小麥-長(zhǎng)穗偃麥草滲入系HMW-GS組成及等位變異分析

王凌云，武宗信，賈舉慶，張曉軍，李 欣，任文斌

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，山西 運(yùn)城 044000；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，作物遺傳與分子改良山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030031）

高分子量麥谷蛋白亞基（HMW-GS）是小麥及其近緣物種種子中重要的貯藏蛋白，在面團(tuán)黏彈性性能方面起著重要作用[1]。HMW-GS由位于第一染色體組群長(zhǎng)臂上的Glu-1位點(diǎn)編碼，每個(gè)基因座由2個(gè)緊密連鎖的基因組成，分別為編碼分子量較高的x-型亞基和分子量較低的y-型亞基[2-3]。Glu-1位點(diǎn)的等位基因?qū)π←溒焚|(zhì)的影響有所不同，如對(duì)面包制作影響方面，Glu-1D的復(fù)等位基因5＋10被認(rèn)為優(yōu)于2＋12[4]，Glu-1A上的復(fù)等位基因1和2*，優(yōu)于N等位基因，Glu-1B上的復(fù)等位基因7＋8，17＋18和13＋16優(yōu)于其他等位基因類型[2]。雖然等位基因的類型對(duì)小麥的一些品質(zhì)造成影響，但由于大多數(shù)的等位基因在六倍體小麥的變異中是中性的，所以，它們的功能差異并不大[5]，因此，對(duì)從小麥近緣物種中篩選優(yōu)質(zhì)亞基對(duì)于小麥的品質(zhì)改良非常重要。

小麥近緣物種染色體第一同源群上的HMW-GS的同源基因陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，如小黑麥中的Glu-R1、大麥中的Glu-Hch1和簇毛麥中的Glu-V1[6]。長(zhǎng)穗偃麥草（Agropyron elongatum）是小麥族重要的物種，其部分編碼HMW-GS的基因也被克隆到，一些亞基類型對(duì)面包制作起到積極影響[5，7-8]。因此，繼續(xù)從小麥近緣物種中發(fā)現(xiàn)新的優(yōu)質(zhì)亞基對(duì)于提高小麥品質(zhì)、改良小麥具有重要意義。

本研究中的98份材料均為來源于小麥-長(zhǎng)穗偃麥草滲入系，前期對(duì)其白粉及條銹病抗性進(jìn)行鑒定，均為高抗或免疫型。本研究對(duì)小麥-長(zhǎng)穗偃麥草滲入系HMW-GS進(jìn)行分析，以期發(fā)現(xiàn)新的等位變異及優(yōu)質(zhì)亞基組合，為小麥抗病、優(yōu)質(zhì)新品種選育提供材料與依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為普通小麥與八倍體小偃麥7430雜交/回交后選擇的高代品系，2012—2017年分別連續(xù)在四川省成都市和山西省太原市進(jìn)行抗條銹病與白粉病鑒定篩選，共獲得98份兼抗條銹病與白粉病的小偃麥滲入系新品系。八倍體小偃麥7430為源于十倍體長(zhǎng)穗偃麥草與普通小麥雜交的部分雙二倍體。對(duì)照材料選用普通小麥中國(guó)春。

1.2 試驗(yàn)方法

蛋白的提取及SDS-PAGE參考張麗等[9]的方法進(jìn)行。將供試98份材料，取單顆籽粒，從無胚端切取半粒，搗碎后置于1.5 mL離心管中提取HMW-GS。中國(guó)春、7430取整顆籽粒提取HMW-GS。提取后的HMW-GS進(jìn)行SDS-PAGE。

1.3 亞基命名和評(píng)分

HMW-GS的命名參照PAYNE等[10]的命名系統(tǒng)，品質(zhì)的評(píng)分是根據(jù)PAYNE等[2]的依據(jù)給出（評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表1所示），即等位基因的品質(zhì)評(píng)分按1（劣質(zhì)）至4（優(yōu)質(zhì)）給出，總的品質(zhì)的分?jǐn)?shù)是將各個(gè)亞基品質(zhì)分?jǐn)?shù)相加而來。

