甘肅省小麥品種(系)HMW-GS和1BL/1RS易位系測(cè)定及其對(duì)品質(zhì)的影響

馬小樂，陳倩，汪軍成，姚立蓉，孟亞雄，李葆春，楊軻，司二靜，劉露露，王化俊，尚勛武

(1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

小麥?zhǔn)亲钪匾募Z食作物之一，其品質(zhì)狀況與食品加工息息相關(guān).小麥中高分子麥谷蛋白亞基(high molecular weight glutenin subunits，HMW-GS)含量只占到貯藏蛋白的10%左右，卻對(duì)面粉的加工品質(zhì)起著決定性作用.其中5+10亞基對(duì)品質(zhì)具有較大的正向貢獻(xiàn)[1]，5+10亞基能夠顯著改善小麥面粉的烘烤品質(zhì)[2]，并對(duì)小麥的高面筋強(qiáng)度、沉降值、蛋白質(zhì)質(zhì)量等性狀呈顯著正效應(yīng)[3-4].5+10亞基對(duì)拉伸指標(biāo)的改善作用最大，對(duì)遺傳背景和環(huán)境因素反映相對(duì)最弱[5].含有5+10亞基的材料在面筋指數(shù)、Zeleny沉降值、SDS沉降值、形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、最大阻力、拉伸面積、Prmax值、W值、P值上，均有不同程度的提高，差異顯著或極顯著[6]；而在濕面筋、濕面筋/干面筋、軟化度和延伸性上均有不同程度的降低，差異顯著或極顯著，在L值和吸水率上無差異顯著性[7].

1BL/1RS易位系是小麥1B染色體的短臂被黑麥1R染色體短臂取代而形成[8]，具有矮稈、高抗、豐產(chǎn)等特征.但1BL/1RS易位系對(duì)小麥品質(zhì)的負(fù)面效應(yīng)較大，主要是由于原本在1BS上編碼的LMW麥谷蛋白和醇溶蛋白缺失，而黑麥1RS上的黑麥堿蛋白表達(dá)所致.黑麥堿蛋白能使面團(tuán)的吸水性和水溶性增大，造成面團(tuán)發(fā)粘，致使1BL/1RS易位系品種的加工品質(zhì)普遍較差[9-10].在小麥新品種培育中，謹(jǐn)慎選擇易位系親本對(duì)品質(zhì)育種非常重要.

甘肅省是小麥的主產(chǎn)區(qū)，不僅擔(dān)負(fù)著甘肅省商品小麥生產(chǎn)量70%的重任，而且對(duì)甘肅省及青藏高原的糧食安全具有舉足輕重的作用.品質(zhì)改良也是沿黃灌區(qū)小麥生產(chǎn)的重點(diǎn).長(zhǎng)期以來因?yàn)橹匾暩弋a(chǎn)而忽視新育成品種的品質(zhì)狀況，從而使多數(shù)推廣品種的加工品質(zhì)不能達(dá)到特定面食品加工的要求，而面粉加工企業(yè)為了擺脫產(chǎn)品的單一性，不得不在面粉中添加面粉增強(qiáng)劑等，以此來提高面粉的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.而添加食品添加劑雖然符合國家的相關(guān)規(guī)定，但長(zhǎng)期食用對(duì)人體健康會(huì)有一定的影響，也有悖于人們對(duì)綠色食品回歸的呼聲.因此，培育適宜在河西地區(qū)大面積推廣播種的優(yōu)質(zhì)專用型小麥品種對(duì)于減少乃至杜絕面粉添加劑的使用、提高該地區(qū)小麥面粉的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、保證安全健康的綠色食品生產(chǎn)等均具有積極的意義.

鑒于上述原因，為了促進(jìn)甘肅小麥品質(zhì)育種工作，本研究以甘肅省春小麥品種(系)為試驗(yàn)材料，采用SDS-PAGE對(duì)已知HMW-GS組成的試驗(yàn)材料進(jìn)行了1BL/1RS易位系的鑒定，并根據(jù)鑒定結(jié)果將材料分成3種類型并分別測(cè)定其品質(zhì)狀況，分析1BL/1RS易位系對(duì)小麥品種品質(zhì)的影響，以便為品質(zhì)育種工作、小麥生產(chǎn)和食品加工提供一定的科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用63份主要小麥品種(系)作為試驗(yàn)材料，其中31個(gè)育成品種，4個(gè)地方品種，4個(gè)引進(jìn)品種，24個(gè)高代品系(包括13個(gè)優(yōu)良親本，主要來源于CIMMYT優(yōu)選高代材料，其余11個(gè)是在鑒定圃和品比圃表現(xiàn)良好的材料).

