面包加工品质基因在中国和巴基斯坦小麦品种中的分布与遗传分析

郑 琪，李 欣，任根深，王亚翠，王 勇，张爱民

(1.平凉市农业科学院，甘肃平凉 744000； 2.植物细胞与染色体工程国家重点实验室，中国科学院遗传与发育生物学研究所/种子创新研究院，北京 100101)

品质改良是当前小麦育种的重要目标，也是促进小麦供给侧结构性改革、提升产业竞争力的重要因素[1]。近年来，小麦面包加工品质的改良已成为各地小麦育种的重要目标之一[2]。一般情况下，只有通过烘烤制作并测定面包品质的各项指标方可评价一个品种是否为优质面包小麦品种。烘烤测试只能在育种后期有足够多的籽粒磨粉才能进行，并且受季节和环境等因素的影响，试验的重复性比较低[3]。截至目前，通过测定小麦品种籽粒储存蛋白质含量、高分子量谷蛋白亚基类型以及面粉沉降值、farinogram(粉质图)吸水率、mixogram(和面图)峰值等指标快速检测小麦面包加工品质的报道较多[4-11]，但针对小麦面包加工品质关键基因的研究报道较少。Furtado等[12]研究发现，wbm(wheat bread making)基因编码一个含有48个氨基酸(含4个半胱氨酸残基)的蛋白质，含有wbm基因的小麦品种具有很好的面包制作品质，并开发了wbm检测标记。该标记可以快速有效地检测小麦基因组中是否存在wbm基因。wbm基因高表达的基因型小麦品种均具有良好的面包品质，但不一定具有良好的面团品质[12]。Carlos等[13]研究证实，wbm基因的表达对面筋品质、面筋强度、面筋的延展性和面包品质均有显著的正向效应，但其效应小于Glu-D1、Glu-B1等基因的表达效应。由于wbm基因的片段较小(961 bp)，在小麦基因库中出现的几率低，前人将其与小麦品质联系起来进行研究的报道很少。本研究利用wbm标记检测国内外部分优质小麦品种，分析wbm基因的分布与遗传变异，以期发掘可供选育优质面包小麦品种的优良种质材料。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为196个国内外小麦品种(系)，其中，国内品种(系)104个，主要来自国内新育成或当前主栽的优质小麦品种(系)和部分中国微核心种质，冬性品种57个，春性品种47个；巴基斯坦优质面包小麦品种(系)92个，全部为春性品种(系)。具体品种(系)名称见表1和表2。

1.2 面包加工基因分子标记及引物

小麦面包加工基因标记的PCR引物对为NWPFor(5′-CCGTCACAAGATTTACAGGGT TG-3′)和NWPRev(5′-TTATGGATCTCTTT ATGTCTGTGT-3′)，该标记位于7L染色体上[12]。

1.3 DNA提取和PCR扩增

采用CTAB法提取小麦幼苗中基因组总DNA。PCR反应体系为20 μL，包括2×Taq Master Mix 10 μL、上下游引物(5 μmol·L-1)各1.5 μL、ddH2O 6 μL和模板DNA(100 ng·μL-1)1 μL。PCR扩增程序为：94 ℃预变性5 min； 94 ℃变性30 s，50 ℃退火30 s，72 ℃延伸2 min，36个循环；72 ℃延伸7 min。PCR产物用1.5%的琼脂糖凝胶电泳检测。

2 结果与分析

2.1 中国小麦品种中wbm基因的分布

利用引物NWPFor和NWPRev对来自新疆、甘肃、宁夏、四川以及黄淮流域的104个中国小麦品种(系)的基因组DNA进行PCR扩增，检测结果(图1、表1)表明，在57个冬小麦品种(系)中未检测到wbm基因，在47个春小麦品种(系)中，有2个品种含有wbm基因，即阿春2号和宁春40。104个中国小麦品种(系)携带wbm基因的比例仅为1.9%。说明该基因在中国小麦品种中出现的频率很低。

M：DNA ladder;1：Munal#1(阳性对照，含wbm基因)；2：KAChu#1(阴性对照)；3：阿春2号；4：川麦104；5：川麦42；6：创星8号；7：藁优5766；8：济麦24；9：陇春22；10：陇春36；11：绵麦367；12：绵麦37；13：宁春40号；14：宁春53号；15：农大3753；16：师栾02-1；17：西农979；18：新春28号；19：新春40号；20：新麦26；21：郑麦366；22：中优206；23：中麦255；24：周麦26。

表1 104个中国小麦品种(系)中wbm基因的分布

2.2 巴基斯坦小麦品种中wbm基因的分布

利用引物NWPFor和NWPRev对巴基斯坦92个小麦品种(系)的基因组DNA进行PCR扩增，检测结果(表2，图2)表明，有8个品种含有wbm基因(图2)，这8个品种为Anmol-91、BHAKKAR-2000、Imdad-2005、IQBAL-2000、MIRAJ-08、Moomal-2002、SINDHU16和WATAN。92个巴基斯坦小麦品种(系)全部为春性，携带wbm基因的比例为8.7%。说明该基因在巴基斯坦春性小麦品种中出现的频率相对较高。

表2 92份巴基斯坦春小麦品种(系)中wbm基因的分布

M:DNA ladder; 1:Munal#1(positive control with wbm gene); 2:KAChu#1(negative control); 3:Abadgar-93; 4:Anmol-91; 5:BHAKKAR-2000; 6:BHITTAI; 7:CHAKWAL-97; 8:FAISALABAD 85; 9:Hamal-2012; 10:Imdad-2005; 11:LASANI-08; 12:IQBAL-2000; 13:Mehran-89; 14:MEHRAN-89; 15:MH97; 16:MIRAJ-08; 17:Moomal-2002; 18:NAEEM 82; 19:PAK-81; 20:PASTOR; 21:SINDHU16; 22:SKD-1; 23:WATAN; 24:ZAMINDAR-80.