表1 高分子量麥谷蛋白亞基變異位點(diǎn)及品質(zhì)得分

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用Nei函數(shù)對(duì)每個(gè)位點(diǎn)上的遺傳多樣性進(jìn)行分析，其中，H和Pi分別為遺傳變異函數(shù)和等位基因出現(xiàn)的頻率數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥-長(zhǎng)穗偃麥草滲入系中Glu-1位點(diǎn)的等位變異

通過對(duì)小麥-長(zhǎng)穗偃麥草滲入系供試材料中的等位基因的類型研究發(fā)現(xiàn)，這些滲入系中HMW-GS基因的等位變異及亞基組成類型比較豐富（圖1）。在98份小偃麥滲入系中，共發(fā)現(xiàn)13種不同的等位基因。在Glu-A1位點(diǎn)上有3種亞基類型出現(xiàn)，分別為1，2*和N，它們分別由Glu-A1，Glu-A1和Glu-A1這3個(gè)等位基因編碼，其中，N型亞基在所檢測(cè)材料中出現(xiàn)的頻率最高，達(dá)到57.14%，其次為2*型亞基（29.59%），1型亞基所占比例最低，為13.27%。在Glu-B1位點(diǎn)上，發(fā)現(xiàn)6種等位變異，其中，出現(xiàn)頻率最高的是編碼7＋9型亞基的為53.06%，其次是編碼17＋18型亞基的為28.57%，編碼7＋8型亞基的為11.22%，編碼14＋15型亞基的為5.10%，編碼13＋16型及7型的出現(xiàn)頻率最低，二者都為1.02%。在Glu-D1位點(diǎn)上，亞基類型2＋12出現(xiàn)頻率最高，為66.33%，5＋10亞基出現(xiàn)頻率為20.41%，2＋10亞基出現(xiàn)頻率為12.24%（表 2）。

對(duì)Glu-1遺傳變異率（表2）分析來看，Glu-D1（0.5033）略小于 Glu-A1（0.5683）和 Glu-B1（0.6214），這與Glu-D1等位變異類型相對(duì)少（小于Glu-B1位點(diǎn)的6種），而2＋12在后代中出現(xiàn)的頻率又高（66.33%）有關(guān)。

2.2 小麥-長(zhǎng)穗偃麥草滲入系中亞基組合及品質(zhì)評(píng)分

從獨(dú)立的各個(gè)亞基對(duì)品質(zhì)的貢獻(xiàn)（表2）來看，Glu-A1位點(diǎn)上優(yōu)質(zhì)亞基所占比例略低于劣質(zhì)亞基，1和2*型亞基與N型亞基的比為43.86∶57.14；Glu-B1位點(diǎn)上的情況與Glu-A1位點(diǎn)上類似，但也高頻率的出現(xiàn)了17＋18型的優(yōu)質(zhì)亞基。Glu-D1位點(diǎn)上，從能夠賦分的亞基組合（5＋12亞基沒有分值）來看，雖然優(yōu)質(zhì)亞基出現(xiàn)頻率低于劣質(zhì)亞基總和，但國(guó)際上公認(rèn)的5＋10型優(yōu)質(zhì)亞基所出現(xiàn)的頻率并不低（20.41%），僅次于2＋12類型（66.33%）。

