甘肅冬小麥高分子量麥谷蛋白亞基組成及其品質(zhì)現(xiàn)狀分析

鄭 琪，李 欣，任根深，李興茂，張愛民

(1.平?jīng)鍪修r(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 平?jīng)?744000；2.植物細(xì)胞與染色體工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，北京 100101；3．甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱地農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070)

高分子量麥谷蛋白亞基(HMW-GS)是小麥籽粒胚乳貯藏蛋白的重要組成部分，其亞基的組成和數(shù)量直接影響小麥品種的加工品質(zhì)[1-3]。其中Ax1、Ax2*、Bx7+By8、Bx13+ By16、Bx14+ By15和 Dx5+Dy10等亞基有較高的品質(zhì)評分，是公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)亞基[4-9]。在小麥品質(zhì)改良過程中，有目的選擇攜帶這些優(yōu)質(zhì)亞基的材料做親本，將編碼這些優(yōu)質(zhì)亞基的基因?qū)肽繕?biāo)品種中，是改良小麥加工品質(zhì)的重要途徑之一。

隨著人們生活水平的不斷提高，對于制作面包、糕點(diǎn)及餅干等專用強(qiáng)筋粉和弱筋粉的消費(fèi)增長迅猛，但我國強(qiáng)筋小麥、弱筋小麥供給明顯不足。胡學(xué)旭等[10]對2006—2015年中國小麥生產(chǎn)區(qū)742個(gè)小麥品種的品質(zhì)性狀進(jìn)行測定，結(jié)果表明：強(qiáng)筋品種和弱筋品種所占比例分別為12.6%和2.0%，強(qiáng)筋小麥和弱筋小麥達(dá)標(biāo)比例分別為4.8%和0.4%。楊芳萍等[11]對甘肅省4個(gè)麥區(qū)298份小麥材料的面筋強(qiáng)度和糯蛋白基因(Dx5、By8、By9、Bx7OE、1B/1R和Wx)的分布頻率進(jìn)行了分子標(biāo)記檢測，結(jié)果表明甘肅小麥品種(系)用于加工面包、饅頭和面條的品質(zhì)性狀較差，并且面粉品質(zhì)從甘肅西部到東南呈現(xiàn)逐漸變劣的趨勢，大部分小麥品種(系)僅適宜于加工成普通饅頭和面條。因此，充分利用引進(jìn)的優(yōu)質(zhì)小麥種質(zhì)資源改良本地區(qū)的小麥品質(zhì)意義重大。本研究對甘肅省新引進(jìn)和新育成的冬小麥品種(系)的HMW-GS組成進(jìn)行了SDS-PAGE檢測，分析比較了兩者HMW-GS的變異類型和頻率，并進(jìn)行了品質(zhì)評分比較，以期為該地區(qū)小麥品質(zhì)遺傳改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料來自于甘肅冬麥區(qū)的72份冬小麥品種(系)(表1)，其中，新育成品種(系)49份(由甘肅省農(nóng)科院和各地州市農(nóng)科院提供)，引進(jìn)品種(系)23份(由甘肅省農(nóng)科院提供)，以已知HMW-GS類型的中國春(N/7+8/2+12)和藁優(yōu)8901(1/7+8/5+10)為對照。

1.2 方 法

HMW-GS提取參照張肖飛等[12]的方法，取一粒小麥種子磨粉，加入800 μL 50%的異丙醇，65℃水浴40 min，期間震蕩2～3次，使面粉懸浮，12 000 r·min-1離心5 min，棄上清，重復(fù)以上步驟抽提2次后，向沉淀中加入150 μL 麥谷蛋白提取液A(50%異丙醇、0.08M Tris-HCl(pH=8.0)、1.4% 4-乙烯吡啶)，震蕩混勻，65℃水浴50 min，12 000 r·min-1離心5 min，保留上清，再加入150 μL 麥谷蛋白提取液B(50%異丙醇、0.08M Tris-HCl(pH=8.0)、1%DTT)，65℃水浴30 min，離心取上清200 μL，加等量上樣緩沖液，99℃加熱變性5 min, 18 000 r·min-1離心5 min，作為SDS-PAGE上樣液備用。SDS-PAGE電泳參照張肖飛[12]的方法，制備聚丙烯酰胺分離膠(30 mL·gel-1)和濃縮膠(10 mL·gel-1)，取10 μL上樣液點(diǎn)樣，12 mA·gel-1電泳12 h；染色、脫色、圖像掃描。

