江蘇省小麥品種的谷蛋白亞基組成分析

張平平， 馬鴻翔， 姚金保， 周淼平， 楊學(xué)明， 張 鵬， 楊 丹

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院省農(nóng)業(yè)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210014)

麥谷蛋白是小麥面筋質(zhì)量的基礎(chǔ)，包括高分子量谷蛋白亞基(High molecular weight glutenin subunits，HMW-GS)和低分子量谷蛋白亞基(Low molecular weight glutenin subunits，LMW-GS)，分別約為谷蛋白總量的20%和80%［1］。HMW-GS由位于第一同源群1A、1B和1D染色體長臂的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位點(diǎn)(統(tǒng)稱Glu-1位點(diǎn))編碼，且每個(gè)位點(diǎn)編碼x型和y型2種亞基，有多個(gè)等位變異。編碼LMW-GS的大多數(shù)基因定位于第一同源群1A、1B和1D染色體短臂的Glu-A3、Glu-B3和Glu-D3位點(diǎn)(統(tǒng)稱Glu-3位點(diǎn))。每個(gè)Glu-3位點(diǎn)都為復(fù)合基因位點(diǎn)，每個(gè)基因又有多個(gè)等位變異，因此LMW-GS變異總數(shù)達(dá)數(shù)十個(gè)［2-3］。HMW-GS和LMW-GS通過二硫鍵形成面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，HMW-GS因構(gòu)建面筋網(wǎng)絡(luò)的骨架而更為重要［1，4］。眾多研究結(jié)果表明，HMW-GS和LMW-GS的等位變異及互作與小麥加工品質(zhì)密切相關(guān)［5-9］，HMW-GS改良已成為提高小麥加工品質(zhì)最主要的途徑［10-11］。國內(nèi)研究者對不同區(qū)域或不同類型的小麥基因型開展了谷蛋白亞基組成的調(diào)查，為優(yōu)質(zhì)新品種選育提供了基礎(chǔ)資料［12-19］。從品質(zhì)區(qū)劃看，江蘇省地處中國地理和氣候過渡地帶，淮北麥區(qū)屬于中國黃淮南片麥區(qū)，為優(yōu)質(zhì)白粒中強(qiáng)筋小麥種植區(qū);淮南麥區(qū)屬于長江中下游麥區(qū)，為優(yōu)質(zhì)紅粒中弱筋小麥種植區(qū)［20-21］。盡管近年來小麥品質(zhì)育種逐步受到重視，但小麥品種的品質(zhì)仍有待提高［22］，明確當(dāng)?shù)匦←溒贩N的谷蛋白組成對于小麥優(yōu)質(zhì)育種具有重要意義。為此本研究選用江蘇省淮南和淮北主要育種單位選育的育成品種和高代品系77份，對HMW-GS和LMW-GS進(jìn)行分析，旨在為通過谷蛋白組成改良提高江蘇省小麥品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及其田間種植

試驗(yàn)材料為77份來自江蘇省淮南麥區(qū)和淮北麥區(qū)主要育種單位的育成品種或高代品系(表1)。材料于2012～2013年度種植于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地，每個(gè)材料種植3行，行長1.6m，行距27.6 cm，1次重復(fù)，田間管理同一般品種比較試驗(yàn)。籽粒收獲后選取30 g籽粒使用FOSS1093旋風(fēng)磨制粉，過0.5mm篩網(wǎng)。

1.2 麥谷蛋白亞基的分離鑒定

參考劉麗等［9］的SDS-PAGE法提取和分離高、低分子量麥谷蛋白亞基。對照品種及Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1、Glu-A3和Glu-B3的等位變異組成分別為Pavon(2*、17+18、5+10、b 和 h)、Opata(2*、13+16、2+12、b 和 d)、Pitic(1、7*+8、2+12、a 和 b)和 Seri(1、7*+9、5+10、a和 j)，未對Glu-D3進(jìn)行鑒定。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

