97份安徽省種植小麥品種HMW-GS組成及品質(zhì)分析

何賢芳，趙 莉，都斌斌，馬 斐,吳子峰，鄭文寅，汪建來

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所,安徽合肥 230031;2.六安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,安徽六安 237000;3.阜陽市潁州區(qū)農(nóng)技推廣中心,安徽阜陽 236005;4.安徽省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站,安徽合肥 230031;5.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),安徽合肥 230036)

小麥是當(dāng)今世界重要的糧食作物之一，其加工品質(zhì)主要由貯藏蛋白的性質(zhì)決定。小麥貯藏蛋白主要包括醇溶蛋白和麥谷蛋白。一般來說，醇溶蛋白對面團的延展性很重要，而麥谷蛋白則是面團強度和彈性的主要決定因素。依據(jù)分子量大小，麥谷蛋白可分為低分子量麥谷蛋白亞基(LMW-GS)和高分子量麥谷蛋白亞基(HMW-GS)兩個亞家族，HMW-GS是麥谷蛋白主要組成部分，是決定面團彈性的主要因素。HMW-GS由第一組染色體長臂上的位點編碼，3個等位變異分別命名為、和，在每個位點中有兩個緊密連鎖基因，一個是分子量較高的x亞基，另一個是分子量較小的y亞基，其等位基因變異能解釋普通小麥面團特性遺傳變異的70%左右。具有優(yōu)質(zhì)HMW-GS亞基和亞基組合的小麥品種通常具有優(yōu)良的品質(zhì)特性，因此，研究HMW-GS的組成和特性對提高我國小麥加工品質(zhì)具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)，在位點有3個等位基因 (，，)，分別編碼1、2和Null亞基；在位點檢測到11個等位基因(～)，其中較為常見的為、、、和，分別編碼 7+8、7+9、6+8和17+18亞基；位點檢測到7個等位基因(～)，其中、和較為常見，分別編碼2+12、4+12和5+10亞基。

HMW-GS不同亞基類型對小麥品質(zhì)的效應(yīng)存在差異。研究表明，在位點，1和2相比Null亞基對小麥面包烘烤品質(zhì)貢獻較大。在位點，14+15亞基對面團彈性有正效應(yīng)，17+18亞基與面團延展性等正相關(guān)。在位點，5+10亞基對面粉品質(zhì)有正向效應(yīng)。HMW-GS的遺傳多樣性可作為改良小麥品質(zhì)的重要資源支撐，因此確定不同小麥品種中的HMW-GS組成，對于小麥品種品質(zhì)改良具有積極意義。本研究對安徽省種植97份小麥品種的HMW-GS組成及品質(zhì)性狀進行分析，以期為安徽省小麥品質(zhì)性狀改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與地點概況

選用安徽省主要種植的97份小麥品種，其中半冬性品種59份，春性品種38份，將其依次命名為V1～V97。2018—2019年度在安徽省阜南種植，供試地塊土壤類型為砂姜黑土，0～20 cm基本土壤性質(zhì)：有機質(zhì)18.3 g·kg,全氮0.98 g·kg,有效磷19.9 mg·kg，速效鉀147 mg·kg。

1.2 試驗設(shè)計

試驗地前茬為玉米。采用隨機區(qū)組設(shè)計，2次重復(fù)，6行區(qū)，行長7 m，行距25 cm。適期播種，基本苗2.40×10株·hm；總施氮量為240 kg·hm純氮，設(shè)基肥∶拔節(jié)肥為7∶3；磷肥(PO)和鉀肥(KO)施用量均為105 kg·hm，一次性基施；其他田間管理同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。成熟期分區(qū)收獲并清理籽粒樣本，將經(jīng)清理的2個重復(fù)的種子等量混合作為最終測試樣本。

