郭明明，張廣旭，王康君，譚一羅，李曉峰，譚維娜，代丹丹，樊繼偉*

（1連云港市農業(yè)科學院，江蘇 連云港 222000；2連云港市農業(yè)農村局，江蘇 連云港 222000）

0 引言

【研究意義】小麥作為全球種植面積最大的糧食作物（Liu et al.，2018），同時也是我國重要的糧食作物之一，在農業(yè)生產中有著舉足輕重的地位（趙廣才等，2018）。近年來，我國小麥育種工作不斷取得突破，但同時小麥品種的同質化現象較嚴重，遺傳背景逐漸趨向單一（韓微波等，2005）。因此，尋求小麥育種的新途徑成為育種家的研究重點。隨著科學技術的發(fā)展，輻射誘變育種技術逐漸在小麥生產中得到應用（陳恒雷等，2005；郭明明等，2018），其中重離子作為一種高效的誘變輻射源，近年來被廣泛應用于生物育種（劉建光等，2016）。相較于低能離子，具有高傳能線密度（LET）的重離子輻照后會有一個能量沉積過程，更容易使DNA雙鏈發(fā)生斷裂，并誘導染色體發(fā)生改變，最終引起的損傷更大（王超等，2015）。該手段能打破基因連鎖，豐富育種材料的遺傳背景（繆建順等，2014），達到改良小麥品種的目的。因此，研究重離子輻照對小麥籽粒蛋白及加工品質的影響，對于豐富小麥優(yōu)質種質資源具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】重離子輻照在作物生長發(fā)育過程中能產生一定效應。唐掌雄等（2005）研究認為，隨著重離子輻照劑量的增加，冬小麥當代幼苗的生長抑制程度逐漸提高，但在M2代可產生早熟、矮稈等較多有益變異。趙連芝等（2006）研究認為，重離子束注入小麥種子的胚乳后，能誘發(fā)后代發(fā)生突變，且產生的突變具有遺傳性。張錄衛(wèi)（2008）研究表明，低劑量的重離子輻照能顯著提高小麥幼苗的存活率和生長量，高劑量輻照則會抑制幼苗生長發(fā)育，通過重離子輻照可有效提高小麥葉銹病的抗性。劉青芳等（2013）研究表明，低劑量離子束輻照對小麥幼苗生長有一定的促進作用，而高劑量輻照對幼苗生長發(fā)育有抑制作用。Zhao等（2018）認為低劑量重離子束可能會激活生物代謝，而高劑量重離子束輻照可能誘導植物的抗逆性。周文期等（2019）認為，隨著輻照劑量的增加，玉米種子發(fā)芽率、株高、穗位高和花粉活力等均呈下降趨勢；在30 Gy輻照處理下，產生多種農藝性狀表型的變異突變體，當輻照劑量達60 Gy，出現植株矮化、穗位高度降低、葉片皺縮、葉色黃化等現象?！颈狙芯壳腥朦c】前人關于重離子輻照對小麥影響的研究多集中于小麥種子萌發(fā)、幼苗生長及相關生理指標等方面（劉青芳等，2013；梁俊青，2017），對重離子輻照后小麥籽粒品質的變化規(guī)律鮮有報道?！緮M解決的關鍵問題】選用2個小麥品種進行不同劑量的重離子輻照，探究小麥誘變群體籽粒加工品質、面團流變學特性及拉伸特性等參數的變化，為小麥優(yōu)質育種提供新思路和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試品種為適宜江蘇淮北地區(qū)種植的2個品質類型小麥品種連麥12和淮麥20，其中連麥12為中強筋小麥品種，淮麥20為中筋小麥品種。選取籽粒飽滿、無破損的小麥種子。試驗于2020—2021年在連云港市農業(yè)科學院東辛試驗基地進行，試驗田前茬為玉米，0～20 cm土層土壤有機質12.4 g/kg，全氮1.2 g/kg，堿解氮61.38 mg/kg，速效磷51.6 mg/kg，速效鉀266.4 mg/kg，土壤pH 7.31。

