黃淮砂姜黑土區強筯小麥品質現狀及基因型與環境效應

常瑩瑩，王永華，王永霞，馬冬云，段劍釗

(1.河南省農業科學院小麥研究所，河南鄭州 450002；2.河南農業大學/國家小麥工程技術研究中心，河南鄭州 450002；3.河南省農業科學院作物設計中心，河南鄭州 450002)

小麥是我國主要糧食作物之一，小麥籽粒品質對面粉及其深加工有重要影響[1]。隨著生活水平的提高，消費者對小麥品質的要求更加注重[2-3]。普通小麥可分為強筋、中筋和弱筋三種類型，強筋小麥的蛋白質含量高、面粉筋力強，適合制作面包、高品質面條[2, 4-5]?？蒲腥藛T已建立了我國優質面包小麥品質標準，篩選了一批優質面包小麥品種[4-7]。隨著食品加工業對強筋小麥粉需求量的增加，強筋小麥的育種和推廣顯得更為重要。小麥品質易受生態環境和遺傳因素影響，黃淮冬麥區強筋小麥品種所占比例較低[8-10]。黃淮地區光熱資源充足，是我國小麥主產區，在此區域大約有4 000萬畝砂姜黑土耕作區。砂姜黑土質地粘重，保肥能力強，有利于小麥中后期養分穩定供應，比較符合強筋小麥養分需求特點，利于強筋小麥的生產[11]。關于黃淮五省砂姜黑土區強筋小麥品質性狀及其品質指標的基因型與環境效應的研究較少。本研究對2011-2013年黃淮五省(安徽、河北、河南、江蘇、山東)砂姜黑土區不同主栽品種的籽粒品質性狀進行分析，以期為黃淮砂姜黑土區強筋小麥生產布局、品質改良及其深加工提供一定的理論依據與參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

于2011、2012、2013年對黃淮麥區五省(安徽、河北、河南、江蘇、山東)不同砂姜黑土區強筋小麥分別取樣224、300和270份；所取的27個品種均為生產上大面積推廣的主栽品種，包括矮抗58、藁優2018、藁優9415、衡觀35、淮麥20、濟麥20、濟麥22、濟南17、連麥2號、良星99、山農17、山農21、師欒02-1、宿553、泰山4173、皖麥38、西農979、新麥19、新麥26、徐麥30、煙農19、鄭麥366、鄭麥7698、鄭麥9023、周麥18、周麥24、洲元9369。每年對上述品種樣品的籽粒感官性狀、質量指標和主要品質性狀進行分析和評價。

于2011-2012、2012-2013年，將8個強筋小麥品種(衡觀35、濟麥20、西農979、新麥19、新麥26、鄭麥366、鄭麥7698和周麥24)分別種植在黃淮麥區13個試驗地點，包括亳州、宿州、阜陽、邢臺、南陽、漯河、新鄉、濮陽、周口、濰坊、濱州、泰安、菏澤，麥田管理按照當地常規管理措施，成熟時收獲籽粒，進行基因型與環境對籽粒品質性狀的效應分析。

1.2 測定項目及方法

參照GB/T5519-2008測定千粒重；參照GB/T5498-85測定容重；參照GB/T21304-2007 測定硬度指數；參照GB/T5519-2008 測定不完善粒；參照GB/T24899-2010 測定粗蛋白質含量；參照GB/T5506.1-2008 測定濕面筋含量；參照SB/T10248-1995測定面筋指數；參照GB/T10361-2008測定降落數值；參照GB/T21119-2007測定沉降指數；參照GB/T14614-2006測定粉質參數；參照GB/T14615-2006 測定拉伸參數。

