云南省普通小麥育成品種(系)高分子量麥谷蛋白亞基組成分析

丁明亮，趙佳佳，周?chē)?guó)雁，李宏生，崔永禎，趙 紅，伍少云，楊木軍，鄭 軍，李紹祥

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所,云南昆明 650205；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所,山西臨汾 041000；3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所，云南昆明 650205)

農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革要求小麥育種由追求產(chǎn)量為主轉(zhuǎn)向兼顧品質(zhì)、產(chǎn)量和抗逆性，尤其應(yīng)選育優(yōu)質(zhì)專(zhuān)用強(qiáng)筋、弱筋型品種。小麥籽粒加工品質(zhì)受品種的遺傳特性、栽培技術(shù)、土壤、氣候以及收獲、干燥、儲(chǔ)存方法與條件等因素的影響[1]，其中品種的高分子量麥谷蛋白亞基(HMW-GS)的遺傳組成與加工品質(zhì)關(guān)系密切[2]。盡管HMW-GS的含量約為胚乳總蛋白含量的40%，且在小麥籽粒中含量較低，卻影響著約2/3的面包烘烤參數(shù)變異[3]。小麥品種HMW-GS 受遺傳控制，不受環(huán)境影響[4]；利用SDS-PAGE電泳技術(shù)可有效鑒定小麥品種的HMW-GS組成[5]，指導(dǎo)優(yōu)質(zhì)專(zhuān)用小麥育種的親本選配[6-8]。

云南屬低緯度高海拔地區(qū)，從南到北共有7個(gè)氣候類(lèi)型，從低海拔熱區(qū)河谷、溫涼壩區(qū)到丘陵及高寒山區(qū)海拔300～3 600 m的范圍內(nèi)均有普通小麥種植，包括滇北晚熟麥區(qū)、滇中中熟麥區(qū)和滇南早熟麥區(qū)，分屬于我國(guó)西南冬麥區(qū)和華南冬麥區(qū)[9-10]。由于地方種質(zhì)資源的局限和小麥生產(chǎn)的需要，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，云南省先后從國(guó)內(nèi)外引進(jìn)了大量小麥品種(系)應(yīng)用于小麥新品種選育和生產(chǎn)，其中以CIMMYT的材料最多，其次為四川、河南、貴州等省市[9]。利用這些國(guó)內(nèi)外引進(jìn)的種質(zhì)資源開(kāi)展育種工作，云南的小麥生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了5次品種更新，其中引進(jìn)直接應(yīng)用和雜交育成的品種(系)有150多個(gè)[9]，目前對(duì)這些品種(系)的HMW-GS組成還缺乏系統(tǒng)評(píng)價(jià)。本研究擬利用SDS-PAGE電泳技術(shù)對(duì)1950s以來(lái)的152份云南省普通小麥育成品種(系)的HMW-GS組成進(jìn)行分析，以期為篩選和有針對(duì)性地引進(jìn)含優(yōu)質(zhì)亞基的品種資源用于優(yōu)質(zhì)專(zhuān)用小麥育種提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為20世紀(jì)50年代以來(lái)云南省育成小麥品種(系)152個(gè)，其中140個(gè)品種(系)的種子由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所云南省作物種質(zhì)庫(kù)提供，其余來(lái)自各育種單位，詳見(jiàn)表1。

表1 152份云南育成小麥品種(系)的HMW-GS組成及品質(zhì)評(píng)分Table 1 HMW-GS compositions and quality scores of 152 wheat varieties(lines) bred in Yunnan

(續(xù)表1 Continued table 1)

(續(xù)表1 Continued table 1)

1.2 方 法

樣品提取參考趙 彬等[11]的方法進(jìn)行。每份材料取1粒種子磨成粉后,加入1 mL離心管中，用適量提取液(0. 063 mol·L-1Tris-HCl，pH=6. 8,10% 甘油，5%疏基乙醇，2% SDS，0.002%溴酚蘭)振蕩，室溫浸提2 h以上，然后在沸水中煮4 min后，保存于-20 ℃的冰箱中，用前取上清液點(diǎn)樣。

