离子束介导小麦变异材料贮藏蛋白及农艺品质性状分析

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(郑州大学河南省离子束生物工程重点实验室， 河南 郑州 450000)

离子束介导小麦变异材料贮藏蛋白及农艺品质性状分析

韩利涛，谷运红，焦浈

(郑州大学河南省离子束生物工程重点实验室， 河南 郑州 450000)

离子束诱导技术是一项非常有效的致使植物突变的技术，为提高小麦的品质性状，采用离子束介导外源全基因组的方法，转化选育出一批有价值的小麦变异材料。本研究对这批小麦变异材料的农艺性状、品质性状、各贮藏蛋白组分进行分析。发现变异材料的株高、千粒重、叶面积、湿面筋、SDS沉淀值、蛋白含量与对照相比均有明显的变化，并达到显著差异水平，但有一些变异材料存在抗病性不好或蛋白含量高但是品质不好的问题，需进一步的改进。变异材料的各蛋白组分含量与对照相比均有明显的差异且蛋白含量、湿面筋含量都有明显增加的趋势。研究结果表明，离子束介导技术产生丰富的变异，而且变异情况与基因受体密切相关，需要对这批变异材料进行进一步的特定培育，从而选育出种质资源良好、蛋白含量高且质量好的品种。

离子束介导； 农艺品质性状； 贮藏蛋白

小麦是三大谷物之一,主要的粮食作物[1-2]，在世界各地广泛种植。小麦生产与经济发展、社会稳定和国家安全息息相关[3]。我国的小麦产量虽然逐年上升，但是品质质量不容乐观，其品质特性还有待进一步优化[2]。离子束诱变技术是由中科院等离子体所余增亮[4-6]研究员发现的，是一种非常有效的致使植物突变的手段[7]，拥有较高的突变率和更宽的突变谱[8]，是选育作物新品种的重要途径[9-11]。采用离子束介导的方法将N+注入受体温六(温麦六号)的种子，然后将受体种子浸泡在供体燕麦六倍体小黑麦的全基因组DNA中,经过多年选育，获得一批非常有价值的变异材料。本试验以其中的一批特殊的变异材料为研究对象，对其农艺性状及品质性状进行调查分析，并对对照、亲本、变异材料的蛋白含量进行比对分析，以此来探讨离子束介导转化对变异材料的农艺品质性状和蛋白影响问题，从而筛选出特定的抗自然灾害性好、蛋白含量高的株系，也证明离子束介导转化技术可以应用在植物遗传育种上，为遗传工作者提供新的思路。

图1 离子束介导小麦变异材料收获种子对比(从左至右依次为E 101～E 109)

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用材料为2004年用离子束介导的方法将N+注入受体温麦六号(3×1017N+/cm2)，然后将受体种子浸泡在供体燕麦(150μg/mL)、六倍体小黑麦(200μg/mL)的全基因组DNA中，浸泡24 h后将试验种子播种在试验田中。按照常规育种方法，经过多年的选育获得一批变异材料，为研究方便，选取其中一批材料，如表1，图1。

1.2 试验方法

1.2.1 变异材料农艺性状调查

2014—2015年种植于郑州大学新乡小麦试验田。播种规格为E 102与E 103两个亲本各种4行，其余材料各种8行，行长2.0 m，行距25.0 cm，株距3.0 cm。调查叶绿素(2015年4月21日，每个材料测5株，每株测3次)、叶面积(2015年4月25日，每个材料测5株，每株测3次)、株高、穗型、穗长、穗数、千粒重等指标，其中叶绿素含量指标采用SPAD值计算，采用的仪器为日本产SPAD-502 pIus型便携式叶绿素仪，SPAD值可以预测籽粒成熟期蛋白质含量[9]。

1.2.2 变异材料品质性状调查

蛋白含量(干基)、水分、容重、吸水率利用FOSS 公司的NIRS 5000 近红外品质分析仪和WINISI软件进行光谱的采集和测定。SDS沉淀值和湿面筋含量及湿面筋指数在周口市农科院测量。

1.2.3 变异材料贮藏蛋白含量测定

变异材料贮藏蛋白的提取分离参照Herbert Wieser[13]，Verbruggen I M[14]杨学举[15]等的方法并有所改进，采用考马斯亮蓝G-250法按照清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、麦谷蛋白的顺序[16]测定各蛋白组分的含量，并对数据进行差异显著性分析。

表1 离子束介导小麦变异材料

编号组合E101(受体)温六E102(供体)燕麦E103(供体)六倍体小黑麦E104温六/燕麦E105温六/燕麦E106温六/燕麦E107温六/六倍体小黑麦E108温六/燕麦E109温六/燕麦

取0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0 mL标准牛血清溶液分别加入试管中，各加重蒸水1 mL和考马斯亮蓝G-250试剂5 mL，盖上塞子摇匀，放置3 min，于595 nm波长下测量吸光度，并绘制标准曲线(图2)。

