微量營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化型小麥品種選育研究

微量營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化型小麥品種選育研究

作物生產(chǎn)是在土壤和水體的主要媒體上進(jìn)行的。通過(guò)植物光合作用，將二氧化碳、水和礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化為官吏、蛋白質(zhì)和豆類(lèi)等綠色植物產(chǎn)品。植物性食品能提供除了維生素B12和維生素D之外人體生理代謝所必需的47種養(yǎng)分,并含有β-胡蘿卜素、異黃酮和葉酸等有益人體健康的多種微量成分,是滿足人體生長(zhǎng)代謝所需營(yíng)養(yǎng)和維系人體健康的主要物質(zhì)來(lái)源。如何借助農(nóng)藝措施改進(jìn)或作物遺傳改良,在特定的水土資源配置下,生產(chǎn)出營(yíng)養(yǎng)富集、益于健康的糧食來(lái)滿足人類(lèi)營(yíng)養(yǎng)與健康的需要,已成為當(dāng)今國(guó)際作物科學(xué)研究的一個(gè)新領(lǐng)域。鐵、鋅等微量元素缺乏癥,即“隱性饑餓”,是困擾發(fā)展中國(guó)家和地區(qū)居民的首要營(yíng)養(yǎng)不良問(wèn)題。全世界約有20億人口受制于隱性饑餓,這給各國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的負(fù)面影響。選育和推廣微量養(yǎng)分強(qiáng)化型作物品種將為經(jīng)濟(jì)、有效地解決貧困人口的營(yíng)養(yǎng)不良問(wèn)題提供新的選擇。小麥?zhǔn)鞘澜缰饕Z食作物之一。在我國(guó),小麥?zhǔn)蔷用耧嬍车囊粋€(gè)主要來(lái)源,特別是在微量養(yǎng)分缺乏癥較為普遍的陜、甘、寧、青和新等西部地區(qū),面食是最主要的食物來(lái)源。小麥鐵、鋅營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的遺傳改良工作對(duì)于改善我國(guó)西部地區(qū)居民的營(yíng)養(yǎng)狀況具有重要的意義。目前,國(guó)際上小麥鐵、鋅營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的遺傳改良工作剛剛起步。CIMMYT已在高鐵鋅種質(zhì)材料的篩選和雜交利用上開(kāi)展了初步的工作;而印度和巴基斯坦等發(fā)展中國(guó)家也在國(guó)際研究機(jī)構(gòu)的資助下啟動(dòng)了相關(guān)研究(Oak,AgharkarResearchInstitute,India;私人通訊,2006)。據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料,在我國(guó)尚無(wú)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展相關(guān)研究。為了推動(dòng)小麥鐵、鋅營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)研究的開(kāi)展和深入,現(xiàn)綜述國(guó)際相關(guān)研究進(jìn)展,并對(duì)我國(guó)今后小麥鐵、鋅營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的研究方向與工作重點(diǎn)加以展望。1學(xué)組分及微生物指標(biāo)與小麥種子鐵、鋅營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)相關(guān)的化學(xué)組分主要有三種:鐵、鋅等微量營(yíng)養(yǎng)元素,植酸等抗?fàn)I養(yǎng)因子,以及能降解植酸從而消除其抗?fàn)I養(yǎng)作用的植酸酶。1.1參與細(xì)胞色素和代謝鐵(iron,Fe)是植物生長(zhǎng)所必需的微量元素之一。