小麥籽粒鈣元素含量的研究進展

劉玉秀 黃淑華 王景琳 張正茂,*

1 西北農林科技大學農學院, 陜西楊凌 712100; 2 西北農林科技大學園藝學院, 陜西楊凌 712100

鈣是人體生命活動所必需的礦物質元素。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、神經反應、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年我國居民人均鈣攝入量為366.1 mg d–1, 不到中國營養學會推薦鈣攝入量的一半, 且低于2002年388.8 mg[4]。缺鈣可引起骨質疏松癥、骨關節病、小兒佝僂病等疾病[1,5], 其中僅缺鈣引起的骨質疏松性骨折, 美國和我國每年需花費上百億的醫療費用[6]。另外, 飲食中低鈣攝入量與腎結石和結腸癌的風險增加有關[7]。

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

小麥是分布最廣的世界性糧食作物, 為人類提供約20%的蛋白質和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, 是礦物質元素生物強化的重要對象[13-14]。小麥鈣生物強化對提高小麥營養價值,從而解決全球人口尤其是貧困地區人口由于鈣缺乏造成的健康問題具有重要現實意義。因此, 本文從小麥籽粒鈣元素含量的遺傳差異、影響因素、其與相關性狀關系以及分子調控機理的角度, 綜述其研究進展, 為鈣營養強化小麥種質資源創新、新品種選育與富鈣小麥食品研究開發利用提供一定的參考。

1 小麥籽粒鈣含量的測定方法

鈣含量測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分析法(FAAS)[17-18]、電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)[19-20]和電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)[21]等。AAS方法具有快速、準確、不干擾等優點, 但需要繁瑣的樣品預處理過程[15]。FAAS方法, 樣品的前處理是其分析結果的關鍵影響因素,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、消化時間長和操作較復雜等特點; 而鹽酸浸提法具有操作簡便、污染少和處理時間較短等特點。以上方法均存在費用高、預處理過程繁雜、易受到污染、難于對育種材料進行大規模分析和篩選等缺點[13,22]。相比以上方法, X-射線能譜儀法具有快速、準確、不需化學試劑和提取等操作步驟等優點, 適用于篩選富含必需礦質元素的育種材料或測定籽粒各部位礦質元素(除H和He元素外)組成及分布情況, 但只能測定元素的相對含量, 需標準樣品才能測定絕對含量[23]。近年來逐漸得到科研工作者關注的X射線熒光光譜法(XRF), 具有樣品前處理準備簡便、多元素同時測定、重現性好、準確度高等優點[22], 已用于分析育種材料的礦質元素含量[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、高效率等優點[13]。鈣元素不直接吸收近紅外光, 但在植物體內與有機物結合使得鈣元素可被近紅外光譜技術(NIR)間接測定。利用NIR技術對大米、煙葉中鈣元素的含量進行了測定分析,分別應用修正的偏最小二乘回歸分析(MPLS)和最小二乘支持向量機(LS-SVM)建立了預測模型[25-26],可用于種質資源的快速測定和篩選。在試驗和生產中, 測定小麥籽粒鈣含量應根據具體情況選用適宜的測定方法。

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、環境及兩者互作的顯著影響, 但基因型效應遠大于基因型與環境互作效應[27-30]。不同基因型小麥種質籽粒鈣含量的變異范圍較寬, 基因型間存在顯著差異。我國小麥微核心種質庫的 262份種質籽粒鈣含量變異范圍為290～976 mg kg–1[19], 北方地區主推小麥品種為317～653 mg kg–1[28], 黃淮麥區小麥骨干種質為40.79～954.80 mg kg–1[31], 豫北地區主栽小麥品種為376.23～693.73 mg kg–1[32], 長江中下游地區主推小麥品種和部分國內外引進小麥品種籽粒鈣含量介于242.66～620.51 mg kg–1[16]。山農 483×川 35050 構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15個小麥主要種植區以及俄羅斯等 7個國家小麥種質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], 葡萄牙小麥種質為 381～496 mg kg–1[3], 美國小麥種質為 242～765 mg kg–1[29], 巴基斯坦小麥種質為 295～455 mg kg–1[35]。土耳其農家種籽粒鈣含量為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]。通過測定分析, 篩選到了一些高鈣含量小麥種質, 如徐麥856[28]、豫麥 47[28]、鄭麥 9405[28]、NP164[16]、地方品種 47[36]、Eyyubi[40]等, 可作為當地優良的高鈣含量種質資源材料供育種利用。然而, 如何進一步評估和拓寬這類種質資源, 并借助遺傳改良的方法生產富含鈣營養元素并有益于人類健康的糧食, 這也成為作物科學和國際營養科學研究的一個熱點領域。

