258份山西小麦品种(系)高分子量麦谷蛋白亚基组成分析

李 雪, 沈鑫垚, 郭钰婧, 程天灵, 韩文蕾, 裴自友, 温辉芹, 王宏兵

(山西农业大学农学院, 太原 030031)

小麦是我国主要粮食作物之一,也是山西第二大粮食作物,随着人们生活水平的提高,对小麦新品种的要求不再局限于高产,而是趋向于对具优良品质和专用型小麦的追求,以满足人们对小麦不同加工种类的需求。因此,高产优质品种的选育成为小麦育种的重要目标[1]。

小麦的加工品质直接受储藏蛋白的影响,储藏蛋白在小麦籽粒蛋白中所占比重高达85%,储藏蛋白分为麦谷蛋白和醇溶蛋白,麦谷蛋白又分为高分子量麦谷蛋白亚基(High molecular weight glutenin subunits,HMW-GS)和低分子量麦谷蛋白亚基(Low molecular weight glutenin subunits,LMW-GS),HMW-GS由分别位于小麦染色体1A、1B和1D长臂上的 3个等位基因位点(Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1)控制,每个点位上都有不同的亚基类型。虽然高分子量麦谷蛋白的含量只占麦谷蛋白的10%左右,但其组成决定了面团的弹性,直接影响小麦的加工品质[2]。

杨丹等[3]2015年对北方172份小麦品种的HMW-GS进行了分析,并分别研究了3个位点不同亚基对蛋白质含量和沉降值的效应,获得了效应值相对较高的亚基及组合类型。牛吉山等[4]通过对190份黄淮麦区小麦品种的HMW-GS分析,认为黄淮麦区的小麦种质在培育面条和馒头小麦品种中具有优势。相吉山和马晓岗[5]、刘琦等[6]分别对青海省主栽品种和审定品种的谷蛋白亚基进行鉴定分析,筛选出育种中可作为优良种质资源的小麦品种。陈卫国等[7],王曙光等[8]对山西省不同来源的种质资源进行了HMW-GS组成分析,发现实验材料中山西省育成品种比地方品种所含的优质亚基及品质评分都相对较高,并提出了高评分优质亚基组合仍有待提高。王倩等[9]对49份山西小麦品种(系)的HMW-GS组成及其对品质性状的效应进行了分析,得出了品质与所含优质亚基数量并非正相关的结论。此外,有研究表明,在对小麦烘烤品质的贡献方面,Glu-A1位点上的1和2*,Glu-B1位点上的7+8、17+18,以及Glu-D1位点上的5+10都优于各自位点上的其他等位基因[10-11],这些结论已被广泛认可并使用。也有研究者通过利用HMW-GS组成改良小麦加工品质[12]。本研究对2017—2021年参加山西省小麦区域试验的258个小麦品种(系)进行HMW-GS测定,分析其亚基组成,为小麦育种工作中优质亲本的利用以及引进含有优质亚基种质资源提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为参加山西省区域试验的258份小麦新品种(系),其中有81个品种通过山西省农作物品种审定委员会审定。以中国春(Null、7+8、2+12)、晋太170(Null、7+9、5+10)、豫麦34(1、7+8、5+10)、烟农19(1、17+18、5+10)、小偃6号(1、14+15、2+12)、Victo(2*、13+16、5+10)为对照。上述材料均由山西农业大学农学院优质小麦课题组保存。

1.2 试验方法

高分子量麦谷蛋白提取以及聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)参考张玲丽等[13]的方法。

为确保实验结果的准确性,本实验进行3次以上重复,并对实验材料与多个对照进行对比,读出条带亚基。

1.3 高分子量麦谷蛋白亚基条带的读取及品质评分

HMW-GS电泳条带的读取和评分参照 Payne 等[14-15]的方法。

2 结果与分析

2.1 HMW-GS等位变异和分布频率

通过对258份供试材料的HMW-GS变异频率的统计(表1),在Glu-1染色体上共出现了12个亚基类型。其中Glu-A1位点出现了3种:Null、1和2*,以亚基Null为主,有190份,占比为 73.64 %,优质亚基1、2*分别有61份和7份,占比23.64%和2.71%。Glu-B1位点出现了5种亚基:7+8、7+9、14+15、17+18和6+8,以7+9和7+8为主,分别有117份、98份,其余3种亚基14+15、17+18、6+8的频率较低,分别有20份、11份、12份,频率为7.75%,4.26%和4.65%,其中优质亚基17+18频率最低。Glu-D1位点检测出4种亚基:2+12、5+10、5+12、2.2+12,以2+12、5+10为主,分别有145份和106份,频率为56.2%,41.09%,5+12和2.2+12为稀有亚基,分别有6份和1份,频率为2.33%和0.39%。

