不同來源小麥種質(zhì)高分子質(zhì)量谷蛋白 亞基多樣性及其與加工品質(zhì)的關(guān)系

張自陽，姜小苓，王智煜，朱啟迪，劉明久，茹振鋼

(河南科技學院，河南省現(xiàn)代生物育種協(xié)同創(chuàng)新中心，河南省高校作物分子育種重點開放實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453003)

貯藏蛋白是影響小麥加工品質(zhì)的主要因素，由谷蛋白和醇溶蛋白組成，兩者約占小麥籽粒蛋白質(zhì)的80%。其中，醇溶蛋白是多肽鏈單體蛋白質(zhì)，主要決定面團的黏著性和延展性；谷蛋白由高分子質(zhì)量谷蛋白亞基(High molecular weigh glutenin subunit，HMW-GS)和低分子質(zhì)量谷蛋白亞基(Low molecular weigh glutenin subunit，LMW-GS)組成，決定面團的彈性[1-3]。HMW-GS由位于小麥第一同源染色體長臂的Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1位點控制，對小麥烘烤品質(zhì)具有重要影響，特定亞基還可明顯改善小麥品質(zhì)[4]。Payne等[5]建立了HMW-GS的Glu-1評分，可解釋英國小麥品質(zhì)變異的47%～60%，被國內(nèi)外研究者廣泛研究。不同亞基對小麥品質(zhì)的影響不同，一般攜帶5+10亞基的小麥具有較好的面包品質(zhì)，7+8和14+15等亞基對烘烤品質(zhì)也有正向效應(yīng)[6]，N和2+12亞基則與較差的烘烤品質(zhì)相關(guān)[1]。多數(shù)研究認為，Glu-A1編碼的 1、2*亞基，Glu-B1編碼的 7+8、17+18、13+16 亞基以及Glu-D1編碼的 5+10 亞基對烘烤品質(zhì)的影響較大[5，7]。另外，HMW-GS的數(shù)量也影響小麥品質(zhì)[8]。相關(guān)專家認為，缺乏優(yōu)質(zhì)HMW-GS是目前導致我國小麥品種品質(zhì)較差的主要原因之一，引入優(yōu)質(zhì)亞基是進一步改良我國小麥品質(zhì)的一條重要途徑[9-11]。小麥品種的HMW-GS組成僅取決于遺傳因素，不受環(huán)境影響[12]，研究 HMW-GS 組成已成為小麥品質(zhì)改良育種的重要依據(jù)。迄今，研究者對小麥HMW-GS的組成進行了較多研究，但有關(guān)HMW-GS與小麥品質(zhì)尤其饅頭加工品質(zhì)關(guān)系的研究非常少[13]。范玉頂?shù)萚13]以黃淮麥區(qū)的114個小麥種質(zhì)為材料研究HMW-GS 與北方手工饅頭加工品質(zhì)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，N和2+12 亞基對各品質(zhì)指標的作用均好或較好，沒有明顯缺點，是適合制作優(yōu)質(zhì)手工饅頭的亞基；(1，7+8，2+12)和(N，7+8，2+12)組合適于制作優(yōu)質(zhì)手工饅頭，但選取的材料存在一定的局限性。為此，選用來源于國內(nèi)外5個不同種植區(qū)的148個小麥種質(zhì)，分析其HMW-GS 多樣性及其與小麥粉和饅頭加工品質(zhì)的關(guān)系，旨在進一步發(fā)掘優(yōu)質(zhì)小麥種質(zhì)，明確HMW-GS與小麥加工品質(zhì)的關(guān)系，進而為小麥品質(zhì)改良育種提供理論和材料基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及種植

試驗材料為148個小麥種質(zhì)，其中，國外引進種質(zhì)8個、北方冬麥區(qū)種質(zhì)12個、黃淮冬麥區(qū)種質(zhì)83個、長江中下游冬麥區(qū)種質(zhì)27個、西南冬麥區(qū)種質(zhì)18個。參試材料于2015-2016年種植于河南科技學院試驗基地(河南省輝縣市)，每份材料種植2行，行距25 cm，行長4 m，每行播種80粒，田間管理同一般大田。成熟后，分行收獲，脫粒，晾曬，室溫儲藏備用。

1.2 試驗方法

1.2.1 HMW-GS組成分析及命名 HMW-GS的組成分析參照張玲麗等[14]的分析方法。HMW-GS的命名根據(jù)Payne等[5，15]的方法進行，對照品種為中國春(N/7+8/2+12)、Neepawa(2*/7+9/5+10)和Marquis(1/7+9/5+10)。

