微量营养强化型小麦品种选育研究

微量营养强化型小麦品种选育研究

作物生产是在土壤和水体的主要媒体上进行的。通过植物光合作用，将二氧化碳、水和矿物质转化为官吏、蛋白质和豆类等绿色植物产品。植物性食品能提供除了维生素B12和维生素D之外人体生理代谢所必需的47种养分,并含有β-胡萝卜素、异黄酮和叶酸等有益人体健康的多种微量成分,是满足人体生长代谢所需营养和维系人体健康的主要物质来源。如何借助农艺措施改进或作物遗传改良,在特定的水土资源配置下,生产出营养富集、益于健康的粮食来满足人类营养与健康的需要,已成为当今国际作物科学研究的一个新领域。铁、锌等微量元素缺乏症,即“隐性饥饿”,是困扰发展中国家和地区居民的首要营养不良问题。全世界约有20亿人口受制于隐性饥饿,这给各国经济和社会发展带来了严重的负面影响。选育和推广微量养分强化型作物品种将为经济、有效地解决贫困人口的营养不良问题提供新的选择。小麦是世界主要粮食作物之一。在我国,小麦是居民饮食的一个主要来源,特别是在微量养分缺乏症较为普遍的陕、甘、宁、青和新等西部地区,面食是最主要的食物来源。小麦铁、锌营养品质的遗传改良工作对于改善我国西部地区居民的营养状况具有重要的意义。目前,国际上小麦铁、锌营养品质的遗传改良工作刚刚起步。CIMMYT已在高铁锌种质材料的筛选和杂交利用上开展了初步的工作;而印度和巴基斯坦等发展中国家也在国际研究机构的资助下启动了相关研究(Oak,AgharkarResearchInstitute,India;私人通讯,2006)。据现有文献资料,在我国尚无研究机构开展相关研究。为了推动小麦铁、锌营养品质研究的开展和深入,现综述国际相关研究进展,并对我国今后小麦铁、锌营养品质的研究方向与工作重点加以展望。1学组分及微生物指标与小麦种子铁、锌营养品质相关的化学组分主要有三种:铁、锌等微量营养元素,植酸等抗营养因子,以及能降解植酸从而消除其抗营养作用的植酸酶。1.1参与细胞色素和代谢铁(iron,Fe)是植物生长所必需的微量元素之一。植物体内的铁多存在于叶绿体中,为叶绿素合成所必需,并参与细胞内的氧化还原反应、电子传递及呼吸作用等重要生理过程。铁更是人体所必需的微量元素。在人体内,铁主要作为血红蛋白、肌红蛋白的组成成分参与O2和CO2的运输,它又是细胞色素系统、过氧化氢酶和过氧化物酶的组成成分,在呼吸和生物氧化过程中起重要作用。锌(zinc,Zn)也是植物生长所必需的微量元素之一。现已发现锌是乙醇脱氢酶、铜锌超氧化物歧化酶、碳酸酐酶和RNA聚合酶等多种酶的组分,具有促进蛋白质代谢和生殖器官发育以及提高抗逆性等生理功能。在人体内,锌也是许多酶的组成成分或酶的激活剂。现已知体内有200多种酶与锌有关,这些酶广泛参与组织呼吸以及蛋白质、脂肪、糖和核酸等的生理代谢。因此,锌对机体的生长发育、组织再生、促进食欲和增强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,是植物体内磷和肌醇的主要储存形式。它在种子的发育过程中合成,与钾、镁、钙、铁和锌等无机营养元素形成植酸盐(phytin),以圆球状晶体(globoidcrystal)的形式广泛存在于成熟的禾谷类和豆类等作物种子中。植酸约占种子干重的1%~3%,其含磷量约占种子总磷的50%~80%。对人类营养而言,植酸是一种抗营养物质。食品中的植酸能与许多金属阳离子(Ca2+、Mg2+、Zn2+、Fe3+等)形成不溶性络合物,影响人体对这些必需矿质营养元素的吸收。大量摄食小麦、大豆等植酸含量较高的谷物和豆类源食品,被认为是发展中国家人群中普遍存在的铁、锌缺乏病症的原因之一。1.3小麦种子的活性植酸酶(phytase)是将植酸逐步降解为肌醇和磷酸的一类高分子量组氨酸磷酸酶。植物植酸酶(6-phytase,EC3.1.3.26)首先作用在植酸的第6号C上的磷酸基团,广泛存在于成熟的植物种子内。小麦种子具有很高的植酸酶活性,约为1500个活性单位。水稻、玉米和大豆等其它主要作物种子植酸含量虽与小麦相近,但其植酸酶活性很低,仅为几十个单位,这也是小麦种子微量元素的生物有效性明显高于水稻、玉米和大豆等作物的一个主要原因。2提高小麦铁的养分品质2.1铁、锌的生理生化大量研究表明,植物微量元素的吸收和积累过程主要受遗传因素控制,可以通过选择和杂交等常规手段选育高铁、锌含量作物品种。CIMMYT已经筛选了包括地方品种、改良品种、野生亲缘植物和人工合成小麦在内的1500多份种质资源,发现硬粒小麦和栽培二粒小麦等亲缘植物具有较高的种子铁、锌含量,而某些高产品系的铁、锌含量也较常规品种高50%~100%,可以用作高铁、锌小麦品种的选育。目前,CIMMYT以这些材料和其它高产、抗病品系为亲本的常规杂交选育工作已经进行到高代选择,在两年内可将候选品系投入大田试验和室内分析。遗传工程能跨越种间将外源遗传物质导入而实现某一性状的定向改变,但这需要明确控制该性状的生理生化过程。