中国小麦微核心种质籽粒赖氨酸含量分析

姜小苓 关西贞 茹振钢 田纪春

中国小麦微核心种质籽粒赖氨酸含量分析

姜小苓1，2关西贞1茹振钢2田纪春1

(作物生物学国家重点实验室山东农业大学小麦品质育种室1，泰安 271018)
(河南科技学院生命科技学院2，新乡 453003)

以225份中国小麦微核心种质为材料，研究了籽粒赖氨酸的含量及其变异范围，鉴定出一批高赖氨酸含量的特异种质资源。结果表明，我国小麦微核心种质籽粒的赖氨酸含量在品种间存在极显著差异(P＜0．01)，赖氨酸含量的平均值为0．44%，变幅为0．28%～0．79%。鉴定出赖氨酸含量高于0．60%的7个特异高赖氨酸材料。农家品种中“老秃头”的赖氨酸含量最高(0．79%)，其次是“阳麦”(0．70%)、“红麦”(0．66%)、“同家坝小麦”(0．64%)、“白火麦”(0．61%)和“江东门”(0．60%)。现代育成品种中“矮丰3号”的赖氨酸含量最高(0．63%)，其次是“温麦6号”(0．58%)和“烟农15”(0．58%)，是培育高产、高赖氨酸小麦品种的重要资源。将微核心种质按原产地及麦区分别归类分析得出，西北春麦区小麦的赖氨酸含量最高，显著高于东北春麦区、北部春麦区和新疆冬春麦区(P＜0．05)，其他麦区小麦籽粒的赖氨酸含量之间的差异不显著。冬麦区与春麦区以及国内小麦品种与国外引进品种赖氨酸含量之间的差异不显著(P＜0．05)。随着育种年代的推移，小麦籽粒赖氨酸的含量呈“V”型变化，其中20世纪60年代育成品种的赖氨酸含量最低，20世纪80年代育成品种的赖氨酸含量最高，但各年代育成品种间没有显著差异。这些结果补充完善了我国小麦微核心种质的品质状况，为核心种质的进一步应用提供参考，在我国小麦营养品质育种的亲本选择和有利基因的发掘和利用方面也有重要意义。

普通小麦 微核心种质 赖氨酸

小麦是我国的主要粮食作物之一，是人体所需能量的主要来源［1］。小麦籽粒中蛋白质含量及必需氨基酸组成的平衡程度决定小麦的营养品质［2－5］。小麦蛋白质中氨基酸的组成很不平衡，特别是赖氨酸、苏氨酸、异亮氨酸等必需氨基酸的含量较低，仅相当于鸡蛋、牛奶等优质蛋白质的42%，远远不能满足人体对氨基酸平衡的需要，因此赖氨酸、苏氨酸等称为小麦的限制性氨基酸，尤其是赖氨酸含量最低，是小麦的第一限制性氨基酸［2，6］。医学研究发现，赖氨酸具有促进胃液分泌、增进食欲、提高钙吸收及其在体内的积累、加速骨骼生长等作用，对人体特别是青少年儿童的生长发育有明显的促进作用;若缺乏赖氨酸，会造成胃液分泌不足而出现厌食、营养性贫血等症状，致使中枢神经发育不良，免疫功能也受到影响［7－9］。并且在食物中，一种氨基酸的缺乏会影响其他氨基酸的吸收，使摄取的蛋白质不能充分利用而造成营养不良。小麦籽粒蛋白中赖氨酸的平均含量(3．0%)［10］，远远低于国际粮农组织和世界卫生组织(FAO/WHO)公布的标准赖氨酸含量(5．5%)［11］。因此，提高小麦籽粒赖氨酸的含量是改良小麦营养品质的一项重要任务。

