Pins基因等位變異對磨粉品質(zhì)和新疆拉面加工品質(zhì)的影響

桑 偉,劉鵬鵬,聶迎彬,崔鳳娟,韓新年,孔德真,鄒 波, 徐紅軍,穆培源

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物研究所，新疆石河子 832000； 2.谷物品質(zhì)與遺傳改良兵團重點實驗室，新疆石河子 832000；)

籽粒硬度是小麥最重要的品質(zhì)性狀之一，影響潤麥加水量、出粉率和破損淀粉粒含量等性狀，進(jìn)而影響面制品加工品質(zhì)[1]。小麥可按籽粒硬度分為硬質(zhì)麥和軟質(zhì)麥兩大類，其中硬質(zhì)麥面粉顆粒度較大，破損淀粉粒含量較高，具有較強的吸水能力，適合制作面包和優(yōu)質(zhì)面條；而軟質(zhì)麥面粉顆粒度較小，破損淀粉粒含量較低，吸水能力較弱，適合制作餅干和糕點類食品。硬質(zhì)小麥一般蛋白質(zhì)含量較高，且籽粒中蛋白質(zhì)和淀粉結(jié)合程度較強[2]。籽粒硬度主要取決于淀粉顆粒表面puroindoline蛋白含量的差異，不同puroindoline基因型的差異主要由Pina和Pinb基因(合稱Pins基因)的變異類型決定。目前研究一致認(rèn)為，Pina基因不表達(dá)或Pinb基因發(fā)生突變均會導(dǎo)致小麥胚乳質(zhì)地變硬[3]，但是不同的突變類型對硬度的影響不同，如Pina-D1b突變類型小麥的籽粒硬度較Pinb-D1b突變類型高[3-9]。目前已在普通小麥和近緣植物中發(fā)現(xiàn)了17種Pina變異類型(Pina-D1a,Pina-D1b,Pina-D1c,Pina-D1d,Pina-D1e,Pina-D1f,Pina-D1g,Pina-D1h,Pina-D1i,Pina-D1j,Pina-D1k,Pina-D1l,Pina-D1m,Pina-D1n,Pina-D1o,Pina-D1p,Pina-D1q)和25種Pinb變異類型(Pinb-D1a,Pinb-D1b,Pinb-D1c,Pinb-D1d,Pinb-D1e,Pinb-D1f,Pinb-D1g,Pinb-D1h,Pinb-D1i,Pinb-D1j,Pinb-D1k,Pinb-D1l,Pinb-D1m,Pinb-D1n,Pinb-D1o,Pinb-D1p,Pinb-D1q,Pinb-D1r,Pinb-D1s,Pinb-D1t,Pinb-D1u,Pinb-D1v,Pinb-D1w,Pinb-D1aa,Pinb-D1ab)[3-4,10-15]，其中Pina-D1ac是在新疆地方品種喀什白皮和前蘇聯(lián)品種紅星春麥中發(fā)現(xiàn)的新變異類型[16]。

不同puroindoline基因型對小麥磨粉品質(zhì)和食品加工品質(zhì)具有重要影響。研究表明，Pinb-D1b基因型的小麥在磨粉、饅頭、面條和面包加工品質(zhì)等方面均略優(yōu)于其他類型[17-19]。Giroux等[20]、Martin等[6-7]、Cane[8]等和Nagamine等[9]認(rèn)為Pina-D1a/Pinb-D1b基因型小麥的出粉率、磨粉評分、面粉顆粒大小、亮度(L*值)、紅度(a*值)、面團形成時間和延展性均高于Pina-D1b/Pinb-D1a基因型，但灰分含量和吸水率較低。陳 鋒等[1]研究表明，Pina-D1a/Pinb-D1b基因型小麥的籽粒硬度、面粉灰分含量和面粉a*絕對值均顯著低于Pina-D1b/Pinb-D1a基因型。Ma等[21]認(rèn)為Pina-D1b/Pinb-D1a基因型小麥的破損淀粉率高于其他基因型，但亮度(L*值)較低；Pina-D1b/Pinb-D1d基因型小麥的破損淀粉含量、出粉率和黃度(b*值)均低于其他基因型，但亮度(L*值)較高。Chen等[22]研究表明，Pinb-D1b基因型小麥制作的饅頭、面條和面包加工品質(zhì)均優(yōu)于Pina-D1b基因型和野生型。Pinb-D1a～g這7種基因型小麥的硬度值和破損淀粉粒含量低，出粉率則相對較高，其中，Pinb-D1g和Pinb-D1e基因類型的中國鮮面條評分高，Pinb-D1c和Pinb-D1d類型的饅頭品質(zhì)優(yōu)，Pinb-D1f類型的面包品質(zhì)優(yōu)[21,23]。Eagles等[24]認(rèn)為野生型(Pina-D1a/Pinb-D1a)面條的L*值、黃亮度(L*-b*)值和軟硬度均顯著好于Pina-D1b/Pinb-D1a基因型，但b*值較低；Pina-D1a/Pinb-D1b基因型的面條品質(zhì)優(yōu)于Pina-D1a/Pinb-D1a和Pina-D1b/Pinb-D1a基因型。

