苦荞种质资源评价及遗传育种研究展望

任长忠,陈庆富,李洪有,魏黎明,郭来春,王春龙,李春花

(1 吉林省白城市农业科学院,吉林白城 137000;2 贵州师范大学荞麦产业技术研究中心,贵阳 550001)

苦荞属于蓼科荞麦属(FagopyrumMill.)一年生植物,起源于中国西藏喜马拉雅地区[1]。 作为药食同源作物,苦荞除含有丰富的营养物质(蛋白质、氨基酸、不饱和脂肪酸等)外,还富含黄酮、酚酸、生物碱、三萜、蒽醌等生物活性物质,具有降“三高”、消炎、抗氧化、抗病毒、抗动脉硬化和抗癌防癌等多种保健功能[2-3]。近年来,随着人们对苦荞保健作用的认识逐渐加深,以及国家对苦荞产业的支持,苦荞的需求量日益增加,相关加工产业得到了快速发展。然而,中国苦荞育种技术落后,现有的苦荞品种普遍存在产量低、落粒、难脱壳、易倒伏等问题,优质高产、专用型新品种缺乏,现有的资源已不能满足生产需求,严重制约了苦荞生产加工的发展。为此,本研究归纳了中国苦荞种质资源收集,概述了苦荞种质资源的评价利用和遗传育种现状,以期为苦荞的遗传育种研究提供参考。

1 苦荞种质资源收集与保存

中国有着极其丰富的苦荞种质资源,具有上千年的苦荞栽培历史。中国有关苦荞种质资源的收集开始于20世纪50年代,期间收集到大量苦荞种质资源,但保存不规范等原因导致其中绝大部分种质材料被丢失[4]。在20世纪80年代,由中国农业科学院牵头对全国各地的苦荞种质资源进行重新征集、收藏,共有883份苦荞种质编入“中国荞麦品种资源目录”[4-5]。迄今,在这些编录的苦荞种质资源中,有754份苦荞种质资源被很好地保存在中国农业科学院种质资源库长期库中。除由中国农业科学院牵头的苦荞种质资源大规模收集和保存外,超过收集与保存100份以上苦荞种质的单位还有贵州师范大学、吉林省白城市农业科学院、山西省农业科学院、云南省农业科学院、山西农业大学、西北农林科技大学和西昌学院等单位[6-15]。

2 苦荞种质资源评价

2.1 农艺性状评价

目前研究人员已对苦荞种质资源的多个农艺性状进行了评价,这些农艺性状主要包括生育期、株型、株高、主茎节数、主茎分枝数、株粒重、株粒数、千粒重、产量、粒色、粒型、粒长、粒宽和抗倒伏等。大量研究表明,在苦荞种质资源中,这些农艺性状遗传多样性丰富,变异广泛[13-38]。同时基于各农艺性状的主成分分析和聚类分析,研究人员已筛选到各主要农艺性状相关的优异种质资源。此外,基于各农艺性状间的相关性分析表明,生产上最为关心的苦荞产量性状主要与株高、株粒数、株粒重、千粒重、主茎分支数和生育期显著正相关[16-21]; 倒伏性状主要与株高、主茎节数、节间长度呈显著正相关[22-24]。除对苦荞种质资源主要农艺性状的大量评价外,最近研究者还对不同苦荞品种的结实率性状进行了评价。结果发现,苦荞的结实率20.7%～33.6%,并根据聚类分析结果将8个苦荞品种分为高结实率(>31%)和中结实率(23.3%～29.1%)[39]。

