九份紫色蓝色小麦的麦谷蛋白、醇溶蛋白和农艺性状分析

程雪妮,李依明,雷忠萍,武 军,杨群慧,陈新宏,赵继新

(1.西北农林科技大学 生命科学学院,陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学 农学院,陕西 杨凌 712100)



九份紫色蓝色小麦的麦谷蛋白、醇溶蛋白和农艺性状分析

程雪妮1,李依明2,雷忠萍1,武 军2,杨群慧2,陈新宏2,赵继新2

(1.西北农林科技大学 生命科学学院,陕西 杨凌 712100;2.西北农林科技大学 农学院,陕西 杨凌 712100)

为了解紫色蓝色籽粒小麦的遗传背景及利用价值,采用聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)技术,对9份紫色蓝色小麦品种(系)的麦谷蛋白和醇溶蛋白进行了分析。麦谷蛋白的SDS-PAGE电泳结果显示,9份材料的HMW-GS出现了8种亚基和6种亚基组合类型;Glu-A1位点的主要亚基为1亚基(66.7%),Glu-B1位点主要为7+8亚基(55.6%),优质14+15亚基频率为22.2%,Glu-D1位点,优质亚基5+10的频率为55.6%。主要亚基组合为1/7+8/5+10和Null/7+8/5+10。9份材料的LMW-GS共分离出17条带,其中有7条为共有条带,比例达到41.2%。醇溶蛋白的A-PAGE电泳结果显示,9份材料共分离出20条带,其中共有条带7条(35.0%);9份材料的LMW-GS和醇溶蛋白遗传多样性较低。聚类分析结果显示,9份材料的遗传距离为0.07～0.37,在遗传距离为0.22水平时,9份材料可分为4类,其中HR-1和NH-1,在0.07的水平上聚为一类。综合农艺性状特征、麦谷蛋白和醇溶蛋白分析,紫色籽粒材料漯珍1号、HR-1和NH-1,具有1和5+10优质亚基,可作为优良亲本在遗传和育种中加以研究利用。

小麦;紫色籽粒;蓝色籽粒;麦谷蛋白;醇溶蛋白;农艺性状

小麦的籽粒颜色主要是白粒和红粒。近年来,籽粒具有紫色和蓝色等特殊颜色的小麦,作为特殊的种质资源,由于其普遍具有较高的营养价值和保健功能而备受广泛关注[1]。目前育种者已选育出漯珍1号、黑小麦76、河东乌麦526、高原115、山农066559、宁0726等20余个紫色或黑色籽粒的小麦新品种,并对部分材料进行了籽粒颜色的遗传分析、色素含量和营养学品质评价研究[1]。对籽粒颜色的遗传分析认为,漯珍 1号的黑粒性状受1对或2对基因控制[2],黑小麦76 的黑粒性状受2对互补基因控制,且黑粒性状是种皮和果皮性状,为不完全显性[3];河东乌麦526的色素分布在糊粉层中,黑粒性状是胚乳性状,受2对互补基因控制[2];山农066559的紫色籽粒由2对独立的显性互补基因控制[4];蓝粒小麦D87065、D87089和92-1的籽粒色素基因由2对互补基因控制,7083L-16由1对基因控制[5]。色素含量和营养学品质评价研究表明,蓝色、紫色和黑色小麦籽粒的色素含量显著或极显著地高于普通白粒小麦,且与可溶性蛋白、粗蛋白、总氨基酸、Vc和类胡萝卜素含量等营养指标呈正相关[6]。漯珍1号在蛋白质、脂类、灰分和矿物质元素镁、硒、碘等含量上显著优于对照白粒小麦[7];河东乌麦526的蛋白质含量和18种氨基酸平均含量分别比白粒小麦高19.3%和32.9%,矿质元素硒和碘的含量比白粒小麦高112.8%和78.3%[8];黑小麦76的蛋白质含量高达20.5%,人体必需氨基酸、总氨基酸、钙和硒含量均显著高于对照晋春9号[9]。由于黑、紫、蓝色小麦蛋白质、氨基酸及铁、硒等矿物质元素含量普遍较高,因此被认为对防治高血压、冠心病,降低血糖、胆固醇具有很好的疗效[6,8-9],而被作为很好的功能保健食品,受到越来越多的研究和重视。

