小麥主要品質(zhì)性狀研究進(jìn)展

馬斯霜，白海波，惠 建，王敬東，李樹(shù)華

（寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心，銀川750002）

0 引言

小麥(Triticum aestivum L.)作為世界重要的經(jīng)濟(jì)糧食作物之一[1]，小麥的種植面積、產(chǎn)量等居世界首位。在中國(guó)小麥的種植面積和產(chǎn)量?jī)H次于水稻[2-3]，也是寧夏地區(qū)重要的糧食作物和生態(tài)修復(fù)作物。高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病一直是小麥重要的育種目標(biāo)[4]，中國(guó)小麥在經(jīng)歷了恢復(fù)性增長(zhǎng)、穩(wěn)定增長(zhǎng)、單產(chǎn)快速增長(zhǎng)和產(chǎn)量與品質(zhì)的同步提升4個(gè)不同階段的遺傳改良[3,5]，在小麥品質(zhì)、產(chǎn)量、抗病性、抗逆性等都有了顯著提升。隨著人們生活水平的不斷提高，育種目標(biāo)已從“吃得飽”向“吃得好”轉(zhuǎn)變，特別是對(duì)小麥品質(zhì)提升的需求越來(lái)越迫切。國(guó)內(nèi)小麥品質(zhì)性狀的研究起步相對(duì)較晚，在改革開(kāi)放以前主要集中于簡(jiǎn)單品質(zhì)性狀的研究；改革開(kāi)放至21世紀(jì)初，主要探索了小麥主要品質(zhì)性狀的遺傳規(guī)律。隨著基因組學(xué)的發(fā)展，中國(guó)小麥品質(zhì)性狀的研究進(jìn)入了分子遺傳研究快速發(fā)展階段，通過(guò)分子標(biāo)記對(duì)品質(zhì)性狀遺傳規(guī)律的解析和QTL定位分析，也克隆了重要品質(zhì)性狀調(diào)控基因和基因編輯定向改良。近幾年選育的小麥品質(zhì)相較以前已有大幅提升，但是仍舊不能完全滿足消費(fèi)需求，中國(guó)優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋、弱筋、高蛋白含量品種較少，小麥品質(zhì)仍處于中低水平。

小麥品質(zhì)性狀對(duì)小麥加工和生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。如籽粒硬度、出粉率、多酚氧化酶等性狀對(duì)小麥的加工品質(zhì)影響較大。籽粒硬度、出粉率不僅對(duì)磨粉時(shí)的出粉率、加水量和磨粉耗能存在負(fù)影響，而且對(duì)面粉顆粒的大小、破損淀粉數(shù)量等都具有決定性作用[6]。多酚氧化酶與胡蘿卜素含量相關(guān)，直接影響面粉顏色及面制品顏色。而蛋白含量、面筋含量、淀粉含量等主要品質(zhì)性狀對(duì)小麥營(yíng)養(yǎng)和加工品質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生影響。蛋白含量、面筋強(qiáng)度適中的面粉適合制作饅頭和面條，面筋較強(qiáng)的面粉適合做面包、面筋強(qiáng)度較低的面粉適合做餅干蛋糕，這都是面筋質(zhì)量、蛋白含量、淀粉質(zhì)量等共同作用于峰值粘度和膨脹勢(shì)的結(jié)果[8-10]。

目前對(duì)小麥品質(zhì)性狀已開(kāi)展大量研究，對(duì)171份云南自育和高代品系小麥品質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)容重、粗蛋白含量、吸水率等5個(gè)性狀可作為小麥品質(zhì)綜合表現(xiàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)[11]。按照國(guó)家糧食檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)決定品質(zhì)的10個(gè)性狀進(jìn)行主成分分析，主要品質(zhì)性狀可綜合為沉降因子、面團(tuán)因子和容重因子，累積貢獻(xiàn)率為93.54%，能反映小麥品質(zhì)性狀信息[12]。對(duì)14個(gè)面筋強(qiáng)度不同的小麥在4種施肥處理下連續(xù)2年測(cè)定48個(gè)小麥外觀、籽粒及面粉品質(zhì)、理化性狀以及餅干外觀、品質(zhì)性狀，各性狀之間存在比較復(fù)雜的關(guān)系[13]。通過(guò)連續(xù)多年對(duì)揚(yáng)麥系列品種品質(zhì)性狀分析，明確品質(zhì)類型，為今后優(yōu)質(zhì)品種選育奠定基礎(chǔ)[12]。還有研究對(duì)20個(gè)連續(xù)多年參加國(guó)家冬麥區(qū)域試驗(yàn)新品系的5個(gè)品質(zhì)性狀灰色關(guān)聯(lián)度分析，各指標(biāo)與品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)值表現(xiàn)為容重＞濕面筋含量/吸水率＞蛋白質(zhì)含量＞穩(wěn)定時(shí)間，且不同類型的品質(zhì)參數(shù)應(yīng)分別做灰色關(guān)聯(lián)度分析[14]。

