinoa and the creation of breakthrough germplasms should be carried out in depth.Quinoa is a new kind of health food crop， which has a bright future in food， agriculture and medicine.

Key words Quinoa;Germplasm resources;Drought resistance;Salt tolerance;Nutritional value

藜麥（Chenopodium quinoa Wild）屬于藜科藜屬，一年生四倍體雙子葉草本植物，也是一種兼性鹽生作物[1-3]。藜麥原產地主要分布于南美洲的玻利維亞和秘魯，具有耐低溫、抗旱及耐鹽堿的特征。藜麥喜冷涼和強光，適合生長于3 000 m以上的山地或高原上，是備受當地印加人推崇的主要糧食作物之一[4-5]。藜麥具有獨特的營養價值和保健作用，含大量錳、鋅、鎂、鈣等礦物質和優質完全蛋白質，并且含有人體自身不能合成的8種必需氨基酸，能廣泛應用于食品、日用化工、農業和醫藥等行業。如今南美洲為藜麥的主要種植區，歐洲、澳洲和北美洲均有少量種植。20世紀末，我國西藏地區最先開始試驗種植，現在已擴大到甘肅、山西、青海、山西、云南等地。國內外學者主要在藜麥的適應性種植、營養成分、抗逆性及病蟲害等方面展開了系統的研究，一方面旨在發揮藜麥提供糧食安全和高營養價值方面的作用，也對農業生態系統的可持續發展有著十分重要的意義;另一方面，開展藜麥抗旱與耐鹽性方面的研究可以為篩選和培育抗旱與耐鹽品種打下基礎，從而有利于藜麥在旱地與鹽堿地上的推廣與應用。

1 藜麥起源及其種質資源

藜麥為一年生雙子葉草本植物，株高60～300 cm，根系發達，網狀分布。莖多為綠色、黃色、紫色或黑色，莖葉顏色及莖長度（50～250 cm）因品種及環境的不同存在極大的差異。葉片寬闊，互生，大小有很大差異且呈多種形狀，植株上部葉片呈柳葉形，下部葉片呈菱形或三角形[2]。藜麥花序為穗狀，分枝較多，因基因型不同而呈現出紅色、黃色與橘色等多種顏色[6]。藜麥為自花授粉植物且沒有花瓣，有雌花和完全花。藜麥果實為瘦果，直徑1.5～2.0 mm，千粒重為1.4～3.5 g，有白色、乳黃色、紅色、橙黃色、黑色等多種顏色[7]。藜麥種子萌發迅速，暴露在潮濕環境中數小時即可發芽。種子表皮富含皂苷，味微苦，食用前需要通過洗脫或摩擦去除。

藜麥的自然分布從哥倫比亞北部到智利南部（2°N到40°E）海平面至4 000 m的區域[8-9]。SSR標記評價智利藜麥種質資源遺傳多樣性的分析結果與藜麥存在2個種質資源中心的觀點相符：安第斯山高原是第一大藜麥多樣性中心，智利南部海岸是第二大藜麥多樣性中心[10]。基于地理適應性，藜麥被分為五大生態型：峽谷類型（厄瓜多爾、哥倫比亞、秘魯），高原類型（玻利維亞和秘魯），鹽地類型（玻利維亞、智利北部），高溫濕潤氣候類型（玻利維亞的亞熱帶森林），海岸類型（智利中部和南部）[11]。世界范圍內，16 422份藜麥種質資源及其野生近緣種（C.quinoa，C.album，C.berlandieri，C.hircinum，C.petolare，C.murale和Chenopodium sp）被保存于30個國家的59個基因庫中，最大的種質庫在玻利維亞和秘魯[12]。藜麥的種質資源保存地主要集中在安第斯山區國家。另外，美國農業部保存有300余份藜麥資源。

2 藜麥的遺傳多樣性及其基因組

近年來，國外學者利用隨機擴增多態性DNA（random amplified polymorphic DNA，RAPD）技術首次開發出藜麥RAPD分子標記，表明標記多態性是普遍存在的[13]。研究人員利用SSR引物對所搜集的41個藜麥種質的多態性及其親緣關系進行了分析，結果表明來源于不同地區的藜麥材料遺傳距離較遠，遺傳基礎較廣泛[14-15]。Maughan等[16]應用片段長度多態型擴增、DNA隨機多態性擴增及微衛星分子標記技術建立了第一張藜麥遺傳圖譜。隨后，Maughan等[17]建立了第一個SNP（單核苷酸多態性）遺傳連鎖圖譜，該圖譜由比之前報道的圖譜多2倍的基因位點組成而且遺傳距離的跨度更大。2017年2月，藜麥首個高質量的全基因組信息在《Nature》以封面文章公布，大小約為1.39 Gb[18]。隨后不久，國內研究者通過對藜麥基因組的高質量組裝和鹽泡細胞的轉錄組分析揭示了藜麥耐鹽和高營養價值的分子機制，結果發現藜麥編碼的3個主要種子貯藏蛋白家族的蛋白序列中人體必需氨基酸的比例均顯著增加，部分解釋了藜麥種子高營養價值的原因[19]。

