小麦面粉黄色素含量相关分子标记的研究进展

张 楠,彭义峰,张士昌,李亚青,何明琦,李孟军

(石家庄市农林科学研究院/河北省小麦工程技术研究中心,河北石家庄 050041)

黄色素是普通小麦和硬粒小麦籽粒中最主要的天然色素。小麦面粉颜色主要由小麦胚乳中类胡萝卜素含量决定[1]。在类胡萝卜素中,β-胡萝卜素是维生素A的前体,是人体维生素A的植物来源[2];而叶黄素(Lutein)和玉米黄素(Zeaxanthin)则可以降低视网膜黄斑发生病变的风险[3]。普通小麦是中国最主要的口粮作物之一,随着人们对营养和保健意识的增强,提高小麦籽粒黄色素含量,培育高黄色素含量小麦品种,已成为小麦品质育种新的目标之一[4]。中国冬小麦品种籽粒黄色素含量变异范围很广,为高黄色素含量小麦育种提供了可行性[5-6]。

小麦籽粒黄色素含量虽然受环境的影响[7],但主要由基因型决定[8]。在小麦面粉加工和贮藏过程中,脂氧合酶(lipoxygenase,LOX)和过氧化物酶(peroxidase,POD)对黄色素具有漂白作用[9-10]。本文从黄色素合成途径关键酶基因以及对黄色素具有漂白作用的氧化物酶基因功能标记的开发和育种应用方面进行综述,并对今后高黄色素含量小麦育种思路进行探讨,以期为更有效地开展分子标记辅助选择育种提供参考。

1 黄色素生物合成途径

黄色素是由酯类、类胡萝卜素、含量极微的花色素类色素、黄酮类化合物等多种物质组成的混合物,其主要成分是类胡萝卜素[11]。类胡萝卜素是在生物体内通过类异戊二烯途径经十余步酶促反应合成,呈黄色、橙红色或红色的一大类萜类色素物质,其生物合成的第一步是由八氢番茄红素合酶(phytoene synthase, PSY)催化两分子牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸(geranylgeranyl pyrophosphate, GGPP)形成八氢番茄红素,八氢番茄红素再经过八氢番茄红素脱氢酶(phytoene desaturase, PDS)和ζ-胡萝卜素脱氢酶(ζ-carotene desaturase, ZDS)的脱氢作用以及类胡萝卜素异构酶(carotenoid isomerase, CRTISO)的异构化作用生成全反式番茄红素[12]。番茄红素环化是植物体内类胡萝卜素生物合成的一个重要分支点。植物体内存在ε-番茄红素环化酶(lycopeneε-cyclase, LCYE)和β-番茄红素环化酶(lycopene β-cyclase, LCYB)两种环化酶。LCYE可催化番茄红素的一端形成δ-环,生成δ-胡萝卜素;LCYB可催化番茄红素的两个末端形成β-环,生成β-胡萝卜素。δ-胡萝卜素再经过一系列酶促反应生成叶黄体素[13],而β-胡萝卜素在胡萝卜素β环羟化酶(β-OHase)作用下转变成β-隐黄质,进而生成玉米黄质,玉米黄质经过一系列的酶促反应还可生成花药黄质、堇菜黄质、新黄质等叶黄素类物质[14]。

2 黄色素合成途径关键酶基因的功能标记

2.1 八氢番茄红素合酶基因(Psy)

PSY是植物体内类胡萝卜素合成途径中的限速酶[15]。在Psy-A1位点,何心尧[16]基于Psy-A1基因序列的多态性开发了共显性功能标记YP7A和YP7A-2,其中YP7A可区分Psy-A1a(194 bp)和Psy-A1b(231 bp)两种等位变异,分别与高黄色素含量和低黄色素含量相关;YP7A-2可区分Psy-A1a(1 686 bp)、Psy-A1b(1 686 bp)和Psy-A1c(1 001 bp)三种等位变异,由于Psy-A1c基因型的材料数量极少,因此无法与黄色素含量进行相关性分析,但根据其序列特点,推断Psy-A1c基因型材料与Psy-A1a基因型材料表型值相似,即与高黄色素含量相关。在Psy-B1位点,何心尧[16]开发了功能标记YP7B-1、YP7B-2、YP7B-3和YP7B-4,其中YP7B-1为共显性标记,可区分Psy-B1a(151 bp)和Psy-B1b(156 bp)两种等位变异,分别与中等黄色素含量和低黄色素含量相关;YP7B-2为显性标记,在Psy-B1c基因型材料中可扩增出428 bp的片段,与高黄色素含量相关;YP7B-3在Psy-B1d基因型材料中可扩增出884 bp的片段;YP7B-4在Psy-B1e基因型材料中可扩增出717 bp的片段。但Psy-B1d和Psy-B1e这两种基因型材料数量极少,因此也无法与黄色素含量进行相关性分析。在Psy-D1位点,Wang等[17]根据Psy-D1a和Psy-D1g序列的多态性开发了共显性功能标记YP7D-1和YP7D-2,其中YP7D-1在Psy-D1a和Psy-D1g基因型材料中分别可扩增出1 074 bp和1 093 bp的片段;而YP7D-2分别可扩增出967 bp和1 046 bp的片段。由于Psy-D1g基因型材料数量极少,因此无法与黄色素含量进行相关性分析[18]。