种质资源在作物改良过程中是一个丰富的基因库，无论是通过传统的育种方式还是现代的基因工程等，作物种质资源都具有很大的利用潜力［12］。没有好的种质资源就不可能育成好的品种。现代育种方式使得作物种质资源的遗传基础越来越狭窄，不利于作物品种的改良［13］。例如，建国以来育成的小麦品种数百个，其亲本大都离不开11个骨干亲本［14］，20世纪80年代中期以来生产上使用的小麦品种约有70%都有1B/1R代换系的血统［15］。目前，小麦种质资源中的很多优良基因，如矮化基因［16］和抗病基因［17］，已分别用来改良普通小麦相应的性状，并取得了很大成绩［18］，但许多诸如高蛋白、高赖氨酸等优良品质基因尚未发掘和利用。我国现保存小麦种质资源4万余份，其中本国农家品种、本国选育品种(系)和国外引进品种(系)各约占1/3［19］。如此巨大的种质资源数量使得育种工作者很难对其进行深入研究并加以有效利用。为了解决这一难题，澳大利亚学者Frankel［20］于1984年首次提出核心种质的概念，其含义是指采用一定方法，从某种作物种质资源的总收集品中遴选出能最大程度代表其遗传多样性而数量又尽可能最少的种质材料作为核心收集品(Core collection)，即核心种质，以方便种质资源的保存、管理及进一步的评价、利用。中国小麦微核心种质由中国农业科学院作物科学研究所张学勇课题组构建完成，包括231份材料，占整体种质的1%，遗传代表性估计值接近70%［21］。因此，可以通过分析研究中国小麦微核心种质资源性状的变异及分布情况，来了解我国种质资源的性状，并发掘出许多有利基因。目前已有中国小麦微核心种质的籽粒蛋白［22－23］、矿质元素［24］、SDS沉降值［22］、PPO基因［25］、溶剂保持力特性［26］、农艺性状［12］以及与面条品质［27］等方面的研究报道，然而尚未见关于小麦微核心种质赖氨酸含量的报道。因此，本试验以225份小麦微核心种质为材料，分析其赖氨酸含量的变异及分布情况，鉴定出高赖氨酸含量的特异资源，为核心种质的进一步应用提供参考，在我国对小麦营养品质育种的亲本选择和有利基因的发掘和利用方面也有重要意义。

1 材料与方法

1．1 试验材料

225份中国小麦微核心种质由中国农业科学院作物科学研究所农业部作物种质资源与生物技术重点试验室张学勇研究员和周荣华研究员提供。所有材料于2007～2008年种植于山东农业大学泰安教学基地，采用完全随机设计，3次重复，每个品种种植2行，行长2 m，行距25 cm，每行播种80粒。生长期间肥水管理同一般大田，收获后统一脱粒，并在安全水分(含水量≤13%)下储存。

1．2 试验方法

1．2．1 制粉

挑选饱满、无虫蛀的籽粒，用瑞典Perten 3100型旋风磨制取全麦粉。

1．2．2 赖氨酸含量的测定

采用茚三酮显色法测定赖氨酸含量［28］。

1．2．3 改良潜力的计算

供试材料的最大值减去平均值之差除以平均值。

1．3 数据处理

杨译采用直译加尾注，简明扼要地解释了该典故的故事内涵，可以帮助译入语读者更好地了解原文的文化内涵，从而达到对原文准确到位的理解。

采用Microsoft Excel和DPS 7．05软件对微核心种质赖氨酸含量进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2．1 中国小麦微核心种质赖氨酸含量的变异

方差分析表明(表1)，225份中国小麦微核心种质的赖氨酸含量品种间存在极显著差异(P＜0．01)。赖氨酸的平均含量为0．44%，变幅0．28%～0．79%，其中高赖氨酸品种是低赖氨酸品种的2．8倍，55．11%的品种赖氨酸含量在0．4%～0．5%范围内(图1)，而高于0．60的品种仅有7个，占微核心种质的3．11%。中国小麦微核心种质赖氨酸的改良潜力为79．55%，说明通过育种途径大约可提高小麦籽粒赖氨酸含量0．79倍。

表1 中国小麦微核心种质赖氨酸含量的方差分析

中国小麦微核心种质中赖氨酸含量较高的材料，大多数为地方品种，其中“老秃头”赖氨酸含量为0．79%，其次是“阳麦”和“红麦”，其赖氨酸含量分别为0．70%和0．66%，“同家坝”小麦、“白火麦”、“江东门”、“木宗卓嘎”等农家品种籽粒的赖氨酸含量也较高，其赖氨酸含量分别为0．64%、0．61%、0．60%、0．59%，现代品种赖氨酸含量较高的有“矮丰3号”、“温麦6号”和“烟农15”等，其赖氨酸含量分别为0．63%、0．58%和0．58%。这些高赖氨酸小麦品种可作为优良亲本，提高我国普通小麦品种籽粒的赖氨酸含量。