3 藜麥的抗逆性

藜麥有著很強的抗逆性與適應性，可以抵御干旱、鹽堿和霜凍等一系列不利的非生物脅迫且適合生長在干旱且鹽漬化的邊際農業區[3，6]。

藜麥抗旱機制分為逃旱、耐旱和避旱。藜麥通過延長生長周期以應答早期營養生長階段的干旱以及通過早熟的方式來逃避生長后期的干旱脅迫[20]。藜麥耐旱可通過形態的改變來抵御干旱脅迫，如深密的根系，葉面積減少，葉面自動吸水和減少蒸騰的囊泡等[21-22]。生理上主要通過組織彈性和積累有機無機滲透物實現滲透調節。藜麥耐鹽在形態上主要利用鹽囊實現有機滲透調節劑積累進而清除活性氧。生理上主要通過無機離子的滲透平衡，如鉀保持、鈉外排以及滲透調節物質的積累來實現。藜麥抗凍性在生理上主要依靠積累可溶性糖和脫水蛋白來實現。

3.1 藜麥對干旱脅迫響應的形態及生理機制

在形態學方面，藜麥主要依靠深密發達的根系增強吸水和葉片上的囊泡來減少蒸騰。此外，藜麥葉片具有較強的保水能力，在干旱條件下形成較低的滲透勢[23]。藜麥在遭受干旱脅迫后，子葉細胞會合成一些有機溶劑（脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖等）、無機離子（K+和Na+）等來維持細胞滲透平衡[24]。干旱脅迫下藜麥積累的脯氨酸多于對照組，且在膨脹組織中迅速氧化，而在缺水條件下氧化會受到抑制[24]。干旱條件下，藜麥葉片可以調控ABA的生物合成和信號轉導進而減小氣孔的開度，提高葉水勢[23]。藜麥在中度干旱條件下木質部ABA濃度會略有上升，且通過ABA生物合成與信號轉導調節氣孔導度或與其他激素交互作用從而增強抗旱性[24]。

3.2 藜麥對鹽脅迫響應的形態及生理機制

藜麥對鹽脅迫最敏感的時期在芽期和苗期，鹽脅迫下不同藜麥品種芽期表現出的耐鹽性有較大差異[25]。金藜麥在2%NaCl溶液（約35 ds/m 或342 mmol/L）中相對發芽率為56.0%，在3%NaCl溶液（約50 ds/m 或513 mmol/L）中相對發芽率仍能達37%[26]。這些都源于藜麥芽期的種子結構及生理保護。

藜麥在形態學方面耐鹽的重要原因就是葉脈周圍密布著很多鹽囊。藜麥鹽囊大小約相當于10倍的表皮細胞，與子葉細胞相比可以隔離約1 000倍的Na+，其可以積累水分與各種代謝產物，如甜菜堿、蘋果酸、黃酮及草酸鈣等，同時也將大部分Na+、Cl-儲藏其中[27]。藜麥吸收鹽分后將Na+隔離在鹽囊內并有效地提升K+的保存，這是其典型的抵御干旱和鹽脅迫的一個策略。藜麥鹽囊對減少水分喪失和保護葉片受到紫外傷害起著重要作用[28]。

藜麥植株可以耐受高濃度的鹽脅迫（電導率40 ds/m或相當于400 mmol/L NaCl）[29]，具有獨特的耐鹽機制，這些機制包括無機離子的滲透調節作用;滲透調節物質的有效積累（如脯氨酸、甜菜堿、多胺和脫水蛋白等）;高效的子葉細胞Na+隔離，從而保持較低的子葉Na+;有效的液泡和木質部K+保持;減少氣孔密度及氣孔導度控制;有效地利用鹽囊將Na+隔離及儲存代謝產物等[30-32]。藜麥遭受鹽脅迫時，會合成、積累一些滲透溶劑來保持細胞的正常代謝功能[33]。大多數植物吸收K+而排斥 Na+，保持體內高的K+ /Na+比有利于K+ 行使Na+無法替代的功能——保持細胞質有較低滲透勢，以抵消液泡滲透勢降低;緩解環境鹽脅迫下細胞內K+虧缺而引發的生長抑制[29]。鹽脅迫下，液泡內Na+濃度增加，為了保持細胞膨脹，細胞質內K+和一些有機滲透調節物質（可溶性糖、脯氨酸和甜菜堿等的增加）發揮了維持細胞滲透平衡作用[34-35]。

