重离子辐照对小麦籽粒蛋白及加工品质的影响

郭明明，张广旭，王康君，谭一罗，李晓峰，谭维娜，代丹丹，樊继伟*

（1连云港市农业科学院，江苏 连云港 222000；2连云港市农业农村局，江苏 连云港 222000）

0 引言

【研究意义】小麦作为全球种植面积最大的粮食作物（Liu et al.，2018），同时也是我国重要的粮食作物之一，在农业生产中有着举足轻重的地位（赵广才等，2018）。近年来，我国小麦育种工作不断取得突破，但同时小麦品种的同质化现象较严重，遗传背景逐渐趋向单一（韩微波等，2005）。因此，寻求小麦育种的新途径成为育种家的研究重点。随着科学技术的发展，辐射诱变育种技术逐渐在小麦生产中得到应用（陈恒雷等，2005；郭明明等，2018），其中重离子作为一种高效的诱变辐射源，近年来被广泛应用于生物育种（刘建光等，2016）。相较于低能离子，具有高传能线密度（LET）的重离子辐照后会有一个能量沉积过程，更容易使DNA双链发生断裂，并诱导染色体发生改变，最终引起的损伤更大（王超等，2015）。该手段能打破基因连锁，丰富育种材料的遗传背景（缪建顺等，2014），达到改良小麦品种的目的。因此，研究重离子辐照对小麦籽粒蛋白及加工品质的影响，对于丰富小麦优质种质资源具有重要意义。【前人研究进展】重离子辐照在作物生长发育过程中能产生一定效应。唐掌雄等（2005）研究认为，随着重离子辐照剂量的增加，冬小麦当代幼苗的生长抑制程度逐渐提高，但在M2代可产生早熟、矮秆等较多有益变异。赵连芝等（2006）研究认为，重离子束注入小麦种子的胚乳后，能诱发后代发生突变，且产生的突变具有遗传性。张录卫（2008）研究表明，低剂量的重离子辐照能显著提高小麦幼苗的存活率和生长量，高剂量辐照则会抑制幼苗生长发育，通过重离子辐照可有效提高小麦叶锈病的抗性。刘青芳等（2013）研究表明，低剂量离子束辐照对小麦幼苗生长有一定的促进作用，而高剂量辐照对幼苗生长发育有抑制作用。Zhao等（2018）认为低剂量重离子束可能会激活生物代谢，而高剂量重离子束辐照可能诱导植物的抗逆性。周文期等（2019）认为，随着辐照剂量的增加，玉米种子发芽率、株高、穗位高和花粉活力等均呈下降趋势；在30 Gy辐照处理下，产生多种农艺性状表型的变异突变体，当辐照剂量达60 Gy，出现植株矮化、穗位高度降低、叶片皱缩、叶色黄化等现象。【本研究切入点】前人关于重离子辐照对小麦影响的研究多集中于小麦种子萌发、幼苗生长及相关生理指标等方面（刘青芳等，2013；梁俊青，2017），对重离子辐照后小麦籽粒品质的变化规律鲜有报道。【拟解决的关键问题】选用2个小麦品种进行不同剂量的重离子辐照，探究小麦诱变群体籽粒加工品质、面团流变学特性及拉伸特性等参数的变化，为小麦优质育种提供新思路和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为适宜江苏淮北地区种植的2个品质类型小麦品种连麦12和淮麦20，其中连麦12为中强筋小麦品种，淮麦20为中筋小麦品种。选取籽粒饱满、无破损的小麦种子。试验于2020—2021年在连云港市农业科学院东辛试验基地进行，试验田前茬为玉米，0～20 cm土层土壤有机质12.4 g/kg，全氮1.2 g/kg，碱解氮61.38 mg/kg，速效磷51.6 mg/kg，速效钾266.4 mg/kg，土壤pH 7.31。

1.2 试验设计

采用中国科学院近代物理研究所兰州重离子加速器（Heavy ions research facility in Lanzhou，HIRFL）TR4生物浅层辐照终端进行12C6+重离子辐照，辐照能量为80 Mev/U，剂量率为40 Gy/min。试验采用裂区设计，以供试品种为主区，以重离子辐照剂量为裂区，设置0（CK）、30、60和90 Gy 4个剂量水平。将辐照后的小麦种子于2020年10月20日进行播种，播深2～3 cm，播量105 kg/ha，施氮量270 kg/ha，氮肥基追比为5∶5，在拔节期追施氮肥。在播种前基施P2O5105 kg/ha、K2O 90 kg/ha，肥料种类分别为尿素（氮含量46%）和磷酸二氢钾（P2O5含量24%，K2O含量27%）。小区面积为6 m2（4 m×1.5 m），8行区，行长4 m，行距18.75 cm，3次重复。试验统一灌冻水和拔节水，其余管理措施同高产大田。