1.2.2 面粉品質(zhì)測定 利用實驗磨粉機(LRMM8040-3-D，江蘇無錫錫糧機械制造有限公司)磨粉，出粉率65%左右。利用數(shù)顯白度儀(SBDY-1，上海悅豐儀器儀表有限公司)測定面粉白度；利用全自動凱氏定氮儀(UDK159，意大利VELP公司)測定面粉含氮量；利用粉質(zhì)儀(810101，德國Brabender公司)測定面團粉質(zhì)特性，方法參照GB/T 14614-06；利用面筋儀(2200，瑞典Perten公司)測定濕面筋含量，方法參照SB/T 10249-95。

1.2.3 饅頭制作及質(zhì)構(gòu)特性分析 饅頭制作參照姜小苓等[16]的方法進行，蒸好的饅頭蓋上干紗布冷卻40 min，利用質(zhì)構(gòu)儀(TMS-PRO，美國FTC儀器公司)對饅頭質(zhì)構(gòu)特性進行分析測定，方法參照付蕾等[17]的方法。具體操作步驟為：將饅頭縱切成厚度約25 mm的均勻薄片，利用75 mm圓盤擠壓探頭進行TPA壓縮模式測試。測前速度50 mm/s，測試速度30 mm/s，測后速度50 mm/s，起始力0.8 N，形變量30%，測試指標主要為硬度和咀嚼性。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用SAS V8數(shù)據(jù)處理軟件和Excel 2007進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 148份小麥種質(zhì)HMW-GS的組成分析

由表1可知，在148個小麥種質(zhì)的Glu-1位點共檢測到17種HMW-GS類型。其中，Glu-A1位點有3種類型，分別為1、N、2*，1亞基出現(xiàn)頻率最高(56.8%)，其次為N亞基(39.2%)；Glu-B1位點檢測到7種亞基類型，分別為7+9、7+8、14+15、17+18、13+16、7、6+8，7+9亞基出現(xiàn)頻率最高(47.3%)，其次為7+8亞基(33.8%)，13+16、7、6+8亞基出現(xiàn)頻率較低，分別為2.0%，1.4%，0.7%；Glu-D1位點檢測到7種亞基類型，分別為2+12、5+10、5+12、2+10、4+12、2+11、2.2+12，2+12亞基出現(xiàn)頻率最高(45.9%)，其次為5+10亞基(43.2%)，4+12、2+11、2.2+12亞基出現(xiàn)頻率較低，分別為1.4%，0.7%，0.7%。

表1 148個小麥種質(zhì)Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1 位點的HMW-GS及其出現(xiàn)頻率Tab.1 Frequency of HMW-GS at Glu-A1，Glu-B1 and Glu-D1 loci in 148 wheat germplasms

由表2可知，在148個小麥種質(zhì)中共檢測到35種HMW-GS組合，其中，(1/7+9/2+12)組合出現(xiàn)頻率最高(13.4%)，(1/7+8/5+10)、(N/7+9/2+12)、(1/7+9/5+10)、(1/7+8/2+12)組合依次次之，出現(xiàn)頻率分別為12.1%，12.1%，10.0%，8.0%，(N/7+9/5+10)、(N/7+8/2+12)、(N/14+15/5+10)、(N/7+8/5+10)、(1/14+15/2+12)、(2*/7+9/5+10)、(1/7+9/5+12)、(2*/14+15/5+10)、(1/7+8/5+12)、(1/17+18/5+10)、(1/17+18/2+12)組合出現(xiàn)頻率較低；而剩余19種稀有亞基組合類型均僅在1份材料中檢測到，出現(xiàn)頻率均為0.7%。