表2 小麥-長(zhǎng)穗偃麥草滲入系的HMW-GS等位變異及頻率

表3 小麥-長(zhǎng)穗偃麥草滲入系的HMW-GS組成及品質(zhì)評(píng)分

從各亞基的組合（表3）來看，在98份滲入系材料中，3個(gè)基因位點(diǎn)上的等位基因共出現(xiàn)了22種組合。從組合出現(xiàn)的頻率看，N，9＋7，2＋12組合出現(xiàn)的頻率最高，為 28.57%，其次為 2*，17＋18，2＋12組合，頻率為15.31%。有6個(gè)組合，即1，13＋16，5＋10；2*，14＋15，5＋10；1，7＋9，5＋10；1，17＋18，2＋12；2*，7＋8，5＋12；N，7，2＋12，出現(xiàn)頻率最低，都為1.02%。從組合后的品質(zhì)看，品質(zhì)達(dá)到10分的材料有11份，頻率為11.1%，其中在這11份材料中Glu-D1上的5＋10型亞基對(duì)此貢獻(xiàn)最大，出現(xiàn)頻率為100%。品質(zhì)為8～10分的材料有31份，頻率達(dá)到31.5%。品質(zhì)不高（≤5分）的亞基組合占所測(cè)群體的1/3（34.7%）左右，這些材料中Glu-A1位點(diǎn)編碼N型亞基，Glu-D1位點(diǎn)編碼2＋10或2＋12亞基。

3 討論

明確小麥品種/系中的HMW-GS組成，發(fā)現(xiàn)新的HMW-GS等位變異對(duì)于提高小麥加工品質(zhì)非常重要。本研究中，在Glu-A1位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了3個(gè)等位變異，其中，N型亞基在所測(cè)材料中出現(xiàn)的頻率最高，超過了1和2*型亞基的總和，這與中國(guó)小麥品種中Glu-A1位點(diǎn)以1和N型為主的狀況一致[12]。但在本研究中2*型亞基出現(xiàn)頻率高于1型亞基，其可能與親本組合中以2*型亞基為主有關(guān)，這對(duì)于提高品質(zhì)有所幫助。在Glu-B1位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)優(yōu)質(zhì)亞基類型，如 14＋15，7＋8，13＋16和 17＋18，總出現(xiàn)頻率接近50%，劣質(zhì)亞基7型出現(xiàn)頻率只有1.02%，這些都為高頻率出現(xiàn)高品質(zhì)亞基組合提供了可能。Glu-D1位點(diǎn)上，國(guó)際上公認(rèn)的高品質(zhì)亞基5＋10出現(xiàn)頻率達(dá)到20.41%，排第2位。此外，還出現(xiàn)了亞基5＋12，出現(xiàn)頻率與其在中國(guó)小麥中出現(xiàn)頻率相近，都較低（1%左右）[12]，但其目前被認(rèn)為比5＋10亞基更優(yōu)[13]。從亞基組合上看，高分值（≥9）的亞基組合為1/2*，7＋8/14＋15/17＋18/13＋16，5＋10組合，共有15份材料，這為選育高品質(zhì)品種提供了種質(zhì)資源。

小麥的野生近緣種屬植物含有豐富的HMW-GS 等位基因[14-18]，在中間偃麥草[6，19-20]和長(zhǎng)穗偃麥草[5，7-8]中也發(fā)現(xiàn)了多個(gè)HMW-GS等位基因。但是本研究中并沒有發(fā)現(xiàn)新的等位基因，這可能與群體規(guī)模小有關(guān)，因此，新的等位基因的發(fā)掘工作有待于繼續(xù)開展。偃麥草中蘊(yùn)含豐富的抗病基因，經(jīng)過前期的抗病性調(diào)查，本研究中的98份材料對(duì)小麥條銹病和白粉病都具有優(yōu)良的抗性，結(jié)合本研究的結(jié)果，可以從中選育優(yōu)質(zhì)抗病的小麥種質(zhì)資源，此外還可對(duì)篩選出的優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源進(jìn)行抗逆性評(píng)價(jià)，篩選抗逆的優(yōu)質(zhì)資源，為小麥抗逆和抗病育種服務(wù)。

［1］PAYNE P I.Genetics of wheat storage proteins and the effect of allelic variation on bread-makingquality[J].Annual Review of Plant Biology，1987，38（1）：141-153.

［2］PAYNE P I，NIGHTINGALE MA，KRATTIGER A F，et al.The relationship between HMW glutenin subunit composition and the bread making quality of British grown wheat varieties[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，1987，40（1）：51-65.

［3］ PAYNE P I，CORFIELD K G，HOLT L M，et al.Correlations between the inheritance of certain high-molecular weight subunits of glutenin and bread-making quality in progenies of six crosses of bread wheat[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，1981，32（1）：51-60.