小麥品質(zhì)性狀的遺傳規(guī)律和分子調(diào)控分析涉及多個(gè)重要研究方向。本文重點(diǎn)介紹了蛋白含量、淀粉含量、面筋含量、沉淀值幾個(gè)跟加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的遺傳改良進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。

1 關(guān)于小麥蛋白含量的研究

小麥籽粒蛋白主要由麥谷蛋白和醇溶蛋白組成，麥谷蛋白控制面團(tuán)的彈性，醇溶蛋白決定面團(tuán)延展性[7]，共占籽粒蛋白的80%左右，麥谷蛋白和醇溶蛋白不僅影響面團(tuán)面筋質(zhì)量與強(qiáng)度還對(duì)面粉加工品質(zhì)有決定性作用。麥谷蛋白可分為兩類，分別是高分子量谷蛋白(High molecular weight glutenin subunits，HMWGS)和低分子量谷蛋白(Low molecular weight glutenin subunits，LMW-GS)。高谷蛋白影響面團(tuán)彈性，低谷蛋白決定面團(tuán)粘性；醇溶蛋白分為α、β、γ和ω 4種不同類型，控制面團(tuán)的延展性。

目前為止，已經(jīng)在四倍體小麥、六倍體小麥和野生近源種等定位了約30個(gè)編碼高谷蛋白基因，已開(kāi)發(fā)分子標(biāo)記，并構(gòu)建遺傳群體、突變體、轉(zhuǎn)基因材料和基因編輯突變體對(duì)高分子量谷蛋白和低分子量谷蛋白的品質(zhì)效應(yīng)詳細(xì)分析。通過(guò)對(duì)300份1BL/1RS異位系的HMW-GS組成及品質(zhì)性狀分析，有31份1BL/1RS異位系在Glu-A1、Glu-B1、Glu-D13個(gè)位點(diǎn)均可編碼優(yōu)質(zhì)HMW-GS，其中有9份異位系材料具有較高的品質(zhì)育種價(jià)值[15]。利用RIL群體分析在不同水分條件下品質(zhì)性狀的變化，發(fā)現(xiàn)各亞基、沉降值和形成時(shí)間受水分影響較小，蛋白含量和面團(tuán)延展性影響較大[16]。將加拿大特強(qiáng)筋小麥Glenlea與龍麥20連續(xù)回交6次，并利用分子標(biāo)記輔助選擇，將HMW-GS7OE+8*引入龍麥20，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)蛋白含量增加1.5%[17]。從小麥近緣種Aegilops uniaristata中克隆了LMW-N13基因，轉(zhuǎn)化獲得突變體植株，發(fā)現(xiàn)蛋白含量、面筋含量、面粉穩(wěn)定時(shí)間等都得到了顯著提升[18]。Glu-B1位點(diǎn)上的發(fā)生沉默的1Bx20和1By20基因分析發(fā)現(xiàn)，基因沉默會(huì)導(dǎo)致粉質(zhì)參數(shù)和面包加工品質(zhì)顯著下降[19]。還有研究分析1Bx20和1By20基因沉默突變體，沉默基因?qū)е旅娣鄣暮姹浩焚|(zhì)和加工品質(zhì)下降，蛋白含量、面筋含量降低，可作為一種高質(zhì)量的弱筋材料用于餅干制作[20]。對(duì)301份小麥品種（品系）的醇溶蛋白進(jìn)行分析，共分離出93種不同遷移率的譜帶發(fā)現(xiàn)，譜帶γ-52.2和α-80.7可顯著增加粗蛋白含量[21]。分析137份安徽小麥面粉品質(zhì)、面筋質(zhì)量和醇溶蛋白譜帶，其中譜帶β-68.0與面粉質(zhì)量和面筋質(zhì)量呈顯著相關(guān)性，α-73.4與面粉色澤度呈顯著正相關(guān)[22]?！妻r(nóng)199’Glu-D1位點(diǎn)上1Dy12基因沉默的突變體研究發(fā)現(xiàn)加速低分子量谷蛋白亞基和醇溶蛋白的合成[23]。將W3879中正常表達(dá)的1Ax和1Ay亞基通過(guò)連續(xù)不斷地雜交和回交方式轉(zhuǎn)移到Lincoln中，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)1Ay亞基能夠顯著提升蛋白含量，增加產(chǎn)量[24]。百薩偃麥草(Thinopyrum bessarabicum)的Glu-1Ebx基因轉(zhuǎn)到普通小麥，突變體植株中全部HMW-GS基因的表達(dá)受到了抑制，但突變體植株中醇溶蛋白的含量顯著增加，同時(shí)醇溶蛋白各組分的比例也有所變化[25]。利用基因編輯設(shè)計(jì)了2個(gè)sgRNAs靶向醇溶蛋白基因編碼33-mer的保守區(qū)，獲得21個(gè)突變株，都表現(xiàn)出較高含量的醇溶蛋白[26]。王煒等[27]利用矮敗材料與和尚頭等10個(gè)品質(zhì)性狀優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的品種雜交，雜交后代進(jìn)行花藥培養(yǎng)，對(duì)花培后代進(jìn)行HMWGS、LMW-GS工6個(gè)優(yōu)質(zhì)蛋白亞基分子檢測(cè)，共篩選出3份品質(zhì)優(yōu)良的新材料。