前人對新疆麥區(qū)在內(nèi)的主要小麥品種籽粒硬度表型及其基因組成和分布已經(jīng)進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究報道[5,25-27]，但尚未對puroindoline基因型對籽粒硬度、磨粉品質(zhì)和新疆拉面加工品質(zhì)的影響進(jìn)行系統(tǒng)分析。因此，本研究以109份新疆冬小麥品種(系)為材料，利用已開發(fā)的功能標(biāo)記對供試材料進(jìn)行Pins基因不同等位變異類型的檢測，并結(jié)合籽粒硬度、磨粉品質(zhì)性狀和新疆拉面加工品質(zhì)的測定，對不同puroindoline基因型對籽粒硬度、磨粉品質(zhì)和新疆拉面加工品質(zhì)的影響進(jìn)行綜合評價與分析，以期為新疆優(yōu)質(zhì)小麥品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試材料為109份新疆冬小麥品種(系)(表1)，包括新疆地方品種、國內(nèi)外引進(jìn)品種以及90年代以來審定和育成的品種和新品系，具有較好的代表性。參試冬小麥品種分別于2007年、2008年種植在新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物所試驗站，采用順序排列，2次重復(fù)，每個材料種植10行，行長1.8 m，行距0.25 m，條播，播種量2.33萬?！m-2，田間管理按大田常規(guī)方法進(jìn)行。2008年7月、2009年7月冬小麥正常成熟后，采用人工收獲，收獲后每個小區(qū)取2.0 kg籽粒，2個重復(fù)小區(qū)混合后得到4.0 kg籽粒作為分析樣品。小麥籽粒室溫存放1個月后制粉，根據(jù)硬度不同加水潤麥，軟質(zhì)麥、混合麥、硬質(zhì)麥分別加水至14.0%、 15.0%、16.0%，潤麥18～20 h，采用德國Brabender公司 Quandrmat Senior磨制面粉，面粉樣品室溫存放1個月后開始測定品質(zhì)，并在2個月內(nèi)完成全部測試內(nèi)容。

1.2 測定方法

1.2.1 品質(zhì)性狀的測定

籽粒硬度的測定：將小麥樣品于同一條件下放置3 d，水分控制在11%～13%之間。采用瑞典PERTEN公司生產(chǎn)的4100型單籽粒谷物特性測定儀(single kernel characterization system，SKCS)測定300粒小麥樣品的籽粒硬度。每個樣品測試結(jié)果為300粒小麥的平均值。根據(jù)SKCS儀顯示的硬度級別(硬質(zhì)H、軟質(zhì)S和混合型M)確定其質(zhì)地類型(硬質(zhì)麥、軟質(zhì)麥或混合麥)，同時記錄硬度指數(shù)和硬度分布頻率。樣品的硬度指數(shù)小于40為軟質(zhì)麥，大于60為硬質(zhì)麥，介于二者之間為混合麥。具體分類根據(jù)樣品的籽粒硬度指數(shù)和分布頻率確定。