采用SDS-PAGE方法[5]分析HMW-GS類(lèi)型，所用儀器為北京六一儀器廠生產(chǎn)的DYCZ- 24D 型雙垂直電泳槽。

以中國(guó)春(N，7+ 8，2+ 12)、師欒02-1(1，7+9，5+10)、煙農(nóng)361(1，17+18，5+10)為對(duì)照，參照Payne等[12]的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分、命名高分子量麥谷蛋白亞基。鑒于實(shí)驗(yàn)中有11份材料含14+15亞基，Panye等[12]和毛 沛等[14]的評(píng)分系統(tǒng)均未對(duì)該亞基給出評(píng)分，故采用程愛(ài)華等[13]的評(píng)分系統(tǒng)計(jì)算各亞基的品質(zhì)得分(表2)。

表2 Glu-1 品質(zhì)評(píng)分系統(tǒng)Table 2 Glu-1 quality scores systems

2 結(jié)果與分析

2.1 云南小麥品種(系)的HMW-GS等位變異類(lèi)型及頻率

從SDS-PAGE 分析結(jié)果(表1、表3)可以看出，云南省育成的152份小麥品種(系)的HMW-GS在 Glu-A1>、 Glu-B1>、 Glu-D1> 位點(diǎn)上表現(xiàn)出豐富的多態(tài)性，共有 12種等位變異。其中， Glu-A1>位點(diǎn)上有2種等位變異(N和1)，出現(xiàn)頻率分別為56.58%和43.42%； Glu-B1> 位點(diǎn)檢測(cè)到的等位變異最多，共有7+8、7+9、6+8、14+15、17+18和13+16共6種亞基，其中含7+8、7+9的品種(系)較多，出現(xiàn)頻率分別為42.11%和34.87%，優(yōu)質(zhì)亞基17+18出現(xiàn)頻率較低，僅為13.61%，在3份材料中出現(xiàn)稀有亞基13+16； Glu-D1> 位點(diǎn)有 4 種等位變異，其中優(yōu)質(zhì)亞基5+10的出現(xiàn)頻率為24.34%；2+12亞基的占比達(dá)54.61%，一般認(rèn)為含該亞基的品種多為中間型或軟質(zhì)型；稀有亞基2+10和5+12分別占5.26%和15.79%。

總體上，云南省育成小麥品種(系)的HMW-GS亞基類(lèi)型較豐富，且以 Glu-A1>和 Glu-D1>位點(diǎn)上的優(yōu)質(zhì)亞基1、5+10和5+12的出現(xiàn)頻率較高，約為40%，但 Glu-B1>位點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)亞基13+16和17+18的出現(xiàn)頻率較低，只有15%，半數(shù)品種(系)都含對(duì)加工品質(zhì)有負(fù)向作用的2+12亞基。此外，7亞基的頻率高達(dá)76.98%，同時(shí)還檢測(cè)到3個(gè)稀有亞基13+16、2+10和5+12。

表3 云南小麥育成品種(系)HMW-GS的等位變異及頻率Table 3 Allelic variation of Glu-1 and their frequency in 152 wheat varieties(lines) bred in Yunnan

2.2 云南省小麥品種(系)HMW-GS亞基組合類(lèi)型和品質(zhì)評(píng)分

云南省小麥的HMW-GS亞基組合類(lèi)型比較豐富,共出現(xiàn)27種亞基組合類(lèi)型(表4)，其中以“N，7+8，2+12”、“N，7+9，2+12”、“1，7+8，2+12”和“1，7+9，5+10”4種亞基組合類(lèi)型較多，出現(xiàn)頻率分別為20.39%、9.87%、7.89%和7.89%,共計(jì)46.04%；10種HMW-GS亞基組合類(lèi)型僅各有1個(gè)品種(系)。152份品種(系)的品質(zhì)評(píng)分差異較大，變化范圍為3.0～8.5分，除34份材料因含稀有亞基13+16、2+10、5+12而利用程愛(ài)華評(píng)分系統(tǒng)不能計(jì)算其品質(zhì)評(píng)分外，其余118份材料的平均品質(zhì)得分為4.40。如果把稀有優(yōu)質(zhì)亞基13+16的品質(zhì)評(píng)分等同于17+18[15]，5+12等同于5+10[16]，則至少有2個(gè)位點(diǎn)均含優(yōu)質(zhì)亞基1、13+16或17+18、5+10或5+12且品質(zhì)評(píng)分在7.0分以上的品種(系)有46個(gè)，占30.26%，其中3個(gè)位點(diǎn)均含優(yōu)質(zhì)亞基且品質(zhì)評(píng)分在8.5分的品種(系)有9個(gè)，僅占5.92%，這些資源可用于中強(qiáng)筋小麥育種；3個(gè)位點(diǎn)均不含優(yōu)質(zhì)亞基且品質(zhì)評(píng)分為3分的品種(系)有15個(gè)，占9.87%，這些材料可用于弱筋小麥育種。

