|
刘宝龙
中科院西北高原生物研究所 各位老师，大家好，我是中科院西北高原生物研究所刘宝龙，在组长金彦刚老师的安排下，今天由我代表第9组“麦舞徽韵”值日。我们组成员有安徽农科院曹文昕老师、刘方方老师，安徽农大卢杰老师，徐州农科院王静老师，河南科技学院张帅垒老师、河南农大张坤普老师，瑞华农业金彦刚老师，久和种业翟亮老师，中农汇德丰朱军祥老师、青海大学谢德庆老师，隆平高科－安徽华皖种业有限公司徐向阳老师，巴彦淖尔市农牧业科学研究所杨蕾老师，陕西农垦孔长江老师，九圣禾种业严康老师，西北农林曾庆东老师，甘肃天水农科所岳维云老师，河南省新乡市农业科学院董昀老师和项城市农科所李前进老师。
我在博士期间对彩色小麦的主效基因进行了克隆和功能验证，对这个性状的遗传机理有一定的认识，所以把相关内容进行了阐述。因为是交流内容，很多内容是根据自己的理解所写，有很多不妥之处，也没有进行文献标准，请各位老师海涵。
小麦是我国第二大口粮作物，随着农业科技的快速发展和人民生活水平的日益提高，饮食结构正在由温饱型向营养型、功能型和保健型转变。彩色小麦被认为是一类特殊营养小麦品种，籽粒可以呈现黑色、紫色、蓝色、绿色等。这些彩色小麦的种皮或糊粉层中由于富含天然青素类化合物，使得籽粒外观呈现不同颜色。一般而言，种皮中沉积花青素，籽粒就呈紫色；糊粉层中沉积花青素，籽粒就会成为蓝色；如果种皮和糊粉层中同时存在花青素，那籽粒就会呈现蓝紫色。目前我国已经成功选育出十几个彩色小麦品种（系），如：中普绿麦1号、中普黑1号、高原115、河东乌麦526、漯珍1号、秦黑1号等[6]，应用的主要类型为蓝粒小麦和紫粒小麦。
一、蓝粒小麦
蓝粒小麦主要来源有长穗偃麦草、中间偃麦草、一粒小麦等，这些种质通过与普通小麦远源杂交形成染色体附加系、代换系、染色体片段渗入系。为了区别起见，研究者用Ba1基因特指来源于冰草属植物的蓝粒基因，而Ba2特指来源于野生一粒小麦的蓝粒基因，这两个蓝粒基因是同源的。目前在遗传学研究和生产实际中使用较多的是来源于长穗偃麦草的Ba1。蓝58是李振声院士利用普通小麦Dami 953与长穗偃麦草Th.ponticum杂交后，再经过三次回交后获得的4E附加系。同样的4E染色体附加系还有'Blue Norco’等品种。除了附加系外，4E染色体还有可以替换了4A、4B或4D染色体形成了代换系材料。通过物理诱变，还可以将附加系携带蓝粒基因的部分染色体打断，使这段携带蓝粒基因的染色体移接到其他小麦染色体上，形成新的蓝粒易位系小麦材料，如'Sebesta Blue 1’，'Sebesta Blue 2’,'Sebesta Blue 3’[16, 18, 19]。易位系的建立为蓝粒基因染色体定位提供很好的遗传学材料。郑琪等用GISH和FISH分析一套籽粒颜色不同的易位系发现控制蓝粒的基因位于4E的长臂上，物理定位于FL0.71-0.80区域。
蓝粒基因是不完全显性的，存在剂量效应，表现为胚乳直感。来自不同供体的蓝粒小麦无论做母本还是父本，F1代籽粒全是蓝色籽粒，但当蓝粒小麦做母本时F1代籽粒颜色较深，做父本时F1代籽粒颜色较浅。用易位系与普通小麦杂交后的F2代在同一个穗子上的种子粒色都会出现蓝色与白色分离的现象，一共有深蓝、中蓝、浅蓝和白色4种颜色的种子。因为胚乳是三倍体植物组织，该组织中的细胞包含3套基因组。深蓝含有三个剂量的蓝粒基因，中蓝含有两个剂量的蓝粒基因，浅蓝含有一个剂量的蓝粒基因，白粒不包含蓝粒基因。F2代中蓝粒（深蓝、中蓝和浅蓝）与白粒的分离比例为3：1，因此推测蓝粒性状是由一个主效位点控制的，该位点位于小麦及其近源物种的第四同源群上，包含有三个与花青素合成代谢相关的基因，MYB, bHLH，和 F3’5’H基因。共线性分析表明该位点在普通小麦的进化过程中出现了丢失。如乌拉尔图小麦就没有这个位点，而一粒小麦中保留了这一位点。
小麦的蓝色籽粒性状富含花青素，营养价值高，还是一种良好的遗传学标记。与其它性状相比，蓝色籽粒性状花青素在糊粉层积累，能够直接表现种子的基因型。李振声院士利用辐射蓝粒小麦的方法，把蓝色胚乳基因分别标在各个染色体单体上，建立具有标记性状的蓝粒单体小麦系统。这种蓝粒单体自交可得到深蓝、中蓝、浅蓝和白色4种颜色的种子，其中深蓝种子是二体，中蓝、浅蓝种子是单体，白色种子是缺体。不需要进行细胞学鉴定，仅凭观察种子颜色就可把二体、单体、缺体准确无误地区别开来，这为保存和利用单体小麦系统方面提供了极大的方便。蓝粒性状还被用于杂交小麦的生产，隐性的雄性不育基因Ms1位于小麦的4B染色体上，而长穗偃麦草4E染色体同时含有蓝粒性状基因和Ms1的可育基因。可育的中浅蓝4E染色体单体附加系(2n=43)包含纯合的Ms1,蓝粒基因和Ms1的可育基因，自交后可以产生深蓝(2n=44),中浅蓝的保持系（2n=43），白粒的不育系（2n=42）。在小麦的第四同源群上的MS2显性雄性不育基因也可以被蓝粒性状所标记。