1.2 試驗設計

采用中國科學院近代物理研究所蘭州重離子加速器（Heavy ions research facility in Lanzhou，HIRFL）TR4生物淺層輻照終端進行12C6+重離子輻照，輻照能量為80 Mev/U，劑量率為40 Gy/min。試驗采用裂區(qū)設計，以供試品種為主區(qū)，以重離子輻照劑量為裂區(qū)，設置0（CK）、30、60和90 Gy 4個劑量水平。將輻照后的小麥種子于2020年10月20日進行播種，播深2～3 cm，播量105 kg/ha，施氮量270 kg/ha，氮肥基追比為5∶5，在拔節(jié)期追施氮肥。在播種前基施P2O5105 kg/ha、K2O 90 kg/ha，肥料種類分別為尿素（氮含量46%）和磷酸二氫鉀（P2O5含量24%，K2O含量27%）。小區(qū)面積為6 m2（4 m×1.5 m），8行區(qū)，行長4 m，行距18.75 cm，3次重復。試驗統(tǒng)一灌凍水和拔節(jié)水，其余管理措施同高產大田。

1.3 測定項目及方法

2個小麥品種均于2021年5月3日進入開花期，選擇同一天開花、大小均勻一致的主莖穗進行掛牌，并于花后每隔7 d取籽粒樣，各處理每次取20穗，置于烘箱中，105 ℃殺青30 min后調至80 ℃烘至恒重，采用FS-Ⅱ型實驗室旋風式粉碎磨將籽粒磨成粉狀，0.001 g感量天平稱重。用凱氏定氮法測定氮含量，并計算蛋白質含量（籽粒氮含量×5.7）。稱取小麥全粉1 g，加蒸餾水10 mL，在振蕩器上振蕩提取30 min，然后將離心管4000 r/min離心5 min，將上清液轉入試管中，向離心管加入10 mL蒸餾水，用玻璃棒攪碎殘渣，在振蕩器上振蕩提取20 min，之后離心5 min，將離心后的上清液與第1次合并，重復操作2次，即可提取清蛋白；球蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白的提取操作同上，球蛋白提取用2%氯化鈉溶液，谷蛋白提取用0.5%氫氧化鈉溶液，醇溶蛋白提取用70%乙醇。

于6月10日進行小麥成熟期收獲，收獲后的籽粒采用HGT-1000型容重儀（上海東方衡器有限公司）測定容重。準確稱取小麥籽粒樣品25 g，采用JYDB100×40硬度儀（浙江托普儀器有限公司）測定，粉樣時間為50 s，稱量篩下物質量（精確至0.1 g），計算籽粒硬度。采用Quadrumat Junior試驗磨粉機（德國Brabender公司）磨粉，分別收集面粉和麩皮，并進行稱重，記錄面粉重（W1）和麩皮重（W2），計算出粉率，出粉率（%）= W1/（W1+W2）×100。稱取面粉樣品10 g（換算成14%水分含量），采用GM2200型面筋測定儀（瑞典波通儀器公司）將面筋洗出，測定濕面筋含量。采用SDS常量法測定籽粒沉降值，即稱取5 g面粉置于100 mL量筒中，加入50 mL 10 mg/L溴酚藍溶液，置于搖床振蕩5 min，再加入50 mL乳酸-SDS混合液，立即第2次振蕩5 min，靜置5 min后讀取沉降值數。制備好的面粉樣品及時密封，并檢測樣品水分，稱取面粉樣品300 g，采用Farino Graph-E型粉質儀（德國Brabender公司）對面團吸水率、形成時間、穩(wěn)定時間、弱化度和粉質質量指數進行測定。采用Extensograph-E型電子式拉伸儀（德國Brabender公司）參照GB/T 14615—2019《糧油檢驗 小麥粉面團流變學特性測試 拉伸儀法》測定面團拉伸阻力、拉伸面積和延伸性。