表1 小麦品种(系)HMW-GS等位变异及频率Table 1 Allelic variation and frequency for HMW-GS of wheat varieties(lines)

供试的小麦品种(系)中,共有81个品种通过审定。从表1可以看出,在各位点上,81个品种包含了所有的亚基类型,且大多数亚基的分布频率与全部材料基本一致,只有少部分亚基频率稍有变化:在Glu-A1位点2*的出现频率由2.71%提高到6.17%,亚基Null和1略有下降;Glu-B1位点亚基14+15由7.75%提高到12.35%;Glu-D1位点含有亚基5+12和2.2+12的均为审定品种,因此在审定品种中这两种亚基的频率都有所提高,亚基5+10和2+12的频率相应降低。

注:ck1为中国春;ck2为晋太170;ck3为豫麦34;ck4为烟农19;ck5为小偃6号;ck6为victo。1为长6213;2为太1711;3为长6878;4为普冰151;5为京麦1768;6为运糯32号;7为沃麦323;8为舜麦186;9为临旱9号;10为晋太184;11为晋太192;12为长5553;13为经麦6425;14为晋4099;15为晋农1101;16为谷麦789;17为太321;18为长麦4013;19为S 1710。图1 部分材料SDS-PAGE图谱Fig.1 SDS-PAGE pattern of some wheat varieties

2.2 HMW-GS组成

通过对258份山西小麦品种(系)材料的HMW-GS组合类型统计分析看出,12种等位变异共出现了23种HMW-GS组合类型,其中81份审定品种有22种组合类型,没有出现2*/7+9/5+10组合(表2)。

表2 小麦品种(系)HMW-GS组合类型及频率Table 2 The combinations and frequency for HMW-GS of wheat varieties(lines)

从表2可看出,在所有供试材料中占比最高的组合有3种:Null/7+9/2+12、Null/7+8/5+10、Null/7+8/2+12,频率分别为26.74%,16.67%,10.47%,其中组合Null/7+9/2+12和Null/7+8/5+10在审定品种中的占比超过10%,频率为23.46%,16.05%,与所有供试材料的频率基本一致。其余组合占比10%以下,有6种组合(Null/7+8/5+12、Null/7+9/5+12、Null/7+8/2.2+12、1/7+9/5+12、2*/6+8/5+12、2*/7+9/5+10)仅在1份材料中出现,其中5个对应的品种为审定品种:运旱139-1、良星99、翔麦517、晋麦99、长6388。

2.3 HMW-GS品质评分分析

根据Payne等[14-15]的评分标准,对供试材料进行了品质评分(表3),由于Payne等的评分标准未对5+12、2.2+12作出评分,因此,有6个组合共计7份材料未参与品质评分。参与评分的251个小麦品种(系)品质得分在4～10分范围内,评分在8～10分的亚基组合属于优质亚基组合范畴,占比39.15%。评分为10分的HMW-GS组合有3种(1/7+8/5+10、1/17+18/5+10、2*/7+8/5+10),共占比8.14%,其中1/7+8/5+10组合有11个品种(圣麦104、运旱1818、品育8172、长麦5252、圣麦101、轮选628、临研19、沃麦818、品育8178、临研20、太紫8293); 1/17+18/5+10组合有7个品种(临研151、临研16、嘉麦168、临育23、临1219、临育5567、太麦69); 2*/7+8/5+10组合有3个品种(太714、京麦21、太1411),这些品种都可以作为今后小麦育种中品质改良的重点种质资源。

表3 258份材料高分子量麦谷蛋白亚基组成频率及品质评分Table 3 HMW-GS composition frequency and quality score of the 258 wheat varieties

81个已审定品种中,亚基组合评分为10分的亚基组合与所有测试材料中10分的亚基组合类型相同,有6个品种(圣麦104、运旱1818、圣麦101、临研151、太714、京麦21),根据GB/T17320—2013《小麦品种品质分类》[16],圣麦104、太714和临研151的容重、粗蛋白含量、湿面筋含量以及面团稳定时间均达到中强筋小麦标准,圣麦101达到优质中筋小麦标准,这些品种可作为今后育种中优良种质资源加以引进和利用。评分为9分的品种有3个(华麦5号、洛旱17和中麦29),其亚基组合均为1、7+9、5+10。据统计,3个位点中至少在一个位点上含有优质亚基的材料共计52个品种,占所有审定品种的64.2%(良星99、运旱139-1、长6388、翔麦517、太412、太315含有亚基5+12,晋麦99含有亚基2.2+12,不作评分)。2017年国家农作物品种审定委员会新印发的《主要农作物品种审定标准(国家级)》对小麦品质的相关指标增加了最大拉伸阻力和拉伸面积[17]。因此,在今后的育种中,对于优质资源的引用,在参考其亚基组合类型的同时,还要结合其相关指标对资源加以利用。