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 農藝措施對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小麥干物質形成, 增加穗數和籽粒產量, 顯著增加整株鈣累積量, 但對籽粒鈣含量無影響[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量和籽粒產量; 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, 也有研究發現小麥等前茬作物對冬小麥籽粒鈣含量無明顯影響, 施氮肥對籽粒鈣含量無影響[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, 但降低了單穗鈣產量[55]。與傳統栽培方法相比, 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栽培相比, 少耕(覆蓋耕作和免耕)和降低施氮量對小麥籽粒鈣含量增加效應更好[57]。有機栽培管理,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量, 但同時降低了其營養品質, 籽粒養分鈣含量低[59]。

3 小麥籽粒鈣含量與其他性狀的關系

3.1 小麥籽粒鈣含量與主要農藝性狀的關系

由于過去的小麥育種目標過分集中在產量和抗逆性改良, 忽視其籽粒礦物質元素含量, 在一定程度上導致育成的小麥品種籽粒礦物質含量較低[3]。小麥籽粒鈣含量與千粒重、產量均呈顯著負相關[29],但也有研究發現小麥籽粒鈣含量與千粒重呈顯著正相關[37]。幼苗發育的第一階段取決于種子中礦物質元素的含量[60]。二價鈣離子(Ca2+)調節和控制與光合作用相關的氣孔運動, 加速糖分運輸, 增強光合效率[61]。

3.2 小麥籽粒鈣含量與品質和其他礦質元素的關系

測定不同小麥品種(系)籽粒鈣含量和品質相關性狀, 發現籽粒鈣含量與粗蛋白含量、濕面筋和沉降值之間呈正相關, 但無顯著性[20]。小麥籽粒鈣含量與籽粒蛋白質含量、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[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營養因子, 它們不僅能與鈣形成螯合物, 而且通過調控機制能調節鈣的吸收、轉運以及在籽粒中的重新分配, 其中植酸是最主要的抗營養因子, 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[16], 說明從籽粒鈣含量高的小麥種質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, 營養價值越低。利用生產線上取得的各系統小麥粉配制成不同出粉率的面粉, 發現當出粉率為35%～70%時, 面粉中鈣含量保持一個較低且穩定的含量; 但當出粉率高于80%時,其鈣含量明顯升高[68]。利用布勒試驗磨粉機制備面粉, 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和加工品質的前提下, 適量降低面粉的精度, 提高面粉出粉率, 進而提高面粉中鈣營養元素含量。

4 小麥籽粒鈣含量調控的機制研究

4.1 小麥籽粒鈣含量積累的生理基礎與遺傳機制研究

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、導管壁上的陽離子吸附及組織水勢的變化影響植物體內鈣的運輸和分配。盡管在細胞內鈣轉運研究取得了相當大的進展,但迄今為止, 籽粒中高鈣含量積累的分子基礎研究報道很少[61]。小麥籽粒鈣含量主要取決于根系吸收、體內運輸和再分配以及在種子中轉移和積累等過程[71]。這些過程中的每一個都很可能受到多個基因控制, 使得鈣在籽粒中的積累是一個復雜的多基因現象。隨著灌漿進程的推進, 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運, 籽粒鈣主要來自于根系的轉運[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, 而鈣在韌皮部移動性差, 不易到達籽粒胚乳, 部分殘留在小麥籽粒種皮上[53]。到目前為止, 對小麥籽粒中鈣含量轉運、積累的生理基礎與遺傳機制還不是很清楚。

