小麦-长穗偃麦草渗入系HMW-GS组成及等位变异分析

王凌云，武宗信，贾举庆，张晓军，李 欣，任文斌

（1.山西省农业科学院棉花研究所，山西 运城 044000；2.山西农业大学农学院，山西 太谷 030801；3.山西省农业科学院作物科学研究所，作物遗传与分子改良山西省重点实验室，山西 太原 030031）

高分子量麦谷蛋白亚基（HMW-GS）是小麦及其近缘物种种子中重要的贮藏蛋白，在面团黏弹性性能方面起着重要作用[1]。HMW-GS由位于第一染色体组群长臂上的Glu-1位点编码，每个基因座由2个紧密连锁的基因组成，分别为编码分子量较高的x-型亚基和分子量较低的y-型亚基[2-3]。Glu-1位点的等位基因对小麦品质的影响有所不同，如对面包制作影响方面，Glu-1D的复等位基因5＋10被认为优于2＋12[4]，Glu-1A上的复等位基因1和2*，优于N等位基因，Glu-1B上的复等位基因7＋8，17＋18和13＋16优于其他等位基因类型[2]。虽然等位基因的类型对小麦的一些品质造成影响，但由于大多数的等位基因在六倍体小麦的变异中是中性的，所以，它们的功能差异并不大[5]，因此，对从小麦近缘物种中筛选优质亚基对于小麦的品质改良非常重要。

小麦近缘物种染色体第一同源群上的HMW-GS的同源基因陆续被发现，如小黑麦中的Glu-R1、大麦中的Glu-Hch1和簇毛麦中的Glu-V1[6]。长穗偃麦草（Agropyron elongatum）是小麦族重要的物种，其部分编码HMW-GS的基因也被克隆到，一些亚基类型对面包制作起到积极影响[5，7-8]。因此，继续从小麦近缘物种中发现新的优质亚基对于提高小麦品质、改良小麦具有重要意义。

本研究中的98份材料均为来源于小麦-长穗偃麦草渗入系，前期对其白粉及条锈病抗性进行鉴定，均为高抗或免疫型。本研究对小麦-长穗偃麦草渗入系HMW-GS进行分析，以期发现新的等位变异及优质亚基组合，为小麦抗病、优质新品种选育提供材料与依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为普通小麦与八倍体小偃麦7430杂交/回交后选择的高代品系，2012—2017年分别连续在四川省成都市和山西省太原市进行抗条锈病与白粉病鉴定筛选，共获得98份兼抗条锈病与白粉病的小偃麦渗入系新品系。八倍体小偃麦7430为源于十倍体长穗偃麦草与普通小麦杂交的部分双二倍体。对照材料选用普通小麦中国春。

1.2 试验方法

蛋白的提取及SDS-PAGE参考张丽等[9]的方法进行。将供试98份材料，取单颗籽粒，从无胚端切取半粒，捣碎后置于1.5 mL离心管中提取HMW-GS。中国春、7430取整颗籽粒提取HMW-GS。提取后的HMW-GS进行SDS-PAGE。

1.3 亚基命名和评分

HMW-GS的命名参照PAYNE等[10]的命名系统，品质的评分是根据PAYNE等[2]的依据给出（评分标准如表1所示），即等位基因的品质评分按1（劣质）至4（优质）给出，总的品质的分数是将各个亚基品质分数相加而来。

表1 高分子量麦谷蛋白亚基变异位点及品质得分

1.4 统计分析

利用Nei函数对每个位点上的遗传多样性进行分析，其中，H和Pi分别为遗传变异函数和等位基因出现的频率数。

2 结果与分析

2.1 小麦-长穗偃麦草渗入系中Glu-1位点的等位变异

通过对小麦-长穗偃麦草渗入系供试材料中的等位基因的类型研究发现，这些渗入系中HMW-GS基因的等位变异及亚基组成类型比较丰富（图1）。在98份小偃麦渗入系中，共发现13种不同的等位基因。在Glu-A1位点上有3种亚基类型出现，分别为1，2*和N，它们分别由Glu-A1，Glu-A1和Glu-A1这3个等位基因编码，其中，N型亚基在所检测材料中出现的频率最高，达到57.14%，其次为2*型亚基（29.59%），1型亚基所占比例最低，为13.27%。在Glu-B1位点上，发现6种等位变异，其中，出现频率最高的是编码7＋9型亚基的为53.06%，其次是编码17＋18型亚基的为28.57%，编码7＋8型亚基的为11.22%，编码14＋15型亚基的为5.10%，编码13＋16型及7型的出现频率最低，二者都为1.02%。在Glu-D1位点上，亚基类型2＋12出现频率最高，为66.33%，5＋10亚基出现频率为20.41%，2＋10亚基出现频率为12.24%（表 2）。

