wx基因缺失遗传效应在强筋小麦育种中的利用

杨雪峰，宋维富，赵丽娟，刘东军，宋庆杰， 张春利，辛文利，肖志敏，张宝辉，王晓楠

(1.黑龙江省农业科学院作物资源研究所，黑龙江哈尔滨 150086；2.新疆生产建设兵团第十师农业科学研究所， 新疆北屯 836000；3.内蒙古自治区呼伦贝尔市陈巴尔虎旗特尼河农牧场，内蒙古呼伦贝尔 021500； 4.黑龙江省农业科学院农业遥感与信息研究所，黑龙江哈尔滨 150086)

颗粒结合淀粉合成酶(granule bound starch synthase，GBSS)是小麦直链淀粉合成的关键酶，由Waxy蛋白基因编码，其等位基因被命名为wx基因(wx-A1、wx-B1、wx-D1)。它们的缺失、突变等可导致小麦胚乳中直链淀粉含量减少和支链淀粉含量增加，进而影响小麦淀粉特性[1]。大量研究表明，低直链淀粉含量是优质面条小麦的特性[2-3]。本文拟对wx基因缺失的遗传效应在小麦品质改良中的利用价值进行探讨，为面包、面条兼用型强筋小麦育种提供理论依据。

1 小麦wx基因缺失类型及其遗传学效应

1.1 小麦wx基因缺失类型及淀粉遗传特性

普通小麦基因组中存在wx-A1、wx-B1和wx-D1三个wx基因，分别编码Wx-A1、Wx-B1和Wx-D1三个Wx蛋白。小麦wx-A1位于7A染色体上，长度是2 781 bp；wx-B1位于4A染色体上，长度是2 794 bp；wx-D1位于7D染色体上，长度2 862 bp，这些基因均由11个外显子和10个内含子组成[4]。根据Wx蛋白亚基缺失情况，可将普通小麦划分为以下八种类型：第一种为同时含有三个Wx蛋白亚基；第二、三、四种分别为缺失一个不同Wx蛋白亚基；第五、六、七种分别为同时缺失两个不同Wx蛋白亚基；第八种是同时缺失三个Wx蛋白亚基。

在小麦淀粉特性遗传基础研究方面，Nakamura等[5]利用Kanto107(wx-A1及wx-B1基因缺失)和白火麦(wx-D1基因缺失)人工杂交，发现在F2代群体中非糯与全糯的分离比例为63∶1。陈新民[6]通过该分离比例，认为六倍体糯小麦的遗传是由3对隐性基因所控制。Miura等[7]利用双、单倍体群体再次证实了wx基因缺失型遗传符合孟德尔分配规律，且3个位点的突变均由隐性基因控制。姚金保等[8]通过对16个“糯×非糯”正反交组合研究认为，15个组合符合3对隐性基因的分离比例。翟红梅等[9]利用“单粒传”法构建了“藁城8901×糯麦1号”组合的8种wx基因突变类型的重组自交系，发现各突变类型出现频率符合孟德尔遗传规律，属于质量性状遗传。

1.2 小麦wx基因缺失类型的遗传学效应

有研究结果表明，wx基因缺失数量越多，小麦直链淀粉含量越低[10]。缺少两种wx基因时，对直链淀粉含量的影响依次是wx-B1/wx-D1>wx-A1/wx-B1>wx-A1/wx-D1[11]。当普通小麦品种缺失1或2个wx基因时，可被称之为部分糯质突变体；同时缺失3个wx基因则为全糯质突变体[6]。

不同位点wx基因缺失型对小麦淀粉特性影响程度不同。研究表明，3个wx基因的直链淀粉合成能力为wx-B1>wx-D1>wx-A1，wx-B1基因缺失会导致小麦品质产生显著变化[12-13]。刘建军等[14]认为，wx-B1基因的缺失有利于淀粉糊化黏度、面粉膨胀体积和面条品质的提高；宋健民等[15]通过对6类wx基因组成的14个小麦品种进行分析，发现wx-B1基因缺失品种的直链淀粉含量最低，膨胀势和峰值粘度最高，面条评分 最高。

