黄淮麦区小麦新品系高分子量谷蛋白亚基的组成及结构变化分析

李 立，龚梦婕，李锁平，张大乐

(1.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100012；2.河南大学 生命科学学院，河南 开封 475004)

小麦是世界上最重要的粮食作物之一，世界上有超过40%的人口以小麦为主食[1]，黄淮麦区是中国最大的小麦主产区，在育种家的不断努力下，小麦品种的产量潜力还在不断地提高。从20世纪80年代中后期开始，小麦面粉的品质改良工作开始逐步受到育种家的重视，并已培育和推广了一批优质强筋的小麦品种[2]。小麦的面粉加工品质主要由其种子储藏蛋白控制，包括麦谷蛋白和麦醇溶蛋白，麦谷蛋白主要决定面团的弹性，是影响面筋质量的主要因素[3]，由高分子量谷蛋白亚基(HMW-GS)和低分子量谷蛋白亚基(LMW-GS)组成。普通小麦的HMW-GS分别由位于第一同源群染色体长臂的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位点的基因编码[4-6]。不同的HMW-GS对小麦品质的贡献并不相同，一般认为1、2*、7+9、14+15、17+18和5+10为优质亚基，具有较好的面粉加工品质[7-8]。LMW-GS分别由Glu-A3、Glu-B3 和Glu-D3位点的基因编码，较HMW-GS具有更丰富的多态性，LMW-GS通过和HMW-GS的互作效应，在一定程度上影响小麦的加工品质，优质的LMW-GS包括Glu-A3b、Glu-A3d、Glu-B3d和Glu-B3g位点[8]。目前，改良中国小麦面筋质量的主要途径是提高优质的HMW-GS和LMW-GS的频率[9-10]，由于小麦LMW-GS的鉴定技术还不够十分完善，而小麦HMW-GS组成的鉴定技术较为成熟，因而，分析小麦HMW-GS组成已成为小麦品质育种亲本选配和后代选择的主要依据。2005年以来，针对黄淮麦区小麦新品种(系)的HMW-GS组成分析几乎每年都有报道[11-17]，这为小麦品质育种的亲本选配提供了有价值的参考依据。然而，在现代育种过程中，由于长期的品种间杂交选育，尤其是对骨干亲本的重复利用，使现代小麦品种的遗传背景变得较为单一，其含有的HMW-GS组成结构，尤其是优质亚基的组成结构很难发生较大的改变。

本研究利用SDS-PAGE方法对221份黄淮麦区小麦新品系的HMW-GS组成进行鉴定，并对它们的系谱来源进行了分析，通过对近10年来已发表的黄淮麦区小麦品种(系)的HMW-GS分布频率进行比较，分析黄淮麦区小麦品种HMW-GS的组成结构变化，以期为小麦品质育种工作提供参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

所用材料为黄淮麦区2013-2014年冬水组和春水组参试的小麦新品系，共221份，由河南省农业科学院小麦研究中心赵虹研究员提供。

1.2 样品提取及SDS-PAGE电泳

参照Singh等[18]的方法提取高分子量谷蛋白及SDS-PAGE电泳分析。以中国春(Null, 7+8, 2+12)、豫麦34 (1, 7+8, 5+10)和济麦20 (1, 13+16, 4+12)为对照，按Payne和Lawrence[19]提出的命名系统命名亚基。

2 结果与分析

2.1 黄淮麦区小麦新品系的亚基组合及等位变异分析

利用SDS-PAGE技术对供试的221份黄淮地区小麦新品系材料的高分子量谷蛋白亚基组成进行了分析，其部分样品的HMW-GS电泳图谱见图1，各个亚基及亚基组合的等位变异及频率见表1。从表1中可以看出，供试材料共出现了13种亚基及亚基组合。在Glu-A1位点，1亚基出现频率最高，占供试材料的58.8%。在Glu-B1位点上，共出现7种亚基变异类型，其中出现频率最高亚基组合是7+9，占供试材料57.5%，强筋亚基组合7+8、17+18、14+15和13+16在供试材料中也有出现，分别占30.3%,2.3%,7.7%,0.9%。在Glu-D1位点上的变异类型有4种，其中强筋亚基组合5+10占供试材料的15.4%，另外，在以往普通小麦品种中很少出现的5+12亚基组合，占供试材料的9.0%，该亚基组合被认为是比5+10亚基组合更好的优质强筋亚基组合[20]。4+12亚基组合在本研究的供试材料中出现较大比例，达到31.7%。

