97份安徽省种植小麦品种HMW-GS组成及品质分析

何贤芳，赵 莉，都斌斌，马 斐,吴子峰，郑文寅，汪建来

(1.安徽省农业科学院作物研究所,安徽合肥 230031;2.六安市农业科学研究院,安徽六安 237000;3.阜阳市颍州区农技推广中心,安徽阜阳 236005;4.安徽省农业技术推广总站,安徽合肥 230031;5.安徽农业大学,安徽合肥 230036)

小麦是当今世界重要的粮食作物之一，其加工品质主要由贮藏蛋白的性质决定。小麦贮藏蛋白主要包括醇溶蛋白和麦谷蛋白。一般来说，醇溶蛋白对面团的延展性很重要，而麦谷蛋白则是面团强度和弹性的主要决定因素。依据分子量大小，麦谷蛋白可分为低分子量麦谷蛋白亚基(LMW-GS)和高分子量麦谷蛋白亚基(HMW-GS)两个亚家族，HMW-GS是麦谷蛋白主要组成部分，是决定面团弹性的主要因素。HMW-GS由第一组染色体长臂上的位点编码，3个等位变异分别命名为、和，在每个位点中有两个紧密连锁基因，一个是分子量较高的x亚基，另一个是分子量较小的y亚基，其等位基因变异能解释普通小麦面团特性遗传变异的70%左右。具有优质HMW-GS亚基和亚基组合的小麦品种通常具有优良的品质特性，因此，研究HMW-GS的组成和特性对提高我国小麦加工品质具有重要意义。

研究发现，在位点有3个等位基因 (，，)，分别编码1、2和Null亚基；在位点检测到11个等位基因(～)，其中较为常见的为、、、和，分别编码 7+8、7+9、6+8和17+18亚基；位点检测到7个等位基因(～)，其中、和较为常见，分别编码2+12、4+12和5+10亚基。

HMW-GS不同亚基类型对小麦品质的效应存在差异。研究表明，在位点，1和2相比Null亚基对小麦面包烘烤品质贡献较大。在位点，14+15亚基对面团弹性有正效应，17+18亚基与面团延展性等正相关。在位点，5+10亚基对面粉品质有正向效应。HMW-GS的遗传多样性可作为改良小麦品质的重要资源支撑，因此确定不同小麦品种中的HMW-GS组成，对于小麦品种品质改良具有积极意义。本研究对安徽省种植97份小麦品种的HMW-GS组成及品质性状进行分析，以期为安徽省小麦品质性状改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与地点概况

选用安徽省主要种植的97份小麦品种，其中半冬性品种59份，春性品种38份，将其依次命名为V1～V97。2018—2019年度在安徽省阜南种植，供试地块土壤类型为砂姜黑土，0～20 cm基本土壤性质：有机质18.3 g·kg,全氮0.98 g·kg,有效磷19.9 mg·kg，速效钾147 mg·kg。

1.2 试验设计

试验地前茬为玉米。采用随机区组设计，2次重复，6行区，行长7 m，行距25 cm。适期播种，基本苗2.40×10株·hm；总施氮量为240 kg·hm纯氮，设基肥∶拔节肥为7∶3；磷肥(PO)和钾肥(KO)施用量均为105 kg·hm，一次性基施；其他田间管理同当地大田生产。成熟期分区收获并清理籽粒样本，将经清理的2个重复的种子等量混合作为最终测试样本。

1.3 HMW-GS组成检测

参考Liu等的聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)方法鉴定HMW-GS组成。

1.4 小麦品质性状测定

按AACC 55-31用单籽粒谷物测定仪(SKCS 4100,Perten USA)测定硬度指数(hardness index)，根据硬度指数划分小麦类型，<40为软质麦，41～60的为混合麦，>60的为硬质麦。按AACC 26-50用Branberder Quadrumat Jr.实验磨制粉，出粉率为62%～67%。按AACC56-81.03测定降落数值。参照AACC56-11.02测定4种溶剂保持力(solvent retention capacity,SRC)，分别为水溶剂保持力(water SRC)，碳酸钠溶剂保持力(sodium carbonate SRC)，乳酸溶剂保持力(lactic acid SRC)和蔗糖溶剂保持力(sucrose SRC)。按GB/T 14614-2006用Brabender-Farinograghy-E型粉质仪(德国)测定面团揉混特性，记录粉质图参数。利用数显白度仪(SBDY-1)测定面粉白度；面粉色泽用色彩色差计(CR-400)测定，分别用、和值表示。依据Payne的品质得分标准对不同亚基进行赋分。