2 小麦wx基因缺失资源的筛选与利用

2.1 小麦wx基因缺失资源的鉴定与筛选

利用分子标记辅助手段可实现对小麦wx基因缺失的鉴定和筛选。如刘迎春等[16]开发出了以简单重复序列(simple sequence repeat，SSR)和序列标签位点(sequence tagged site，STS)为主的标记，实现了wx基因缺失类型精准鉴别。Slade等[17]利用定向诱导基因组局部突变技术(targeting induced local lesions IN genomes，TILLING)检测出246个wx基因的等位基因。Zahra等[18]利用 PCR技术同时可检测三个不同wx基因。裔 新[19]成功开发了用于wx-D1d基因突变类型检测的竞争性等位基因特异PCR(kompetitive allele specific PCR，KASP)标记，并利用该标记创制了8种wx基因型近等基因系。

近年来，众多研究者利用分子标记等手段已鉴定筛选出许多Wx-A1、Wx-B1和Wx-D1蛋白亚基部分缺失的小麦种质资源，但在六倍体小麦中尚未发现全糯性(3个wx基因缺失)天然变异体。如哈力旦·依克热木等[20]对国内外169份冬小麦和春小麦品种开展分子检测，发现wx-A1、wx-B1和wx-D1基因缺失类型分布比例分别为25.44%、31.36%和4.73%。高华利等[21]在国内不同麦产区的285份小麦种质中鉴定出1份wx基因全缺失材料白糯麦(人工杂交创造)。陈 虎[22]在786份中国地方小麦资源中挖掘出13份wx-A1基因缺失材料(白苦麦、红臭麦、火麦等)和25份wx-B1缺失材料(秃头白、大冬小麦、白秃麦等)。李思宇等[23]利用甲基磺酸乙酯(ethyl methane sulfonate，EMS)等化学诱变处理方法，分别获得了Wx-A1和Wx-B1亚基缺失的突 变体。

2.2 小麦wx基因缺失资源的利用

目前，wx基因缺失资源在小麦育种中的利用范围主要为：(1)进行部分糯性小麦新种质创造和面条或面包、面条兼用型强筋小麦新品种选育。如近年来，黑龙江省农业科学院“龙麦号”小麦育种者利用常规杂交、回交和分子标记辅助选择等各种方法，实现了wx-B1基因缺失与高分子麦谷蛋白亚基(HMW-GS)5+10和Bx7OE等优质亚基在部分糯性强筋小麦新种质中的定向积聚，并选育推广了龙麦35等多个面包、面条兼用型强筋小麦新品种。(2)开展全糯性小麦种质创新及新品种选育。如1995年，日本研究者首先利用品种Kanto107与白火麦人工杂交获得全糯小麦新品种[5]。2004年以来，中国科学院成都生物研究所和安徽农业大学等单位先后育成了白糯麦17和安农系列等多个全糯小麦新品种。刘冬成等[24]利用12份高产小麦品种(系)作为轮回亲本，与天糯158杂交，结合分子标记辅助选择等技术，创造了多份农艺性状优良、糯性性状稳定的小麦新种质，为糯性小麦开发利用提供了可靠物质基础。

3 wx基因缺失效应在强筋小麦育种中的利用价值

3.1 显著改善面条和面包品质

wx基因缺失可明显改善面条和面包品质。如方正武等[25]研究发现，wx基因缺失可显著提高面条的软硬度评分和光滑性评分。于春花等[26]认为，wx基因缺失在一定程度上提高了面条感官品质，尤其是wx基因单缺失型可显著提高面条品质。刘爱峰等[27]开展糯小麦配粉试验发现，在强筋小麦品种济麦20和中筋小麦品种济麦22面粉中分别添加20%～40%的糯小麦品种济糯1号面粉可提高面粉蛋白质含量、面筋指数、吸水率，降低淀粉糊化回升值，改善面条适口性和光滑性。澳大利亚以面条麦育种闻名世界，其大多优质面条品种均属wx-B1基因缺失类型[28]，进一步证明了wx基因缺失效应在强筋小麦育种中的利用价值。