2.2 不同來源小麥種質(zhì)HMW-GS的組成分析

由表3可知，不同來源小麥種質(zhì)的HMW-GS組成存在一定差異。在Glu-A1位點，大多數(shù)小麥種質(zhì)中檢測到1或N亞基，僅有少數(shù)小麥種質(zhì)檢測到2*亞基。其中，N亞基在國外、西南冬麥區(qū)小麥種質(zhì)中出現(xiàn)頻率較高，分別為62.5%，66.6%；而1亞基在黃淮冬麥區(qū)、長江中下游冬麥區(qū)出現(xiàn)頻率較高，分別為65.1%，70.4%。在Glu-B1位點，多數(shù)國內(nèi)小麥種質(zhì)檢測到7+9或7+8亞基，而多數(shù)國外小麥種質(zhì)具有7+9 或 17+18亞基。同時，國外小麥種質(zhì)在Glu-B1位點出現(xiàn)亞基類型最豐富，具有7+9、7+8、17+18、13+16、7、6+8等6種亞基類型；黃淮冬麥區(qū)小麥種質(zhì)在Glu-B1位點的亞基類型也很豐富，具有7+9、7+8、14+15、17+18、13+16、7等6種類型；而北方冬麥區(qū)、長江中下游冬麥區(qū)和西南冬麥區(qū)小麥種質(zhì)在Glu-B1位點檢測到的亞基類型較少。在Glu-D1位點，多數(shù)小麥種質(zhì)具有2+12 或5+10亞基。其中，50.0%國外小麥種質(zhì)攜帶5+10亞基，25.0%攜帶2+12亞基，攜帶2+10、2+11亞基的小麥種質(zhì)分別占12.5%；黃淮冬麥區(qū)小麥種質(zhì)中，2+12、5+10 亞基出現(xiàn)頻率較高，分別為44.6%，43.4%，其次為5+12、4+12亞基，出現(xiàn)頻率分別為7.2%，2.4%，而2+10、2.2+12亞基出現(xiàn)頻率最低，均為1.2%；長江中下游冬麥區(qū)、西南冬麥區(qū)，分別有92.6%，88.9%的小麥種質(zhì)攜帶2+12或5+10亞基，5+12、2+10亞基出現(xiàn)頻率均最低，且僅在1份材料中出現(xiàn)；北方冬麥區(qū)小麥種質(zhì)中僅檢測到2+12、5+10亞基，出現(xiàn)頻率分別為83.3%，16.7%。

表2 148個小麥種質(zhì)的HMW-GS組合及其出現(xiàn)頻率Tab.2 HMW-GS combination and its frequency in 148 wheat germplasms

表3 不同來源小麥種質(zhì)Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1位點的HMW-GS及其出現(xiàn)頻率Tab.3 HMW-GS and its frequency at Glu-A1，Glu-B1 and Glu-D1 loci in wheat germplasms from different regions

2.3 不同HMW-GS與小麥粉及饅頭加工品質(zhì)的關(guān)系

選用面粉白度、蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、吸水率、穩(wěn)定時間、粉質(zhì)質(zhì)量指數(shù)、饅頭硬度和咀嚼性等9個重要品質(zhì)指標研究HMW-GS與小麥粉及饅頭加工品質(zhì)的關(guān)系。其中，硬度和咀嚼性是衡量饅頭質(zhì)構(gòu)特性的2個重要指標，兩者值越小，表明面制品越柔軟、適口性越好。在檢測到的17種亞基類型中，選取11種主要亞基類型(出現(xiàn)的材料數(shù)大于4)進行分析(表4)發(fā)現(xiàn)，HMW-GS對面粉白度、濕面筋含量、吸水率、穩(wěn)定時間、粉質(zhì)質(zhì)量指數(shù)及饅頭的咀嚼性等品質(zhì)指標均具有顯著影響。其中，在Glu-A1位點，攜帶N亞基小麥種質(zhì)的面粉白度最高；在Glu-B1位點，攜帶14+15亞基小麥種質(zhì)的面粉白度和濕面筋含量均最高，但面團穩(wěn)定時間較短，攜帶17+18亞基小麥種質(zhì)的面團穩(wěn)定時間最長，且饅頭的硬度和咀嚼性均最好；在Glu-D1位點，攜帶2+10亞基的小麥種質(zhì)表現(xiàn)出較好的饅頭質(zhì)構(gòu)特性，攜帶5+10亞基的小麥種質(zhì)具有最長的面團穩(wěn)定時間，攜帶5+12亞基小麥種質(zhì)的面粉白度最高。進一步比較發(fā)現(xiàn)，攜帶相同HMW-GS材料的品質(zhì)指標間也存在一定差異。

2.4 HMW-GS組合與小麥粉及饅頭加工品質(zhì)的關(guān)系

選取10個代表性HMW-GS組合(材料數(shù)大于5)，分析不同亞基組合與小麥粉及饅頭加工品質(zhì)的關(guān)系。由表5可知，不同HMW-GS組合對小麥種質(zhì)品質(zhì)指標均存在顯著影響。其中，攜帶(1/7+8/2+12)、(1/7+8/5+10)、(N/7+9/5+10)亞基組合的小麥種質(zhì)具有較高的蛋白質(zhì)和濕面筋含量，且面團穩(wěn)定時間長，說明面團筋力較強；攜帶(N/14+15/5+10)、(N/7+9/5+10)亞基組合小麥種質(zhì)的面粉白度較高；攜帶(1/14+15/2+12)、(1/7+9/5+10)、(N/7+8/2+12)亞基組合小麥種質(zhì)饅頭的硬度和咀嚼性較小，適合制作優(yōu)質(zhì)饅頭；攜帶(N/14+15/5+10)、(N/7+9/2+12)、(1/7+9/2+12)亞基組合小麥種質(zhì)的面團筋力明顯較差。另外，攜帶相同HMW-GS組成材料的品質(zhì)指標間也存在差異。

