258份山西小麥品種(系)高分子量麥谷蛋白亞基組成分析

李 雪, 沈鑫垚, 郭鈺婧, 程天靈, 韓文蕾, 裴自友, 溫輝芹, 王宏兵

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 太原 030031)

小麥?zhǔn)俏覈饕Z食作物之一,也是山西第二大糧食作物,隨著人們生活水平的提高,對小麥新品種的要求不再局限于高產(chǎn),而是趨向于對具優(yōu)良品質(zhì)和專用型小麥的追求,以滿足人們對小麥不同加工種類的需求。因此,高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種的選育成為小麥育種的重要目標(biāo)[1]。

小麥的加工品質(zhì)直接受儲藏蛋白的影響,儲藏蛋白在小麥籽粒蛋白中所占比重高達85%,儲藏蛋白分為麥谷蛋白和醇溶蛋白,麥谷蛋白又分為高分子量麥谷蛋白亞基(High molecular weight glutenin subunits,HMW-GS)和低分子量麥谷蛋白亞基(Low molecular weight glutenin subunits,LMW-GS),HMW-GS由分別位于小麥染色體1A、1B和1D長臂上的 3個等位基因位點(Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1)控制,每個點位上都有不同的亞基類型。雖然高分子量麥谷蛋白的含量只占麥谷蛋白的10%左右,但其組成決定了面團的彈性,直接影響小麥的加工品質(zhì)[2]。

楊丹等[3]2015年對北方172份小麥品種的HMW-GS進行了分析,并分別研究了3個位點不同亞基對蛋白質(zhì)含量和沉降值的效應(yīng),獲得了效應(yīng)值相對較高的亞基及組合類型。牛吉山等[4]通過對190份黃淮麥區(qū)小麥品種的HMW-GS分析,認(rèn)為黃淮麥區(qū)的小麥種質(zhì)在培育面條和饅頭小麥品種中具有優(yōu)勢。相吉山和馬曉崗[5]、劉琦等[6]分別對青海省主栽品種和審定品種的谷蛋白亞基進行鑒定分析,篩選出育種中可作為優(yōu)良種質(zhì)資源的小麥品種。陳衛(wèi)國等[7],王曙光等[8]對山西省不同來源的種質(zhì)資源進行了HMW-GS組成分析,發(fā)現(xiàn)實驗材料中山西省育成品種比地方品種所含的優(yōu)質(zhì)亞基及品質(zhì)評分都相對較高,并提出了高評分優(yōu)質(zhì)亞基組合仍有待提高。王倩等[9]對49份山西小麥品種(系)的HMW-GS組成及其對品質(zhì)性狀的效應(yīng)進行了分析,得出了品質(zhì)與所含優(yōu)質(zhì)亞基數(shù)量并非正相關(guān)的結(jié)論。此外,有研究表明,在對小麥烘烤品質(zhì)的貢獻方面,Glu-A1位點上的1和2*,Glu-B1位點上的7+8、17+18,以及Glu-D1位點上的5+10都優(yōu)于各自位點上的其他等位基因[10-11],這些結(jié)論已被廣泛認(rèn)可并使用。也有研究者通過利用HMW-GS組成改良小麥加工品質(zhì)[12]。本研究對2017—2021年參加山西省小麥區(qū)域試驗的258個小麥品種(系)進行HMW-GS測定,分析其亞基組成,為小麥育種工作中優(yōu)質(zhì)親本的利用以及引進含有優(yōu)質(zhì)亞基種質(zhì)資源提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為參加山西省區(qū)域試驗的258份小麥新品種(系),其中有81個品種通過山西省農(nóng)作物品種審定委員會審定。以中國春(Null、7+8、2+12)、晉太170(Null、7+9、5+10)、豫麥34(1、7+8、5+10)、煙農(nóng)19(1、17+18、5+10)、小偃6號(1、14+15、2+12)、Victo(2*、13+16、5+10)為對照。上述材料均由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院優(yōu)質(zhì)小麥課題組保存。

1.2 試驗方法

高分子量麥谷蛋白提取以及聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)參考張玲麗等[13]的方法。

為確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性,本實驗進行3次以上重復(fù),并對實驗材料與多個對照進行對比,讀出條帶亞基。