植物體內(nèi)的鐵多存在于葉綠體中,為葉綠素合成所必需,并參與細(xì)胞內(nèi)的氧化還原反應(yīng)、電子傳遞及呼吸作用等重要生理過(guò)程。鐵更是人體所必需的微量元素。在人體內(nèi),鐵主要作為血紅蛋白、肌紅蛋白的組成成分參與O2和CO2的運(yùn)輸,它又是細(xì)胞色素系統(tǒng)、過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶的組成成分,在呼吸和生物氧化過(guò)程中起重要作用。鋅(zinc,Zn)也是植物生長(zhǎng)所必需的微量元素之一。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)鋅是乙醇脫氫酶、銅鋅超氧化物歧化酶、碳酸酐酶和RNA聚合酶等多種酶的組分,具有促進(jìn)蛋白質(zhì)代謝和生殖器官發(fā)育以及提高抗逆性等生理功能。在人體內(nèi),鋅也是許多酶的組成成分或酶的激活劑?，F(xiàn)已知體內(nèi)有200多種酶與鋅有關(guān),這些酶廣泛參與組織呼吸以及蛋白質(zhì)、脂肪、糖和核酸等的生理代謝。因此,鋅對(duì)機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育、組織再生、促進(jìn)食欲和增強(qiáng)免疫功能等多方面都有重要作用。1.2植酸phy能植酸(phyticacid,C6H18O24P6)又名六磷酸肌醇,是植物體內(nèi)磷和肌醇的主要儲(chǔ)存形式。它在種子的發(fā)育過(guò)程中合成,與鉀、鎂、鈣、鐵和鋅等無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素形成植酸鹽(phytin),以圓球狀晶體(globoidcrystal)的形式廣泛存在于成熟的禾谷類(lèi)和豆類(lèi)等作物種子中。植酸約占種子干重的1%~3%,其含磷量約占種子總磷的50%~80%。對(duì)人類(lèi)營(yíng)養(yǎng)而言,植酸是一種抗?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)。食品中的植酸能與許多金屬陽(yáng)離子(Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe3+等)形成不溶性絡(luò)合物,影響人體對(duì)這些必需礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。大量攝食小麥、大豆等植酸含量較高的谷物和豆類(lèi)源食品,被認(rèn)為是發(fā)展中國(guó)家人群中普遍存在的鐵、鋅缺乏病癥的原因之一。1.3小麥種子的活性植酸酶(phytase)是將植酸逐步降解為肌醇和磷酸的一類(lèi)高分子量組氨酸磷酸酶。植物植酸酶(6-phytase,EC3.1.3.26)首先作用在植酸的第6號(hào)C上的磷酸基團(tuán),廣泛存在于成熟的植物種子內(nèi)。小麥種子具有很高的植酸酶活性,約為1500個(gè)活性單位。水稻、玉米和大豆等其它主要作物種子植酸含量雖與小麥相近,但其植酸酶活性很低,僅為幾十個(gè)單位,這也是小麥種子微量元素的生物有效性明顯高于水稻、玉米和大豆等作物的一個(gè)主要原因。2提高小麥鐵的養(yǎng)分品質(zhì)2.1鐵、鋅的生理生化大量研究表明,植物微量元素的吸收和積累過(guò)程主要受遺傳因素控制,可以通過(guò)選擇和雜交等常規(guī)手段選育高鐵、鋅含量作物品種。CIMMYT已經(jīng)篩選了包括地方品種、改良品種、野生親緣植物和人工合成小麥在內(nèi)的1500多份種質(zhì)資源,發(fā)現(xiàn)硬粒小麥和栽培二粒小麥等親緣植物具有較高的種子鐵、鋅含量,而某些高產(chǎn)品系的鐵、鋅含量也較常規(guī)品種高50%~100%,可以用作高鐵、鋅小麥品種的選育。目前,CIMMYT以這些材料和其它高產(chǎn)、抗病品系為親本的常規(guī)雜交選育工作已經(jīng)進(jìn)行到高代選擇,在兩年內(nèi)可將候選品系投入大田試驗(yàn)和室內(nèi)分析。