Pins基因等位變異對磨粉品質和新疆拉面加工品質的影響

桑 偉,劉鵬鵬,聶迎彬,崔鳳娟,韓新年,孔德真,鄒 波, 徐紅軍,穆培源

(1.新疆農墾科學院作物研究所，新疆石河子 832000； 2.谷物品質與遺傳改良兵團重點實驗室，新疆石河子 832000；)

籽粒硬度是小麥最重要的品質性狀之一，影響潤麥加水量、出粉率和破損淀粉粒含量等性狀，進而影響面制品加工品質[1]。小麥可按籽粒硬度分為硬質麥和軟質麥兩大類，其中硬質麥面粉顆粒度較大，破損淀粉粒含量較高，具有較強的吸水能力，適合制作面包和優質面條；而軟質麥面粉顆粒度較小，破損淀粉粒含量較低，吸水能力較弱，適合制作餅干和糕點類食品。硬質小麥一般蛋白質含量較高，且籽粒中蛋白質和淀粉結合程度較強[2]。籽粒硬度主要取決于淀粉顆粒表面puroindoline蛋白含量的差異，不同puroindoline基因型的差異主要由Pina和Pinb基因(合稱Pins基因)的變異類型決定。目前研究一致認為，Pina基因不表達或Pinb基因發生突變均會導致小麥胚乳質地變硬[3]，但是不同的突變類型對硬度的影響不同，如Pina-D1b突變類型小麥的籽粒硬度較Pinb-D1b突變類型高[3-9]。目前已在普通小麥和近緣植物中發現了17種Pina變異類型(Pina-D1a,Pina-D1b,Pina-D1c,Pina-D1d,Pina-D1e,Pina-D1f,Pina-D1g,Pina-D1h,Pina-D1i,Pina-D1j,Pina-D1k,Pina-D1l,Pina-D1m,Pina-D1n,Pina-D1o,Pina-D1p,Pina-D1q)和25種Pinb變異類型(Pinb-D1a,Pinb-D1b,Pinb-D1c,Pinb-D1d,Pinb-D1e,Pinb-D1f,Pinb-D1g,Pinb-D1h,Pinb-D1i,Pinb-D1j,Pinb-D1k,Pinb-D1l,Pinb-D1m,Pinb-D1n,Pinb-D1o,Pinb-D1p,Pinb-D1q,Pinb-D1r,Pinb-D1s,Pinb-D1t,Pinb-D1u,Pinb-D1v,Pinb-D1w,Pinb-D1aa,Pinb-D1ab)[3-4,10-15]，其中Pina-D1ac是在新疆地方品種喀什白皮和前蘇聯品種紅星春麥中發現的新變異類型[16]。

不同puroindoline基因型對小麥磨粉品質和食品加工品質具有重要影響。研究表明，Pinb-D1b基因型的小麥在磨粉、饅頭、面條和面包加工品質等方面均略優于其他類型[17-19]。Giroux等[20]、Martin等[6-7]、Cane[8]等和Nagamine等[9]認為Pina-D1a/Pinb-D1b基因型小麥的出粉率、磨粉評分、面粉顆粒大小、亮度(L*值)、紅度(a*值)、面團形成時間和延展性均高于Pina-D1b/Pinb-D1a基因型，但灰分含量和吸水率較低。陳 鋒等[1]研究表明，Pina-D1a/Pinb-D1b基因型小麥的籽粒硬度、面粉灰分含量和面粉a*絕對值均顯著低于Pina-D1b/Pinb-D1a基因型。Ma等[21]認為Pina-D1b/Pinb-D1a基因型小麥的破損淀粉率高于其他基因型，但亮度(L*值)較低；Pina-D1b/Pinb-D1d基因型小麥的破損淀粉含量、出粉率和黃度(b*值)均低于其他基因型，但亮度(L*值)較高。Chen等[22]研究表明，Pinb-D1b基因型小麥制作的饅頭、面條和面包加工品質均優于Pina-D1b基因型和野生型。Pinb-D1a～g這7種基因型小麥的硬度值和破損淀粉粒含量低，出粉率則相對較高，其中，Pinb-D1g和Pinb-D1e基因類型的中國鮮面條評分高，Pinb-D1c和Pinb-D1d類型的饅頭品質優，Pinb-D1f類型的面包品質優[21,23]。Eagles等[24]認為野生型(Pina-D1a/Pinb-D1a)面條的L*值、黃亮度(L*-b*)值和軟硬度均顯著好于Pina-D1b/Pinb-D1a基因型，但b*值較低；Pina-D1a/Pinb-D1b基因型的面條品質優于Pina-D1a/Pinb-D1a和Pina-D1b/Pinb-D1a基因型。

