Pins基因等位变异对磨粉品质和新疆拉面加工品质的影响

桑 伟,刘鹏鹏,聂迎彬,崔凤娟,韩新年,孔德真,邹 波, 徐红军,穆培源

(1.新疆农垦科学院作物研究所，新疆石河子 832000； 2.谷物品质与遗传改良兵团重点实验室，新疆石河子 832000；)

籽粒硬度是小麦最重要的品质性状之一，影响润麦加水量、出粉率和破损淀粉粒含量等性状，进而影响面制品加工品质[1]。小麦可按籽粒硬度分为硬质麦和软质麦两大类，其中硬质麦面粉颗粒度较大，破损淀粉粒含量较高，具有较强的吸水能力，适合制作面包和优质面条；而软质麦面粉颗粒度较小，破损淀粉粒含量较低，吸水能力较弱，适合制作饼干和糕点类食品。硬质小麦一般蛋白质含量较高，且籽粒中蛋白质和淀粉结合程度较强[2]。籽粒硬度主要取决于淀粉颗粒表面puroindoline蛋白含量的差异，不同puroindoline基因型的差异主要由Pina和Pinb基因(合称Pins基因)的变异类型决定。目前研究一致认为，Pina基因不表达或Pinb基因发生突变均会导致小麦胚乳质地变硬[3]，但是不同的突变类型对硬度的影响不同，如Pina-D1b突变类型小麦的籽粒硬度较Pinb-D1b突变类型高[3-9]。目前已在普通小麦和近缘植物中发现了17种Pina变异类型(Pina-D1a,Pina-D1b,Pina-D1c,Pina-D1d,Pina-D1e,Pina-D1f,Pina-D1g,Pina-D1h,Pina-D1i,Pina-D1j,Pina-D1k,Pina-D1l,Pina-D1m,Pina-D1n,Pina-D1o,Pina-D1p,Pina-D1q)和25种Pinb变异类型(Pinb-D1a,Pinb-D1b,Pinb-D1c,Pinb-D1d,Pinb-D1e,Pinb-D1f,Pinb-D1g,Pinb-D1h,Pinb-D1i,Pinb-D1j,Pinb-D1k,Pinb-D1l,Pinb-D1m,Pinb-D1n,Pinb-D1o,Pinb-D1p,Pinb-D1q,Pinb-D1r,Pinb-D1s,Pinb-D1t,Pinb-D1u,Pinb-D1v,Pinb-D1w,Pinb-D1aa,Pinb-D1ab)[3-4,10-15]，其中Pina-D1ac是在新疆地方品种喀什白皮和前苏联品种红星春麦中发现的新变异类型[16]。

不同puroindoline基因型对小麦磨粉品质和食品加工品质具有重要影响。研究表明，Pinb-D1b基因型的小麦在磨粉、馒头、面条和面包加工品质等方面均略优于其他类型[17-19]。Giroux等[20]、Martin等[6-7]、Cane[8]等和Nagamine等[9]认为Pina-D1a/Pinb-D1b基因型小麦的出粉率、磨粉评分、面粉颗粒大小、亮度(L*值)、红度(a*值)、面团形成时间和延展性均高于Pina-D1b/Pinb-D1a基因型，但灰分含量和吸水率较低。陈 锋等[1]研究表明，Pina-D1a/Pinb-D1b基因型小麦的籽粒硬度、面粉灰分含量和面粉a*绝对值均显著低于Pina-D1b/Pinb-D1a基因型。Ma等[21]认为Pina-D1b/Pinb-D1a基因型小麦的破损淀粉率高于其他基因型，但亮度(L*值)较低；Pina-D1b/Pinb-D1d基因型小麦的破损淀粉含量、出粉率和黄度(b*值)均低于其他基因型，但亮度(L*值)较高。Chen等[22]研究表明，Pinb-D1b基因型小麦制作的馒头、面条和面包加工品质均优于Pina-D1b基因型和野生型。Pinb-D1a～g这7种基因型小麦的硬度值和破损淀粉粒含量低，出粉率则相对较高，其中，Pinb-D1g和Pinb-D1e基因类型的中国鲜面条评分高，Pinb-D1c和Pinb-D1d类型的馒头品质优，Pinb-D1f类型的面包品质优[21,23]。Eagles等[24]认为野生型(Pina-D1a/Pinb-D1a)面条的L*值、黄亮度(L*-b*)值和软硬度均显著好于Pina-D1b/Pinb-D1a基因型，但b*值较低；Pina-D1a/Pinb-D1b基因型的面条品质优于Pina-D1a/Pinb-D1a和Pina-D1b/Pinb-D1a基因型。

