小麥不溶性谷蛋白含量與HMW-GS及品質(zhì)的關(guān)系

朱保磊,陳金平，李 剛，周國(guó)勤，趙萬(wàn)兵，趙永濤，陳 杰，陳建輝，石守設(shè)，詹克慧

(1.信陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南信陽(yáng) 464000；2.信陽(yáng)市種子管理站，河南信陽(yáng) 464000；3.漯河市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南漯河 462000；4.駐馬店市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南駐馬店 463000；5.河南省對(duì)外科技交流中心，河南鄭州 450003；6.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南鄭州 450002)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)小麥加工品質(zhì)的要求越來(lái)越高。小麥加工品質(zhì)性狀是多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀[1]，品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定關(guān)系到小麥品質(zhì)育種的效率。谷蛋白大聚體(glutenin macropolymer,GMP)是小麥儲(chǔ)藏蛋白的重要組成部分，主要由HMW-GSs和LMW-GSs通過(guò)分子內(nèi)二硫鍵以及分子間范德華力聚合而成。GMP屬于分子量較大的聚合體蛋白，在面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成中起著重要作用，可直接影響面團(tuán)的彈性和延展性，進(jìn)而影響面制品的食品加工用途[2]。根據(jù)GMP在50%正丙醇溶液中的溶解性可將其分為分子量較小的可溶性谷蛋白(soluble glutenin,SG)和分子量較大的不溶性谷蛋白(insoluble glutenin,IG)[3]，IG相對(duì)于GMP提取方法簡(jiǎn)單，能夠通過(guò)分光光度計(jì)進(jìn)行快速和高通量的定量測(cè)定，且能夠代表GMP中聚合程度較大的那部分蛋白，對(duì)小麥加工品質(zhì)預(yù)測(cè)意義較大。

前人關(guān)于小麥GMP含量與品質(zhì)之間的關(guān)系研究較多，普遍認(rèn)為GMP主要對(duì)面團(tuán)延展性和彈性影響較大，進(jìn)而影響烘焙品質(zhì)[4-5]。Gupta等[6]用SE-HPLC方法研究了GMP含量與面團(tuán)流變學(xué)特性之間的關(guān)系，結(jié)果表明，GMP含量與揉混儀的和面時(shí)間、粉質(zhì)儀的面團(tuán)形成時(shí)間及面筋的黏彈特性均有顯著正相關(guān)關(guān)系。宋建民等[7]通過(guò)測(cè)定233份小麥面粉的沉淀值與GMP含量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)GMP含量與沉淀值存在極顯著相關(guān)性(r=0.923 9)。裴玉賀等[8]研究了166份來(lái)自不同地區(qū)的小麥HMW-GS組成與GMP含量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Glu-A1位點(diǎn)1亞基、Glu-B1位點(diǎn)13+16亞基和Glu-D1位點(diǎn)5+10亞基與較高GMP含量顯著相關(guān)。雖然前人對(duì)GMP含量進(jìn)行了大量的研究，但多集中研究GMP含量與品質(zhì)之間的關(guān)系，對(duì)于IG含量與品質(zhì)之間的關(guān)系研究較少，尤其缺乏對(duì)不同HMW-GS與IG含量之間的關(guān)系研究。本研究選用不同筋力的176份小麥材料進(jìn)行IG含量和品質(zhì)測(cè)定，分析IG含量與HMW-GS和品質(zhì)間的關(guān)系，以期為小麥品質(zhì)遺傳改良提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥材料共176份，全部來(lái)自黃淮麥區(qū)，主要包括：(1)主栽品種，如西農(nóng)979、周麥18、鄭麥366等；(2)骨干親本，如小偃6號(hào)、周8425B等；(3)正在參加審定試驗(yàn)的新品系，如濮2056、鄭麥1023等。全部材料于2015至2016年度分別種植于河南省鄭州市河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)、駐馬店農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地和商丘市農(nóng)林科學(xué)院試驗(yàn)基地。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4行區(qū)，行長(zhǎng) 1.5 m，行距23 cm，按每公頃225萬(wàn)基本苗播種，2次重復(fù)。田間管理同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.2 IG含量、HMW-GS和品質(zhì)性狀的測(cè)定

