山東省小麥新品系高分子量麥谷蛋白亞基組成分析

郭 軍 毛瑞喜 李成磊 劉 悅，3 李金生，4 王 燕 劉愛峰 劉建軍 李豪圣 宋健民

（1 山東省農業(yè)科學院作物研究所，小麥玉米國家工程研究中心&農業(yè)農村部黃淮北部小麥生物學與遺傳育種重點實驗室&山東省小麥技術創(chuàng)新中心，濟南 250100；2 山東省種子管理總站，濟南 250100；3 魯東大學農學院，山東煙臺 264025；4 青島農業(yè)大學，山東青島 266109）

小麥是我國最重要的口糧作物之一，是人類獲取植物蛋白質的重要來源之一。隨著人民生活水平的提高，對小麥的品質有了更高的要求。小麥面粉能夠制作成面包、面條、饅頭、糕點等多種食品，滿足不同地區(qū)不同民族的消費需求，這主要是由其儲藏蛋白決定的，其中高分子量麥谷蛋白亞基（HMW-GS，High molecular weight glutenin subunit）在小麥加工品質中起重要作用。因此，育種中通過對小麥高分子量麥谷蛋白亞基組成進行優(yōu)化，培育出優(yōu)質小麥新品種，是小麥品質育種的重要內容之一。

研究表明，控制高分子麥谷蛋白亞基的基因位于小麥1AL（Glu-A1）、1BL（Glu-B1）和1DL（Glu-D1）染色體，分別有3、12 和7 種等位基因類型。目前已經從小麥中發(fā)現了至少24 個高分子麥谷蛋白亞基[1-2]。一般來講，除1A 染色體只編碼1 個x 亞基（y 亞基沉默）外，B 和D 染色體各編碼1 對HMWGS（x 和y 亞基），即HMW-GS 是成對存在的，如7+8、5+10 等。前人的研究表明[3-5]，1A 染色體有3種亞基類型（N、1 和2*），其中1 和2*亞基對小麥面包、面條加工品質具有正向效應；B 染色體至少可編碼13 種亞基類型（6+8、7+8、7OE+8、7、7OE、7+9、13+16、13+19、14+15、17+18、20+20、21和22），其中7+8、7OE+8、13+16、14+15 和17+18亞基對小麥面包加工品質具有正向效應；1D 染色體至少可編碼7 種亞基類型（2+12、2.2+12、4+12、3+12、2+11、5+10、5+12），2.2+12 和5+10 亞基對小麥面包、面條、饅頭加工品質具有正向效應。從以上的分析可以看出，小麥1B 染色體編碼的HMWGS 類型最多，而1A 染色體編碼的HMW-GS 類型較為匱乏（只有3 種）。十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳（SDS-PAGE）方法不僅簡便經濟而且高效快捷，目前已被廣泛用于麥谷蛋白亞基電泳分析[5-6]。

山東省是我國小麥優(yōu)勢產區(qū)，在保障國家糧食安全方面發(fā)揮了重要作用。盡管前人對山東省小麥品系（種）高分子量麥谷蛋白亞基進行過研究，但是有關近年來新育成的小麥新品系高分子量麥谷蛋白亞基組成分析的研究未見報道。本研究以2017-2020 年4 年度山東省區(qū)域試驗高產組和強筋組參試小麥新品系為試驗材料進行研究，分析高分子量麥谷蛋白亞基的分布情況，以期為山東省小麥品質改良提供參考信息。

1 材料與方法

1.1 試驗材料供試材料為2017-2020 年山東省區(qū)域試驗高產組和強筋組參試小麥新品系，剔除高分子量麥谷蛋白亞基雜合材料和區(qū)試對照材料后共計429 個。其中4 個年度高產組小麥材料分別有81、80、103、95 個，共計359 份；強筋組小麥材料分別為19、14、13、24 個，共計70 份，均保存于本實驗室。為避免材料重復導致統計分析失去代表性，以2017 年 和2019 年材料為1 組，2018 年和2020年為1 組，研究山東省小麥新品系的HMW-GS 類型及頻率，因為2017 年區(qū)域試驗參試材料在2019年進入生產試驗或者已淘汰，同理2018 年和2020年區(qū)域試驗材料也不重合。