前人对新疆麦区在内的主要小麦品种籽粒硬度表型及其基因组成和分布已经进行了比较详细的研究报道[5,25-27]，但尚未对puroindoline基因型对籽粒硬度、磨粉品质和新疆拉面加工品质的影响进行系统分析。因此，本研究以109份新疆冬小麦品种(系)为材料，利用已开发的功能标记对供试材料进行Pins基因不同等位变异类型的检测，并结合籽粒硬度、磨粉品质性状和新疆拉面加工品质的测定，对不同puroindoline基因型对籽粒硬度、磨粉品质和新疆拉面加工品质的影响进行综合评价与分析，以期为新疆优质小麦品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试材料为109份新疆冬小麦品种(系)(表1)，包括新疆地方品种、国内外引进品种以及90年代以来审定和育成的品种和新品系，具有较好的代表性。参试冬小麦品种分别于2007年、2008年种植在新疆农垦科学院作物所试验站，采用顺序排列，2次重复，每个材料种植10行，行长1.8 m，行距0.25 m，条播，播种量2.33万粒·hm-2，田间管理按大田常规方法进行。2008年7月、2009年7月冬小麦正常成熟后，采用人工收获，收获后每个小区取2.0 kg籽粒，2个重复小区混合后得到4.0 kg籽粒作为分析样品。小麦籽粒室温存放1个月后制粉，根据硬度不同加水润麦，软质麦、混合麦、硬质麦分别加水至14.0%、 15.0%、16.0%，润麦18～20 h，采用德国Brabender公司 Quandrmat Senior磨制面粉，面粉样品室温存放1个月后开始测定品质，并在2个月内完成全部测试内容。

1.2 测定方法

1.2.1 品质性状的测定

籽粒硬度的测定：将小麦样品于同一条件下放置3 d，水分控制在11%～13%之间。采用瑞典PERTEN公司生产的4100型单籽粒谷物特性测定仪(single kernel characterization system，SKCS)测定300粒小麦样品的籽粒硬度。每个样品测试结果为300粒小麦的平均值。根据SKCS仪显示的硬度级别(硬质H、软质S和混合型M)确定其质地类型(硬质麦、软质麦或混合麦)，同时记录硬度指数和硬度分布频率。样品的硬度指数小于40为软质麦，大于60为硬质麦，介于二者之间为混合麦。具体分类根据样品的籽粒硬度指数和分布频率确定。

面粉灰分含量的测定：使用丹麦FOSS公司1241型近红外谷物成分分析仪按照AACC08-01方法测定面粉灰分含量。

面粉色泽的测定：使用日本KONICA MINOLTA 公司Minolta CR-310色彩色差仪测定面粉色泽，使用D65的CIE-L*、a*、b*的色度系统，L*值表示黑-白(亮)度，值越大则越白(亮)；a*值表示绿-红色，值越大则越红；b*值表示蓝-黄色，值越大则越黄。

吸水率的测定：使用美国National manufacturing公司的10 g电子型揉面仪按AACC54-40A方法测定吸水率。

1.2.2 新疆拉面制作和评价

参照本实验室制定的《新疆拉面制作和评价方法》[28]，略有改进。新疆拉面制作方法中煮面时间由5 min改为拉面漂起水面即为煮熟，然后将拉面取出用自来水冲淋1 min。

1.3 Pins基因型的分子检测

基因组DNA提取、STS标记检测、CAPs标记酶切鉴定和基因型序列分析均参照Wang等[16]和王 亮等[27]的方法。

1.4 数据分析

采用SPSS 17.0进行样品平均数差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 新疆冬小麦品种籽粒硬度特性及其Pins基因的分布频率

从表1可以看出，在109份供试品种(系)中，硬质麦有76份，占69.72%；混合麦有25份，占22.94%；软质麦有8份，占7.34%。说明新疆冬小麦品种(系)以硬质麦为主。

