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四川近十年小麦主栽品种的品质状况

2016-07-14李朝苏吴晓丽汤永禄杨武云吴元奇吴春马孝玲李式昭四川省农业科学院作物研究所四川成都60066四川农业大学四川温江630

作物学报 2016年6期

李朝苏吴晓丽汤永禄杨武云吴元奇吴 春马孝玲李式昭四川省农业科学院作物研究所,四川成都 60066;四川农业大学,四川温江 630



四川近十年小麦主栽品种的品质状况

李朝苏1,**吴晓丽1,**汤永禄1,*杨武云1吴元奇2吴 春1马孝玲1李式昭11四川省农业科学院作物研究所,四川成都 610066;2四川农业大学,四川温江 611130

摘 要:近20年来,品质改良是西南冬麦区小麦育种的主要目标之一。本研究目的是了解四川省小麦主栽品种的品质现状,尤其是评价近年新育成的人工合成小麦(SHW)衍生品种的品质表现和育种价值。2011—2013连续 3年,选择近10年审定并广泛应用于生产的10个代表性品种进行多环境试验,测定籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、沉淀值、降落值、出粉率、籽粒发芽指数,以及粉质仪和快速黏度分析仪(RVA)参数。所测品质参数均存在显著的基因型、环境和二者互作效应,其中反映蛋白质数量和质量的多数性状环境效应大于基因型效应,而反映淀粉质量的降落值和RVA参数则基因型效应更大。参试品种蛋白质含量11.7%~14.0%,湿面筋含量22.0%~29.3%,沉淀值21.4~35.1 mL,降落值147~363 s,面团稳定时间1.7~12.1 min,峰值黏度1056~2670 cP。SHW衍生品种中川麦104总体表现优异,其平均沉淀值30.3 mL,降落值325 s,面团稳定时间9.8 min,最终黏度2796 cP;而绵麦367品质较差,上述指标分别为24.6 mL、147 s、2.2 min和827 cP。参试品种的平均生理成熟期籽粒发芽指数为0.31,变幅0.06~0.76,品种之间差异显著,其中以川麦104最低。本研究表明,西南冬麦区小麦品种品质改良潜力较大,川麦104可作为协同改良产量和品质的育种亲本。

关键词:人工合成小麦;商业品种;品质潜力

本研究由国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-3-1-23)资助。

This study was supported by China Agriculture Research System (CARS-3-1-23).

**同等贡献(Contributed equally to this work)

第一作者联系方式∶ 李朝苏,E-mail∶xiaoli1755@163.com;吴晓丽,wuxiaolicjq@126.com

西南冬麦区是我国小麦主产区之一。该区气候生态条件复杂,土壤类型和种植制度多样,小麦品质易受环境条件制约。四川盆地是西南冬麦区的主体,该麦区小麦品质总体处于中、弱筋水平,蛋白质含量12%~13%、湿面筋含量20%~25%、面条评分多数不足80分[1]。按中国小麦品质区划[2],四川盆地应主要发展中筋小麦,部分区域发展弱筋小麦。20世纪50—70年代,四川盆地小麦的蛋白质含量不到12%、湿面筋含量仅20%左右,居全国最低水平[3];进入90年代后,推广、育成的小麦品质类型增多,但筋力仍然较弱,原粮小麦的加工利用价值较低。

四川盆地小麦收获阶段往往面临高温、高湿和多雨环境,导致穗发芽重、降落值低,加工质量较差[1,4]。长期以来,该地区小麦品种改良的重心是提高产量潜力,对品质的关注相对较少[1]。近10年来,西南冬麦区小麦育成品种的品质有了明显改善,如蛋白质含量、面团稳定时间、降落值和面条评分等已经相当于长江中下游麦区的水平,部分品质参数甚至高于全国平均水平[5]。品质改善可能跟谷蛋白亚基组成变化和种质材料的多元化有关,如1B/1R易位系的减少[6-7]。

2003年,四川省农业科学院作物研究所利用人工合成小麦(synthetic hexaploid wheat,SHW)种质资源首次育成了商业高产品种“川麦42”,连续多年的实收产量达到9000 kg hm-2以上[8]。之后,又以川麦42和SHW为材料育成了多个高产品种及一系列进入区试的新品系,使四川小麦产量水平上升了一个新台阶[8-10]。在利用SHW提高产量潜力的同时,能否协同提高品质是国内外育种者普遍关心的问题[11-12]。本研究选择近10年审定并在生产上广泛使用的10个代表性品种(含5个SHW衍生高产品种),进行多年多点的田间试验,目的是了解四川省小麦主栽品种的品质表现,分析其基因型和环境效应,探讨提高西南冬麦区小麦品质的途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料