1.4 統(tǒng)計分析

試驗數據采用Excel 2016和DPS 6.55進行計算、制圖及統(tǒng)計分析，運用Tukey法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 重離子輻照后小麥籽粒蛋白質含量變化規(guī)律

從圖1可看出，2個小麥品種籽粒蛋白質含量在花后不同時期均呈先降低后升高的變化趨勢，在花后21 d降至最低；但各時期籽粒蛋白質含量在品種間存在一定差異，不同輻照劑量處理下，連麥12籽粒蛋白質含量均高于淮麥20，花后21 d后，連麥12籽粒蛋白質含量增加較快，而淮麥20籽粒蛋白質含量增加較緩慢。與CK相比，重離子輻照后，2個小麥品種不同時期籽粒蛋白質含量均出現下降；在花后21 d之前，2個品種經30 Gy重離子輻照后籽粒蛋白質含量與CK差異較小，隨著灌漿進程推進，差異逐漸增大。同時，隨著輻照劑量的增加，籽粒蛋白質含量進一步降低，當輻照劑量達90 Gy時，連麥12和淮麥20花后每隔7 d籽粒蛋白質含量分別下降至13.96%、13.47%、10.81%、12.52%、13.49%和13.74%、12.87%、10.83%、11.42%、13.19%?；ê?8 d后，小麥籽粒蛋白質含量在不同輻照劑量間差異增大。當重離子輻照劑量超60 Gy時，連麥12和淮麥20蛋白質含量下降較明顯，降幅分別為3.23%和2.27%，以連麥12下降幅度較大。

圖1 重離子輻照后小麥籽粒蛋白質含量的變化Fig.1 Changes of grain protein content of wheat after heavy ion irradiation

2.2 重離子輻照對小麥籽粒蛋白組分的影響

由表1可知，同一輻照劑量處理下，連麥12籽粒總蛋白含量及各蛋白組分含量均高于淮麥20。經不同劑量重離子輻照后，2個小麥品種籽粒蛋白組分含量均受到一定影響，隨著輻照劑量的增加，籽粒蛋白組分含量逐漸降低，在90 Gy輻照劑量水平下降幅最大。連麥12籽?？偟鞍缀凸鹊鞍缀吭诓煌椪談┝块g存在顯著差異（P＜0.05，下同）；淮麥20總蛋白含量在不同輻照劑量水平間差異也達顯著水平。在30 Gy輻照劑量水平下，籽?？偟鞍?、清蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量降幅均表現為連麥12＞淮麥20，其中連麥12和淮麥20籽粒總蛋白含量分別下降2.14%和1.43%；輻照劑量為60 Gy時，淮麥20籽粒清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白含量降幅大于連麥12，其降幅分別為4.73%、2.21%和2.07%。在90 Gy輻照劑量條件下，連麥12和淮麥20的總蛋白、清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量降幅分別為6.71%、3.51%、4.32%、4.94%、9.41%和5.85%、7.10%、3.68%、2.90%、7.23%，由此看出，連麥12籽粒的總蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量降幅均大于淮麥20，且在此劑量下，2個小麥品種各蛋白組分含量降幅均明顯大于30和60 Gy輻照劑量。此外，隨重離子輻照劑量的增加，小麥籽粒蛋白谷/醇比不斷降低。

表1 重離子輻照對小麥籽粒蛋白組分含量的影響Table 1 Effects of heavy ion irradiation on content of wheat grain protein components

