基因型和环境对以色列野生二棱大麦籽粒营养品质的影响

李 念, 阮景军, 严 俊, 赵 钢, 代永露, 程剑平

(1.贵州大学麦作研究中心, 贵州贵阳 550025; 2.成都大学药学与生物工程学院, 四川成都 610106)

基因型和环境对以色列野生二棱大麦籽粒营养品质的影响

李 念1, 阮景军1, 严 俊2, 赵 钢2, 代永露2, 程剑平1

(1.贵州大学麦作研究中心, 贵州贵阳 550025; 2.成都大学药学与生物工程学院, 四川成都 610106)

为探讨基因型和生长环境对野生二棱大麦营养性状的影响，对源自以色列不同地区的9个群体60个基因型野生二棱大麦材料在3个环境条件下的籽粒可溶性蛋白质、氨基酸、植酸、无机磷和淀粉含量及粒重进行测定，并对检测数据进行了单因素方差分析(One-Way ANOVA)、相关性网络分析(correlation-based network analysis, CNA)和斯皮尔曼秩相关分析(Spearmanp’s Rho Correlation)。结果表明，野生二棱大麦各被测性状与生长地土壤成分存在显著相关性(P<0.01)；以色列野生二棱大麦籽粒中无机磷、总淀粉含量和粒重受生长环境和基因型的共同影响，而植酸、可溶性蛋白质、氨基酸含量等性状则主要受生长地环境的影响。

野生二棱大麦；基因型；营养性状；环境

野生大麦是现代栽培大麦的祖先，经过长期的进化和自然选择，形成了丰富的遗传多样性[1-2]。近东的新月地带包括以色列、巴勒斯坦、约旦、伊拉克、叙利亚等地是现代栽培大麦的起源中心[3]。在以色列，从南部极端干旱的内盖夫沙漠到北部湿润多雨的戈兰高地、地中海沿岸地区均有野生二棱大麦分布[4-5]。野生二棱大麦难以自然迁移异地[6]，而不同地区或同一地区不同微域环境的气候、地形、土壤、植被等生态地理条件有较大差异，野生二棱大麦通过自然选择演化产生出特有的群体和基因型[7-9]。研究表明，大麦的籽粒营养性状不仅与基因型有关，而且与环境关系密切[7,10-11]。但就野生大麦营养性状与环境关系的研究较少。研究野生大麦在不同生长环境条件下性状的差异，可以为野生大麦遗传多样性和作物适应性研究提供有效信息。本研究以9个群体60个基因型的以色列野生二棱大麦为材料，在3个不同环境进行种植，对其籽粒的可溶性蛋白质、氨基酸、总淀粉、植酸、无机磷含量以及粒重进行测定，并分析生长环境和基因型对被测性状的影响，以期为野生二棱大麦资源在育种中的有效利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设计

供试的9个群体60个基因型的野生二棱大麦来自于以色列海法大学进化研究所，起源地生态地理数据见表1，于2012、2013和2014分别种植于贵州省安顺市农科所试验农场、贵州省贵阳市花溪区贵州大学麦作中心农场和安徽省来安县广大乡，试点土壤概况见表2。

采用随机区组排列，重复三次，每个基因型材料进行沟播，行长1.5 m，每行播种50粒种子，行间距40 cm。同行种子收获后放在同一纸袋内作为一个种子库(Seed Bulk)。种子收获后于40 ℃烘干，研磨过0.441 mm孔径筛备用。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 氨基酸、可溶性蛋白质的提取及测定

取30 mg过筛样品，加入1 600 μL的NaOH(0.1 moL·L-1)溶液，摇匀于70 ℃水浴1 h，在此过程中，每隔20 min振摇一次，10 000 r·min-1离心10 min，上清液即为提取液，4 ℃保存备用。氨基酸的测定参照Adler等[12]方法，可溶性蛋白质的测定参照Smith等[13]方法。