試驗(yàn)材料收獲后，利用單籽粒谷物測(cè)試系統(tǒng)(SKCS4100 Perten Instruments AB,Sweden)測(cè)定樣品的水分含量和硬度。根據(jù)硬度值調(diào)整潤(rùn)麥加水量和潤(rùn)麥時(shí)間，用CD1磨粉機(jī)(Laboratory Mill CD1)制粉。使用近紅外分析儀(Perten DA 7200)測(cè)定蛋白質(zhì)含量(干基)；采用德國(guó)Brabender H型電子粉質(zhì)儀，參照GB/T 14614-2006測(cè)定吸水率和穩(wěn)定時(shí)間。不溶性谷蛋白(IG)的提取與定量測(cè)定參照J(rèn)in 等[9]的方法進(jìn)行，但在提取的過(guò)程中略有改進(jìn)(即在漩渦震蕩前向試管中加入一粒鋼珠，使得面粉沉淀能夠與提取液進(jìn)行充分接觸)。HMW-GS類型的確定，采用劉 麗等[10]的操作方法制備供試樣品的蛋白上樣液和SDS-PAGE膠塊，使用北京六一儀器廠的DYCZ-24DN型垂直電泳儀進(jìn)行電泳。按照Payne等[11]的HMW-GS命名標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定分離條帶的亞基類型。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)特征數(shù)的計(jì)算。利用RStudio-1.2.5033軟件中的ggplot2函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和可視化，使用ggsignif函數(shù)對(duì)Glu-1位點(diǎn)不同亞基及不同亞基組合、穩(wěn)定時(shí)間、蛋白質(zhì)含量和吸水率與IG含量進(jìn)行方差分析，多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試材料的HMW-GS組成以及品質(zhì)性狀和IG含量分析

在176份小麥材料中，3個(gè)染色體位點(diǎn)共檢測(cè)到10種亞基類型，Glu-A1位點(diǎn)上檢測(cè)到1、N和2*的分布頻率分別為76.13%、23.30%和 0.57%，Glu-B1位點(diǎn)上檢測(cè)到7+8、7+9、13+16、14+15和17+18的分布頻率分別為 22.15%、61.37%、0.57%、13.07%和2.84%，Glu-B1位點(diǎn)上檢測(cè)到2+12和5+10兩種亞基類型，其分布頻率分別為51.70%和48.30%，較多亞基類型出現(xiàn)，說(shuō)明試驗(yàn)材料來(lái)源廣泛，具有很好的代表性。共檢測(cè)出16種HMW-GS組合(表1)，其中，含有1/7+9/2+12亞基組合類型的材料最多，占25.57%(45個(gè))，其次為1/7+9/5+10亞基組合類型，頻率為22.16%(39個(gè))，以上兩種HMW-GS組合占比達(dá)到47.73%。1/7+8/5+10和N/7+9/2+12亞基組合類型所占比例也較高，分別為 11.36%和10.80%，共有10種HMW-GS組合的出現(xiàn)頻率在5.00%以下。1/7+8/5+10亞基組合的平均IG含量最高，N/14+15/5+10亞基組合的平均IG含量最低。

由表2可知，供試小麥材料的IG含量變化范圍為1.25%～3.71%，平均值為2.44%，變異系數(shù)較大，為20.53%，其中，IG含量最低的是洛麥05159 ，最高的是鄭麥9023。面粉蛋白質(zhì)含量在11.76%～17.24%，平均為14.25%，變異系數(shù)為6.86%。吸水率在50.90%～68.80%之間，平均為5.49%，變異系數(shù)較小，說(shuō)明大多數(shù)供試材料的吸水率相差不大。穩(wěn)定時(shí)間在1.00～29.90 min之間，平均值為4.57 min，變異系數(shù)較大，為95.77%，根據(jù)GB/T 17320-2013的品質(zhì)劃分標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)試驗(yàn)材料為中筋。說(shuō)明供試材料之間具有較大的品質(zhì)差異。

表2 176份小麥品種(系)的品質(zhì)指標(biāo)Table 2 Quality parameters of 176 wheat varieties(lines)

2.2 Glu-1位點(diǎn)不同HMW-GS對(duì)IG含量的影響

由圖1可知，在Glu-A1位點(diǎn)上，含1亞基類型材料的IG含量顯著高于含N亞基類型的，說(shuō)明1亞基與較高的IG含量有關(guān)。在Glu-B1位點(diǎn)，含7+8亞基類型材料的IG含量顯著高于含7+9和14+15亞基類型的，含17+18亞基材料的IG含量與含7+8、7+9和14+15亞基材料之間差異不顯著。在Glu-D1位點(diǎn)，含5+10亞基材料的IG含量顯著高于含2+12亞基的，說(shuō)明5+10亞基與高的IG含量有關(guān)。同時(shí)含有3個(gè)優(yōu)勢(shì)亞基組合1/7+8/5+10材料的IG含量顯著高于其他HMW-GS組合，2個(gè)優(yōu)勢(shì)亞基的組合1/17+18/5+10亞基類型雖與N/7+8/2+12和1/7+8/2+12等8種亞基組合材料的IG含量間無(wú)顯著差異，但顯著高于N/7+9/2+12和N/14+15/5+10亞基組合。有些亞基類型和組合的材料數(shù)較少(1～2個(gè))，代表性不強(qiáng)，未比較。

箱線圖上無(wú)相同字母表示差異達(dá)5%的顯著水平。下同。Different letters above the boxplot indicate significant difference at 5% probability level.The same in figure 2.圖1 Glu-1基因位點(diǎn)不同HMW-GS的IG含量的多重比較Fig.1 Multiple comparison between different HMW-GS at Glu-1 loci and IG content

