小麦籽粒氨基酸含量及其遗传分析

摘要

小麦是世界上最主要的农作物之一，是人体所需能量、蛋白质和膳食纤维的主要来源。小麦的营养品质主要由组成蛋白质的氨基酸含量及其平衡程度决定。小麦籽粒蛋白质中氨基酸含量不平衡，必需氨基酸含量特别是赖氨酸含量较低。因此，小麦籽粒氨基酸含量的改良是小麦品质育种的一项重要任务。本研究首先以小麦主要近缘种和我国微核心种质为材料鉴定筛选高氨基酸含量特别是高赖氨酸含量的材料；同时利用双列杂交和QTL定位分析方法研究小麦籽粒氨基酸含量的遗传规律；并深入探讨了小麦制粉和馒头加工过程中蛋白质和氨基酸含量的变化情况。从氨基酸的种质资源、遗传变异规律和食品加工应用方面对小麦籽粒氨基酸含量进行了全面研究，为小麦籽粒氨基酸的遗传改良和营养品质育种提供理论依据。主要研究结果如下：
　　 1.17份小麦主要近缘种蛋白质的平均含量为16.67％，比普通小麦高23.21％。小麦近缘种蛋白的赖氨酸（2.74％）、苏氨酸（2.83％）、苯丙氨酸（4.17％）、异亮氨酸（3.42％）、缬氨酸（3.90％）、组氨酸（2.81％）、谷氨酸（29.96％）、脯氨酸（9.12％）、甘氨酸（3.59％）、丙氨酸（3.37％）和半胱氨酸（1.57％）等氨基酸含量均高于普通小麦；其它6种氨基酸含量低于普通小麦。栽培一粒小麦、波斯小麦和圆锥小麦籽粒蛋白的限制性氨基酸含量（如赖氨酸、苏氨酸）较高。小麦近缘种籽粒蛋白的赖氨酸（49.8％）和苏氨酸（70.7％）的评分最低，是其主要限制性氨基酸。含有染色体组AA和SS的近缘种籽粒蛋白质和必需氨基酸含量较高。二倍体材料的蛋白质（16.91％）、苯丙氨酸（4.78％）、异亮氨酸（3.53％）、亮氨酸（6.16％）和缬氨酸含量（4.09％）均高于其它倍数染色体组材料。
　　 2.225份我国小麦微核心种质籽粒的赖氨酸含量在品种间存在极显著差异（p<0.01），赖氨酸含量的平均值为0.44％，变幅为0.28-0.79％，55.11％的小麦品种籽粒的赖氨酸含量为0.40-0.50％。供试材料中有7个赖氨酸含量高于0.60％的特异高赖氨酸材料，其中小麦品种老秃头籽粒的赖氨酸含量最高，为0.79％，其次是阳麦（0.70％）、红麦（0.66％）、同家坝小麦（0.64％）、矮丰3号（0.63％）、白火麦（0.61％）和江东门（0.60％）。将微核心种质按原产地及麦区分别归类分析得出，西北春麦区小麦的赖氨酸含量最高，显著高于东北春麦区、北部春麦区和新疆冬春麦区（p<0.05），其他麦区小麦籽粒的赖氨酸含量之间的差异不显著。冬麦区与春麦区以及国内小麦品种与国外引进品种赖氨酸含量之间的差异不显著（p<0.05）。
　　 3.利用5个普通小麦品种进行完全双列杂交，采用包括种子、细胞质和母体植株遗传效应的三倍体种子胚乳数量性状遗传模型和统计分析方法，系统的分析了小麦籽粒17种氨基酸含量受多套遗传体系影响的遗传规律。结果表明，17种氨基酸含量的遗传受种子直接基因效应、细胞质效应和母体效应等多套遗传体系的控制，并存在极显著的基因×环境互作效应（酪氨酸除外）。赖氨酸、酪氨酸、精氨酸、蛋氨酸和谷氨酸含量的遗传主要受控于种子直接加性和母体加性效应，异亮氨酸和丝氨酸含量的遗传主要受种子直接加性效应的控制，苏氨酸含量的遗传主要受母体加性效应的影响，其他9种氨基酸含量的遗传主要受显性效应控制。酪氨酸、精氨酸、赖氨酸和苏氨酸含量的普通遗传率较高，分别为36.3％、45.8％、24.7％和21.4％；苯丙氨酸、脯氨酸和组氨酸含量的互作遗传率较高，分别为36.1％、39.5％和25.7％。