2 關(guān)于小麥面筋含量的研究

小麥面筋含量直接影響面團(tuán)黏性和彈性，對(duì)烘焙品質(zhì)也存在較大影響，而且面筋的吸水率也是儲(chǔ)藏品質(zhì)的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)[28]。根據(jù)面筋強(qiáng)度的不同可做不同的面制品，如低筋粉可做餅干，中強(qiáng)筋粉可做饅頭、餅子、面條，優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋粉可用來(lái)制作優(yōu)質(zhì)面包。目前，中國(guó)小麥面粉大都屬于中間類型，即面筋強(qiáng)度低，面團(tuán)的延展性差、蛋白含量中等，優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)筋粉和弱筋粉都較為缺乏[29]。

一個(gè)即能夠衡量營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、加工品質(zhì)、儲(chǔ)藏品質(zhì)，又可以決定小麥品質(zhì)優(yōu)劣的重要品質(zhì)性狀，目前已有大量研究，對(duì)培育優(yōu)質(zhì)高筋、低筋等專用型小麥具有重要意義。聚合了3個(gè)不同親本優(yōu)點(diǎn)的黑小麥‘稷紫黑麥9號(hào)’，品質(zhì)性狀優(yōu)良營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，面筋含量、微量元素都高于普通小麥[30]。構(gòu)建RIL群體分析籽粒性狀與品質(zhì)性狀間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)粒寬與面筋含量、強(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)[31]。還有研究構(gòu)建RIL群體連續(xù)兩年對(duì)品質(zhì)性狀QTL定位，定位到1個(gè)面筋含量QTL位點(diǎn)，位于5A染色體上，表型變異率8.40%～12.96%[32]。波蘭小麥和普通小麥雜交產(chǎn)生的RIL群體和F10為材料對(duì)品質(zhì)性狀進(jìn)行QTL分析，兩年都在6A染色體的Xbarc104～Xcfa2114標(biāo)記區(qū)間內(nèi)與Xbarc104相距1.2cM處檢測(cè)到濕面筋含量QTL位點(diǎn)5個(gè)[33]。以野生二粒小麥染色體臂置換系(CASLs)為材料，連續(xù)兩年對(duì)品質(zhì)性狀進(jìn)行觀測(cè)，共檢測(cè)到3個(gè)控制面筋含量的QTLs，分別位于2BL、7BS和7BL染色體[34]。2個(gè)品質(zhì)性狀差異較大的品種構(gòu)建了F2群體和F2:3家系進(jìn)行分子檢測(cè)，共檢測(cè)到12個(gè)控制面筋含量的QTL位點(diǎn)，位于1A、3A、5A、6A、2B、3B、4B染色體[35]。高代T5VS·5DL易位系回交品系(BC4F4)及其分離群體(BC5F2)為材料研究發(fā)現(xiàn)T5VS·5DL易位系對(duì)培育優(yōu)質(zhì)弱筋小麥具有重要意義[36]。利用CRISPR/Cas9技術(shù)構(gòu)建了2個(gè)sgRNAs(sgAlpha 1,sgAlpha 2)編輯載體檢測(cè)突變體發(fā)現(xiàn)與野生型相比，面筋含量降低，且未檢測(cè)到非靶標(biāo)突變，為優(yōu)質(zhì)低筋面粉改良奠定基礎(chǔ)[26]。1Ee(1A)代換系與中國(guó)春雜交，連續(xù)多年多點(diǎn)研究發(fā)現(xiàn)1Ee染色體對(duì)面團(tuán)最大峰值有影響，對(duì)面筋含量等品質(zhì)性狀影響不大[37]。