1.2.2 植酸、无机磷的提取及测定

取50 mg过筛样品，加入200 μL的HCl(0.5 moL·L-1)溶液，室温静置2 h至样品完全吸涨，用组织研磨器将样品研磨至匀浆，加入1.4 mL HCl(0.5 moL·L-1)，震荡30 min后10 000 r·min-1离心10 min，上清液即为提取液，4 ℃放置备用。植酸的测定参照Latta等[14]方法，无机磷含量的测定采用钼酸铵比色法。

1.2.3 淀粉的提取及测定

取20 mg过筛样品，加入1.8 mL的醋酸钠(pH 5.0)缓冲液， 95 ℃糊化1 h，冷却至室温，加入200 μL多酶复合物 (Enzyme Mix)，50 ℃静置5 h，10 000 r·min-1离心10 min，取上清液采用GOPOD法[15]测定。

表1 9个以色列野生二棱大麦群体起源地生态地理数据Table 1 Eco-geographical data for nine populations of H.spontaneum in Israel

Tm：年平均温度；Ta：八月平均温度；Tj：一月平均温度；Td：季节温差；Tdd：昼夜温差；Ev：年蒸发量；Rn：年降雨量；Rd：年降雨天数；Hu14：14 时平均湿度；Huan：年平均湿度。

Tm:The annual average temperature; Ta:The average temperature in August; Tj:The average temperature in January; Td:Seasonal temperature; Tdd:Temperature difference between day and night; Ev:Annual evaporation; Rn:Annual rainfall; Rd:Annual rainfall days; Hu14:Average humidity at 14 pm; Huan:Annual average humidity; Ln:Longitude; Lt:Latitude; Al:Altitude.

1.2.4 粒重的测定

每个基因型取代表性植株主茎穗籽粒50粒，测定质量，并计算粒重。3次重复。

1.3 统计分析

用Excel 2007整理数据，用JMP 6.0软件(SAS Institute)进行单因素方差分析(ANOVA)，Tukey-Kramer HSD检测差异显著性，用R 2.11构建起源地生态地理因素与被测性状间的皮尔森相关性矩阵(Pearson correlation matrix)，并用Cytoscape 2.7.0对相关性矩阵进行相关性网络分析(correlation-based network analysis,CNA)；用斯皮尔曼秩相关系数(Spearmanp’s Rho Correlation)分析大麦籽粒植酸等营养性状与生长地土壤因子的多元相关性。

2 结果与分析

2.1 野生二棱大麦籽粒营养品质的环境和群体差异

2.1.1 环境对野生二棱大麦籽粒营养品质的影响

由表3可知，淀粉和可溶性蛋白质是野生大麦籽粒的主要组成成分；环境对植酸、无机磷、氨基酸、可溶性蛋白质含量和粒重均有显著影响。在土壤锰含量偏高的安顺试点，籽粒氨基酸和可溶性蛋白的含量显著低于其他试点，其含量不到另外2个试点的50%；贵阳点籽粒氨基酸、可溶性蛋白质含量显著高于其他两点。淀粉含量和粒重在安顺和来安点差异不显著，二者淀粉含量显著低于贵阳点，粒重显著高于贵阳点。

2.1.2 不同群体野生二棱大麦籽粒的营养品质

由表4可知，植酸、氨基酸、可溶性蛋白质含量在9个群体间无显著差异，群体对籽粒无机磷和淀粉含量、粒重有极显著影响(P<0.01)。来自世界陆地海拔最低点死海地区的Ein-Zukim群体的淀粉含量最大，来自地中海边的Akhziv群体次之。粒重低于30 mg的群体有Ein-Zukim(22.39 mg)、Mehola(25.81 mg)、Sede Boqer(27.78 mg)，这3个群体起源地的年平均降雨量均较低(100、270、91 mm)，远低于降雨量第4低的Atlit(500 mm)。起源于沙漠地区的Sede Boqer群体是基因型差异最大的群体，其植酸、无机磷含量变异系数在9个群体中处于第2，可溶性蛋白质含量、总淀粉含量及粒重的变异系数都是9个群体中最大。说明在极端干旱环境下，野生大麦籽粒的多种性状变异程度较高，遗传多样性较丰富。

表2 试点土壤的主要成分Table 2 Soil composition of tested regions

AN:Available nitrogen; AP:Available phosphorus; AK:Available potassium; OM:Organic matter.