用 Statistical analysis system(SAS Institute，1997)統(tǒng)計(jì)分析軟件對亞基等位變異進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Glu-1和Glu-3位點(diǎn)等位變異類型及分布頻率

從表2可以看出，參試品種(系)的HMW-GS和LMW-GS變異豐富。HMW-GS共檢測到12個(gè)等位變異，其中Glu-A1位點(diǎn)有3個(gè)，Glu-B1位點(diǎn)有5個(gè)，Glu-D1位點(diǎn)有4個(gè)。LMW-GS的Glu-A3和Glu-B3位點(diǎn)則分別檢測到5個(gè)和6個(gè)等位變異。各位點(diǎn)等位變異的分布差異較大。在Glu-A1位點(diǎn)，2*亞基在淮南麥區(qū)和淮北麥區(qū)的參試材料中分布頻率雖不同但總體都較少，分別檢測到1個(gè)和2個(gè)。0和1亞基為主要變異類型，其中0亞基在淮南麥區(qū)和淮北麥區(qū)的分布頻率分別為50.9%和36.4%，1亞基的分布頻率則分別為47.3%和54.5%。在Glu-B1位點(diǎn)，7+8亞基和7+9亞基在2個(gè)區(qū)域中都為主要變異類型，7+8亞基的分布頻率更高，淮南和淮北的分布頻率分別為67.3%和54.5%，7+9則分別為30.9%和27.3%。Glu-B1位點(diǎn)優(yōu)質(zhì)亞基14+15和17+18共檢測到4份，其中淮北3份，淮南1份。在Glu-D1位點(diǎn)，4種亞基分布頻率依次為2+12＞5+10＞4+12＞3+12，2+12亞基在淮南和淮北的分布頻率分別為70.9%和45.5%，5+10亞基則分別為27.3%和36.4%。3+12亞基僅在淮南檢測到1份，4+12亞基僅在淮北檢測到4份。

表1 淮南麥區(qū)和淮北麥區(qū)的參試品種(系)Table 1 Cultivars or advanced lines originated from south Huai River wheat region and north Huai River wheat region

在Glu-A3和Glu-B3位點(diǎn)，亞基的多態(tài)性分布差異更大。Glu-A3位點(diǎn)以a、c和d亞基檢出率較高，3種亞基在淮南的分布頻率分別為20%、74.5%和3.6%，在淮北的分布頻率分別為31.8%、13.6%和45.5%。Glu-B3位點(diǎn)以b、f和j(1B/1R易位)亞基檢出率較高，3種亞基在淮南的分布頻率分別為23.6%、69.1%和1.8%，在淮北的分布頻率分別為18.2%、0%和54.5%。

表2 高分子量和低分子量谷蛋白亞基變異類型及分布Table 2 Alleles and frequency of high molecular weight glutenin subunits(HMW-GS)and low molecular weight glutenin subunits(LMW-GS)

2.2 Glu-1位點(diǎn)組合類型及分布頻率

HMW-GS對加工品質(zhì)的貢獻(xiàn)較大，亞基組成簡單，容易在選育過程中選擇，為此將參試材料的HMW-GS組成類型及分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從表3可以看出，Glu-1位點(diǎn)的HMW-GS組合類型和分布差異較大?；幢丙渽^(qū)顯示出更豐富的組合類型，分布較為平衡，分布頻率較高的組合為1/7+8/5+10、0/7+9/2+12、0/7+8/2+12、1/7+8/2+12和1/7+9/2+12，除1/7+8/5+10檢出數(shù)為4份外，其他4種類型各檢出2份，其他組合類型分別僅檢出1份?；茨消渽^(qū)以1/7+8/2+12、0/7+8/2+12、0/7+9/5+10 和 0/7+9/2+12組合為主，分別占檢出總數(shù)的32.73%、23.64%、12.73%和9.09%。

表3 Glu-1位點(diǎn)亞基組合類型及分布Table 3 Glutenin subunit combination and its frequency at locus Glu-1

