不同来源小麦种质高分子质量谷蛋白 亚基多样性及其与加工品质的关系

张自阳，姜小苓，王智煜，朱启迪，刘明久，茹振钢

(河南科技学院，河南省现代生物育种协同创新中心，河南省高校作物分子育种重点开放实验室，河南 新乡 453003)

贮藏蛋白是影响小麦加工品质的主要因素，由谷蛋白和醇溶蛋白组成，两者约占小麦籽粒蛋白质的80%。其中，醇溶蛋白是多肽链单体蛋白质，主要决定面团的黏着性和延展性；谷蛋白由高分子质量谷蛋白亚基(High molecular weigh glutenin subunit，HMW-GS)和低分子质量谷蛋白亚基(Low molecular weigh glutenin subunit，LMW-GS)组成，决定面团的弹性[1-3]。HMW-GS由位于小麦第一同源染色体长臂的Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1位点控制，对小麦烘烤品质具有重要影响，特定亚基还可明显改善小麦品质[4]。Payne等[5]建立了HMW-GS的Glu-1评分，可解释英国小麦品质变异的47%～60%，被国内外研究者广泛研究。不同亚基对小麦品质的影响不同，一般携带5+10亚基的小麦具有较好的面包品质，7+8和14+15等亚基对烘烤品质也有正向效应[6]，N和2+12亚基则与较差的烘烤品质相关[1]。多数研究认为，Glu-A1编码的 1、2*亚基，Glu-B1编码的 7+8、17+18、13+16 亚基以及Glu-D1编码的 5+10 亚基对烘烤品质的影响较大[5，7]。另外，HMW-GS的数量也影响小麦品质[8]。相关专家认为，缺乏优质HMW-GS是目前导致我国小麦品种品质较差的主要原因之一，引入优质亚基是进一步改良我国小麦品质的一条重要途径[9-11]。小麦品种的HMW-GS组成仅取决于遗传因素，不受环境影响[12]，研究 HMW-GS 组成已成为小麦品质改良育种的重要依据。迄今，研究者对小麦HMW-GS的组成进行了较多研究，但有关HMW-GS与小麦品质尤其馒头加工品质关系的研究非常少[13]。范玉顶等[13]以黄淮麦区的114个小麦种质为材料研究HMW-GS 与北方手工馒头加工品质的关系发现，N和2+12 亚基对各品质指标的作用均好或较好，没有明显缺点，是适合制作优质手工馒头的亚基；(1，7+8，2+12)和(N，7+8，2+12)组合适于制作优质手工馒头，但选取的材料存在一定的局限性。为此，选用来源于国内外5个不同种植区的148个小麦种质，分析其HMW-GS 多样性及其与小麦粉和馒头加工品质的关系，旨在进一步发掘优质小麦种质，明确HMW-GS与小麦加工品质的关系，进而为小麦品质改良育种提供理论和材料基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料及种植

试验材料为148个小麦种质，其中，国外引进种质8个、北方冬麦区种质12个、黄淮冬麦区种质83个、长江中下游冬麦区种质27个、西南冬麦区种质18个。参试材料于2015-2016年种植于河南科技学院试验基地(河南省辉县市)，每份材料种植2行，行距25 cm，行长4 m，每行播种80粒，田间管理同一般大田。成熟后，分行收获，脱粒，晾晒，室温储藏备用。

1.2 试验方法

1.2.1 HMW-GS组成分析及命名 HMW-GS的组成分析参照张玲丽等[14]的分析方法。HMW-GS的命名根据Payne等[5，15]的方法进行，对照品种为中国春(N/7+8/2+12)、Neepawa(2*/7+9/5+10)和Marquis(1/7+9/5+10)。

1.2.2 面粉品质测定 利用实验磨粉机(LRMM8040-3-D，江苏无锡锡粮机械制造有限公司)磨粉，出粉率65%左右。利用数显白度仪(SBDY-1，上海悦丰仪器仪表有限公司)测定面粉白度；利用全自动凯氏定氮仪(UDK159，意大利VELP公司)测定面粉含氮量；利用粉质仪(810101，德国Brabender公司)测定面团粉质特性，方法参照GB/T 14614-06；利用面筋仪(2200，瑞典Perten公司)测定湿面筋含量，方法参照SB/T 10249-95。

1.2.3 馒头制作及质构特性分析 馒头制作参照姜小苓等[16]的方法进行，蒸好的馒头盖上干纱布冷却40 min，利用质构仪(TMS-PRO，美国FTC仪器公司)对馒头质构特性进行分析测定，方法参照付蕾等[17]的方法。具体操作步骤为：将馒头纵切成厚度约25 mm的均匀薄片，利用75 mm圆盘挤压探头进行TPA压缩模式测试。测前速度50 mm/s，测试速度30 mm/s，测后速度50 mm/s，起始力0.8 N，形变量30%，测试指标主要为硬度和咀嚼性。