小麦籽粒中的贮藏蛋白主要由麦谷蛋白和醇溶蛋白组成。依据电泳迁移率和分子量大小,麦谷蛋白分为高分子量谷蛋白亚基(High molecular weight glutenin subunit,HMW-GS)和低分子量谷蛋白亚基(Low molecular weight glutenin subunit,LMW-GS),其中HMW-GS基因被定位于第一部分同源群染色体的长臂端部的Glu-1位点,主要影响面团的强度和弹性[10]。LMW-GS中的B型和D型亚基被定位于第一部分同源群染色体短臂端部的Glu-3和Glu-2位点;大多数C型亚基被定位在第一部分同源群染色体短臂端部的Gli-1位点或第六部分同源群染色体短臂端部的Gli-2位点,紧密连锁于醇溶蛋白基因位点[11]。醇溶蛋白(Gliadin)中的所有ω-gliadin、多数γ-gliadin和少数β-gliadin基因由小麦第一部分同源群染色体短臂端部的Gli-1位点编码,所有α-gliadin、多数β-gliadin和少数γ-gliadin基因由小麦第六部分同源群染色体短臂端部的Gli-2位点编码,LMW-GS和醇溶蛋白主要影响小麦面团的延展性[12]。麦谷蛋白和醇溶蛋白作为理想的遗传和生化标记,已广泛应用于小麦种质资源筛选、遗传多样性分析及品质遗传改良等研究中[13]。

目前,前人对黑色、蓝色籽粒小麦的麦谷蛋白和醇溶蛋白的研究较少,仅对黑粒小麦漯珍1号、冬黑1号和冬黑10号的麦谷蛋白和醇溶蛋白的组成进行了分析。本试验对9份紫色和蓝色籽粒的小麦材料进行了高分子量麦谷蛋白(HMW-GS)和醇溶蛋白及农艺性状分析,以期为组合选配及品种选育提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试材料为5份紫色籽粒小麦品种(系):HR-1、HR-2、NH-1、H505和漯珍1号;4份蓝色籽粒小麦品种(系):HB-1、HB-2、MJ9912和蓝58;3份白粒小麦品种(中国春、小偃6号、小偃22)为对照。

1.2 试验方法

1.2.1 高、低分子量麦谷蛋白(HMW-GS、LMW-GS)的提取及电泳 HMW-GS和LMW-GS的提取及其SDS-PAGE电泳分析参照文献[14-15]的方法并略作调整。分离胶浓度12% (pH值8.8,C=1.3%),浓缩胶浓度4.8% (pH值6.8,C=2.6%),上样量10 μL,恒流15 mA,15 ℃电泳12 h,考马斯亮蓝R-250染色12 h,蒸馏水脱色至背景清晰,数码相机照相。依据文献[15-16]的方法进行HMW-GS和LMW-GS的命名和判定。

1.2.2 醇溶蛋白的提取及电泳 醇溶蛋白的提取和电泳参照文献[16-17]的方法并略作调整。在研钵中将种子研磨成粉后称量30 mg,按1∶10的比例加入样品提取液,振荡浸提30 min后过夜,次日10 000 r/min离心10 min,取上清液用于电泳。A-PAGE电泳中,凝胶浓度8%,交联度3.3%,上样量10 μL,恒压400 V,电泳5 h。考马斯亮蓝R-250染色,蒸馏水脱色,数码相机照相。

1.2.3 农艺性状的调查 供试材料于2014年10月10日种植在西北农林科技大学杨凌小麦试验基地,每个材料种植2行,行距25 cm,株距10 cm,随机排列,2次重复。按照作物育种学农艺性状调查标准对供试材料的株高、穗长、小穗数、穗形、抽穗期等性状进行调查。株高为随机调查5个单株的平均值,穗长和小穗数性状为随机调查10个穗子的平均值。