1.3 HMW-GS組成檢測

參考Liu等的聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)方法鑒定HMW-GS組成。

1.4 小麥品質(zhì)性狀測定

按AACC 55-31用單籽粒谷物測定儀(SKCS 4100,Perten USA)測定硬度指數(shù)(hardness index)，根據(jù)硬度指數(shù)劃分小麥類型，<40為軟質(zhì)麥，41～60的為混合麥，>60的為硬質(zhì)麥。按AACC 26-50用Branberder Quadrumat Jr.實驗?zāi)ブ品?，出粉率?2%～67%。按AACC56-81.03測定降落數(shù)值。參照AACC56-11.02測定4種溶劑保持力(solvent retention capacity,SRC)，分別為水溶劑保持力(water SRC)，碳酸鈉溶劑保持力(sodium carbonate SRC)，乳酸溶劑保持力(lactic acid SRC)和蔗糖溶劑保持力(sucrose SRC)。按GB/T 14614-2006用Brabender-Farinograghy-E型粉質(zhì)儀(德國)測定面團揉混特性，記錄粉質(zhì)圖參數(shù)。利用數(shù)顯白度儀(SBDY-1)測定面粉白度；面粉色澤用色彩色差計(CR-400)測定，分別用、和值表示。依據(jù)Payne的品質(zhì)得分標準對不同亞基進行賦分。

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用Excel和Spass 22軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、繪圖，利用 NTSYS 2.10 軟件對不同HMW-GS 等位基因組合進行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 HMW-GS等位變異分析

由表1可知，97份品種中，在位點共檢測出10個等位基因，其中在位點發(fā)現(xiàn)、和共3個等位基因，對應(yīng)的亞基類型分別是1、2和Null，出現(xiàn)的頻率分別是57.73%、2.06%和40.21%；位點檢測出3個等位基因，分別是、和，相應(yīng)的亞基出現(xiàn)頻率依次為52.58% (7+8)、37.11%(7+9)和10.31%(17+18)；位點檢測到4個等位基因，、、以及，出現(xiàn)頻率分別為37.11%(2+12)、16.49%(4+12)、45.36% (5+10)和1.03%(2.2+12)。部分品種的亞基分離圖譜如圖1。

Ⅰ:恒進麥8號;Ⅱ:華成1688;Ⅲ:華成2019;Ⅳ;華成3366;Ⅴ:華成859;Ⅵ:淮麥22;Ⅶ：淮麥29;Ⅷ：淮麥30;Ⅸ：淮麥33;Χ：淮麥35;Ⅺ:淮麥40;CS:中國春；1～18:HMW-GS亞基類型。Ⅰ:Hengjinmai 8;Ⅱ:Huacheng 1688;Ⅲ:Huacheng 2019;Ⅳ:Huacheng 3366;Ⅴ:Huacheng 859;Ⅵ:Huaimai 22;Ⅶ:Huaimai 29;Ⅷ:Huaimai 30;Ⅸ:Huaimai 33;Χ:Huaimai 35;Ⅺ:Huaimai 40;CS:Chinese Spring;1-18:Types of HMW-GS.圖1 部分小麥品種和中國春(CS)的SDS-PAGE圖譜Fig.1 SDS-PAGE patterns of some wheat cultivars and Chinese Spring(CS)

表1 97份小麥品種 Glu-1位點的等位基因及其頻率Table 1 Allelic variations and frequency at the Glu-1 loci in the 97 wheat cultivars

2.2 HMW-GS的組成分析

由表2可知，97份品種共檢測到19種HMW-GS亞基組合類型，其中15份品種檢測到1/7+8/5+10亞基組合類型，出現(xiàn)頻率最高，為15.46%，其次為1/7+8/2+12、1/7+9/5+10和Null/7+9/2+12，分別在12、10和9份品種中出現(xiàn)，頻率依次為12.37%、10.31%和9.28%，其他亞基組合類型數(shù)量較少。