1.2 高分子量麥谷蛋白亞基SDS-PAGE 電泳小麥高分子量麥谷蛋白亞基分析參考王偉等[7]的方法，具體為（1）蛋白質提?。好總€材料取3 粒種子，敲碎后混勻，50%異丙醇緩沖液提取種子谷蛋白；（2）蛋白質電泳：分離膠濃度為12%，濃縮膠濃度為3.7%。電流大小為20mA/板，電泳時間為18h；（3）凝膠染色、脫色和成像：0.1%考馬斯亮藍染色6～10h，蒸餾水脫色24～72h，凝膠成像儀成像。利用已知高分子量麥谷蛋白亞基帶型的小麥材料中國春（N，7+8，2+12）、濟麥22（N，7+8，4+12）和濟南17（1，7+8，4+12）作為對照。亞基判讀按Payne 等[6]的方法，品質得分按Payne 等[4]和黃興峰等[8]的方法計算（表1）。

1.3 數據分析利用Microsoft Excel 2003 計算亞基分布頻率和表格繪制。

2 結果與分析

2.1 高分子量麥谷蛋白亞基的等位變異及其頻率供試材料共計429 份，包括山東省區(qū)域試驗高產組材料359 份和山東省區(qū)域試驗強筋組材料70 份。對各品系進行蛋白質提取、電泳檢測和亞基判讀分析（圖1、表1）。在359 份高產組供試材料（2017 年+2019 年合計184 份，2018 年+2020 年合計175 份）的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位點上共鑒定出11種亞基類型（表2），分別為1、N，7+8、7+9、6+8、13+16、14+15、17+18，2+12、4+12、5+10，其 分布頻率分別為44.6%和43.4%、55.4%和56.6%，69.6%和68.0%、7.1%和11.4%、1.6%和0、1.1%和2.3%、0.5% 和0、20.1% 和18.3%，9.8% 和13.7%、56.5%和56.0%、33.7%和30.3%，這表明高產組材料的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位點分別以N、7+8 和4+12 亞基類型為主。

圖1 小麥品系高分子量麥谷蛋白電泳圖

表2 不同年度、不同組別高分子量麥谷蛋白亞基的等位變異及其頻率

在70 份強筋組供試材料（2017 年+2019 年合計32 份，2018 年+2020 年 合 計38 份）的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位點上共鑒定出10 種亞基類型（表2），分 別 為1、2*、N，7+8、7+9、13+16、17+18，2+12、4+12、5+10，其 分 布 頻 率 分 別 為84.4%和94.7%、3.1%和0、12.5%和5.3%，50.0%和36.8%、25.0% 和34.2%、3.1% 和5.3%、21.9%和23.7%，6.3% 和2.6%、31.3% 和23.7%、62.5%和73.7%，這表明山東省區(qū)域試驗強筋組材料的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位點分別以1、7+8 和5+10 亞基類型分布為主。

2.2 高分子量麥谷蛋白亞基組成及其變異頻率分析山東省區(qū)域試驗高產組359 份材料高分子量麥谷蛋白亞基組成及其變異頻率（表3），發(fā)現共有25種亞基組成類型，2017 年+2019 年、2018 年+2020年出現頻率均較高的亞基組合類型為：N、7+8、4+12 和1、7+8、4+12，其 頻 率 分 別 為33.2% 和26.1%、14.7%和14.1%。

分析山東省區(qū)域試驗強筋組70 份材料高分子量麥谷蛋白亞基組成及其變異頻率（表4），發(fā)現共有13 種亞基組成類型，2017 年+2019 年、2018年+2020 年出現頻率均較高的亞基組合類型為：1、7+8、5+10，1、17+18、5+10，1、7+9、5+10，1、7+8、4+12，1、7+9、4+12，其頻率分別為21.9%和23.7%、12.5% 和23.7%、15.6% 和18.4%、15.6%和7.9%、6.3%和13.2%，其中出現頻率最高的類型為1、7+8、5+10。