3 討論

上世紀(jì)對全國小麥主栽品種的調(diào)查分析結(jié)果表明，小麥品種的HMW-GS主要為N、7+9、2+12等劣質(zhì)亞基，2*、14+15、17+18和5+10等優(yōu)質(zhì)亞基的分布頻率較低，這是導(dǎo)致中國小麥面筋強(qiáng)度偏弱、面團(tuán)流變學(xué)特性較差的主要原因之一［12-15］。因此，轉(zhuǎn)育Glu-1位點(diǎn)優(yōu)質(zhì)HMW-GS成為提高小麥面筋強(qiáng)度的重要途徑［5，7，9，11］。但江蘇省地處中國氣候過渡帶，依據(jù)品質(zhì)區(qū)劃的建議，江蘇省淮北地區(qū)為半冬性中強(qiáng)筋小麥種植區(qū)，而淮南屬于春性中弱筋小麥種植區(qū)，沿江和沿海地區(qū)由于春季陰雨寡照且土壤肥水保持能力差，因而成為獨(dú)特的優(yōu)質(zhì)弱筋小麥優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，因此不同地區(qū)小麥品種的亞基改良應(yīng)有所差異［20-21］。本研究對淮南和淮北主要育種單位育成品種和高代品系的調(diào)查結(jié)果表明，參試材料中Glu-1位點(diǎn)多態(tài)性較為豐富，淮北的多態(tài)性高于淮南，這可能與該區(qū)育種親本來源廣泛有關(guān)。各位點(diǎn)等位變異的分布頻率差異較大，淮北試材中Glu-A1和Glu-B1位點(diǎn)劣質(zhì)亞基超過30%，Glu-D1位點(diǎn)劣質(zhì)亞基(2+12、3+12、4+12)占 63.7%，表明在育種過程中缺乏優(yōu)質(zhì)亞基的引入和跟蹤選擇?；茨显嚥娘@示出與淮北試材不同的亞基分布狀況，亞基多態(tài)性低，劣質(zhì)亞基的分布頻率更高，表明該區(qū)育種材料的遺傳基礎(chǔ)較狹窄，也與淮南麥區(qū)主要針對優(yōu)質(zhì)弱筋品質(zhì)目標(biāo)開展選育的要求一致。

HMW-GS 3個(gè)位點(diǎn)Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1對面筋強(qiáng)度的貢獻(xiàn)存在加性效應(yīng)且以Glu-D1的作用最大，同時(shí)還存在顯著的互作效應(yīng)，個(gè)別亞基的重要作用依賴于其他亞基的共同作用［5-6，8-9］。Glu-A1的1和2*亞基只有在與5+10共同作用時(shí)才優(yōu)于N亞基［23］;7+8和7+9亞基只有與5+10共表達(dá)時(shí)才優(yōu)于其他等位變異［5］。因此從Glu-1位點(diǎn)亞基組合看，淮北試材中1/7+8/5+10的優(yōu)質(zhì)組合僅為4份，優(yōu)質(zhì)亞基改良有待開展?；茨显嚥牡腍MW-GS組成以 1/7+8/2+12、0/7+8/2+12、0/7+9/5+10和0/7+9/2+12 4種類型為主，總體表現(xiàn)為弱筋亞基組合，依據(jù)品質(zhì)區(qū)劃的建議應(yīng)加強(qiáng)中低蛋白種質(zhì)的篩選［20-21］。LMW-GS對面筋質(zhì)量的貢獻(xiàn)來源于其較高的表達(dá)量(含量約為HMW-GS的4倍)，且與HMW-GS 存在顯著的互作效應(yīng)［1，6，8，24］，本研究未進(jìn)行相關(guān)的品質(zhì)測試，無法對LMW-GS的重要性進(jìn)行分析。但已有研究結(jié)果表明，LMW-GS等位變異或與HMW-GS的組合與加工品質(zhì)的關(guān)系在不同研究材料中的表現(xiàn)不同［6，9，25］，但Glu-B3j(1B/1R 易位)位點(diǎn)由于顯著降低了LMW-GS的表達(dá)量，無疑可降低面筋強(qiáng)度［8，26-27］。在供試材料中，受產(chǎn)量和抗性育種的影響，淮北材料較多地應(yīng)用了1B/1R易位，其Glu-B3j分布頻率達(dá)54.5%，顯然影響著當(dāng)?shù)厣a(chǎn)上小麥的品質(zhì)提升。而淮南品種較少應(yīng)用1B/1R，供試材料中Glu-B3j位點(diǎn)分布頻率僅為1.8%，不利于面筋強(qiáng)度的降低。HMW-GS對小麥品質(zhì)的影響還依賴于蛋白質(zhì)含量，Kolster等［23］和 Branlard［28］的研究結(jié)果表明，蛋白質(zhì)含量較低時(shí)，Glu-D1位點(diǎn)2+12和5+10亞基的變異對面筋強(qiáng)度和面包體積無明顯影響，隨著蛋白質(zhì)含量的提高，影響逐漸增大，但超過15%時(shí)影響亦較小;蛋白質(zhì)含量為10%～15%時(shí)，HMW-GS等位變異對加工品質(zhì)的影響最大。美國小麥品質(zhì)研究結(jié)果表明，低筋軟紅冬麥Glu-A1、Glu-B1和Glu-D13個(gè)位點(diǎn)的組成分別為1或2*、可變、2+12，并配以Glu-B3j;而高筋軟紅冬麥和高筋硬紅冬麥3個(gè)位點(diǎn)的組成分別為1或2*、可變、5+10，并避免Glu-B3j［29］。