表4 152份云南育成小麥品種(系)的HMW-GS組合類(lèi)型Table 4 HMW-GS combinations of 152 wheat varieties(lines) bred in Yunnan

2.3 云南省不同時(shí)期小麥育成品種(系)的HMW-GS亞基品質(zhì)評(píng)分及5+10 優(yōu)質(zhì)亞基分布頻率

152 份云南省育成品種(系)按其育成時(shí)期劃分為5組，1970s以前的品種(系)有5 份，1980s的品種(系)有65份，1990s的品種(系)有40份，2000s的品種(系)有29份，2010s的品種(系)有13份。參與評(píng)分的各個(gè)時(shí)期育成品種(系)的品質(zhì)平均得分差異較小，均在4.50左右(圖1)，其中1970s以前育成品種(系)的HMW-GS 品質(zhì)平均得分最低，而1980s的HMW-GS 品質(zhì)平均得分最高。不同時(shí)期育成品種(系)5+10 優(yōu)質(zhì)亞基的分布頻率(圖2)，在1990s之前差異不大，此后逐漸增加，2010s育成的品種(系)中優(yōu)質(zhì)亞基5+10分布頻率最高，達(dá)到了30.77%，表明云南省各育種單位在品質(zhì)育種中加強(qiáng)了含5+10優(yōu)質(zhì)亞基親本的利用，但該時(shí)期育成品種(系)的品質(zhì)平均評(píng)分并未得到明顯提高，說(shuō)明育種中改良單個(gè)高分子量麥谷蛋白優(yōu)質(zhì)亞基并不一定能改善品種的加工品質(zhì)。

圖1 不同時(shí)期云南小麥育成品種(系)的品質(zhì)評(píng)分變化Fig.1 Quality score variation of HMW-GS among Yunnan wheat varieties(lines) bred in different periods

圖2 不同時(shí)期云南小麥育成品種(系)的5+10優(yōu)質(zhì)亞基分布頻率的變化規(guī)律Fig.2 Frequency variation of 5+10 subunits among Yunnan wheat varieties(lines) bred in different periods

2.4 云南省不同小麥種植區(qū)育成品種(系)的HMW-GS亞基組成

《云南省小麥種植區(qū)劃》將云南小麥劃分為三個(gè)種植區(qū)，即滇北晚熟麥區(qū)(海拔2 000～3 480 m，生育期200～250 d)、滇中中熟麥區(qū)(海拔1 500～2 000 m，生育期175～200 d)和滇南早熟麥區(qū)(海拔1 500 m以下，生育期130～160 d)。在152個(gè)育種品種(系)中，139個(gè)為上述三個(gè)麥區(qū)選育(表5)，以滇中麥區(qū)育成的品種(系)最多(99個(gè))，其次為滇南麥區(qū)(28個(gè))和滇北麥區(qū)(12個(gè))。滇北麥區(qū)的品種(系)均為2000年之前選育，此后其品種(系)完全來(lái)自滇中麥區(qū)或四川、貴州等?。煌瑫r(shí)滇中麥區(qū)的品種(系)也大量應(yīng)用于滇南麥區(qū)。從HMW-GS亞基分布數(shù)量上看，以滇中麥區(qū)育成的品種(系)最多(12種)，其次為滇南麥區(qū)(9種)和滇北麥區(qū)(8種)。在 Glu-A1>位點(diǎn)，滇北麥區(qū)育成的品種(系)含優(yōu)質(zhì)亞基1的占比(8/12)高于滇南(16/28)和滇中麥區(qū)(38/99)；在 Glu-B1>和 Glu-D1>位點(diǎn)，滇南和滇中麥區(qū)育成的品種(系)含優(yōu)質(zhì)亞基13+16或17+18、5+10或5+12的占比相近，滇北麥區(qū)的極低。這種差異主要與3個(gè)麥區(qū)育種上可供利用的親本資源多少有關(guān)。