表4 不同HMW-GS與小麥粉及饅頭加工品質(zhì)的關(guān)系Tab.4 Relationship between different HMW-GS and quality of flour and steamed bread

注：同列數(shù)據(jù)后的不同字母表示差異達5%顯著水平。表5同。

Note：Values with different letters in the same column mean significantly difference at 5% level. The same as Tab.5.

表5 不同HMW-GS組合與小麥粉及饅頭加工品質(zhì)的關(guān)系Tab.5 Relationship between different HMW-GS combination and quality of flour and steamed bread

3 結(jié)論與討論

在148個參試小麥種質(zhì)中，共檢測到17種HMW-GS類型，在Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1位點分別檢測到 3，7，7 種不同的亞基類型，亞基1、7+9、2+12在各自位點上出現(xiàn)的頻率最高，分別達到了56.8%，47.3%，45.9%，這與吳芳等[18]對來源于我國17個省(地區(qū))235個小麥種質(zhì)的分析結(jié)果基本一致；優(yōu)質(zhì)亞基1、7+8、14+15、5+10在參試小麥種質(zhì)中出現(xiàn)的頻率均較高，分別為56.8%，33.8%，10.8%，43.2%，說明多數(shù)參試小麥種質(zhì)的品質(zhì)較好。共檢測到35種亞基組合類型，其中，(1/7+9/2+12)、(1/7+8/5+10)、(N/7+9/2+12)、(1/7+9/5+10)組合出現(xiàn)頻率較高，均大于10%，還存在19種稀有亞基組合，出現(xiàn)頻率均僅為0.7%，進一步說明參試小麥種質(zhì)的HMW-GS組合具有較高的多樣性。

不同來源小麥種質(zhì)的HMW-GS組成存在一定差異。其中，國外引進小麥種質(zhì)和黃淮冬麥區(qū)小麥種質(zhì)的亞基類型較豐富，分別為13，15種，且出現(xiàn)優(yōu)質(zhì)亞基的頻率較高，說明國外引進種質(zhì)和黃淮冬麥區(qū)種質(zhì)具有較好的品質(zhì)。研究表明，優(yōu)質(zhì)亞基14+15對面包、面條和餃子等面制品的品質(zhì)具有重要影響，但在國外材料中比較少見[14，19-20]。本研究中，該亞基在黃淮冬麥區(qū)、長江中下游冬麥區(qū)和西南冬麥區(qū)小麥種質(zhì)中均被檢測到，且出現(xiàn)頻率也較高，但未在國外引進和北方冬麥區(qū)小麥種質(zhì)中檢測到。另外，6+8和2+11亞基僅出現(xiàn)在國外引進小麥種質(zhì)中，2.2+12亞基只在黃淮冬麥區(qū)種質(zhì)中被檢測到。

HMW-GS對小麥蛋白質(zhì)含量的影響不大，但對面團筋力和饅頭加工品質(zhì)的影響顯著，這與以往研究結(jié)果基本一致[21-22]。其中，亞基1、2*、7+8、17+18、5+10對面團穩(wěn)定時間均具有明顯的正向效應(yīng)，這些亞基是多數(shù)研究者公認的優(yōu)質(zhì)亞基[23-26]。迄今，有關(guān)HMW-GS對饅頭加工品質(zhì)影響的研究報道較少。本研究發(fā)現(xiàn)，2*、17+18、2+10亞基對饅頭的硬度和咀嚼性具有明顯的正向效應(yīng)，制作的饅頭適口性較好；攜帶(1/14+15/2+12)、(1/7+9/5+10)、(N/7+8/2+12)亞基組合種質(zhì)饅頭的加工品質(zhì)較好。范玉頂?shù)萚13]研究表明，N和2+12亞基對饅頭各品質(zhì)指標均具有正向效應(yīng)，(1/7+8/2+12)、(N/7+8/2+12)是制作優(yōu)質(zhì)饅頭的適宜亞基組合，這與本研究結(jié)果不太一致，可能是由于所用試驗材料及饅頭品質(zhì)評價方法不同導致。