1.3 数据统计分析

利用SAS V8数据处理软件和Excel 2007进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 148份小麦种质HMW-GS的组成分析

由表1可知，在148个小麦种质的Glu-1位点共检测到17种HMW-GS类型。其中，Glu-A1位点有3种类型，分别为1、N、2*，1亚基出现频率最高(56.8%)，其次为N亚基(39.2%)；Glu-B1位点检测到7种亚基类型，分别为7+9、7+8、14+15、17+18、13+16、7、6+8，7+9亚基出现频率最高(47.3%)，其次为7+8亚基(33.8%)，13+16、7、6+8亚基出现频率较低，分别为2.0%，1.4%，0.7%；Glu-D1位点检测到7种亚基类型，分别为2+12、5+10、5+12、2+10、4+12、2+11、2.2+12，2+12亚基出现频率最高(45.9%)，其次为5+10亚基(43.2%)，4+12、2+11、2.2+12亚基出现频率较低，分别为1.4%，0.7%，0.7%。

表1 148个小麦种质Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1 位点的HMW-GS及其出现频率Tab.1 Frequency of HMW-GS at Glu-A1，Glu-B1 and Glu-D1 loci in 148 wheat germplasms

由表2可知，在148个小麦种质中共检测到35种HMW-GS组合，其中，(1/7+9/2+12)组合出现频率最高(13.4%)，(1/7+8/5+10)、(N/7+9/2+12)、(1/7+9/5+10)、(1/7+8/2+12)组合依次次之，出现频率分别为12.1%，12.1%，10.0%，8.0%，(N/7+9/5+10)、(N/7+8/2+12)、(N/14+15/5+10)、(N/7+8/5+10)、(1/14+15/2+12)、(2*/7+9/5+10)、(1/7+9/5+12)、(2*/14+15/5+10)、(1/7+8/5+12)、(1/17+18/5+10)、(1/17+18/2+12)组合出现频率较低；而剩余19种稀有亚基组合类型均仅在1份材料中检测到，出现频率均为0.7%。

2.2 不同来源小麦种质HMW-GS的组成分析

由表3可知，不同来源小麦种质的HMW-GS组成存在一定差异。在Glu-A1位点，大多数小麦种质中检测到1或N亚基，仅有少数小麦种质检测到2*亚基。其中，N亚基在国外、西南冬麦区小麦种质中出现频率较高，分别为62.5%，66.6%；而1亚基在黄淮冬麦区、长江中下游冬麦区出现频率较高，分别为65.1%，70.4%。在Glu-B1位点，多数国内小麦种质检测到7+9或7+8亚基，而多数国外小麦种质具有7+9 或 17+18亚基。同时，国外小麦种质在Glu-B1位点出现亚基类型最丰富，具有7+9、7+8、17+18、13+16、7、6+8等6种亚基类型；黄淮冬麦区小麦种质在Glu-B1位点的亚基类型也很丰富，具有7+9、7+8、14+15、17+18、13+16、7等6种类型；而北方冬麦区、长江中下游冬麦区和西南冬麦区小麦种质在Glu-B1位点检测到的亚基类型较少。在Glu-D1位点，多数小麦种质具有2+12 或5+10亚基。其中，50.0%国外小麦种质携带5+10亚基，25.0%携带2+12亚基，携带2+10、2+11亚基的小麦种质分别占12.5%；黄淮冬麦区小麦种质中，2+12、5+10 亚基出现频率较高，分别为44.6%，43.4%，其次为5+12、4+12亚基，出现频率分别为7.2%，2.4%，而2+10、2.2+12亚基出现频率最低，均为1.2%；长江中下游冬麦区、西南冬麦区，分别有92.6%，88.9%的小麦种质携带2+12或5+10亚基，5+12、2+10亚基出现频率均最低，且仅在1份材料中出现；北方冬麦区小麦种质中仅检测到2+12、5+10亚基，出现频率分别为83.3%，16.7%。

表2 148个小麦种质的HMW-GS组合及其出现频率Tab.2 HMW-GS combination and its frequency in 148 wheat germplasms

表3 不同来源小麦种质Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1位点的HMW-GS及其出现频率Tab.3 HMW-GS and its frequency at Glu-A1，Glu-B1 and Glu-D1 loci in wheat germplasms from different regions