3 討 論

豐富多樣的優(yōu)質(zhì)親本資源是開(kāi)展優(yōu)質(zhì)專(zhuān)用小麥育種的基礎(chǔ)，從現(xiàn)有品種(系)中篩選含HMW-GS優(yōu)質(zhì)亞基的育種材料，是獲得優(yōu)質(zhì)親本的一個(gè)有效途徑。本研究結(jié)果表明，云南省普通小麥育成品種(系)在 Glu-A1>、 Glu-B1>、 Glu-D1> 位點(diǎn)的HMW-GS亞基表現(xiàn)出較豐富的多態(tài)性，共有 12 種等位變異，27種亞基組合類(lèi)型；在 Glu-B1>和 Glu-D1>位點(diǎn)還檢測(cè)到13+16、2+10和5+12三種稀有亞基類(lèi)型，其中13+16和5+12均為對(duì)加工品質(zhì)有正向作用的優(yōu)質(zhì)亞基[17-18]。云南小麥育成品種(系)HMW-GS的等位變異比湖北[19]、青海[20]和四川[21]略豐富，但不及山西[6]、寧夏[22]、甘肅[23]、河南[24]、河北[25]、陜西[26]、新疆[27-28]與重慶[29]，和貴州[30]相近。與國(guó)內(nèi)其他省市相比，云南省的小麥品種(系)在HMW-GS亞基組成上較差,尤其在 Glu-A1>位點(diǎn)缺2*優(yōu)質(zhì)亞基，而且在 Glu-A1>、 Glu-B1>、 Glu-D1> 位點(diǎn)上均含優(yōu)質(zhì)亞基的品種(系)極少，僅占5.92%。因此，今后應(yīng)加強(qiáng)引進(jìn)利用這類(lèi)優(yōu)質(zhì)資源。同時(shí)，有46個(gè)品種(系)至少在2個(gè)位點(diǎn)均含優(yōu)質(zhì)亞基1、13+16或17+18、5+10或5+12，可用作品質(zhì)育種的優(yōu)良親本。

表5 云南不同麥區(qū)小麥育成品種(系)的HMW-GS亞基類(lèi)型Table 5 HMW-GS subunits in varieties(lines) bred by different wheat area of Yunnan

此外，在152份云南省普通小麥育成品種(系)中有117份材料在 Glu-B1>位點(diǎn)含7亞基，占76.98%，由于SDS-PAGE電泳技術(shù)難以準(zhǔn)確鑒定7*、7OE與7亞基，其中含7OE亞基的小麥材料被認(rèn)為是培育超強(qiáng)筋小麥品種的重要資源之一[22]。因此，下一步需在本研究基礎(chǔ)上，利用Ragupathy等[31]開(kāi)發(fā)的STS標(biāo)記對(duì)這117份品種(系)作深入分析，以期能發(fā)掘出含7OE亞基的優(yōu)質(zhì)資源供育種利用。

小麥的加工品質(zhì)不僅與HMW-GS亞基及其組合密切相關(guān)，還受LMW-GS、醇溶蛋白的組成和含量、 Glu-1>位點(diǎn)間的互作、品種的遺傳背景等多種因素的影響，某些含優(yōu)質(zhì)亞基的品種不一定具有良好的加工品質(zhì)，反之亦然[15]。如本研究中亞基組成為N、7+9、2+12的云麥33號(hào)曾在1992年被評(píng)為全國(guó)18個(gè)優(yōu)質(zhì)面包小麥品種之一[32]，因此，在品質(zhì)育種中，需要把育種材料的亞基組成與面團(tuán)流變學(xué)特性等品質(zhì)分析結(jié)果相結(jié)合。