小麦不溶性谷蛋白含量与HMW-GS及品质的关系

朱保磊,陈金平，李 刚，周国勤，赵万兵，赵永涛，陈 杰，陈建辉，石守设，詹克慧

(1.信阳市农业科学院，河南信阳 464000；2.信阳市种子管理站，河南信阳 464000；3.漯河市农业科学院，河南漯河 462000；4.驻马店市农业科学院，河南驻马店 463000；5.河南省对外科技交流中心，河南郑州 450003；6.河南农业大学农学院，河南郑州 450002)

随着社会经济的不断发展，人们对小麦加工品质的要求越来越高。小麦加工品质性状是多基因控制的复杂数量性状[1]，品质评价指标的确定关系到小麦品质育种的效率。谷蛋白大聚体(glutenin macropolymer,GMP)是小麦储藏蛋白的重要组成部分，主要由HMW-GSs和LMW-GSs通过分子内二硫键以及分子间范德华力聚合而成。GMP属于分子量较大的聚合体蛋白，在面筋网络结构的形成中起着重要作用，可直接影响面团的弹性和延展性，进而影响面制品的食品加工用途[2]。根据GMP在50%正丙醇溶液中的溶解性可将其分为分子量较小的可溶性谷蛋白(soluble glutenin,SG)和分子量较大的不溶性谷蛋白(insoluble glutenin,IG)[3]，IG相对于GMP提取方法简单，能够通过分光光度计进行快速和高通量的定量测定，且能够代表GMP中聚合程度较大的那部分蛋白，对小麦加工品质预测意义较大。

前人关于小麦GMP含量与品质之间的关系研究较多，普遍认为GMP主要对面团延展性和弹性影响较大，进而影响烘焙品质[4-5]。Gupta等[6]用SE-HPLC方法研究了GMP含量与面团流变学特性之间的关系，结果表明，GMP含量与揉混仪的和面时间、粉质仪的面团形成时间及面筋的黏弹特性均有显著正相关关系。宋建民等[7]通过测定233份小麦面粉的沉淀值与GMP含量之间的关系，发现GMP含量与沉淀值存在极显著相关性(r=0.923 9)。裴玉贺等[8]研究了166份来自不同地区的小麦HMW-GS组成与GMP含量之间的关系，发现Glu-A1位点1亚基、Glu-B1位点13+16亚基和Glu-D1位点5+10亚基与较高GMP含量显著相关。虽然前人对GMP含量进行了大量的研究，但多集中研究GMP含量与品质之间的关系，对于IG含量与品质之间的关系研究较少，尤其缺乏对不同HMW-GS与IG含量之间的关系研究。本研究选用不同筋力的176份小麦材料进行IG含量和品质测定，分析IG含量与HMW-GS和品质间的关系，以期为小麦品质遗传改良提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试小麦材料共176份，全部来自黄淮麦区，主要包括：(1)主栽品种，如西农979、周麦18、郑麦366等；(2)骨干亲本，如小偃6号、周8425B等；(3)正在参加审定试验的新品系，如濮2056、郑麦1023等。全部材料于2015至2016年度分别种植于河南省郑州市河南农业大学科教园区、驻马店农业科学院试验基地和商丘市农林科学院试验基地。采用随机区组设计，4行区，行长 1.5 m，行距23 cm，按每公顷225万基本苗播种，2次重复。田间管理同当地大田。

1.2 IG含量、HMW-GS和品质性状的测定

试验材料收获后，利用单籽粒谷物测试系统(SKCS4100 Perten Instruments AB,Sweden)测定样品的水分含量和硬度。根据硬度值调整润麦加水量和润麦时间，用CD1磨粉机(Laboratory Mill CD1)制粉。使用近红外分析仪(Perten DA 7200)测定蛋白质含量(干基)；采用德国Brabender H型电子粉质仪，参照GB/T 14614-2006测定吸水率和稳定时间。不溶性谷蛋白(IG)的提取与定量测定参照Jin 等[9]的方法进行，但在提取的过程中略有改进(即在漩涡震荡前向试管中加入一粒钢珠，使得面粉沉淀能够与提取液进行充分接触)。HMW-GS类型的确定，采用刘 丽等[10]的操作方法制备供试样品的蛋白上样液和SDS-PAGE胶块，使用北京六一仪器厂的DYCZ-24DN型垂直电泳仪进行电泳。按照Payne等[11]的HMW-GS命名标准来确定分离条带的亚基类型。