对109份新疆冬小麦品种(系)的Pins基因型进行分子检测，结果表明，Pina基因型存在Pina-D1a(野生型)和Pina-D1b两种等位变异类型，占比分别为93.58%和6.42%；Pinb基因型存在Pinb-D1a(野生型)、Pinb-D1b、Pinb-D1p、Pinb-D1ab和Pinb-D1aa5种等位变异类型，占比依次为16.51%、59.63%、21.11%、1.83%和 0.92%。Pina和Pinb基因型组合类型共有Pina-D1a/Pinb-D1a、Pina-D1a/Pinb-D1b、Pina-D1a/Pinb-D1p、Pina-D1a/Pinb-D1ab、Pina-D1a/Pinb-D1aa和Pina-D1b/Pinb-D1a六种，占比依次为10.09%、59.63%、21.11%、1.83%、 0.92%和6.42%。这些研究结果说明，Pina-D1a、Pinb-D1b、Pina-D1a/Pinb-D1b是新疆冬小麦品种(系)籽粒硬度Pins的主要基因型和基因型组合，硬质麦主要来源于Pinb的突变。

参试冬小麦品种(系)Pina和Pinb基因型组合(表1)中，11份Pina-D1a/Pinb-D1a基因型材料中有7份为软质麦，4份为混合麦；65份Pina-D1a/Pinb-D1b基因型材料中有57份为硬质麦，8份为混合麦；23份Pina-D1a/Pinb-D1p基因型材料中有21份为硬质麦，2份为混合麦；2份Pina-D1a/Pinb-D1ab材料、1份Pina-D1a/Pinb-D1aa基因型材料和7份Pina-D1b/Pinb-D1a基因型材料均为硬质麦。总之，软质麦的Pina和Pinb基因均为野生型，硬质麦中Pina或Pinb基因却发生了突变，混合麦介于二者之间，说明基因型与表现型基本一致。

2.2 不同Pins基因型和基因型组合对小麦籽粒硬度及磨粉品质的影响

从表2可以看出，不同Pins基因型之间小麦面粉L*值和a*值的差异均未达到显著水平，而籽粒硬度、出粉率、灰分含量、b*值和吸水率5个指标的差异达到显著水平。其中，Pinb-D1a基因型(野生型)小麦的籽粒硬度最低，为48.5，但面粉色泽最好，L*值最高(91.33)，a*值(-1.15)和b*值 (9.22)最低，其籽粒硬度与Pina-D1a(野生型)及其他突变类型间的差异达到显著水平。不同Pins基因型中，Pina-D1b基因型小麦的籽粒硬度(68.8)最高，与Pinb-D1a基因型相比，差异显著，而与其他基因型间无显著差异;Pinb-D1aa基因型小麦的出粉率(67.2%)最高，与Pinb-D1ab基因型小麦相比，差异显著，而与其他基因型间无显著差异;Pinb-D1ab基因型的灰分含量(0.40%)最低、吸水率(62.0%)最高，其中，灰分含量与Pina-D1b基因型间差异显著，吸水率与Pinb-D1a、Pinb-D1a、Pinb-D1b和Pinb-D1p这4种基因型间的差异均达显著水平。

从表3可以看出，不同Pins基因型组合小麦的籽粒硬度显著高于Pina-D1a/Pinb-D1a基因型(野生型)，其中，Pina-D1b/Pinb-D1a基因型组合的硬度最高，其他基因型组合的硬度大小依次为Pina-D1a/Pinb-D1ab>Pina-D1a/Pinb-D1p>Pina-D1a/Pinb-D1b>Pina-D1a/Pinb-D1aa，这5种基因型组合间的籽粒硬度无显著差异。Pina-D1a/Pinb-D1aa基因型组合的出粉率显著高于野生型和其他组合类型，Pina-D1a/Pinb-D1ab基因型组合的出粉率最低，与野生型间无显著差异。Pina-D1a/Pinb-D1ab基因型组合的灰分含量最低，与Pina-D1a/Pinb-D1aa基因型间组合类型间无显著差异，而与野生型及其他基因型间差异显著。野生型的L*值最高，其次是Pina-D1a/Pinb-D1ab和Pina-D1a/Pinb-D1aa，且这3种基因型组合间差异不显著；Pina-D1b/Pinb-D1a、Pina-D1a/Pinb-D1b和Pina-D1a/Pinb-D1p基因型组合小麦的面粉L*值均显著低于野生型。不同基因型组合类型间的a*值差异不显著。野生型的b*值最低，与Pina-D1a/Pinb-D1b基因型间差异不显著，而与其他基因型间差异显著。Pina-D1a/Pinb-D1ab的吸水率最高，与Pina-D1a/Pinb-D1aa、Pina-D1b/Pinb-D1a和Pina-D1a/Pinb-D1b3种组合类型间无显著差异，而与Pina-D1a/Pinb-D1p和Pina-D1a/Pinb-D1a之间的差异达到显著水平。