1.3 數據分析

試驗數據采用SPSS 19.0進行方差分析，用Excel 2010進行圖表繪制。用AMMI模型對小麥品質性狀穩定性進行分析[12-14]。

2 結果與分析

2.1 不同地區小麥品種的性狀表現

2.1.1 小麥籽粒的外觀品質性狀

由表1可知，2011-2013年度五省砂姜黑土區794份供試小麥樣品的平均千粒重以山東省最低，為37.4 g，安徽、河北、河南、江蘇四省均達40 g以上，各省份的平均變異系數為9.6%～12.2%；平均容重為789.1～795.3 g·L-1，均達到我國二級小麥標準(≥770 g·L-1)，且變異系數較小(2.3%～3.1%)；平均硬度指數均達到國家硬麥和強筋小麥標準，變異系數較大。供試樣品各被測指標的平均值均達到了我國強筋小麥標準，但多數指標的變幅較大，某些品種的個別指標較低，如河南省小麥平均硬度指數為64.5，但最低值僅為33.0(低于強筋小麥標準)。進一步對品質性狀的達標率進行分析發現，不同地區小麥的不同被測指標達到我國二級小麥標準的達標率存在差異，如河北省小麥硬度指數達標率最高(94.9%)，安徽省最低(87.2%)。

表1 2011-2013年度五省小麥樣品籽粒外觀品質性狀Table 1 Appearance quality characters of wheat grain in five provinces from 2011 to 2013

同列平均值數據后不同小寫字母表示差異在5%水平顯著，下同。

TKW:Thousand kernel weight; TW:Test weight; H:Hardness; SR:Standard-reaching rate; UK:Unsound kernel. The mean values followed by different lower-case letters in same column are significantly different at 0.05 level. The same in table 2 and 3.

2.1.2 小麥籽粒品質分析

由表2可知，2011-2013年五省砂姜黑土區抽取的小麥樣品平均粗蛋白含量、濕面筋含量均達到國家強筋小麥標準。其中，江蘇省小麥的平均蛋白質含量、濕面筋含量和面筋指數均最低，分別為14.9%、32.0%和72.5%，山東省面筋指數最高，為83.8%。降落數值則以河北省最低，為308.3 s，山東省最高，為356.6 s。沉降值以江蘇省小麥樣品最大，為59.0 mL，山東省最低，為46.3 mL。不同品質指標的變異系數不同，面筋指數、降落值和沉降值的變異系數相對較大，而蛋白質含量和濕面筋含量的變異系數則相對較小。不同省份比較，江蘇省小麥的蛋白質含量、濕面筋含量、面筋指數平均值均最低，沉降值顯著高于其他省份；山東省小麥的面筋指數和降落數值均最高，沉降值最低；河北省小麥的降落數值最低。各省小麥不同被測指標的達標率不同，江蘇省小麥的蛋白質含量、濕面筋含量達標率均最低(77.7%，70.2%)，沉降值達標率卻是最高(90.4%)；而河北和河南小麥各指標的達標率均較高。

2.1.3 小麥籽粒的面團流變學特性分析

由表3可知，五個省份3年抽取的小麥籽粒樣品的吸水率平均值差異不大，且均達到我國專用中強筋小麥品質標準(吸水率≥60.0%)。山東省小麥樣品的最大拉伸阻力(632.2 BU)顯著高于其他省份，穩定時間和延伸度也最長，為20.2 min和165.2 mm；河南省小麥樣品的弱化度最高，為61.7 BU，顯著高于其他省份。從變異系數來看，河南省小麥樣品的吸水率、弱化度和最大拉伸阻力的變異系數最高，分別為6.8%、71.0%和46.1%；河北省小麥樣品的形成時間和穩定時間的變異系數最大，分別為106.6%和83.1%；安徽省小麥的延伸度變異系數最高，為37.3%。從品質指標的達標率來看，江蘇省小麥樣品的吸水率、穩定時間、最大拉伸阻力達標率最高，分別為62.8%、87.2%和89.4%。

表2 2011-2013年度五省小麥樣品籽粒蛋白質品質指標Table 2 Protein quality characters of wheat grain in five provinces from 2011 to 2013

PC:Protein content; SR:Standard-reaching rate; WG:Wet gluten content; GI:Gluten index; FN:Falling number; SV:Sedimentation value.

表3 2011-2013年度五省小麥樣品面團流變學特性Table 3 Dough rheological properties of wheat in five provinces from 2011 to 2013

WA:Water absorption; DT:Development time; ST:Stability time; DS:Degree of soften; MR:Maximum resistance; E:Extensibility.