10个参试品种均是 2003年以来审定并在生产上得到应用的商业品种,其中川麦42、川麦51、川麦56、绵麦367和川麦104是SHW衍生品种(表1),绵麦37和川麦42分别是四川省和国家区试对照品种。

1.2 小麦品种的品质性状鉴定和面粉特性参数评价

1.2.1 材料种植 自2010年10月播种开始,连续3个生长季(本文按收获年份称为2011、2012、2013年),分别在四川省的江油(31°69′ N,104°82′ E,海拔606 m)、广汉(31°01′ N,104°41′ E,海拔465 m)和简阳(30°29′ N,104°51′ E,海拔430 m)进行9个环境(地点×年份)的田间试验。田间随机区组设计,3次重复,小区面积12 m2。江油和广汉试验点前茬为水稻,简阳试验点前茬为玉米。各试验点播前耕层的土壤养分状况,年际间略有变化,总体来看,广汉点的土壤肥力最高,其次是江油点,简阳点除有效钾含量较高外,有机质、速效氮和速效磷含量均最低(表2)。

所有田间试验的施氮量和田间管理措施一致,播种期相近,其中江油点为2010年10月29日、2011 年10月29日和2012年10月30日,广汉点为2010年10 月30日、2011年10月26日和2012年10月28日,简阳点为2010年11月2日、2011年11月1日和2012年11月4日。不同年份、不同地点的基本苗均为230~250株m-2。开花成熟期以川麦56最早、川麦55最迟,其余品种相近;年份间以2013年开花成熟较早、2011年较迟(表2)。小麦成熟后分区收获脱粒,取每小区籽粒样品5 kg用于品质分析。

1.2.2 品质指标测定方法 由农业部谷物品质监督检验测试中心(北京)测定籽粒理化性状,其中粉质仪参数和RVA参数只测自2012年和2013年的样品。籽粒经14%水分润麦后,按NY/T1094-2006的方法磨粉(Buhler MLU202),计算出粉率。采用Foss Kjeltec 2300定氮仪测定总氮含量,换算为籽粒蛋白质含量,蛋白质含量=总氮含量×5.7;用Perten 2200型面筋仪(Perten,瑞典),按GB/T5506.2-2008方法测定湿面筋含量;按GB/T21119-2007方法测定沉降值(Zeleny sedimentation,SDS);用FN1700型降落值仪(Perten,瑞典),按GB10361-89方法测定降落值;采用Brabender粉质仪(Brabender,德国),按AACC54-21方法测定吸水率、面团形成时间和面团稳定时间;采用 RVA快速黏度分析仪(Newport Scientific Ltd.,Australia),按 Conik等[13]的方法测定峰值黏度、低谷黏度、稀澥值、反弹值和最终黏度。

表1 参试小麦品种的基本信息Table 1 Information of wheat varieties tested in this study

表2 3个试验点不同年份的小麦主要生育期、气候参数和土壤养分状况Table 2 Details of experimental soil and climate parameters at Jiangyou,Guanghan,and Jianyang sites

1.3 籽粒发芽测试

2012年和2013年将10个供试品种种植于广汉试验点,随机区组设计,3次重复,小区面积24 m2。两年播种日期均为10月28日,基本苗240株 m-2;施肥量为纯N 165 kg hm-2、P2O575 kg hm-2、K2O 75 kg hm-2;氮肥底施60%,拔节期追施40%,磷肥和钾肥全部用作底肥。

记载开花期,并分别于花后35 d和成熟期取样。将100粒小麦籽粒放在铺有滤纸的培养皿上,用6 mL去离子水湿润滤纸,于20°C下培养7 d,每天记载发芽数。

发芽指数

式中,n1~n7分别指第1~7天的发芽粒数。

1.4 统计分析

采用Statistical Analysis System (SAS) Version 8.0进行方差分析和Pearson线性相关分析;用最小极差(least significant difference,LSD)法进行多重比较;用Microsoft Excel 2007绘图。

2 结果与分析

2.1 品质相关性状联合方差分析

所有观测品质性状和参数的基因型、环境及其互作效应均达极显著水平(表3)。籽粒蛋白质含量、出粉率、湿面筋含量和沉淀值的环境效应最大,其次是基因型效应;降落值则表现为基因型效应最大,其次是环境效应及互作效应。粉质仪参数中,吸水率的基因型效应最大,而面团形成时间、面团稳定时间的环境效应大于基因型效应,基因型×环境互作效应最小。所有RVA参数均以基因型效应最大,其次是环境效应和基因型×环境互作效应。

