包海柱 張鳳英 徐壽軍 劉志萍 呂二鎖

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院1，呼和浩特 010019) (內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院2，呼和浩特 010031) (內(nèi)蒙古民族大學(xué)3，通遼 028000)

大麥(HordeumVulgareL.)是全球栽培的四大禾谷類作物之一，在我國(guó)的種植區(qū)域主要集中在江蘇省、甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)和西藏自治區(qū)等地區(qū)。大麥有裸大麥(青稞)和皮大麥之分，其中裸大麥作為藏族同胞的傳統(tǒng)口糧主要在青藏地區(qū)種植；皮大麥主要用于飼料和啤酒加工，行業(yè)內(nèi)習(xí)慣上將用于啤酒釀造的大麥稱作啤酒大麥。目前中國(guó)已成為世界最大的啤酒生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),每年需求量約400萬t[1]，2016年海關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)年進(jìn)口量達(dá)到了500.07萬t。啤酒大麥籽粒品質(zhì)性狀主要有蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪、纖維及β-葡聚糖，其中蛋白質(zhì)、淀粉存在于籽粒胚乳中，纖維素存在于種殼、糊粉層和淀粉質(zhì)胚乳中[2]。脂肪存在于糊粉層內(nèi)和種胚中。β-葡聚糖是大麥籽粒胚乳細(xì)胞壁和糊粉層細(xì)胞壁的主要成分。在啤酒釀造中，大麥籽粒品質(zhì)性狀關(guān)乎著啤酒的釀造質(zhì)量。研究認(rèn)為蛋白質(zhì)含量不僅影響麥芽浸出率，還能影響啤酒的清澈度及啤酒泡沫的穩(wěn)定性[3-4]，Bertholdsson[5]認(rèn)為蛋白質(zhì)含量應(yīng)低于11.5%為宜。非淀粉類的β-葡聚糖具有高黏性、凝膠形成等特性，制麥芽過程中，如果β-葡聚糖含量過高及分解不完全時(shí)，會(huì)造成麥汁黏度增高過濾困難的同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致啤酒口味變差和渾濁[6]。而對(duì)于淀粉含量而言，淀粉含量愈高，大麥的可浸出物也越多，制備麥汁時(shí)收得率也愈高。大麥籽粒含2%～3%的脂肪和4.1%～4.8%的纖維，對(duì)于這兩個(gè)性狀指標(biāo)在飼料加工中有明確規(guī)定，而在啤酒釀造中對(duì)此未做規(guī)定(GB/T 7416—2008)。

在大麥品質(zhì)方面，研究者針對(duì)品質(zhì)的熱敏性[7]、生化特性[8]、提取工藝[9]，農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性[10-11]、農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量雜種優(yōu)勢(shì)[12]、品種差異[13]等方面做了有益研究，但有關(guān)釀造品質(zhì)性狀遺傳效應(yīng)方面的研究鮮見報(bào)道。本研究通過構(gòu)建遺傳群體及交配體系，應(yīng)用朱軍[14]提出的包括母體、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核、胚乳基因效應(yīng)在內(nèi)的種子混合線性遺傳模型分析不同世代的大麥遺傳群體，旨在揭示大麥釀造品質(zhì)性狀的遺傳效應(yīng)及規(guī)律，以期為啤酒大麥品質(zhì)育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

以10個(gè)不同基因型二棱啤酒大麥自交系為親本,采用不完全雙列(NC designⅡ)雜交方式配制F1種子，F(xiàn)1自交獲得F2種子；用親本、F2及F1種子構(gòu)建出56份遺傳群體作供試材料。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間實(shí)驗(yàn)于內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)(呼和浩特市)進(jìn)行。2015年配制F1組合。2016年種植F1組合及相應(yīng)親本，自交獲得親本及F2種子，并在抽穗期再次配制F1種子。2017年重復(fù)進(jìn)行2016年的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。田間種植采用Lattice(7×8)設(shè)計(jì)，小區(qū)隨機(jī)排列，行長(zhǎng)1.0 m，行距0.25 m，2行區(qū)，三次重復(fù)，田間管理與當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)技術(shù)相同。

1.3 測(cè)定內(nèi)容

測(cè)定的大麥籽粒品質(zhì)性狀為蛋白質(zhì)含量(%)、淀粉含量(%)、纖維含量(%)、脂肪含量(%)、β-葡聚糖含量(%)，測(cè)定儀器為波通DA7200近紅外谷物分析儀(瑞士)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用文獻(xiàn)中提出的遺傳模型[17]對(duì)性狀測(cè)定值進(jìn)行遺傳效應(yīng)分析，觀測(cè)性狀的遺傳主效應(yīng)分解為，

G=Ao+Do+Ae+De+C+Am+Dm

(1)