1.3 测定项目及方法

2个小麦品种均于2021年5月3日进入开花期，选择同一天开花、大小均匀一致的主茎穗进行挂牌，并于花后每隔7 d取籽粒样，各处理每次取20穗，置于烘箱中，105 ℃杀青30 min后调至80 ℃烘至恒重，采用FS-Ⅱ型实验室旋风式粉碎磨将籽粒磨成粉状，0.001 g感量天平称重。用凯氏定氮法测定氮含量，并计算蛋白质含量（籽粒氮含量×5.7）。称取小麦全粉1 g，加蒸馏水10 mL，在振荡器上振荡提取30 min，然后将离心管4000 r/min离心5 min，将上清液转入试管中，向离心管加入10 mL蒸馏水，用玻璃棒搅碎残渣，在振荡器上振荡提取20 min，之后离心5 min，将离心后的上清液与第1次合并，重复操作2次，即可提取清蛋白；球蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白的提取操作同上，球蛋白提取用2%氯化钠溶液，谷蛋白提取用0.5%氢氧化钠溶液，醇溶蛋白提取用70%乙醇。

于6月10日进行小麦成熟期收获，收获后的籽粒采用HGT-1000型容重仪（上海东方衡器有限公司）测定容重。准确称取小麦籽粒样品25 g，采用JYDB100×40硬度仪（浙江托普仪器有限公司）测定，粉样时间为50 s，称量筛下物质量（精确至0.1 g），计算籽粒硬度。采用Quadrumat Junior试验磨粉机（德国Brabender公司）磨粉，分别收集面粉和麸皮，并进行称重，记录面粉重（W1）和麸皮重（W2），计算出粉率，出粉率（%）= W1/（W1+W2）×100。称取面粉样品10 g（换算成14%水分含量），采用GM2200型面筋测定仪（瑞典波通仪器公司）将面筋洗出，测定湿面筋含量。采用SDS常量法测定籽粒沉降值，即称取5 g面粉置于100 mL量筒中，加入50 mL 10 mg/L溴酚蓝溶液，置于摇床振荡5 min，再加入50 mL乳酸-SDS混合液，立即第2次振荡5 min，静置5 min后读取沉降值数。制备好的面粉样品及时密封，并检测样品水分，称取面粉样品300 g，采用Farino Graph-E型粉质仪（德国Brabender公司）对面团吸水率、形成时间、稳定时间、弱化度和粉质质量指数进行测定。采用Extensograph-E型电子式拉伸仪（德国Brabender公司）参照GB/T 14615—2019《粮油检验 小麦粉面团流变学特性测试 拉伸仪法》测定面团拉伸阻力、拉伸面积和延伸性。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2016和DPS 6.55进行计算、制图及统计分析，运用Tukey法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 重离子辐照后小麦籽粒蛋白质含量变化规律

从图1可看出，2个小麦品种籽粒蛋白质含量在花后不同时期均呈先降低后升高的变化趋势，在花后21 d降至最低；但各时期籽粒蛋白质含量在品种间存在一定差异，不同辐照剂量处理下，连麦12籽粒蛋白质含量均高于淮麦20，花后21 d后，连麦12籽粒蛋白质含量增加较快，而淮麦20籽粒蛋白质含量增加较缓慢。与CK相比，重离子辐照后，2个小麦品种不同时期籽粒蛋白质含量均出现下降；在花后21 d之前，2个品种经30 Gy重离子辐照后籽粒蛋白质含量与CK差异较小，随着灌浆进程推进，差异逐渐增大。同时，随着辐照剂量的增加，籽粒蛋白质含量进一步降低，当辐照剂量达90 Gy时，连麦12和淮麦20花后每隔7 d籽粒蛋白质含量分别下降至13.96%、13.47%、10.81%、12.52%、13.49%和13.74%、12.87%、10.83%、11.42%、13.19%。花后28 d后，小麦籽粒蛋白质含量在不同辐照剂量间差异增大。当重离子辐照剂量超60 Gy时，连麦12和淮麦20蛋白质含量下降较明显，降幅分别为3.23%和2.27%，以连麦12下降幅度较大。

