李 雪, 沈鑫垚, 郭鈺婧, 程天靈, 韓文蕾, 裴自友, 溫輝芹, 王宏兵

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 太原 030031)

小麥?zhǔn)俏覈饕Z食作物之一,也是山西第二大糧食作物,隨著人們生活水平的提高,對小麥新品種的要求不再局限于高產(chǎn),而是趨向于對具優(yōu)良品質(zhì)和專用型小麥的追求,以滿足人們對小麥不同加工種類的需求。因此,高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種的選育成為小麥育種的重要目標(biāo)[1]。

小麥的加工品質(zhì)直接受儲藏蛋白的影響,儲藏蛋白在小麥籽粒蛋白中所占比重高達(dá)85%,儲藏蛋白分為麥谷蛋白和醇溶蛋白,麥谷蛋白又分為高分子量麥谷蛋白亞基(High molecular weight glutenin subunits,HMW-GS)和低分子量麥谷蛋白亞基(Low molecular weight glutenin subunits,LMW-GS),HMW-GS由分別位于小麥染色體1A、1B和1D長臂上的 3個(gè)等位基因位點(diǎn)(Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1)控制,每個(gè)點(diǎn)位上都有不同的亞基類型。雖然高分子量麥谷蛋白的含量只占麥谷蛋白的10%左右,但其組成決定了面團(tuán)的彈性,直接影響小麥的加工品質(zhì)[2]。

楊丹等[3]2015年對北方172份小麥品種的HMW-GS進(jìn)行了分析,并分別研究了3個(gè)位點(diǎn)不同亞基對蛋白質(zhì)含量和沉降值的效應(yīng),獲得了效應(yīng)值相對較高的亞基及組合類型。牛吉山等[4]通過對190份黃淮麥區(qū)小麥品種的HMW-GS分析,認(rèn)為黃淮麥區(qū)的小麥種質(zhì)在培育面條和饅頭小麥品種中具有優(yōu)勢。相吉山和馬曉崗[5]、劉琦等[6]分別對青海省主栽品種和審定品種的谷蛋白亞基進(jìn)行鑒定分析,篩選出育種中可作為優(yōu)良種質(zhì)資源的小麥品種。陳衛(wèi)國等[7],王曙光等[8]對山西省不同來源的種質(zhì)資源進(jìn)行了HMW-GS組成分析,發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)材料中山西省育成品種比地方品種所含的優(yōu)質(zhì)亞基及品質(zhì)評分都相對較高,并提出了高評分優(yōu)質(zhì)亞基組合仍有待提高。王倩等[9]對49份山西小麥品種(系)的HMW-GS組成及其對品質(zhì)性狀的效應(yīng)進(jìn)行了分析,得出了品質(zhì)與所含優(yōu)質(zhì)亞基數(shù)量并非正相關(guān)的結(jié)論。此外,有研究表明,在對小麥烘烤品質(zhì)的貢獻(xiàn)方面,Glu-A1位點(diǎn)上的1和2*,Glu-B1位點(diǎn)上的7+8、17+18,以及Glu-D1位點(diǎn)上的5+10都優(yōu)于各自位點(diǎn)上的其他等位基因[10-11],這些結(jié)論已被廣泛認(rèn)可并使用。也有研究者通過利用HMW-GS組成改良小麥加工品質(zhì)[12]。本研究對2017—2021年參加山西省小麥區(qū)域試驗(yàn)的258個(gè)小麥品種(系)進(jìn)行HMW-GS測定,分析其亞基組成,為小麥育種工作中優(yōu)質(zhì)親本的利用以及引進(jìn)含有優(yōu)質(zhì)亞基種質(zhì)資源提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為參加山西省區(qū)域試驗(yàn)的258份小麥新品種(系),其中有81個(gè)品種通過山西省農(nóng)作物品種審定委員會審定。以中國春(Null、7+8、2+12)、晉太170(Null、7+9、5+10)、豫麥34(1、7+8、5+10)、煙農(nóng)19(1、17+18、5+10)、小偃6號(1、14+15、2+12)、Victo(2*、13+16、5+10)為對照。上述材料均由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院優(yōu)質(zhì)小麥課題組保存。

1.2 試驗(yàn)方法

高分子量麥谷蛋白提取以及聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)參考張玲麗等[13]的方法。