2.2 不同品种的品质性状

2.2.1 基本品质特性参数 品种间籽粒蛋白质含量、出粉率、湿面筋含量、降落值和沉淀值差异很大(表4)。平均籽粒蛋白质含量12.9%,川育23最高(14.0%)、绵麦367最低(11.7%),品种间变异系数在10%左右,以川麦56变异程度最大。平均出粉率65.4%,品种间差异较小,环境表现相对稳定。平均湿面筋含量25.8%,以川育23最高、绵麦367最低,二者相差6.7个百分点,环境变异程度略高于籽粒蛋白质含量。平均沉降值28.5 mL,品种间差异很大,川育23达35.1 mL,而川麦55仅为21.4 mL,各品种的环境变异程度均较高,变异系数17.8%~29.1%。平均降落值273 s,达到300 s以上的仅有川育23、川麦55、川麦104、西科麦5号,绵麦367很低,只有147 s。各品种降落值的环境变异程度差异很大,川麦104的变异系数仅7.7%,而川麦51、川麦56、绵麦367和内麦836高达30%以上。

2.2.2 粉质仪参数 品种间的粉质仪参数值差异极显著。参试品种平均吸水率54.2%,川育23最高(59.3%),绵麦37最低(50.0%),相差9.3个百分点;吸水率的环境变异总体较小,品种间变异系数在5%以下。平均形成时间2.8 min,最高的川育23达到6.0 min,而最低的绵麦37和绵麦367还不到2.0 min,多数品种的环境差异大;稳定时间平均5.8 min,以川育23和川麦104最高,分别达12.1 min和9.8 min,而绵麦367和川麦55仅为2.2 min和1.7 min,多数品种的变异系数都在50%以上(表5)。

2.2.3 RVA参数 各项RVA参数在参试品种之间差异显著(表6)。平均峰值黏度2060 cP,但绵麦367 仅1056 cP,不及川麦55的50%;平均低谷黏度1129 cP,仍以绵麦367最低(408 cP);平均稀澥值931 cP,同样以绵麦367最低;反弹值除绵麦367、川麦56和川麦51外,均在1000 cP以上;平均最终黏度2178 cP,川麦104、西科麦5号达2700 cP以上,绵麦367仅为872 cP。各项参数的平均变异系数变化在20%~30%。单个品种以绵麦367的环境变异最大,变异系数高达60%~90%。

2.2.4 籽粒发芽指数 生理成熟期的发芽指数在品种间差异显著,且年份间表现趋势基本一致(图1)。2012年,川麦104和绵麦37的发芽指数最低,不到0.2,而川麦55、内麦836高达0.6~0.7。2013年,仍以内麦836和川麦55的GI最高,而川麦104和川育23最低,其他品种间差异较小。

成熟期发芽指数,2012年除川麦104外,其余品种都在0.8以上;2013年以川麦51和内麦836最高,其次是绵麦37、西科麦5号和川麦55,而川麦104、川麦42和川麦56最低(图1)。

2.3 品质性状间及其与气候参数间的相关性

粉质仪参数之间关系紧密,籽粒蛋白质含量与湿面筋含量、沉淀值以及多数粉质仪参数呈显著正相关;籽粒蛋白质含量与峰值黏度、稀澥值呈显著正相关,湿面筋含量与各项RVA参数也呈显著正相关;多数RVA参数之间存在极显著相关。出粉率与多数品质性状没有相关性,降落值与RVA参数呈显著正相关(表7)。

表8显示,温度参数(Tmean、Tmax、Tmin)与除降落值和吸水率之外的品质性状均呈正相关,相关程度因品质性状不同而有所差异。日照时数与多数品种性状呈负相关,其中与面团形成时间、峰值黏度的相关达到显著或极显著水平。降雨量与日照时数类似,与多数品质性状呈负相关,其中与降落值、低谷黏度、最终黏度的相关达显著水平。

3 讨论

小麦品质表现是基因型和环境共同作用的结果,至于基因型(G)、环境(E)和基因型与环境互作(GE)效应的大小因品质性状不同而异[15]。多数研究表明,籽粒或面粉蛋白质含量受E和GE的影响较大,而反映蛋白质质量(沉淀值、面团流变学特性等)和淀粉质量(降落值、RVA参数等)的品质性状,受基因型的影响更大[1,15-18]。本研究也有类似结果,籽粒蛋白质含量、湿面筋含量等性状基因型效应占总变异20%~30%,而淀粉质量性状(降落值和RVA参数)基因型效应占总变异的比例超过50% (表3)。表明遗传特性是影响淀粉质量性状的关键因素,可通过遗传改良培育降落值、RVA参数等性状优良的品种。此外,所有品质性状的GE效应均达显著或极显著水平,表明遗传改良和管理调控都是品质提升不可或缺的两个方面。