2.3 重離子輻照對小麥籽粒磨粉品質的影響

從表2可看出，連麥12籽粒磨粉品質在各輻照劑量處理下均優(yōu)于淮麥20。通過重離子輻照，小麥籽粒磨粉濕面筋含量、容重、沉降值和硬度等指標均出現下降，出粉率逐漸提高，其中影響程度因小麥品種存在一定差異。當輻照劑量為30 Gy時，連麥12和淮麥20濕面筋含量、容重、沉降值和硬度等指標與CK相比均有所降低，但差異均未達顯著水平（P＞0.05，下同）；隨著輻照劑量增至60 Gy，連麥12和淮麥20的濕面筋含量、容重、沉降值和硬度均顯著降低（除淮麥20的容重降幅未達顯著水平），降幅分別為10.76%、2.66%、4.52%、3.84%和9.12%、1.72%、5.42%、4.15%，出粉率則有所提高，增幅分別為1.27%和2.08%；繼續(xù)增大輻照劑量，連麥12籽粒磨粉硬度較60 Gy處理顯著下降，出粉率顯著提高，而濕面筋含量、容重和沉降值在60和90 Gy輻照劑量間無顯著差異；淮麥20籽粒磨粉品質在90 Gy輻照劑量下降幅最大，濕面筋含量、容重、沉降值和硬度降幅分別達11.64%、4.31%、10.24%和6.79%，其中容重和沉降值與60 Gy輻照劑量處理間存在顯著差異。

表2 重離子輻照對小麥籽粒磨粉品質的影響Table 2 Effects of heavy ion irradiation on wheat grain milling quality

2.4 重離子輻照對小麥面團粉質特性的影響

分析小麥面團粉質特性（表3），發(fā)現不同小麥品種的粉質參數存在一定差異，其中吸水率、形成時間、穩(wěn)定時間、弱化度和粉質質量指數在品種間均達極顯著差異（P＜0.01，下同）。由表4可知，同一輻照劑量處理下，連麥12面團吸水率、形成時間、穩(wěn)定時間和粉質質量指數均優(yōu)于淮麥20。重離子輻照對小麥面團粉質特性有一定的負效應，除面團形成時間外，其他指標差異均達極顯著水平；且隨著輻照劑量的增加，各指標均不斷降低，在低輻照劑量（30 Gy）水平下，連麥12面團形成時間顯著下降，吸水率、穩(wěn)定時間、弱化度和粉質質量指數差異未達顯著水平，而淮麥20所有粉質指標與CK相比均存在顯著差異；當輻照劑量增至60 Gy，連麥12和淮麥20面團弱化度顯著升高，增幅分別為33.33%和21.43%，其他粉質參數均顯著降低，以粉質質量指數降幅較大；輻照劑量繼續(xù)增至90 Gy，連麥12和淮麥20面團吸水率、穩(wěn)定時間和粉質質量指數降幅分別為5.20%、19.05%、27.14%和5.18%、30.36%、44.29%，連麥12面團吸水率、弱化度和粉質質量指數與60 Gy輻照劑量間存在顯著差異，而淮麥20面團5個粉質參數與60 Gy輻照劑量間均無顯著差異。表明低劑量的重離子輻照對連麥12面團粉質參數的影響小于淮麥20。

表3 品種和輻照劑量對小麥面團粉質特性的效應分析Table 3 Analysis on effects of variety and irradiation dose on flour properties of wheat dough

表4 重離子輻照對小麥面團粉質特性的影響Table 4 Effects of heavy ion irradiation on flour properties of wheat dough