2.3 供試材料高分子量麥谷蛋白亞基品質評分如表2 所示，2017-2020 年山東省區(qū)域試驗高產組小麥材料Glu-1得分為：Glu-B1得分最高，為2.89分；Glu-D1得分次之，為2.08 分；Glu-A1得分最低，為1.88 分。2017-2020 年山東省區(qū)域試驗強筋組小麥材料Glu-1得分為：Glu-D1得分最高，為3.10分；Glu-A1得分次之，為2.83 分；Glu-B1得分最低，為2.70 分。從總的評分（Glu-1）來看（表3、表4），高產組小麥材料品質平均得分為6.85 分，強筋組小麥材料品質平均得分為8.63 分。

表3 不同年份高產組參試小麥高分子量麥谷蛋白亞基組成及其變異頻率

表4 不同年份強筋組參試小麥高分子量麥谷蛋白亞基組成及其變異頻率

3 結論與討論

小麥品質主要是由高分子量麥谷蛋白亞基決定[1-4]。王銀萍等[9]對黃淮麥區(qū)小麥品種高分子量谷蛋白亞基組成及遺傳多樣性分析研究，從Glu-A1，Glu-B1和Glu-D1位點等位基因組成來看，發(fā)現陜西小麥以1、7+8、2+12 為主要類型；江蘇小麥以1 或N、7+8、2+12 或4+12 為主要類型；河南和安徽小麥以1、7+9、4+12 為主要類型。聶莉等[10]對新疆小麥高分子量谷蛋白亞基組成分析研究，發(fā)現新疆小麥Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位點分別以N、7+8 和2+12 亞基類型為主。然而，有關山東小麥的高分子量麥谷蛋白亞基組成主要類型未知。本研究首次明晰了2017-2020 年山東省區(qū)域試驗高產組和強筋組參試小麥新品系的高分子量麥谷蛋白亞基組成，結果發(fā)現，山東省區(qū)域試驗高產組和強筋組小麥材料高分子量麥谷蛋白亞基組成主要類型不同，其中高產組小麥材料Glu-A1位點以N 亞基類型為主，Glu-B1和Glu-D1位點分別以7+8 和4+12 亞基類型為主；強筋組小麥材料Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位點分別以1、7+8 和5+10 亞基類型為主。李立等[11]對黃淮麥區(qū)小麥新品系高分子量谷蛋白亞基的組成及結構變化分析研究發(fā)現，黃淮麥區(qū)小麥出現頻率最高的亞基組合類型為7+9、2+12，占全部供試材料的17.2%。本研究發(fā)現山東省區(qū)域試驗高產組材料高分子量麥谷蛋白亞基出現頻率最高的類型為N、7+8、4+12，占比為33.2%和26.1%；強筋組材料高分子量麥谷蛋白亞基出現頻率最高的類型為1、7+8、5+10，占比為21.9%和23.7%。

在不考慮黑麥1RS 對小麥品質的不良影響情況下，本研究結果發(fā)現，山東省區(qū)域試驗高產組小麥品質得分變異范圍較大（4～10），平均分為6.85 分，且品質評分大于等于7 分的材料僅占57.1%；強筋組小麥品質得分變異范圍同樣較大（6～10），平均分為8.63 分，品質評分大于8 分的材料僅占61.4%。以上研究結果說明山東省高產和強筋小麥品質均有較大提升空間。

高產和優(yōu)質是小麥育種永恒的目標。隨著社會發(fā)展和人民生活水平的提高，對優(yōu)質麥的需求不斷增加。山東省區(qū)域試驗小麥新品系在一定程度上代表了全省小麥育種趨勢，根據表2 可知，目前山東省區(qū)域試驗高產組和強筋組小麥Glu-1位點評分均較低。譬如高產組小麥Glu-A1位點評分僅為1.88 分，Glu-A1a占比僅為44.6%和43.4%，Glu-D1位點評分僅為2.08 分，Glu-D1d占比僅為33.7%和30.3%；強筋組Glu-D1位點優(yōu)質亞基Glu-D1d占比為62.5%和73.7%。此外，山東省區(qū)域試驗高產組和強筋組小麥Glu-B1位點優(yōu)質亞基13+16、14+15、17+18 占比均較低。因此，在今后一段時間內，山東省小麥品質育種應重點以提高Glu-1位點優(yōu)質亞基所占比例為主，同時兼顧提高各位點等位基因類型和所占比例。