江苏省小麦品种的谷蛋白亚基组成分析

张平平， 马鸿翔， 姚金保， 周淼平， 杨学明， 张 鹏， 杨 丹

(江苏省农业科学院省农业生物学重点实验室，江苏 南京 210014)

麦谷蛋白是小麦面筋质量的基础，包括高分子量谷蛋白亚基(High molecular weight glutenin subunits，HMW-GS)和低分子量谷蛋白亚基(Low molecular weight glutenin subunits，LMW-GS)，分别约为谷蛋白总量的20%和80%［1］。HMW-GS由位于第一同源群1A、1B和1D染色体长臂的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位点(统称Glu-1位点)编码，且每个位点编码x型和y型2种亚基，有多个等位变异。编码LMW-GS的大多数基因定位于第一同源群1A、1B和1D染色体短臂的Glu-A3、Glu-B3和Glu-D3位点(统称Glu-3位点)。每个Glu-3位点都为复合基因位点，每个基因又有多个等位变异，因此LMW-GS变异总数达数十个［2-3］。HMW-GS和LMW-GS通过二硫键形成面筋网络结构，HMW-GS因构建面筋网络的骨架而更为重要［1，4］。众多研究结果表明，HMW-GS和LMW-GS的等位变异及互作与小麦加工品质密切相关［5-9］，HMW-GS改良已成为提高小麦加工品质最主要的途径［10-11］。国内研究者对不同区域或不同类型的小麦基因型开展了谷蛋白亚基组成的调查，为优质新品种选育提供了基础资料［12-19］。从品质区划看，江苏省地处中国地理和气候过渡地带，淮北麦区属于中国黄淮南片麦区，为优质白粒中强筋小麦种植区;淮南麦区属于长江中下游麦区，为优质红粒中弱筋小麦种植区［20-21］。尽管近年来小麦品质育种逐步受到重视，但小麦品种的品质仍有待提高［22］，明确当地小麦品种的谷蛋白组成对于小麦优质育种具有重要意义。为此本研究选用江苏省淮南和淮北主要育种单位选育的育成品种和高代品系77份，对HMW-GS和LMW-GS进行分析，旨在为通过谷蛋白组成改良提高江苏省小麦品质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及其田间种植

试验材料为77份来自江苏省淮南麦区和淮北麦区主要育种单位的育成品种或高代品系(表1)。材料于2012～2013年度种植于江苏省农业科学院试验基地，每个材料种植3行，行长1.6m，行距27.6 cm，1次重复，田间管理同一般品种比较试验。籽粒收获后选取30 g籽粒使用FOSS1093旋风磨制粉，过0.5mm筛网。

1.2 麦谷蛋白亚基的分离鉴定

参考刘丽等［9］的SDS-PAGE法提取和分离高、低分子量麦谷蛋白亚基。对照品种及Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1、Glu-A3和Glu-B3的等位变异组成分别为Pavon(2*、17+18、5+10、b 和 h)、Opata(2*、13+16、2+12、b 和 d)、Pitic(1、7*+8、2+12、a 和 b)和 Seri(1、7*+9、5+10、a和 j)，未对Glu-D3进行鉴定。

1.3 统计分析

用 Statistical analysis system(SAS Institute，1997)统计分析软件对亚基等位变异进行基本统计分析。

2 结果与分析

2.1 Glu-1和Glu-3位点等位变异类型及分布频率

从表2可以看出，参试品种(系)的HMW-GS和LMW-GS变异丰富。HMW-GS共检测到12个等位变异，其中Glu-A1位点有3个，Glu-B1位点有5个，Glu-D1位点有4个。LMW-GS的Glu-A3和Glu-B3位点则分别检测到5个和6个等位变异。各位点等位变异的分布差异较大。在Glu-A1位点，2*亚基在淮南麦区和淮北麦区的参试材料中分布频率虽不同但总体都较少，分别检测到1个和2个。0和1亚基为主要变异类型，其中0亚基在淮南麦区和淮北麦区的分布频率分别为50.9%和36.4%，1亚基的分布频率则分别为47.3%和54.5%。在Glu-B1位点，7+8亚基和7+9亚基在2个区域中都为主要变异类型，7+8亚基的分布频率更高，淮南和淮北的分布频率分别为67.3%和54.5%，7+9则分别为30.9%和27.3%。Glu-B1位点优质亚基14+15和17+18共检测到4份，其中淮北3份，淮南1份。在Glu-D1位点，4种亚基分布频率依次为2+12＞5+10＞4+12＞3+12，2+12亚基在淮南和淮北的分布频率分别为70.9%和45.5%，5+10亚基则分别为27.3%和36.4%。3+12亚基仅在淮南检测到1份，4+12亚基仅在淮北检测到4份。