為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次以上重復(fù),并對實(shí)驗(yàn)材料與多個(gè)對照進(jìn)行對比,讀出條帶亞基。

1.3 高分子量麥谷蛋白亞基條帶的讀取及品質(zhì)評分

HMW-GS電泳條帶的讀取和評分參照 Payne 等[14-15]的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 HMW-GS等位變異和分布頻率

通過對258份供試材料的HMW-GS變異頻率的統(tǒng)計(jì)(表1),在Glu-1染色體上共出現(xiàn)了12個(gè)亞基類型。其中Glu-A1位點(diǎn)出現(xiàn)了3種:Null、1和2*,以亞基Null為主,有190份,占比為 73.64 %,優(yōu)質(zhì)亞基1、2*分別有61份和7份,占比23.64%和2.71%。Glu-B1位點(diǎn)出現(xiàn)了5種亞基:7+8、7+9、14+15、17+18和6+8,以7+9和7+8為主,分別有117份、98份,其余3種亞基14+15、17+18、6+8的頻率較低,分別有20份、11份、12份,頻率為7.75%,4.26%和4.65%,其中優(yōu)質(zhì)亞基17+18頻率最低。Glu-D1位點(diǎn)檢測出4種亞基:2+12、5+10、5+12、2.2+12,以2+12、5+10為主,分別有145份和106份,頻率為56.2%,41.09%,5+12和2.2+12為稀有亞基,分別有6份和1份,頻率為2.33%和0.39%。

表1 小麥品種(系)HMW-GS等位變異及頻率Table 1 Allelic variation and frequency for HMW-GS of wheat varieties(lines)

供試的小麥品種(系)中,共有81個(gè)品種通過審定。從表1可以看出,在各位點(diǎn)上,81個(gè)品種包含了所有的亞基類型,且大多數(shù)亞基的分布頻率與全部材料基本一致,只有少部分亞基頻率稍有變化:在Glu-A1位點(diǎn)2*的出現(xiàn)頻率由2.71%提高到6.17%,亞基Null和1略有下降;Glu-B1位點(diǎn)亞基14+15由7.75%提高到12.35%;Glu-D1位點(diǎn)含有亞基5+12和2.2+12的均為審定品種,因此在審定品種中這兩種亞基的頻率都有所提高,亞基5+10和2+12的頻率相應(yīng)降低。

注:ck1為中國春;ck2為晉太170;ck3為豫麥34;ck4為煙農(nóng)19;ck5為小偃6號;ck6為victo。1為長6213;2為太1711;3為長6878;4為普冰151;5為京麥1768;6為運(yùn)糯32號;7為沃麥323;8為舜麥186;9為臨旱9號;10為晉太184;11為晉太192;12為長5553;13為經(jīng)麥6425;14為晉4099;15為晉農(nóng)1101;16為谷麥789;17為太321;18為長麥4013;19為S 1710。圖1 部分材料SDS-PAGE圖譜Fig.1 SDS-PAGE pattern of some wheat varieties

2.2 HMW-GS組成

通過對258份山西小麥品種(系)材料的HMW-GS組合類型統(tǒng)計(jì)分析看出,12種等位變異共出現(xiàn)了23種HMW-GS組合類型,其中81份審定品種有22種組合類型,沒有出現(xiàn)2*/7+9/5+10組合(表2)。

表2 小麥品種(系)HMW-GS組合類型及頻率Table 2 The combinations and frequency for HMW-GS of wheat varieties(lines)

從表2可看出,在所有供試材料中占比最高的組合有3種:Null/7+9/2+12、Null/7+8/5+10、Null/7+8/2+12,頻率分別為26.74%,16.67%,10.47%,其中組合Null/7+9/2+12和Null/7+8/5+10在審定品種中的占比超過10%,頻率為23.46%,16.05%,與所有供試材料的頻率基本一致。其余組合占比10%以下,有6種組合(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)僅在1份材料中出現(xiàn),其中5個(gè)對應(yīng)的品種為審定品種:運(yùn)旱139-1、良星99、翔麥517、晉麥99、長6388。