图1 重离子辐照后小麦籽粒蛋白质含量的变化Fig.1 Changes of grain protein content of wheat after heavy ion irradiation

2.2 重离子辐照对小麦籽粒蛋白组分的影响

由表1可知，同一辐照剂量处理下，连麦12籽粒总蛋白含量及各蛋白组分含量均高于淮麦20。经不同剂量重离子辐照后，2个小麦品种籽粒蛋白组分含量均受到一定影响，随着辐照剂量的增加，籽粒蛋白组分含量逐渐降低，在90 Gy辐照剂量水平下降幅最大。连麦12籽粒总蛋白和谷蛋白含量在不同辐照剂量间存在显著差异（P＜0.05，下同）；淮麦20总蛋白含量在不同辐照剂量水平间差异也达显著水平。在30 Gy辐照剂量水平下，籽粒总蛋白、清蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量降幅均表现为连麦12＞淮麦20，其中连麦12和淮麦20籽粒总蛋白含量分别下降2.14%和1.43%；辐照剂量为60 Gy时，淮麦20籽粒清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白含量降幅大于连麦12，其降幅分别为4.73%、2.21%和2.07%。在90 Gy辐照剂量条件下，连麦12和淮麦20的总蛋白、清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量降幅分别为6.71%、3.51%、4.32%、4.94%、9.41%和5.85%、7.10%、3.68%、2.90%、7.23%，由此看出，连麦12籽粒的总蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量降幅均大于淮麦20，且在此剂量下，2个小麦品种各蛋白组分含量降幅均明显大于30和60 Gy辐照剂量。此外，随重离子辐照剂量的增加，小麦籽粒蛋白谷/醇比不断降低。

表1 重离子辐照对小麦籽粒蛋白组分含量的影响Table 1 Effects of heavy ion irradiation on content of wheat grain protein components

2.3 重离子辐照对小麦籽粒磨粉品质的影响

从表2可看出，连麦12籽粒磨粉品质在各辐照剂量处理下均优于淮麦20。通过重离子辐照，小麦籽粒磨粉湿面筋含量、容重、沉降值和硬度等指标均出现下降，出粉率逐渐提高，其中影响程度因小麦品种存在一定差异。当辐照剂量为30 Gy时，连麦12和淮麦20湿面筋含量、容重、沉降值和硬度等指标与CK相比均有所降低，但差异均未达显著水平（P＞0.05，下同）；随着辐照剂量增至60 Gy，连麦12和淮麦20的湿面筋含量、容重、沉降值和硬度均显著降低（除淮麦20的容重降幅未达显著水平），降幅分别为10.76%、2.66%、4.52%、3.84%和9.12%、1.72%、5.42%、4.15%，出粉率则有所提高，增幅分别为1.27%和2.08%；继续增大辐照剂量，连麦12籽粒磨粉硬度较60 Gy处理显著下降，出粉率显著提高，而湿面筋含量、容重和沉降值在60和90 Gy辐照剂量间无显著差异；淮麦20籽粒磨粉品质在90 Gy辐照剂量下降幅最大，湿面筋含量、容重、沉降值和硬度降幅分别达11.64%、4.31%、10.24%和6.79%，其中容重和沉降值与60 Gy辐照剂量处理间存在显著差异。

表2 重离子辐照对小麦籽粒磨粉品质的影响Table 2 Effects of heavy ion irradiation on wheat grain milling quality

2.4 重离子辐照对小麦面团粉质特性的影响

分析小麦面团粉质特性（表3），发现不同小麦品种的粉质参数存在一定差异，其中吸水率、形成时间、稳定时间、弱化度和粉质质量指数在品种间均达极显著差异（P＜0.01，下同）。由表4可知，同一辐照剂量处理下，连麦12面团吸水率、形成时间、稳定时间和粉质质量指数均优于淮麦20。重离子辐照对小麦面团粉质特性有一定的负效应，除面团形成时间外，其他指标差异均达极显著水平；且随着辐照剂量的增加，各指标均不断降低，在低辐照剂量（30 Gy）水平下，连麦12面团形成时间显著下降，吸水率、稳定时间、弱化度和粉质质量指数差异未达显著水平，而淮麦20所有粉质指标与CK相比均存在显著差异；当辐照剂量增至60 Gy，连麦12和淮麦20面团弱化度显著升高，增幅分别为33.33%和21.43%，其他粉质参数均显著降低，以粉质质量指数降幅较大；辐照剂量继续增至90 Gy，连麦12和淮麦20面团吸水率、稳定时间和粉质质量指数降幅分别为5.20%、19.05%、27.14%和5.18%、30.36%、44.29%，连麦12面团吸水率、弱化度和粉质质量指数与60 Gy辐照剂量间存在显著差异，而淮麦20面团5个粉质参数与60 Gy辐照剂量间均无显著差异。表明低剂量的重离子辐照对连麦12面团粉质参数的影响小于淮麦20。