按照Payne等[13]和毛沛等[14]提出的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行HMW-GS的編碼、命名和品質(zhì)評分，部分稀有亞基組合類型命名參考劉會云等[15]HMW-GS的SDS-PAGE圖譜。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel進(jìn)行基本的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘肅冬小麥品種(系)的HMW-GS組成及頻率

HMW-GS檢測結(jié)果表明，72份小麥品種(系)中存在1、Null、2*、7+8、7+9、6+8、13+16、20x+20y、2+12和5+10等11種亞基類型(圖1、表1)。其中，在Glu-A1位點(diǎn)，1亞基類型出現(xiàn)的頻率最高，占70.83%，Null亞基出現(xiàn)的頻率次之，為26.39%，2*亞基出現(xiàn)的頻率最低，只占2.78%；在Glu-B1位點(diǎn)，7+8亞基類型出現(xiàn)的頻率最高，占56.94%，7+9亞基類型占38.89%，6+8、13+16和20x+20y亞基類型出現(xiàn)的頻率最低，均為1.39%；在Glu-D1位點(diǎn)，2+12亞基類型出現(xiàn)的頻率最高，占62.28%，5+10亞基類型出現(xiàn)的頻率為33.33%(表2)。

HMW-GS在甘肅省新育成品系和引進(jìn)材料中的組成和分布存在明顯差異。1、7+8和2+12亞基在新育成品系中出現(xiàn)的頻率分別為79.59%、61.22%和79.59%，均高于引進(jìn)材料(52.17%、47.83%和34.78%)；而Null、7+9和5+10亞基在新育成品系出現(xiàn)的頻率分別為20.41%、32.65%和18.37%，均低于引進(jìn)材料(39.13%、52.17%和65.22%)。新育成品系中在Glu-A1位點(diǎn)未出現(xiàn)2*亞基類型，Glu-B1位點(diǎn)出現(xiàn)了6+8和20x+20y等亞基類型，Glu-D1位點(diǎn)出現(xiàn)了Null亞基類型。從亞基組合類型來看，72份材料中共出現(xiàn)了12種亞基組合類型，其中引進(jìn)材料亞基組合類型以1/7+8/5+10、N/7+9/2+12和1/7+9/5+10為主，頻率分別為26.09%、21.73%和17.39%，而育成品系中以1/7+8/2+12為主，占44.90%，其次為1/7+9/2+12，占16.33%，1/7+8/5+10和N/7+9/2+12出現(xiàn)的頻率均為12.24%(表3)。

由此可見，近年來甘肅省新育成小麥品種(系)在Glu-A1位點(diǎn)對Null亞基的改良有明顯進(jìn)展，Glu-B1位點(diǎn)7+8優(yōu)質(zhì)亞基類型出現(xiàn)的頻率有明顯提高，但Glu-D1位點(diǎn)的5+10優(yōu)質(zhì)亞基類型和優(yōu)質(zhì)亞基組合類型1/7+8/5+10出現(xiàn)的頻率明顯低于引進(jìn)材料。

注：1：喀山26；2：喀山27；3：喀山28；CK1：藁優(yōu)8901；4：喀山29；5：抗病R138；6：科遺12-6105；7：蘭航122；8：蘭考矮特早；9：蘭天01-368；10：臨優(yōu)8161；11：靈選6；12：隴麥838；CK2：中國春；13：隴育0825；14：隴中6號；15：隴紫麥1號；16：寧麥12；17：泰山9819；18：烏44；19：烏51。Note: 1: Kashan 26; 2: Kashan 27; 3: Kashan 28; CK1: Gaoyou 8901; 4: Kashan 29; 5: Resistant R138; 6:Keyi 12-6105; 7:Lanhang 122; 8: Lankao Aitezao; 9: Lantian 01-368; 10: Linyou 8161; 11: Lingxuan 6; 12: Longmai 838; CK2: Chinese spring; 13: Longyu 0825;14: Longzhong 6; 15: Longzimai 1; 16: Ningmai 12; 17: Taishan 9819; 18: Wu 44; 19: Wu 51圖1 部分參試小麥品種(系)SDS-PAGE圖譜Fig.1 SDS-PAGE patterns of some wheat varieties (lines)

