714 个黄淮麦区小麦新品种（系）HMW- GS 组成的研究

耿惠敏

（洛阳师范学院生命科学学院 河南 洛阳 471002）

小麦是关乎国计民生的重要的粮食作物之一。目前我国小麦总种植面积大、产出高，截至2021 年年底，小麦总产量为13 434 万t，是世界上生产小麦最多的国家。 即使我国的小麦总产量远高于其他国家，但每年仍需要从国外进口小麦，主要是由于强筋小麦的产量普遍较低， 产量和品质的无法调和导致我国小麦品质多样性较低， 缺少各类专用小麦尤其是优质专用小麦品种[1]。

小麦的蛋白质含量约为13%， 其中面筋蛋白的含量和组成决定了面粉的烘烤品质。 麦醇溶蛋白和麦谷蛋白是面筋蛋白的主要组成部分。 麦醇溶蛋白是球状的单体蛋白，使面团具有一定的延展性；麦谷蛋白是由2 个以二硫键相连的谷蛋白亚基组成，使面团富有弹性。 在和面的过程中，蛋白质和水发生水合、剪切等作用，线状的谷蛋白聚体相互缠结形成网状结构的“骨架”，球状醇溶蛋白填充于网络结构之中[2-3]，就形成了其他谷物所不具备的面筋。 面筋赋予小麦面团独特的弹性和延展性， 因此可以加工成各种面食，如面包、馒头、面条和饼干等。 通过十二烷基磺酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）按照分子量大小将麦谷蛋白亚基分为高分子量谷蛋白亚基（High Molecular Weight Glutenin Subunit，HMW-GS）和低分子量谷蛋白亚基 （Low Molecular Weight Glutenin Subunit，LMW-GS）。 其中HMW-GS 是决定面包加工品质的最主要因素， 也是评价小麦面粉加工品质的最重要指标[4]。

控制小麦HMW-GS 的基因位于小麦第一同源染色体的长臂上，统称为Glu-1位点，包括Glu-Al、Glu-Bl和Glu-Dl[5]。 不同HMW-GS 的等位变异和亚基组合对小麦烘烤品质的贡献不同[6]，因此可以作为预判小麦品质的手段之一。

为了解黄淮麦区小麦新品种品质现状， 本试验采用SDS-PAGE 的方法， 对714 个2020-2021 年度河南省小麦新品种（系）的HMW-GS 进行鉴定，确定小麦的HMW-GS 组成，并对其品质进行评分，明确黄淮麦区育成品种（系）的品质多样性，为育种人员提供理论指导，调整育种思路，提高我国小麦品质的多样性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

714 个小麦新品种（系）均是参加2020-2021 年度河南省小麦品种比较试验的小麦品种， 以中国春（HMW-GS 组成：N，7+8，2+12）为对照品种。

1.2 试验方法

1.2.1 小麦籽粒HMW-GS 蛋白的提取 每份材料随机取1 粒种子， 用钳子碾碎磨成粉末状， 装入1.5 mL 离心管中， 然后加入900 μL 的50%异丙醇，混匀后于65℃水浴加热30 min， 10 000 r/min 离心3 min，弃去上清液。 在沉淀中加入600 μL 样品提取液（62.5 mmol/L、pH=6.8 的Tris-HCl，2% SDS，10%甘油，1.5% β-巯基乙醇，0.01%溴酚蓝）， 于40℃加热1 h，最后在8 000 r/min 下离心5 min，所得上清液即为HMW-GS 提取液，可在4℃条件下保存备用。

1.2.2 SDS-PAGE 电泳 本试验所用的电泳槽是DYCP-24A 型迷你垂直电泳槽，采用1.5 mm 厚的不连续SDS-PAGE 电泳 （10%的分离胶和3%的浓缩胶）。 每个孔的加样量为8 μL，每块板子进行10 mA恒流电泳， 待指示剂跑到玻璃板底部30 min 后停止电泳。

1.2.3 染色和脱色 将胶放入盛有200 mL 染色液（5%的三氯乙酸∶0.4%的考马斯亮蓝R250 为19∶1）的培养皿中，在摇床上低速摇动，染色过夜。 次日取出胶，用清水漂洗脱色至背景透明，拍照保存。

2 结果与分析

2.1 HMW-GS 的类型

部分试验结果见图1、 图2；714 个小麦新品种（系） 的Glu-1位点亚基类型和评分的统计情况见表1。 共检测出13 种等位基因变异，Glu-A1位点上有3 种类型，含有1 亚基的小麦品种最多；Glu-B1位点上有5 种亚基类型， 含有7+9 亚基的小麦品种最多；Glu-D1位点上有5 种类型，含有4+12 亚基的小麦品种最多。