表3 不同Pins基因型组合小麦籽粒硬度、磨粉品质的比较

2.3 不同Pins基因型和基因型组合对新疆拉面加工品质的影响

从表4和表5可以看出，不同Pins基因型及其基因型组合间的新疆拉面加工品质评价指标基本没有差异，仅基因型Pina-D1a、Pina-D1b、Pinb-D1a、Pinb-D1b和Pinb-D1p与Pinb-D1ab以及基因型组合Pina-D1a/Pinb-D1a(野生型)、Pina-D1a/Pinb-D1b和Pina-D1a/Pinb-D1p与Pina-D1a/Pinb-D1ab的表观状态、黏弹性2个指标存在显著差异，其他Pins基因型及其基因型组合间的拉面手感、适口性、光滑性、食味、色泽和拉面总分6个评价指标无显著差异。

表4 不同Pins基因型新疆拉面加工品质的比较

表5 不同Pins基因型组合新疆拉面加工品质的比较

根据新疆拉面感官评价标准(≥85分为优，75～85分为良，65～75分为中，≤65分为差)，本研究中拉面感官评价总分≥85分的冬小麦品种有11个。这11个品种均为Pina-D1野生型和Pinb-D1突变类型，其中突变类型中，有9个品种为Pinb-D1b，2个品种为Pinb-D1p；从Pins基因型组合来看，9个品种为Pina-D1a/Pinb-D1b，2个品种为Pina-D1a/Pinb-D1p。

3 讨 论

本研究表明，新疆冬小麦品种籽粒硬度Pins基因型中，Pina基因存在2种等位变异，Pinb基因存在5种等位变异，与已发现的17种Pina和25种Pinb变异类型[3-5,10-15]相同，Pins基因型组合类型有6种，其中Pina-D1a/Pinb-D1b数量最多，占59.63%，与我国冬小麦中最常见的基因组合类型[29]也一致。与前人研究结果相比，Pins基因型分布频率与王 亮等[27]、哈力旦等[25]关于新疆冬小麦的研究结果一致，Pins基因型组合分布频率同王 亮等[31]的研究结果一致，与哈力旦等[25]、丛 花等[26]的研究结果存在较大的差异，原因可能是研究材料的来源和数量不同造成的。本研究供试材料均为冬小麦，包括地方品种 (7.34%)、引进品种(系)(29.36%)、新疆自育品系(38.53%)和新疆审定品种(24.77%)，其中新疆审定品种和自育品系数量较多，具有较好的代表性。

籽粒硬度是小麦品质评价的重要指标之一，Pins基因是形成小麦籽粒硬度的基础，其变化会影响puroindolin蛋白的变化，进而影响小麦胚乳质地的变化，PINA 蛋白的缺失或编码PINA和PINB 蛋白的基因突变均可造成小麦胚乳质地变硬[3-5]，且不同Pins基因型对籽粒硬度大小的影响不同。本研究中Pins基因突变类型及其组合类型的籽粒硬度均显著高于野生型，不同Pins基因型的籽粒硬度大小也存在差异， 其中，Pina-D1b基因型的籽粒硬度最高(68.8)，Pinb-D1a(野生型)的籽粒硬度最低(48.5)，Pina-D1a(61.9)、Pinb-D1b(64.6)和Pinb-D1p(66.5)三种主要基因型间的籽粒硬度无显著差异；不同Pins基因型组合的籽粒硬度大小也存在差异，其中，Pina-D1b/Pinb-D1a基因型组合的籽粒硬度最高(68.8)，其他依次为Pina-D1a/Pinb-D1ab>Pina-D1a/Pinb-D1p>Pina-D1a/Pinb-D1b>Pina-D1a/Pinb-D1aa，这5个基因型组合与Pina-D1a/Pinb-D1a间差异显著，这与王 亮等[27]、陈 锋等[30]的研究结论基本一致。此外，在23个Pina-D1a/Pinb-D1p基因型材料中，新冬17号的籽粒硬度最高(80.5)；11个野生型(Pina-D1a/Pinb-D1a)材料中，新冬21号的籽粒硬度最低(11.5)，说明这两个新疆冬小麦品种为籽粒硬度的特异材料，值得进一步研究和利用。