二、紫粒小麦
紫色籽粒是由于小麦种皮中含有花青素化合物而使籽粒呈现紫色。因种皮由母本发育而来，其颜色决定于母本籽粒颜色，所以紫粒小麦性状是母本遗传。紫粒性状主要来源于以下几种种质资源：1、四倍体小麦，种皮呈紫色的四倍体小麦原产于埃塞俄比亚，是最早的紫色小麦品系。2、二粒小麦，1930年，英国剑桥保存了三份籽粒呈紫色的二粒小麦。Coop等用这三份材料分别与不同的小麦品种进行杂交，培育出了几种新型的紫粒品种Coop’s Purple Hilgendorf和Konino。3、中国普通小麦，1938年，在一些中国小麦品系中发现Purple Ankin和Red hankou中含有紫粒种质，其中一份与加拿大品种Manitoba杂交，其后代被用为紫色小麦育种的材料。4、赖草，邵忠子等人研究发现，赖草与非紫粒普通小麦品种杂交获得的紫粒小麦是具有紫粒性状的普通小麦二体异附加系，因此，赖草也可能是紫粒基因的来源。5、偃麦草，南非学者F.X. Laubscher用普通小麦和偃麦草杂交获得一个籽粒呈紫色的ND2品系，但其糊粉层中也有色素沉积，所有ND2品系是紫色基因来源还是蓝色基因来源还需要进一步的论证。李振声等也认为赖草和偃麦草可能是紫粒性状的供体。
小麦的紫色种皮性状是由2个互补的显性基因P1和P2控制。紫粒植株的基因型为P1P1P2P2、P1P1p2p2和p1p1P2P2，p1p1p2p2基因型是非紫粒。P2位于小麦的2A染色体上，编码一个调控花青素合成代谢的bHLH转录因子，而P1位于小麦第7同源群上，编码一个调控花青素合成代谢的MYB转录因子。P2编码的bHLH转录因子在启动子预期的4次重复是导致2种等位变异形成的主要原因。通过设计的特异引物在不同来源的紫粒普通小麦均具有与埃塞俄比亚的紫粒四倍体小麦相同的等位变异，因此推测现有的紫粒品种很有可能都来源于埃塞俄比亚的四倍体小麦。其它来源的紫粒小麦资源仅存在于文献中，相关的遗传机制尚不清楚。P1在小麦第7同源群7A、7B、7D上有三个同源基因，推测可能同时控制小麦的紫色胚芽鞘性状。
小麦也是一种良好的遗传学标记，可以被用作研究小麦的自然异交率，花粉的传播途径及距离，以及特种小麦形态学标记。Agarwal等利用一个带有花青素报告基因的载体进行花粉管通道法小麦转基因研究，通过后代籽粒颜色的变化筛选出阳性植株。此外，籽粒颜色性状还一直是遗传学研究的重要内容。孟德尔通过对豌豆杂交后代籽粒颜色分离规律的分析，发现了孟德尔遗传定律。跳跃子的发现，也是由于麦克林托克选择了粒色这一易于观察的性状，方便快捷准确地进行大群体和多次重复的实验。
三、彩色小麦籽粒营养价值
彩色小麦中富含花青素，通过UHPLC-QTOF-MS可以从彩色小麦中分离鉴定出14种花色苷单体，主要为芍药素花色苷、矢车菊素花色苷。虽然在蓝粒和紫粒小麦中分离到的花青素种类类似，但不同种花青素的含量有所差异。同时细胞内的PH值是影响花青素呈现不同颜色的主要因素。此外彩色小麦中的微量元素和氨基酸含量均高于普通白粒小麦。有色谷物中的微量元素含量高于普通谷物，在多种谷物中均有记载，如水稻、玉米、大豆等，但内在的遗传机制尚不清楚。
四、小麦中其它与花青素相关性状及主效基因
在普通小麦中还有与花青素相关的其它性状，如紫色花药、红色叶耳、红色/紫色的胚芽鞘、紫秆和红粒。控制胚芽鞘紫色基因定位于7A、7B、7D的短臂上，距着丝粒15-20 cM，编码MYB转录因子，在4BL上还有一个加性位点。位于3AL、3BL和3DL染色体的MYB类转录基因TaMYB10-A、TaMYB10-B和TaMYB10-D的等位变异决定了小麦的红粒和白粒品种的分化，同时能够为普通小麦提供抗穗发芽的特性。控制花药紫色的基因(Pan1)和控制紫秆的基因(Pc2)定位于7D染色体，推测来源于节节麦，很有可能与MYB和bHLH转录因子相关。
作者简介：刘宝龙，博士，研究员，博士生导师，中科院西北高原生物研究所。从事小麦重要性状分子遗传机理解析和新品种选育示范推广工作，主持过中国科学院先导专项子课题、国家自然科学基金面上项目、青海省应用基础研究、转基因重大专项任务等，发表论文87篇，以第一作者或通讯作者发表SCI论文29篇，授权专利10项，作为主要完成人培育农作物新品种7个。
|