2.3 HMW-GS品質(zhì)評分分析

根據(jù)Payne等[14-15]的評分標(biāo)準(zhǔn),對供試材料進(jìn)行了品質(zhì)評分(表3),由于Payne等的評分標(biāo)準(zhǔn)未對5+12、2.2+12作出評分,因此,有6個(gè)組合共計(jì)7份材料未參與品質(zhì)評分。參與評分的251個(gè)小麥品種(系)品質(zhì)得分在4～10分范圍內(nèi),評分在8～10分的亞基組合屬于優(yōu)質(zhì)亞基組合范疇,占比39.15%。評分為10分的HMW-GS組合有3種(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組合有11個(gè)品種(圣麥104、運(yùn)旱1818、品育8172、長麥5252、圣麥101、輪選628、臨研19、沃麥818、品育8178、臨研20、太紫8293); 1/17+18/5+10組合有7個(gè)品種(臨研151、臨研16、嘉麥168、臨育23、臨1219、臨育5567、太麥69); 2*/7+8/5+10組合有3個(gè)品種(太714、京麥21、太1411),這些品種都可以作為今后小麥育種中品質(zhì)改良的重點(diǎn)種質(zhì)資源。

表3 258份材料高分子量麥谷蛋白亞基組成頻率及品質(zhì)評分Table 3 HMW-GS composition frequency and quality score of the 258 wheat varieties

81個(gè)已審定品種中,亞基組合評分為10分的亞基組合與所有測試材料中10分的亞基組合類型相同,有6個(gè)品種(圣麥104、運(yùn)旱1818、圣麥101、臨研151、太714、京麥21),根據(jù)GB/T17320—2013《小麥品種品質(zhì)分類》[16],圣麥104、太714和臨研151的容重、粗蛋白含量、濕面筋含量以及面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間均達(dá)到中強(qiáng)筋小麥標(biāo)準(zhǔn),圣麥101達(dá)到優(yōu)質(zhì)中筋小麥標(biāo)準(zhǔn),這些品種可作為今后育種中優(yōu)良種質(zhì)資源加以引進(jìn)和利用。評分為9分的品種有3個(gè)(華麥5號、洛旱17和中麥29),其亞基組合均為1、7+9、5+10。據(jù)統(tǒng)計(jì),3個(gè)位點(diǎn)中至少在一個(gè)位點(diǎn)上含有優(yōu)質(zhì)亞基的材料共計(jì)52個(gè)品種,占所有審定品種的64.2%(良星99、運(yùn)旱139-1、長6388、翔麥517、太412、太315含有亞基5+12,晉麥99含有亞基2.2+12,不作評分)。2017年國家農(nóng)作物品種審定委員會新印發(fā)的《主要農(nóng)作物品種審定標(biāo)準(zhǔn)(國家級)》對小麥品質(zhì)的相關(guān)指標(biāo)增加了最大拉伸阻力和拉伸面積[17]。因此,在今后的育種中,對于優(yōu)質(zhì)資源的引用,在參考其亞基組合類型的同時(shí),還要結(jié)合其相關(guān)指標(biāo)對資源加以利用。

3 討 論

本次研究的258個(gè)品種(系),共發(fā)現(xiàn)了12個(gè)HMW-GS等位基因變異,即Glu-A1位點(diǎn)1、2*、Null 共3個(gè)亞基,在Glu-B1位點(diǎn)共5個(gè)亞基(7+8、7+9、6+8、14+15、17+18),在Glu-D1位點(diǎn)共4種亞基(2+12、5+10、2.2+12和5+12),且審定的81個(gè)品種也都包含了所有亞基類型。各位點(diǎn)上以Null、7+8、7+9、2+12等亞基為主,而高評分優(yōu)質(zhì)亞基1、2*、14+15、5+10所占比重較小,這與王曙光等[8],李光蓉等[18]的研究結(jié)果相近。優(yōu)質(zhì)亞基頻率不高是導(dǎo)致山西省小麥的HMW-GS組合綜合評分較低的最主要原因。因此,可以通過降低亞基Null、7+9、2+12的出現(xiàn)頻率,提高高評分優(yōu)質(zhì)亞基的頻率,以期提高山西小麥的品質(zhì)。