表1 72份甘肅冬小麥品種(系)的HMW-GS組成

注：編號1～49為新育成品種(系)，編號50～72為新引進(jìn)品種(系)。

Note: Number 1 to 49 are new varieties (lines), and number 50 to 72 are introduced varieties (lines).

2.2 甘肅冬小麥品種(系)HMW-GS等位變異分析

72份材料的HMW-GS變異類型共有11種，其中引進(jìn)材料的變異類型有7種，育成材料變異類型有10種(表2)。在Glu-A1位點(diǎn)，育成品系只有1和N兩種亞基變異類型，與引進(jìn)材料相比缺少2*亞基變異類型；育成品系1亞基出現(xiàn)的頻率為79.59%，高于引進(jìn)材料。在Glu-B1位點(diǎn)，育成品系HMW-GS的變異類型有7+8、7+9、6+8、13+16、20x+20y等5種，引進(jìn)材料只有7+8、7+9兩種，且育成品系中7+8優(yōu)質(zhì)亞基出現(xiàn)的頻率為61.22%。在Glu-D1位點(diǎn)，育成品系優(yōu)質(zhì)變異類型5+10亞基出現(xiàn)的頻率(18.37%)明顯低于引進(jìn)材料(65.22%)，而普通亞基2+12變異類型出現(xiàn)的頻率偏高(79.59%)。結(jié)果表明，近年來甘肅冬小麥育種工作對Glu-A1和Glu-B1位點(diǎn)N和 7+9亞基的改良成效顯著，1和 7+8優(yōu)質(zhì)亞基頻率明顯提高，但Glu-B1和Glu-D1位點(diǎn)的14+15、13+16和5+10等優(yōu)質(zhì)亞基的頻率還是偏低，有待進(jìn)一步改良。

2.3 甘肅冬小麥品種(系)HMW-GS的品質(zhì)評分

按照Payne等[13]和毛沛等[14]提出的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)亞基組合類型對甘肅冬小麥品種(系)進(jìn)行品質(zhì)評分。從表3的評分結(jié)果可以看出，72份材料中， Payne等[13]品質(zhì)評分在1～10分之間，所有材料平均得分7.6分，其中引進(jìn)材料平均得分8.0分，新育成品系平均得分7.4分；所有材料中，品質(zhì)評分在5～10分之間的材料占98.61%，評分在8分以上的材料有44份，占61.11%，評分10分的材料有14份，占19.44%。毛沛等[14]評分結(jié)果顯示，所有材料得分在2～15之間，平均得分6.6分，其中引進(jìn)材料平均得分9.0分，新育成品系平均得分5.5分；所有材料中，品質(zhì)評分在12～15分之間的材料有15份，占20.83%，評15分的材料2份，只占2.78%。根據(jù)Payne和毛沛的評分標(biāo)準(zhǔn)，一般含有2*、1、7+8、13+16、5+10等亞基類型的小麥材料評分較高，尤其是Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1三個(gè)位點(diǎn)都有優(yōu)質(zhì)亞基出現(xiàn)時(shí)，評分更高，面粉加工品質(zhì)更佳。本研究發(fā)現(xiàn)，在2種評分標(biāo)準(zhǔn)下，具有較高品質(zhì)得分的亞基組合的品種(系)較少；引進(jìn)的喀山16210和喀山29兩份材料在Glu-A1位點(diǎn)含有2*優(yōu)質(zhì)亞基類型，蘭考矮特早在Glu-B1位點(diǎn)含有13+16優(yōu)質(zhì)亞基類型，普冰9946、泰山9819、烏44、烏51、喀山14和喀山23等材料在Glu-D1位點(diǎn)含有5+10優(yōu)質(zhì)亞基，這些材料都可以作為改良甘肅冬小麥的Null、7+9和2+12等亞基類型的親本材料加以利用。