式中：G為遺傳主效應(yīng)；Ao為胚直接加性效應(yīng)；Do為胚直接顯性效應(yīng)；Ae為胚乳直接加性效應(yīng)；De為胚乳直接顯性效應(yīng)；C為細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)；Am母體加性效應(yīng)；Dm為母體顯性效應(yīng)。分析中采用Jackknife法重復(fù)抽樣，MINQUE(0/1)法無偏估算各遺傳效應(yīng)方差分量。數(shù)據(jù)處理應(yīng)用QGA[14]運(yùn)算程序進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 啤酒大麥5個(gè)品質(zhì)性狀的遺傳方差分析

啤酒大麥蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪、纖維、β-葡聚糖5個(gè)品質(zhì)性狀的遺傳方差分量比率估算見表1。由表1可知，所測(cè)5個(gè)品質(zhì)性狀的遺傳效應(yīng)總方差由遺傳主效應(yīng) (VG=VAo+VDo+VAe+VDe+VC+VAm+VDm)方差、環(huán)境互作方(VGE=VAoE+VDoE+VAeAm+VDeE+VCE+VAmE+VDmE)及主效應(yīng)互作方差(VGG=VAoAe+VDoDe+VAeAm+VDeDm+VAoAm+VDoDm)組成，所測(cè)5個(gè)性狀的遺傳主效應(yīng)比率在60.15%～76.44%，以淀粉的遺傳主效應(yīng)比率最高為76.44%；環(huán)境互作效應(yīng)比率范圍在0.53%～4.96%，β-葡聚糖的環(huán)境互作效應(yīng)最大4.96%；遺傳主效應(yīng)互作比率在9.94%～34.43%，以纖維的遺傳主效應(yīng)互作比率最大為34.43%。上述結(jié)果說明，所測(cè)5個(gè)籽粒品質(zhì)性狀的表達(dá)，主要以遺傳主效應(yīng)為主，同時(shí)受到一定的環(huán)境及遺傳主效應(yīng)互作的影響。

此外，由表1可知，在遺傳主效應(yīng)中,5個(gè)所測(cè)性狀的遺傳表現(xiàn)不盡相同。籽粒蛋白主要受控于極顯著的胚顯性、細(xì)胞質(zhì)、母體加性遺傳；淀粉的表達(dá)以極顯著的胚乳顯性、細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)突出；纖維性狀的遺傳效應(yīng)中，除了胚乳顯性效應(yīng)未被檢測(cè)到，其余6種遺傳效應(yīng)均有表達(dá)，但主要以胚乳加性和細(xì)胞質(zhì)遺傳效應(yīng)為主要因素；脂肪的遺傳主效應(yīng)僅檢測(cè)到極顯著的胚顯性和母體顯性，其余5種遺傳效應(yīng)為零。

表1 啤酒大麥品質(zhì)性狀遺傳方差分量比率估算值

注：*為0.05的顯著水平；**為0.01的極顯著水平，下同。

環(huán)境互作效應(yīng)中,環(huán)境互作遺傳效應(yīng)較為簡(jiǎn)單，所測(cè)5個(gè)品質(zhì)性狀均受到來自胚加性×環(huán)境、細(xì)胞質(zhì)×環(huán)境和母體加性×環(huán)境的互作遺傳效應(yīng)，并達(dá)到顯著水平。在遺傳主效應(yīng)互作中,淀粉、纖維和β-葡聚糖的胚與胚乳加性互作效應(yīng)比重較大，并達(dá)到極顯著水平；脂肪、蛋白質(zhì)分別以胚與母體顯性互作和胚乳與母體加性互作效應(yīng)為主，并達(dá)極顯著。

2.2 啤酒大麥5個(gè)品質(zhì)性狀狹義遺傳率分析

表2 啤酒大麥品質(zhì)性狀狹義遺傳率估算

2.3 啤酒大麥籽粒5個(gè)品質(zhì)性狀的加性遺傳相關(guān)分析

5個(gè)籽粒品質(zhì)性狀的4種加性遺傳相關(guān)系數(shù)見表3。由表3可見，脂肪含量與蛋白質(zhì)含量、淀粉、纖維、β-葡聚糖含量以及蛋白質(zhì)含量與淀粉含量的4種加性相關(guān)系數(shù)估算值均為0，表明不易實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)含量與淀粉含量，脂肪含量與蛋白質(zhì)、淀粉性狀β-葡聚糖含量的協(xié)同選擇。蛋白質(zhì)性含量與纖維含量的遺傳相關(guān)中，主要表現(xiàn)為細(xì)胞質(zhì)、母體加性的完全正相關(guān)，表明母本蛋白質(zhì)含量的變化，可以影響纖維含量的變化；蛋白質(zhì)與β-葡聚糖含量的遺傳相關(guān)表現(xiàn)為細(xì)胞質(zhì)的完全負(fù)相關(guān)，表明可以通過母本蛋白質(zhì)含量的選擇來降低后代β-葡聚糖含量。纖維含量與淀粉含量、β-葡聚糖含量的相關(guān)表明，存在胚、胚乳、細(xì)胞質(zhì)的完全加性負(fù)相關(guān)，因此提高淀粉含量與降低籽粒纖維可同步完成，但會(huì)引起β-葡聚糖含量的升高。淀粉與β-葡聚糖含量的加性相關(guān)中，被檢測(cè)到存在顯著的胚、細(xì)胞質(zhì)加性正相關(guān)，表明淀粉含量的選擇會(huì)引β-葡聚糖含量的同步變化。