除对苦荞种质资源的重要农艺性状评价外,一些研究已对苦荞的部分农艺性状进行了遗传分析。李春花等[40]通过株高差异较大的2个苦荞品种杂交,对获得的F2和F3群体的株高、分枝数、主茎节数和单株粒重进行了遗传分析,结果发现4个性状在F2和F3群体中均出现了超亲分离,广义遗传率为0.62～0.78;相关性分析表明,株高、分枝数、主茎节数均与单株粒重显著相关,且株高与单株粒重间的遗传相关系数较大。唐链等[41]利用高秆和中秆苦荞杂交获得的F2和F3群体,对株高、主茎分枝数进行遗传分析,结果表明苦荞株高、主茎分枝数是数量性状,且株高、主茎分枝数与产量呈极显著正相关,表明株高与主茎分枝数可作为苦荞高产杂交育种的重要目标性状。石桃雄等[42]利用苦荞重组自交系对8个农艺性状(株高、主茎分枝数、主花序二分叉花枝数、顶三花枝粒数、单株粒数、单株粒质量、千粒质量、籽粒产量)进行了遗传变异和相关性分析,结果表明各性状变异系数为13.1%～42.4%,7个性状(除主茎分枝数)均存在双向超亲分离现象;在各性状间,单株粒数、主花序二分叉花枝数(影响粒数)和千粒质量是影响单株粒重的主要因素,表明单株粒数可作为高产苦荞品种选育的重要参考指标。石桃雄等[43]和郑俊青等[44]利用不同的苦荞重组自交系群体对苦荞粒长、粒宽和千粒重进行遗传分析,结果均发现3个性状均存在连续变异及双向超亲分离现象,表明这3个性状是数量性状。李春花等[45]利用籽粒大小差异较大的2个苦荞品种杂交获得的F2和F3群体,对粒长、粒宽和千粒重进行遗传分析,获得了与石桃雄等[43]和郑俊青等[44]相似的结果。陈庆富等[46]利用4个F2群体(厚壳苦荞与薄壳苦荞杂交)对苦荞厚壳和薄壳特性进行遗传分析,结果发现苦荞厚壳特性为显性单基因遗传模式,其隐性纯合基因型表现为薄壳特性;薄壳特性与低千粒重和低单株产量呈极显著的相关性,但薄壳型植株千粒重变异幅度的最大值可以接近厚壳苦荞的平均水平;表明通过杂交育种方法可使薄壳苦荞的产量接近或达到常规厚壳苦荞水平。此外,崔娅松等[47]利用多个薄壳苦荞和厚壳苦荞组合获得的F2和F3群体分析表明,各组合果壳率的广义遗传力变幅为0.42～0.91,狭义遗传力变幅为0.07～0.27;广义遗传力与狭义遗传力数值相差极大;粒重和果仁重对果壳率直接效应最大,其中前者为正效应,后者为负效应。

2.2 品质性状评价

苦荞品质性状包括营养成分和功能成分2个方面。营养成分主要是淀粉、蛋白质、脂肪酸,而功能成分主要是黄酮、抗性淀粉等。目前,研究者已在种质水平上对苦荞这些品质性状进行了大量评价。

2.2.1 营养成分苦荞籽粒中最丰富的营养物质主要是淀粉、蛋白质和脂肪酸。通过大规模对苦荞种质籽粒中的淀粉分析表明,苦荞总淀粉含量为60.49%～77.98%,其中对淀粉品质影响很大的直链淀粉含量为11.59%～28.30%[30-31,48-49]。值得注意的是,不同种质间,苦荞的总淀粉和直链淀粉含量变异幅度较大,表明不同种质间淀粉的合成存在较大遗传差异[30-31,48-52]。

苦荞籽粒总蛋白含量分析发现,不同苦荞种质籽粒中的总蛋白含量存在较大差异,其总含量为6.82%～15.02%[48, 53-57]。蛋白组分分析表明,苦荞中的蛋白主要是球蛋白、清蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白和残渣蛋白等。在各种蛋白含量分析方面,不同的研究结果存在一定差异。大部分研究结果表明,苦荞籽粒中各种蛋白含量从高到低依次为清蛋白、谷蛋白、球蛋白和醇溶蛋白[57-60]。Pomeranz等[61]研究结果认为荞麦籽粒蛋白中的清蛋白和球蛋白含量高达80%。最近,笔者课题组通过分析不同发育时期苦荞籽粒中这5种蛋白相关基因的表达情况,发现清蛋白和球蛋白相关基因的表达是谷蛋白和醇溶蛋白的几十至万倍(数据未发表),因此笔者更偏向于Pomeranz等的观点,苦荞中主要蛋白是清蛋白和球蛋白。

苦荞籽粒脂肪含量检测发现,不同苦荞种质的籽粒中脂肪含量差异极大,含量为1.22%～4.70%,明显高于小麦和水稻籽粒中的脂肪含量[49,63]。目前苦荞中已有13种脂肪酸被鉴定,其中含量最多的脂肪酸是油酸和亚油酸,且它们的含量在不同苦荞种质中存在较大差异[63-67]。