供試品種亞基組合品質(zhì)得分分布在4～10范圍內(nèi)，平均得分為7.58，其中品質(zhì)得分為10的亞基組合有1/7+8/5+10和1/17+18/5+10兩種類型，共有19份品種，頻率為19.59%；品質(zhì)得分為9的亞基組合包括1/7+9/5+10和2/7+9/5+10兩種組合，共11份品種，頻率為11.34%；品質(zhì)得分為8的品種共22份材料，亞基組合有4種類型，分別為1/7+8/2+12、1/17+18/2+12、Null/7+8/5+10和Null/17+18/5+10，所占頻率為22.68%；品質(zhì)得分8以下的共44份品種，占比45.36%(表2)。

表2 97份小麥品種HMW-GS組合類型及其 Glu-1品質(zhì)得分Table 2 HMW-GS compositions,frequency and Glu-1 quality score of the 97 wheat cultivars

2.3 HMW-GS等位基因組合的聚類分析

通過對97份品種的19種HMW-GS等位基因組合的相似性進行聚類分析，發(fā)現(xiàn)組合間的相似系數(shù)在0.50～0.86之間，在相似系數(shù)在0.68處可將19種HMW-GS組合劃分為4類，第一類包含10種亞基組合類型，共50個小麥品種；第二類包含5種亞基組合類型，共37個供試材料；第三類僅含有一種亞基組合類型，有2個品種；第四類包含3種亞基組合類型，屬于此類的供試材料有8個(圖2)。

圖2 97份小麥品種19種HMW-GS等位基因組合的聚類分析Fig.2 Cluster analysis based on the 19 allele combinations of the 97 wheat cultivars

2.4 品質(zhì)性狀特點

如表3所示，97份小麥品種的硬度指數(shù)在 19.00～77.00之間，平均值為47.12，變異系數(shù)為36.12%；降落數(shù)值變異范圍為72.00～636.00 s，均值464.62 s，變異系數(shù)為17.90%；四種溶劑保持力在供試材料中的變異系數(shù)均較小，在10% 左右。

表3 97份小麥品種品質(zhì)性狀Table 3 Quality traits of the 97 wheat cultivars

粉質(zhì)參數(shù)中，除吸水率的變異系數(shù)較小，為 6.55%，其他性狀在供試材料中的變異系數(shù)均較大，其中形成時間最大，為125.19%，變異范圍在1.20～35.20 min之間，其次為粉質(zhì)質(zhì)量指數(shù)的變異系數(shù)，為89.41%，變化范圍為20.00～ 456.00；穩(wěn)定時間在1.30～32.60 min之間，變異系數(shù)為82.44%；弱化度在4.00～138.00之間，變異系數(shù)為57.17%。粉色參數(shù)中，和的變異系數(shù)較小，分別為 3.22%和 2.90%，和變異系數(shù)分別為 33.57%和19.06%。

2.5 品質(zhì)性狀間的相關(guān)性分析

從不同品質(zhì)性狀間的相關(guān)性分析結(jié)果(圖3)可以看出，弱化度與粉色性狀中的、和呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，其他品質(zhì)性狀均與弱化度和、及呈顯著負相關(guān)(<0.05)；降落數(shù)值和粉色參數(shù)與近半品質(zhì)性狀無明顯相關(guān)性或相關(guān)系數(shù)較低；其他品質(zhì)指標間基本呈顯著正相關(guān)(<0.05)。

×表示不顯著?！粒篊orrelation not significant.圖3 小麥不同品質(zhì)性狀間的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis among different quality traits of wheat

2.6 HMW-GS不同位點品質(zhì)性狀的方差分析

由表4可知，位點僅對4種溶劑保持力指標有顯著影響(<0.05)；位點對硬度指數(shù)、除乳酸外的3種溶劑保持力、吸水率以及弱化度的影響達顯著水平；位點對降落數(shù)值、吸水率、蔗糖和碳酸鈉溶劑保持力有顯著影響；與位點互作對降落數(shù)值和蔗糖溶劑保持力的影響均顯著；+對所有品質(zhì)性狀均無顯著互作效應(yīng)；+對降落數(shù)值、吸水率及的影響達顯著水平；++對硬度指數(shù)、4種溶劑保持力和吸水率均有顯著影響。