表3 啤酒大麥品質(zhì)性狀加性遺傳相關(guān)系數(shù)估算

3 討論與結(jié)論

大麥籽粒的主要營(yíng)養(yǎng)存在于胚乳中，胚乳是受兩個(gè)極核和一個(gè)精核結(jié)合的三倍體，包含的三倍體遺傳物質(zhì)一份來自父本，兩份來自母本。另外，種子的世代是其著生植株的下一代。因此，在同質(zhì)雜合的F1植株上所結(jié)種子已存在遺傳分離，其基因的遺傳效應(yīng)與通常的植株性狀有所不同。就此問題朱軍[14]、莫惠棟[15]提出了胚乳和種子性狀的三倍體遺傳系統(tǒng)?；诖?，本研究以朱軍[14]提出的混合顯性遺傳模型對(duì)啤酒大麥籽粒的蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、纖維含量、脂肪含量及β-葡聚糖含量5個(gè)品質(zhì)性狀進(jìn)行了遺傳效應(yīng)分析。結(jié)果表明，上述5個(gè)品質(zhì)性狀主要受控于遺傳主效應(yīng)，環(huán)境互作也起到一定程度的作用。對(duì)遺傳主效應(yīng)的進(jìn)一步剖分發(fā)現(xiàn)，籽粒蛋白含量、淀粉含量、纖維含量、β-葡聚糖在各自的遺傳效應(yīng)中以細(xì)胞質(zhì)遺傳和胚乳遺傳效應(yīng)為主，并受控于一定的胚遺傳效應(yīng)，該結(jié)果與石春海等[17]在秈稻上研究結(jié)果不盡相同，究其原因可能是實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)所處的生態(tài)環(huán)境不同所致。故針對(duì)該4個(gè)品質(zhì)性狀的雜交育種及改良中，可同過選擇適宜母本來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)；脂肪含量的遺傳效應(yīng)以母體顯性比重最大為45.70%，在特定環(huán)境下，通過母體基因與環(huán)境互作也可實(shí)現(xiàn)該性狀的表達(dá)。

品質(zhì)育種實(shí)踐中，解析成對(duì)性狀之間的遺傳相關(guān)性，有助于多個(gè)性狀的同步選擇。本研究中根據(jù)前文結(jié)果(表1)，重點(diǎn)分析了5個(gè)品質(zhì)性狀的加性相關(guān)系數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，脂肪含量與蛋白質(zhì)、淀粉、纖維、β-葡聚糖含量，蛋白質(zhì)含量與淀粉含量的胚加性、胚乳加性、細(xì)胞質(zhì)加性、母體加性的相關(guān)系數(shù)為零，表明在雜交后代中較難實(shí)現(xiàn)上述性狀間的間接選擇。蛋白質(zhì)含量與纖維含量間主要呈細(xì)胞質(zhì)、母體加性的完全正相關(guān)，因此在進(jìn)行蛋白質(zhì)含量性狀選擇時(shí)可同時(shí)兼顧纖維含量的目標(biāo)選擇。蛋白質(zhì)含量與β-葡聚糖含量，纖維含量與淀粉、β-葡聚糖含量存在極顯著的的細(xì)胞質(zhì)完全負(fù)相關(guān)，表明提高蛋白質(zhì)含量、淀粉含量時(shí)，會(huì)引起β-葡聚糖含量和纖維含量的降低，值得注意的是在進(jìn)行提高淀粉含量的選擇中，會(huì)引起β-葡聚糖含量的升高，因此，在品質(zhì)育種實(shí)踐中，需要協(xié)同考慮育種目標(biāo)的可行性，避免顧此失彼。此外，對(duì)存在顯著胚加性相關(guān)的，還需注意雜交父本的選用。

本研究中采用的禾本科種子混合線性遺傳模型的統(tǒng)計(jì)分析方法，有效地解析了啤酒大麥籽粒品質(zhì)性狀的胚、胚乳、細(xì)胞質(zhì)和母體的遺傳效應(yīng)、狹義遺傳率遺傳組成及遺傳相關(guān)分析,避免了以往僅為核基因遺傳效應(yīng)的局限。有關(guān)實(shí)踐應(yīng)用方面，筆者所在的課題組應(yīng)用2倍體種子混合線性遺傳模型[14，16]分析方法，育成了優(yōu)質(zhì)油用向日葵雜交種GF01(蒙審葵2015015)。因此，針對(duì)啤酒大麥的品質(zhì)性狀遺傳而言，通過剖分遺傳效應(yīng)的組成，進(jìn)而解析其中的關(guān)鍵效應(yīng)，對(duì)啤酒大麥的品質(zhì)育種實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。