3 關(guān)于小麥淀粉含量的研究

淀粉和蛋白是小麥主要的能量?jī)?chǔ)藏物質(zhì)，淀粉因結(jié)構(gòu)組成又分為直鏈淀粉和支鏈淀粉，不同小麥品種的淀粉含量及淀粉顆粒大小都存在差異。而且直鏈淀粉是影響面粉蒸煮食味的主要因素，而且對(duì)面粉的加工品質(zhì)影響較大[38]，研究表明合適的直/支鏈淀粉比能夠提高面粉的加工品質(zhì)[39]。構(gòu)建TaSPA-B過(guò)表達(dá)載體，突變體植株淀粉含量略有降低，且淀粉顆粒分布的更明顯，麥谷蛋白和ω-醇溶蛋白含量顯著降低[40]。構(gòu)建了SSIIa在小麥A、B、D染色體組敲除載體，轉(zhuǎn)化發(fā)現(xiàn)突變體小麥直鏈淀粉含量為35.70%，抗性淀粉含量增加了118%，顯示了生物技術(shù)在培育優(yōu)質(zhì)小麥的潛力[41]。以小麥淀粉分支酶(SBEIIa)為研究對(duì)象，構(gòu)建CRISPR/Cas9基因敲除系統(tǒng)，獲得小麥淀粉分支酶基因敲除載體，研究構(gòu)建的小麥淀粉分支酶基因敲除載體能對(duì)小麥SBEIIa基因表達(dá)量進(jìn)行負(fù)向調(diào)控，對(duì)后續(xù)小麥淀粉分支酶基因及向其他相關(guān)基因編輯調(diào)控研究提供科學(xué)依據(jù)[42]。連續(xù)多年多點(diǎn)測(cè)定372份歐洲小麥的蛋白含量、淀粉含量，利用SSR分子標(biāo)記確定遺傳參數(shù)，控制蛋白含量、淀粉含量的基因座為不同的等位基因，具有加性和上位性作用，可在育種中有效利用[43]分析了362份小麥淀粉合成關(guān)鍵基因TaSSIV基因在A、B、D染色體組的SNP多態(tài)性，共擴(kuò)增出來(lái)38個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)，TaSSIV-A、B、D分別有10個(gè)、15個(gè)和13個(gè)SNP，又利用CRISPR/Cas9技術(shù)構(gòu)建基因敲除載體發(fā)現(xiàn)，對(duì)SBEIIa基因表達(dá)量進(jìn)行負(fù)向調(diào)控，抗性淀粉含量增加[44]。李春艷等[45]研究在3種不同施磷下淀粉合成關(guān)鍵酶（AGPase和GBSS）活性和基因表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)在低磷條件下淀粉合成酶基因的表達(dá)量提高，淀粉含量增加。

4 關(guān)于小麥沉淀值的研究

沉淀值是小麥加工品質(zhì)優(yōu)劣的一個(gè)重要衡量指標(biāo)，遺傳力大，遺傳穩(wěn)定性高，是小麥育種工作者在品質(zhì)改良中比較重視的一個(gè)指標(biāo)[46-47]。沉淀值得測(cè)定可根據(jù)種子量選定，量少可采用SDS法，量多可采用Zeleny法[48]。目前關(guān)于沉淀值的遺傳改良研究報(bào)道不多。Li[48]、Ram等[49]研究發(fā)現(xiàn)沉淀值為多基因控制的數(shù)量性狀，廣義遺傳力較高，大多數(shù)為加性效應(yīng)，而且沉淀值也受顯性和上位性效應(yīng)控制；在小麥品質(zhì)性狀遺傳改良過(guò)程中親本選配、后代選擇中，沉淀值都可作為重要的篩選依據(jù)。有研究表明沉淀值與母本和沉淀值較低的親本存在相關(guān)性，在雜交親本選配時(shí)，在其他農(nóng)藝性狀優(yōu)良的前提下可根據(jù)沉淀值來(lái)選取，母本沉淀值要高；還可根據(jù)沉淀值的大小選取雜交后代[50]。沈業(yè)松等[51]對(duì)黃淮地區(qū)小麥種質(zhì)資源的品質(zhì)性狀分析發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)含量與沉淀值得高低呈極顯著正相關(guān)。李桂萍等[52]對(duì)不同雜交組合的F1、F2及親本的品質(zhì)性狀和面團(tuán)性狀研究發(fā)現(xiàn)蛋白含量、面筋含量、沉淀值三者呈正相關(guān)，且籽粒硬度也是重要篩選指標(biāo)。1Ee(1A)代換系和中國(guó)春連續(xù)多年多點(diǎn)研究結(jié)果表明，1Ee染色體對(duì)面團(tuán)最大峰值高度有較大幅度的提升，但是對(duì)蛋白含量、面筋含量、沉淀值等性狀影響不大[38]。