　　 4.以含有168个株系的DH群体为材料，利用含有323个标记的分子遗传图谱对控制小麦籽粒17种氨基酸和氨基酸总量的QTL进行定位。两年数据联合分析表明，检测到控制苏氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、谷氨酸、脯氨酸、天冬氨酸、丝氨酸和甘氨酸含量的12个加性QTL位点，其中，控制谷氨酸和丝氨酸含量的主效QTL，均位于3A染色体Xbarc86-Xwmc21标记区间，表型贡献率分别为10.1％和12.4％；同时检测到控制苏氨酸、缬氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸含量的6对上位性QTL。2008年检测到控制氨基酸含量的32个QTL，单个QTL解释表型变异的4.86-30.95％，这些QTL主要分布于在3A、6D和7D等3条染色体上；其中10个为主效QTL，分别控制着甘氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、丝氨酸、组氨酸和精氨酸的含量。2009年检测到控制氨基酸含量的53个QTL，单个QTL解释表型变异的4.39-23.87％，这些QTL主要分布于1A、3A、4A、4B、5B、6A、6B、6D和7D等9条染色体上，其中9个为主效QTL，分别控制着天冬氨酸、丝氨酸、谷氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸、组氨酸和赖氨酸的含量。检测到的QTL分布有区域化趋势，两年共检测到13个QTL簇，其中有4个QTL簇在两年均被检测到。这4个QTL簇分别位于染色体3A、6B和7D，其中在3A染色体Xbarc86标记附近检测到控制13种氨基酸含量的QTL，该标记附近同时存在着控制小麦籽粒蛋白质、湿面筋含量的基因位点，可用于分子标记辅助育种和分子聚合育种。
　　 5.以山农11（软麦）和山农12（硬麦）两个小麦品种为材料，分别测定并比较了其在制粉和馒头加工过程中蛋白质和氨基酸含量的变化。结果表明，17种氨基酸含量在磨粉过程中都会减少，其中苏氨酸（18.0％）在磨粉过程中损失最高，脯氨酸（15.5％）、蛋氨酸（15.1％）及组氨酸（15.1％）次之。酪氨酸和赖氨酸在磨粉过程中平均损失最低，分别为8.1％和9.7％。所有氨基酸含量在馒头加工过程中也均有损失，其中丙氨酸和蛋氨酸在馒头加工过程中损失量最多，分别为17.1％和15.1％；酪氨酸（12.5％）和半胱氨酸（12.1％）次之。亮氨酸和丝氨酸在馒头加工过程中的损失量最少，分别为4.3％和4.9％。供试材料全麦粉、面粉和馒头蛋白质的平均含量分别为15.25％、14.27％和14.33％，即小麦磨粉过程中蛋白质含量降低了，但馒头加工过程中蛋白质含量却略有增加。供试材料全麦粉、面粉和馒头蛋白中赖氨酸的评分分别为45.4、41.0和38.2。两个小麦品种的蛋白质和氨基酸含量在磨粉和馒头加工过程中的变化趋势基本一致。