2.5 重離子輻照對小麥面團拉伸特性的影響

由表5可知，面團最大拉伸阻力、拉伸面積和延伸性等拉伸參數在小麥品種間存在極顯著差異，在輻照劑量間存在顯著差異。連麥12和淮麥20面團拉伸特性存在一定差異，各輻照劑量處理下均表現為連麥12優(yōu)于淮麥20（表6）。重離子輻照后，小麥面團最大拉伸阻力、拉伸面積及延伸性等指標均受到一定影響，與CK相比，輻照后的面團拉伸特性均出現下降，且隨著輻照劑量的不斷增加，最大拉伸阻力、拉伸面積和延伸性均呈逐漸下降趨勢。重離子輻照對小麥面團拉伸特性的損傷程度因品種存在差異，采用30 Gy劑量進行輻照，連麥12面團拉伸面積顯著降低，降幅為7.53%，最大拉伸阻力和延伸性下降未達顯著水平，與CK相比，淮麥20面團最大拉伸阻力、拉伸面積和延伸性差異均達顯著差異，降幅分別為15.10%、23.91%和14.97%；當輻照劑量分別增至60和90 Gy時，2個小麥品種面團最大拉伸阻力、拉伸面積和延伸性均顯著下降。在不同劑量的重離子輻照下，2個小麥品種面團拉伸參數降幅有所差異，均表現為淮麥20＞連麥12。輻照劑量從30 Gy逐漸增至90 Gy，面團拉伸參數的降幅逐漸增大，在90 Gy輻照劑量下，2個小麥品種面團拉伸參數降幅達最大值，連麥12和淮麥20在該劑量水平下最大拉伸阻力、拉伸面積和延伸性降幅分別達24.51%、34.41%、20.71%和35.51%、45.65%、26.53%。

表5 品種和輻照劑量對小麥面團拉伸特性的效應分析Table 5 Analysis on effects of variety and irradiation dose on extension properties of wheat dough

表6 重離子輻照對小麥面團拉伸特性的影響Table 6 Effects of heavy ion irradiation on extension properties of wheat dough

3 討論

隨著科學技術的發(fā)展，離子誘變技術在植物誘變育種中得到越來越廣泛的應用，不僅能改變小麥的農藝性狀和產量，也在一定程度上影響小麥籽粒品質（郭向萌和押輝遠，2011）。廖平安等（2005）研究認為，通過離子束注入，誘變后的小麥籽粒蛋白質和濕面筋含量均明顯高于對照；沈薇薇（2010）研究表明，小麥對UV-B輻射較為敏感，UV-B輻射會降低小麥籽粒的蛋白質和氨基酸含量，且隨著輻射的增強，下降幅度逐漸增大；王若蘭等（2011）則發(fā)現不同劑量的γ射線和電子束輻照對小麥籽粒蛋白質含量無明顯影響。本研究中，經重離子輻照后，連麥12和淮麥20各時期籽粒蛋白質含量均出現下降，且隨著輻照劑量的增加，籽粒蛋白質含量進一步降低，與樊繼偉等（2020）的研究結果一致。進一步分析2個小麥品種經重離子輻照后籽粒蛋白組分含量的變化規(guī)律，發(fā)現不斷增加輻照劑量，連麥12和淮麥20籽?？偟鞍准案鞯鞍捉M分含量均顯著降低，在90 Gy輻照劑量水平下降至最低值，以總蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量下降較為顯著，與仲彩萍（2010）研究重離子輻照對玉米品質效應的影響結果基本一致。以上結論表明，重離子輻照對小麥醇溶蛋白和谷蛋白質形成的影響較大，而這2種蛋白是形成面筋的重要組成蛋白，分析原因可能是由于重離子輻照后抑制了醇溶蛋白和谷蛋白質合成相關酶基因的表達，從而降低酶活性。本研究中，在30 Gy輻照劑量水平下，籽?？偟鞍住⑶宓鞍?、醇溶蛋白和谷蛋白含量降幅均表現為連麥12＞淮麥20；當輻照劑量達60 Gy后，淮麥20籽粒清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白含量降幅大于連麥12，2個小麥品種籽粒蛋白質及其組分含量經重離子輻照后的變化幅度不盡相同，說明重離子輻照對不同遺傳背景的小麥品種影響效應有所差異。

