黃淮麥區(qū)小麥新品系高分子量谷蛋白亞基的組成及結(jié)構(gòu)變化分析

李 立，龔夢婕，李鎖平，張大樂

(1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100012；2.河南大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 開封 475004)

小麥?zhǔn)鞘澜缟献钪匾募Z食作物之一，世界上有超過40%的人口以小麥為主食[1]，黃淮麥區(qū)是中國最大的小麥主產(chǎn)區(qū)，在育種家的不斷努力下，小麥品種的產(chǎn)量潛力還在不斷地提高。從20世紀(jì)80年代中后期開始，小麥面粉的品質(zhì)改良工作開始逐步受到育種家的重視，并已培育和推廣了一批優(yōu)質(zhì)強筋的小麥品種[2]。小麥的面粉加工品質(zhì)主要由其種子儲藏蛋白控制，包括麥谷蛋白和麥醇溶蛋白，麥谷蛋白主要決定面團的彈性，是影響面筋質(zhì)量的主要因素[3]，由高分子量谷蛋白亞基(HMW-GS)和低分子量谷蛋白亞基(LMW-GS)組成。普通小麥的HMW-GS分別由位于第一同源群染色體長臂的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位點的基因編碼[4-6]。不同的HMW-GS對小麥品質(zhì)的貢獻并不相同，一般認為1、2*、7+9、14+15、17+18和5+10為優(yōu)質(zhì)亞基，具有較好的面粉加工品質(zhì)[7-8]。LMW-GS分別由Glu-A3、Glu-B3 和Glu-D3位點的基因編碼，較HMW-GS具有更豐富的多態(tài)性，LMW-GS通過和HMW-GS的互作效應(yīng)，在一定程度上影響小麥的加工品質(zhì)，優(yōu)質(zhì)的LMW-GS包括Glu-A3b、Glu-A3d、Glu-B3d和Glu-B3g位點[8]。目前，改良中國小麥面筋質(zhì)量的主要途徑是提高優(yōu)質(zhì)的HMW-GS和LMW-GS的頻率[9-10]，由于小麥LMW-GS的鑒定技術(shù)還不夠十分完善，而小麥HMW-GS組成的鑒定技術(shù)較為成熟，因而，分析小麥HMW-GS組成已成為小麥品質(zhì)育種親本選配和后代選擇的主要依據(jù)。2005年以來，針對黃淮麥區(qū)小麥新品種(系)的HMW-GS組成分析幾乎每年都有報道[11-17]，這為小麥品質(zhì)育種的親本選配提供了有價值的參考依據(jù)。然而，在現(xiàn)代育種過程中，由于長期的品種間雜交選育，尤其是對骨干親本的重復(fù)利用，使現(xiàn)代小麥品種的遺傳背景變得較為單一，其含有的HMW-GS組成結(jié)構(gòu)，尤其是優(yōu)質(zhì)亞基的組成結(jié)構(gòu)很難發(fā)生較大的改變。

本研究利用SDS-PAGE方法對221份黃淮麥區(qū)小麥新品系的HMW-GS組成進行鑒定，并對它們的系譜來源進行了分析，通過對近10年來已發(fā)表的黃淮麥區(qū)小麥品種(系)的HMW-GS分布頻率進行比較，分析黃淮麥區(qū)小麥品種HMW-GS的組成結(jié)構(gòu)變化，以期為小麥品質(zhì)育種工作提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

所用材料為黃淮麥區(qū)2013-2014年冬水組和春水組參試的小麥新品系，共221份，由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究中心趙虹研究員提供。

1.2 樣品提取及SDS-PAGE電泳

參照Singh等[18]的方法提取高分子量谷蛋白及SDS-PAGE電泳分析。以中國春(Null, 7+8, 2+12)、豫麥34 (1, 7+8, 5+10)和濟麥20 (1, 13+16, 4+12)為對照，按Payne和Lawrence[19]提出的命名系統(tǒng)命名亞基。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃淮麥區(qū)小麥新品系的亞基組合及等位變異分析