对Glu-1遗传变异率（表2）分析来看，Glu-D1（0.5033）略小于 Glu-A1（0.5683）和 Glu-B1（0.6214），这与Glu-D1等位变异类型相对少（小于Glu-B1位点的6种），而2＋12在后代中出现的频率又高（66.33%）有关。

2.2 小麦-长穗偃麦草渗入系中亚基组合及品质评分

从独立的各个亚基对品质的贡献（表2）来看，Glu-A1位点上优质亚基所占比例略低于劣质亚基，1和2*型亚基与N型亚基的比为43.86∶57.14；Glu-B1位点上的情况与Glu-A1位点上类似，但也高频率的出现了17＋18型的优质亚基。Glu-D1位点上，从能够赋分的亚基组合（5＋12亚基没有分值）来看，虽然优质亚基出现频率低于劣质亚基总和，但国际上公认的5＋10型优质亚基所出现的频率并不低（20.41%），仅次于2＋12类型（66.33%）。

表2 小麦-长穗偃麦草渗入系的HMW-GS等位变异及频率

表3 小麦-长穗偃麦草渗入系的HMW-GS组成及品质评分

从各亚基的组合（表3）来看，在98份渗入系材料中，3个基因位点上的等位基因共出现了22种组合。从组合出现的频率看，N，9＋7，2＋12组合出现的频率最高，为 28.57%，其次为 2*，17＋18，2＋12组合，频率为15.31%。有6个组合，即1，13＋16，5＋10；2*，14＋15，5＋10；1，7＋9，5＋10；1，17＋18，2＋12；2*，7＋8，5＋12；N，7，2＋12，出现频率最低，都为1.02%。从组合后的品质看，品质达到10分的材料有11份，频率为11.1%，其中在这11份材料中Glu-D1上的5＋10型亚基对此贡献最大，出现频率为100%。品质为8～10分的材料有31份，频率达到31.5%。品质不高（≤5分）的亚基组合占所测群体的1/3（34.7%）左右，这些材料中Glu-A1位点编码N型亚基，Glu-D1位点编码2＋10或2＋12亚基。

3 讨论

明确小麦品种/系中的HMW-GS组成，发现新的HMW-GS等位变异对于提高小麦加工品质非常重要。本研究中，在Glu-A1位点发现了3个等位变异，其中，N型亚基在所测材料中出现的频率最高，超过了1和2*型亚基的总和，这与中国小麦品种中Glu-A1位点以1和N型为主的状况一致[12]。但在本研究中2*型亚基出现频率高于1型亚基，其可能与亲本组合中以2*型亚基为主有关，这对于提高品质有所帮助。在Glu-B1位点发现了多个优质亚基类型，如 14＋15，7＋8，13＋16和 17＋18，总出现频率接近50%，劣质亚基7型出现频率只有1.02%，这些都为高频率出现高品质亚基组合提供了可能。Glu-D1位点上，国际上公认的高品质亚基5＋10出现频率达到20.41%，排第2位。此外，还出现了亚基5＋12，出现频率与其在中国小麦中出现频率相近，都较低（1%左右）[12]，但其目前被认为比5＋10亚基更优[13]。从亚基组合上看，高分值（≥9）的亚基组合为1/2*，7＋8/14＋15/17＋18/13＋16，5＋10组合，共有15份材料，这为选育高品质品种提供了种质资源。

小麦的野生近缘种属植物含有丰富的HMW-GS 等位基因[14-18]，在中间偃麦草[6，19-20]和长穗偃麦草[5，7-8]中也发现了多个HMW-GS等位基因。但是本研究中并没有发现新的等位基因，这可能与群体规模小有关，因此，新的等位基因的发掘工作有待于继续开展。偃麦草中蕴含丰富的抗病基因，经过前期的抗病性调查，本研究中的98份材料对小麦条锈病和白粉病都具有优良的抗性，结合本研究的结果，可以从中选育优质抗病的小麦种质资源，此外还可对筛选出的优质种质资源进行抗逆性评价，筛选抗逆的优质资源，为小麦抗逆和抗病育种服务。

［1］PAYNE P I.Genetics of wheat storage proteins and the effect of allelic variation on bread-makingquality[J].Annual Review of Plant Biology，1987，38（1）：141-153.