此次供試的81份已審定品種與趙佳佳等[19]對145份山西省育成品種的研究相比,在等位基因的種類及亞基組合類型上都不及趙佳佳等的試驗(yàn)材料豐富,其材料涵蓋了從20世紀(jì)70年代到2017年山西省審定的小麥品種,時(shí)間跨度長,品種數(shù)量多,因此基因類型及組合較為豐富。就各點(diǎn)位基因分布頻率看,本次研究的近年審定品種中優(yōu)質(zhì)亞基1、7+8、5+12的頻率明顯低于過去的審定品種。表明近年在種質(zhì)資源的引進(jìn)中亞基的豐富性較為缺乏;在種質(zhì)資源的利用中沒有將優(yōu)質(zhì)亞基作為重要指標(biāo)加以利用。通過對比發(fā)現(xiàn),趙佳佳等的145份材料中有17份含有優(yōu)質(zhì)亞基5+10,本次供試的81個(gè)審定品種中有31個(gè)含有5+10,優(yōu)質(zhì)亞基5+10頻率的大幅提升,說明近年來優(yōu)質(zhì)亞基5+10得到了育種專家的重視,含有5+10亞基的種質(zhì)資源逐漸被引進(jìn)使用,使得優(yōu)質(zhì)亞基5+10的頻率有所提升。

在此次研究中,檢測出了稀有亞基2.2+12和5+12,且含有這兩種亞基的品種均已審定。含有2.2+12的組合只有一種(Null、7+8、2.2+12),品種為晉麥99,曾秀英等[20]對亞基2.2+12的研究表明,含有亞基2.2+12的小麥品種沉淀值高于含有亞基2+12的品種,其對小麥品質(zhì)的影響效應(yīng)高于2+12,晉麥99是糯小麥品種,根據(jù) Graybosch[21]與 Bhattacharya等[22]的研究,糯小麥?zhǔn)澄锏目估匣泻艽髢?yōu)勢,將普通的小麥粉與一定比例的糯小麥粉混合,對延長食物的貨架期有一定的幫助。此外,張劍等[23]對糯小麥粉含量對面包品質(zhì)的影響研究表明,添加5%～10%的糯小麥粉對面包的品質(zhì)影響不顯著。結(jié)合以上研究,可將晉麥99作為優(yōu)質(zhì)親本資源加以利用。含有亞基5+12的品種有6個(gè),共涉及5種亞基組合:運(yùn)旱139-1(N、7+9、5+12),良星99(N、7+8、5+12),翔麥517(1、7+9、5+12),太412、太31(2*、7+9、5+12),長6388(2*、6+8、5+12),這6個(gè)品種均已審定,根據(jù)王濤等[24]關(guān)于5+10和5+12對小麥品質(zhì)方面的貢獻(xiàn)比較研究,亞基5+12對小麥的品質(zhì)在沉降值、濕面筋含量、形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間上都優(yōu)于優(yōu)質(zhì)亞基5+10。因此,今后在育種中可以加強(qiáng)對這些稀有的優(yōu)質(zhì)亞基作為親本的利用,提高山西優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥的品種數(shù)量,以提高山西省小麥品種的品質(zhì)。

4 結(jié) 論

山西地處黃河中下游,南北跨度較東西更長,冬小麥生長生態(tài)區(qū)域分為南部中熟區(qū)和中部晚熟區(qū),兩種不同的生態(tài)區(qū)為引進(jìn)種質(zhì)資源及豐富山西小麥品種提供了優(yōu)越的地理?xiàng)l件。本次試驗(yàn)從258份材料中共檢測出12種亞基類型,除常見亞基類型外,還在Glu-D1位點(diǎn)檢測出比較罕見的亞基5+12和2.2+12,豐富了山西省小麥品種的HMW-GS基因庫。

23種亞基組合類型中,組合(Null、7+9、2+12)出現(xiàn)最多,頻率為26.74%;其次是組合(Null、7+8、5+10),頻率為16.67%,在Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1三個(gè)位點(diǎn)均具有優(yōu)質(zhì)亞基的組合有(1、7+8、5+10),(1、17+18、5+10),(2*、7+8、5+10),共計(jì)21份材料,占比8.13%,其中圣麥104、太714、運(yùn)旱1818、臨研151、京麥21和圣麥101等6個(gè)品種已審定。這些品種可作為育種種質(zhì)資源,可對現(xiàn)有高產(chǎn)品種加以改良,以獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)新品種。

含有稀有亞基2.2+12和5+12的亞基組合有6種(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個(gè)品種(晉麥99、運(yùn)旱139-1、良星99、翔麥517、太412、太31、長6388),且均為審定品種,可將其作為親本材料加以利用。