利用SDS-PAGE技術(shù)對供試的221份黃淮地區(qū)小麥新品系材料的高分子量谷蛋白亞基組成進行了分析，其部分樣品的HMW-GS電泳圖譜見圖1，各個亞基及亞基組合的等位變異及頻率見表1。從表1中可以看出，供試材料共出現(xiàn)了13種亞基及亞基組合。在Glu-A1位點，1亞基出現(xiàn)頻率最高，占供試材料的58.8%。在Glu-B1位點上，共出現(xiàn)7種亞基變異類型，其中出現(xiàn)頻率最高亞基組合是7+9，占供試材料57.5%，強筋亞基組合7+8、17+18、14+15和13+16在供試材料中也有出現(xiàn)，分別占30.3%,2.3%,7.7%,0.9%。在Glu-D1位點上的變異類型有4種，其中強筋亞基組合5+10占供試材料的15.4%，另外，在以往普通小麥品種中很少出現(xiàn)的5+12亞基組合，占供試材料的9.0%，該亞基組合被認為是比5+10亞基組合更好的優(yōu)質(zhì)強筋亞基組合[20]。4+12亞基組合在本研究的供試材料中出現(xiàn)較大比例，達到31.7%。

2.2 黃淮麥區(qū)小麥新品系高分子量谷蛋白亞基的組合頻率

對供試材料的高分子量谷蛋白亞基的組合頻率進行了分析(表2)，從表2中可以看出，供試材料的HMW-GS 組合類型比較豐富，有29種組合類型。其中出現(xiàn)頻率最高的亞基組合形式是(Null, 7+9, 2+12)，占全部供試材料的17.2%，其次為(1, 7+9,2+12)亞基組合，出現(xiàn)的頻率為15.4%，表明黃淮麥區(qū)小麥新品系材料中弱筋的亞基組合類型仍然較多；(1,17+18,5+10)、(1,14+15,5+10)和(1,7+8,5+10)等強筋的亞基組合類型也有分布，但其出現(xiàn)頻率相對較低，另外，還出現(xiàn)了(1,7+8,5+12)新的亞基組合類型，出現(xiàn)頻率達到了3.6%。

1.中國春；2.豫麥34；3.濟麥20；4.濟麥06037；5.存麥17號；6.安農(nóng)1208；7.保豐2018；8.濮興5號；9.冠麥1號；10.航麥208；11.石11-4366；12.淮麥2230；13. SH4300；14.瑞泉麥168；15.豫圣麥19；16.邯生923；17.俊達109；18.瑞華055；19.現(xiàn)麥69；20.運旱20410。

1.Chinese spring；2. Yumai 34；3. Jimai 20；4. Jimai 06037；5. Cunmai 17；6. Annong 1208；7. Baofeng 2018；8. Puxing 5；9. Guanmai 1；10. Hangmai 208；11. Shi11-4366；12. Huaimai 2230；13. SH4300；14. Ruiquanmai 168；15. Yushengmai 19；16. Hansheng 923；17. Junda 109；18. Ruihua 055；19. Xianmai 69；20. Yunhan 20410.

圖1 部分材料HMW-GS聚丙烯酰胺凝膠電泳圖譜Fig.1 The SDS-PAGE pattern of HMW-GS of partial test materials

