wx基因缺失遺傳效應(yīng)在強(qiáng)筋小麥育種中的利用

楊雪峰，宋維富，趙麗娟，劉東軍，宋慶杰， 張春利，辛文利，肖志敏，張寶輝，王曉楠

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物資源研究所，黑龍江哈爾濱 150086；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所， 新疆北屯 836000；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市陳巴爾虎旗特尼河農(nóng)牧場，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021500； 4.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)遙感與信息研究所，黑龍江哈爾濱 150086)

顆粒結(jié)合淀粉合成酶(granule bound starch synthase，GBSS)是小麥直鏈淀粉合成的關(guān)鍵酶，由Waxy蛋白基因編碼，其等位基因被命名為wx基因(wx-A1、wx-B1、wx-D1)。它們的缺失、突變等可導(dǎo)致小麥胚乳中直鏈淀粉含量減少和支鏈淀粉含量增加，進(jìn)而影響小麥淀粉特性[1]。大量研究表明，低直鏈淀粉含量是優(yōu)質(zhì)面條小麥的特性[2-3]。本文擬對wx基因缺失的遺傳效應(yīng)在小麥品質(zhì)改良中的利用價(jià)值進(jìn)行探討，為面包、面條兼用型強(qiáng)筋小麥育種提供理論依據(jù)。

1 小麥wx基因缺失類型及其遺傳學(xué)效應(yīng)

1.1 小麥wx基因缺失類型及淀粉遺傳特性

普通小麥基因組中存在wx-A1、wx-B1和wx-D1三個(gè)wx基因，分別編碼Wx-A1、Wx-B1和Wx-D1三個(gè)Wx蛋白。小麥wx-A1位于7A染色體上，長度是2 781 bp；wx-B1位于4A染色體上，長度是2 794 bp；wx-D1位于7D染色體上，長度2 862 bp，這些基因均由11個(gè)外顯子和10個(gè)內(nèi)含子組成[4]。根據(jù)Wx蛋白亞基缺失情況，可將普通小麥劃分為以下八種類型：第一種為同時(shí)含有三個(gè)Wx蛋白亞基；第二、三、四種分別為缺失一個(gè)不同Wx蛋白亞基；第五、六、七種分別為同時(shí)缺失兩個(gè)不同Wx蛋白亞基；第八種是同時(shí)缺失三個(gè)Wx蛋白亞基。

在小麥淀粉特性遺傳基礎(chǔ)研究方面，Nakamura等[5]利用Kanto107(wx-A1及wx-B1基因缺失)和白火麥(wx-D1基因缺失)人工雜交，發(fā)現(xiàn)在F2代群體中非糯與全糯的分離比例為63∶1。陳新民[6]通過該分離比例，認(rèn)為六倍體糯小麥的遺傳是由3對隱性基因所控制。Miura等[7]利用雙、單倍體群體再次證實(shí)了wx基因缺失型遺傳符合孟德爾分配規(guī)律，且3個(gè)位點(diǎn)的突變均由隱性基因控制。姚金保等[8]通過對16個(gè)“糯×非糯”正反交組合研究認(rèn)為，15個(gè)組合符合3對隱性基因的分離比例。翟紅梅等[9]利用“單粒傳”法構(gòu)建了“藁城8901×糯麥1號”組合的8種wx基因突變類型的重組自交系，發(fā)現(xiàn)各突變類型出現(xiàn)頻率符合孟德爾遺傳規(guī)律，屬于質(zhì)量性狀遺傳。

1.2 小麥wx基因缺失類型的遺傳學(xué)效應(yīng)

有研究結(jié)果表明，wx基因缺失數(shù)量越多，小麥直鏈淀粉含量越低[10]。缺少兩種wx基因時(shí)，對直鏈淀粉含量的影響依次是wx-B1/wx-D1>wx-A1/wx-B1>wx-A1/wx-D1[11]。當(dāng)普通小麥品種缺失1或2個(gè)wx基因時(shí)，可被稱之為部分糯質(zhì)突變體；同時(shí)缺失3個(gè)wx基因則為全糯質(zhì)突變體[6]。

不同位點(diǎn)wx基因缺失型對小麥淀粉特性影響程度不同。研究表明，3個(gè)wx基因的直鏈淀粉合成能力為wx-B1>wx-D1>wx-A1，wx-B1基因缺失會導(dǎo)致小麥品質(zhì)產(chǎn)生顯著變化[12-13]。劉建軍等[14]認(rèn)為，wx-B1基因的缺失有利于淀粉糊化黏度、面粉膨脹體積和面條品質(zhì)的提高；宋健民等[15]通過對6類wx基因組成的14個(gè)小麥品種進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)wx-B1基因缺失品種的直鏈淀粉含量最低，膨脹勢和峰值粘度最高，面條評分 最高。