遺傳工程能跨越種間將外源遺傳物質(zhì)導(dǎo)入而實(shí)現(xiàn)某一性狀的定向改變,但這需要明確控制該性狀的生理生化過(guò)程。通過(guò)擬南芥、水稻等模式植物和酵母菌模型,目前已較為清楚地闡釋了植物根系質(zhì)膜吸收鐵、鋅養(yǎng)分的生理過(guò)程,并在酵母上克隆了2個(gè)編碼鐵還原酶的基因(FRE1和FRE2)和3個(gè)編碼鐵運(yùn)轉(zhuǎn)子的基因(FET3、FET4和FTR1)以及2個(gè)高親和鋅運(yùn)轉(zhuǎn)基因(ZRT1和ZRT2),在擬南芥和水稻上分別克隆了2個(gè)和1個(gè)鐵運(yùn)轉(zhuǎn)基因。Samuelsen等已成功獲得了葉片中鐵含量提高了50%的轉(zhuǎn)酵母FRE基因的煙草植株。Goto等將大豆鐵蛋白基因轉(zhuǎn)到水稻中,發(fā)現(xiàn)種子鐵含量提高了2~3倍。這些研究充分展示了基因工程方法在提高作物種子鐵、鋅含量工作中的應(yīng)用潛力。2.2小麥低植酸突變體的遺傳穩(wěn)定性近10多年來(lái),Guttcri等、Rasmussen、Dorsch、Raboy、Larson和Wilcox等人已通過(guò)誘變獲得了小麥、大麥、玉米、水稻和大豆等作物的低植酸突變體。Guttcri等在甲基磺酸乙酯(EMS)誘變處理的562棵M2代材料中篩選到了一個(gè)小麥低植酸突變體。這個(gè)突變體種子總磷含量基本不變,種子植酸磷含量顯著降低,僅占種子總磷的48.2%,無(wú)機(jī)磷含量相應(yīng)增加,其中麩皮中的無(wú)機(jī)磷含量可以增加4倍。低植酸突變體F2代和F4到F6家系的遺傳分析表明,種子植酸含量的降低可能是兩個(gè)或多個(gè)基因突變的結(jié)果,這與玉米、大麥等作物已發(fā)現(xiàn)的低植酸突變體的單基因遺傳方式不同。小麥等作物低植酸突變體的發(fā)現(xiàn)為植酸代謝研究和小麥微量元素營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)改良提供了新的材料。2.3brica通過(guò)微注射法制備出根、并通過(guò)ubi-sp-phy表達(dá)載體獲得基因序列相對(duì)于植物植酸酶,微生物植酸酶因其活性較高、熱穩(wěn)定性較好及適宜的pH范圍較寬等特性而在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)基因工程方法將微生物植酸酶基因轉(zhuǎn)入作物體內(nèi)是強(qiáng)化種子植酸酶活性的主要途徑。目前,已獲得了小麥、油菜、水稻等作物的轉(zhuǎn)微生物植酸酶基因植株,這些植株種子植酸酶活性得到了顯著的增強(qiáng),其中轉(zhuǎn)基因水稻種子植酸酶活性提高了近130倍。Brich-Pederson等以bar基因作為選擇系統(tǒng),以玉米泛激素-1(ubiquitin-1)為啟動(dòng)子,采用微注射法轟擊未成熟胚獲得了轉(zhuǎn)黑曲霉(Aspergillusniger)植酸酶基因(phyA)小麥植株。在此過(guò)程中,Brich-Pederson等構(gòu)建了兩個(gè)表達(dá)載體:其一為Ubi-SP-Phy,是在啟動(dòng)子(Ubi)和植酸酶編碼區(qū)域(Phy)插入了一個(gè)α-淀粉酶信號(hào)肽序列(SP,α-amylasesignalpeptidesequence);其二為Ubi-Phy,此載體沒(méi)有α-淀粉酶信號(hào)肽序列。用Ubi-SP-Phy和Ubi-Phy表達(dá)載體分別轉(zhuǎn)化,獲得了5株和2株可育的轉(zhuǎn)基因小麥植株。葉片和種子蛋白的Western雜交檢測(cè)到了一條分子量與黑曲霉植酸酶相同的多肽,其在種子胚乳中的表達(dá)量要遠(yuǎn)大于其在糊粉層中的表達(dá)量。由Ubi-SP-Phy表達(dá)載體獲得的轉(zhuǎn)基因小麥植酸酶活性是對(duì)照的4倍,而由Ubi-Phy表達(dá)載體獲得的轉(zhuǎn)基因小麥則比對(duì)照高56%,表明黑曲霉的植酸酶活性可在小麥種子中發(fā)揮功能并產(chǎn)生大量的植酸酶。