2.3 不同HMW-GS与小麦粉及馒头加工品质的关系

选用面粉白度、蛋白质含量、湿面筋含量、吸水率、稳定时间、粉质质量指数、馒头硬度和咀嚼性等9个重要品质指标研究HMW-GS与小麦粉及馒头加工品质的关系。其中，硬度和咀嚼性是衡量馒头质构特性的2个重要指标，两者值越小，表明面制品越柔软、适口性越好。在检测到的17种亚基类型中，选取11种主要亚基类型(出现的材料数大于4)进行分析(表4)发现，HMW-GS对面粉白度、湿面筋含量、吸水率、稳定时间、粉质质量指数及馒头的咀嚼性等品质指标均具有显著影响。其中，在Glu-A1位点，携带N亚基小麦种质的面粉白度最高；在Glu-B1位点，携带14+15亚基小麦种质的面粉白度和湿面筋含量均最高，但面团稳定时间较短，携带17+18亚基小麦种质的面团稳定时间最长，且馒头的硬度和咀嚼性均最好；在Glu-D1位点，携带2+10亚基的小麦种质表现出较好的馒头质构特性，携带5+10亚基的小麦种质具有最长的面团稳定时间，携带5+12亚基小麦种质的面粉白度最高。进一步比较发现，携带相同HMW-GS材料的品质指标间也存在一定差异。

2.4 HMW-GS组合与小麦粉及馒头加工品质的关系

选取10个代表性HMW-GS组合(材料数大于5)，分析不同亚基组合与小麦粉及馒头加工品质的关系。由表5可知，不同HMW-GS组合对小麦种质品质指标均存在显著影响。其中，携带(1/7+8/2+12)、(1/7+8/5+10)、(N/7+9/5+10)亚基组合的小麦种质具有较高的蛋白质和湿面筋含量，且面团稳定时间长，说明面团筋力较强；携带(N/14+15/5+10)、(N/7+9/5+10)亚基组合小麦种质的面粉白度较高；携带(1/14+15/2+12)、(1/7+9/5+10)、(N/7+8/2+12)亚基组合小麦种质馒头的硬度和咀嚼性较小，适合制作优质馒头；携带(N/14+15/5+10)、(N/7+9/2+12)、(1/7+9/2+12)亚基组合小麦种质的面团筋力明显较差。另外，携带相同HMW-GS组成材料的品质指标间也存在差异。

表4 不同HMW-GS与小麦粉及馒头加工品质的关系Tab.4 Relationship between different HMW-GS and quality of flour and steamed bread

注：同列数据后的不同字母表示差异达5%显著水平。表5同。

Note：Values with different letters in the same column mean significantly difference at 5% level. The same as Tab.5.

表5 不同HMW-GS组合与小麦粉及馒头加工品质的关系Tab.5 Relationship between different HMW-GS combination and quality of flour and steamed bread

3 结论与讨论

在148个参试小麦种质中，共检测到17种HMW-GS类型，在Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1位点分别检测到 3，7，7 种不同的亚基类型，亚基1、7+9、2+12在各自位点上出现的频率最高，分别达到了56.8%，47.3%，45.9%，这与吴芳等[18]对来源于我国17个省(地区)235个小麦种质的分析结果基本一致；优质亚基1、7+8、14+15、5+10在参试小麦种质中出现的频率均较高，分别为56.8%，33.8%，10.8%，43.2%，说明多数参试小麦种质的品质较好。共检测到35种亚基组合类型，其中，(1/7+9/2+12)、(1/7+8/5+10)、(N/7+9/2+12)、(1/7+9/5+10)组合出现频率较高，均大于10%，还存在19种稀有亚基组合，出现频率均仅为0.7%，进一步说明参试小麦种质的HMW-GS组合具有较高的多样性。

不同来源小麦种质的HMW-GS组成存在一定差异。其中，国外引进小麦种质和黄淮冬麦区小麦种质的亚基类型较丰富，分别为13，15种，且出现优质亚基的频率较高，说明国外引进种质和黄淮冬麦区种质具有较好的品质。研究表明，优质亚基14+15对面包、面条和饺子等面制品的品质具有重要影响，但在国外材料中比较少见[14，19-20]。本研究中，该亚基在黄淮冬麦区、长江中下游冬麦区和西南冬麦区小麦种质中均被检测到，且出现频率也较高，但未在国外引进和北方冬麦区小麦种质中检测到。另外，6+8和2+11亚基仅出现在国外引进小麦种质中，2.2+12亚基只在黄淮冬麦区种质中被检测到。

HMW-GS对小麦蛋白质含量的影响不大，但对面团筋力和馒头加工品质的影响显著，这与以往研究结果基本一致[21-22]。其中，亚基1、2*、7+8、17+18、5+10对面团稳定时间均具有明显的正向效应，这些亚基是多数研究者公认的优质亚基[23-26]。迄今，有关HMW-GS对馒头加工品质影响的研究报道较少。本研究发现，2*、17+18、2+10亚基对馒头的硬度和咀嚼性具有明显的正向效应，制作的馒头适口性较好；携带(1/14+15/2+12)、(1/7+9/5+10)、(N/7+8/2+12)亚基组合种质馒头的加工品质较好。范玉顶等[13]研究表明，N和2+12亚基对馒头各品质指标均具有正向效应，(1/7+8/2+12)、(N/7+8/2+12)是制作优质馒头的适宜亚基组合，这与本研究结果不太一致，可能是由于所用试验材料及馒头品质评价方法不同导致。