1.2 HMW-GS的測(cè)定

采用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳(sodium dodecyl sulfate-polyacry-lamide gel electrophoresis，SDS-PAGE)技術(shù)對(duì)HMW-GS的組成進(jìn)行分析.電泳方法參考文獻(xiàn)[12].Payne等[11]根據(jù)HMW麥谷蛋白亞基與沉降值的關(guān)系，建立了“Glu-1位點(diǎn)亞基的質(zhì)量評(píng)分系統(tǒng)”.

表1 HMW-GSs的評(píng)分

1.3 1BL/1RS易位系的檢測(cè)

采用Chai等[12]開發(fā)的黑麥堿ω-secalin基因的引物進(jìn)行擴(kuò)增.

1.4 小麥品質(zhì)的測(cè)定

1.4.1 面粉制備 由法國肖邦公司生產(chǎn)CD-1型仿工業(yè)實(shí)驗(yàn)?zāi)ツブ?，?4%濕基加水潤(rùn)麥，潤(rùn)麥時(shí)間因小麥質(zhì)地而定，軟麥24 h，硬麥40 h.按“二皮二心”方法磨制.“二皮二心”即該實(shí)驗(yàn)?zāi)シ謨蓚€(gè)進(jìn)料口，一個(gè)是倒入整籽粒去掉大麩皮(小麥?zhǔn)欠f果，種皮和果皮合二為一，因此一次可以去掉“二皮”)，共得到3部分—大麩皮、皮磨面粉、心粉；再將所得心粉在心磨中磨兩次，因此稱為“二心”，得到小麩皮、心磨面粉，心磨小麩皮.用來測(cè)定品質(zhì)的面粉是將皮磨面粉和心磨面粉混合均勻后的面粉.

1.4.2 指標(biāo)測(cè)定 蛋白質(zhì)含量、顆粒度、灰分采用瑞典Perton公司的inframatic8600近紅外儀測(cè)定.

1.4.3 沉降值 參考劉廣田等[13]的微量法.再根據(jù)AACC方法56-63“微量實(shí)驗(yàn)與改良的常量沉降值換算表”換算成改良常量值.

1.4.4 面團(tuán)流變學(xué)特性 采用法國肖邦公司的吹泡-稠度示功儀NG型測(cè)定.吹泡稠度儀測(cè)定面團(tuán)的彈性(P)、延伸性(L)、彈性指數(shù)(I.e.)、面團(tuán)膨脹指數(shù)(G)、吸水率、面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間等品質(zhì)指標(biāo).

1.4.5 面筋含量和面筋指數(shù) 采用瑞典Perton公司的Gluten Index面筋指數(shù)儀測(cè)定.包括2200型面筋儀、2015型離心儀、2020型烤干儀.測(cè)定步驟為：稱2份樣→洗面筋→離心→稱質(zhì)量→烘干→稱質(zhì)量.

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

用Excel 2010進(jìn)行作圖，利用SPASS 17.0軟件進(jìn)行相關(guān)性和顯著性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 HMW-GS的測(cè)定

對(duì)參試品種采用SDS-PAGE檢測(cè)了HMW-GS的組成(圖1、圖2、表2)，對(duì)表2進(jìn)行分析，不同等位基因間亞基變異及其出現(xiàn)頻率列于表3.由表3可知，在Glu-A1檢測(cè)到3種亞基，分別為Null、l、2*，其中Null的頻率最高，達(dá)到73.01%；其次為1亞基，占25.40%；Glu-B1有7種，分別為7+8、22、17+18、7+9、7、13+16，其中7+8亞基所占比率最高，占77.78%，其次為17+18亞基，占7.94%；Glu-Dl有8種，分別為2+12、2+11、5+10、2+10、10、11，所占比率最高的為2+12，占49.21%，其次為2+11和5+10，分別為20.63%、17.46%.具有優(yōu)質(zhì)亞基5+10的品種分別為‘甘春20號(hào)’‘永良4號(hào)’‘張春17’‘武春2號(hào)’‘甘春24號(hào)’‘甘春22號(hào)’等11個(gè)品種.

從左至右泳道分別為：對(duì)照‘CS-中國春’‘1-3和尚頭’‘4-5武春121’‘6-7甘春20號(hào)’‘8-10紫麥子’.

從左至右泳道分別為：‘1-3六十黃’‘4-5武春4號(hào)’‘6-7甘春24號(hào)’‘8甘春8107’‘9甘春8106’‘M-Marquis’.

表2 春小麥品種的HMW-GS及1BL/1RS易位系組成

B：育成品種；I：引進(jìn)品種；G：高代品系；L：地方品種；“+”代表為1BL/1RS易位系；“-”代表非1BL/1RS易位系.