離子輻照對小麥其他加工品質也有一定影響。朱守晶等（2010）采用60Co-γ射線對小麥進行輻射，其M3代群體的籽粒濕面筋含量小于對照，但群體的沉降值和硬度均高于對照。王守經等（2014）研究表明，經γ射線輻照處理后，小麥面團穩(wěn)定時間和粉質質量指數均出現降低。樊繼偉等（2020）研究表明，小麥籽粒磨粉品質隨著N+離子束注入劑量的增加而逐漸降低。也有研究認為，小麥經電子輻照后，磨粉品質變化較小，而淀粉特性大幅降低（孫輝等，2005）。本研究中，經重離子輻照，小麥籽粒濕面筋含量、容重、沉降值和硬度不斷下降，表明重離子輻照不僅影響面筋形成，還可能改變小麥籽粒大小、內部結構及物質組成；且各指標隨著輻照劑量的增加而逐漸降低，但2個品種的變化幅度有所不同，其中在30 Gy輻照劑量下，淮麥20的各磨粉品質指標降幅大于連麥12，當劑量達60 Gy以上，連麥12磨粉品質降幅較大。進一步分析重離子輻照后的面團粉質特性和拉伸特性，其變化規(guī)律與磨粉品質基本一致，與盧志恒和王安泉（2001）關于電子輻照后小麥品質影響效應的結果相似。但2個小麥品種間存在一定差異，在30、60和90 Gy 3個輻照劑量下，淮麥20面團粉質參數和拉伸參數降幅均大于連麥12，說明淮麥20面團流變學特性對低輻照劑量較敏感，而連麥12面團流變學特性對中高劑量敏感。以上結果表明，小麥籽粒加工品質與重離子輻照劑量間存在負相關關系，重離子輻照不利于改善小麥群體的籽粒品質特性。這與張魯軍（2010）研究發(fā)現離子束注入會降低小麥籽粒品質的結果相似，初步認為經重離子輻照后，小麥品質形成的優(yōu)質基因缺失或表達受到抑制，從而導致加工品質降低，且抑制或缺失程度在不同遺傳背景的小麥品種間存在一定差異。

前人關于輻射誘變對小麥籽粒品質影響的研究誘變源主要集中于低能離子誘變、60Co-γ射線輻照、紫外輻照和電子束輻照（孫輝等，2005；王若蘭等，2011；樊繼偉等，2020）。本研究以不同品質類型小麥為試材，分析重離子輻照后小麥籽粒品質的變化規(guī)律，該變化規(guī)律與其他輻射誘變結果（焦湞等，2009；韓利濤等，2016）存在一些差異，可能是誘變源及誘變原理不同所致。本研究中重離子的輻照劑量梯度較大，未能充分反映重離子輻照后小麥籽粒品質的變化規(guī)律；同時供試小麥品種數量和類型較少，品種間的輻照效應不明確，下一步將增加輻照劑量及強、中、弱筋不同類型小麥品種進行分析。此外，本研究結果表明，重離子輻照對小麥加工品質產生一定的負效應，研究對象為重離子輻照后的小麥誘變群體，而輻照對同一小麥品種的每個籽粒產生的輻照效應會有所不同（來德娥，2012），因此可對誘變后的小麥單株品質特性進行分析，篩選更多品質突出的優(yōu)異突變體，且不同劑量重離子輻照對不同誘變世代產生的變異效應不同，今后應重點對M1～M4誘變后代進行研究，以提高小麥育種效率，豐富優(yōu)質高產小麥種質資源，為實現小麥高產優(yōu)質生產提供更多科學參考依據。

4 結論

重離子輻照對小麥誘變群體的籽粒品質存在一定影響，影響程度因品種存在一定差異。重離子輻照不利于誘變群體籽粒品質的改善，且各加工品質指標隨輻照劑量的增加而降低幅度逐漸增大。低劑量重離子輻照對淮麥20磨粉品質影響較大，而中高劑量重離子輻照對連麥12磨粉品質影響較大，淮麥20面團流變學特性對重離子輻照的敏感度較高。