面粉灰分含量的測定：使用丹麥FOSS公司1241型近紅外谷物成分分析儀按照AACC08-01方法測定面粉灰分含量。

面粉色澤的測定：使用日本KONICA MINOLTA 公司Minolta CR-310色彩色差儀測定面粉色澤，使用D65的CIE-L*、a*、b*的色度系統(tǒng)，L*值表示黑-白(亮)度，值越大則越白(亮)；a*值表示綠-紅色，值越大則越紅；b*值表示藍(lán)-黃色，值越大則越黃。

吸水率的測定：使用美國National manufacturing公司的10 g電子型揉面儀按AACC54-40A方法測定吸水率。

1.2.2 新疆拉面制作和評價

參照本實驗室制定的《新疆拉面制作和評價方法》[28]，略有改進(jìn)。新疆拉面制作方法中煮面時間由5 min改為拉面漂起水面即為煮熟，然后將拉面取出用自來水沖淋1 min。

1.3 Pins基因型的分子檢測

基因組DNA提取、STS標(biāo)記檢測、CAPs標(biāo)記酶切鑒定和基因型序列分析均參照Wang等[16]和王 亮等[27]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0進(jìn)行樣品平均數(shù)差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆冬小麥品種籽粒硬度特性及其Pins基因的分布頻率

從表1可以看出，在109份供試品種(系)中，硬質(zhì)麥有76份，占69.72%；混合麥有25份，占22.94%；軟質(zhì)麥有8份，占7.34%。說明新疆冬小麥品種(系)以硬質(zhì)麥為主。

對109份新疆冬小麥品種(系)的Pins基因型進(jìn)行分子檢測，結(jié)果表明，Pina基因型存在Pina-D1a(野生型)和Pina-D1b兩種等位變異類型，占比分別為93.58%和6.42%；Pinb基因型存在Pinb-D1a(野生型)、Pinb-D1b、Pinb-D1p、Pinb-D1ab和Pinb-D1aa5種等位變異類型，占比依次為16.51%、59.63%、21.11%、1.83%和 0.92%。Pina和Pinb基因型組合類型共有Pina-D1a/Pinb-D1a、Pina-D1a/Pinb-D1b、Pina-D1a/Pinb-D1p、Pina-D1a/Pinb-D1ab、Pina-D1a/Pinb-D1aa和Pina-D1b/Pinb-D1a六種，占比依次為10.09%、59.63%、21.11%、1.83%、 0.92%和6.42%。這些研究結(jié)果說明，Pina-D1a、Pinb-D1b、Pina-D1a/Pinb-D1b是新疆冬小麥品種(系)籽粒硬度Pins的主要基因型和基因型組合，硬質(zhì)麥主要來源于Pinb的突變。

參試冬小麥品種(系)Pina和Pinb基因型組合(表1)中，11份Pina-D1a/Pinb-D1a基因型材料中有7份為軟質(zhì)麥，4份為混合麥；65份Pina-D1a/Pinb-D1b基因型材料中有57份為硬質(zhì)麥，8份為混合麥；23份Pina-D1a/Pinb-D1p基因型材料中有21份為硬質(zhì)麥，2份為混合麥；2份Pina-D1a/Pinb-D1ab材料、1份Pina-D1a/Pinb-D1aa基因型材料和7份Pina-D1b/Pinb-D1a基因型材料均為硬質(zhì)麥。總之，軟質(zhì)麥的Pina和Pinb基因均為野生型，硬質(zhì)麥中Pina或Pinb基因卻發(fā)生了突變，混合麥介于二者之間，說明基因型與表現(xiàn)型基本一致。

2.2 不同Pins基因型和基因型組合對小麥籽粒硬度及磨粉品質(zhì)的影響

從表2可以看出，不同Pins基因型之間小麥面粉L*值和a*值的差異均未達(dá)到顯著水平，而籽粒硬度、出粉率、灰分含量、b*值和吸水率5個指標(biāo)的差異達(dá)到顯著水平。其中，Pinb-D1a基因型(野生型)小麥的籽粒硬度最低，為48.5，但面粉色澤最好，L*值最高(91.33)，a*值(-1.15)和b*值 (9.22)最低，其籽粒硬度與Pina-D1a(野生型)及其他突變類型間的差異達(dá)到顯著水平。不同Pins基因型中，Pina-D1b基因型小麥的籽粒硬度(68.8)最高，與Pinb-D1a基因型相比，差異顯著，而與其他基因型間無顯著差異;Pinb-D1aa基因型小麥的出粉率(67.2%)最高，與Pinb-D1ab基因型小麥相比，差異顯著，而與其他基因型間無顯著差異;Pinb-D1ab基因型的灰分含量(0.40%)最低、吸水率(62.0%)最高，其中，灰分含量與Pina-D1b基因型間差異顯著，吸水率與Pinb-D1a、Pinb-D1a、Pinb-D1b和Pinb-D1p這4種基因型間的差異均達(dá)顯著水平。