藜麥較強耐鹽性主要源于高度的鉀保持能力。研究表明藜麥在苗期階段子葉中具有相對高濃度的K+，甚至在生長后期，藜麥在鹽脅迫條件下木質部與葉汁液中的K+濃度也會逐漸增加[35-36]。在高鹽條件下，藜麥質膜H+-ATPase活性迅速提高，阻止質膜去極化，從而使K+高效保持[37]。在藜麥的光合生理方面，藜麥在鹽脅迫下通過ABA信號傳遞使氣孔關閉，或通過減少氣孔密度來減少水分蒸騰從而保持較高的水分利用效率[2，38]。

4 藜麥的營養價值及應用

藜麥種子富含各種礦物質、維生素、蛋白質等營養成分，遠遠高于水稻、小麥等其他傳統谷物。藜麥含有16種氨基酸，其中有9種是人體必需氨基酸（如賴氨酸、蘇氨酸及甲硫氨酸等），比例適當且易于吸收[39-40]。此外，藜麥中人體生長所需的賴氨酸含量是大豆的1.4倍，是玉米的2.5～5.0倍，是小麥的20.6倍以及牛奶的14.0倍，并且不含麩質[41]。藜麥的碳水化合物以淀粉為主且含量高達60%，其中主要是支鏈淀粉[42]。藜麥種子中的可溶性糖含量為15.8%[10]。藜麥種子中的脂肪酸含量平均在5%～7%且大多為必需脂肪酸，并且富含不飽和脂肪酸，含量達89.4%，其中多不飽和脂肪酸達54.2%～58.3%[43]，其次為單不飽和脂肪酸和飽和脂肪酸。藜麥籽實富含VB1、葉酸和VC，是良好的維生素原料。藜麥富含VC（164 mg/kg）和VE（54 mg/kg），并含有β-胡蘿卜素等維生素[43]。藜麥中富含Mn、Fe、Mg、Ca、K、Se、Cu、P、Zn等多種礦物質，并且含量高于一般谷物，是小麥的2倍，水稻、玉米的5倍，尤其Ca、K和Mg含量較高[44]。

如今，藜麥作為一種優質的糧食資源已被廣泛地開發應用。藜麥中含有酚類和黃酮等多種化學活性成分，這些活性成分具有抗菌、消炎、抑制癌癥細胞生長等多種藥理作用，因此可以作為抗生素、抗癌藥物等開發[7]。此外，藜麥秸稈富含多種營養物質，其粗蛋白含量達5.42%，是優質的粗飼料。

5 藜麥在我國的發展現狀及展望

截至2017年，我國的藜麥種植面積已經達9 000 hm2，主要種植地區有甘肅、青海、山西、云南和內蒙古。藜麥在云南昆明、麗江和香格里拉等地形成了一定的種植規模。栽培品種以紅藜和白藜為主。筆者通過實地考察與研究表明，隨著海拔的升高，紅藜與白藜的株高均呈下降趨勢，且不同海拔地區株高差異顯著。同一海拔地區紅藜的株高與生物量都略高于白藜。隨著海拔的升高，2種藜麥的生物量都呈顯著下降。紅藜在不同海拔地區生物量表現出顯著差異，白藜生物量在海拔2 200 m處和2 800 m處差異不顯著。且同一海拔地區紅藜的生物量都略高于白藜。同樣，隨海拔升高2種藜麥果實產量均呈現下降趨勢，且同一海拔地區紅藜果實產量略高于白藜，海拔2 200 m處種植2種藜麥的產量較高。紅藜的株高、生物量和產量均略高于白藜，但無顯著差異。總體上看，海拔的升高對以上2種藜麥的生長和產量都有顯著的負面影響。由此，在云南高原地區種植藜麥應適當考慮其海拔因素，相比而言，最適宜的藜麥種植地區則在海拔約2 200 m處。

我國引種藜麥的時間較短，在宏觀和微觀的研究及其利用上尚處于起步階段。此外，藜麥的種植、生產和研究上仍存在諸多問題，如藜麥種質資源匱乏以及創新應用不足，藜麥高產栽培技術尚未成熟，田間粗放式管理導致植株大面積倒伏、病蟲害嚴重、產量低、品質差等問題。藜麥營養品質及優良品種選育方面的研究還不夠深入等。為此，國家應加強科研及產業投入，深入開展藜麥新品種的培育及突破性種質的創制研究，解決病蟲害、產量低等關鍵問題。在多地區開展多個區域的適應性及其區域內高產栽培技術工作，篩選出不同生產區域、不同生產條件的優質品種。藜麥作為一種新興的保健型糧食作物，不僅營養全面而且生態適應性廣泛，發展藜麥種植對于保障糧食安全有著舉足輕重的意義。因此，藜麥在食用、農用和藥用等方面有著廣闊的開發利用前景。

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