［2］PAYNE P I，NIGHTINGALE MA，KRATTIGER A F，et al.The relationship between HMW glutenin subunit composition and the bread making quality of British grown wheat varieties[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，1987，40（1）：51-65.

［3］ PAYNE P I，CORFIELD K G，HOLT L M，et al.Correlations between the inheritance of certain high-molecular weight subunits of glutenin and bread-making quality in progenies of six crosses of bread wheat[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，1981，32（1）：51-60.

［4］FLAVELL R B，GOLDSBROUGH A P，ROBERT L S，et al.Genetic variation in wheat HMW glutenin subunits and the molecular Basis of bread-making quality[J].Nature Biotechnology，1989，7（12）：1281-1285.

［5］GARG M，TANAKA H，ISHIKAWA N，et al.Agropyron elongatum HMW-glutenins have a potential to improve wheat end-product quality through targeted chromosome introgression[J].Journal of Cereal Science，2009，50（3）：358-363.

［6］NIU Z X，KLINDWORTH D L，WANG R R C，et al.Characterization of HMW glutenin subunits in Thinopyrum intermedium，Th.bessarabicum，Lophopyrum elongatum，Aegilops markgrafii，and their additionlinesinwheat[J].Crop Science，2011，51（2）：667-677.

［7］ LIU S W，ZHAO S Y，CHEN F G，et al.Generation of novel high quality HMW-GS genes in two introgression lines of Triticum aestivum/Agropyron elongatum[J].BMCEvolutionary Biology，2007，7：76.

［8］ FENG D S，XIA G M，ZHAO S Y，et al.Two quality-associated HMW glutenin subunits in a somatic hybrid line between Triticum aestivum and Agropyron elongatum[J].Theoretical and Applied Genetics，2004，110（1）：136-144.

［9］张丽，张建刚，潘登奎，等.小麦高分子量麦谷蛋白亚基的SDS-PAGE 方法[J].生物技术通报，2006（2）：78-80.

［10］PAYNE P I，LAWRENCE G J.Catalogue of alleles for the complex gene loci Glu-A1，Glu-B1 and Glu-D1 which code for high-molecular weight subunits of glutenin in hexaploid wheat[J].Cereal Research Communications，1983，11（1）：29-35.

［11］ NEI M.Analysis of gene diversity in subdivided populations[J].Proceedings of the National Academy of Science，1973，70（12）：3321-3323.

［12］ GUO X M，LI H Q，XIANG J S，et al.Genetic variation of high molecular weight glutenin subunits in wheat accessions in China[J].Crop Science，2011，51（6）：2423-2429.

［13］薛晓丽，张晓军，李欣，等.小麦－中间偃麦草渗入系的HMW-GS组成及等位变异分析 [J].麦类作物学报，2012，32（2）：361-365.

［14］ FENG D S，CHEN F G，ZHAO S Y，et al.High-molecular weight glutenin subunit genes in decaploid Agropyron elongatum[J].Acta Botanica Sinica，2004，46（4）：489-496.

［15］封德顺，陈凡国，赵双宜，等.高冰草中一种新型高分子量麦谷蛋白亚基编码序列的研究 [J].西北植物学报，2004，24（2）：237-242.

［16］WANG J R，YAN Z H，WEI Y M，et al.A novel high-molecularweight glutenin subunit gene Ee1.5 from Elytrigia elongate（Host）Nevski[J].Journal of Cereal Science，2004，40（3）：289-294.

［17］GUO Z F，YAN Z H，WANG J R，et al.Characterization of HMW prolamines and their coding sequences from Crithopsis delileana[J].Hereditas，2005，142：56-64.

［18］ WANG J R，YAN Z H，WEI Y M，et al.Characterization of high molecular weight glutenin subunit genes from Elytrigia elongate[J].Plant Breeding，2006，125：89-95.

［19］ LI G R，LANG T，DAI G，et al.Precise identification of two wheat-Thinopyrum intermedium substitutions reveals the compensation and rearrangement between wheat and Thinopyrum chromosomes[J].Molecular Breeding，2015，35（1）：1.

［20］GARG M，YANAKA M，TANAKA H，et al.Introgression of useful genes from Thinopyrum intermedium to wheat for improvement of bread-makingquality[J].Plant Breeding，2014，133（3）：327-334.