2.3 wbm基因遗传分析

Furtado等[12]认为，来自澳大利亚的WW-15和Condor小麦品种是wbm基因的最初供体，这两个品种是国际小麦玉米改良中心(Centro Internacional de Mejoramientode Maizy Trigo，CIMMYT)小麦育种普遍使用的亲本材料，并且CIMMYT利用它们已经选育出具有高表达wbm基因的优质面包小麦品种。Guzman等[13]研究表明，来自CIMMYT的Munal#1的亲本WAXWING和KIRITATI均含有wbm基因，且其亲本也是CIMMYT面包小麦种质资源中wbm基因的供体。本研究对含有wbm基因小麦品种的系谱、类型和来源调查(表3)发现，面包加工品质基因在春小麦品种中分布较广，巴基斯坦小麦品种中分布的频率高于中国。携带wbm基因的巴基斯坦和中国春小麦品种亲本中大多都含有CIMMYT的种质资源。由此可以推断，wbm基因的最初供体是来自澳大利亚的WW-15或Condor，这两个种质资源被引入CIMMYT后，又被传到巴基斯坦和中国的小麦品 种中。

表3 含有wbm基因品种的系谱、类型及来源

3 讨 论

从小麦及其近缘植物中发掘新的优质基因，通过分子标记辅助选择聚合优质基因的小麦品种是小麦品质改良的重要途径之一。wbm基因自2015年被报道以来，在一部分CIMMTY种质和澳大利亚小麦品种中也被发现[12-13]，但频率很低。本研究通过检测104个中国小麦及92个巴基斯坦春小麦品种中wbm基因的分布，发现在国内外小麦品种中，wbm基因出现的频率也很低 (5.3%)。其中，在中国小麦中的分布频率为1.9%；在巴基斯坦小麦中品种的分布频率为8.7%。Rasheed等[14]对来自世界范围内的4 000余个小麦品种(系)及种质资源进行分析，发现wbm基因的分布频率也很低，在150个美国小麦品种、94个四倍体材料和267个小麦中国微核心种质中均不含wbm基因，在1 840个中国小麦品种(系)中仅5个含有wbm基因[14]。本研究在45个中国微核心种质中也均未检测到wbm基因，与前人研究结果一致。极低的分布频率表明，wbm基因尚未经人工选择应用在现代小麦品种中，通过分子标记辅助选择，或者利用转基因技术，可将优质wbm基因导入适宜的小麦品种(系)中，并开发优质小麦新材料，培育优质小麦新品种。

决定小麦加工品质的遗传基础比较复杂，人们长期将小麦品质与其所含高分子量谷蛋白亚基的数量和种类相关联。近年来研究表明，wbm基因编码一个富含硫的小分子量蛋白，在面包品质好的小麦品种中表达量较高，可能在谷蛋白和醇溶蛋白形成交联时发挥作用[12,15]。Guzman等[13]研究表明，wbm基因显著影响面筋品质、面筋强度、面筋的延展性和面包品质。Rasheed等[14]研究发现，与不含wbm基因的小麦品种绵麦37相比，含有wbm基因的小麦品种绵麦1419的面团延展性和面包体积均有明显改善[14]。郑 琪等[16]研究发现，含有wbm基因的小麦中，对面包加工品质有正向作用的高分子量谷蛋白优质亚基2*、17+18、7+8、5+10等分布的频率也较高，同时在优质面包小麦藁优8901和藁优2018中并不含wbm基因。因此，为了选育具有优良面包加工品质的小麦品种，在选择具有优良的高分子量和低分子量麦谷蛋白基因组合的同时，还应考虑wbm基因，不仅可以改善面包品质，而且丰富了遗传基因多样性。

本研究结果表明，携带wbm基因的小麦主要为春性品种，包括2个中国小麦品种(阿春2号、宁春40)和8个巴基斯坦小麦品种，均是新发现的携带wbm基因的材料。实际上冬性品种也有携带wbm基因的材料。Rasheed等[14]对 2 000余个中国小麦品种(系)进行分析，结果发现，有7个中国材料(川麦38、川麦82、14046、1190722、周11595-5-1-2、晋麦67和新冬21号)携带有wbm基因。其中，川麦38和川麦82是春性品种，其系谱来自CIMMYT和人工合成种的材料；新冬21号和晋麦67是冬性小麦品种，从系谱分析来看, 其亲本和CIMMYT种质关系不大，推测wbm基因来源可能是多样化的。