表1 Glu-1 位点等位基因类型、分布频率及评分

图1 108～121 号材料SDS-PAGE 检测电泳图谱

根据Payne 的评分标准[7]，3 个位点的平均评分情况是Glu-B1＞Glu-A1＞Glu-D1。 原因是由于Glu-B1位点上评分为2 的7+9 亚基的出现频率明显高于其他亚基， 而评分为3 的7+8 和17+18 亚基共占24.37%， 评分为1 的亚基7 和亚基6+8 仅占5.04%，因此总体接近于该位点的最高评分3。Glu-A1位点上评分最高的1 亚基占比率最高，2* 亚基评分与1 亚基相同，Glu-A1位点上评分为3 的材料占比率为74.23%，因此平均分也较高。 而Glu-D1位点出现的频率最高的亚基是4+12，其次是2+12，二者的评分都比较低， 尤其是4+12 的评分为1， 而评分高的5+10 和5+12 亚基共占17.23%， 因此该位点的平均评分低。

2.2 HMW-GS 的组合类型和评分

本试验中HMW-GS 的组合类型、评分和分布频率见表2。 714 个小麦新品种 （系） 中共有28 种HMW-GS 组合类型。 其中（1，7+9，4+12）分布频率最高，其次是（1，7+9，2+12）。 其他HMW-GS 组合出现频率较低。 因此这714 个小麦新品种亚基组合类型具有较高的多样性，但是没有显著占优势的类型。

表2 HMW-GS 的组合类型、评分和分布频率

各种亚基组合类型的评分变幅为3～10， 平均评分为6.58，主要的亚基组合（1，7+9，2+12）（1，7+9，4+12）评分为7 和6。 评分8（包含8）以上的亚基组合共占20.45%， 因此这714 个小麦新品种的平均评分偏低。

2.3 优质HMW-GS 的分布频率

HMW-GS 具有多态性， 不同类型的亚基对面团的加工品质有不同的影响。 研究表明，在Glu-A1 位点上的亚基1、2*，在Glu-B1位点上的亚基7+8、17+18、13+16、14+15，在Glu-D1位点上的亚基5+10、5+12，这些亚基可以使面团有较好的韧性与弹性，与面包的加工品质呈正相关，因此被称为优质亚基，对小麦加工品质有重要影响[8-9]。 5+12 亚基可能是在种间杂交的过程中出现的新亚基类型， 显著优于具有优质亚基5+10 的姊妹系[10]。

本试验的714 个小麦新品种中， 有1、2*、7+8、17+18、5+10、5+12 等6 种类型的优质亚基。 Glu-A1上优质亚基1 有明显的优势， 占73.67%，Glu-B1 上的优质亚基7+8 和17+18 共占24.37%。Glu-D1 位点上的2 种优质亚基5+10 和5+12 占17.23%， 都没有明显优势。

小麦品种的HMW-GS 组合类型与其加工品质关系密切。 3 个位点同时具有优质亚基的组合是（1，7+8，5+10）（1，17+18，5+10）和（2*，7+8，5+10），合起来仅占5.88%。 有2 个位点存在优势亚基的亚基组合共8 种， 这些亚基组合中出现频率最高的是（1，7+9，5+10），占8.12%，其次是（1，7+8，4+12），占6.58%，然后是（1，7+8，2+12）， 占5.46%， 其他组合类型频率都低于1%。 因此这714 个小麦新品种中含有2 个及以上的优质亚基组合的品种占比率较低， 为27.44%。