2.3 黃淮麥區(qū)小麥新品系的系譜來源分析

根據(jù)參加2013-2014年黃淮麥區(qū)的區(qū)試和預(yù)試材料提供的系譜來源進行分析，結(jié)果顯示，直接以周麥16、矮抗58和周麥18為親本培育的材料最多，分別有54，46和22個。另外，還有較多的直接以豫麥49和鄭麥366為雜交親本的材料。由于周8425B和豫麥2號是黃淮麥區(qū)的骨干親本，利用這2個骨干親本和其他小麥品種雜交選育出了一大批的小麥品種，由豫麥2號直接作為雜交親本選育出周麥9號、新麥9號、豫麥34、豫麥49和石4185等品種，由周8425B和周麥9號作為雜交親本選育出了大多數(shù)的周麥系列品種，在221份黃淮麥區(qū)小麥新品系中以周麥系列為直接雜交親本的材料有95個，占到全部供試材料的43.0%。此外，鄭麥366是由豫麥47和PH82-2-2雜交選育的，而豫麥47的雜交親本之一為豫麥2號，矮抗58具有周8425B和豫麥49的血統(tǒng)。因而，在221份黃淮麥區(qū)小麥新品系中具有周8425B和豫麥2號血統(tǒng)的材料高達155個，占到全部供試材料的70.1%。以鄭麥9023等小偃系列和魯麥14等魯麥系列為親本的材料分別有34，40個，占全部供試材料的15.4%和18.1%。其中同時具有周8425B、豫麥2號和小偃系列血統(tǒng)以及周8425B、豫麥2號和魯麥系列血統(tǒng)的材料均為20個，而同時具有小偃系列和魯麥系列血統(tǒng)的材料僅有3個。其他的以豫麥18、冀麥系列、皖麥系列等為來源和未知來源的材料共35個。

表2 225份小麥新品系材料高分子量谷蛋白亞基組合類型Tab.2 HMW-GS compositions of 225 new wheat lines

2.4 黃淮麥區(qū)小麥品種(系)高分子量谷蛋白亞基組成的結(jié)構(gòu)變化

根據(jù)已發(fā)表的黃淮麥區(qū)小麥新品種(系)高分子量谷蛋白亞基組成分析的文獻[11-17]，對近10年來的黃淮麥區(qū)小麥新品種(系)出現(xiàn)的HMW-GS頻率進行了比較(表3)，并分析了其HMW-GS的結(jié)構(gòu)變化(圖2)。由圖2可以看出，在Glu-A1位點(圖2-A)，主要存在2種亞基類型，即1亞基和Null，自2008年以來，1亞基的出現(xiàn)頻率高于Null類型，但二者的出現(xiàn)頻率趨于接近， 2*亞基的出現(xiàn)頻率相對較低。在Glu-B1位點(圖2-B)，存在的亞基類型較多，但主要的亞基組合類型是7+8和7+9，從2007年以來，7+9亞基組合類型出現(xiàn)的頻率最高，并且一直維持較高的出現(xiàn)頻率；另外，近10年來，對亞基組合14+15的利用從未停止，該組合具有類似 5+10 亞基的功能，與優(yōu)質(zhì)的面包加工品質(zhì)呈正相關(guān)[21-22]，但其出現(xiàn)頻率相對較低，同時，在黃淮麥區(qū)小麥品種(系)中還出現(xiàn)了其他的優(yōu)質(zhì)強筋亞基組合類型，如13+16和17+18，其出現(xiàn)頻率低，其中亞基組合17+18的親本來源主要為煙農(nóng)19。對于Glu-D1位點(圖2-C)，一直以來主要存在2+12和5+10 2種亞基組合類型，并且2+12亞基組合的出現(xiàn)頻率高于5+10亞基，有趣的是，自2007年以來，2種亞基組合的出現(xiàn)頻率整體呈平行的趨勢，這表明育種工作者對2種亞基的利用趨于穩(wěn)定，其主要的變化趨勢是由于新出現(xiàn)的其他亞基組合(4+12和5+12)造成的，4+12亞基出現(xiàn)在2008，2010和2014*年，其出現(xiàn)頻率分別為33.6%，21.3%和31.7%。

表3 近10年黃淮麥區(qū)小麥品種(系)高分子量谷蛋白亞基的出現(xiàn)頻率Tab.3 The occurrence frequencies of HMW-GS in the wheat varieties (lines) from Huang-Huai zone during the last decade

注：n.試驗材料數(shù); 2014*.本試驗檢測結(jié)果;-.表示數(shù)據(jù)不存在。

Note:n.The number of test materials; 2014*.The detected results in this work;-.The data is not found.