2.2 黄淮麦区小麦新品系高分子量谷蛋白亚基的组合频率

对供试材料的高分子量谷蛋白亚基的组合频率进行了分析(表2)，从表2中可以看出，供试材料的HMW-GS 组合类型比较丰富，有29种组合类型。其中出现频率最高的亚基组合形式是(Null, 7+9, 2+12)，占全部供试材料的17.2%，其次为(1, 7+9,2+12)亚基组合，出现的频率为15.4%，表明黄淮麦区小麦新品系材料中弱筋的亚基组合类型仍然较多；(1,17+18,5+10)、(1,14+15,5+10)和(1,7+8,5+10)等强筋的亚基组合类型也有分布，但其出现频率相对较低，另外，还出现了(1,7+8,5+12)新的亚基组合类型，出现频率达到了3.6%。

1.中国春；2.豫麦34；3.济麦20；4.济麦06037；5.存麦17号；6.安农1208；7.保丰2018；8.濮兴5号；9.冠麦1号；10.航麦208；11.石11-4366；12.淮麦2230；13. SH4300；14.瑞泉麦168；15.豫圣麦19；16.邯生923；17.俊达109；18.瑞华055；19.现麦69；20.运旱20410。

1.Chinese spring；2. Yumai 34；3. Jimai 20；4. Jimai 06037；5. Cunmai 17；6. Annong 1208；7. Baofeng 2018；8. Puxing 5；9. Guanmai 1；10. Hangmai 208；11. Shi11-4366；12. Huaimai 2230；13. SH4300；14. Ruiquanmai 168；15. Yushengmai 19；16. Hansheng 923；17. Junda 109；18. Ruihua 055；19. Xianmai 69；20. Yunhan 20410.

图1 部分材料HMW-GS聚丙烯酰胺凝胶电泳图谱Fig.1 The SDS-PAGE pattern of HMW-GS of partial test materials

2.3 黄淮麦区小麦新品系的系谱来源分析

根据参加2013-2014年黄淮麦区的区试和预试材料提供的系谱来源进行分析，结果显示，直接以周麦16、矮抗58和周麦18为亲本培育的材料最多，分别有54，46和22个。另外，还有较多的直接以豫麦49和郑麦366为杂交亲本的材料。由于周8425B和豫麦2号是黄淮麦区的骨干亲本，利用这2个骨干亲本和其他小麦品种杂交选育出了一大批的小麦品种，由豫麦2号直接作为杂交亲本选育出周麦9号、新麦9号、豫麦34、豫麦49和石4185等品种，由周8425B和周麦9号作为杂交亲本选育出了大多数的周麦系列品种，在221份黄淮麦区小麦新品系中以周麦系列为直接杂交亲本的材料有95个，占到全部供试材料的43.0%。此外，郑麦366是由豫麦47和PH82-2-2杂交选育的，而豫麦47的杂交亲本之一为豫麦2号，矮抗58具有周8425B和豫麦49的血统。因而，在221份黄淮麦区小麦新品系中具有周8425B和豫麦2号血统的材料高达155个，占到全部供试材料的70.1%。以郑麦9023等小偃系列和鲁麦14等鲁麦系列为亲本的材料分别有34，40个，占全部供试材料的15.4%和18.1%。其中同时具有周8425B、豫麦2号和小偃系列血统以及周8425B、豫麦2号和鲁麦系列血统的材料均为20个，而同时具有小偃系列和鲁麦系列血统的材料仅有3个。其他的以豫麦18、冀麦系列、皖麦系列等为来源和未知来源的材料共35个。

表2 225份小麦新品系材料高分子量谷蛋白亚基组合类型Tab.2 HMW-GS compositions of 225 new wheat lines

2.4 黄淮麦区小麦品种(系)高分子量谷蛋白亚基组成的结构变化

根据已发表的黄淮麦区小麦新品种(系)高分子量谷蛋白亚基组成分析的文献[11-17]，对近10年来的黄淮麦区小麦新品种(系)出现的HMW-GS频率进行了比较(表3)，并分析了其HMW-GS的结构变化(图2)。由图2可以看出，在Glu-A1位点(图2-A)，主要存在2种亚基类型，即1亚基和Null，自2008年以来，1亚基的出现频率高于Null类型，但二者的出现频率趋于接近， 2*亚基的出现频率相对较低。在Glu-B1位点(图2-B)，存在的亚基类型较多，但主要的亚基组合类型是7+8和7+9，从2007年以来，7+9亚基组合类型出现的频率最高，并且一直维持较高的出现频率；另外，近10年来，对亚基组合14+15的利用从未停止，该组合具有类似 5+10 亚基的功能，与优质的面包加工品质呈正相关[21-22]，但其出现频率相对较低，同时，在黄淮麦区小麦品种(系)中还出现了其他的优质强筋亚基组合类型，如13+16和17+18，其出现频率低，其中亚基组合17+18的亲本来源主要为烟农19。对于Glu-D1位点(图2-C)，一直以来主要存在2+12和5+10 2种亚基组合类型，并且2+12亚基组合的出现频率高于5+10亚基，有趣的是，自2007年以来，2种亚基组合的出现频率整体呈平行的趋势，这表明育种工作者对2种亚基的利用趋于稳定，其主要的变化趋势是由于新出现的其他亚基组合(4+12和5+12)造成的，4+12亚基出现在2008，2010和2014*年，其出现频率分别为33.6%，21.3%和31.7%。