2 小麥wx基因缺失資源的篩選與利用

2.1 小麥wx基因缺失資源的鑒定與篩選

利用分子標(biāo)記輔助手段可實(shí)現(xiàn)對小麥wx基因缺失的鑒定和篩選。如劉迎春等[16]開發(fā)出了以簡單重復(fù)序列(simple sequence repeat，SSR)和序列標(biāo)簽位點(diǎn)(sequence tagged site，STS)為主的標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)了wx基因缺失類型精準(zhǔn)鑒別。Slade等[17]利用定向誘導(dǎo)基因組局部突變技術(shù)(targeting induced local lesions IN genomes，TILLING)檢測出246個(gè)wx基因的等位基因。Zahra等[18]利用 PCR技術(shù)同時(shí)可檢測三個(gè)不同wx基因。裔 新[19]成功開發(fā)了用于wx-D1d基因突變類型檢測的競爭性等位基因特異PCR(kompetitive allele specific PCR，KASP)標(biāo)記，并利用該標(biāo)記創(chuàng)制了8種wx基因型近等基因系。

近年來，眾多研究者利用分子標(biāo)記等手段已鑒定篩選出許多Wx-A1、Wx-B1和Wx-D1蛋白亞基部分缺失的小麥種質(zhì)資源，但在六倍體小麥中尚未發(fā)現(xiàn)全糯性(3個(gè)wx基因缺失)天然變異體。如哈力旦·依克熱木等[20]對國內(nèi)外169份冬小麥和春小麥品種開展分子檢測，發(fā)現(xiàn)wx-A1、wx-B1和wx-D1基因缺失類型分布比例分別為25.44%、31.36%和4.73%。高華利等[21]在國內(nèi)不同麥產(chǎn)區(qū)的285份小麥種質(zhì)中鑒定出1份wx基因全缺失材料白糯麥(人工雜交創(chuàng)造)。陳 虎[22]在786份中國地方小麥資源中挖掘出13份wx-A1基因缺失材料(白苦麥、紅臭麥、火麥等)和25份wx-B1缺失材料(禿頭白、大冬小麥、白禿麥等)。李思宇等[23]利用甲基磺酸乙酯(ethyl methane sulfonate，EMS)等化學(xué)誘變處理方法，分別獲得了Wx-A1和Wx-B1亞基缺失的突 變體。

2.2 小麥wx基因缺失資源的利用

目前，wx基因缺失資源在小麥育種中的利用范圍主要為：(1)進(jìn)行部分糯性小麥新種質(zhì)創(chuàng)造和面條或面包、面條兼用型強(qiáng)筋小麥新品種選育。如近年來，黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院“龍麥號”小麥育種者利用常規(guī)雜交、回交和分子標(biāo)記輔助選擇等各種方法，實(shí)現(xiàn)了wx-B1基因缺失與高分子麥谷蛋白亞基(HMW-GS)5+10和Bx7OE等優(yōu)質(zhì)亞基在部分糯性強(qiáng)筋小麥新種質(zhì)中的定向積聚，并選育推廣了龍麥35等多個(gè)面包、面條兼用型強(qiáng)筋小麥新品種。(2)開展全糯性小麥種質(zhì)創(chuàng)新及新品種選育。如1995年，日本研究者首先利用品種Kanto107與白火麥人工雜交獲得全糯小麥新品種[5]。2004年以來，中國科學(xué)院成都生物研究所和安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位先后育成了白糯麥17和安農(nóng)系列等多個(gè)全糯小麥新品種。劉冬成等[24]利用12份高產(chǎn)小麥品種(系)作為輪回親本，與天糯158雜交，結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇等技術(shù)，創(chuàng)造了多份農(nóng)藝性狀優(yōu)良、糯性性狀穩(wěn)定的小麥新種質(zhì)，為糯性小麥開發(fā)利用提供了可靠物質(zhì)基礎(chǔ)。

3 wx基因缺失效應(yīng)在強(qiáng)筋小麥育種中的利用價(jià)值

3.1 顯著改善面條和面包品質(zhì)

wx基因缺失可明顯改善面條和面包品質(zhì)。如方正武等[25]研究發(fā)現(xiàn)，wx基因缺失可顯著提高面條的軟硬度評分和光滑性評分。于春花等[26]認(rèn)為，wx基因缺失在一定程度上提高了面條感官品質(zhì)，尤其是wx基因單缺失型可顯著提高面條品質(zhì)。劉愛峰等[27]開展糯小麥配粉試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)筋小麥品種濟(jì)麥20和中筋小麥品種濟(jì)麥22面粉中分別添加20%～40%的糯小麥品種濟(jì)糯1號面粉可提高面粉蛋白質(zhì)含量、面筋指數(shù)、吸水率，降低淀粉糊化回升值，改善面條適口性和光滑性。澳大利亞以面條麥育種聞名世界，其大多優(yōu)質(zhì)面條品種均屬wx-B1基因缺失類型[28]，進(jìn)一步證明了wx基因缺失效應(yīng)在強(qiáng)筋小麥育種中的利用價(jià)值。

另外，還有研究發(fā)現(xiàn)，過低直鏈淀粉含量(小于5%，如糯小麥)將會造成適口性及彈性變差降低小麥面條評分[29]。直鏈淀粉含量與面包品質(zhì)呈負(fù)相關(guān)性[30]，低直鏈淀粉含量能夠延緩面包老化速度等[31]。