A.Glu-A1位點的結(jié)構(gòu)變化；B.Glu-B1位點的結(jié)構(gòu)變化；C.Glu-D1位點的結(jié)構(gòu)變化。

3 討論與結(jié)論

不同位點上的高分子量谷蛋白亞基對小麥加工品質(zhì)的影響不一樣，通過對中國500 多份冬春小麥品種(系)的HMW-GS、LMW-GS與其面團流變學(xué)特性和面包面條品質(zhì)的關(guān)系進行分析，發(fā)現(xiàn)HMW-GS和LMW-GS對小麥加工品質(zhì)的影響順序為Glu-D1>Glu-A3>Glu-B3>Glu-A1>Glu-B1>Glu-D3[30]。即Glu-D1位點對小麥加工品質(zhì)的影響最大，因而，對Glu-D1位點上HMW-GS的改良應(yīng)是中國小麥品質(zhì)育種工作的重點，通過比較Glu-D1位點上的亞基組合出現(xiàn)頻率的趨勢可以看出，優(yōu)質(zhì)強筋的亞基組合5+10的出現(xiàn)頻率始終低于2+12，自2007年5+10亞基組合的出現(xiàn)頻率較2006年有所提高后，2007年直到現(xiàn)在(2014*年)，黃淮麥區(qū)的小麥品種(系)Glu-D1位點上的5+10和2+12的出現(xiàn)頻率呈平行趨勢，2+12亞基組合的出現(xiàn)頻率始終高于5+10亞基組合，其主要原因是選用的雜交親本較為單一，主要的親本來源均可追溯到周8425B和豫麥2號。在本研究中，Glu-D1位點上的4+12亞基的出現(xiàn)頻率較高，有研究表明，我國的4+12亞基對面包品質(zhì)的作用明顯高于國外品種，在其亞基含量和HMW-GS總量均較高的情況下，其對面團品質(zhì)的影響甚至高于5+10等亞基組合[31]。在對Glu-B1位點HMW-GS的改良上，不僅優(yōu)質(zhì)強筋的亞基組合17+18的利用頻率較低，并且使用的雜交親本來源也較為單一，其主要的親本來源為煙農(nóng)19。有研究表明，14+15亞基組合比7+8和7+9亞基組合對面包品質(zhì)有更顯著的正相關(guān)作用，亞基效應(yīng)可表示為14+15>7+8>7+9[31]。另外，在含有公認的優(yōu)質(zhì)亞基組合5+10的品系中引入14+15，其品質(zhì)評分也大大優(yōu)于引入的其他組合[32]。目前，對于我國小麥品種的14+15亞基組合的鑒定和來源還存在爭議，張學(xué)勇等[22]認為14+15亞基主要分布于冬麥區(qū)如黃淮冬麥區(qū)、長江中下游冬麥區(qū)和西南冬麥區(qū)，其亞基來源為St2422/464，并且在骨干親本小偃6號和豫麥7號中均有該亞基組合。另外，利用SDS-PAGE技術(shù)還對中國小麥品種的HMW-GS類型進行了分類，發(fā)現(xiàn)14+15與20x+20y屬于2種不同的亞基類型。而Gao等[33]分別利用SDS-PAGE、RP-HPLC、HPCE和MALDI-TOF-MS技術(shù)對小偃6號等小麥品種的Glu-B1位點進行鑒定，認為之前在我國小麥品種中發(fā)現(xiàn)的14+15與四倍體小麥Bidi17的20x+20y亞基帶型一致，真正的14+15僅出現(xiàn)在一些歐洲的小麥品種里，而在亞洲國家中很少出現(xiàn)。在本研究中，黃淮麥區(qū)小麥新品種(系)的14+15亞基組合的帶型與小偃6號一致，其出現(xiàn)頻率較低。

近10年來黃淮麥區(qū)小麥品種(系)優(yōu)質(zhì)強筋的HMW-GS組成結(jié)構(gòu)變化不明顯，在Glu-B1位點上出現(xiàn)的17+18和13+16亞基組合頻率較低，Glu-D1位點上2+12亞基組合的出現(xiàn)頻率始終高于5+10亞基組合。其原因之一是其雜交親本來源較為單一，大部分材料的親本來源為周8425B、豫麥2號、小偃系列和魯麥系列。

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