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图1 10个小麦品种在生理成熟期(PHM)和成熟期(MS)的籽粒发芽指数Fig. 1 Germination indices of 10 cultivars at physiological maturity (PHM) and maturity stage (MS)图中误差线表示LSD0.05。Vertical bars represent LSD0.05.

表7 品质性状间的简单相关系数Table 7 Person's correlations amongst quality traits

表8 品质性状与气象参数间的简单相关系数Table 8 Person's correlations between climate parameters and quality traits

所测品质性状的遗传变异都很大。非SHW衍生品种以川育23表现最好,其籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、沉淀值和粉质仪参数都较高。SHW衍生品种则以川麦104表现优异,其籽粒蛋白质含量、湿面筋含量中等,但沉淀值、降落值、面团稳定时间、RVA参数都比较高而稳定,生理成熟期的籽粒发芽指数也很低,而绵麦367各项品质参数都较差。这说明不论遗传背景如何,品质性状都表现出较大程度的变异[8,14,19-20],如何利用这些变异改良特定区域的小麦品质是重要的研究课题。川育23品质表现优良,但其产量和抗低温能力都不理想(数据未列出)。川麦104和绵麦367同属SHW衍生高产品种[10],其亲本之一(川麦42和川麦43)互为姊妹系,但这两个衍生品种的品质差异很大,可能与它们的另一个亲本(分别为川农16和绵麦37)和选育过程有关。本课题组前期研究表明,川农16和绵麦37都属中弱筋品种[21-22],但川农16属1BL/1RS易位系,含Glu-B1e等位变异。经杂交选育之后,川麦104聚合了优质亚基和高产基因,不携带1BL/1RS易位系。Li等[23]发现利于改善面包质量的6个重要遗传区域都来自SHW(定位在3A、4A等染色体上),且与产量之间无明显的负相关。同样,本研究中川麦104也是利用SHW种质育成,其高产潜力也与4A染色体上重要染色体区域有关[24],进一步证明利用SHW可同时提高产量和品质。

高分子量和低分子量谷蛋白亚基及其组合对小麦品质有十分显著的影响。四川小麦品质表现不佳的主要原因之一就在于缺乏优质谷蛋白亚基,20世纪90年代以后由于育种新材料的引进利用,在一定程度上丰富了优质亚基[6,23]。Peña等[25]对55份SHW材料的谷蛋白亚基及其对品质性状影响的研究证明,SHW及其衍生系在Glu-1位点尤其Glu-D1位点的变异极其丰富,用于品质改良的潜力很大[11,26]。本研究中,Glu-D1位点除西科麦5以外都是5+10亚基,Glu-B1位点SHW衍生品种多为6+8,非SHW衍生品种多为7+9亚基,Glu-A1位点分为1和null两种,SHW衍生品种1亚基居多(表1)。汤永禄等[1]利用SHW衍生重组近交系,在Glu-A1、Glu-D1位点存在劣质亚基背景下,发现Glu-B1位点6+8亚基比7*+8亚基具有更高的面团强度(沉淀值、面团稳定时间)和降落值。李式昭等[27]对四川2000年以来育成的105个小麦品种进行分子鉴定,认为川麦56、川麦104、川麦51等聚合有5~6个优质亚基,其潜在品质较好。本研究为这一结论提供了部分数据支持,如川麦56的籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、吸水率等面团强度参数表现较好,川麦104的各项品质参数都表现较好。