表1 淮南麦区和淮北麦区的参试品种(系)Table 1 Cultivars or advanced lines originated from south Huai River wheat region and north Huai River wheat region

在Glu-A3和Glu-B3位点，亚基的多态性分布差异更大。Glu-A3位点以a、c和d亚基检出率较高，3种亚基在淮南的分布频率分别为20%、74.5%和3.6%，在淮北的分布频率分别为31.8%、13.6%和45.5%。Glu-B3位点以b、f和j(1B/1R易位)亚基检出率较高，3种亚基在淮南的分布频率分别为23.6%、69.1%和1.8%，在淮北的分布频率分别为18.2%、0%和54.5%。

表2 高分子量和低分子量谷蛋白亚基变异类型及分布Table 2 Alleles and frequency of high molecular weight glutenin subunits(HMW-GS)and low molecular weight glutenin subunits(LMW-GS)

2.2 Glu-1位点组合类型及分布频率

HMW-GS对加工品质的贡献较大，亚基组成简单，容易在选育过程中选择，为此将参试材料的HMW-GS组成类型及分布进行统计。从表3可以看出，Glu-1位点的HMW-GS组合类型和分布差异较大。淮北麦区显示出更丰富的组合类型，分布较为平衡，分布频率较高的组合为1/7+8/5+10、0/7+9/2+12、0/7+8/2+12、1/7+8/2+12和1/7+9/2+12，除1/7+8/5+10检出数为4份外，其他4种类型各检出2份，其他组合类型分别仅检出1份。淮南麦区以1/7+8/2+12、0/7+8/2+12、0/7+9/5+10 和 0/7+9/2+12组合为主，分别占检出总数的32.73%、23.64%、12.73%和9.09%。

表3 Glu-1位点亚基组合类型及分布Table 3 Glutenin subunit combination and its frequency at locus Glu-1

3 讨论

上世纪对全国小麦主栽品种的调查分析结果表明，小麦品种的HMW-GS主要为N、7+9、2+12等劣质亚基，2*、14+15、17+18和5+10等优质亚基的分布频率较低，这是导致中国小麦面筋强度偏弱、面团流变学特性较差的主要原因之一［12-15］。因此，转育Glu-1位点优质HMW-GS成为提高小麦面筋强度的重要途径［5，7，9，11］。但江苏省地处中国气候过渡带，依据品质区划的建议，江苏省淮北地区为半冬性中强筋小麦种植区，而淮南属于春性中弱筋小麦种植区，沿江和沿海地区由于春季阴雨寡照且土壤肥水保持能力差，因而成为独特的优质弱筋小麦优势产区，因此不同地区小麦品种的亚基改良应有所差异［20-21］。本研究对淮南和淮北主要育种单位育成品种和高代品系的调查结果表明，参试材料中Glu-1位点多态性较为丰富，淮北的多态性高于淮南，这可能与该区育种亲本来源广泛有关。各位点等位变异的分布频率差异较大，淮北试材中Glu-A1和Glu-B1位点劣质亚基超过30%，Glu-D1位点劣质亚基(2+12、3+12、4+12)占 63.7%，表明在育种过程中缺乏优质亚基的引入和跟踪选择。淮南试材显示出与淮北试材不同的亚基分布状况，亚基多态性低，劣质亚基的分布频率更高，表明该区育种材料的遗传基础较狭窄，也与淮南麦区主要针对优质弱筋品质目标开展选育的要求一致。