從表3可以看出，不同Pins基因型組合小麥的籽粒硬度顯著高于Pina-D1a/Pinb-D1a基因型(野生型)，其中，Pina-D1b/Pinb-D1a基因型組合的硬度最高，其他基因型組合的硬度大小依次為Pina-D1a/Pinb-D1ab>Pina-D1a/Pinb-D1p>Pina-D1a/Pinb-D1b>Pina-D1a/Pinb-D1aa，這5種基因型組合間的籽粒硬度無顯著差異。Pina-D1a/Pinb-D1aa基因型組合的出粉率顯著高于野生型和其他組合類型，Pina-D1a/Pinb-D1ab基因型組合的出粉率最低，與野生型間無顯著差異。Pina-D1a/Pinb-D1ab基因型組合的灰分含量最低，與Pina-D1a/Pinb-D1aa基因型間組合類型間無顯著差異，而與野生型及其他基因型間差異顯著。野生型的L*值最高，其次是Pina-D1a/Pinb-D1ab和Pina-D1a/Pinb-D1aa，且這3種基因型組合間差異不顯著；Pina-D1b/Pinb-D1a、Pina-D1a/Pinb-D1b和Pina-D1a/Pinb-D1p基因型組合小麥的面粉L*值均顯著低于野生型。不同基因型組合類型間的a*值差異不顯著。野生型的b*值最低，與Pina-D1a/Pinb-D1b基因型間差異不顯著，而與其他基因型間差異顯著。Pina-D1a/Pinb-D1ab的吸水率最高，與Pina-D1a/Pinb-D1aa、Pina-D1b/Pinb-D1a和Pina-D1a/Pinb-D1b3種組合類型間無顯著差異，而與Pina-D1a/Pinb-D1p和Pina-D1a/Pinb-D1a之間的差異達(dá)到顯著水平。

表3 不同Pins基因型組合小麥籽粒硬度、磨粉品質(zhì)的比較

2.3 不同Pins基因型和基因型組合對新疆拉面加工品質(zhì)的影響

從表4和表5可以看出，不同Pins基因型及其基因型組合間的新疆拉面加工品質(zhì)評價指標(biāo)基本沒有差異，僅基因型Pina-D1a、Pina-D1b、Pinb-D1a、Pinb-D1b和Pinb-D1p與Pinb-D1ab以及基因型組合Pina-D1a/Pinb-D1a(野生型)、Pina-D1a/Pinb-D1b和Pina-D1a/Pinb-D1p與Pina-D1a/Pinb-D1ab的表觀狀態(tài)、黏彈性2個指標(biāo)存在顯著差異，其他Pins基因型及其基因型組合間的拉面手感、適口性、光滑性、食味、色澤和拉面總分6個評價指標(biāo)無顯著差異。

表4 不同Pins基因型新疆拉面加工品質(zhì)的比較

表5 不同Pins基因型組合新疆拉面加工品質(zhì)的比較

根據(jù)新疆拉面感官評價標(biāo)準(zhǔn)(≥85分為優(yōu)，75～85分為良，65～75分為中，≤65分為差)，本研究中拉面感官評價總分≥85分的冬小麥品種有11個。這11個品種均為Pina-D1野生型和Pinb-D1突變類型，其中突變類型中，有9個品種為Pinb-D1b，2個品種為Pinb-D1p；從Pins基因型組合來看，9個品種為Pina-D1a/Pinb-D1b，2個品種為Pina-D1a/Pinb-D1p。

