《Molecular Breeding》：Allelic variation of carotenoid biosynthesis and degradation genes across worldwide commercial durum wheat (Triticum turgidum ssp. durum) varieties under contrasting water regimes
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本文研究了全球46个硬粒小麦商业品种在充分灌溉和模拟干旱条件下，类胡萝卜素黄色素含量(YPC)与加工过程中色素损失(YPL)的差异，并通过分析PSY-A1、PSY-B1、ZDS-A1及LPX-B1.1等关键基因的等位变异，鉴定出Psy-A1o、Psy-B1n、TdZds-A1.2和Lpx-B1.1c等与高色素含量及低色素降解相关的有利等位变异。该研究为旨在改善通心粉颜色的育种项目提供了关键的分子标记和基因型信息，尤其为应对不同水分环境下的色素保持策略提供了依据。
消费者对通心粉等面食的感官评价中，那抹鲜亮的黄色至关重要，这色泽主要源于硬粒小麦粉中的类胡萝卜素。然而，这诱人的黄色在生产和加工过程中却面临着双重挑战。首先，其积累受环境因素，尤其是水分可用性的显著影响；其次，加工过程中会发生氧化降解，导致色素损失，最终影响产品色泽与品质。随着多国对人工色素在面食中使用限制的日益严格，如何通过遗传改良手段，培育出类胡萝卜素含量高、加工稳定性好的小麦品种，已成为育种家和食品工业关注的核心问题。
为解决上述问题，发表于《Molecular Breeding》的一项研究系统评估了全球46个硬粒小麦商业品种在不同水分条件下的表现。研究团队于2014/15种植季在墨西哥亚基河谷进行田间试验，设置充分灌溉（550 mm）和滴灌模拟干旱（180 mm）两种水分处理，测量了黄色素含量(YPC)以及模拟加工条件下的黄色素损失(YPL)，并分析了多个类胡萝卜素生物合成与降解关键基因的等位变异。研究表明，灌溉条件下有利于色素积累(YPC平均7.3 mg/kg)，而干旱胁迫则会加剧色素降解(YPL平均15.3%)。关键的等位变异分析显示，Psy-A1o、Psy-B1n和TdZds-A1.2等位基因与更高的YPC相关，而Lpx-B1.1c（基因缺失）则与更低的YPL显著相关。尤为重要的是，在所研究的品种中，没有发现同时携带所有这些有利等位变异的材料，这揭示了通过基因聚合进一步改良小麦粉黄色的巨大潜力。该研究不仅量化了水分管理对色素性状的影响，更为分子标记辅助选择提供了直接靶点，为培育适应不同气候条件、具有更高营养品质和商品价值的硬粒小麦新品种指明了方向。
为开展这项研究，研究人员采用了几个关键技术方法：首先，在墨西哥亚基河谷的田间试验站，使用随机完全区组设计，对来自12个国家的46个商业品种进行充分灌溉和滴灌模拟干旱两种处理的对比种植。其次，采用基于近红外光谱的微量面粉色素含量测定法（改进版AACC方法 14-50.01）来精确量化面粉和模拟面团中的黄色素含量(YPC)及其损失率(YPL)。第三，利用经典的CTAB法从小麦幼苗叶片中提取基因组DNA，并对类胡萝卜素生物合成基因（PSY-A1、PSY-B1、PDS-B1、ZDS-A1）和降解基因（LPX-A3、LPX-B1.1）进行分子标记分析，具体通过聚合酶链式反应(PCR)、限制性内切酶（HaeII和HpyCH4IV）酶切及聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)来鉴定等位变异。最后，运用基于R语言的统计软件对基因型、水分处理及其互作效应进行方差分析(ANOVA)，并通过Tukey HSD检验比较不同等位基因间的性状均值差异。
