小麦主要品质相关基因的分子检测与分析

孙华卫，凌 冬，张道荣，唐 清，周芳菊，汤清益，刘先斌，王志顺，汤三明，任喜峰

（1.襄阳市农业科学院粮食作物研究所，湖北 襄阳 441057；2.湖北洪山实验室，武汉 430070）

1B/1R易位系是指小麦的1B染色体短臂被黑麦的1R染色体短臂取代而形成的小麦-黑麦易位系［1］。通常带有来自黑麦的抗条锈基因Yr9、抗叶锈基因Lr26、抗秆锈基因Sr31和抗白粉病基因Pm8，同时具有较好的丰产性和适应性，因此在国内外小麦育种中得到广泛应用，然而随着各种病理小种的突变和发展，多数1B/1R易位系已经失去原有的抗性，同时1B/1R易位系还会带来面粉面团黏性增大、强度降低、烘烤品质变劣等问题［2-4］。

小麦子粒蛋白质主要由醇溶蛋白和麦谷蛋白组成，麦谷蛋白占面筋蛋白的35%左右，主要由高分子量谷蛋白亚基（GMW-GS）和低分子量谷蛋白亚基（LMW-GS）组成，其中高分子量谷蛋白亚基对面筋特性起着重要的作用，与小麦烘焙品质密切相关，对品质性状具有决定性的作用［5］。高分子量谷蛋白亚基基因中的Dx5和Dy10是所有亚基基因中对烘焙品质贡献最大的基因，同时它们是一对紧密连锁的基因［6］。本研究主要对高分子量谷蛋白亚基中的Ax2*、AxN、Bx7、By8、Dx5和Dy10基因进行分子标记的检测。小麦子粒中的多酚氧化酶所催化的化学反应是导致面制品酶促褐变的主要原因，其活性和面制品色泽褐变有密切的关系［7］。多酚氧化酶主效基因主要是位于染色体2AL和2DL上的Ppo-A1和Ppo-D1，Ppo-A1等位基因包括Ppo-A1a（高PPO活性）和Ppo-A1b（低PPO活性），Ppo-D1等位基因包括Ppo-D1a（低PPO活性）和Ppo-D1b（高PPO活性）［8］。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为挑选的农艺性状和品质相对较好的88份小麦亲本材料，均来自襄阳市农业科学院小麦课题组，所有材料田间表现性状一致。

1.2 方法

1.2.1 基因组DNA的提取 材料种植于襄阳市农业科学院团山镇小麦试验地，在小麦幼苗期，取少量叶片于2 mL的离心管中，采用CTAB法提取小麦基因组DNA，详细步骤参考文献［9］。

1.2.2 PCR扩增及分子标记检测 试验相关分子标记见表1。PCR反应体系为10 μL，含有2×SanTaqPCR Mix预混液5 μL（生工生物工程（上海）股份有限公司）、10 μmol/L上下游引物各0.4 μL（生工生物工程（上海）股份有限公司合成）、10～50 ng DNA模板1 μL、灭菌去离子水3.2 μL。

表1 分子标记引物标记序列、预期扩增条带大小及对应的等位变异类型

2 结果与分析

2.1 1B/1R易位系检测结果

标记1B/1R在含有1B/1R异位系的材料中能够扩增出1 500 bp的片段（图1a）。结果显示，在88份亲本材料中有19份材料含有1B/1R异位系，占总数的21.59%。

2.2 高分子量谷蛋白亚基检测结果

Ax2*标记在含有Ax2*基因的材料中能够扩增出1条1 319 bp的条带（图2a），AxN标记在含有AxN基因的材料中能够扩增出1条920 bp的条带（图2b），标记By8在含有亚基By8的品种中可扩增出527 bp的片段（图1b），标记Bx7在含有亚基Bx7的品种中可扩增出630 bp或766 bp的片段（图3），Dx5标记能够在含有5+10亚基的材料中扩增出450 bp的片段（图4）。

图1 标记1B/1R（a）和By8（b）扩增部分试验材料琼脂糖凝胶电泳

图3 标记Bx7扩增部分试验材料琼脂糖凝胶电泳

图4 标记Dx5扩增部分试验材料琼脂糖凝胶电泳

在88份亲本材料中，含有亚基Ax2*、AxN、Bx7、By8和Dx5的品种分别有4、51、81、31和38份，分别占总数的4.55%、57.95%、92.05%、35.23%和43.18%。

2.3 多酚氧化酶基因检测结果

控制多酚氧化酶活性的基因检测主要使用的标记是PPO18和PPO29，能够分别检测2A和2D染色体上PPO等位基因。标记PPO18在含有Ppo-A1a（高PPO活性）基因的材料中能够扩增出685 bp的片段（图5），在含有Ppo-A1b（低PPO活性）基因的材料中能够扩增出876 bp的片段（图5）。标记PPO29在含有Ppo-D1a（低PPO活性）基因的材料中没有扩增产物（图2c），在含有Ppo-D1b（高PPO活性）基因的材料中能够扩增出490 bp的片段（图2c）。