3 討 論

本研究表明，新疆冬小麥品種籽粒硬度Pins基因型中，Pina基因存在2種等位變異，Pinb基因存在5種等位變異，與已發(fā)現(xiàn)的17種Pina和25種Pinb變異類型[3-5,10-15]相同，Pins基因型組合類型有6種，其中Pina-D1a/Pinb-D1b數(shù)量最多，占59.63%，與我國冬小麥中最常見的基因組合類型[29]也一致。與前人研究結(jié)果相比，Pins基因型分布頻率與王 亮等[27]、哈力旦等[25]關(guān)于新疆冬小麥的研究結(jié)果一致，Pins基因型組合分布頻率同王 亮等[31]的研究結(jié)果一致，與哈力旦等[25]、叢 花等[26]的研究結(jié)果存在較大的差異，原因可能是研究材料的來源和數(shù)量不同造成的。本研究供試材料均為冬小麥，包括地方品種 (7.34%)、引進(jìn)品種(系)(29.36%)、新疆自育品系(38.53%)和新疆審定品種(24.77%)，其中新疆審定品種和自育品系數(shù)量較多，具有較好的代表性。

籽粒硬度是小麥品質(zhì)評價的重要指標(biāo)之一，Pins基因是形成小麥籽粒硬度的基礎(chǔ)，其變化會影響puroindolin蛋白的變化，進(jìn)而影響小麥胚乳質(zhì)地的變化，PINA 蛋白的缺失或編碼PINA和PINB 蛋白的基因突變均可造成小麥胚乳質(zhì)地變硬[3-5]，且不同Pins基因型對籽粒硬度大小的影響不同。本研究中Pins基因突變類型及其組合類型的籽粒硬度均顯著高于野生型，不同Pins基因型的籽粒硬度大小也存在差異， 其中，Pina-D1b基因型的籽粒硬度最高(68.8)，Pinb-D1a(野生型)的籽粒硬度最低(48.5)，Pina-D1a(61.9)、Pinb-D1b(64.6)和Pinb-D1p(66.5)三種主要基因型間的籽粒硬度無顯著差異；不同Pins基因型組合的籽粒硬度大小也存在差異，其中，Pina-D1b/Pinb-D1a基因型組合的籽粒硬度最高(68.8)，其他依次為Pina-D1a/Pinb-D1ab>Pina-D1a/Pinb-D1p>Pina-D1a/Pinb-D1b>Pina-D1a/Pinb-D1aa，這5個基因型組合與Pina-D1a/Pinb-D1a間差異顯著，這與王 亮等[27]、陳 鋒等[30]的研究結(jié)論基本一致。此外，在23個Pina-D1a/Pinb-D1p基因型材料中，新冬17號的籽粒硬度最高(80.5)；11個野生型(Pina-D1a/Pinb-D1a)材料中，新冬21號的籽粒硬度最低(11.5)，說明這兩個新疆冬小麥品種為籽粒硬度的特異材料，值得進(jìn)一步研究和利用。

不同Pins基因型對磨粉品質(zhì)具有重要影響[21]。本研究中，Pinb-D1a基因型的籽粒硬度最低，面粉色澤最好，L*值最高，a*值和b*值最低；Pina-D1b基因型的籽粒硬度和灰分含量最高，與前人研究結(jié)果一致[6,22-23]；Pinb-D1aa基因型的出粉率最高，與前人研究結(jié)果不同，原因可能是陳 鋒等[1]、Martin等[6]、Chen等[22]和Giroux等[31]等均采用春小麥或雜種后代為材料，以及馬冬云等[23]用Pinb-D1近等基因系為材料，而本研究供試材料為新疆冬小麥品種(系)。此外，Pina-D1b、Pinb-D1p、Pinb-D1aa基因型與Pinb-D1ab基因型間出粉率的差異均達(dá)到顯著水平，與Martin等[6]和Giroux等[31]結(jié)果一致。不同Pins基因型組合中，野生型的籽粒硬度最低，面粉色澤最好；Pina-D1a/Pinb-D1aa基因型組合的出粉率最高，Pina-D1a/Pinb-D1ab基因型組合的灰分含量最低，吸水率最高。前人研究表明，籽粒硬度與吸水率、面粉黃度(b*值)和灰分含量呈極顯著或顯著正相關(guān)，與面粉亮度(L*值)呈極顯著負(fù)相關(guān)[9,22]。本研究中不同Pins突變類型間籽粒硬度的差異不顯著，制粉過程中硬度大的小麥更易形成較多的破損淀粉顆粒，導(dǎo)致小麥粉吸水率增大，但硬度過大不利于面粉色澤的改善。這與陳 鋒等[1]、Nagamine等[9]、Chen等[22]、桑 偉等[32]的研究結(jié)果一致。