3.2 面包面條兼用型強(qiáng)筋小麥品種的主要品質(zhì)遺傳基礎(chǔ)

wx基因缺失和5+10等優(yōu)質(zhì)亞基基因是面包、面條兼用型強(qiáng)筋小麥品種的主要品質(zhì)遺傳基礎(chǔ)，已被小麥育種者所認(rèn)同。方正武等[25]利用以鎮(zhèn)麥9號和揚(yáng)糯麥1號為親本的2個(gè)高代穩(wěn)定系為試驗(yàn)材料開展研究，結(jié)果表明，集聚wx基因缺失和5+10優(yōu)質(zhì)亞基能夠顯著提高小麥淀粉、蛋白質(zhì)品質(zhì)，改善面條蒸煮品質(zhì)和提高感官評分，并可顯著改良面條制作品質(zhì)。我國育成推廣的鄭麥366、龍麥26和龍麥35等優(yōu)質(zhì)面包、面條兼用型強(qiáng)筋小麥品種均屬5+10等優(yōu)質(zhì)亞基與wx-B1基因缺失集一體類型。其中，龍麥26的淀粉含量等指標(biāo)與澳大利亞優(yōu)質(zhì)面條麥品種Eradu相當(dāng)(表1)。這些優(yōu)良品種不僅在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)上得到大面積應(yīng)用，而且為我國強(qiáng)筋小麥育種發(fā)展和面粉加工企業(yè)各種專用粉生產(chǎn)提供了親本和原料保障。

表1 面包面條兼用型小麥品種的淀粉含量Table 1 Starch content of wheat cultivar with good bread and noodle-making quality

總結(jié)“龍麥號”系列面包面條兼用型強(qiáng)筋小麥育種成功經(jīng)驗(yàn)[32]，wx-B1基因缺失和5+10等優(yōu)質(zhì)亞基不可或缺。定向進(jìn)行5+10等優(yōu)質(zhì)亞基基因與wx-B1基因缺失積聚與跟蹤，對實(shí)現(xiàn)小麥淀粉特性與面筋質(zhì)量同步改良具有重要作用。

3.3 拓寬強(qiáng)筋小麥的加工用途

我國強(qiáng)筋小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)踐表明，淀粉特性與面筋質(zhì)量同步改良可促使強(qiáng)筋小麥用途由單一性(面包或面條)向多元性(面包、面條兼用)發(fā)展。如河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究中心和黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院“龍麥號”小麥育種團(tuán)隊(duì)先后育成的鄭麥366、龍麥26和龍麥35等強(qiáng)筋小麥新品種，集 5+10等優(yōu)質(zhì)亞基與wx-B1基因缺失為一體，蛋白質(zhì)(面筋)質(zhì)量優(yōu)異，淀粉糊化特性較好。生產(chǎn)的小麥不但可直接制作高檔面包粉，而且可利用于配麥、配粉工藝生產(chǎn)面條和餃子等各種專用粉。其中，小麥龍麥26原糧曾作為主要配麥和配粉原料，由黑龍江九三豐緣麥業(yè)集團(tuán)每日供應(yīng)“康師傅”方便面粉400噸。龍麥35在2014年參加農(nóng)業(yè)部強(qiáng)筋小麥品質(zhì)鑒評，獲面包烘焙品質(zhì)第一名，超過美麥DNS和香港金像面包粉，且面條評分獲得88分，現(xiàn)為東北春麥區(qū)第一主栽小麥品種[33]。

定向集聚5+10等優(yōu)質(zhì)亞基基因和wx-B1基因缺失，是強(qiáng)筋小麥蛋白質(zhì)(面筋)質(zhì)量和淀粉特性能否實(shí)現(xiàn)同步改良的關(guān)鍵。如近年來，黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院“龍麥號”小麥育種團(tuán)隊(duì)已將wx-B1基因缺失分子標(biāo)記和5+10等優(yōu)質(zhì)亞基生化標(biāo)記檢測作為常規(guī)技術(shù)用于強(qiáng)筋小麥育種之中，成效顯著，并先后選育推廣了龍麥26、龍麥33、龍麥35、龍麥36和龍麥67等多個(gè)面包、面條兼用型強(qiáng)筋小麥新品種，滿足了東北春麥區(qū)強(qiáng)筋小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。

4 小 結(jié)

wx基因缺失是小麥淀粉特性改良的可靠遺傳基礎(chǔ)。在降低小麥直鏈淀粉作用上，wx-B1基因缺失效應(yīng)明顯大于wx-D1和wx-A1，且遺傳學(xué)效應(yīng)穩(wěn)定，可用于強(qiáng)筋小麥淀粉特性的改良。wx-B1基因缺失效應(yīng)只有在優(yōu)異蛋白質(zhì)(面筋)質(zhì)量和較高蛋白質(zhì)(面筋)含量遺傳背景下，才能在面包面條兼用型強(qiáng)筋小麥育種中具有較高利用價(jià)值。