小麦籽粒主要有益矿质元素的含量及其QTL定位

摘要

小麦是世界上第二大粮食作物，像其它主要粮食作物一样，有益矿质元素含量不高，无法满足人体的需要。增加粮食作物中可被利用的矿物质含量是公认的解决矿质营养缺乏的有效办法。本文利用小麦亲缘种、不同粒色的姊妹系、若干普通小麦及其DH群体研究了籽粒Fe、Zn、Cu、Mn含量的差异及其相关因素，对比分析了不同品种间籽粒动态发育过程中Fe、Zn、Cu、Mn含量的变化趋势，探讨了影响小麦制粉及其馒头加工过程中Fe、Zn、Cu、Mn含量变化的因素，并利用DH群体进行了Fe、Zn、Cu、Mn含量的QTL分子标记定位和效应分析。主要研究结果如下： 1. 小麦主要亲缘种籽粒的Fe、zn、Cu、Mn含量及其聚类分析以19份小麦亲缘种及普通小麦中国春为材料，利用原子分光光度法，测定比较了籽粒的Fe、Zn、Cu、Mn.含量，并进行了聚类分析。结果表明，Fe、Zn、Cu、Mn含量的平均值分别为50.94、34.89、6.96、33.21μg·g-1，其改良潜力分别为121.94％、40.46％、41.17％、73.03％。根据Fe、Zn、Cu、Mn含量将供试材料分为高、中、低3类，其中塔城高拉山小麦为富Fe材料，Fe含量高达124.32ug·g-1，比平均值高92.26％；富Zn材料有野生一粒小麦、野生二粒小麦等6个品种(系)，均值为49.91 ug·g-1，比平均值高43.05％；富Cu材料有分枝小麦和小黑麦(8X)，均值为8.66ug·g-1，比平均值高24.43％；富Mn材料为斯卑尔脱小麦，含量高达63.85ug·g-1，比平均值高92.26％。不同倍性染色体材料间，Fe、zn和Mn含量均以四倍体小麦最高，Cu含量以八倍体小麦最高。不同染色体组间，AABB染色体组材料的Fe、Zn和Mn含量最高，其次是AA染色体组材料，Cu以AABBDDRR染色体组最高。这些结果可为小麦营养品质育种的亲本选择和有利基因的发掘和利用提供参考依据。 2. 不同粒色小麦籽粒中Fe、Zn、Cu、Mn含量及其与种皮色素的相关分析以小麦黑76(黑种皮)和VICTO(白种皮)两个品种(系)及其杂交产生的9个不同粒色的姊妹系为材料，研究了太原和泰安两地小麦籽粒中Fe、Zn、Cu、Mn含量及其与种皮色素含量的相关性。结果表明：小麦籽粒中4种元素的含量都受到遗传和环境条件的共同调控；杂交后代姊妹系间4种元素含量的差异性都达到了显著水平，存在基因型的差异；而在不同地利条件下，除Fe含量的差异性达到显著水平以外，其它3种元素的差异都不显著；此外，彩色小麦的种皮色素含量显著高于白色籽粒小麦。相关分析结果表明，种皮色素含量与籽粒中Mn含量达到显著水平，而与Fe、Zn、Cu这三种主要有益矿质元素含量均未达到显著水平，因此，粒色不能成为判断小麦籽粒是否富含Fe、Zn、Cu等主要有益矿质元素的指标；此外，Fe与Cu含量达到显著水平，其他各元素间相关性均不显著。 3. 小麦籽粒发育过程中籽粒和旗叶Fe、Zn、Cu、Mn含量的变化以01-35和山农12两个小麦品种为材料，自开花6天至成熟期，分期取样，分别测定籽粒和旗叶中Fe、Zn、Cu、Mn含量的变化并进行了相关分析。结果表明，籽粒中的Fe元素含量变化较复杂，呈“波浪”型，Zn、Cu、Mn元素含量变化趋势相似，总体呈“N”型。旗叶中Fe元素含量变化出现先上升后下降的趋势，Zn元素含量在灌浆前期较平稳，自灌浆中期开始出现下降至最低，又出现较小的上升趋势，Cu元素在整个灌浆期一直处于下降趋势，与Fe元素变化趋势相似，Mn元素出现先上升，后逐渐下降的趋势。品种间，在灌浆过程中，大粒品种01-35的千粒重及其单粒4种矿质元素含量均高于中粒品种山农12。籽粒与旗叶中4种元素相关分析的结果表明，在小麦籽粒发育过程中，籽粒中Zn与Mn元素含量变化呈极显著正相关，且Zn和Mn元素含量变化与千粒重成极显著负相关。旗叶中，Fe与Mn元素含量变化呈极显著正相关，Zn与Cu元素呈极显著正相关，且Fe、Zn、Cu元素含量的变化与千粒重成极显著负相关。在灌浆中期，籽粒与旗叶中Fe元素元素间含量变化达到了极显著负相关，而Zn元素间达到了显著正相关水平。这些结果可为小麦籽粒发育过程中Fe、Zn、Cu、Mn元素运输与利用机理的深入研究提供依据。 4. 不同硬度小麦制粉及其馒头加工过程中Fe、zn、Cu、Mn含量的变化以山农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磨粉和馒头加工过程中Fe、Zn、Cu、Mn含量的变化。结果表明，这4种元素的含量在磨粉过程中损失均较大，其中Fe元素(70.17％)在磨粉过程中损失最高，Mn(66.35％)、Cu(62.74％)及Zn(61.40％)次之。其中，软质小麦山农11的Fe、Zn、Cu、Mn含量损失率都高于硬质小麦山农12。在馒头加工过程中，除山农12的Fe含量变化显著增加外，两份供试品种的其它各元素变化都未达到显著水平。研磨为小麦矿质营养损失的主要因素。 5. 小麦籽粒Fe、Zn、Cu、Mn含量的QTL定位利用以小麦品种花培3号与豫麦57号杂交获得的含有168个株系的DH群体为材料，测定了3个环境下DH群体的Fe、Zn、Cu、Mn含量，并利用小麦遗传图谱，进行QTL分子标记定位和效应分析。主要的结果如下： 1.用2005-2006年泰安正常水肥环境下测量结果表明，小麦籽粒Fe、Zn、Cu、Mn含量的遗传力分别为：38.68％、30.26％、12.95％和11.01％，其DH群体进行表现型分布分析，各个性状的表现型基本符合正态分布。 2.利用基于混合线性模型的QTLNetwork2.0软件进行QTL定位和效应估计，小麦籽粒Fe、Zn、Cu.、Mn四种元素共检测到10个加性QTL位点，每个性状检测到1-3个位点，分布在10条染色体上。小麦籽粒Fe含量共检测到4个QTL位点，分布在1B、2A和5D 3条染色体上；Zn元素共检测到3个QTL位点，分布在3D、5A和5B染色体上；Cu元素共检测到3个QTL位点，分布在1D、2B和4D染色体上；Mn元素只检测到1个QTL位点，位于染色体3A上。对在三个环境种植的籽粒Fe、Zn、Cu、Mn含量进行了上位性互作效应分析，共检测到23对QTL位点间的上位效应，每一性状检测到4-7对QTL位点间的互作。小麦籽粒Fe含量检测到7对QTL位点间上位互作效应，位于染色体1A/2D、1B/3A、1B/2A、2A/5A、2D/4A和4A/6B：Zn元素共检测到6对QTL位点间的互作效应，位于染色体1D/5D、2D/5B、3A/7A、3A/5D和4D/6A；Cu元素共检测到6对QTL位点间的互作效应，位于染色体1B/1B、1B/2D和2A/6A；Mn元素检测到4对QTL位点间的互作效应，位于染色体1D/7B、3B/6A和4B/6D。