不同Pins基因型對面食加工品質(zhì)的影響不同[21]。Chen等[22]認(rèn)為Pinb-D1b基因型小麥的面條a*值、黏彈性和評價總分高于Pina-D1b類型和野生型。Eagles 等[24]認(rèn)為野生型的面條L*值、黃亮度(L*-b*)值和軟硬度分值顯著高于Pina-D1b/Pinb-D1a類型，但b*值顯著較低；Pina-D1a/Pinb-D1b類型的面條品質(zhì)優(yōu)于Pina-D1a/Pinb-D1a和Pina-D1b/Pinb-D1a2種類型。本研究發(fā)現(xiàn)，新疆拉面加工品質(zhì)中僅Pinb-D1ab、Pina-D1a/Pinb-D1ab基因型的表觀狀態(tài)、黏彈性與野生型和其他Pins基因突變類型存在顯著差異(除Pinb-D1aa、Pina-D1b/Pinb-D1a和Pina-D1a/Pinb-D1aa)，拉面手感、適口性、光滑性、食味、色澤和拉面總分在不同Pins基因型及其基因型組合間均無顯著差異，說明Pins基因及其基因型組合對新疆拉面加工品質(zhì)無顯著直接影響。這與Chen等[22]、Eagles 等[24]等研究的結(jié)果不同。原因可能是本研究供試材料雖具有新疆代表性，但Pinb-D1aa和Pinb-D1ab基因型樣本數(shù)量過少，研究結(jié)果還需進(jìn)一步驗證。從拉面總分為優(yōu)(≥85分)的Pins基因型中可以看出，11個優(yōu)良拉面品種中有9個品種為Pinb-D1b(占 81.82%)基因型，這與我國冬小麥品種籽粒硬度Pins基因主要以Pina-D1a/Pinb-D1b為主有關(guān)[29]；Pins基因發(fā)生突變，籽粒硬度變大、制粉過程中破損淀粉和灰分含量增加、面粉色澤變差，進(jìn)而影響拉面表觀狀態(tài)、光滑性、色澤、食味和拉面總分。這一分析結(jié)果說明，Pins基因突變類型通過影響磨粉品質(zhì)和面粉品質(zhì)，進(jìn)而對新疆拉面加工品質(zhì)產(chǎn)生間接的影響。這也與前人的研究結(jié)果相同[28,32-33]。同時，也再次驗證不同研究的結(jié)果受材料來源和數(shù)量多少的影響很大，因此，需進(jìn)行較大規(guī)模的試驗進(jìn)行進(jìn)一步研究，研究結(jié)果有待報告。

4 結(jié) 論

新疆冬小麥品種中，Pina基因以野生型為主，Pinb基因以突變型為主。當(dāng)Pina或Pinb基因發(fā)生突變后，冬小麥品種的籽粒硬度、出粉率顯著上升；面粉亮度顯著下降，a*值、b*值和吸水率等顯著升高；新疆拉面適口性變好，但拉面手感、表觀狀態(tài)、黏彈性、光滑性、色澤和拉面總分均略有下降，但未達(dá)到顯著水平(除Pinb-D1ab的表觀狀態(tài)和黏彈性外)。

Pins基因及其基因型組合對新疆拉面加工品質(zhì)無顯著直接影響，其主要通過影響籽粒硬度、磨粉品質(zhì)性狀對新疆拉面加工品質(zhì)產(chǎn)生間接的影響；對于優(yōu)質(zhì)新疆拉面品種，Pinb基因突變類型對新疆拉面加工品質(zhì)的影響大于Pina基因突變類型，育種中應(yīng)優(yōu)先選擇Pinb基因突變型材料，其中Pina-D1a/Pinb-D1b可以作為育種中重點選擇的基因型組合。