表3 近10年黄淮麦区小麦品种(系)高分子量谷蛋白亚基的出现频率Tab.3 The occurrence frequencies of HMW-GS in the wheat varieties (lines) from Huang-Huai zone during the last decade

注：n.试验材料数; 2014*.本试验检测结果;-.表示数据不存在。

Note:n.The number of test materials; 2014*.The detected results in this work;-.The data is not found.

A.Glu-A1位点的结构变化；B.Glu-B1位点的结构变化；C.Glu-D1位点的结构变化。

3 讨论与结论

不同位点上的高分子量谷蛋白亚基对小麦加工品质的影响不一样，通过对中国500 多份冬春小麦品种(系)的HMW-GS、LMW-GS与其面团流变学特性和面包面条品质的关系进行分析，发现HMW-GS和LMW-GS对小麦加工品质的影响顺序为Glu-D1>Glu-A3>Glu-B3>Glu-A1>Glu-B1>Glu-D3[30]。即Glu-D1位点对小麦加工品质的影响最大，因而，对Glu-D1位点上HMW-GS的改良应是中国小麦品质育种工作的重点，通过比较Glu-D1位点上的亚基组合出现频率的趋势可以看出，优质强筋的亚基组合5+10的出现频率始终低于2+12，自2007年5+10亚基组合的出现频率较2006年有所提高后，2007年直到现在(2014*年)，黄淮麦区的小麦品种(系)Glu-D1位点上的5+10和2+12的出现频率呈平行趋势，2+12亚基组合的出现频率始终高于5+10亚基组合，其主要原因是选用的杂交亲本较为单一，主要的亲本来源均可追溯到周8425B和豫麦2号。在本研究中，Glu-D1位点上的4+12亚基的出现频率较高，有研究表明，我国的4+12亚基对面包品质的作用明显高于国外品种，在其亚基含量和HMW-GS总量均较高的情况下，其对面团品质的影响甚至高于5+10等亚基组合[31]。在对Glu-B1位点HMW-GS的改良上，不仅优质强筋的亚基组合17+18的利用频率较低，并且使用的杂交亲本来源也较为单一，其主要的亲本来源为烟农19。有研究表明，14+15亚基组合比7+8和7+9亚基组合对面包品质有更显著的正相关作用，亚基效应可表示为14+15>7+8>7+9[31]。另外，在含有公认的优质亚基组合5+10的品系中引入14+15，其品质评分也大大优于引入的其他组合[32]。目前，对于我国小麦品种的14+15亚基组合的鉴定和来源还存在争议，张学勇等[22]认为14+15亚基主要分布于冬麦区如黄淮冬麦区、长江中下游冬麦区和西南冬麦区，其亚基来源为St2422/464，并且在骨干亲本小偃6号和豫麦7号中均有该亚基组合。另外，利用SDS-PAGE技术还对中国小麦品种的HMW-GS类型进行了分类，发现14+15与20x+20y属于2种不同的亚基类型。而Gao等[33]分别利用SDS-PAGE、RP-HPLC、HPCE和MALDI-TOF-MS技术对小偃6号等小麦品种的Glu-B1位点进行鉴定，认为之前在我国小麦品种中发现的14+15与四倍体小麦Bidi17的20x+20y亚基带型一致，真正的14+15仅出现在一些欧洲的小麦品种里，而在亚洲国家中很少出现。在本研究中，黄淮麦区小麦新品种(系)的14+15亚基组合的带型与小偃6号一致，其出现频率较低。

近10年来黄淮麦区小麦品种(系)优质强筋的HMW-GS组成结构变化不明显，在Glu-B1位点上出现的17+18和13+16亚基组合频率较低，Glu-D1位点上2+12亚基组合的出现频率始终高于5+10亚基组合。其原因之一是其杂交亲本来源较为单一，大部分材料的亲本来源为周8425B、豫麦2号、小偃系列和鲁麦系列。

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