表3 环境对野生二棱大麦籽粒营养品质的影响Table 3 Effect of environment on grain traits of wild barley

同行数据后不同字母表示试点间差异显著(P<0.05)。PHY:Phytic acid content; Pi:Inorganic phosphorus content;NH2:Amino acid content; TSP:Total soluble protein content; TS:Total starch content; SKW:Single kernel weight. The same in table 4，Fig.2 and Fig.2.Different letters following data at same line mean significant difference among location(P<0.05).

综上所述，野生大麦籽粒的无机磷、总淀粉含量、粒重既受遗传因素控制，又受生长地环境条件影响。而植酸、氨基酸、可溶性蛋白质含量则主要是受生长环境的影响。

表4 9个群体野生二棱大麦的籽粒营养品质与粒重分析Table 4 Nutrition-related traits and SKW of the nine H.spontaneum populations

同列数据后的不同字母表示群体间差异显著(P<0.05)。

Different letters following data in same column mean significant difference among populations(P<0.05).

2.2 大麦籽粒性状与起源地生态因子的网络分析

籽粒营养性状与起源地生态地理因素间的网络分析结果(图1)显示，野生二棱大麦的植酸、氨基酸、无机磷含量及粒重与起源地生态因子间存在显著相关性(P<0.05)。无机磷含量与13个生态因子中的12个有显著相关性；粒重和植酸含量分别与10个和6个生态因子显著相关；氨基酸含量仅与年蒸发量显著负相关。无机磷、植酸含量和粒重均与湿润气候因子呈正相关，与干旱气候因子负相关。起源地年平均温度、八月平均温度、昼夜温差、年蒸发量和年降雨量与较多野生大麦籽粒营养性状存在显著相关性，是对野生大麦籽粒性状影响较大的生态因子。

2.3 大麦籽粒性状与生长地土壤因子的斯皮尔曼秩相关性分析

斯皮尔曼秩相关性检验结果(图2)显示，野生二棱大麦的植酸、无机磷、可溶性蛋白质、总淀粉、氨基酸含量和粒重均与生长地土壤元素间存在不同程度的相关性。植酸、无机磷、可溶性蛋白质和氨基酸含量与生长地的11种土壤元素都有显著相关性(P<0.01)；可溶性蛋白质含量与有效氮、有效磷、全氮、磷、锰含量呈显著负相关，而与有效钾、全钾、有机质、钙、镁、硒含量呈显著正相关。被测的11种土壤元素与氨基酸含量、可溶性蛋白质含量的相关性具有相同相似度，与植酸含量的相关性与二者相似度相反。总淀粉与土壤有效钾、全钾、有机质、镁、硒含量有显著正相关性；粒重与这5个指标呈显著负相关。说明提高土壤中有效钾、全钾、有机质、镁、硒含量在增加大麦籽粒中营养物质含量的同时会降低大麦的粒重。研究发现，大麦籽粒中可溶性蛋白质和氨基酸含量与土壤中锰含量呈显著负相关，由此推测安顺环境中可溶性蛋白质和氨基酸含量偏低可能是由于土壤中过高的锰含量所导致。

点与点之间的连线代表性状之间的相关性，实线代表正相关，虚线代表负相关，所有相关性均达到显著水平(P<0.05)。六边形和三角形分别代表干旱因子和湿润因子，菱形和圆形分别代表营养性状和粒重，正方形代表经度。