馬鴻翔等［22］曾對2006～2010年江蘇省主栽小麥品種的濕面筋含量和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查，淮北硬白冬麥的變異范圍分別為26.6%～28.4%和4.7～5.3 min，而同區(qū)域外省引進(jìn)品種分別為26.5% ～32.9%和4.8～5.9 min;淮南硬紅冬麥分別為23.1% ～28.8%和2.7～5.9 min;淮南軟紅冬麥則分別為23.1% ～26.6%和2.7～4.0 min，并未達(dá)到弱筋小麥國家標(biāo)準(zhǔn)，3類主栽品種的蛋白質(zhì)含量亦無典型的品質(zhì)分類特征。從亞基組成看，淮北主栽品種淮麥18雖含有5+10亞基，但攜帶Glu-B3j;淮麥20也為劣質(zhì)的亞基組合?；茨宪浖t冬麥主栽品種不攜帶Glu-B3j，亞基組成不劣于淮北硬白冬麥和淮南硬紅冬麥主栽品種［22］?？梢钥闯?，江蘇省淮北品種筋力有待提高，淮南弱筋品質(zhì)在生產(chǎn)上雖然較外省好但仍需改良。因此，在當(dāng)前江蘇省小麥蛋白質(zhì)含量水平下，淮南軟紅冬麥區(qū)在弱筋小麥選育種中仍需避免5+10亞基，引入Glu-B3j，以期降低面筋強(qiáng)度?；茨嫌布t冬麥和淮北硬白冬麥育種中則應(yīng)加強(qiáng)利于提高面筋含量的優(yōu)質(zhì)亞基的篩選，以提高中強(qiáng)筋小麥品質(zhì)。

本研究結(jié)果表明江蘇省小麥品種Glu-1和Glu-3位點(diǎn)等位變異類型豐富但分布頻率差異大，淮北試材的高分子量谷蛋白優(yōu)質(zhì)亞基及亞基組合較少，Glu-B3j分布頻率高，優(yōu)質(zhì)亞基改良有待開展?；茨显嚥牡膬?yōu)質(zhì)亞基及組合亦較少，品質(zhì)育種需根據(jù)育種目標(biāo)并結(jié)合蛋白質(zhì)含量和亞基選擇進(jìn)行改良，中筋小麥需加強(qiáng)利用優(yōu)質(zhì)亞基并避免Glu-B3j，而弱筋小麥則應(yīng)避免5+10等優(yōu)質(zhì)亞基，并引入Glu-B3j，以期降低面筋強(qiáng)度。

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