通过拟南芥、水稻等模式植物和酵母菌模型,目前已较为清楚地阐释了植物根系质膜吸收铁、锌养分的生理过程,并在酵母上克隆了2个编码铁还原酶的基因(FRE1和FRE2)和3个编码铁运转子的基因(FET3、FET4和FTR1)以及2个高亲和锌运转基因(ZRT1和ZRT2),在拟南芥和水稻上分别克隆了2个和1个铁运转基因。Samuelsen等已成功获得了叶片中铁含量提高了50%的转酵母FRE基因的烟草植株。Goto等将大豆铁蛋白基因转到水稻中,发现种子铁含量提高了2~3倍。这些研究充分展示了基因工程方法在提高作物种子铁、锌含量工作中的应用潜力。2.2小麦低植酸突变体的遗传稳定性近10多年来,Guttcri等、Rasmussen、Dorsch、Raboy、Larson和Wilcox等人已通过诱变获得了小麦、大麦、玉米、水稻和大豆等作物的低植酸突变体。Guttcri等在甲基磺酸乙酯(EMS)诱变处理的562棵M2代材料中筛选到了一个小麦低植酸突变体。这个突变体种子总磷含量基本不变,种子植酸磷含量显著降低,仅占种子总磷的48.2%,无机磷含量相应增加,其中麸皮中的无机磷含量可以增加4倍。低植酸突变体F2代和F4到F6家系的遗传分析表明,种子植酸含量的降低可能是两个或多个基因突变的结果,这与玉米、大麦等作物已发现的低植酸突变体的单基因遗传方式不同。小麦等作物低植酸突变体的发现为植酸代谢研究和小麦微量元素营养品质改良提供了新的材料。2.3brica通过微注射法制备出根、并通过ubi-sp-phy表达载体获得基因序列相对于植物植酸酶,微生物植酸酶因其活性较高、热稳定性较好及适宜的pH范围较宽等特性而在生产中得到了广泛的应用。通过基因工程方法将微生物植酸酶基因转入作物体内是强化种子植酸酶活性的主要途径。目前,已获得了小麦、油菜、水稻等作物的转微生物植酸酶基因植株,这些植株种子植酸酶活性得到了显著的增强,其中转基因水稻种子植酸酶活性提高了近130倍。Brich-Pederson等以bar基因作为选择系统,以玉米泛激素-1(ubiquitin-1)为启动子,采用微注射法轰击未成熟胚获得了转黑曲霉(Aspergillusniger)植酸酶基因(phyA)小麦植株。在此过程中,Brich-Pederson等构建了两个表达载体:其一为Ubi-SP-Phy,是在启动子(Ubi)和植酸酶编码区域(Phy)插入了一个α-淀粉酶信号肽序列(SP,α-amylasesignalpeptidesequence);其二为Ubi-Phy,此载体没有α-淀粉酶信号肽序列。用Ubi-SP-Phy和Ubi-Phy表达载体分别转化,获得了5株和2株可育的转基因小麦植株。叶片和种子蛋白的Western杂交检测到了一条分子量与黑曲霉植酸酶相同的多肽,其在种子胚乳中的表达量要远大于其在糊粉层中的表达量。由Ubi-SP-Phy表达载体获得的转基因小麦植酸酶活性是对照的4倍,而由Ubi-Phy表达载体获得的转基因小麦则比对照高56%,表明黑曲霉的植酸酶活性可在小麦种子中发挥功能并产生大量的植酸酶。这一研究为利用基因工程方法提高小麦种子植酸酶活性提供了较好的实例。3未来，小麦铁的养分质量研究3.1提高微量元素生物有效性当前国际作物微量元素营养品质遗传改良的工作重点在于提高小麦、水稻和玉米等作物种子的铁、锌含量,但未能将种子植酸含量和植酸酶活性这两个对微量元素生物有效性具有重要影响的性状整合到育种目标中去,特别是未能意识到小麦植酸酶在提高微量元素生物有效性上的特殊价值。未来的小麦铁锌营养品质遗传改良工作的主要目标应该是在提高铁、锌含量的同时,强化植酸酶活性,并适度降低植酸含量以提高种子铁、锌的生物有效性。3.2小麦种子铁锌营养的基因组学研究在小麦铁、锌营养品质的遗传改良工作中,需要传统方法与现代生物技术相结合,特别是借助染色体工程等手段实现材料创新。鉴于外源材料在提高小麦种子微量元素含量上的重要价值(如黑麦的植酸酶基因以及节节麦和栽培二粒小麦的高铁、锌积累相关基因),需要以基因组学理论和方法,发掘小麦野生亲缘物种中与提高种子铁锌营养品质相关的基因资源,培育含有目的基因的易位系或渐渗系,开发出与目的基因紧密连锁的分子标记,并利用回交和聚合杂交等常规育种手段和分子标记辅助育种手段相结合,将其整合到高产、优质或抗病小麦品种基因型中去。在研究方法上,还需要以植物营养生理学和遗传学的理论与方法,利用诱变处理所得的突变体材料,研究小麦种子铁、锌积累、植酸和植酸酶合成的生理与遗传机制,为改善铁锌营养品质的遗传手段和农艺措施提供理论依据。以营养科学的理论和方法,利用体外和活体营养学实验技术,研究影响小麦种子铁、锌生物有效性的理化因子及在不同栽培措施和面粉加工工艺条件下的变化规律,构建小麦种子铁锌营养价值评价的技术体系,明确微量营养强化型小麦品种选育的具体指标。3.3经济和环保问题中国小麦铁、锌营养品质研究工作的重点应放在微量养分缺乏症较为普遍的西部地区。本地区地域广阔,资源丰富,民族众多,在中国的经济建设、社会稳定和国防安全方面都具有重要的战略地位。但是,由于经济不发达及地理、气候等各方面的原因,居民生活水平较低,营养状况较差,普遍存在微量营养元素摄入不足,特别是贫困