3 讨 论

本研究中，环境对野生二棱大麦6个被测性状均有极显著影响；群体对无机磷、总淀粉含量和粒重有极显著影响。表明无机磷、总淀粉含量和粒重受基因型和生长环境的共同影响，来自极度干旱内盖夫沙漠地区的 Sede Boqer群体和死海地区的Ein-Zukim群体的上述3个性状有很高的变异系数。说明一些特殊环境的自然选择压力对物种的进化起到了重要的作用[3,16]。湿润地区因为一致性的环境条件导致野生大麦遗传变异较低，而干旱气候条件下环境选择较为多样，所以野生大麦在干旱等生存压力下，更易形成丰富的遗传多样性[17-18]。有研究认为，环境因素对麦类的品质性状影响较大[19-21]。也有一些研究认为，基因型在若干品质性状上的作用比环境因素更为重要[22-24]。本研究结果表明，野生大麦籽粒蛋白质含量的差异主要受环境条件影响，前人的研究也有类似发现[25-28]。基因型、生长环境差异均影响野生大麦淀粉的含量，在降水丰富、气温偏低的生长环境条件下大麦淀粉含量更高。而野生大麦植酸含量的环境效应大于遗传效应，这可能是因为籽粒植酸含量与环境间的变化、生长地土壤磷含量、作物生育期的长短及光照、气温、水分等气象因素有关[29]。具有极端性状的群体，如高粒重的Caesarea群体和高淀粉含量的Ein-Zukim群体可为大麦遗传育种提供基因资源。

起源于不同环境的野生大麦，在适应其起源地生态地理条件过程中，经过长期进化和自然选择，形成了具有丰富遗传多样性的野生二棱大麦群体和基因型。研究表明，以色列野生二棱大麦的起源地生态地理环境对其农艺性状指标有重要影响[6]。本研究发现，大麦籽粒植酸、无机磷、氨基酸含量和单粒重等与若干个起源地生态地理因子显著相关，并且均与湿润生态因子正相关，与干旱生态因子负相关。

斯皮尔曼秩相关性分析显示，野生二棱大麦植酸、无机磷、可溶性蛋白质、总淀粉、氨基酸含量和单粒重与生长地不同土壤元素含量间存在不同程度的相关性，在土壤锰含量过高环境下，大麦籽粒中可溶性蛋白质和氨基酸含量明显偏低。原因可能与锰参与包括ATP、蛋白质、光合作用以及硝态氮同化等多种重要生理过程有关[30-31]。过量的锰含量会抑制光合产物的形成[32]，影响光合作用活性中心和光能传导，间接影响硝态氮的同化，导致蛋白质的合成受到抑制，最终导致籽粒蛋白质含量降低。

图2 营养性状与生长地土壤成分的斯皮尔曼秩显著相关性

[1] BAEK H,BEHARAV A,NEVO E.Ecological-genomic diversity of microsatellites in wild barley,Hordeumspontaneum,populations in Jordan [J].TheoreticalandAppliedGenetics,2003,106(3):397.

[2] ELLIS R P,FORSTER B P,ROBINSON D,etal.Wild barley:A source of genes for crop improvement in the 21stcentury?[J].JournalofExperimentalBotany,2000,51(342):9.

[3] VOLIS S,MENDINGER S,WARD D.Adaptive traits of wild barley plants of Mediterranean and desert origin [J].Oecologia,2002,133(2):133.

[4] NEVO E,BEILES A,GUTTERM Y,etal.Genetic resources of wild cereals in Israel and Vicinity.II.Phenotypic variation within and between populations of wild barley,Hordeumspontaneum[J].Euphytica,1984,33(3):719.

[5] MATTATIA J ,FEINBRUM D N.The nomenclature ofAegilopsbiuncialisVis.[J].IsraelJournalofPlantSciences,1986,35(1):53.

[6] 严 俊,王 莹,Gutterman Y,等.起源地生态地理因素对野生二棱大麦生长的影响[J].西南农业学报,2010,23(6):1799.