前人對新疆麥區在內的主要小麥品種籽粒硬度表型及其基因組成和分布已經進行了比較詳細的研究報道[5,25-27]，但尚未對puroindoline基因型對籽粒硬度、磨粉品質和新疆拉面加工品質的影響進行系統分析。因此，本研究以109份新疆冬小麥品種(系)為材料，利用已開發的功能標記對供試材料進行Pins基因不同等位變異類型的檢測，并結合籽粒硬度、磨粉品質性狀和新疆拉面加工品質的測定，對不同puroindoline基因型對籽粒硬度、磨粉品質和新疆拉面加工品質的影響進行綜合評價與分析，以期為新疆優質小麥品種選育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試材料為109份新疆冬小麥品種(系)(表1)，包括新疆地方品種、國內外引進品種以及90年代以來審定和育成的品種和新品系，具有較好的代表性。參試冬小麥品種分別于2007年、2008年種植在新疆農墾科學院作物所試驗站，采用順序排列，2次重復，每個材料種植10行，行長1.8 m，行距0.25 m，條播，播種量2.33萬粒·hm-2，田間管理按大田常規方法進行。2008年7月、2009年7月冬小麥正常成熟后，采用人工收獲，收獲后每個小區取2.0 kg籽粒，2個重復小區混合后得到4.0 kg籽粒作為分析樣品。小麥籽粒室溫存放1個月后制粉，根據硬度不同加水潤麥，軟質麥、混合麥、硬質麥分別加水至14.0%、 15.0%、16.0%，潤麥18～20 h，采用德國Brabender公司 Quandrmat Senior磨制面粉，面粉樣品室溫存放1個月后開始測定品質，并在2個月內完成全部測試內容。

1.2 測定方法

1.2.1 品質性狀的測定

籽粒硬度的測定：將小麥樣品于同一條件下放置3 d，水分控制在11%～13%之間。采用瑞典PERTEN公司生產的4100型單籽粒谷物特性測定儀(single kernel characterization system，SKCS)測定300粒小麥樣品的籽粒硬度。每個樣品測試結果為300粒小麥的平均值。根據SKCS儀顯示的硬度級別(硬質H、軟質S和混合型M)確定其質地類型(硬質麥、軟質麥或混合麥)，同時記錄硬度指數和硬度分布頻率。樣品的硬度指數小于40為軟質麥，大于60為硬質麥，介于二者之間為混合麥。具體分類根據樣品的籽粒硬度指數和分布頻率確定。

面粉灰分含量的測定：使用丹麥FOSS公司1241型近紅外谷物成分分析儀按照AACC08-01方法測定面粉灰分含量。

面粉色澤的測定：使用日本KONICA MINOLTA 公司Minolta CR-310色彩色差儀測定面粉色澤，使用D65的CIE-L*、a*、b*的色度系統，L*值表示黑-白(亮)度，值越大則越白(亮)；a*值表示綠-紅色，值越大則越紅；b*值表示藍-黃色，值越大則越黃。

吸水率的測定：使用美國National manufacturing公司的10 g電子型揉面儀按AACC54-40A方法測定吸水率。

1.2.2 新疆拉面制作和評價

參照本實驗室制定的《新疆拉面制作和評價方法》[28]，略有改進。新疆拉面制作方法中煮面時間由5 min改為拉面漂起水面即為煮熟，然后將拉面取出用自來水沖淋1 min。

1.3 Pins基因型的分子檢測

基因組DNA提取、STS標記檢測、CAPs標記酶切鑒定和基因型序列分析均參照Wang等[16]和王 亮等[27]的方法。

1.4 數據分析

采用SPSS 17.0進行樣品平均數差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 新疆冬小麥品種籽粒硬度特性及其Pins基因的分布頻率

從表1可以看出，在109份供試品種(系)中，硬質麥有76份，占69.72%；混合麥有25份，占22.94%；軟質麥有8份，占7.34%。說明新疆冬小麥品種(系)以硬質麥為主。

對109份新疆冬小麥品種(系)的Pins基因型進行分子檢測，結果表明，Pina基因型存在Pina-D1a(野生型)和Pina-D1b兩種等位變異類型，占比分別為93.58%和6.42%；Pinb基因型存在Pinb-D1a(野生型)、Pinb-D1b、Pinb-D1p、Pinb-D1ab和Pinb-D1aa5種等位變異類型，占比依次為16.51%、59.63%、21.11%、1.83%和 0.92%。Pina和Pinb基因型組合類型共有Pina-D1a/Pinb-D1a、Pina-D1a/Pinb-D1b、Pina-D1a/Pinb-D1p、Pina-D1a/Pinb-D1ab、Pina-D1a/Pinb-D1aa和Pina-D1b/Pinb-D1a六種，占比依次為10.09%、59.63%、21.11%、1.83%、 0.92%和6.42%。這些研究結果說明，Pina-D1a、Pinb-D1b、Pina-D1a/Pinb-D1b是新疆冬小麥品種(系)籽粒硬度Pins的主要基因型和基因型組合，硬質麥主要來源于Pinb的突變。