表3 品种和辐照剂量对小麦面团粉质特性的效应分析Table 3 Analysis on effects of variety and irradiation dose on flour properties of wheat dough

表4 重离子辐照对小麦面团粉质特性的影响Table 4 Effects of heavy ion irradiation on flour properties of wheat dough

2.5 重离子辐照对小麦面团拉伸特性的影响

由表5可知，面团最大拉伸阻力、拉伸面积和延伸性等拉伸参数在小麦品种间存在极显著差异，在辐照剂量间存在显著差异。连麦12和淮麦20面团拉伸特性存在一定差异，各辐照剂量处理下均表现为连麦12优于淮麦20（表6）。重离子辐照后，小麦面团最大拉伸阻力、拉伸面积及延伸性等指标均受到一定影响，与CK相比，辐照后的面团拉伸特性均出现下降，且随着辐照剂量的不断增加，最大拉伸阻力、拉伸面积和延伸性均呈逐渐下降趋势。重离子辐照对小麦面团拉伸特性的损伤程度因品种存在差异，采用30 Gy剂量进行辐照，连麦12面团拉伸面积显著降低，降幅为7.53%，最大拉伸阻力和延伸性下降未达显著水平，与CK相比，淮麦20面团最大拉伸阻力、拉伸面积和延伸性差异均达显著差异，降幅分别为15.10%、23.91%和14.97%；当辐照剂量分别增至60和90 Gy时，2个小麦品种面团最大拉伸阻力、拉伸面积和延伸性均显著下降。在不同剂量的重离子辐照下，2个小麦品种面团拉伸参数降幅有所差异，均表现为淮麦20＞连麦12。辐照剂量从30 Gy逐渐增至90 Gy，面团拉伸参数的降幅逐渐增大，在90 Gy辐照剂量下，2个小麦品种面团拉伸参数降幅达最大值，连麦12和淮麦20在该剂量水平下最大拉伸阻力、拉伸面积和延伸性降幅分别达24.51%、34.41%、20.71%和35.51%、45.65%、26.53%。

表5 品种和辐照剂量对小麦面团拉伸特性的效应分析Table 5 Analysis on effects of variety and irradiation dose on extension properties of wheat dough

表6 重离子辐照对小麦面团拉伸特性的影响Table 6 Effects of heavy ion irradiation on extension properties of wheat dough

3 讨论

随着科学技术的发展，离子诱变技术在植物诱变育种中得到越来越广泛的应用，不仅能改变小麦的农艺性状和产量，也在一定程度上影响小麦籽粒品质（郭向萌和押辉远，2011）。廖平安等（2005）研究认为，通过离子束注入，诱变后的小麦籽粒蛋白质和湿面筋含量均明显高于对照；沈薇薇（2010）研究表明，小麦对UV-B辐射较为敏感，UV-B辐射会降低小麦籽粒的蛋白质和氨基酸含量，且随着辐射的增强，下降幅度逐渐增大；王若兰等（2011）则发现不同剂量的γ射线和电子束辐照对小麦籽粒蛋白质含量无明显影响。本研究中，经重离子辐照后，连麦12和淮麦20各时期籽粒蛋白质含量均出现下降，且随着辐照剂量的增加，籽粒蛋白质含量进一步降低，与樊继伟等（2020）的研究结果一致。进一步分析2个小麦品种经重离子辐照后籽粒蛋白组分含量的变化规律，发现不断增加辐照剂量，连麦12和淮麦20籽粒总蛋白及各蛋白组分含量均显著降低，在90 Gy辐照剂量水平下降至最低值，以总蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量下降较为显著，与仲彩萍（2010）研究重离子辐照对玉米品质效应的影响结果基本一致。以上结论表明，重离子辐照对小麦醇溶蛋白和谷蛋白质形成的影响较大，而这2种蛋白是形成面筋的重要组成蛋白，分析原因可能是由于重离子辐照后抑制了醇溶蛋白和谷蛋白质合成相关酶基因的表达，从而降低酶活性。本研究中，在30 Gy辐照剂量水平下，籽粒总蛋白、清蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量降幅均表现为连麦12＞淮麦20；当辐照剂量达60 Gy后，淮麦20籽粒清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白含量降幅大于连麦12，2个小麦品种籽粒蛋白质及其组分含量经重离子辐照后的变化幅度不尽相同，说明重离子辐照对不同遗传背景的小麦品种影响效应有所差异。