表4 HMW-GS不同位點對品質(zhì)性狀的方差分析(F值)Table 4 Variance analysis(F value)of HMW-GS loci effect on quality traits

2.7 不同HMW-GS類型對品質(zhì)性狀的影響

由表5可知，8種不同的亞基類型(樣本數(shù)≥3)對品質(zhì)性狀的影響存在差異。位點17+18亞基的硬度指數(shù)顯著高于其他亞基類型，位點2+12亞基的硬度指數(shù)最低；在降落數(shù)值方面，位點的4+12亞基最高，與2+12和Null亞基存在顯著差異(<0.05)，其他亞基間差異不顯著。在4種溶劑保持力上，位點的17+18亞基最高，亞基類型對乳酸溶劑保持力無顯著影響，其對余3個溶劑保持力均有顯著影響。粉質(zhì)圖參數(shù)中，吸水率和形成時間在不同亞基下略有差異，在穩(wěn)定時間上，位點 17+18亞基顯著高于多數(shù)亞基類型，Null亞基最低；對于弱化度，位點2+12亞基最高，其次是Null亞基和7+9亞基，位點17+18亞基最低；在粉質(zhì)質(zhì)量指數(shù)方面，不同亞基間存在一定差異，位點17+18亞基最高，其次是1亞基和5+10亞基，Null亞基最低。粉色性狀中，不同亞基對無顯著影響，對其他3個粉色性狀均有顯著影響，在位點的Null亞基最高，在位點17+18亞基處最低。

表5 不同亞基類型對品質(zhì)性狀的效應(yīng)分析Table 5 Effect analysis of different subunit types on quality traits

2.8 不同HMW-GS組合對品質(zhì)性狀的影響

分析13種不同的亞基組合(樣本數(shù)≥3)對品質(zhì)性狀的影響，結(jié)果(表6)表明，不同亞基組合對硬度指數(shù)存在顯著效應(yīng)，1/17+18/5+10組合的硬度指數(shù)最高，其次為Null/7+8/4+12組合，Null/7+9/4+12組合硬度指數(shù)最低。在降落數(shù)值上，僅少數(shù)亞基組合間存在顯著差異，Null/7+8/4+12組合最高，Null/7+8/5+10組合最低。對于4種溶劑保持力，乳酸溶劑保持力在各亞基組合間差異較小，亞基組合對4種溶劑保持力均有顯著效應(yīng)。1/17+18/5+10組合4種溶劑保持力最高，Null/7+9/4+12組合4種溶劑保持力最低。粉質(zhì)參數(shù)中，不同亞基組合對被測性狀均存在顯著效應(yīng)，吸水率、形成時間、穩(wěn)定時間和粉質(zhì)質(zhì)量指數(shù)在1/17+18/5+10組合下顯著高于其他多數(shù)亞基組合，在Null/7+9/4+12組合下最低；對于弱化度，Null/7+9/4+12組合顯著高于多數(shù)亞基組合，1/7+9/2+12組合次之，Null/17+18/5+10組合最低。在粉色參數(shù)方面，亞基組合對被測指標均有顯著影響，和在Null/7+9/4+12組合中的均值最大，其次為Null/7+8/2+12組合，1/17+18/5+10組合最低?？傮w而言，1/17+18/5+10組合的品種硬度指數(shù)、4種溶劑保持力、吸水率、穩(wěn)定時間和粉質(zhì)圖參數(shù)最高，和最低，該類品種有煙農(nóng)19、泰農(nóng)19、山農(nóng)17和糯小麥1012；Null/7+9/4+12組合的品種硬度指數(shù)、4種溶劑保持力、吸水率、穩(wěn)定時間和粉質(zhì)圖參數(shù)最低，弱化度、和最高，該類品種有荃麥725，皖麥52和未來0818。

表6 不同亞基組合對品質(zhì)性狀的影響Table 6 Effect of different subunit combinations on quality traits