HMW-GS 3个位点Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1对面筋强度的贡献存在加性效应且以Glu-D1的作用最大，同时还存在显著的互作效应，个别亚基的重要作用依赖于其他亚基的共同作用［5-6，8-9］。Glu-A1的1和2*亚基只有在与5+10共同作用时才优于N亚基［23］;7+8和7+9亚基只有与5+10共表达时才优于其他等位变异［5］。因此从Glu-1位点亚基组合看，淮北试材中1/7+8/5+10的优质组合仅为4份，优质亚基改良有待开展。淮南试材的HMW-GS组成以 1/7+8/2+12、0/7+8/2+12、0/7+9/5+10和0/7+9/2+12 4种类型为主，总体表现为弱筋亚基组合，依据品质区划的建议应加强中低蛋白种质的筛选［20-21］。LMW-GS对面筋质量的贡献来源于其较高的表达量(含量约为HMW-GS的4倍)，且与HMW-GS 存在显著的互作效应［1，6，8，24］，本研究未进行相关的品质测试，无法对LMW-GS的重要性进行分析。但已有研究结果表明，LMW-GS等位变异或与HMW-GS的组合与加工品质的关系在不同研究材料中的表现不同［6，9，25］，但Glu-B3j(1B/1R 易位)位点由于显著降低了LMW-GS的表达量，无疑可降低面筋强度［8，26-27］。在供试材料中，受产量和抗性育种的影响，淮北材料较多地应用了1B/1R易位，其Glu-B3j分布频率达54.5%，显然影响着当地生产上小麦的品质提升。而淮南品种较少应用1B/1R，供试材料中Glu-B3j位点分布频率仅为1.8%，不利于面筋强度的降低。HMW-GS对小麦品质的影响还依赖于蛋白质含量，Kolster等［23］和 Branlard［28］的研究结果表明，蛋白质含量较低时，Glu-D1位点2+12和5+10亚基的变异对面筋强度和面包体积无明显影响，随着蛋白质含量的提高，影响逐渐增大，但超过15%时影响亦较小;蛋白质含量为10%～15%时，HMW-GS等位变异对加工品质的影响最大。美国小麦品质研究结果表明，低筋软红冬麦Glu-A1、Glu-B1和Glu-D13个位点的组成分别为1或2*、可变、2+12，并配以Glu-B3j;而高筋软红冬麦和高筋硬红冬麦3个位点的组成分别为1或2*、可变、5+10，并避免Glu-B3j［29］。

马鸿翔等［22］曾对2006～2010年江苏省主栽小麦品种的湿面筋含量和面团稳定时间进行统计调查，淮北硬白冬麦的变异范围分别为26.6%～28.4%和4.7～5.3 min，而同区域外省引进品种分别为26.5% ～32.9%和4.8～5.9 min;淮南硬红冬麦分别为23.1% ～28.8%和2.7～5.9 min;淮南软红冬麦则分别为23.1% ～26.6%和2.7～4.0 min，并未达到弱筋小麦国家标准，3类主栽品种的蛋白质含量亦无典型的品质分类特征。从亚基组成看，淮北主栽品种淮麦18虽含有5+10亚基，但携带Glu-B3j;淮麦20也为劣质的亚基组合。淮南软红冬麦主栽品种不携带Glu-B3j，亚基组成不劣于淮北硬白冬麦和淮南硬红冬麦主栽品种［22］。可以看出，江苏省淮北品种筋力有待提高，淮南弱筋品质在生产上虽然较外省好但仍需改良。因此，在当前江苏省小麦蛋白质含量水平下，淮南软红冬麦区在弱筋小麦选育种中仍需避免5+10亚基，引入Glu-B3j，以期降低面筋强度。淮南硬红冬麦和淮北硬白冬麦育种中则应加强利于提高面筋含量的优质亚基的筛选，以提高中强筋小麦品质。

本研究结果表明江苏省小麦品种Glu-1和Glu-3位点等位变异类型丰富但分布频率差异大，淮北试材的高分子量谷蛋白优质亚基及亚基组合较少，Glu-B3j分布频率高，优质亚基改良有待开展。淮南试材的优质亚基及组合亦较少，品质育种需根据育种目标并结合蛋白质含量和亚基选择进行改良，中筋小麦需加强利用优质亚基并避免Glu-B3j，而弱筋小麦则应避免5+10等优质亚基，并引入Glu-B3j，以期降低面筋强度。

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