1.2.4 数据处理 HMW-GS的判定以中国春(Null/7+8/2+12)、小偃6号(1/14+15/2+12)、小偃22(1/7+9/2+12)为对照。LMW-GS和醇溶蛋白按电泳条带存在时赋值为1,不存在赋值为0的原则,将所有材料的电泳条带转换为(0,1)矩阵后,按照Nei[18]提出的遗传变异系数方法计算LMW-GS和醇溶蛋白各个位点的遗传距离(H),利用软件NT-SYS2.1对遗传距离(H)以不加权成对群算术平均数(UPGMA)法进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 高、低分子量麦谷蛋白(HMW-GS、LMW-GS)的SDS-PAGE电泳结果

对9份紫色蓝色籽粒小麦的麦谷蛋白采用 SDS-PAGE技术进行了电泳,结果见表1和图1。可以看出,在高分子量麦谷蛋白亚基(HMW-GS)区,供试材料的Glu-A1位点,1和Null亚基都有出现,其中含有1亚基的材料有6份,频率达到了66.7%;G1u-B1位点,共出现了4种亚基,其中7+8为主要亚基,有5份材料出现,其频率为55.6%,其次是14+15亚基,有2份材料出现,其频率为 22.2%;此外,还出现了6+8和6+9这种稀有亚基;在Glu-D1位点,只出现了2+12和5+10这2种亚基,其中有4份材料出现2+12亚基,5份材料出现5+10优质亚基,频率也较高,达到55.6%。9份特殊粒色小麦中,共出现了8种亚基和6种亚基组合类型,其中材料HR-1、漯珍1号和NH-1共3份材料都含有1/7+8/5+10这种亚基组合,材料HR-2和蓝58共2份材料含有Null/7+8/5+10亚基组合。

在低分子量麦谷蛋白亚基(LMW-GS)区,供试材料共分离出17条LMW-GS条带,其中有7个条带在每个材料均有出现,为共有条带,比例达到41.2%,其余10个条带在9份材料各有出现,为多态性条带,多态性比例为58.8%;B亚基区条带数6条,而C亚基区条带数7条。9份紫色蓝色材料分别出现9～15条带,平均有12.8条带;紫色籽粒小麦HR-1和NH-1出现条带最少,都只有9条带,而材料HR-2和MJ9912出现条带最多,均达到15条带。

试验结果表明,虽然上述9份材料在高、低分子量麦谷蛋白亚基组成上表现出一定的差异,但总体而言,差异都不大,说明,这几份材料在麦谷蛋白基因位点上遗传基础相对比较狭窄。

表1 供试材料的高分子量麦谷蛋白亚基(HMW-GS)组成

图1 供试材料的麦谷蛋白SDS-PAGE电泳

2.2 供试材料的醇溶蛋白A-PAGE电泳结果

对供试材料的醇溶蛋白采用酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳(A-PAGE)技术进行了电泳,结果见图2。由图2可见,9份紫色蓝色材料共分离出20条醇溶蛋白条带,其中有7条带在每个材料均有出现,为共有条带,比例达到35.0%,其余13个条带在9份材料各有出现,为多态性条带,多态性比例为65.0%;这些条带中,α区共有4条带,β区共有4条带,γ区共有5条带,ω区共有7条带。9份材料分别分离出9～14条醇溶蛋白条带,平均11.2条;其中蓝色籽粒HB-1与紫色籽粒HR-1出现条带最多,为14条带,而紫色材料漯珍1号和蓝色材料HB-2条带最少,都只有9条带。

图2 供试材料的醇溶蛋白A-PAGE 电泳(材料编号同表1)