1.5 数据分析

利用Excel和Spass 22软件进行数据统计分析、绘图，利用 NTSYS 2.10 软件对不同HMW-GS 等位基因组合进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 HMW-GS等位变异分析

由表1可知，97份品种中，在位点共检测出10个等位基因，其中在位点发现、和共3个等位基因，对应的亚基类型分别是1、2和Null，出现的频率分别是57.73%、2.06%和40.21%；位点检测出3个等位基因，分别是、和，相应的亚基出现频率依次为52.58% (7+8)、37.11%(7+9)和10.31%(17+18)；位点检测到4个等位基因，、、以及，出现频率分别为37.11%(2+12)、16.49%(4+12)、45.36% (5+10)和1.03%(2.2+12)。部分品种的亚基分离图谱如图1。

Ⅰ:恒进麦8号;Ⅱ:华成1688;Ⅲ:华成2019;Ⅳ;华成3366;Ⅴ:华成859;Ⅵ:淮麦22;Ⅶ：淮麦29;Ⅷ：淮麦30;Ⅸ：淮麦33;Χ：淮麦35;Ⅺ:淮麦40;CS:中国春；1～18:HMW-GS亚基类型。Ⅰ:Hengjinmai 8;Ⅱ:Huacheng 1688;Ⅲ:Huacheng 2019;Ⅳ:Huacheng 3366;Ⅴ:Huacheng 859;Ⅵ:Huaimai 22;Ⅶ:Huaimai 29;Ⅷ:Huaimai 30;Ⅸ:Huaimai 33;Χ:Huaimai 35;Ⅺ:Huaimai 40;CS:Chinese Spring;1-18:Types of HMW-GS.图1 部分小麦品种和中国春(CS)的SDS-PAGE图谱Fig.1 SDS-PAGE patterns of some wheat cultivars and Chinese Spring(CS)

表1 97份小麦品种 Glu-1位点的等位基因及其频率Table 1 Allelic variations and frequency at the Glu-1 loci in the 97 wheat cultivars

2.2 HMW-GS的组成分析

由表2可知，97份品种共检测到19种HMW-GS亚基组合类型，其中15份品种检测到1/7+8/5+10亚基组合类型，出现频率最高，为15.46%，其次为1/7+8/2+12、1/7+9/5+10和Null/7+9/2+12，分别在12、10和9份品种中出现，频率依次为12.37%、10.31%和9.28%，其他亚基组合类型数量较少。

供试品种亚基组合品质得分分布在4～10范围内，平均得分为7.58，其中品质得分为10的亚基组合有1/7+8/5+10和1/17+18/5+10两种类型，共有19份品种，频率为19.59%；品质得分为9的亚基组合包括1/7+9/5+10和2/7+9/5+10两种组合，共11份品种，频率为11.34%；品质得分为8的品种共22份材料，亚基组合有4种类型，分别为1/7+8/2+12、1/17+18/2+12、Null/7+8/5+10和Null/17+18/5+10，所占频率为22.68%；品质得分8以下的共44份品种，占比45.36%(表2)。

表2 97份小麦品种HMW-GS组合类型及其 Glu-1品质得分Table 2 HMW-GS compositions,frequency and Glu-1 quality score of the 97 wheat cultivars

2.3 HMW-GS等位基因组合的聚类分析

通过对97份品种的19种HMW-GS等位基因组合的相似性进行聚类分析，发现组合间的相似系数在0.50～0.86之间，在相似系数在0.68处可将19种HMW-GS组合划分为4类，第一类包含10种亚基组合类型，共50个小麦品种；第二类包含5种亚基组合类型，共37个供试材料；第三类仅含有一种亚基组合类型，有2个品种；第四类包含3种亚基组合类型，属于此类的供试材料有8个(图2)。