參試冬小麥品種(系)Pina和Pinb基因型組合(表1)中，11份Pina-D1a/Pinb-D1a基因型材料中有7份為軟質麥，4份為混合麥；65份Pina-D1a/Pinb-D1b基因型材料中有57份為硬質麥，8份為混合麥；23份Pina-D1a/Pinb-D1p基因型材料中有21份為硬質麥，2份為混合麥；2份Pina-D1a/Pinb-D1ab材料、1份Pina-D1a/Pinb-D1aa基因型材料和7份Pina-D1b/Pinb-D1a基因型材料均為硬質麥。總之，軟質麥的Pina和Pinb基因均為野生型，硬質麥中Pina或Pinb基因卻發生了突變，混合麥介于二者之間，說明基因型與表現型基本一致。

2.2 不同Pins基因型和基因型組合對小麥籽粒硬度及磨粉品質的影響

從表2可以看出，不同Pins基因型之間小麥面粉L*值和a*值的差異均未達到顯著水平，而籽粒硬度、出粉率、灰分含量、b*值和吸水率5個指標的差異達到顯著水平。其中，Pinb-D1a基因型(野生型)小麥的籽粒硬度最低，為48.5，但面粉色澤最好，L*值最高(91.33)，a*值(-1.15)和b*值 (9.22)最低，其籽粒硬度與Pina-D1a(野生型)及其他突變類型間的差異達到顯著水平。不同Pins基因型中，Pina-D1b基因型小麥的籽粒硬度(68.8)最高，與Pinb-D1a基因型相比，差異顯著，而與其他基因型間無顯著差異;Pinb-D1aa基因型小麥的出粉率(67.2%)最高，與Pinb-D1ab基因型小麥相比，差異顯著，而與其他基因型間無顯著差異;Pinb-D1ab基因型的灰分含量(0.40%)最低、吸水率(62.0%)最高，其中，灰分含量與Pina-D1b基因型間差異顯著，吸水率與Pinb-D1a、Pinb-D1a、Pinb-D1b和Pinb-D1p這4種基因型間的差異均達顯著水平。

從表3可以看出，不同Pins基因型組合小麥的籽粒硬度顯著高于Pina-D1a/Pinb-D1a基因型(野生型)，其中，Pina-D1b/Pinb-D1a基因型組合的硬度最高，其他基因型組合的硬度大小依次為Pina-D1a/Pinb-D1ab>Pina-D1a/Pinb-D1p>Pina-D1a/Pinb-D1b>Pina-D1a/Pinb-D1aa，這5種基因型組合間的籽粒硬度無顯著差異。Pina-D1a/Pinb-D1aa基因型組合的出粉率顯著高于野生型和其他組合類型，Pina-D1a/Pinb-D1ab基因型組合的出粉率最低，與野生型間無顯著差異。Pina-D1a/Pinb-D1ab基因型組合的灰分含量最低，與Pina-D1a/Pinb-D1aa基因型間組合類型間無顯著差異，而與野生型及其他基因型間差異顯著。野生型的L*值最高，其次是Pina-D1a/Pinb-D1ab和Pina-D1a/Pinb-D1aa，且這3種基因型組合間差異不顯著；Pina-D1b/Pinb-D1a、Pina-D1a/Pinb-D1b和Pina-D1a/Pinb-D1p基因型組合小麥的面粉L*值均顯著低于野生型。不同基因型組合類型間的a*值差異不顯著。野生型的b*值最低，與Pina-D1a/Pinb-D1b基因型間差異不顯著，而與其他基因型間差異顯著。Pina-D1a/Pinb-D1ab的吸水率最高，與Pina-D1a/Pinb-D1aa、Pina-D1b/Pinb-D1a和Pina-D1a/Pinb-D1b3種組合類型間無顯著差異，而與Pina-D1a/Pinb-D1p和Pina-D1a/Pinb-D1a之間的差異達到顯著水平。