2.2.2 功能成分抗性淀粉在降血脂、改变肠道微生物以及降血压等过程中具有显著作用以及极高的保健功能。目前,仅有个别研究在种质水平上对苦荞籽粒中的抗性淀粉含量进行了评价。Qin等[48]对21份苦荞种质的抗性淀粉含量测定发现,不同苦荞种质间的抗性淀粉含量存在较大差异,其含量为13.06%～22.53%,远高于小麦和水稻种子中的抗性淀粉含量。

黄酮类化合物具有降“三高”、消炎、抗氧化、抗病毒、抗动脉硬化、抗糖尿病、抗癌防癌等多种保健功能。通过对苦荞籽粒中黄酮含量的大量研究表明,不同苦荞种质籽粒中总黄酮含量差异极大,其含量为0.65%～2.84%[14,48,68-69]。目前,研究者还对苦荞籽粒中的黄酮组分进行了详细鉴定,结果表明苦荞籽粒中大约存在90种黄酮类化合物[3]。这些黄酮化合物中含量最丰富的是芦丁(占总黄酮含量的70%～85%)、槲皮素、山奈酚-3-O-芸香糖苷、山奈酚等,这些主要黄酮类化合物含量在不同苦荞种质中差异极大[48,70-71]。有意思地,不同苦荞种质籽粒中的芦丁含量与槲皮素含量存在一定的负相关性[48,70-71]。

2.3 抗逆性评价

目前,研究者对苦荞种质资源的抗逆性评价主要集中在抗旱、抗盐、抗重金属、耐瘠(耐低磷和耐低氮)等方面。

2.3.1 抗 旱干旱是威胁苦荞生产的主要非生物胁迫之一。目前,研究人员主要利用PEG-6000模拟干旱胁迫对不同苦荞种质萌发期的抗旱性进行评价。研究发现,PEG-6000处理明显降低了苦荞的发芽率、发芽势、发芽指数、胚芽长度、胚根长度,但不同苦荞种质的相关指标受到的抑制程度存在较大差异,表明不同苦荞种质在萌发期具有不同的抗旱能力[72-75]。研究人员进一步通过各指标相关性分析和灰色关联分析确定发芽率、相对发芽势、萌发指数、胚根长可作为苦荞萌发期抗旱评价指标,并基于此筛选出了抗旱苦荞种质[72-75]。除利用PEG-6000处理对苦荞萌发期抗旱性评价外,研究者还通过土培法模拟自然干旱对苦荞种质苗期抗旱性进行了鉴定。路之娟等[76]通过沙培方式对9个苦荞品种苗期抗旱性进行评价,结果发现干旱胁迫对苦荞形态、生理指标产生了极大影响,不同苦荞品种受到的影响存在一定差异;确定了株高、茎粗、根冠比、根系活力、最大根长、丙二醛含量和叶片相对水势可作为苦荞苗期抗旱性评价的关键指标,并在此基础上筛选出3个苦荞品种(迪庆苦荞、西农9909 和奇台农家品种)为耐旱型品种。Aubert等[77]对土培下12份苦荞种质进行苗期抗旱性鉴定发现,干旱胁迫严重抑制了苦荞的株高和叶面积,不同品种受到的抑制差异较大,暗示这两个指标也可作为苦荞苗期抗旱性评价的关键指标。

2.3.2 抗 盐陆启环等[78]对19个苦荞品种NaCl胁迫下的相关生理指标分析表明,盐胁迫抑制了苦荞种子萌发率和幼苗SOD活性,减少了幼苗叶片中叶绿素含量,增加了幼苗质膜透性和MDA含量。此外,研究还发现,不同品种间这些指标存在较大差异,抗性强的品种具有更高的种子萌发率、SOD活性和叶绿素含量,更低的质膜透性和MDA含量。在此基础上,筛选出‘黔苦3号’为耐盐品种,‘西农9909’为盐敏感品种[78]。翁文凤[79]对268份苦荞种质进行了萌发期耐盐性评价,结果发现盐胁迫处理明显抑制了苦荞种子的发芽率、胚根长和上胚轴长。不同品种间相关指标受到的抑制存在极大差异,总隶属函数值>1.5和<0.7筛选到耐盐种质24份,盐敏感种质17份。