目录

文摘

英文文摘

符号说明

1 引言

1.1 氨基酸的结构、功能及其应用

1.1.1 氨基酸的结构与分类

1.1.2 氨基酸的生理功能及对人体的作用

1.1.3 氨基酸的应用

1.1.4 评价植物蛋白中氨基酸成分优劣的方法

1.2 我国小麦籽粒氨基酸含量的现状

1.3 小麦籽粒中氨基酸的含量及其积累规律

1.3.1 小麦籽粒中氨基酸的含量

1.3.2 小麦籽粒氨基酸之间以及氨基酸与蛋白质之间的相关性

1.3.3 氨基酸含量在小麦籽粒发育过程中的积累规律

1.4 农艺措施和栽培环境对小麦籽粒氨基酸含量的影响

1.4.1 施肥对小麦籽粒氨酸含量的影响

1.4.2 气候条件对小麦籽粒氨基酸含量的影响

1.5 加工处理和储藏对小麦籽粒氨基酸含量的影响

1.5.1 磨粉过程中氨基酸含量的变化

1.5.2 食品加工过程中氨基酸含量的变化

1.5.3 储藏对小麦籽粒氨基酸含量的影响

1.6 生物工程技术在提高小麦籽粒氨基酸含量上的应用

1.7 赖氨酸的强化

1.8 小麦籽粒氨基酸含量的遗传分析

1.8.1 双列杂交分析

1.8.2 数量性状QTL定位

1.8.3 小麦籽粒氨基酸含量的遗传分析

1.9 本研究的目的与意义

2 材料与方法

2.1 试验材料与试验设计

2.1.1 小麦主要近缘种材料

2.1.2 小麦微核心种质材料

2.1.3 小麦氨基酸含量遗传效应分析的材料

2.1.4 小麦氨基酸含量QTL定位群体材料

2.1.5 小麦制粉和馒头加工过程中蛋白质和氨基酸含量变化的材料

2.2 试验方法

2.2.1 制粉方法

2.2.2 品质指标测试方法

2.2.3 馒头制作方法

2.2.4 氨基酸评分值

2.2.5 必需氨基酸指数

2.2.6 改良潜力

2.2.7 分子遗传图谱

2.2.8 数据处理方法

3 结果与分析

3.1 小麦主要近缘种的蛋白质和氨基酸含量

3.1.1 小麦主要近缘种的蛋白质含量

3.1.2 小麦主要近缘种的必需氨基酸含量

3.1.3 小麦主要近缘种的非必需氨基酸含量

3.1.4 小麦主要近缘种的氨基酸评分

3.2 我国小麦微核心种质赖氨酸含量及其分析

3.2.1 我国小麦微核心种质赖氨酸含量的变异

3.2.2 不同麦区和来源小麦籽粒赖氨酸含量的差异

3.3 小麦籽粒氨基酸含量的遗传效应分析

3.3.1 亲本和F2种子氨基酸含量的表现型平均值

3.3.2 小麦籽粒氨基酸含量的遗传方差组成

3.3.3 小麦籽粒氨基酸含量的遗传率分析

3.4 小麦籽粒氨基酸含量的QTL分析

3.4.1 亲本和群体籽粒氨基酸含量的变异

3.4.2 单环境小麦籽粒氨基酸含量的QTL定位分析

3.4.3 不同环境条件下小麦籽粒氨基酸含量的QTL定位

3.5 制粉和馒头加工过程中蛋白质和氨基酸含量的变化

3.5.1 小麦氨基酸和蛋白质在磨粉过程中的变化

3.5.2 氨基酸和蛋白质在馒头加工过程中的变化

4 讨论

4.1 小麦主要近缘种的蛋白质含量及氨基酸评分

4.2 我国小麦微核心种质赖氨酸含量及其变异情况

4.3 小麦籽粒氨基酸含量的遗传效应分析

4.4 小麦籽粒氨基酸含量的QTL定位

4.4.1 氨基酸含量QTL的区域化趋势

4.4.2 氨基酸含量相关性状QTL的比较

4.4.3 氨基酸含量QTL与环境的互作

4.5 制粉和馒头加工过程中蛋白质和氨基酸含量的变化

4.5.1 制粉过程中蛋白质和氨基酸含量的变化

4.5.2 馒头加工过程中蛋白质和氨基酸含量的变化

4.6 本研究在小麦营养品质改良上的作用

5 结论

6 主要创新点

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表论文情况