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山西小麦籽粒叶黄素含量变异及遗传特性分析

武棒棒, 郝宇琼, 杨淑斌, 黄雨茜, 关攀锋, 郑兴卫, 赵佳佳, 乔玲, 李晓华, 刘维仲, 郑军

植物学报 2023, 58 (4): 535-547. DOI: 10.11983/CBB22081

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叶黄素在保护视力、预防糖尿病、心血管硬化和癌症等方面具有良好功效。利用小麦(Triticum aestivum)进行叶黄素的生物强化逐渐引起人们的重视。以3种环境下种植的194份山西小麦为材料, 采用有机溶剂浸提法提取叶黄素, 利用高效液相色谱法测定不同种质的叶黄素含量, 分析小麦叶黄素含量的广义遗传力, 及其与籽粒颜色、冬春性、地域分布、品种类型和主要农艺性状的关系, 并通过全基因组关联分析挖掘叶黄素含量相关的遗传位点。结果表明, 山西小麦品种间叶黄素含量变异范围较广, 变异系数为33.12%-48.57%, 基因型是影响叶黄素含量的主要因素, 3种环境下小麦叶黄素含量范围分别为0.67-4.03、0.16-5.05和0.16-3.63 μg·g^-1; 冬性小麦品种的平均含量高于春性品种, 水地品种平均含量高于旱地品种, 籽粒颜色与育种年代对叶黄素含量无显著影响; 抽穗期、株高和千粒重与叶黄素含量呈显著负相关, 其它农艺性状对叶黄素均无明显影响; 全基因组关联分析在1B、3A和7A染色体上发现4个与叶黄素含量相关的主效位点, 其中QLuc.3A和QLuc.7A.1是影响叶黄素含量的新位点。研究结果可为小麦叶黄素生物强化品种的选育和栽培提供有价值的信息。

Accessions	Sample contents (μg·g^-1)	Added (μg)	Detection (μg·g^-1)	Recove- ries (%)
Jinmai47	1.22	3	4.06	96.33
Jinmai98	2.36	5	7.27	98.76
Jinmai84	1.85	4	5.72	97.81
Jinmai919	2.38	5	7.25	98.24

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表1 小麦样品叶黄素的加标回收率

正文中引用本图/表的段落

叶黄素是类胡萝卜素的主要成分, 约占类胡萝卜素总量的70%-95% (Hidalgo and Brandolini, 2014)。叶黄素是构成视网膜黄斑色素的主要成分, 可有效过滤蓝光, 从而降低白内障、近视和色素性视网膜炎的发病率, 因此又被称为“眼睛维生素”(Digesù et al., 2009; Blanco et al., 2011)。此外, 叶黄素具有较强的抗氧化和氧自由基清除能力, 在预防机体衰老引起的心血管硬化、糖尿病和肿瘤等慢性疾病方面也发挥作用。叶黄素在植物和细菌中能够从头合成, 但在人和动物体内缺乏合成途径, 只能从食物中摄取, 每人每天必须摄入一定量的叶黄素补充身体所需。德国和加拿大相关研究表明, 成年人平均每天的叶黄素摄入量分别为1.9和1.4 mg, 美国则建议平均每天摄入1-2 mg的叶黄素和玉米黄质(Institute of Medicine (US) Panel on Dietary Antioxidants and Related Compounds, 2000)。由于人口老龄化和叶黄素缺乏, 预计到2050年全球老年黄斑变性患者的数量将从2020年的1.96亿增长至2.88亿(FAO et al., 2017)。因此, 如何健康有效地保障叶黄素安全摄入引起人们的普遍关注。

实验材料为新中国成立后山西省审定的194份小麦(Triticum aestivum L.)品种，其中水地品种99个, 旱地品种95个, 品种名称、地理分布、冬春性、粒色和审定时间等信息详见附表1。所有材料于2018-2019年和2019-2020年种植于山西农业大学小麦研究所实验基地(临汾市) (111°18'E, 36°2'N), 10月上旬播种, 翌年6月中旬收获。每份材料播种4行, 行长2 m, 每行30粒。参试材料在2种水分条件下种植: 越冬期灌溉一水(2019-2020年, E1); 越冬期、拔节期和孕穗期灌溉三水(2018-2019年, E2; 2019-2020年, E3), 每次灌溉量约700 m3·hm-2。

标准溶液按浓度从低到高依次进样, 采用峰面积外标法进行定量分析。以浓度为横坐标、吸收峰面积为纵坐标进行线性回归分析, 标准曲线方程为Y= 32.186X-2.396 9 (R2=0.999 8)。结果表明回归方程的线性良好, 说明叶黄素含量在1-10 μg·mL-1范围内呈线性关系, 可用于定量分析。

4个品种提取叶黄素后分别以添加标品和不加标品的处理为对照, 测定3次, 取平均值。检测发现样品的加标回收率均在96%以上(表1), 进一步说明检测方法准确可靠。

将3种环境下收获的材料提取叶黄素进行测定, 发现山西小麦品种间的叶黄素含量变异范围较广(附表1), 变异系数为33.84%-43.90%; 含量范围分别为0.67- 4.03、0.16-5.05和0.16-3.63 μg·g-1, 平均值分别为1.63、1.57和1.39 μg·g-1 (图2A)。根据叶黄素含量将供试材料分为5级(<1.0 (μg·g-1)、1.0-1.5 (μg·g-1)、1.5-2.0 (μg·g-1)、2.0-2.5 (μg·g-1)和>2.5 (μg·g-1)), 其中含量在1.0-1.5和1.5-2.0 μg·g-1范围内的品种较多, 占总品种数的62%, 超过2.5 μg·g-1的品种数分别为11、24和3份(表3)。E1环境下含量最高的3个品种分别为河东TX-006、长4853和晋麦95号(图1C); E2环境下为河东TX-006、太113和山农129; E3环境下为河东TX-006、晋麦95号和临远3158。其中, 河东TX-006、晋麦95号和临远3158在3种环境下的叶黄素含量均超过3.0 μg·g-1, 是高叶黄素含量品种。

附表1 山西小麦审定品种中的叶黄素含量

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