2.3.3 抗重金属目前,仅有少部分研究开展了苦荞重金属耐性评价。毛旭等[80]通过在重金属污染的农用地上直接种植苦荞,评价7个苦荞品种(黔黑苦1号、黔苦2～7号)对土壤中镉(Cd)、砷(As)、铅(Pb)、镍(Ni)、铜(Cu)和锌(Zn)等6种典型有害重金属的污染情况,筛选重金属低积累的苦荞品种。结果表明,苦荞籽粒对重金属的富集能力因元素而异,总体表型出Cd>Zn>Cu>Ni>Pb>As的特征;7个苦荞品种籽粒受到Cd元素严重污染,并且污染等级均达高污染;苦荞产量主要受到籽粒Pb含量的影响,达到强负相关关系,籽粒中Zn与Ni、Cu含量呈显著强正相关关系;‘黔苦3号’为Cd低积累品种,‘黔苦7号’为As、Ni和Pb的低积累品种,‘黔苦5号’为Cu低积累品种,‘黔苦4号’为Zn低积累品种。毛旭等[81]通过在Cd污染的农用地上直接种植苦荞,评价了7个苦荞品种对Cd的积累成立差异,结果表明,在苦荞不同部位Cd富集能力表现为叶>茎≈根>颖壳>籽粒;不同苦荞品种根部与籽粒2个部位的Cd 含量差异显著;7个苦荞品种地上部分富集系数与转运系数皆小于1,其中‘黔黑苦1号’与‘黔苦3号’籽粒Cd浓度为0.12 mg/kg,植株、籽粒Cd积累量的系统聚类分析将其列为较低值类品种,可推选为低Cd积累品种。

2.3.4 耐 瘠目前,研究者对苦荞耐贫瘠评价主要集中在氮、磷、钾3个方面。张楚等[82-83]对9个不同基因型苦荞品种在不同氮水平下的农艺性状、生理特性及植株氮素利用等指标进行了评价,发现低氮胁迫明显抑制了苦荞生长,不同苦荞品种受到的抑制程度存在一定差异。通过各指标的综合分析,筛选出株高、茎粗、叶面积、根冠比、叶绿素含量、SOD活性和氮利用效率可作为苦荞耐低氮评价的关键指标,迪庆苦荞为耐低氮品种。在苦荞耐低磷评价方面,杨春婷等[84-85]对14个苦荞品种苗期耐低磷进行评价发现,低磷胁迫明显抑制了苦荞生长,且对地上部位的影响程度显著大于地下部位。通过各指标的综合分析,筛选出根表面积、根长、株高、地上部干质量、酸性磷酸酶、磷积累量和过氧化物酶活性7项指标为苦荞苗期耐低磷能力快速鉴定的关键指标,‘绿宝荞麦’、‘迪庆苦荞’、额敏农家品种和‘晋荞4号’为耐低磷型品种。李振宙等[86]对四倍体苦荞在不同钾水平下籽粒灌浆特性、充实度进行了评价,发现中钾处理的灌浆起始势、达最大生长速率的天数、灌浆速率最大时的生长量、根系长度、根系表面积、根系体积、籽粒充实度和产量均最大,表明适宜的钾肥施用量不仅可以促进四倍体苦荞的生长发育,还有利于提高其籽粒充实度和产量。

3 苦荞育种研究进展

作物育种可以分为4个阶段:1.0时代农家育种(根据表型选择),2.0时代杂交育种,3.0时代分子育种(分子标记辅助育种、转基因、基因编辑等),4.0时代生物技术+人工智能+大数据信息技术育种。在育种方法上主要包括系统选育、诱变选育、杂交选育、单倍体育种、分子标记辅助育种、转基因育种、基因组育种等。目前,大作物如水稻、玉米、小麦等育种已由2.0进入3.0育种时代,并开始迈向4.0时代。相比于大作物,苦荞育种极其落后,目前主要处于基于表型选择的1.0农家育种时代,仅个别育种单位进入2.0杂交育种阶段。在苦荞育种方法上,目前用到的育种方法主要是系统选育和诱变选育,极少数用到了杂交选育。据统计,目前全国审(认)定(国审和省审认定)的苦荞品种有55个,其中通过系统选育法育成苦荞品种31个,通过诱变法育成苦荞品种19个,通过杂交育种法育成苦荞品种仅5个[87]。几乎所有审(认)定苦荞品种果实都是厚壳型(诱变育种培育的‘米荞1号’除外),果壳厚难以脱壳,仅在最近(2022年)贵州师范大学通过杂交育种法育成了可以作为鲜生苦荞米生产的专用型薄壳苦荞品种(图1)。这可能与苦荞花朵较小、杂交困难、杂交技术仅少数单位掌握有关。然而,杂交技术是育种关键技术,也是很多育种方法如分子标记辅助育种、单倍体育种、基因组育种等必不可少的技术。因此,提升苦荞杂交育种技术对于推动苦荞育种进步和产业健康发展具有重要意义。