3 討 論

3.1 小麥HMW-GS的組成特點

小麥HMW-GS在面團彈性方面起著重要的作用，并且與小麥最終的品質(zhì)息息相關(guān)。眾多學(xué)者對小麥HMW-GS類型進行鑒定及發(fā)掘，利用其遺傳多樣性為小麥品質(zhì)性狀改良提供了許多優(yōu)異種質(zhì)資源。本研究通過對安徽省種植的97份小麥品種HMW-GS的等位基因和組成特點進行分析，在位點共鑒定出10個不同的等位基因和19種亞基組合類型(表1)，在位點檢測出3種亞基類型，主要以1亞基(57.73%)和Null亞基(40.21%)為主，優(yōu)質(zhì)亞基2僅占2.06%。前人的研究中普遍認為，1和2亞基較Null亞基對提升面包品質(zhì)具有更大的作用，然而在中國小麥主產(chǎn)區(qū)，位點亞基頻率基本處于Null>1>2。在本試驗的供試材料中，1和2亞基頻率略高于Null亞基，說明在安徽省小麥品質(zhì)正在逐步改善。在位點共檢測出3種亞基類型，以7+8亞基為主，頻率為52.58%，7+9亞基次之，占 37.11%，17+18亞基頻率最低，為10.31%。有研究報道，位點不同亞基類型對品質(zhì)的效應(yīng)表現(xiàn)為17+18>7+8>7+9，表明安徽省小麥品種在位點對品質(zhì)性狀已得到明顯改善。在位點共鑒定出4種亞基類型，優(yōu)質(zhì)亞基5+10占比最大，為45.36%，2+12亞基次之，頻率為37.11%，4+12亞基頻率為 16.49%，2.2+12亞基頻率最低，為1.03%。大量研究表明，在位點，5+10亞基在提高小麥面包品質(zhì)方面優(yōu)于其他亞基類型；但國內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)，亞基2+12為位點的優(yōu)勢等位基因，Zheng等對長江流域的小麥品種研究發(fā)現(xiàn)，在位點2+12亞基占比高達 84.9%，在歐洲等國面包小麥中，2+12亞基頻率也處于較高水平。在本試驗中，2+12亞基的頻率為37.11%，已大大降低，5+10亞基比例相比西方國家面包小麥仍有差距，但比以往中國小麥報道中5+10亞基比例要高，表明在小麥品質(zhì)育種方面正不斷提高。

高聳對國內(nèi)528份小麥材料進行HMW-GS分析發(fā)現(xiàn)，共檢測到15種亞基以及35種亞基組合類型，其中以Null/7+9/2+12組合頻率最高；劉春雷等通過對河南省722份小麥品種進行HMW-GS分析，共鑒定到12種亞基和20種亞基組合類型，1/7+9/2+12和Null/7+9/2+12組合占比較高，未檢測到2優(yōu)質(zhì)亞基；權(quán)威等對外引的393份小麥種質(zhì)資源進行HMW-GS分析，共檢測到23種亞基類型和50種亞基組合類型，2/7+9/5+10組合出現(xiàn)頻率最高。本研究結(jié)果與前人研究基本一致，但相比于外引小麥種質(zhì)資源，亞基遺傳多樣性較低，組合類型較少，因此有必要引進更多的種質(zhì)資源，豐富親本類型，進一步改善小麥品質(zhì)。