B：Bred Varieties；I：Introduced Varieties；G：Generation of high strain；L：Local Varieties.“+”represents 1BL/1RS translocation line；“-”is not 1BL/1RS translocation line.

表3 小麥品種的高分子量麥谷蛋白亞基變異分析

亞基所占比率=出現(xiàn)該亞基的品種數(shù)/供試品種數(shù).

Proportion of subunits is equal to the number of species/number of species tested.

表4 HMW-GS組成類型

HMW-GS的組成類型(表4)總共有17種，所占比例最多的為N/7+8/2+12，占總數(shù)的41.27%；優(yōu)質(zhì)亞基組合1/17+18/5+10、1/7+8/5+10所占比例僅為4.76%、3.17%.

2.2 HMW-GS評(píng)分與品質(zhì)相關(guān)性的研究

根據(jù)Payne等[11]建立了“Glu-1位點(diǎn)亞基的質(zhì)量評(píng)分系統(tǒng)”對(duì)供試材料的Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1及Glu-1位點(diǎn)進(jìn)行評(píng)分，并對(duì)評(píng)分結(jié)果與品質(zhì)性狀進(jìn)行相關(guān)性研究，結(jié)果見表5.由表5可知，Glu-A1亞基評(píng)分與沉淀值、W值以及面團(tuán)形成時(shí)間呈極顯著正相關(guān)，與蛋白質(zhì)含量、面筋指數(shù)、面團(tuán)彈性(P)以及面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間呈顯著正相關(guān)；Glu-B1評(píng)分與面團(tuán)彈性呈極顯著負(fù)相關(guān)；Glu-D1亞基評(píng)分與沉淀值、W值、P值、面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間呈極顯著正相關(guān)，其中與W值和TPr的相關(guān)系數(shù)最高，分別為0.630、0.538，與面團(tuán)衰落值D250呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明Glu-D1的亞基與面團(tuán)品質(zhì)狀況的，對(duì)面團(tuán)品質(zhì)的貢獻(xiàn)較大，該位點(diǎn)的評(píng)分對(duì)面團(tuán)的品質(zhì)性狀影響較明顯.Glu-1總評(píng)分中，與沉淀值和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間呈極顯著正相關(guān)，分別為0.489、0.371，說明Glu-1總評(píng)分可較好的衡量面粉品質(zhì)和面團(tuán)品質(zhì)的狀況.

表5 亞基評(píng)分與部分品質(zhì)性狀的相關(guān)性

2.3 1BL/1RS易位系的檢測(cè)

根據(jù)Chai等[12]開發(fā)的黑麥堿ω-secalin基因的特異性引物，以各個(gè)供試品種的DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增，供試品種中有26個(gè)品種擴(kuò)增出了1 076 bp的目標(biāo)譜帶，占總數(shù)的41.27%.說明在小麥育成品種及親本材料中1BL/1RS易位系所占比例較高.

M-DNA maker；1-‘和尚頭’；2-‘武春121’；3-‘甘春22號(hào)’；4-‘武春4號(hào)’；5-‘永良4號(hào)’；6-‘甘春20號(hào)’；7-‘甘春23號(hào)’；8-‘甘春24號(hào)’；9-‘甘春26號(hào)’；10-‘張春11號(hào)’；11-‘中梁21’；12-‘K206’；13-‘P17-7011’；14-‘15-3129’；15-‘I126-110’；16-‘阿勃’；17-‘J90-9’.

2.4 1BL/1RS易位系對(duì)品質(zhì)性狀的影響

為了研究測(cè)定1BL/1RS易位系對(duì)小麥品質(zhì)的影響，同時(shí)消除不同HMW-GS組成本身對(duì)小麥品質(zhì)的影響，將供試材料的HMW-GS組成和1BL/1RS易位系測(cè)定后，根據(jù)含有5+10亞基及1BL/1RS易位系，將供試材料分為3種類型(表6)：Ⅰ類：含有5+10亞基但非1BL/1RS易位系；Ⅱ類：既有5+10亞基又有1BL/1RS易位系的品種；Ⅲ類：為1BL/1RS易位系但無5+10亞基.

對(duì)這三種類型材料的品質(zhì)性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類材料中，沉降值、彈性指數(shù)、面團(tuán)彈性、面筋指數(shù)、面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間等品質(zhì)指標(biāo)依次呈直線下降，并達(dá)到差異顯著水平，說明5+10亞基對(duì)這些品質(zhì)指標(biāo)的正向貢獻(xiàn)較大，而1BL/1RS易位系對(duì)這些品質(zhì)性狀有明顯的消減效應(yīng).