1.3 数据处理

利用Microsoft Excel 2010进行数据特征数的计算。利用RStudio-1.2.5033软件中的ggplot2函数进行数据的统计分析和可视化，使用ggsignif函数对Glu-1位点不同亚基及不同亚基组合、稳定时间、蛋白质含量和吸水率与IG含量进行方差分析，多重比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 供试材料的HMW-GS组成以及品质性状和IG含量分析

在176份小麦材料中，3个染色体位点共检测到10种亚基类型，Glu-A1位点上检测到1、N和2*的分布频率分别为76.13%、23.30%和 0.57%，Glu-B1位点上检测到7+8、7+9、13+16、14+15和17+18的分布频率分别为 22.15%、61.37%、0.57%、13.07%和2.84%，Glu-B1位点上检测到2+12和5+10两种亚基类型，其分布频率分别为51.70%和48.30%，较多亚基类型出现，说明试验材料来源广泛，具有很好的代表性。共检测出16种HMW-GS组合(表1)，其中，含有1/7+9/2+12亚基组合类型的材料最多，占25.57%(45个)，其次为1/7+9/5+10亚基组合类型，频率为22.16%(39个)，以上两种HMW-GS组合占比达到47.73%。1/7+8/5+10和N/7+9/2+12亚基组合类型所占比例也较高，分别为 11.36%和10.80%，共有10种HMW-GS组合的出现频率在5.00%以下。1/7+8/5+10亚基组合的平均IG含量最高，N/14+15/5+10亚基组合的平均IG含量最低。

由表2可知，供试小麦材料的IG含量变化范围为1.25%～3.71%，平均值为2.44%，变异系数较大，为20.53%，其中，IG含量最低的是洛麦05159 ，最高的是郑麦9023。面粉蛋白质含量在11.76%～17.24%，平均为14.25%，变异系数为6.86%。吸水率在50.90%～68.80%之间，平均为5.49%，变异系数较小，说明大多数供试材料的吸水率相差不大。稳定时间在1.00～29.90 min之间，平均值为4.57 min，变异系数较大，为95.77%，根据GB/T 17320-2013的品质划分标准，大多数试验材料为中筋。说明供试材料之间具有较大的品质差异。

表2 176份小麦品种(系)的品质指标Table 2 Quality parameters of 176 wheat varieties(lines)

2.2 Glu-1位点不同HMW-GS对IG含量的影响

由图1可知，在Glu-A1位点上，含1亚基类型材料的IG含量显著高于含N亚基类型的，说明1亚基与较高的IG含量有关。在Glu-B1位点，含7+8亚基类型材料的IG含量显著高于含7+9和14+15亚基类型的，含17+18亚基材料的IG含量与含7+8、7+9和14+15亚基材料之间差异不显著。在Glu-D1位点，含5+10亚基材料的IG含量显著高于含2+12亚基的，说明5+10亚基与高的IG含量有关。同时含有3个优势亚基组合1/7+8/5+10材料的IG含量显著高于其他HMW-GS组合，2个优势亚基的组合1/17+18/5+10亚基类型虽与N/7+8/2+12和1/7+8/2+12等8种亚基组合材料的IG含量间无显著差异，但显著高于N/7+9/2+12和N/14+15/5+10亚基组合。有些亚基类型和组合的材料数较少(1～2个)，代表性不强，未比较。

箱线图上无相同字母表示差异达5%的显著水平。下同。Different letters above the boxplot indicate significant difference at 5% probability level.The same in figure 2.图1 Glu-1基因位点不同HMW-GS的IG含量的多重比较Fig.1 Multiple comparison between different HMW-GS at Glu-1 loci and IG content