2.3 聚类分析

依据图1,2的电泳图谱,按条带存在时赋值为1,无条带则赋值为0的原则,对供试的9份紫色蓝色籽粒小麦的LMW-GS和醇溶蛋白电泳条带进行统计;利用NTSYS2.1软件对9份小麦在LMW-GS和醇溶蛋白基因位点的遗传距离进行了聚类分析,结果见图3。由图3可见,9份紫色蓝色籽粒小麦的遗传距离为0.07～0.37,当遗传距离为 0.37的水平上时,9份材料全部可以聚在一起;9份材料在遗传距离为 0.22时可分为4类,其中HR-1和NH-1遗传距离最近,在0.07的水平上首先聚在一起,为第Ⅰ类;H505单独为第Ⅱ类;第Ⅲ类中有2个材料,分别是蓝58和漯珍1号,其遗传距离只有0.15;第Ⅳ类中有4份材料,其中HB-1和HB-2首先聚在一起,遗传距离只有0.12,然后HR-2、MJ9912又和它们聚在了一起。结果表明,这9份材料在LMW-GS和醇溶蛋白基因位点上差异不大,多样性较低,遗传基础相对比较狭窄。

图3 九份紫色蓝色籽粒小麦LMW-GS

2.4 农艺性状调查结果

对9份材料的株高、穗长、穗形、小穗数等农艺性状进行了调查,结果见表2。由表2可见,9份紫色蓝色籽粒材料的株高为70～107 cm,穗长为7.1～9.8 cm,小穗数为15.4～19.6,抽穗期为4月10-21日。紫色籽粒材料漯珍1号、HR-1和NH-1表现株高矮、抽穗期较早、小穗数较多、穗长较长等特点。蓝色籽粒材料中,MJ9912表现较矮,但抽穗期偏晚,另外3份材料均具有株高偏高、穗长偏小、小穗数偏少等缺点。

表2 九份紫色蓝色籽粒小麦的农艺性状

3 讨论

刘春雷等[19]分析了722份河南省小麦新品系高分子量谷蛋白亚基组成,结果在722份材料中检测到12种等位基因变异和20种亚基组合,Glu-1位点主要亚基为1 (60.94%)、7+9 (65.93%)和2+12 (57.34%);主要亚基组合为1/7+9/2+12 (21.88%)和Null/7+9/2+12 (20.22%),认为河南省小麦新品系的HMW-GS等位基因变异和亚基组合具有丰富的多样性。张瑞奇等[20]在253份黄淮麦区大面积推广品种中检测出了11种亚基和16种亚基组合,优质亚基2*、14+15、5+10出现频率仅分别为 0.4%，11.3%，15.1%。此外,裴自友等[7,21]对漯珍1号的HMW-GS组成鉴定为1/7+8/5+10,冬黑1号的HMW-GS组成鉴定为1/7+8/2+12;郭明慧等[22]对黑粒小麦冬黑10号的HMW-GS组成确定为Null/7+9/5+10。本试验对9份紫色蓝色小麦材料的HMW-GS组成鉴定表明,9份材料共出现了8种亚基和6种亚基组合类型;在Glu-A1位点,1亚基是主要亚基,频率达66.7%;Glu-B1位点,主要亚基7+8的频率达55.6%,亚基14+15的频率达22.2%;Glu-D1位点,有5份材料含有5+10优质亚基,频率达到55.6%;优质亚基1、14+15、5+10的出现频率均较高;主要亚基组合类型为1/7+8/5+10 和Null/7+8/5+10。说明在紫色蓝色籽粒材料中,HMW-GS位点上普遍具有较好的基因组成。