3.2 小麥HMW-GS對品質(zhì)性狀的影響

關(guān)于小麥HMW-GS對品質(zhì)性狀的效應(yīng)研究，前人已經(jīng)進行大量的報道，基本從高分子量麥谷蛋白亞基類型、組合、含量以及環(huán)境因素等方面來探究其對品質(zhì)性狀的影響。本研究結(jié)果表明，的三個位點對溶劑保持力性狀都有一定的影響，且>>；對于硬度指數(shù)和弱化度，位點對其影響達顯著水平，和位點未達顯著水平；對于降落指數(shù)，僅位點對其有顯著影響；關(guān)于吸水率，和位點均對其有顯著影響，且>，位點未達顯著水平(表4)。聶莉等對79份新疆小麥進行HMW-GS和品質(zhì)性狀分析發(fā)現(xiàn)，位點對硬度指數(shù)性狀有顯著效應(yīng)，和位點對其影響不顯著，本試驗中，位點對其有顯著效應(yīng)，和位點效應(yīng)不顯著，可能與研究材料不同有關(guān)。前人報道基因座對品質(zhì)性狀的效應(yīng)多以濕面筋含量、沉淀值等性狀為指標進行研究，基本表現(xiàn)為>>，本試驗通過研究基因座對多種品質(zhì)性狀的效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其對較多品質(zhì)性狀的作用規(guī)律。

郝浩南通過研究299份小麥材料高分子量麥谷蛋白亞基與品質(zhì)性狀的相關(guān)性，認為不同亞基類型對硬度指數(shù)無顯著效應(yīng)，5+10和7+9亞基的降落數(shù)值顯著高于其他亞基類型，1、14+15和2+12亞基的弱化度顯著高于其他亞基類型。聶莉等在研究79份新疆小麥高分子量麥谷蛋白亞基和硬度指數(shù)性狀中，認為位點亞基效應(yīng)排序為Null>1>2；位點為 7+8>7+9；位點為5+10>2+12>4+12。高聳對180份小麥材料高分子量麥谷蛋白亞基與穩(wěn)定時間的相關(guān)性研究，發(fā)現(xiàn)位點亞基效應(yīng)順序為1=2>Null；位點為7+8=17+18=7+9；位點為5+10>2+12。王倩等對49份山西水地小麥品系高分子量麥谷蛋白亞基和品質(zhì)性狀的研究中，認為位點不同亞基類型對穩(wěn)定時間的效應(yīng)排序為7+8>17+18>7+9。本研究結(jié)果與前人結(jié)論有一定出入，發(fā)現(xiàn)17+18和4+12亞基的硬度指數(shù)較高，Null和2+12亞基的硬度指數(shù)較低；對于降落數(shù)值，位點4+12亞基最高，2+12和Null亞基較低；對于4種溶劑保持力，位點17+18亞基最高，不同亞基對乳酸溶劑保持力無顯著效應(yīng)，對其余3個溶劑保持力存在顯著效應(yīng)；粉質(zhì)圖參數(shù)中，對于穩(wěn)定時間，位點 17+18亞基顯著高于多數(shù)亞基類型，Null亞基最低；對于弱化度，位點2+12亞基最高，其次是Null亞基和7+9亞基(表5)，這可能與試驗材料、栽培環(huán)境及試驗方法存在不同有關(guān)。

小麥品質(zhì)性狀不單受各亞基的作用，各位點間也存在一定的互作效應(yīng)，因此在小麥品質(zhì)育種中選擇優(yōu)異的亞基組合對品質(zhì)性狀的改良有重要意義。本研究中，不同亞基組合硬度指數(shù)、4種溶劑保持力、吸水率、形成時間、穩(wěn)定時間和粉質(zhì)質(zhì)量指數(shù)的效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，1/17+18/5+10亞基組合對這些性狀的效應(yīng)最大，Null/7+9/4+12組合的弱化度和面粉的、值顯著高于其他亞基組合而其籽粒硬度指數(shù)、4種溶劑保持力、吸水率、穩(wěn)定時間和粉質(zhì)圖質(zhì)量數(shù)等參數(shù)表現(xiàn)為顯著低于其他亞基組合。依據(jù)Payne的品質(zhì)得分標準，1/17+18/5+10亞基組合是滿分10的優(yōu)質(zhì)亞基組合，Null/7+9/4+12亞基組合評分為4。本試驗中調(diào)查的品質(zhì)性狀與前人報道的不盡相同，有待更多品種環(huán)境下的深入研究，為安徽省乃至我國小麥品質(zhì)性狀育種改良提供理論依據(jù)。