這一研究為利用基因工程方法提高小麥種子植酸酶活性提供了較好的實(shí)例。3未來(lái)，小麥鐵的養(yǎng)分質(zhì)量研究3.1提高微量元素生物有效性當(dāng)前國(guó)際作物微量元素營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)遺傳改良的工作重點(diǎn)在于提高小麥、水稻和玉米等作物種子的鐵、鋅含量,但未能將種子植酸含量和植酸酶活性這兩個(gè)對(duì)微量元素生物有效性具有重要影響的性狀整合到育種目標(biāo)中去,特別是未能意識(shí)到小麥植酸酶在提高微量元素生物有效性上的特殊價(jià)值。未來(lái)的小麥鐵鋅營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)遺傳改良工作的主要目標(biāo)應(yīng)該是在提高鐵、鋅含量的同時(shí),強(qiáng)化植酸酶活性,并適度降低植酸含量以提高種子鐵、鋅的生物有效性。3.2小麥種子鐵鋅營(yíng)養(yǎng)的基因組學(xué)研究在小麥鐵、鋅營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的遺傳改良工作中,需要傳統(tǒng)方法與現(xiàn)代生物技術(shù)相結(jié)合,特別是借助染色體工程等手段實(shí)現(xiàn)材料創(chuàng)新。鑒于外源材料在提高小麥種子微量元素含量上的重要價(jià)值(如黑麥的植酸酶基因以及節(jié)節(jié)麥和栽培二粒小麥的高鐵、鋅積累相關(guān)基因),需要以基因組學(xué)理論和方法,發(fā)掘小麥野生親緣物種中與提高種子鐵鋅營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)相關(guān)的基因資源,培育含有目的基因的易位系或漸滲系,開(kāi)發(fā)出與目的基因緊密連鎖的分子標(biāo)記,并利用回交和聚合雜交等常規(guī)育種手段和分子標(biāo)記輔助育種手段相結(jié)合,將其整合到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)或抗病小麥品種基因型中去。在研究方法上,還需要以植物營(yíng)養(yǎng)生理學(xué)和遺傳學(xué)的理論與方法,利用誘變處理所得的突變體材料,研究小麥種子鐵、鋅積累、植酸和植酸酶合成的生理與遺傳機(jī)制,為改善鐵鋅營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的遺傳手段和農(nóng)藝措施提供理論依據(jù)。以營(yíng)養(yǎng)科學(xué)的理論和方法,利用體外和活體營(yíng)養(yǎng)學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù),研究影響小麥種子鐵、鋅生物有效性的理化因子及在不同栽培措施和面粉加工工藝條件下的變化規(guī)律,構(gòu)建小麥種子鐵鋅營(yíng)養(yǎng)價(jià)值評(píng)價(jià)的技術(shù)體系,明確微量營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化型小麥品種選育的具體指標(biāo)。3.3經(jīng)濟(jì)和環(huán)保問(wèn)題中國(guó)小麥鐵、鋅營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)研究工作的重點(diǎn)應(yīng)放在微量養(yǎng)分缺乏癥較為普遍的西部地區(qū)。本地區(qū)地域廣闊,資源豐富,民族眾多,在中國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)穩(wěn)定和國(guó)防安全方面都具有重要的戰(zhàn)略地位。但是,由于經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)及地理、氣候等各方面的原因,居民生活水平較低,營(yíng)養(yǎng)狀況較差,普遍存在微量營(yíng)養(yǎng)元素?cái)z入不足,特別是貧困