2.3 IG含量與小麥其他品質(zhì)性狀間的關(guān)系

由圖2可知，蛋白質(zhì)含量在12.5%～13.0%之間的材料平均IG含量最高，其次是蛋白質(zhì)含量高于14.0%材料的IG，二者顯著(P<0.05)高于蛋白質(zhì)含量在12.5%以下的材料。根據(jù)GB/T 17320-2013品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定時(shí)間大于8.0 min為強(qiáng)筋小麥，穩(wěn)定時(shí)間在6.0～8.0 min之間為中強(qiáng)筋小麥，穩(wěn)定時(shí)間在3.0～6.0 min之間為中筋小麥，穩(wěn)定時(shí)間低于3.0 min為弱筋小麥。隨著小麥品種IG含量的提高，穩(wěn)定時(shí)間呈增加趨勢(shì)。其中，強(qiáng)筋材料的IG含量顯著(P<0.05)高于其他筋力的，而中強(qiáng)筋和中筋材料之間IG含量無(wú)顯著差異，二者顯著高于弱筋材料。說(shuō)明IG含量可作為小麥品質(zhì)育種中的預(yù)測(cè)指標(biāo)，是提高育種效率的有效方法。根據(jù)GB/T 17320-2013對(duì)吸水率的劃分，弱筋小麥的吸水率在56.0 mL以下，中筋的吸水率在56～58 mL之間，中強(qiáng)筋的吸水率在58.0～60.0 mL之間，強(qiáng)筋的吸水率為高于60.0 mL。分析吸水量與IG含量之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，吸水率高于60.0 mL材料的平均IG含量最高，且顯著(P<0.05)高于58.0～60.0 mL之間的材料，在56.0 mL以下材料的平均IG含量次之，而吸水率在58.0～60.0 mL之間材料的IG含量最低。

圖2 品質(zhì)性狀與IG含量的關(guān)系Fig.2 Relationship between dough quality and IG content

3 討 論

前人研究表明，IG含量是一種典型的數(shù)量性狀，并且與面團(tuán)的粘彈特性、延展性、面包體積有顯著的相關(guān)性[9]。Jin等[9]研究了Glu-1位點(diǎn)與IG含量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)對(duì)于Glu-1位點(diǎn)，Glu-A1a(1Ax1)，Glu-B1b(1Bx7+1By8)和Glu-D1d(1Dx5 +1Dy10)在不同環(huán)境中相對(duì)于各位點(diǎn)的其他等位變異顯著地增加IG含量，這與本試驗(yàn)的結(jié)論一致。本研究通過(guò)分析供試材料的加工品質(zhì)與IG含量之間的關(guān)系，IG含量能夠較其他單一指標(biāo)更全面的反映出小麥品種的加工品質(zhì)，這與Zhang等[12]和Hu等[13]的研究結(jié)果一致，表明可以利用IG含量作為篩選育種后代的有效輔助工具。裴玉賀等[8]研究了Glu-1位點(diǎn)不同HMW-GS對(duì)GMP含量的影響，其在Glu-A1位點(diǎn)和Glu-D1位點(diǎn)上結(jié)論與本研究相一致，但其在Glu-B1位點(diǎn)上其研究結(jié)果表明，7+9與7+8與GMP含量的差異不顯著，這與本試驗(yàn)結(jié)論不一致，造成這種現(xiàn)象的原因有兩點(diǎn)：一是本研究中含有7+9亞基類型的部分材料為周8425B(1/7+9/2+12)的衍生品種(系)，而周8425B是1B/1R易位系的典型材料，其衍生品種(系)的IG含量普遍不高，且加工品質(zhì)不優(yōu)[14-18]，這也從側(cè)面佐證了Jin等[9]的研究結(jié)果(即1B/1R易位系能夠顯著降低IG含量，使小麥加工品質(zhì)變差)；二是本研究的不溶性谷蛋白(IG)是谷蛋白大聚體(GMP)中分子量較大的那一部分蛋白，調(diào)控其含量的因素較為復(fù)雜，同時(shí)受到基因型、環(huán)境以及基因型和環(huán)境互作的影響[19-20]。

從本研究結(jié)果可以看出，5+10亞基與較高的IG含量顯著相關(guān)，而5+10亞基作為面包評(píng)分較高的亞基類型，在小麥品質(zhì)改良過(guò)程中被廣泛利用[21-22]，但由于HMW-GS的鑒定過(guò)程較為復(fù)雜[23]。而IG含量的測(cè)定具有操作方法簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)可靠性強(qiáng)，并且可以實(shí)現(xiàn)高通量的特點(diǎn)，利用測(cè)定IG含量來(lái)代替試驗(yàn)步驟復(fù)雜的SDS-PAGE，不失為一種安全快速有效的育種輔助手段。本研究也表明，IG含量能夠綜合反映小麥的加工品質(zhì)，對(duì)小麥品質(zhì)育種具有很高的實(shí)用價(jià)值。