3 讨论与结论

3.1 讨论

不同研究者在不同年代对不同时期黄淮麦区和河南省小麦品种的HMW-GS 组成进行了鉴定和分析， 王银萍等对黄淮麦区小麦HMW-GS 亚基的多样性研究表明， 河南省小麦的HMW-GS 组成以1（66.7%）、7+9（57.14%）和4+12（42.86%）为主[11]。 张丽琴等对199 份黄淮麦区小麦新品种（系）的HMWGS 进行了鉴定，Glu-13 个位点占比率最高的分别是1（61.67%）、7+9（62.11%）和2+12（53.30%）[12]。 李晓云等对北方冬麦区HMW-GS 的研究结果表明，河北和河南小麦3 个位点占比率最高的都是1、7+9 和2+12， 其中河南小麦3 个位点的比率为1（70.83%）、7+9（58.33%）和2+12（50%）[13]。 刘春雷等对河南省722 份小麦的HMW-GS 组成进行鉴定发现，Glu-1位点占优势的亚基为1 （60.94%）、7+9 （65.93%）、2+12（57.34%）[14]。 李立的研究表明，黄淮麦区小麦新品种的Glu-1位点占比率最高的亚基为1 （58.8%）、7+9（57.9%）和2+12（43.9%）[15]。 张自阳的研究结果表明黄淮冬麦区的HMW-GS 优势等位亚基为1（65.1%）、7+9（44.6%）和2+12（44.6%）[1]。 高耸试验结果显示河南省小麦Glu-1位点上的优势亚基分别是1 （62.94%）、7+9 （55.24%） 和5+10 （53.85%）亚基[16]，这些研究结果的共同之处是黄淮麦区，尤其是河南省小麦在Glu-A1占比率最高的为1 亚基，所占频率都在60%以上，Glu-B1的优势亚基是7+9 亚基，占比率最低，为44.6%，而在Glu-D1位点则有差别，大部分研究结果为2+12[1,12-15]，王银萍的研究结果为4+12（42.86%）[11]，高耸的试验结果为5+10[16]。本试验结果的Glu-A1和Glu-B1的优势亚基也是1（73.67%）和7+9（70.59%），这与前面的研究结果一致， 而Glu-D1位点上的优势亚基则是4+12（41.60%），2+12 亚基占比率与4+12 亚基接近，为41.04%。 郭军等对2017-2020 年度山东省区域试验高产组小麦的HMW-GS 组成情况研究表明，高产组Glu-D1位点上4+12 亚基频率最高，2017-2019 年占56.5%，2018-2020 年占56.0%，强筋组也分别达到了31.3%和23.7%，均远高于2+12 的亚基频率[17]。 本研究的试验材料是2020-2021 年度参加抗病性鉴定的黄淮麦区预备小麦新品种（系），包括山东省及河南省的小麦新品种（系），育成年代与郭军的材料接近，因此总体结果与郭军的更接近。 有研究表明含有4+12 亚基的小麦适合做干面条[18]。 因此4+12 亚基频率高兼顾了品质和高产的育种需要。

张丽琴、 李晓云、 刘春雷、 李立和张自阳等检测出黄淮麦区小麦的主要亚基组合都是 （1，7+9，2+12）[1,12-15]， 本试验结果显示频率最高的亚基组合是（1，7+9，4+12）（25.21%）， 其 次 是 （1，7+9，2+12）（18.91%），两者差异不显著。 李立对2013-2014 年度黄淮麦区小麦新品种的研究结果中（1，7+9，4+12）占到11.3%，排在第3 位，在山东小麦的强筋组中，虽然出现频率最高的是（1，7+8，5+10）（23.7%），但是（1,7+9，4+12）所占比率也达到了13.2%。 这说明近年来黄淮麦区Glu-D1位点上的4+12 亚基所占频率有明显增加的趋势。

黄淮麦区小麦Glu-1位点的平均评分结果均表明Glu-B1＞Glu-A1＞Glu-D1， 本试验结果也是如此，这是由于黄淮麦区Glu-D1的优质亚基5+10 占比率普遍较低， 而Glu-A1位点的优质亚基1 亚基占比率在70%左右，2* 亚基较为稀少，Glu-B1位点的优质亚基7+8 亚基比率也较高，尤其是山东小麦中7+8亚基占比率最高[17]。 但是根据Payne 等的评分标准，Glu-1各位点对小麦加工品质的影响是Glu-D1＞Glu-A1＞Glu-B1， 强筋小麦中普遍含有5+10 亚基[17,19]。因此，黄淮麦区的品质提升仍然应该从Glu-D1优质亚基的引入和聚合着手。

3.2 结论

综上可知，本试验的714 个小麦新品种（系）的Glu-1位点等位基因多样性低， 尤其是Glu-B1位点缺乏优质亚基14+15 和13+16，Glu-D1位点的优质亚基5+10 占比率低， HMW-GS 组成多样性高，但是适合做各类面食的优质组合少，总体评分低。 因此，今后的育种应从不同生态区引入含有各类型优质亚基的小麦品种作为育种亲本， 利用生物化学标记如SDS-PAGE 辅助， 在后代中选育出兼顾高产和含有优质亚基的小麦品种， 进一步增加优质小麦的遗传多样性， 提升Glu-D1位点的优质亚基5+10 的比率， 培育出适合黄淮麦区的优质小麦及其他的专项小麦如制作馒头、面条[1,18]，来满足我国人民的需求，减少进口。