4.2 小麥籽粒鈣含量基因定位研究

近十年來, 隨著營養基因組學的發展, 營養生物學科學得到了廣泛的發展和進步。在營養隱形饑餓日益嚴重的時代, 必須利用谷物的營養特性來開發具有新營養價值的谷物[59]。從目前育種目標來看,利用常規育種策略已培育出許多具有多種營養豐富特性的潛在品種。然而, 小麥傳統育種技術主要通過表型性狀對基因型進行間接選擇, 需要豐富的育種經驗和較長時間; 同時籽粒鈣含量性狀受多因素影響, 選擇效率低?；蚪M學輔助育種就為營養生物學研究開辟一條新的途徑。

數量性狀基因座(QTL)分析是解析小麥礦物質含量性狀的有效方法, 廣泛應用于作物數量性狀遺傳研究。利用QTL分析能有效檢測與小麥籽粒鈣含量的相關基因位點, 從而提高富鈣小麥育種的效率。目前, 關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均在所有環境中檢測到; 6B染色體上的QTL位點同時與鈣、鋅和鐵含量相關; 7B染色體上的QTL位點同時與鈣、籽粒蛋白質含量、鉀和錳含量相關, 說明這些QTL同時可用于改良籽粒鈣、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染色體上檢測到的QTL, 其遺傳距離位于10.1～10.9 cM之間, 這與Peleg等[73]報道的QTL (5.0～58.7 cM)的異同還有待于進一步驗證; 在7B染色體上檢測到的QTL (0～9.7 cM)與Peleg等[73]報道的遺傳距離位于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, 對籽粒鈣含量進行全基因組關聯分析, 共發現485個與籽粒鈣含量顯著關聯的單核苷酸多態性(SNP)標記, 分布在除3D、4B和4D以外的所有染色體上, 其中在2個環境和BLUE值(閾值為?log10(P-value≥3))中均與籽粒鈣含量顯著關聯的標記位于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的SNP位點附近找到了41個與鈣吸收或轉運相關的候選基因。植物鈣轉運蛋白已被證實了可增加胡蘿卜等可食根的鈣含量[75]。在2A和6A染色體上檢測的位點與Shi等[74]和Peleg等[73]報道的不同。Bhatta等[21]通過對123份人工合成六倍體小麥種質的籽粒鈣含量進行全基因關聯分析, 在3A、6A、7A、1B、2B、3B、6B、2D和3D染色體上發現了15個與籽粒鈣含量顯著關聯的SNP標記(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)、標記不同(AFLP、SSR、DArTs、90K)或準確位置信息缺乏或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]的異同還有待于進一步驗證。Shen等[63]在RILs群體中發現了位于4B染色體上調控鉀、鈣和鎂含量的QTL位點, 但沒有定位到控制籽粒鈣含量的QTL。以上研究僅限于初步QTL定位水平, 尚未有精細定位的研究結果, 也不清楚調控小麥籽粒鈣含量的基因是什么。鈣依賴性蛋白激酶(CDPKs)作為植物細胞中鈣濃度變化的關鍵傳感器, 在小麥中鑒定出20個CDPK基因[76]。近年來, 在擬南芥、穇子(finger millet)和水稻上有關籽粒鈣含量的研究較多,不僅開發了用于檢測籽粒鈣含量的EST-SSR標記和SSR標記[77-78]; 同時也發現了一些調控籽粒鈣含量基因, 如CAX[61,79-80]和TPC、CaMK、EcCIPK基因家族[59]。相對于籽粒鈣含量, 小麥籽粒中鐵、鋅、硒元素基因定位的研究進展較快, 不僅QTL定位研究較多[11], 而且還成功克隆到一個提高籽粒蛋白質、鐵和鋅含量而對產量無影響的基因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入小麥根部,然后再轉移到地上部分(如種子)。農藥和化肥的長期持續使用, 土壤肥力和穩定性受到嚴重影響, 最終導致作物養分利用效率低下[59]。根瘤菌和內生菌是一組重要的農用土壤微生物區系, 根據功能活性分為生物化肥、植物生長調節物質、植物根際生物修復劑和生物農藥[59,82]。根際工程主要是借助生物介質即促進植物生長的根瘤菌和內生菌等來提高作物養分利用效率, 其中根瘤菌可直接通過輔助營養同化(如鈣等必需礦物質)或調解作物激素含量, 減少各種病原菌及其毒素對作物生長發育的影響[59]。研究發現生物接種不同內生菌通過提高土壤肥力、細胞伸長和改變重金屬脅迫下土壤礦物質的生物有效性來刺激礦物質獲取、生物量增加和植物加速修復。