A.晋荞麦2号(常规苦荞);B. 薄壳苦荞‘小米荞’(云南地方品种);C. 贵黑米‘苦荞15号’(薄壳苦荞杂交后代);D. 贵米‘苦荞18号’(薄壳苦荞杂交后代)。图1 几个苦荞品种的种子形态比较A. The conventional Tartary buckwheat ‘Jinqiaomai No. 2’; B. The Yunnan local Tartary buckwheat thin shelled Tartary buckwheat ‘Xiaomiqiao’; C. New thin-shelled Tartary buckwheat varieties Guiheimi ‘Kuqiao No. 15’; D. Guimi ‘Kuqiao No. 18’ selected by hybridization.Fig.1 Comparison of seed morphology of several Tartary buckwheat varieties

4 问题与展望

4.1 苦荞种质资源评价

4.1.1 农艺性状和品质性状评价虽然目前大量研究对苦荞种质资源的农艺性状和品质性状进行了评价,但相关研究一方面利用的苦荞种质资源数较少,另一方面相关性状的评价主要是在单个环境下进行的,导致表型数据精准度不高,很难为育种服务。因此,亟需建立苦荞专属种质资源库,将中国不同单位收集的苦荞种质资源进行整理,并对其进行农艺性状和品质性状的评价。由于大多数农艺性状和品质性状是受多基因控制的数量性状,其表型受环境因素影响较大,因此需要开展大规模苦荞种质资源的多年多点(苦荞主产区和非主产区)表型精准鉴定,而且要全面、系统地建立苦荞种质资源农艺性状以及品质性状的评价体系,为今后的遗传学研究、分子育种以及品种改良奠定基础,为中国各苦荞生产区推广应用提供参考。

4.1.2 抗逆性评价目前,研究人员已对苦荞种质资源的抗旱性、抗盐性、抗重金属、耐低磷和耐低氮等进行了评价。但相关研究一方面用到的苦荞种质资源数少,另一方面各抗逆性评价方法都是模拟试验来完成,且不能很好地反映真实的逆境胁迫。如抗旱性评价主要采用PEG-6000模拟干旱胁迫,抗盐性评价主要采用水培法、耐低磷和耐低氮评价主要采用营养元素扣除法,导致这些鉴定的数据和种质很难为育种服务。此外,苦荞生产上目前面临的主要逆境胁迫是干旱胁迫。因此,开展大规模苦荞种质在土壤自然干旱胁迫下的抗旱性评价更具重要意义。此外,需要采用盐碱地栽培、重金属土壤栽培、贫瘠土壤(缺氮土或缺磷土)栽培分别对抗重金属、耐低磷和耐低氮种质进行评价。

4.2 苦荞育种

目前苦荞育种技术方法主要以系统选育和诱变选育2种。由于杂交技术在作物育种中具有举足轻重的地位,同时也是许多育种技术所需要的,因此未来应加强苦荞杂交育种研究。由于苦荞花朵较小,杂交困难,目前仅有少数研究单位掌握苦荞杂交技术,因此这些单位需要组织苦荞杂交技术培训,让更多的研究者掌握苦荞杂交技术,这对推动苦荞育种进步具有重要意义。另外,分子标记辅助育种将在苦荞未来育种中占据主导地位,因此各苦荞研究单位应该在对大规模苦荞种质的各性状进行精准鉴定的基础上,开展全基因组关联分析发掘控制各性状的优异关键基因和开发分子标记,同时通过重组自交系群体(连锁群体)进行各性状的QTL定位,发掘控制各性状的关键遗传位点和连锁分字标记,并需要通过分离群体对标记的可靠性进行验证,这将为苦荞分子标记辅助育种奠定坚实基础。此外,转基因育种也是未来苦荞育种的一个方向,不仅降低传统方法对表型性状鉴定的依赖性,还能提高选择育种的可信度,更能够实现早期选择,有效地加快育种进程,因此对控制苦荞重要农艺性状的关键基因的发掘和功能验证以及苦荞转基因技术的开发也是必需的。