表2 72份甘肅冬小麥品種(系)HMW-GS的分布頻率

表3 72份甘肅新品種(系)HMW-GS組合類型、頻率及評分

3 討 論

王紅梅等[16]2010年用SDS-PAGE檢測了196份甘肅省冬小麥種質(zhì)資源的HMW-GS組成，結(jié)果表明地方品種亞基組合類型以N/7+8/2+12為主，占72.65%，而育成品種中N/7+8/2+12組合的頻率已降低為29.11%；其中N/7+8/5+10亞基組合的頻率為13.92%，比地方品種的0.85%上升了13.07%。本研究中，育成品系亞基組合類型以1/7+8/2+12為主，占44.90%，其次為1/7+9/2+12，占16.33%，1/7+8/5+10和N/7+9/2+12出現(xiàn)的頻率均為12.24%。與2010年相比，N/7+8/2+12亞基組合類型由2010年的29.11%降到了現(xiàn)在的4.08%，1/7+8/2+12由2010年的3.80%上升到現(xiàn)在的44.90%，1/7+8/5+10由2010年的5.06%上升到現(xiàn)在12.24%?？梢?，近年來對Glu-A1位點(diǎn)的Null亞基和Glu-D1位點(diǎn)的2+12亞基的改良已見成效，但本研究中新育成品種(系)中1/7+8/5+10優(yōu)質(zhì)亞基組合頻率(12.24%)還明顯低于引進(jìn)材料(26.09%)，有待繼續(xù)聚合優(yōu)質(zhì)亞基進(jìn)行改良。

根據(jù)品質(zhì)評分結(jié)果，無論是Payne評分標(biāo)準(zhǔn)得10分的材料，還是毛沛評分標(biāo)準(zhǔn)在12～15分之間的材料都是6份，占育成品種(系)的12.24%，與育成材料中優(yōu)質(zhì)亞基組合1/7+8/5+10出現(xiàn)的頻率一致。以上說明，甘肅育成小麥品種中單個(gè)品質(zhì)優(yōu)質(zhì)基因頻率較高，而優(yōu)質(zhì)基因組合的比例較低，這一結(jié)果與柳娜等[17]2016年對104份甘肅小麥品種主要品質(zhì)基因的分子標(biāo)記檢測結(jié)果基本一致。

從等位變異位點(diǎn)來看，甘肅冬小麥新育成品種(系)Glu-A1位點(diǎn)的1亞基出現(xiàn)的頻率從2010年的16.46%提高到現(xiàn)在的79.59%，提高了63.13%，Null亞基頻率從2010年的69.62%降到現(xiàn)在的20.41%，降低了49.21%[17]；在Glu-B1位點(diǎn)，2010年7+8、7+9 亞基頻率分別為59.49%、35.44%，本研究中7+8、7+9 亞基頻率分別為61.22%、32.65%，兩者前后變化均不明顯，但本研究中亞基變異類型較少，尤其是13+16、14+15和17+18等優(yōu)質(zhì)亞基出現(xiàn)的頻率很低[16]；在Glu-D1位點(diǎn)，育成材料中2+12亞基頻率為79.59%，與我國黃淮南片(50.85%)相比偏高，5+10亞基頻率(18.37%)比我國黃淮南片(48.20%)和國外(73.50%)低很多[18]。這一結(jié)果說明甘肅冬小麥優(yōu)質(zhì)亞基改良方面已經(jīng)有所進(jìn)展，但與國內(nèi)外相比還有一定差距。因此，將14+15，13+16和5+10等優(yōu)質(zhì)亞基導(dǎo)入甘肅冬麥區(qū)主栽品種，培育優(yōu)質(zhì)小麥新品種(系)對甘肅隴東地區(qū)小麥品質(zhì)改良具有重要意義。