图1 中国微核心种质赖氨酸含量的频数分布图

2．2 不同麦区和来源小麦种质赖氨酸含量的差异

由不同麦区和来源小麦品种的赖氨酸含量及其方差分析(表2)可看出，西北春麦区小麦籽粒的赖氨酸含量最高，平均含量为0．48%，且变异幅度(0．38%～0．79%)最大。新疆冬春麦区小麦籽粒的赖氨酸含量最低，平均含量仅为0．42%，且变异幅度(0．33%～0．49%)也最小。

表2 不同来源小麦品种赖氨酸含量的差异

方差分析结果表明，西北春麦区小麦的赖氨酸含量显著高于东北春麦区、北部春麦区和新疆冬春麦区(P＜0．05)，其他麦区小麦籽粒的赖氨酸含量之间的差异不显著。4个冬麦区小麦品种籽粒的赖氨酸平均含量为0．45%，高于3个春麦区小麦品种赖氨酸的平均含量(0．44%)，但差异不显著(P＜0．05)。

209份国内小麦品种和16份国外小麦品种赖氨酸的平均含量都为0．44%，没有显著差异(P＜0．05)。但国内小麦品种赖氨酸含量的变异幅度大，为0．28%～0．79%，改良潜力为79．55%;国外引进品种的变异幅度(0．34%～0．55%)较小。

农家品种、育成品种和国外引进品种赖氨酸平均含量之间的差异不显著(P＜0．05)，但赖氨酸的变异范围农家品种远远大于育成品种，分别为0．31%～0．79%和0．28%～0．63%，说明农家品种中有优异的高赖氨酸种质。

2．3 不同年代育成品种赖氨酸含量的差异

根据小麦品种的育成年代，将小麦微核心种质分为6组，其赖氨酸平均含量的变化趋势，见图2。随着育种年代的推移，小麦籽粒赖氨酸含量呈“V”型变化。其中20世纪60年代育成品种赖氨酸的平均含量最低，20世纪70年代育成品种的赖氨酸含量有所上升，20世纪80年代品种的赖氨酸含量最高，20世纪90年代育成品种的赖氨酸含量有下降趋势。方差分析结果表明，不同年代育成品种赖氨酸含量间的差异不显著(表3)。

图2 不同育成年代小麦品种赖氨酸含量的差异

通过计算赖氨酸含量高于0．50%的品种数占该年代总品种数的百分率得出，20世纪70、80和90年代育成品种中高赖氨酸含量的品种较多，分别占总数的31．6%、50．0%和33．3%，其他年代中高赖氨酸含量品种较少。由此说明，随着育种年代的推移，高赖氨酸小麦品种有逐渐增加的趋势。

表3 不同育成年代小麦品种赖氨酸含量的差异

3 讨论

小麦是人类的主要食物之一，小麦品质主要包括营养品质和加工品质两大方面，随着人们生活水平的提高和对身体健康的关注，小麦营养品质的改良愈来愈受到重视。前人关于小麦营养品质的研究多集中在籽粒蛋白质含量等方面［18，29－30］。氨基酸是蛋白质合成的原料和分解产物，也是人类和其他动物吸收利用蛋白质的主要形式。因此，氨基酸的种类和比例是评价蛋白质含量的主要指标。

大多数粮食作物蛋白质的氨基酸比例对人体需要来说都是不平衡的，小麦籽粒中的赖氨酸含量最低，被称作第一限制氨基酸，因此，小麦蛋白质的品质改良最有效的方法就是培育赖氨酸含量高的品种。培育高赖氨酸品种必须有高赖氨酸亲本，微核心种质的构建有利于提高优异种质的利用率，有利于育种工作者寻找优异基因。而且，由于核心种质能代表整个种质资源的遗传多样性，因此包含了有待发掘的多种优异基因。本研究结果表明，我国小麦微核心种质的赖氨酸含量品种之间差异极显著(P＜0．01)。由于试验所用材料是在相同年份相同地点种植的，从而消除了环境对小麦籽粒赖氨酸含量的影响，因此不同小麦品种籽粒赖氨酸含量之间的差异来源于基因型的差异。赖氨酸的平均含量为0．44%，变幅为0．28%～0．79%，与李鸿恩等［31］测定的我国小麦种质资源的结果基本一致。225份小麦微核心种质中，赖氨酸含量高于0．60%的小麦材料只有7个，其中农家品种“老秃头”籽粒中的赖氨酸含量达0．79%，为低含量品种的2．8倍，比平均值高出80%，农家品种“同家坝”小麦、“白火麦”、“江东门”的赖氨酸含量也都在0．60%以上，因此是很宝贵的高赖氨酸种质。另外，更令人感兴趣的是在微核心种质中也鉴定出一些赖氨酸含量高的现代育成品种，例如“矮丰3号”是20世纪70年代我国推广面积最大的品种之一，具有矮秆、高产等优良性状。“烟农15”是至今在山东省仍有较大面积的优质、高产小麦栽培品种，用此作杂交亲本，可以培育出营养价值优、产量高的新品种。因此，在兼顾高产的前提下，通过育种途径对赖氨酸含量进行改良是可行的。