目录

论文说明:英文缩略表

声明

1引言

1.1人体中化学元素概述

1.2矿质营养及人类膳食中的缺乏状况

1.3矿质元素在小麦籽粒中的分布

1.4影响小麦籽粒中矿质含量的因素

1.5提高小麦籽粒矿质元素含量的策略-生物强化

1.6影响小麦矿质元素营养生物有效性的因素

1.7小麦数量性状基因定位的应用

1.8小麦品质性状的QTLS

1.9本研究的目的和意义

第一章小麦主要亲缘种籽粒的Fe、Zn、Cu、Mn含量及其聚类分析

1前言

2材料和方法

2.1试验材料

2.2测定项目与方法

2.3数据处理

3结果与分析

3.1 Fe、Zn、Cu和Mn含量分析

3.2 基于Fe、Zn、Cu和Mn含量的聚类分析

4讨论

第二章不同粒色小麦籽粒中Fe、Zn、Cu、Mn含量及其与种皮色素的相关分析

1前言

2材料和方法

2.1试验材料

2.2主要仪器

2.3试验方法

3结果与分析

3.1不同粒色小麦籽粒中Fe、Zn、Cu、Mn的含量

3.2不同粒色的小麦籽粒中种皮色素含量

3.3相关分析

4讨论

第三章小麦籽粒发育过程中籽粒和旗叶Fe、Zn、cu、Mn含量的变化

1前言

2材料和方法

2.1试验材料

2.2试验方法

2.3数据处理

3结果与分析

3.1籽粒中Fe、Zn、Cu、Mn的变化规律

3.2旗叶中Fe、Zn、Cu、Mn的变化规律

3.3籽粒与旗叶Fe、Zn、Cu、Mn含量的相关分析

4讨论

4.1籽粒中Fe、zn、Cu、Mn的变化

4.2旗叶中Fe、Zn、Cu、Mn的变化

4.3籽粒与旗叶Fe、Zn、Cu、Mn含量的相关分析

第四章不同籽粒硬度小麦制粉及其馒头加工过程中Fe、Zn、Cu、Mn含量的变化

1前言

2材料和方法

2.1试验材料

2.2测定项目与方法

2.3数据处理

3结果与分析

3.1 Fe、Zn、Cu、Mn含量在磨粉过程中的变化

3.2 Fe、Zn、Cu、Mn含量在馒头加工过程中的变化

4讨论

第五章小麦籽粒Fe、Zn、Cu、Mn含量QTL定位

1前言

2材料与方法

2.1材料

2.2方法

3.结果与分析

3.1 Fe、Zn、Cu、Mn含量的遗传分析

3.2 QTL定位及效应估计

4讨论

4.1亲本及DH群体的表现

4.2 Fe、Zn、cu、Mn含量QTL定位一致性的讨论

4.3 Fe、Zn、Cu、Mn含量加性上位性互作效应的讨论

5结论

5.1小麦主要亲缘种籽粒Fe、Zn、Cu、Mn含量的分析

5.2不同粒色品系间小麦籽粒Fe、Zn、Cu、Mn含量及与其色素相关分析

5.3小麦籽粒发育过程中籽粒和旗叶Fe、Zn、Cu、Mn含量的变化

5.4不同籽粒硬度小麦制粉及其馒头加工后Fe、Zn、Cu和Mn含量的分析

5.5小麦籽粒Fe、Zn、Cu、Mn含量QTL定位及分析

参考文献

致谢

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