离子辐照对小麦其他加工品质也有一定影响。朱守晶等（2010）采用60Co-γ射线对小麦进行辐射，其M3代群体的籽粒湿面筋含量小于对照，但群体的沉降值和硬度均高于对照。王守经等（2014）研究表明，经γ射线辐照处理后，小麦面团稳定时间和粉质质量指数均出现降低。樊继伟等（2020）研究表明，小麦籽粒磨粉品质随着N+离子束注入剂量的增加而逐渐降低。也有研究认为，小麦经电子辐照后，磨粉品质变化较小，而淀粉特性大幅降低（孙辉等，2005）。本研究中，经重离子辐照，小麦籽粒湿面筋含量、容重、沉降值和硬度不断下降，表明重离子辐照不仅影响面筋形成，还可能改变小麦籽粒大小、内部结构及物质组成；且各指标随着辐照剂量的增加而逐渐降低，但2个品种的变化幅度有所不同，其中在30 Gy辐照剂量下，淮麦20的各磨粉品质指标降幅大于连麦12，当剂量达60 Gy以上，连麦12磨粉品质降幅较大。进一步分析重离子辐照后的面团粉质特性和拉伸特性，其变化规律与磨粉品质基本一致，与卢志恒和王安泉（2001）关于电子辐照后小麦品质影响效应的结果相似。但2个小麦品种间存在一定差异，在30、60和90 Gy 3个辐照剂量下，淮麦20面团粉质参数和拉伸参数降幅均大于连麦12，说明淮麦20面团流变学特性对低辐照剂量较敏感，而连麦12面团流变学特性对中高剂量敏感。以上结果表明，小麦籽粒加工品质与重离子辐照剂量间存在负相关关系，重离子辐照不利于改善小麦群体的籽粒品质特性。这与张鲁军（2010）研究发现离子束注入会降低小麦籽粒品质的结果相似，初步认为经重离子辐照后，小麦品质形成的优质基因缺失或表达受到抑制，从而导致加工品质降低，且抑制或缺失程度在不同遗传背景的小麦品种间存在一定差异。

前人关于辐射诱变对小麦籽粒品质影响的研究诱变源主要集中于低能离子诱变、60Co-γ射线辐照、紫外辐照和电子束辐照（孙辉等，2005；王若兰等，2011；樊继伟等，2020）。本研究以不同品质类型小麦为试材，分析重离子辐照后小麦籽粒品质的变化规律，该变化规律与其他辐射诱变结果（焦浈等，2009；韩利涛等，2016）存在一些差异，可能是诱变源及诱变原理不同所致。本研究中重离子的辐照剂量梯度较大，未能充分反映重离子辐照后小麦籽粒品质的变化规律；同时供试小麦品种数量和类型较少，品种间的辐照效应不明确，下一步将增加辐照剂量及强、中、弱筋不同类型小麦品种进行分析。此外，本研究结果表明，重离子辐照对小麦加工品质产生一定的负效应，研究对象为重离子辐照后的小麦诱变群体，而辐照对同一小麦品种的每个籽粒产生的辐照效应会有所不同（来德娥，2012），因此可对诱变后的小麦单株品质特性进行分析，筛选更多品质突出的优异突变体，且不同剂量重离子辐照对不同诱变世代产生的变异效应不同，今后应重点对M1～M4诱变后代进行研究，以提高小麦育种效率，丰富优质高产小麦种质资源，为实现小麦高产优质生产提供更多科学参考依据。

4 结论

重离子辐照对小麦诱变群体的籽粒品质存在一定影响，影响程度因品种存在一定差异。重离子辐照不利于诱变群体籽粒品质的改善，且各加工品质指标随辐照剂量的增加而降低幅度逐渐增大。低剂量重离子辐照对淮麦20磨粉品质影响较大，而中高剂量重离子辐照对连麦12磨粉品质影响较大，淮麦20面团流变学特性对重离子辐照的敏感度较高。