5 問題與展望

5.1 籽粒富集鈣元素小麥種質篩選與創制

自綠色革命實現以來, 小麥單產明顯增加, 也導致了必需礦物質營養元素含量大大降低, 即“稀釋效應”[3]。隨著人們對礦物質元素在人類健康中所起作用的認識不斷提高, 相關的生物強化項目在國內外相繼展開。小麥籽粒中含有鈣等各種具有重要生理效應的功能性因子。選育和利用富鈣小麥品種是克服鈣元素缺乏最經濟有效的途徑, 而籽粒富集鈣元素小麥種質資源的篩選、研究與利用是富鈣小麥育種的重要基礎。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資源和空間?，F有的大多數高鈣含量小麥種質篩選研究僅在一年或一點開展的, 因此還需在不同生態區, 進行多年多點鑒定試驗, 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良的種質資源, 為合理選配親本提供參考。同時, 以高鈣含量種質材料為基礎, 對各地大面積推廣種植的代表性品種進行多種方式的改良, 創制出中間材料, 為富鈣小麥新品種培育提供優良的育種材料。

5.2 常規育種技術與生物技術緊密結合提高小麥籽粒鈣含量

人類所需的營養, 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、蛋白質和維生素等必不可少的營養素。通過農藝生物強化或常規育種技術增加主糧作物的礦物質元素含量, 仍是全球科學家的一項艱巨任務。盡管已取得了一些成績, 但在大多數情況下, 仍未達到預期目標。為了使作物最大程度地吸收養分并將其轉移到不同的經濟器官, 科學家們定制并實施了一些生物強化策略, 但在當前的農業和環境問題上, 這些方法并不十分有效。

小麥籽粒是最重要的經濟器官, 其籽粒鈣含量與小麥產量和品質密切相關, 是品種選育和品質評估的重要依據之一。通過遺傳改良途徑進行小麥鈣營養強化, 需要常規育種技術與生物技術緊密結合,加快育種步伐, 提高富鈣小麥育種效率。生物技術主要包括QTL定位分析、分子標記輔助選擇和基因組選擇(genomic selection)。其研究思路是在種質資源篩選的基礎上, 利用目標性狀的分離群體, 通過QTL作圖鑒定, 獲得與控制小麥籽粒鈣含量QTL緊密連鎖的分子標記, 并對控制籽粒鈣含量QTL進行精細定位和功能分析, 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、高產的健康型小麥新品種。目前, 選育并推廣種植了鋅生物強化小麥品種Zinc Shakti、Zincol 2016[11]和富鋅小麥品種中麥175[28]。

5.3 富鈣小麥食品開發利用

隨著生活水平普遍提高和醫療保健意識增強,人們對作為主糧作物的小麥提出了新要求, 其品質營養狀況越來越成為關注的焦點。盡管食物供需穩定增長, 但世界上大部分人口尤其發展中國家人口仍無法從食物中獲得足夠的營養, 且這些食物總體營養成分較差[59]。因此, 選育富鈣小麥新品種的同時, 還應改良富鈣小麥食品加工工藝和開發富鈣小麥食品。除了銅元素外, 所有礦物質營養元素主要存在于小麥麩皮和胚芽中, 因此生產生物強化面食需使用全麥粉[83]。富鈣小麥加工成全麥粉或將其全麥粉與精制面粉配粉制成健康營養食品, 以提高鈣元素的生物有效性, 這在缺乏膳食纖維的飲食結構中或貧困地區顯得尤為重要。鈣含量在小麥籽粒不同部位存在差異, 因對富鈣小麥籽粒不同部位分別進行加工和食品開發是一個重要發展方向。麥胚可直接工業剝去、壓片后制成富鈣營養食品。胚芽可制成礦物質營養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。