另外，还有研究发现，过低直链淀粉含量(小于5%，如糯小麦)将会造成适口性及弹性变差降低小麦面条评分[29]。直链淀粉含量与面包品质呈负相关性[30]，低直链淀粉含量能够延缓面包老化速度等[31]。

3.2 面包面条兼用型强筋小麦品种的主要品质遗传基础

wx基因缺失和5+10等优质亚基基因是面包、面条兼用型强筋小麦品种的主要品质遗传基础，已被小麦育种者所认同。方正武等[25]利用以镇麦9号和扬糯麦1号为亲本的2个高代稳定系为试验材料开展研究，结果表明，集聚wx基因缺失和5+10优质亚基能够显著提高小麦淀粉、蛋白质品质，改善面条蒸煮品质和提高感官评分，并可显著改良面条制作品质。我国育成推广的郑麦366、龙麦26和龙麦35等优质面包、面条兼用型强筋小麦品种均属5+10等优质亚基与wx-B1基因缺失集一体类型。其中，龙麦26的淀粉含量等指标与澳大利亚优质面条麦品种Eradu相当(表1)。这些优良品种不仅在当地生产上得到大面积应用，而且为我国强筋小麦育种发展和面粉加工企业各种专用粉生产提供了亲本和原料保障。

表1 面包面条兼用型小麦品种的淀粉含量Table 1 Starch content of wheat cultivar with good bread and noodle-making quality

总结“龙麦号”系列面包面条兼用型强筋小麦育种成功经验[32]，wx-B1基因缺失和5+10等优质亚基不可或缺。定向进行5+10等优质亚基基因与wx-B1基因缺失积聚与跟踪，对实现小麦淀粉特性与面筋质量同步改良具有重要作用。

3.3 拓宽强筋小麦的加工用途

我国强筋小麦产业发展实践表明，淀粉特性与面筋质量同步改良可促使强筋小麦用途由单一性(面包或面条)向多元性(面包、面条兼用)发展。如河南省农业科学院小麦研究中心和黑龙江省农业科学院“龙麦号”小麦育种团队先后育成的郑麦366、龙麦26和龙麦35等强筋小麦新品种，集 5+10等优质亚基与wx-B1基因缺失为一体，蛋白质(面筋)质量优异，淀粉糊化特性较好。生产的小麦不但可直接制作高档面包粉，而且可利用于配麦、配粉工艺生产面条和饺子等各种专用粉。其中，小麦龙麦26原粮曾作为主要配麦和配粉原料，由黑龙江九三丰缘麦业集团每日供应“康师傅”方便面粉400吨。龙麦35在2014年参加农业部强筋小麦品质鉴评，获面包烘焙品质第一名，超过美麦DNS和香港金像面包粉，且面条评分获得88分，现为东北春麦区第一主栽小麦品种[33]。

定向集聚5+10等优质亚基基因和wx-B1基因缺失，是强筋小麦蛋白质(面筋)质量和淀粉特性能否实现同步改良的关键。如近年来，黑龙江省农业科学院“龙麦号”小麦育种团队已将wx-B1基因缺失分子标记和5+10等优质亚基生化标记检测作为常规技术用于强筋小麦育种之中，成效显著，并先后选育推广了龙麦26、龙麦33、龙麦35、龙麦36和龙麦67等多个面包、面条兼用型强筋小麦新品种，满足了东北春麦区强筋小麦产业发展需求。

4 小 结

wx基因缺失是小麦淀粉特性改良的可靠遗传基础。在降低小麦直链淀粉作用上，wx-B1基因缺失效应明显大于wx-D1和wx-A1，且遗传学效应稳定，可用于强筋小麦淀粉特性的改良。wx-B1基因缺失效应只有在优异蛋白质(面筋)质量和较高蛋白质(面筋)含量遗传背景下，才能在面包面条兼用型强筋小麦育种中具有较高利用价值。