图3 对照与部分变异材料穗型对比(从左至右依次为E 101～E 109)

表2 离子束介导小麦变异材料的农艺性状差异性分析(Mean±SD)

编号株高(cm)穗长(cm)芒长(cm)千粒重(g)叶绿素含量(%)E10170．33±1．128．87±0．476．67±0．8148．13±0．1355．30±1．04E102159．00±3．1312．10±0．264．83±1．1427．71±0．0344．80±0．98E103111．33±1．1513．47±0．909．43±0．4732．13±0．1763．37±0．47E10499．33±2．89∗∗11．63±0．87∗5．10±0．2654．25±2．84∗∗53．60±2．36E10550．33±1．15∗∗9．53±0．255．00±0．3544．02±1．7166．40±0．50∗∗E10688．00±1．52∗∗11．40±0．46∗4．47±0．5544．57±0．81∗56．50±0．75E10765．33±1．009．40±0．877．33±0．3152．66±0．11∗∗57．10±0．66∗E10868．67±1．7313．43±1．08∗∗6．57±1．2347．7±2．6562．60±1．66∗∗E10961．00±2．31∗7．33±0．964．83±0．38∗∗50．25±0．96∗56．53±2．00

注：“*”和“**”分别表示0.05和0.01显著水平。下同。

图2 考马斯亮蓝G-250法测定贮藏蛋白含量标准曲线

2 结果与分析

2.1 变异材料主要农艺性状分析

对种植于郑州大学新乡小麦试验田的变异材料进行农艺及品质性状测量分析，发现部分变异材料的叶面积与穗型与对照相比发生了明显变化(图3、图4)。随机选取变异材料株系5株，测量叶绿素、叶面积、株高、穗长等性状，每株测3次，记录数据(表2)。

用SPSS软件对变异材料的株高、穗长、千粒重等指标进行比对分析，发现这一批变异材料与对照相比发生了显著的变化。E 105和E 108的SPAD值与对照相比极显著增加。在株高方面，变异材料E 104、E 106与对照相比极显著增加，其中E 104高达99.33 cm，而E 105极显著降低，只有50.33 cm， E 109与对照相比显著降低；在穗长方面，材料E 104、E 106、E 108与对照相比均有一个极显著增加的水平，分别增长了31.12%、28.52%和51.41%，有一个增加的趋势；材料E 104、E 105、E 106和E 109在芒长方面与对照相比极显著降低；材料E 109在千粒重方面与对照相比显著增加，材料E 104和E 107极显著增加，分别达到54.25 g和52.66 g。

由表3可知，对照组E 101的穗数均值为12.50，材料E 109有一个最大的穗数值，高达22.00，最小值为18，比对照组的最大值大。所以变异材料E 109在穗数方面较对照组有一定的优势，可用于下一步的遗传改进。

表3 离子束介导小麦变异材料的穗数分析

编号最大值最小值极值均值标准差变异系数(%)E101158712．502．4317．74E1022418621．332．4210．36E1032317619．832．5611．79E1042011915．333．1418．70E1052112915．143．4419．47E10620101014．432．4819．20E107149510．860．8213．42E108159610．571．3320．13E1092518722．002．5310．50

图4 对照与部分变异材料叶面积对比(从左至右依次为E 101、E 103、E 109)

2.2 变异材料主要品质性状分析

变异材料的主要品质性状见表4。由表4可知，材料的干基蛋白质含量最小值和最大值分别为13.8%和19.0%，变异材料E 109的蛋白质含量达到最大，与对照相比极显著增加，除材料E 106外，其余变异材料与对照相比均有明显的增加。

在吸水率方面，所有变异材料与对照相比均有增加。在湿面筋方面，所有的变异材料均高于对照，其中材料E 109高达40.4%，明显高于对照，达到极显著水平。说明变异材料在蛋白含量、湿面筋含量、吸水率方面均有明显的增加趋势。

以新麦26和郑麦366为参考，测得所有样品的SDS沉淀值(表5)。表5中d值为10 min和5 min读数的差值，其中d值越小，说明该样品蛋白质量、结构越好，稳定时间越长。当dlt;0.5时，蛋白质量最好，d值在0.5～0.8之间的次之，dgt;0.8的为最差。由此可知，变异材料E 104、E 105和E 106的蛋白质量最好，材料E 109的蛋白质量较差。

表4 离子束介导小麦变异材料主要品质性状

样品编号蛋白含量(%)吸水率(%)湿面筋(%)E10113．854．226．4E10214．761．229．7E10315．061．333．0E10414．961．731．7E10514．862．6∗∗31．2E10613．660．027．9E10715．659．332．0∗E10814．858．230．1E10919．0∗∗59．040．4∗∗

表5 离子束介导小麦变异材料SDS沉淀值

样品编号 5min10min差值d E10197．91．1 E10296．22．8 E1035．85．30．5 E1046．86．20．6 E10576．50．5 E1066．76．20．5 E1078．98．10．8 E1086．35．50．8 E1097．56．41．1 郑麦366(ck)8．47．11．3 新麦26(ck)7．47．10．3