2.3 IG含量与小麦其他品质性状间的关系

由图2可知，蛋白质含量在12.5%～13.0%之间的材料平均IG含量最高，其次是蛋白质含量高于14.0%材料的IG，二者显著(P<0.05)高于蛋白质含量在12.5%以下的材料。根据GB/T 17320-2013品质标准，稳定时间大于8.0 min为强筋小麦，稳定时间在6.0～8.0 min之间为中强筋小麦，稳定时间在3.0～6.0 min之间为中筋小麦，稳定时间低于3.0 min为弱筋小麦。随着小麦品种IG含量的提高，稳定时间呈增加趋势。其中，强筋材料的IG含量显著(P<0.05)高于其他筋力的，而中强筋和中筋材料之间IG含量无显著差异，二者显著高于弱筋材料。说明IG含量可作为小麦品质育种中的预测指标，是提高育种效率的有效方法。根据GB/T 17320-2013对吸水率的划分，弱筋小麦的吸水率在56.0 mL以下，中筋的吸水率在56～58 mL之间，中强筋的吸水率在58.0～60.0 mL之间，强筋的吸水率为高于60.0 mL。分析吸水量与IG含量之间的关系发现，吸水率高于60.0 mL材料的平均IG含量最高，且显著(P<0.05)高于58.0～60.0 mL之间的材料，在56.0 mL以下材料的平均IG含量次之，而吸水率在58.0～60.0 mL之间材料的IG含量最低。

图2 品质性状与IG含量的关系Fig.2 Relationship between dough quality and IG content

3 讨 论

前人研究表明，IG含量是一种典型的数量性状，并且与面团的粘弹特性、延展性、面包体积有显著的相关性[9]。Jin等[9]研究了Glu-1位点与IG含量之间的关系，发现对于Glu-1位点，Glu-A1a(1Ax1)，Glu-B1b(1Bx7+1By8)和Glu-D1d(1Dx5 +1Dy10)在不同环境中相对于各位点的其他等位变异显著地增加IG含量，这与本试验的结论一致。本研究通过分析供试材料的加工品质与IG含量之间的关系，IG含量能够较其他单一指标更全面的反映出小麦品种的加工品质，这与Zhang等[12]和Hu等[13]的研究结果一致，表明可以利用IG含量作为筛选育种后代的有效辅助工具。裴玉贺等[8]研究了Glu-1位点不同HMW-GS对GMP含量的影响，其在Glu-A1位点和Glu-D1位点上结论与本研究相一致，但其在Glu-B1位点上其研究结果表明，7+9与7+8与GMP含量的差异不显著，这与本试验结论不一致，造成这种现象的原因有两点：一是本研究中含有7+9亚基类型的部分材料为周8425B(1/7+9/2+12)的衍生品种(系)，而周8425B是1B/1R易位系的典型材料，其衍生品种(系)的IG含量普遍不高，且加工品质不优[14-18]，这也从侧面佐证了Jin等[9]的研究结果(即1B/1R易位系能够显著降低IG含量，使小麦加工品质变差)；二是本研究的不溶性谷蛋白(IG)是谷蛋白大聚体(GMP)中分子量较大的那一部分蛋白，调控其含量的因素较为复杂，同时受到基因型、环境以及基因型和环境互作的影响[19-20]。

从本研究结果可以看出，5+10亚基与较高的IG含量显著相关，而5+10亚基作为面包评分较高的亚基类型，在小麦品质改良过程中被广泛利用[21-22]，但由于HMW-GS的鉴定过程较为复杂[23]。而IG含量的测定具有操作方法简便、数据可靠性强，并且可以实现高通量的特点，利用测定IG含量来代替试验步骤复杂的SDS-PAGE，不失为一种安全快速有效的育种辅助手段。本研究也表明，IG含量能够综合反映小麦的加工品质，对小麦品质育种具有很高的实用价值。