而品質(zhì)指標(biāo)蛋白質(zhì)含量、吸水率等，在三類材料中呈“凸”狀，即II類材料最高，Ⅰ、Ⅲ類材料均低于Ⅱ類材料，說明5+10亞基以及1BL/1RS易位系均對(duì)這兩個(gè)品質(zhì)指標(biāo)沒有決定性的影響，也說明這兩個(gè)品質(zhì)指標(biāo)的大小主要由基因型中的綜合因素決定.

面筋含量、面團(tuán)膨脹指數(shù)、延展性等品質(zhì)指標(biāo)在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類材料中，呈“凹”狀，即II類材料最低，且I類材料最高，均達(dá)到顯著差異水平，說明5+10亞基及1BL/1RS易位系對(duì)這些品質(zhì)指標(biāo)影響較小.

綜上所述，說明1BL/1RS易位系品種在影響小麥品質(zhì)性狀時(shí)，主要影響與小麥品種蛋白質(zhì)質(zhì)量有關(guān)的品質(zhì)性狀，而對(duì)蛋白數(shù)量的影響相對(duì)較小.

3 討論

3.1 Glu-1位點(diǎn)對(duì)品質(zhì)的影響

許多研究者發(fā)現(xiàn)，Glu-1位點(diǎn)對(duì)品質(zhì)的貢獻(xiàn)存在著加性效應(yīng)，以Glu-D1位點(diǎn)的作用最大，其次為Glu-B1和Glu-A1[11]，與本研究結(jié)果一致.3個(gè)位點(diǎn)中單個(gè)亞基對(duì)加工品質(zhì)的貢獻(xiàn)差異較大，但大部分學(xué)者認(rèn)為l和2*>N；G1u-D1位點(diǎn)5+10優(yōu)于其他所有亞基，就Glu-D1位點(diǎn)編碼的兩個(gè)等位變異5+10、2+12而言，對(duì)面包烘烤品質(zhì)的貢獻(xiàn)5+10遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2+12[14].研究發(fā)現(xiàn)Glu-D1位點(diǎn)的亞基組成對(duì)小麥烘烤特性影響最大，其次是1A位點(diǎn)，1B的最小[15-16].本研究中，Glu-D1位點(diǎn)的總評(píng)分與品質(zhì)性狀的相關(guān)性最高.亞基1A2*和1D5+10對(duì)優(yōu)良的面包品質(zhì)貢獻(xiàn)較大，而Null和2+12則與較差的烘烤品質(zhì)相關(guān)[17]，本研究中的供試材料含有優(yōu)質(zhì)亞基的比率較低，因此，在未來的品質(zhì)育種工作中，要繼續(xù)有目的的引進(jìn)含有5+10亞基、1、17+18等優(yōu)質(zhì)亞基.

甘肅省小麥品種HMW-GS亞基組成及品質(zhì)狀況已經(jīng)有不少研究[19-21]，在小麥品質(zhì)育種工作中，對(duì)親本材料的品質(zhì)狀況、HMW-GS的掌握、Glu-1位點(diǎn)HMW-GS的組成及評(píng)分均有助于小麥品質(zhì)育種工作的開展.因此，對(duì)近年來甘肅省育成品種的HMW-GS亞基組成及品質(zhì)狀況的研究，不僅有助于推動(dòng)小麥優(yōu)質(zhì)育種工作的進(jìn)行，還有助于其食品加工的確定，這也是我們亟待解決的問題.

3.2 1BL/1RS易位系對(duì)品質(zhì)的影響

Payne等[11]認(rèn)為Glu-D1編碼的5+10亞基與面包加工品質(zhì)存在正相關(guān)關(guān)系.而含有1BL/1RS易位系會(huì)對(duì)小麥加工品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響[18]，具體表現(xiàn)為，使面團(tuán)的吸水性和水溶性增大，造成面團(tuán)發(fā)粘.本研究結(jié)果表明，含有1BL/1RS易位系對(duì)含有5+10亞基品種的降落值、沉降值、面團(tuán)膨脹指數(shù)、面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間等均產(chǎn)生顯著的消減效應(yīng).但是也分析出在蛋白含量、吸水率、濕面筋含量等性狀上，1BL/1RS易位系并未產(chǎn)生有規(guī)律的影響.即易位系在影響蛋白質(zhì)數(shù)量的指標(biāo)中差異并不顯著，但在反映面筋質(zhì)量的品質(zhì)性狀中，如面筋指數(shù)、沉淀值、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間等指標(biāo)中，具有顯著影響，這一點(diǎn)與陳加江等[10]的研究結(jié)果一致.

不同字母表示3種類型間經(jīng)新復(fù)極差法有顯著差異(P<0.05).