图2 97份小麦品种19种HMW-GS等位基因组合的聚类分析Fig.2 Cluster analysis based on the 19 allele combinations of the 97 wheat cultivars

2.4 品质性状特点

如表3所示，97份小麦品种的硬度指数在 19.00～77.00之间，平均值为47.12，变异系数为36.12%；降落数值变异范围为72.00～636.00 s，均值464.62 s，变异系数为17.90%；四种溶剂保持力在供试材料中的变异系数均较小，在10% 左右。

表3 97份小麦品种品质性状Table 3 Quality traits of the 97 wheat cultivars

粉质参数中，除吸水率的变异系数较小，为 6.55%，其他性状在供试材料中的变异系数均较大，其中形成时间最大，为125.19%，变异范围在1.20～35.20 min之间，其次为粉质质量指数的变异系数，为89.41%，变化范围为20.00～ 456.00；稳定时间在1.30～32.60 min之间，变异系数为82.44%；弱化度在4.00～138.00之间，变异系数为57.17%。粉色参数中，和的变异系数较小，分别为 3.22%和 2.90%，和变异系数分别为 33.57%和19.06%。

2.5 品质性状间的相关性分析

从不同品质性状间的相关性分析结果(图3)可以看出，弱化度与粉色性状中的、和呈极显著正相关(<0.01)，其他品质性状均与弱化度和、及呈显著负相关(<0.05)；降落数值和粉色参数与近半品质性状无明显相关性或相关系数较低；其他品质指标间基本呈显著正相关(<0.05)。

×表示不显著。×：Correlation not significant.图3 小麦不同品质性状间的相关性分析Fig.3 Correlation analysis among different quality traits of wheat

2.6 HMW-GS不同位点品质性状的方差分析

由表4可知，位点仅对4种溶剂保持力指标有显著影响(<0.05)；位点对硬度指数、除乳酸外的3种溶剂保持力、吸水率以及弱化度的影响达显著水平；位点对降落数值、吸水率、蔗糖和碳酸钠溶剂保持力有显著影响；与位点互作对降落数值和蔗糖溶剂保持力的影响均显著；+对所有品质性状均无显著互作效应；+对降落数值、吸水率及的影响达显著水平；++对硬度指数、4种溶剂保持力和吸水率均有显著影响。

表4 HMW-GS不同位点对品质性状的方差分析(F值)Table 4 Variance analysis(F value)of HMW-GS loci effect on quality traits

2.7 不同HMW-GS类型对品质性状的影响

由表5可知，8种不同的亚基类型(样本数≥3)对品质性状的影响存在差异。位点17+18亚基的硬度指数显著高于其他亚基类型，位点2+12亚基的硬度指数最低；在降落数值方面，位点的4+12亚基最高，与2+12和Null亚基存在显著差异(<0.05)，其他亚基间差异不显著。在4种溶剂保持力上，位点的17+18亚基最高，亚基类型对乳酸溶剂保持力无显著影响，其对余3个溶剂保持力均有显著影响。粉质图参数中，吸水率和形成时间在不同亚基下略有差异，在稳定时间上，位点 17+18亚基显著高于多数亚基类型，Null亚基最低；对于弱化度，位点2+12亚基最高，其次是Null亚基和7+9亚基，位点17+18亚基最低；在粉质质量指数方面，不同亚基间存在一定差异，位点17+18亚基最高，其次是1亚基和5+10亚基，Null亚基最低。粉色性状中，不同亚基对无显著影响，对其他3个粉色性状均有显著影响，在位点的Null亚基最高，在位点17+18亚基处最低。

表5 不同亚基类型对品质性状的效应分析Table 5 Effect analysis of different subunit types on quality traits