1.3 高分子量麥谷蛋白亞基條帶的讀取及品質(zhì)評分

HMW-GS電泳條帶的讀取和評分參照 Payne 等[14-15]的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 HMW-GS等位變異和分布頻率

通過對258份供試材料的HMW-GS變異頻率的統(tǒng)計(表1),在Glu-1染色體上共出現(xiàn)了12個亞基類型。其中Glu-A1位點出現(xiàn)了3種:Null、1和2*,以亞基Null為主,有190份,占比為 73.64 %,優(yōu)質(zhì)亞基1、2*分別有61份和7份,占比23.64%和2.71%。Glu-B1位點出現(xiàn)了5種亞基:7+8、7+9、14+15、17+18和6+8,以7+9和7+8為主,分別有117份、98份,其余3種亞基14+15、17+18、6+8的頻率較低,分別有20份、11份、12份,頻率為7.75%,4.26%和4.65%,其中優(yōu)質(zhì)亞基17+18頻率最低。Glu-D1位點檢測出4種亞基:2+12、5+10、5+12、2.2+12,以2+12、5+10為主,分別有145份和106份,頻率為56.2%,41.09%,5+12和2.2+12為稀有亞基,分別有6份和1份,頻率為2.33%和0.39%。

表1 小麥品種(系)HMW-GS等位變異及頻率Table 1 Allelic variation and frequency for HMW-GS of wheat varieties(lines)

供試的小麥品種(系)中,共有81個品種通過審定。從表1可以看出,在各位點上,81個品種包含了所有的亞基類型,且大多數(shù)亞基的分布頻率與全部材料基本一致,只有少部分亞基頻率稍有變化:在Glu-A1位點2*的出現(xiàn)頻率由2.71%提高到6.17%,亞基Null和1略有下降;Glu-B1位點亞基14+15由7.75%提高到12.35%;Glu-D1位點含有亞基5+12和2.2+12的均為審定品種,因此在審定品種中這兩種亞基的頻率都有所提高,亞基5+10和2+12的頻率相應(yīng)降低。

注:ck1為中國春;ck2為晉太170;ck3為豫麥34;ck4為煙農(nóng)19;ck5為小偃6號;ck6為victo。1為長6213;2為太1711;3為長6878;4為普冰151;5為京麥1768;6為運糯32號;7為沃麥323;8為舜麥186;9為臨旱9號;10為晉太184;11為晉太192;12為長5553;13為經(jīng)麥6425;14為晉4099;15為晉農(nóng)1101;16為谷麥789;17為太321;18為長麥4013;19為S 1710。圖1 部分材料SDS-PAGE圖譜Fig.1 SDS-PAGE pattern of some wheat varieties

2.2 HMW-GS組成

通過對258份山西小麥品種(系)材料的HMW-GS組合類型統(tǒng)計分析看出,12種等位變異共出現(xiàn)了23種HMW-GS組合類型,其中81份審定品種有22種組合類型,沒有出現(xiàn)2*/7+9/5+10組合(表2)。

表2 小麥品種(系)HMW-GS組合類型及頻率Table 2 The combinations and frequency for HMW-GS of wheat varieties(lines)

從表2可看出,在所有供試材料中占比最高的組合有3種:Null/7+9/2+12、Null/7+8/5+10、Null/7+8/2+12,頻率分別為26.74%,16.67%,10.47%,其中組合Null/7+9/2+12和Null/7+8/5+10在審定品種中的占比超過10%,頻率為23.46%,16.05%,與所有供試材料的頻率基本一致。其余組合占比10%以下,有6種組合(Null/7+8/5+12、Null/7+9/5+12、Null/7+8/2.2+12、1/7+9/5+12、2*/6+8/5+12、2*/7+9/5+10)僅在1份材料中出現(xiàn),其中5個對應(yīng)的品種為審定品種:運旱139-1、良星99、翔麥517、晉麥99、長6388。