黄淮麦区、陕西、湖北、黑龙江、甘肃以及俄罗斯引进小麦中,Psy-A1a和Psy-B1b的分布频率均较高,而Psy-A1c、Psy-B1c、Psy-B1d和Psy-B1e仅存在于极少数样本中[18-23]。中国小麦品种、INRA世界普通小麦核心种质、黄淮麦区小麦品种和甘肃小麦品种中,Psy-D1a的分布频率也较高,而Psy-D1g仅存在于极少数样本中[17-18,23-24]。

周渭皓等[25]检测了甘肃省62份主栽品种Psy1位点的等位变异类型,结果表明,Psy-A1a/Psy-B1c/Psy-D1a基因型组合材料的黄色素含量显著高于其他基因型组合材料,而Psy-A1b/Psy-B1b/Psy-D1a基因型组合材料的黄色素含量显著低于其他基因型组合材料。因此,综合运用Psy基因功能标记,可为高黄色素含量小麦育种提供帮助。

2.2 ζ-胡萝卜素脱氢酶基因(Zds)

ZDS是类胡萝卜素生物合成途径中的关键酶。Dong等[26]根据Zds-A1基因序列差异开发了功能标记YP2A-1,可区分Zds-A1a(183 bp)和Zds-A1b(179 bp)两种等位变异,分别与低黄色素含量和高黄色素含量相关。Zhang等[27]根据Zds-D1基因序列差异开发了功能标记YP2D-1,可区分Zds-D1a(无扩增片段)和Zds-D1b(981 bp)两种等位变异,分别与高黄色素含量和低黄色素含量相关。

217份中国小麦品种(系)中,Zds-A1a和Zds-A1b基因型材料分别占41.9%和58.1%[28],Zds-D1a和Zds-D1b基因型材料分别占98.2%和1.8%[27]。91份宁夏小麦品种中,Zds-A1a和Zds-A1b基因型材料分别占59.3%和40.7%,Zds-D1a和Zds-D1b基因型材料分别占95.6%和4.4%[29]。194份陕西小麦品种中,Zds-A1a和Zds-A1b基因型材料分别占43.3%和56.7%,Zds-D1a基因型材料占100%[30]。405份山西小麦品种中,仅检测到Zds-A1a基因型材料,占比为87.16%[31]。这些研究表明,中国小麦Zds基因多态性较低,Zds-A1和Zds-D1均仅有两种等位变异。Zds-A1位点两种等位变异的分布频率无明显规律,而Zds-D1位点的等位变异Zds-D1a的分布频率远高于Zds-D1b。

2.3 八氢番茄红素脱氢酶基因(Pds)

PDS是类胡萝卜素合成途径中的另一个限速酶[32],其催化活性受到抑制时,会导致八氢番茄红素大量积累[33-34]。董长海[28]根据Pds-B1基因序列差异开发了显性标记YP4B-1和YP4B-2,可区分Pds-B1a和Pds-B1b两种等位变异。YP4B-1在Pds-B1a基因型材料中无扩增片段,在Pds-B1b基因型材料可扩增出652 bp的片段;YP4B-2在Pds-B1a基因型材料中可扩增出382 bp的片段,在Pds-B1b基因型材料中无扩增片段。在来自PH82-2/内乡188组合的240个重组自交系中,Pds-B1a和Pds-B1b基因型株系分别占61.2%和38.8%,且Pds-B1a基因型株系的黄色素含量低于Pds-B1b基因型材料,但差异未达显著水平[28],推测Pds-B1基因的两种等位变异未出现功能分化。