2.8 不同HMW-GS组合对品质性状的影响

分析13种不同的亚基组合(样本数≥3)对品质性状的影响，结果(表6)表明，不同亚基组合对硬度指数存在显著效应，1/17+18/5+10组合的硬度指数最高，其次为Null/7+8/4+12组合，Null/7+9/4+12组合硬度指数最低。在降落数值上，仅少数亚基组合间存在显著差异，Null/7+8/4+12组合最高，Null/7+8/5+10组合最低。对于4种溶剂保持力，乳酸溶剂保持力在各亚基组合间差异较小，亚基组合对4种溶剂保持力均有显著效应。1/17+18/5+10组合4种溶剂保持力最高，Null/7+9/4+12组合4种溶剂保持力最低。粉质参数中，不同亚基组合对被测性状均存在显著效应，吸水率、形成时间、稳定时间和粉质质量指数在1/17+18/5+10组合下显著高于其他多数亚基组合，在Null/7+9/4+12组合下最低；对于弱化度，Null/7+9/4+12组合显著高于多数亚基组合，1/7+9/2+12组合次之，Null/17+18/5+10组合最低。在粉色参数方面，亚基组合对被测指标均有显著影响，和在Null/7+9/4+12组合中的均值最大，其次为Null/7+8/2+12组合，1/17+18/5+10组合最低。总体而言，1/17+18/5+10组合的品种硬度指数、4种溶剂保持力、吸水率、稳定时间和粉质图参数最高，和最低，该类品种有烟农19、泰农19、山农17和糯小麦1012；Null/7+9/4+12组合的品种硬度指数、4种溶剂保持力、吸水率、稳定时间和粉质图参数最低，弱化度、和最高，该类品种有荃麦725，皖麦52和未来0818。

表6 不同亚基组合对品质性状的影响Table 6 Effect of different subunit combinations on quality traits

3 讨 论

3.1 小麦HMW-GS的组成特点

小麦HMW-GS在面团弹性方面起着重要的作用，并且与小麦最终的品质息息相关。众多学者对小麦HMW-GS类型进行鉴定及发掘，利用其遗传多样性为小麦品质性状改良提供了许多优异种质资源。本研究通过对安徽省种植的97份小麦品种HMW-GS的等位基因和组成特点进行分析，在位点共鉴定出10个不同的等位基因和19种亚基组合类型(表1)，在位点检测出3种亚基类型，主要以1亚基(57.73%)和Null亚基(40.21%)为主，优质亚基2仅占2.06%。前人的研究中普遍认为，1和2亚基较Null亚基对提升面包品质具有更大的作用，然而在中国小麦主产区，位点亚基频率基本处于Null>1>2。在本试验的供试材料中，1和2亚基频率略高于Null亚基，说明在安徽省小麦品质正在逐步改善。在位点共检测出3种亚基类型，以7+8亚基为主，频率为52.58%，7+9亚基次之，占 37.11%，17+18亚基频率最低，为10.31%。有研究报道，位点不同亚基类型对品质的效应表现为17+18>7+8>7+9，表明安徽省小麦品种在位点对品质性状已得到明显改善。在位点共鉴定出4种亚基类型，优质亚基5+10占比最大，为45.36%，2+12亚基次之，频率为37.11%，4+12亚基频率为 16.49%，2.2+12亚基频率最低，为1.03%。大量研究表明，在位点，5+10亚基在提高小麦面包品质方面优于其他亚基类型；但国内外学者发现，亚基2+12为位点的优势等位基因，Zheng等对长江流域的小麦品种研究发现，在位点2+12亚基占比高达 84.9%，在欧洲等国面包小麦中，2+12亚基频率也处于较高水平。在本试验中，2+12亚基的频率为37.11%，已大大降低，5+10亚基比例相比西方国家面包小麦仍有差距，但比以往中国小麦报道中5+10亚基比例要高，表明在小麦品质育种方面正不断提高。