小麦收获阶段的天气状况尤其是降水对小麦品质影响很大,澳大利亚优质小麦要求降落值不低于300 s[14]。Tang等[28]研究发现,成熟前后降雨偏多是导致降落值和面条品质下降的主要原因。因此,选育休眠特性较好,即便遭遇多雨条件仍能保持较高降落值的品种十分关键。本研究中仅有4个品种的平均降落值达到300 s以上,包括SHW衍生品种川麦104。Imtiaz等[29]通过发掘源自SHW的抗穗发芽QTL,发现SHW衍生品系在穗发芽抗性方面具有很高的变异,对间接提高品质有利;Kunert等[30]对源于野生麦(T. turgidum ssp. dicoccoides)和蓝麦(Ae. tauschii)的人工合成小麦进行QTL定位,发现外来等位变异对降落值的改良作用很大,定位于4B上的外来等位基因将降落值提高19.6%;蒋云等[31]利用具有染色体自然加倍特性的硬粒小麦栽培种与节节麦杂交,经染色体天然加倍得到的4份新六倍体小麦材料的平均穗发芽率小于2%,其中亲本为节节麦As65的合成小麦SHW-Z2和SHW-Z4比穗发芽抗性极强的合成六倍体小麦RSP抗性更强,并发现其抗穗发芽的因素主要来自穗部与种子的抑制。今后针对小麦生育后期多雨,而终端产品又以面条为主的西南冬麦区,应充分利用SHW改良淀粉品质,而不仅仅是提高产量。此外,应以SHW衍生品种为材料,对所发掘的QTL开展验证工作,以揭示川麦104穗发芽抗性的分子基础及其育种应用潜力。

4 结论

基因型、环境及其互作效应对总变异的贡献大小因品质性状不同而异,吸水率、降落值和RVA参数的基因型效应较大,籽粒蛋白质含量、出粉率、湿面筋含量、沉淀值的环境效应较大,面团形成时间、稳定时间的环境效应和互作效应较大。所有品质性状在参试品种之间都存在显著差异。非SHW衍生品种以川育23总体表现较好;SHW衍生品种以川麦104表现最好,而绵麦367总体较差,尤其降落值很低。在西南地区小麦高产优质育种中,川麦104可作为优良亲本加以利用。

致谢∶ 感谢四川农业大学小麦研究所齐鹏飞检测高分子量谷蛋白亚基,中国农业科学院作物科学研究所夏先春检测低分子量谷蛋白亚基。

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Quality of Major Wheat Cultivars Grown in Sichuan Province in Recent Decade

LI Chao-Su1,**,WU Xiao-Li1,**,TANG Yong-Lu1,*,YANG Wu-Yun1,WU Yuan-Qi1,WU Chun1,MA Xiao-Ling1,and LI Shi-Zhao11Crop Research Institute,Sichuan Academy of Agricultural Sciences,Chengdu 610066,China;2Sichuan Agricultural University,Wenjiang 611130,China

Abstract:Quality improvement is one of the major targets in winter wheat breeding in Southwest China in the past two decades. This study aimed at understanding the quality of the main varieties released in Sichuan province,especially evaluating the quality and the breeding value of synthetic hexaploid wheat (SHW). In multi-environment trial from 2011 to 2013 (location × year),we evaluated the grain protein content (GPC),grain germination index (GI),falling number (FN),wet gluten content (WGC),sedimentation value (SDS),flour yield (FY),farinograph parameters,and Rapid Visco Analyzer (RVA) parameters of 10 wheat commercial cultivars. The results showed that genotype,environment,and genotype × environment interaction had significant effect on all quality parameters tested. The effect of environment was greater than that of genotype in most traits related to protein quantity and quality;whereas,the genotypic effect was greater than environmental effect in starch quality traits including FN and RVA parameters. In the 10 cultivars tested,the ranges of quality parameters were GPC 11.7-14.0%,WGC 22.0-29.3%,SDS 21.4-35.1 mL,FN 147-363 s,dough stability time 1.7-12.1 min,and peak viscosity 1056-2670 cP. Chuanmai 104,a SHW cultivar with yield level of 9000 kg ha-1,showed the best quality with SDS of 30.3 mL,FN of 325 s,dough stability time of 9.8 min,and finalviscosity of 2796 cP. In contrast,Mianmai 367 showed the worst quality with SDS of 24.6 mL,FN of 147 s,dough stability time of 2.2 min,and final viscosity of 827 cP. Besides,germination index (GI) also varied significantly among cultivars. The mean GI of cultivars at physiological maturity stage was 0.31,ranging from 0.06 to 0.76. Chuanmai 104 had the lowest GI value. Our results suggest great potential for quality improvement of Southwest winter wheat,and Chuanmai 104 can be used as a promising parent in breeding programs.

Keywords:Synthetic wheat;Commercial cultivar;Quality potential

DOI:10.3724/SP.J.1006.2016.00803

*通讯作者(

Corresponding author)∶ 汤永禄,E-mail∶ ttyycc88@163.com,Tel∶ 028-84504601

收稿日期Received()∶ 2015-09-21;Accepted(接受日期)∶ 2016-03-14;Published online(网络出版日期)∶ 2016-03-28. URL∶ http∶//www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20160328.1116.010.html