2.4 ε-番茄红素环化酶基因(Lcye)

LCYE是类胡萝卜素生物合成途径中催化线形分子向具环分子转化的关键酶。Crawford等[35]根据Lcye-3A基因序列差异开发了CAPS功能标记e-LCY3A,该标记可扩增出包含SNP的1 024 bp片段,用限制性内切酶HpaII酶切后,Lcye-3Aa基因型材料可扩增出537 bp的片段;Lcye-3Ab基因型材料可扩增出309 bp和230 bp的片段。董长海[28]根据Lcye-B1基因序列差异开发了显性标记YP3B-1,可区分Lcye-B1a(635 bp)和Lcye-B1b(无扩增片段)两种等位变异。

在32份澳大利亚小麦中,Lcye-3Aa和Lcye-3Ab基因型材料分别占37.5%和62.5%,其中Schomburgk和Yarralinka小麦的面粉黄色度b*值存在极显著差异,但二者均为Lcye-3Ab基因型,推测Lcye-3A与面粉黄色度b*值无关[35]。在中国217份小麦品种中,Lcye-B1a和Lcye-B1b基因型材料分别占52.1%和47.9%,二者黄色素含量无明显差异,推测Lcye-3A和Lcye-B1基因对黄色素合成影响较小[28]。因此,需进一步开发Lcye基因功能标记,以便在高黄色素含量小麦育种中得以应用。

3 对黄色素具有漂白作用基因的功能标记

3.1 脂氧合酶基因(Lox)

小麦面粉色素的降解主要发生在磨粉和面制品加工过程中,面制品加工过程中色素的损失则主要源于LOX的漂白作用[36]。小麦面粉LOX活性与类胡萝卜素含量呈极显著负相关[37],基因型是影响LOX活性的主要因素[38]。

Geng等[39]利用来自中优9507/CA9632的双单倍体(DH)群体,在小麦1AL和4B染色体上分别定位到1个控制LOX活性的主效QTL位点QLpx.caas.1AL和QLpx.caas-4B,二者分别与SSR标记Xwmc312和Xwmc251连锁,其中Xwmc312可区分Xwmc312-227(227 bp)、Xwmc312-247(247 bp)和Xwmc312-235(235 bp)三种等位变异,Xwmc312-227和Xwmc312-247与低LOX活性相关,Xwmc312-235与高LOX活性相关;Xgwm251可区分Xgwm251-113(113 bp)、Xwmc251-117(117 bp)和Xgwm251-125(125 bp)三种等位变异,Xwmc251-117基因型材料的LOX活性显著高于Xgwm251-113和Xgwm251-125基因型材料。杨 杰[40]对180份宁夏小麦材料进行Lox基因等位变异检测,发现Xwmc312-227、Xwmc312-235和Xwmc312-247的分布频率分别为46.11%、32.78%和18.89%;同时在该位点也发现了Xwmc312-199(199 bp)和Xwmc312-223(223 bp)两种新的等位变异。Geng等[41]根据普通小麦Lox基因位点Lox-B1的序列差异,开发了显性互补标记LOX16和LOX18,其中LOX16在高LOX活性材料中可扩增出489 bp的片段(Lox-B1a),在低LOX活性材料中无扩增片段(Lox-B1b);LOX18在高LOX活性材料中无扩增片段(Lox-B1a),在低LOX活性材料中可扩增出791 bp的片段(Lox-B1b),并发现Lox-B1位点与SSR标记Xwmc251紧密连锁。Zhang等[42]根据4BS染色体Lox-B2和Lox-B3位点的序列差异开发了共显性标记Lox-B23,其在Lox-B2a/Lox-B3a基因型材料中可扩增出788 bp和677 bp的片段,在Lox-B2a/Lox-B3b和Lox-B2b/Lox-B3b基因型材料中分别可扩增出788 bp和660 bp的片段。