3 讨 论

本次研究的258个品种(系),共发现了12个HMW-GS等位基因变异,即Glu-A1位点1、2*、Null 共3个亚基,在Glu-B1位点共5个亚基(7+8、7+9、6+8、14+15、17+18),在Glu-D1位点共4种亚基(2+12、5+10、2.2+12和5+12),且审定的81个品种也都包含了所有亚基类型。各位点上以Null、7+8、7+9、2+12等亚基为主,而高评分优质亚基1、2*、14+15、5+10所占比重较小,这与王曙光等[8],李光蓉等[18]的研究结果相近。优质亚基频率不高是导致山西省小麦的HMW-GS组合综合评分较低的最主要原因。因此,可以通过降低亚基Null、7+9、2+12的出现频率,提高高评分优质亚基的频率,以期提高山西小麦的品质。

此次供试的81份已审定品种与赵佳佳等[19]对145份山西省育成品种的研究相比,在等位基因的种类及亚基组合类型上都不及赵佳佳等的试验材料丰富,其材料涵盖了从20世纪70年代到2017年山西省审定的小麦品种,时间跨度长,品种数量多,因此基因类型及组合较为丰富。就各点位基因分布频率看,本次研究的近年审定品种中优质亚基1、7+8、5+12的频率明显低于过去的审定品种。表明近年在种质资源的引进中亚基的丰富性较为缺乏;在种质资源的利用中没有将优质亚基作为重要指标加以利用。通过对比发现,赵佳佳等的145份材料中有17份含有优质亚基5+10,本次供试的81个审定品种中有31个含有5+10,优质亚基5+10频率的大幅提升,说明近年来优质亚基5+10得到了育种专家的重视,含有5+10亚基的种质资源逐渐被引进使用,使得优质亚基5+10的频率有所提升。

在此次研究中,检测出了稀有亚基2.2+12和5+12,且含有这两种亚基的品种均已审定。含有2.2+12的组合只有一种(Null、7+8、2.2+12),品种为晋麦99,曾秀英等[20]对亚基2.2+12的研究表明,含有亚基2.2+12的小麦品种沉淀值高于含有亚基2+12的品种,其对小麦品质的影响效应高于2+12,晋麦99是糯小麦品种,根据 Graybosch[21]与 Bhattacharya等[22]的研究,糯小麦食物的抗老化有很大优势,将普通的小麦粉与一定比例的糯小麦粉混合,对延长食物的货架期有一定的帮助。此外,张剑等[23]对糯小麦粉含量对面包品质的影响研究表明,添加5%～10%的糯小麦粉对面包的品质影响不显著。结合以上研究,可将晋麦99作为优质亲本资源加以利用。含有亚基5+12的品种有6个,共涉及5种亚基组合:运旱139-1(N、7+9、5+12),良星99(N、7+8、5+12),翔麦517(1、7+9、5+12),太412、太31(2*、7+9、5+12),长6388(2*、6+8、5+12),这6个品种均已审定,根据王涛等[24]关于5+10和5+12对小麦品质方面的贡献比较研究,亚基5+12对小麦的品质在沉降值、湿面筋含量、形成时间和稳定时间上都优于优质亚基5+10。因此,今后在育种中可以加强对这些稀有的优质亚基作为亲本的利用,提高山西优质强筋小麦的品种数量,以提高山西省小麦品种的品质。

4 结 论

山西地处黄河中下游,南北跨度较东西更长,冬小麦生长生态区域分为南部中熟区和中部晚熟区,两种不同的生态区为引进种质资源及丰富山西小麦品种提供了优越的地理条件。本次试验从258份材料中共检测出12种亚基类型,除常见亚基类型外,还在Glu-D1位点检测出比较罕见的亚基5+12和2.2+12,丰富了山西省小麦品种的HMW-GS基因库。

23种亚基组合类型中,组合(Null、7+9、2+12)出现最多,频率为26.74%;其次是组合(Null、7+8、5+10),频率为16.67%,在Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1三个位点均具有优质亚基的组合有(1、7+8、5+10),(1、17+18、5+10),(2*、7+8、5+10),共计21份材料,占比8.13%,其中圣麦104、太714、运旱1818、临研151、京麦21和圣麦101等6个品种已审定。这些品种可作为育种种质资源,可对现有高产品种加以改良,以获得优质高产新品种。

含有稀有亚基2.2+12和5+12的亚基组合有6种(Null、7+8、2.2+12),(N、7+9、5+12),(N、7+8、5+12),(1、7+9、5+12),(2*、7+9、5+12),(2*、6+8、5+12)共涉及7个品种(晋麦99、运旱139-1、良星99、翔麦517、太412、太31、长6388),且均为审定品种,可将其作为亲本材料加以利用。