2.3 HMW-GS品質(zhì)評分分析

根據(jù)Payne等[14-15]的評分標(biāo)準(zhǔn),對供試材料進行了品質(zhì)評分(表3),由于Payne等的評分標(biāo)準(zhǔn)未對5+12、2.2+12作出評分,因此,有6個組合共計7份材料未參與品質(zhì)評分。參與評分的251個小麥品種(系)品質(zhì)得分在4～10分范圍內(nèi),評分在8～10分的亞基組合屬于優(yōu)質(zhì)亞基組合范疇,占比39.15%。評分為10分的HMW-GS組合有3種(1/7+8/5+10、1/17+18/5+10、2*/7+8/5+10),共占比8.14%,其中1/7+8/5+10組合有11個品種(圣麥104、運旱1818、品育8172、長麥5252、圣麥101、輪選628、臨研19、沃麥818、品育8178、臨研20、太紫8293); 1/17+18/5+10組合有7個品種(臨研151、臨研16、嘉麥168、臨育23、臨1219、臨育5567、太麥69); 2*/7+8/5+10組合有3個品種(太714、京麥21、太1411),這些品種都可以作為今后小麥育種中品質(zhì)改良的重點種質(zhì)資源。

表3 258份材料高分子量麥谷蛋白亞基組成頻率及品質(zhì)評分Table 3 HMW-GS composition frequency and quality score of the 258 wheat varieties

81個已審定品種中,亞基組合評分為10分的亞基組合與所有測試材料中10分的亞基組合類型相同,有6個品種(圣麥104、運旱1818、圣麥101、臨研151、太714、京麥21),根據(jù)GB/T17320—2013《小麥品種品質(zhì)分類》[16],圣麥104、太714和臨研151的容重、粗蛋白含量、濕面筋含量以及面團穩(wěn)定時間均達到中強筋小麥標(biāo)準(zhǔn),圣麥101達到優(yōu)質(zhì)中筋小麥標(biāo)準(zhǔn),這些品種可作為今后育種中優(yōu)良種質(zhì)資源加以引進和利用。評分為9分的品種有3個(華麥5號、洛旱17和中麥29),其亞基組合均為1、7+9、5+10。據(jù)統(tǒng)計,3個位點中至少在一個位點上含有優(yōu)質(zhì)亞基的材料共計52個品種,占所有審定品種的64.2%(良星99、運旱139-1、長6388、翔麥517、太412、太315含有亞基5+12,晉麥99含有亞基2.2+12,不作評分)。2017年國家農(nóng)作物品種審定委員會新印發(fā)的《主要農(nóng)作物品種審定標(biāo)準(zhǔn)(國家級)》對小麥品質(zhì)的相關(guān)指標(biāo)增加了最大拉伸阻力和拉伸面積[17]。因此,在今后的育種中,對于優(yōu)質(zhì)資源的引用,在參考其亞基組合類型的同時,還要結(jié)合其相關(guān)指標(biāo)對資源加以利用。

3 討 論

本次研究的258個品種(系),共發(fā)現(xiàn)了12個HMW-GS等位基因變異,即Glu-A1位點1、2*、Null 共3個亞基,在Glu-B1位點共5個亞基(7+8、7+9、6+8、14+15、17+18),在Glu-D1位點共4種亞基(2+12、5+10、2.2+12和5+12),且審定的81個品種也都包含了所有亞基類型。各位點上以Null、7+8、7+9、2+12等亞基為主,而高評分優(yōu)質(zhì)亞基1、2*、14+15、5+10所占比重較小,這與王曙光等[8],李光蓉等[18]的研究結(jié)果相近。優(yōu)質(zhì)亞基頻率不高是導(dǎo)致山西省小麥的HMW-GS組合綜合評分較低的最主要原因。因此,可以通過降低亞基Null、7+9、2+12的出現(xiàn)頻率,提高高評分優(yōu)質(zhì)亞基的頻率,以期提高山西小麥的品質(zhì)。