研究结果
品种、水分处理及其互作对YPC和YPL的影响
研究结果显示，基因型是影响YPC和YPL最主要的变异来源，但水分处理及其与基因型的交互作用也高度显著。在灌溉条件下，面粉中类胡萝卜素含量(YPC)范围为2.5至13.6 mg/kg，平均值为7.3 mg/kg，中位数为7.0 mg/kg。而在干旱条件下，范围略低（2.3-13.5 mg/kg），平均值为6.6 mg/kg，中位数为5.9 mg/kg。在46个品种中，有38个品种在干旱条件下的YPC低于灌溉条件。对于黄色素损失(YPL)，灌溉条件下的平均损失率为13.3%，干旱条件下则升高至15.3%，中位数也从12.1%增加到14.1%，表明干旱条件倾向于加剧色素降解。此外，研究还列出了各品种的YPC和YPL具体数值，例如沙漠硬质小麦Mohawk和西班牙品种Calero的YPC最高（约13 mg/kg），而意大利品种Grecale在具有高YPC的同时，其YPL最低。
类胡萝卜素合成与降解基因的等位变异
研究人员分析了三个生物合成基因（PSY-A1、PSY-B1、PDS-B1和ZDS-A1）和两个降解基因（LPX-A3和LPX-B1.1）的等位变异。在PSY-A1基因上鉴定出三个等位基因：Psy-A1a、Psy-A1l和Psy-A1o，其中Psy-A1l最为常见。对于PSY-B1，大多数品种携带Psy-B1o等位基因，仅6个品种携带Psy-B1n。在ZDS-A1基因上，主要存在TdZds-A1.1和TdZds-A1.2两个变异，后者仅存在于Desert King和Cemexi C 2008两个品种中。在降解基因方面，LPX-B1.1存在三个等位基因：Lpx-B1.1a、Lpx-B1.1b和缺失型Lpx-B1.1c，其中仅Tomouh品种携带Lpx-B1.1b等位基因。根据这些等位变异，46个品种被划分为16种不同的单倍型。
黄色素含量与损失的遗传关联
通过整合两种水分处理下的数据进行分析发现，PSY-A1对YPC的表型变异解释率最高（17.9%），其次是PSY-B1（14.8%）。Psy-A1o等位基因与最高的平均YPC（10.6 mg/kg）相关，Psy-B1n等位基因（10.2 mg/kg）则显著高于Psy-B1o（7.2 mg/kg）。TdZds-A1.2等位基因也与较高的色素含量（9.5 mg/kg）相关联。在色素降解方面，LPX-B1.1基因高度显著，解释了41.0%的YPL变异。其中，Lpx-B1.1c等位基因（基因缺失）与最低的平均降解率（5.9%）相关，而唯一的Lpx-B1.1b携带品种Tomouh降解率最高（37.5%）。LPX-A3和PDS-B1基因在本研究群体中对上述性状未表现出显著影响。
研究结论与讨论
本研究证实，充分灌溉有利于硬粒小麦类胡萝卜素的积累，而干旱胁迫则会增加色素降解。这可能是由于干旱条件下代谢流向脱落酸(ABA)生物合成偏移、脂氧合酶(LPX)活性增加或因籽粒灌浆效率降低导致的麸皮与胚乳比例变化所致。研究首次在全球范围的商业品种中系统评估了关键等位变异与YPC、YPL的关联。结果表明，Psy-A1o、Psy-B1n和TdZds-A1.2是与高YPC相关的最有利等位基因，而Lpx-B1.1c（基因缺失）则能有效降低YPL。然而，在当前评估的种质资源中，没有一个品种同时携带所有这些有利等位基因，这突显了通过分子标记辅助选择，将这些优良等位变异“聚合”到同一遗传背景中，从而培育出在多变水分条件下仍能保持优异黄色泽和色素稳定性的新品种的巨大潜力。这项研究为硬粒小麦品质育种，特别是在气候变化的背景下，为保障面食产品的视觉吸引力和营养品质（类胡萝卜素中的叶黄素对眼睛健康有益）提供了关键的遗传资源和分子工具。