2.2 不同品質性狀的基因與環境及其互作效應分析

由表4可知，硬度指數、沉降值、蛋白質含量、濕面筋含量、面筋脂數、形成時間、穩定時間和拉伸面積均受基因型、環境及其交互作用的顯著或極顯著影響；容重和不完善粒受基因型和環境的顯著或極顯著影響；環境對千粒重影響達顯著水平；吸水率、最大拉伸阻力和延伸性則受基因型影響顯著。對于吸水率、形成時間、硬度指數和蛋白質含量來說，其基因型的F值相對較高，表明這幾個指標受基因型影響較大。而不完善粒、千粒重和沉降值則以環境作用的F值較高，表明這幾個指標受環境影響的效應較大。

2.3 幾個品質指標的AMMI模型分析

對小麥籽粒的蛋白質品質和面團流變學特性受交互作用影響顯著的幾個指標進一步用AMMI模型進行分析，結果如表5所示，沉降值、蛋白質含量、形成時間和穩定時間4個指標的IPCA1、IPCA2均達到了顯著水平，可用雙標圖分析其遺傳與環境效應。

表4 小麥品質指標的方差分析(F值)Table 4 Variance analysis wheat kernel quality characters(F value)

*P<0.05；**P<0.01。下同。The same below.

表5 部分指標的AMMI模型分析結果Table 5 Analysis of part index with AMIMI model

2.4 籽粒蛋白質含量與沉降值的環境效應

用AMMI模型的雙標圖分析不同環境條件下籽粒蛋白質含量和沉降值，結果如圖1(左)所示。在蛋白質含量的雙標圖中，B(濟麥20)、E(新麥26)離原點較近，表明對于蛋白質含量而言，這兩個品種與環境的交互作用較小，穩定性較好；A(衡觀35)、F(鄭麥366)離原點距離較遠，表明這兩個品種的蛋白質含量對環境比較敏感。不同地點比較發現，7(新鄉)、11(濱州)和1(亳州)離原點較近，表明這幾個試點對蛋白質含量的鑒別力較小，而9(周口)和6(漯河)離原點較遠，表明這些試點對蛋白質含量的鑒別力較大。品種在原點與試點連線上的垂直投影到原點的距離代表其在此試點的最大交互效應，品種C(西農979)和D(新麥19)在試點5(南陽)和6(漯河)有較大的正向交互作用。在沉降值雙標圖(圖1右)中， B(濟麥20)和G(鄭麥7698)離原點較近，表明就沉降值而言，這兩個品種對環境不敏感；而A(衡觀35)和F(鄭麥366)離原點較遠，表明其對環境較敏感；地點9(周口)離原點最遠，表明其對沉降值有較高的鑒別力。

2.5 面團形成時間及穩定時間的環境效應

由圖2(左)可知，D(新麥19)和F(鄭麥366)離原點較近，表明就形成時間而言，這兩個品種對環境不敏感，穩定性較好；而C(西農979)和E(新麥26)離原點較遠，表明其對環境比較敏感；品種C(西農979)在試點11(濱州)、品種E(新麥26)在試點10(濰坊)有較大的正向交互作用。圖2(右)穩定時間雙標圖表明，品種G(鄭麥7698)和F(鄭麥366)距離原點較近，表明這兩個品種對環境不敏感，穩定性較好，而品種A(衡觀35)和E(新麥26)則距離原點較遠，說明其對環境敏感；試點11(濱州)、10(濰坊)和13(菏澤)離原點較遠，表明這些試點對面團穩定時間的鑒別力較高；品種A(衡觀35)在試點13(菏澤)、品種E(新麥26)在試點9(周口)有較大的正向交互作用。

圖中字母A、B、C、D、E、F、G、H依次分別代表品種衡觀35、濟麥20、西農979、新麥19、新麥26、鄭麥366、鄭麥7698和周麥24；數字1～13則分別代表亳州、宿州、阜陽、邢臺、南陽、漯河、新鄉、濮陽、周口、濰坊、濱州、泰安、菏澤試點。

A, B, C, D, E, F, G and H represent Hengguan 35, Jimai 20, Xinong 979, Xinmai 19, Xinmai 26, Zhengmai 366, Zhengmai 7698 and Zhoumai 24, respectively. The number 1 to 13 represent Bozhou, Suzhou, Fuyang, Xingtai, Nanyang, Luohe, Xinxiang, Puyang, Zhoukou, Weifang, Binzhou, Taian, and Heze, respectively. The same in figure 2.