张彩英等［32］曾对我国1959～1989年推广的81个主要冬小麦育成品种的13个品质性状进行分析研究，结果表明，随着冬小麦产量的大幅提高，解放以来，我国不同年代育成品种的降落值、湿面筋含量差异显著，但其他品质性状无显著变化。本研究结果表明，20世纪60年代育成品种的赖氨酸含量最低，20世纪80年代育成品种的赖氨酸含量最高，20世纪90年代育成品种的赖氨酸含量又有降低的趋势，但各年代小麦品种赖氨酸含量间没有显著差异。因此，在今后的小麦育种工作中，在提高产量和品质的同时，要重视籽粒赖氨酸含量的改良。

4 结论

中国小麦微核心种质资源品种间赖氨酸含量差异显著(P＜0．01)，赖氨酸的平均含量偏低，变异幅度大，筛选出“老秃头”、“阳麦”和“红麦”等6个赖氨酸含量高的农家品种，“矮丰3号”、“温麦6号”和“烟农15”3个赖氨酸含量高的现代育成品种，在育种中可作为培育营养价值优、产量高的新品种的杂交亲本。不同麦区的小麦品种赖氨酸含量之间没有明显差异。随着育种年代的推移，小麦籽粒赖氨酸含量的呈“V”型变化，但各年代育成品种间没有显著差异。

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Analysis of Lysine Concentration in Grains of Chinese Wheat Micro－Core Collections

Jiang Xiaoling1，2Guan Xizhen1Ru Zhengang2Tian Jichun1
(State Key Laboratory of Crop Biology/Group of Quality Wheat Breeding，Shandong Agricultural University1，Tai'an 271018)
(College of Life Science and Technology，Henan Institute of Science and Technology2，Xinxiang 453003)

225 Chinese wheat micro－core collections were used to study the content and variation of lysine content，and select special germplasm resources with high lysine content．The results showed that significant differences were found in lysine content for different cultivars(P＜0．01)．Lysine content on average was 0．44%，varied from 0．28%to 0．79%，and the improving potential was77．46%．There were seven cultivars，whose lysine contents higher than 0．60%．Native varieties，“Laotutou”had the highest lysine content(0．79%)，followed by“Yangmai”(0．70%)，“Hongmai”(0．66%)，“Tongjiaba”(0．64%)，“Baihuomai”(0．61%)，and“Jiangdongmen”(0．60%)．Among modern bred varieties，“Aifeng 3”had the highest lysine content(0．63%)，followed by“Wenmai 6”(0．58%)and“Yannong 15”(0．58%)，which were important resources to breed wheat variety with high yield and high lysine content．Lysine content of wheat cultivars from different regions were compared，and the results showed that the mean content of lysine for wheat cultivars from Northwest Spring Wheat Region was significantly(P＜0．05)higher than those derived from Northeast Spring Wheat Region，North Spring Wheat Region，and Xinjiang Winter Wheat Region．There was no significant difference(P＜0．05)between lysine contents of wheat cultivars from Winter Wheat Region and Spring Wheat Region．Significant difference(P＜0．05)was not found between lysine content of wheat cultivars from landrace and cultivars imported from aboard．With the lapse of eras for breeding wheat varieties，the varying tendency of lysine content showed“V”．Lysine content for wheat varieties released in 60 s was the lowest，whereas that for 80 s was the highest．However，there was no significant difference in lysine content of wheat released in different eras．These results can complete and perfect the condition of wheat quality traits for Chinese Micro－core collections，and be useful for excellent parent's selection and utilization of fine genes in wheat．

common wheat(Triticum aestivum L．)，micro－core collections，lysine

S512

A

1003－0174(2012)11－0001－06

973计划(2009CB118301)，国家自然科学基金(3117 1554)，转基因重大专项(2009zx08－002－017B)

2012－03－11

姜小苓，女，1982年出生，讲师，作物品质改良与分子设计育种

田纪春，男，1954年出生，教授，博士生导师，作物品质育种