图2 标记Ax2*（a）、AxN（b）、PPO29（c）扩增部分试验材料琼脂糖凝胶电泳

图5 标记PPO18扩增部分试验材料琼脂糖凝胶电泳

在88份亲本材料中，Ppo-A1a和Ppo-A1b基因型分别为40份和48份，频率分别为45.45%和54.55%（表2）。Ppo-D1a和Ppo-D1b基因型分别为49份和39份，频率分别为55.68%和44.32%。基因型Ppo-A1b/Ppo-D1a（双低PPO）的材料有29份，频率为32.95%，基因型Ppo-A1a/Ppo-D1a（中等PPO）和Ppo-A1b/Ppo-D1b（中等PPO）的材料分别有20份和19份，频率分别为22.73%和21.59%。基因型Ppo-A1a/Ppo-D1b（双高PPO）的材料有20份，频率为22.73%。

表2 供试小麦品种品质基因的分子标记检测结果

2.4 含有多个优质基因亲本筛选结果

88份亲本材料中，含有1、7+8、5+10亚基，非1B/1R异位系和基因型Ppo-A1b/Ppo-D1a（双低PPO）的材料有2份，分别为郑麦119和郑麦578，频率为2.27%。含有N、7+8、5+10亚基，非1B/1R异位系和基因型Ppo-A1b/Ppo-D1a（双低PPO）的材料有1份，为藁优5766，频率为1.14%。含有5+10亚基，非1B/1R异位系和基因型Ppo-A1b/Ppo-D1a（双低PPO）的材料有9份，分别为黄203、贵农19、郑麦119、SW18390、中麦1139、中梁96289、信麦28、郑麦578和藁优5766，频率为10.23%。同时含有5+10亚基和非1B/1R异位系有31份亲本，频率为35.23%。含有低PPO活性基因的材料能够改善面制品的色泽，含有5+10亚基和非1B/1R异位系的材料能够提高面筋质量，提高烘焙品质，聚合多个优质基因的材料能够有效地提高面粉的品质。

3 讨论

3.1 分子标记检测的实用性

相比于SDS-PAGE检测法，分子标记检测具有准确率高、工作量小、周期短等优点。SDS-PAGE检测法是根据高分子量谷蛋白亚基在SDS-PAGE凝胶上的迁移率来区分不同亚基的，不同亚基在凝胶上的迁移率并不总能与分子量一致［10］，会导致相应的误差。而分子标记检测是对遗传物质进行检测，准确率高，效果好。SDS-PAGE检测方法只能用小麦子粒进行检测，而分子标记检测能够取材于植株的大部分时期和部位，不受发育时期的限制［11］。通过分子标记辅助选择技术能够加快优质强筋小麦的育种进程，提高选择效率。

续表2

3.2 品质基因分布及其运用

不同组合的高分子量谷蛋白亚基对面团强度和烘焙品质的贡献率不同：Glu-A1位点1>2*>N；Glu-B1位点7+8>13+16>17+18=7+9；Glu-D1位点5+10>2+12>4+12［12］。在88份亲本材料中，亚基Ax2*的频率为4.55%。Ax2*亚基是稀有优质亚基，在中国普通小麦中分布较少，2019年郝浩楠［13］检测了294份中国核心小麦种质资源，Ax2*亚基的分布频率为3.68%，略低于本研究中Ax2*亚基的分布频率。说明挑选的亲本材料Ax2*亚基的分布频率可观，可加以利用。2015年陈泠等［14］对审定的127份品种进行了高分子量谷蛋白亚基组成分析，亚基7+8的分布频率是44.09%，亚基5+10的分布频率是29.92%。本研究中亚基7+8的分布频率是34.09%，亚基5+10的分布频率是43.18%，亚基5+10比例有所提高。亚基组合1/2*、7+8、5+10的材料有5份，分别为郑麦119、鄂麦25、鄂麦195、金优18和郑麦578，可优先考虑小麦强筋育种的亲本。

本研究中含有1B/1R异位系的材料占21.59%，与柳娜等［15］的结果47.1%相差较多，可能与亲本的挑选有关。1B/1R异位系对面团流变学特性、面包和面条品质皆有极显著的负面影响，选择亲本时应谨慎，尤其在选育优质强筋小麦品种时。

低PPO活性可降低面粉加工和贮藏过程中的褐变程度，具有低PPO活性的小麦品种更适合加工传统面食。本研究中基因型Ppo-A1b/Ppo-D1a（双低PPO）的材料频率为32.95%，与肖永贵等［16］的研究结果32.5%比较一致。

理想的优质小麦品种（系）应是聚合多个优异基因，如同时含有7+8亚基、5+10亚基、非1B/1R易位以及双位点低PPO活性（Ppo-A1b/Ppo-D1a）。本研究中符合上述条件的材料有3份，分别为郑麦119、郑麦578和藁优5766，可作为培育优质小麦的亲本材料。