圖1籽粒蛋白質含量和沉降值的雙標圖分析

Fig.1Biplotanalysisofgrainproteincontentandsedimentationvalue

圖2 面團形成時間和穩定時間的AMMI雙標圖分析

3 討 論

3.1 強筋小麥品種在黃淮砂姜黑土區的品質差異

砂姜黑土是黃淮平原典型的中低產土壤類型，但其獨特的土壤特性有利于強筋小麥的生產。研究表明，砂姜黑土利于小麥各蛋白組分的積累和濕面筋含量的增加[15-16]；小麥籽粒的品質性狀受環境影響較大[17]。本研究結果表明，各省份小麥平均千粒重均達到40 g，最高達55.2 g；籽粒平均蛋白質含量均達到15%以上(除江蘇省為14.9%)，表明砂姜黑土有利于強筋小麥品質改善，小麥籽粒容重在黃淮砂姜黑土各省區變異幅度最小，而不完善粒變異幅度最大；山東省小麥平均千粒重最低，而河南、河北兩省平均不完善粒較高。這表明不同環境類型對小麥籽粒不同外觀指標影響不同。蛋白質含量和質量對小麥籽粒營養品質和加工特性至關重要，并直接影響食品加工品質[18-19]。我國小麥主產省籽粒蛋白質含量呈北高南低和東高西低趨勢，由于過度追求高產，甚至導致部分地區強筋小麥面筋強度降低[8]。本研究中，2011-2013年五省砂姜黑土區供試小麥籽粒粗蛋白和濕面筋平均含量均達到國家強筋小麥標準，但變幅較大，其中，蛋白質含量最低僅11.6%。不同省份不同被測指標的達標率不同，如山東省蛋白質含量和濕面筋含量達標率分別為88.0%和89.1%，但沉降值達標率只有59%，因此，提高山東小麥沉降值有助于該區強筋小麥發展。面團流變學特性與面粉的加工品質直接相關[5-6]。且受地域和氣候影響較大[20]。本研究中，供試小麥平均面團吸水率和穩定時間均達到我國專用強筋小麥品種品質標準，但不同省份達標率存在顯著差異，因此，應該根據生態點環境選擇種植品種，以提高優質小麥品質。從不同指標達標率來看，硬度指數的達標率較高，而吸水率的達標率較低。因此，應加強低達標率品質指標的改善工作，使強筋小麥品質得到全面提高。

3.2 小麥品質性狀的環境效應

研究表明，基因和環境共同決定著小麥的品質[21-22]。蛋白質和濕面筋含量受生態環境及栽培條件影響較大，沉降值主要由基因型控制，而面團流變學特性受基因型、環境及栽培方式共同影響[23-25]。本試驗結果顯示，硬度指數、沉降值、蛋白質含量、濕面筋含量、形成時間、穩定時間和拉伸面積均受基因型、環境及其交互作用顯著影響，這與前人研究基本一致。

AMMI模型是分析基因型與環境互作效應的有效工具[26-28]。本研究結果表明，就蛋白質含量和沉降值而言，濟麥20對環境不敏感，具有較好的穩定性；衡觀35和鄭麥366對環境比較敏感；說明濟麥20可以在較廣的區域內種植，而衡觀35和鄭麥366在適宜地點種植更能有利于蛋白質含量和沉降值的提高。鄭麥366的形成時間和穩定時間均有較好的穩定性，新麥26對環境敏感，這表明鄭麥366在較廣的范圍內種植均可以獲得較高的形成時間和穩定時間，而新麥26則在適宜地點種植則更有利于面團特性的改善。對于不同品質參數而言，不同品種受環境的影響程度不同，如西農979的蛋白質含量和沉降值在南陽和漯河有較大提高，但會降低其形成時間和穩定時間。因此，如何選擇適宜的生態環境來提高小麥綜合品質還需要進一步的研究。

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