YAN J,WANG Y,GUTTERM Y,etal.Influence of eco-geographic factors on growth of wild barley(Hordeumspontaneum) in Israel [J].SouthwestChinaJournalofAgriculturalSciences,2010,23(6):1799.

[7] NEVO E,BROWN A H D,ZOHARY D.Genetic diversity in the wild progenitor of barley in Israel [J].Cellular&MolecularLifeSciencesCmls,1979,35(8):1027.

[8] NEVO E,BROWN A H D,etal.Genetic diversity and environmental associations of wild barley,Hordeumspontaneum,in Israel [J].Evolution,1979,33(3):832.

[9] GUTTERM Y.Survival strategies of annual desert plants [J].AdaptationsofDesertOrganisms,2002,15:39.

[10] 陈晓东,赵 斌,季昌好,等.不同地理来源大麦种质蛋白质含量分析[J].中国农学通报,2013,29(3):78.

CHEN X D,ZHAO B,JI C H,etal.Analysis of protein content of barley germplasm from different geographical origins [J].ChineseAgriculturalScienceBulletin,2013,29(3):78.

[11] 张 宇,司二静,孟亚雄,等.不同来源大麦材料的农艺性状和籽粒蛋白质含量及群体遗传结构分析[J].麦类作物学报,2015,35(07):946.

ZHANG Y,SI E J,MENG Y X,etal.Analysis on agronomic traits,grain protein content and population structure of barley germplasm from different geographical origins [J].JournalofTriticeaeCrops,2015,35(07):946.

[12] ADLER N J.Determination of the degree of hydrolysis of food protein hydrolysates by trinitrobenzenesulfonic acid [J].JournalofAgricultural&FoodChemistry,1979,27(6):1256.

[13] SMITH P K,KROHN R I,HERMANSON G T,etal.Measurement of protein using bicinchoninic acid [J].AnalyticalBiochemistry,1985,150(1):76.

[14] LATTA M,ESKIN M.A simple and rapid colorimetric method for phytate determination [J].JournalofAgricultural&FoodChemistry,1980,28(6):1313.

[15] NIBA L L.Effect of storage period and temperature on resistant starch and β-glucan content in cornbread [J].FoodChemistry,2004,83(4):493.

[16] VOLIS S,MENDINGER S,WARD D.Demography and role of the seed bank in Mediterranean and desert populations of wild barley [J].Basic&AppliedEcology,2004,5(1):54.

[17] TURPEINEN T,TENHOLA T,MANNINEN O,etal.Microsatellite diversity associated with ecological factors inHordeumspontaneumpopulations in Israel [J].MolecularEcology,2001,10(6):1585.

[18] CRONIN J K,BUNDOCK P C,HENRY R J,etal.Adaptive climatic molecular evolution in wild barley at the Isa defense locus [J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,2007,104(8):2776.

[19] MINURA H,TANII S.Endosperm starch properties in several wheat cultivars preferred for Japanese noodles [J].Euphytica,1993,72(3):172.

[20] 吴东兵,曹广才,强小林,等.西藏和北京异地种植小麦的品质变化[J].应用生态学报,2003,14(12):2199.

WU D B,CAO G C,QIANG X L,etal.Quality variation of wheat planted in different regions of Tibet and Beijing [J].ChineseJournalofAppliedEcology,2003,14(12):2199.

[21] 吴昆仑.基因型与环境效应对青稞淀粉含量的影响[J].西南农业学报,2011,24(2):423.

WU K L.Influence of genotype and environment on starch content of hulless barley [J].SouthwestChinaJournalofAgriculturalSciences,2011,24(2):423.

[22] MORRIS C F,SHACKLEY B J,KING G E,etal.Genotypic and environmental variation for flour swelling volume in wheat [J].CerealChemistry,1997,74(1):18.

[23] RUBENTHALER G L,HUANG M L,POMERANZ Y.Steamed bread.I.Chinese steamed bread formulation and interactions [J].CerealChemistry,1990,67(5):475.