122份河南小麦品种(系)中,Lox-B1a和Lox-B1b基因型材料分别占63.9%和39.1%,Lox-B2a和Lox-B2b基因型材料分别占57.4%和42.6%,Lox-B3a和Lox-B3b基因型材料分别占41.8%和48.2%,且Lox-B1、Lox-B2和Lox-B3位点的等位变异均会引起籽粒LOX活性发生显著变化,其中Lox-B2和Lox-B3位点的等位变异对面粉黄度和白度影响较大[43]。在新疆、黄淮麦区(南片)、陕西、宁夏和甘肃小麦品种中,Lox-B1b的分布频率均远高于Lox-B1a,而Lox-B2和Lox-B3位点的等位变异占比无明显规律[40,44-48]。另外张福彦等[43]、白 璐等[44]和陈 杰等[45]的研究结果均表明,Lox-B1b/Lox-B2b/Lox-B3b基因组合类型材料的LOX活性最低,与其余基因组合类型差异显著。

3.2 过氧化物酶基因(Pod)

POD不仅能催化阿魏酸等主要酚酸物质发生氧化反应,产生发色基团(如醌式结构),使小麦面粉中的无色前体物质形成有色物质,也能氧化降解面粉中的色素类物质(如类胡萝卜素),是面粉和面制品在加工、储藏过程中发生褐变和黄色被漂白的主要原因[49-51]。基因型、环境以及基因型与环境互作对 POD活性均具有显著影响[52]。

魏景欣[52]根据3A染色体上Pod基因的序列差异开发了显性互补标记POD-3A1和POD-3A2,其中POD-3A1在低POD活性材料中可扩增出291 bp的片段(Pod-A1a),而在高POD活性材料中无扩增片段;POD-3A2在低POD活性材料中无扩增片段,而在高POD活性材料中可扩增出766 bp的片段(Pod-A1b)。时 佳[53]根据7D染色体上Pod基因的序列差异开发了显性互补标记POD-7D1和POD-7D6,其中POD-7D1在Pod-D1a基因型材料中可扩增出540 bp的片段,在Pod-D1b基因型材料中无扩增片段;POD-7D6在Pod-D1a基因型材料中无扩增片段,在Pod-D1b基因型材料中可扩增出640 bp的片段,并发现在Pod-D1b基因型材料的POD活性显著高于Pod-D1a基因型材料。

来自中国北部冬麦区、黄淮麦区、长江流域与西南麦区以及国外的281份小麦品种中,Pod-A1a和Pod-A1b等位变异的分布频率分别为55.5%和44.5%[52];来自黄淮南片麦区的94份小麦品种(系)中,Pod-A1位点的等位变异Pod-A1a和Pod-A1b的分布频率分别为48.9%和51.1%,而在Pod-D1位点仅检测到Pod-D1b等位变异[54];来自新疆的113份小麦品种(系)中,等位变异以Pod-A1a和Pod-D1a为主,Pod-D1b基因型材料的POD活性显著高于Pod-D1a基因型材料[55],与时 佳[53]的研究结果一致。来自黄淮麦区和北部冬麦区的224份小麦品种中,在Pod-A1和Pod-D1两个位点共发现4种基因组合类型,其中Pod-D1a/Pod-A1b基因组合类型材料的POD活性显著高于Pod-D1a或Pod-A1b基因型材料[53]。

因此,充分利用Lox和Pod基因功能标记,可提高高黄色素含量小麦种质筛选效率。

4 高黄色素含量小麦的育种思路

小麦面粉黄色素含量是由多基因控制的数量性状,同时也受环境因素的影响。近年来,与小麦面粉黄色素含量相关基因的标记开发取得了较大进展,利用这些标记开展了大量基因分型工作,但在辅助育种方面有几点尚需加强:(1)收集高黄色素含量小麦种质资源。目前,国内高叶黄素含量小麦品种山农48和济麦8040的审定,为高黄色素含量小麦育种提供了优良的育种亲本。但国内高黄色素含量小麦种质资源仍十分匮乏,应广泛引进国外种质资源。(2)建立高黄色素含量小麦分子标记辅助育种体系。加强高黄色素含量基因及其相关分子标记的相关性研究,通过构建育种群体,对黄色素含量相关分子标记的有效性进行系统评估,建立高黄色素含量小麦分子标记辅助育种体系(高黄色素含量供体亲本+分子标记)。(3)创制高黄色素含量小麦种质资源。在已有高黄色素含量小麦品种的基础上,通过以下三种方法进行种质创新:①通过系统选育的方法,利用自然变异提高小麦面粉黄色素含量;②通过突变体筛选的方法,利用物理化学突变创建突变群体,对突变群体进行黄色素含量检测;③通过杂交选育的方法,在高黄色素含量小麦杂交后代中,采用分子标记与黄色素含量检测相结合的方法筛选高黄色素含量小麦新种质。