［4］FLAVELL R B，GOLDSBROUGH A P，ROBERT L S，et al.Genetic variation in wheat HMW glutenin subunits and the molecular Basis of bread-making quality[J].Nature Biotechnology，1989，7（12）：1281-1285.

［5］GARG M，TANAKA H，ISHIKAWA N，et al.Agropyron elongatum HMW-glutenins have a potential to improve wheat end-product quality through targeted chromosome introgression[J].Journal of Cereal Science，2009，50（3）：358-363.

［6］NIU Z X，KLINDWORTH D L，WANG R R C，et al.Characterization of HMW glutenin subunits in Thinopyrum intermedium，Th.bessarabicum，Lophopyrum elongatum，Aegilops markgrafii，and their additionlinesinwheat[J].Crop Science，2011，51（2）：667-677.

［7］ LIU S W，ZHAO S Y，CHEN F G，et al.Generation of novel high quality HMW-GS genes in two introgression lines of Triticum aestivum/Agropyron elongatum[J].BMCEvolutionary Biology，2007，7：76.

［8］ FENG D S，XIA G M，ZHAO S Y，et al.Two quality-associated HMW glutenin subunits in a somatic hybrid line between Triticum aestivum and Agropyron elongatum[J].Theoretical and Applied Genetics，2004，110（1）：136-144.

［9］張麗，張建剛，潘登奎，等.小麥高分子量麥谷蛋白亞基的SDS-PAGE 方法[J].生物技術(shù)通報(bào)，2006（2）：78-80.

［10］PAYNE P I，LAWRENCE G J.Catalogue of alleles for the complex gene loci Glu-A1，Glu-B1 and Glu-D1 which code for high-molecular weight subunits of glutenin in hexaploid wheat[J].Cereal Research Communications，1983，11（1）：29-35.

［11］ NEI M.Analysis of gene diversity in subdivided populations[J].Proceedings of the National Academy of Science，1973，70（12）：3321-3323.

［12］ GUO X M，LI H Q，XIANG J S，et al.Genetic variation of high molecular weight glutenin subunits in wheat accessions in China[J].Crop Science，2011，51（6）：2423-2429.

［13］薛曉麗，張曉軍，李欣，等.小麥－中間偃麥草滲入系的HMW-GS組成及等位變異分析 [J].麥類作物學(xué)報(bào)，2012，32（2）：361-365.

［14］ FENG D S，CHEN F G，ZHAO S Y，et al.High-molecular weight glutenin subunit genes in decaploid Agropyron elongatum[J].Acta Botanica Sinica，2004，46（4）：489-496.

［15］封德順，陳凡國(guó)，趙雙宜，等.高冰草中一種新型高分子量麥谷蛋白亞基編碼序列的研究 [J].西北植物學(xué)報(bào)，2004，24（2）：237-242.

［16］WANG J R，YAN Z H，WEI Y M，et al.A novel high-molecularweight glutenin subunit gene Ee1.5 from Elytrigia elongate（Host）Nevski[J].Journal of Cereal Science，2004，40（3）：289-294.

［17］GUO Z F，YAN Z H，WANG J R，et al.Characterization of HMW prolamines and their coding sequences from Crithopsis delileana[J].Hereditas，2005，142：56-64.

［18］ WANG J R，YAN Z H，WEI Y M，et al.Characterization of high molecular weight glutenin subunit genes from Elytrigia elongate[J].Plant Breeding，2006，125：89-95.

［19］ LI G R，LANG T，DAI G，et al.Precise identification of two wheat-Thinopyrum intermedium substitutions reveals the compensation and rearrangement between wheat and Thinopyrum chromosomes[J].Molecular Breeding，2015，35（1）：1.

［20］GARG M，YANAKA M，TANAKA H，et al.Introgression of useful genes from Thinopyrum intermedium to wheat for improvement of bread-makingquality[J].Plant Breeding，2014，133（3）：327-334.