高耸对国内528份小麦材料进行HMW-GS分析发现，共检测到15种亚基以及35种亚基组合类型，其中以Null/7+9/2+12组合频率最高；刘春雷等通过对河南省722份小麦品种进行HMW-GS分析，共鉴定到12种亚基和20种亚基组合类型，1/7+9/2+12和Null/7+9/2+12组合占比较高，未检测到2优质亚基；权威等对外引的393份小麦种质资源进行HMW-GS分析，共检测到23种亚基类型和50种亚基组合类型，2/7+9/5+10组合出现频率最高。本研究结果与前人研究基本一致，但相比于外引小麦种质资源，亚基遗传多样性较低，组合类型较少，因此有必要引进更多的种质资源，丰富亲本类型，进一步改善小麦品质。

3.2 小麦HMW-GS对品质性状的影响

关于小麦HMW-GS对品质性状的效应研究，前人已经进行大量的报道，基本从高分子量麦谷蛋白亚基类型、组合、含量以及环境因素等方面来探究其对品质性状的影响。本研究结果表明，的三个位点对溶剂保持力性状都有一定的影响，且>>；对于硬度指数和弱化度，位点对其影响达显著水平，和位点未达显著水平；对于降落指数，仅位点对其有显著影响；关于吸水率，和位点均对其有显著影响，且>，位点未达显著水平(表4)。聂莉等对79份新疆小麦进行HMW-GS和品质性状分析发现，位点对硬度指数性状有显著效应，和位点对其影响不显著，本试验中，位点对其有显著效应，和位点效应不显著，可能与研究材料不同有关。前人报道基因座对品质性状的效应多以湿面筋含量、沉淀值等性状为指标进行研究，基本表现为>>，本试验通过研究基因座对多种品质性状的效应，发现其对较多品质性状的作用规律。

郝浩南通过研究299份小麦材料高分子量麦谷蛋白亚基与品质性状的相关性，认为不同亚基类型对硬度指数无显著效应，5+10和7+9亚基的降落数值显著高于其他亚基类型，1、14+15和2+12亚基的弱化度显著高于其他亚基类型。聂莉等在研究79份新疆小麦高分子量麦谷蛋白亚基和硬度指数性状中，认为位点亚基效应排序为Null>1>2；位点为 7+8>7+9；位点为5+10>2+12>4+12。高耸对180份小麦材料高分子量麦谷蛋白亚基与稳定时间的相关性研究，发现位点亚基效应顺序为1=2>Null；位点为7+8=17+18=7+9；位点为5+10>2+12。王倩等对49份山西水地小麦品系高分子量麦谷蛋白亚基和品质性状的研究中，认为位点不同亚基类型对稳定时间的效应排序为7+8>17+18>7+9。本研究结果与前人结论有一定出入，发现17+18和4+12亚基的硬度指数较高，Null和2+12亚基的硬度指数较低；对于降落数值，位点4+12亚基最高，2+12和Null亚基较低；对于4种溶剂保持力，位点17+18亚基最高，不同亚基对乳酸溶剂保持力无显著效应，对其余3个溶剂保持力存在显著效应；粉质图参数中，对于稳定时间，位点 17+18亚基显著高于多数亚基类型，Null亚基最低；对于弱化度，位点2+12亚基最高，其次是Null亚基和7+9亚基(表5)，这可能与试验材料、栽培环境及试验方法存在不同有关。

小麦品质性状不单受各亚基的作用，各位点间也存在一定的互作效应，因此在小麦品质育种中选择优异的亚基组合对品质性状的改良有重要意义。本研究中，不同亚基组合硬度指数、4种溶剂保持力、吸水率、形成时间、稳定时间和粉质质量指数的效应分析发现，1/17+18/5+10亚基组合对这些性状的效应最大，Null/7+9/4+12组合的弱化度和面粉的、值显著高于其他亚基组合而其籽粒硬度指数、4种溶剂保持力、吸水率、稳定时间和粉质图质量数等参数表现为显著低于其他亚基组合。依据Payne的品质得分标准，1/17+18/5+10亚基组合是满分10的优质亚基组合，Null/7+9/4+12亚基组合评分为4。本试验中调查的品质性状与前人报道的不尽相同，有待更多品种环境下的深入研究，为安徽省乃至我国小麦品质性状育种改良提供理论依据。