不同Pins基因型对磨粉品质具有重要影响[21]。本研究中，Pinb-D1a基因型的籽粒硬度最低，面粉色泽最好，L*值最高，a*值和b*值最低；Pina-D1b基因型的籽粒硬度和灰分含量最高，与前人研究结果一致[6,22-23]；Pinb-D1aa基因型的出粉率最高，与前人研究结果不同，原因可能是陈 锋等[1]、Martin等[6]、Chen等[22]和Giroux等[31]等均采用春小麦或杂种后代为材料，以及马冬云等[23]用Pinb-D1近等基因系为材料，而本研究供试材料为新疆冬小麦品种(系)。此外，Pina-D1b、Pinb-D1p、Pinb-D1aa基因型与Pinb-D1ab基因型间出粉率的差异均达到显著水平，与Martin等[6]和Giroux等[31]结果一致。不同Pins基因型组合中，野生型的籽粒硬度最低，面粉色泽最好；Pina-D1a/Pinb-D1aa基因型组合的出粉率最高，Pina-D1a/Pinb-D1ab基因型组合的灰分含量最低，吸水率最高。前人研究表明，籽粒硬度与吸水率、面粉黄度(b*值)和灰分含量呈极显著或显著正相关，与面粉亮度(L*值)呈极显著负相关[9,22]。本研究中不同Pins突变类型间籽粒硬度的差异不显著，制粉过程中硬度大的小麦更易形成较多的破损淀粉颗粒，导致小麦粉吸水率增大，但硬度过大不利于面粉色泽的改善。这与陈 锋等[1]、Nagamine等[9]、Chen等[22]、桑 伟等[32]的研究结果一致。

不同Pins基因型对面食加工品质的影响不同[21]。Chen等[22]认为Pinb-D1b基因型小麦的面条a*值、黏弹性和评价总分高于Pina-D1b类型和野生型。Eagles 等[24]认为野生型的面条L*值、黄亮度(L*-b*)值和软硬度分值显著高于Pina-D1b/Pinb-D1a类型，但b*值显著较低；Pina-D1a/Pinb-D1b类型的面条品质优于Pina-D1a/Pinb-D1a和Pina-D1b/Pinb-D1a2种类型。本研究发现，新疆拉面加工品质中仅Pinb-D1ab、Pina-D1a/Pinb-D1ab基因型的表观状态、黏弹性与野生型和其他Pins基因突变类型存在显著差异(除Pinb-D1aa、Pina-D1b/Pinb-D1a和Pina-D1a/Pinb-D1aa)，拉面手感、适口性、光滑性、食味、色泽和拉面总分在不同Pins基因型及其基因型组合间均无显著差异，说明Pins基因及其基因型组合对新疆拉面加工品质无显著直接影响。这与Chen等[22]、Eagles 等[24]等研究的结果不同。原因可能是本研究供试材料虽具有新疆代表性，但Pinb-D1aa和Pinb-D1ab基因型样本数量过少，研究结果还需进一步验证。从拉面总分为优(≥85分)的Pins基因型中可以看出，11个优良拉面品种中有9个品种为Pinb-D1b(占 81.82%)基因型，这与我国冬小麦品种籽粒硬度Pins基因主要以Pina-D1a/Pinb-D1b为主有关[29]；Pins基因发生突变，籽粒硬度变大、制粉过程中破损淀粉和灰分含量增加、面粉色泽变差，进而影响拉面表观状态、光滑性、色泽、食味和拉面总分。这一分析结果说明，Pins基因突变类型通过影响磨粉品质和面粉品质，进而对新疆拉面加工品质产生间接的影响。这也与前人的研究结果相同[28,32-33]。同时，也再次验证不同研究的结果受材料来源和数量多少的影响很大，因此，需进行较大规模的试验进行进一步研究，研究结果有待报告。

4 结 论

新疆冬小麦品种中，Pina基因以野生型为主，Pinb基因以突变型为主。当Pina或Pinb基因发生突变后，冬小麦品种的籽粒硬度、出粉率显著上升；面粉亮度显著下降，a*值、b*值和吸水率等显著升高；新疆拉面适口性变好，但拉面手感、表观状态、黏弹性、光滑性、色泽和拉面总分均略有下降，但未达到显著水平(除Pinb-D1ab的表观状态和黏弹性外)。

Pins基因及其基因型组合对新疆拉面加工品质无显著直接影响，其主要通过影响籽粒硬度、磨粉品质性状对新疆拉面加工品质产生间接的影响；对于优质新疆拉面品种，Pinb基因突变类型对新疆拉面加工品质的影响大于Pina基因突变类型，育种中应优先选择Pinb基因突变型材料，其中Pina-D1a/Pinb-D1b可以作为育种中重点选择的基因型组合。