此次供試的81份已審定品種與趙佳佳等[19]對145份山西省育成品種的研究相比,在等位基因的種類及亞基組合類型上都不及趙佳佳等的試驗材料豐富,其材料涵蓋了從20世紀(jì)70年代到2017年山西省審定的小麥品種,時間跨度長,品種數(shù)量多,因此基因類型及組合較為豐富。就各點位基因分布頻率看,本次研究的近年審定品種中優(yōu)質(zhì)亞基1、7+8、5+12的頻率明顯低于過去的審定品種。表明近年在種質(zhì)資源的引進中亞基的豐富性較為缺乏;在種質(zhì)資源的利用中沒有將優(yōu)質(zhì)亞基作為重要指標(biāo)加以利用。通過對比發(fā)現(xiàn),趙佳佳等的145份材料中有17份含有優(yōu)質(zhì)亞基5+10,本次供試的81個審定品種中有31個含有5+10,優(yōu)質(zhì)亞基5+10頻率的大幅提升,說明近年來優(yōu)質(zhì)亞基5+10得到了育種專家的重視,含有5+10亞基的種質(zhì)資源逐漸被引進使用,使得優(yōu)質(zhì)亞基5+10的頻率有所提升。

在此次研究中,檢測出了稀有亞基2.2+12和5+12,且含有這兩種亞基的品種均已審定。含有2.2+12的組合只有一種(Null、7+8、2.2+12),品種為晉麥99,曾秀英等[20]對亞基2.2+12的研究表明,含有亞基2.2+12的小麥品種沉淀值高于含有亞基2+12的品種,其對小麥品質(zhì)的影響效應(yīng)高于2+12,晉麥99是糯小麥品種,根據(jù) Graybosch[21]與 Bhattacharya等[22]的研究,糯小麥?zhǔn)澄锏目估匣泻艽髢?yōu)勢,將普通的小麥粉與一定比例的糯小麥粉混合,對延長食物的貨架期有一定的幫助。此外,張劍等[23]對糯小麥粉含量對面包品質(zhì)的影響研究表明,添加5%～10%的糯小麥粉對面包的品質(zhì)影響不顯著。結(jié)合以上研究,可將晉麥99作為優(yōu)質(zhì)親本資源加以利用。含有亞基5+12的品種有6個,共涉及5種亞基組合:運旱139-1(N、7+9、5+12),良星99(N、7+8、5+12),翔麥517(1、7+9、5+12),太412、太31(2*、7+9、5+12),長6388(2*、6+8、5+12),這6個品種均已審定,根據(jù)王濤等[24]關(guān)于5+10和5+12對小麥品質(zhì)方面的貢獻比較研究,亞基5+12對小麥的品質(zhì)在沉降值、濕面筋含量、形成時間和穩(wěn)定時間上都優(yōu)于優(yōu)質(zhì)亞基5+10。因此,今后在育種中可以加強對這些稀有的優(yōu)質(zhì)亞基作為親本的利用,提高山西優(yōu)質(zhì)強筋小麥的品種數(shù)量,以提高山西省小麥品種的品質(zhì)。

4 結(jié) 論

山西地處黃河中下游,南北跨度較東西更長,冬小麥生長生態(tài)區(qū)域分為南部中熟區(qū)和中部晚熟區(qū),兩種不同的生態(tài)區(qū)為引進種質(zhì)資源及豐富山西小麥品種提供了優(yōu)越的地理條件。本次試驗從258份材料中共檢測出12種亞基類型,除常見亞基類型外,還在Glu-D1位點檢測出比較罕見的亞基5+12和2.2+12,豐富了山西省小麥品種的HMW-GS基因庫。

23種亞基組合類型中,組合(Null、7+9、2+12)出現(xiàn)最多,頻率為26.74%;其次是組合(Null、7+8、5+10),頻率為16.67%,在Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1三個位點均具有優(yōu)質(zhì)亞基的組合有(1、7+8、5+10),(1、17+18、5+10),(2*、7+8、5+10),共計21份材料,占比8.13%,其中圣麥104、太714、運旱1818、臨研151、京麥21和圣麥101等6個品種已審定。這些品種可作為育種種質(zhì)資源,可對現(xiàn)有高產(chǎn)品種加以改良,以獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)新品種。

含有稀有亞基2.2+12和5+12的亞基組合有6種(Null、7+8、2.2+12),(N、7+9、5+12),(N、7+8、5+12),(1、7+9、5+12),(2*、7+9、5+12),(2*、6+8、5+12)共涉及7個品種(晉麥99、運旱139-1、良星99、翔麥517、太412、太31、長6388),且均為審定品種,可將其作為親本材料加以利用。