陈蕴文等[23]在黄淮麦区南片356份小麦品种(系)中共检测到15种LMW-GS的Glu-3位点等位变异,等位变异组合Glu-A3c/Glu-B3j/Glu-D3a分布频率最高(10.7%),认为黄淮麦区南片小麦品种(系)的Glu-3位点具有较高的遗传多样性。高华利等[24]在41份河南省主推小麦品种中共分离出31条不同迁移率的醇溶蛋白谱带,绝大多数品种存在着较大差异,遗传相似系数(GS值)为0.32～0.97,在0.68的水平上可聚为6类。范贵强等[25]在138份河西地区春小麦种质资源中共检测到39条醇溶蛋白谱带,其中33条为多态性条带,多态性条带占84.6%,种质间的相似性系数(GS)为0.222～0.979,认为河西地区春小麦种质资源的遗传关系复杂。本试验对9份蓝色紫色小麦品种的LMW-GS和醇溶蛋白谱带分析显示,9份材料LMW-GS和醇溶蛋白分别分离出17，20条带,均有7条是共有条带,分别占41.2%和35.0%,9份材料的遗传距离为0.07～0.37,说明其LMW-GS和醇溶蛋白遗传多样性较低,变异不够丰富。其原因或许是由于这些材料大多可能来源于共同或相似的原始亲本。在聚类分析中,具有相同粒色的材料并没有完全聚在一类,如蓝色籽粒材料蓝58和紫色籽粒材料漯珍1号聚在了一类,紫色籽粒材料HR-2与其他3个蓝色籽粒材料MJ9912、HB-1、HB-2聚在了一类,其可能原因是粒色与LMW-GS和醇溶蛋白基因不具有相关性或不连锁。

从农艺性状调查数据看,紫色籽粒材料NH-1和HR-1都表现为株高较矮、抽穗期较早、小穗数较多、穗子较长等特点,而且在HMW-GS组成上也相同,都为1/7+8/5+10。LMW-GS和醇溶蛋白的聚类分析结果也显示,两者的遗传距离仅为0.07,说明这2份材料可能是姊妹系或具有共同的亲本来源。综合麦谷蛋白、醇溶蛋白电泳和农艺性状分析,紫色籽粒材料漯珍1号、HR-1和NH-1农艺性状较好,且具有1和5+10优质亚基,可作为优良亲本在遗传和育种中加以利用。

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The Analysis of Glutenin,Gliadin and Agronomic Traits for Nine Purple and Blue Grain Wheat

CHENG Xueni1,LI Yiming2,LEI Zhongping1,WU Jun2,YANG Qunhui2,CHEN Xinhong2,ZHAO Jixin2

(1.College of Life Sciences,Northwest A&F University,Yangling 712100,China;2.College of Agronomy,Northwest A&F University,Yangling 712100,China)

In order to understand the background and utility value for purple or blue grain wheat,the glutenin and gliadin of 9 purple or blue grain wheat are analyzed by the method of polyacrylamide gel electrophoresis (PAGE).The high molecular weight glutenin subunits (HMW-GS) results from sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) showed that there were 8 types of subunits and 6 types of subunit combination in 9 materials.Subunit 1 (66.7%),7+8 (55.6%) and 5+10 (55.6%) were the majority subunit inGlu-A1,Glu-B1 andGlu-D1 loci,respectively.Subunit combination 1/7+8/5+10 and Null/7+8/5+10 were the mainly type in materials.In low molecular weight glutenin subunits (LMW-GS),there are 7 (41.2%) bands showing in all materials which isolating totally 17 bands.The gliadin results from acid polyacrylamide gel electrophoresis (A-PAGE) showed that there are 7 (35.0%) bands showing in all materials which isolating totally 20 bands.The clustering analysis based on the bands from LMW-GS and gliadin indicated that the genetic distance of the materials is from 0.07 to 0.37.These 9 materials can be divided into four categories at the level of 0.22.Materials HR-1 and NH-1 can be gathered at the value of 0.07.Purple grain wheat Luozhen 1,HR-1 and NH-1 can be used in breeding and genetics programs for variety improvement because of its good agronomic traits and quality subunits 1 and 5+10.

Wheat;Purple grain;Blue grain;Glutenin;Gliadin;Agronomic trait

2016-08-20

陕西省自然科学基金项目(2015JM3095);西北农林科技大学唐仲英育种基金项目

程雪妮(1975-),女,陕西户县人,实验师,硕士,主要从事植物生化与分子生物学研究。

赵继新(1971-),男,陕西汉中人,副研究员,博士,主要从事小麦遗传与育种研究。

S512.03;Q78

A

1000-7091(2016)05-0108-06

10.7668/hbnxb.2016.05.016