[24] 燕 丽,王志忠,郑文寅,等.基因型和环境对安徽小麦品质性状的影响[J].麦类作物学报,2016,36(11):1498.

YAN L,WANG Z Z,ZHENG W Y,etal.Effect of genotypes and environments on wheat quality in Anhui province [J].JournalofTriticeaeCrops,2016,36(11):1498.

[25] ZHANG G,CHEN J,WANG J,etal.Cultivar and environmental effects on(1→3,1→4)-β-D-glucan and protein content in malting barley [J].JournalofCerealScience,2001,34(3):295.

[26] WANG J,ZHANG G,CHEN J.Cultivar and environmental effects on protein content and grain weight of malting barley [J].JournalofZhejiangAgriculturalUniversity,2001,27(5):50.

[27] 吕 超,张新忠,金 能,等.环境对大麦籽粒啤用品质性状的影响[J].浙江农业学报,2010,22(5):645.

LÜ C,ZHANG X Z,JIN N,etal.Effects of environment on grain characters related with malting quality of barley [J].ActaAgriculturaeZhejiangensis,2010,22(5):645.

[28] 孟亚雄,赵向田,马小乐,等.海拔对啤酒大麦产量和品质的影响[J].麦类作物学报,2016,36(9):1262.

MENG Y X,Z HAO X T,MA X L,etal.Effect of altitude on quality and yield of different malting barley varieties [J].JournalofTriticeaeCrops,2016,36(9):1262.

[29] LIU Z H,CHENG F M,ZHENG G P.Grain phytic acid content in japonica rice as affected by cultivar and environment and its relation to protein content [J].FoodChemistry,2005,89(1):49.

[30] PFEFFER P E,CAVANAUGH J R.In vivoA3A1P NMR studies of corn root tissue and its uptake of toxic metals [J].PlantPhysiology,1986,80(1):77.

[31] DUCIC T,POLLE A.Transport and detoxification of manganese and copper in plants [J].BrazilianJournalofPlantPhysiology,2005,17(1):103.

[32] GANGWAR S,SINGH V P.Indole acetic acid differently changes growth and nitrogen metabolism inPisumsativumL.seedlings under chromium(VI) phytotoxicity:Implication of oxidative stress [J].ScientiaHorticulturae,2011,129(2):325.

EffectofGenotypeandEnvironmentonNutritionalTraitsofWildBarley(Hordeumspontaneum)fromIsrael

LINian1,RUANJingjun1,YANJun2,ZHAOGang2,DAIYonglu2,CHENGJianping1
(1.Institute of Triticeae Crops, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025, China; 2.School of Pharmacy and Bioengineering, Chengdu University, Chengdu, Sichuan 610106, China)

In this study, 60 genotypes of wild barley(Hordeumspontaneum) with nine populations derived from different habitats of Israel were studied for the effect of eco-geographical factors of the origin place and growing environment on nutritional traits under three experimental trials of field. The main nutritional components of nine wild barley populations were measured by single factor variance analysis, correlation network analysis and Spearman Rho significant correlation analysis. The results showed that there is a significant correlation between the multiple nutritional traits ofHordeumspontaneumand the soil composition of tested regions. Meanwhile, the results indicated that genotypes and environments had a collaborative influence on content of inorganic phosphorus, total starch and single grain weight of wild barley, and the difference of environmental conditions was the main factor affecting the phytic acid, soluble protein and amino acid content in grains.

Hordeumspontaneum; Genotype; Nutritional traits; Environment

时间：2017-12-11

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171211.1106.012.html

2017-04-04

2017-04-28

国家自然科学基金项目(31560578)；国家科技部国际科技合作专项(2013DFA32200)

E-mail：982283656@qq.com

程剑平(E-mail:agr.jpcheng@gzu.edu.cn)

S512.1；S331

A

1009-1041(2017)12-1564-07