2.3 变异材料贮藏蛋白分析

变异材料贮藏蛋白含量见表6。由表6可知，变异材料E 106和E 107的清蛋白与对照相比明显增多(图5 a)，达到极显著水平，E 108和E 109显著增加；在球蛋白和醇溶蛋白方面，变异材料的蛋白含量均比对照多(图5 b，c)，所以其面筋的延展性比对照好；在麦谷蛋白方面，受体E 103蛋白含量最低(图4 d)，为23.23μg，变异材料E 105、E 106、E 107和E 109的蛋白含量与对照相比极显著增加，其中，E 105的蛋白含量最高(图5 d)，达到3.274 1μg/mL。小麦籽粒麦谷蛋白组分越高，小麦的面筋弹性越好，所以变异材料E 105的面筋弹性最好。

表6 离子束介导小麦变异材料贮藏蛋白含量(μg)

样品编号清蛋白球蛋白醇溶蛋白麦谷蛋白E101195．28127．86186．11230．87E102298．83161．30131．64138．11E103220．09218．47219．55023．23E104194．74238．96∗∗212．54288．58E105279．41∗234．65∗∗284．80∗∗327．41∗∗E106327．41∗∗213．07∗∗207．68310．15∗∗E107322．02∗∗202．29∗∗235．19∗307．46∗∗E108275．10∗234．65∗∗206．60268．62E109268．09∗229．25∗∗208．22309．61∗∗

3 总 结

图5 离子束介导小麦变异材料贮藏蛋白含量分析

通过对离子束介导小麦变异材料的农艺性状和品质性状的调查分析，发现变异材料的农艺性状和品质性状与对照相比存在非常明显的差异变化。在变异材料中E 109株系最高，株高达99.33 cm，E 105最低，仅为50.33 cm。材料E 104、E 106、E 108在穗长方面与对照相比均有一个极显著增加的水平，分别增长了31.12%、28.52%和51.41%。在芒长方面，材料E 104、E 105、E 106和E 109与对照相比极显著降低，其中材料E 109最短，仅为4.83 cm。材料E 109在千粒重方面与对照相比显著增加，材料E 104和E 107极显著增加。

在品质性状方面，变异材料与对照相比也具有明显的区别，其中材料E 109的蛋白质含量最大，达到19.0%，与对照相比极显著增加，所有变异材料的湿面筋含量均高于对照。由表5可以看出，变异材料E 104、E 105和E 106的蛋白质量最好，材料E 109的蛋白质量较差。

通过变异材料农艺性状和品质性状及蛋白分析，发现离子束介导小麦之后的变异材料均发生显著的变化，在培育的过程中发现变异材料E 109的穗偏短，抗病性和抗虫性很弱，但是其穗数多且蛋白含量高;E 108的穗较其它材料来说要大很多， 且E 105的抗锈病能力弱，但是其蛋白品质好。下一步需要对这批变异材料作进一步的特定培育，从而选育出种质资源良好、蛋白含量高且质量好的品种。

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Analysis of Storage Protein and Agronomic Traits of Mutanted Wheat by Ion-beam

HANLitao，GUYunhong，JIAOZhen

(Henan Key Laboratory of Ion Beam Bioengineering,Zhengzhou University，Zhengzhou Hen’an 45000，China)

The technology of ion-beam mediation is a very effective method resulting in plant mutation.In order to improve the quality characters of wheat, we adopt the method of ion beam mediated exogenous total DNA,transformed and bred a number of valuable wheat variation materials.Then we analyzed the agronomic traits,quality traits and storage protein of variants,found obvious changes on height,thousand grain weight,leaf area,wet gluten content,SDS sedimentation value and protein content compared the control,and these changes had reached significant difference level.However,there are still some problems on the material whose disease resistance were not well or protein content was high but had not better quality.So these materials need further improvement.The content of storage protein of the variant materials had obvious difference with the control,and the content of protein and wet gluten had obvious increase.These results show that the ion beam mediated process help to produce rich variation,and the variation has a close relation to the receptor gene.we need to cultivate this batch of variation materials,and then breed some variety with good germplasm resources,high protein content and better quality.

ion-beam; agronomic and quality traits; storage protein

2016-07-17

国家自然科学基金(编号：11375154)；国家自然科学基金(编号：11405147)；2014年度河南省高等学校青年骨干教师资助计划(编号：2014 GGJS-009)；河南省基础与前沿技术研究计划项目(编号：142300413204)。

韩利涛 (1990—)，男，河南中牟人；硕士研究生，主要从事作物遗传育种及生物物理学研究；E-mail：hanlitao@gs.zzu.edu.cn。

谷运红(1976—)，女，河南新密人；教授，主要从事作物遗传育种及生物物理学研究；E-mail：guyunhong@zzu.edu.cn。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.12.012

S 512.1

A

1001-4705(2016)12-0012-06