5 展望

小麥蛋白含量、面筋含量、淀粉含量、沉淀值等品質(zhì)性狀大都為多基因控制的數(shù)量性狀，遺傳規(guī)律相對(duì)比較復(fù)雜，受外界環(huán)境、水分狀況、氣候等因素的影響較大，而且對(duì)烘烤和加工十分重要。王健維[53]等基于不同遺傳群體對(duì)品質(zhì)性狀分子定位發(fā)現(xiàn)品質(zhì)性狀在染色體上分布不均勻，部分QTL位點(diǎn)集中成簇。王中秋[34]等認(rèn)為蛋白質(zhì)含量與濕面筋含量、沉降值和灰分含量呈極顯著正相關(guān)，而與淀粉含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。也有研究發(fā)現(xiàn)蛋白含量與面筋含量相關(guān)性較高，在新品種選育時(shí)，可將蛋白含量作為面筋含量的選擇指標(biāo)[54]。因此，可將蛋白含量、面筋含量、沉淀值等作為小麥品質(zhì)改良早代篩選的主要標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)改良這3個(gè)品質(zhì)性狀來(lái)提升小麥的綜合品質(zhì)。

目前，中國(guó)小麥品質(zhì)改良主要存在以下問(wèn)題。（1）優(yōu)質(zhì)高筋小麥和低筋小麥育種材料較少，小麥品質(zhì)性狀遺傳基礎(chǔ)狹窄，同質(zhì)化嚴(yán)重，需創(chuàng)制攜帶優(yōu)質(zhì)基因的育種材料，豐富優(yōu)質(zhì)基因庫(kù)。（2）尚未完全摸清各品質(zhì)性狀間的關(guān)系及各品質(zhì)性狀與環(huán)境的影響及品質(zhì)性狀與產(chǎn)量性狀間得互作關(guān)系。當(dāng)前優(yōu)質(zhì)小麥育種常用的方式是分子標(biāo)記針對(duì)性的輔助選擇，今后小麥品質(zhì)性狀遺傳改良可從以下幾點(diǎn)進(jìn)行。（1）加大優(yōu)質(zhì)小麥種質(zhì)資源的引種力度，豐富遺傳多樣性，擴(kuò)大遺傳背景。（2）常規(guī)雜交選育優(yōu)質(zhì)材料需重視親本的選擇，摸清各品質(zhì)性狀的遺傳規(guī)律，綜合其他表型性狀，有目的性的選取雜交親本，利用分子標(biāo)記輔助選擇，提高優(yōu)質(zhì)材料的選擇效率；最后配套合適的栽培技術(shù)，最大程度減少環(huán)境對(duì)品質(zhì)的影響。（3）建立完善優(yōu)質(zhì)小麥的評(píng)價(jià)體系，中國(guó)小麥種質(zhì)資源品質(zhì)類型大都屬于中間類型，缺乏優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥和弱筋小麥，必須進(jìn)一步深入研究強(qiáng)、中、弱不同面筋強(qiáng)度的小麥與面制品的相關(guān)性，建立不同面筋強(qiáng)度專用小麥品質(zhì)的評(píng)價(jià)體系。（4）加大生物技術(shù)在小麥品質(zhì)性狀改良中的應(yīng)用，小麥因其復(fù)雜的基因組結(jié)構(gòu)，改良難度較大。高通量測(cè)序技術(shù)發(fā)展成熟，為小麥調(diào)控基因的挖掘奠定基礎(chǔ)，也為小麥品質(zhì)性狀遺傳改良提供了更新的思路，開(kāi)展分子設(shè)計(jì)育種，有針對(duì)性的實(shí)現(xiàn)小麥品質(zhì)性狀的精準(zhǔn)改良是未來(lái)小麥品質(zhì)改良的主要方式。通過(guò)以上措施為優(yōu)質(zhì)小麥的培育奠定基礎(chǔ)。