表3 不同Pins基因型組合小麥籽粒硬度、磨粉品質的比較

2.3 不同Pins基因型和基因型組合對新疆拉面加工品質的影響

從表4和表5可以看出，不同Pins基因型及其基因型組合間的新疆拉面加工品質評價指標基本沒有差異，僅基因型Pina-D1a、Pina-D1b、Pinb-D1a、Pinb-D1b和Pinb-D1p與Pinb-D1ab以及基因型組合Pina-D1a/Pinb-D1a(野生型)、Pina-D1a/Pinb-D1b和Pina-D1a/Pinb-D1p與Pina-D1a/Pinb-D1ab的表觀狀態、黏彈性2個指標存在顯著差異，其他Pins基因型及其基因型組合間的拉面手感、適口性、光滑性、食味、色澤和拉面總分6個評價指標無顯著差異。

表4 不同Pins基因型新疆拉面加工品質的比較

表5 不同Pins基因型組合新疆拉面加工品質的比較

根據新疆拉面感官評價標準(≥85分為優，75～85分為良，65～75分為中，≤65分為差)，本研究中拉面感官評價總分≥85分的冬小麥品種有11個。這11個品種均為Pina-D1野生型和Pinb-D1突變類型，其中突變類型中，有9個品種為Pinb-D1b，2個品種為Pinb-D1p；從Pins基因型組合來看，9個品種為Pina-D1a/Pinb-D1b，2個品種為Pina-D1a/Pinb-D1p。

3 討 論

本研究表明，新疆冬小麥品種籽粒硬度Pins基因型中，Pina基因存在2種等位變異，Pinb基因存在5種等位變異，與已發現的17種Pina和25種Pinb變異類型[3-5,10-15]相同，Pins基因型組合類型有6種，其中Pina-D1a/Pinb-D1b數量最多，占59.63%，與我國冬小麥中最常見的基因組合類型[29]也一致。與前人研究結果相比，Pins基因型分布頻率與王 亮等[27]、哈力旦等[25]關于新疆冬小麥的研究結果一致，Pins基因型組合分布頻率同王 亮等[31]的研究結果一致，與哈力旦等[25]、叢 花等[26]的研究結果存在較大的差異，原因可能是研究材料的來源和數量不同造成的。本研究供試材料均為冬小麥，包括地方品種 (7.34%)、引進品種(系)(29.36%)、新疆自育品系(38.53%)和新疆審定品種(24.77%)，其中新疆審定品種和自育品系數量較多，具有較好的代表性。

籽粒硬度是小麥品質評價的重要指標之一，Pins基因是形成小麥籽粒硬度的基礎，其變化會影響puroindolin蛋白的變化，進而影響小麥胚乳質地的變化，PINA 蛋白的缺失或編碼PINA和PINB 蛋白的基因突變均可造成小麥胚乳質地變硬[3-5]，且不同Pins基因型對籽粒硬度大小的影響不同。本研究中Pins基因突變類型及其組合類型的籽粒硬度均顯著高于野生型，不同Pins基因型的籽粒硬度大小也存在差異， 其中，Pina-D1b基因型的籽粒硬度最高(68.8)，Pinb-D1a(野生型)的籽粒硬度最低(48.5)，Pina-D1a(61.9)、Pinb-D1b(64.6)和Pinb-D1p(66.5)三種主要基因型間的籽粒硬度無顯著差異；不同Pins基因型組合的籽粒硬度大小也存在差異，其中，Pina-D1b/Pinb-D1a基因型組合的籽粒硬度最高(68.8)，其他依次為Pina-D1a/Pinb-D1ab>Pina-D1a/Pinb-D1p>Pina-D1a/Pinb-D1b>Pina-D1a/Pinb-D1aa，這5個基因型組合與Pina-D1a/Pinb-D1a間差異顯著，這與王 亮等[27]、陳 鋒等[30]的研究結論基本一致。此外，在23個Pina-D1a/Pinb-D1p基因型材料中，新冬17號的籽粒硬度最高(80.5)；11個野生型(Pina-D1a/Pinb-D1a)材料中，新冬21號的籽粒硬度最低(11.5)，說明這兩個新疆冬小麥品種為籽粒硬度的特異材料，值得進一步研究和利用。

不同Pins基因型對磨粉品質具有重要影響[21]。本研究中，Pinb-D1a基因型的籽粒硬度最低，面粉色澤最好，L*值最高，a*值和b*值最低；Pina-D1b基因型的籽粒硬度和灰分含量最高，與前人研究結果一致[6,22-23]；Pinb-D1aa基因型的出粉率最高，與前人研究結果不同，原因可能是陳 鋒等[1]、Martin等[6]、Chen等[22]和Giroux等[31]等均采用春小麥或雜種后代為材料，以及馬冬云等[23]用Pinb-D1近等基因系為材料，而本研究供試材料為新疆冬小麥品種(系)。此外，Pina-D1b、Pinb-D1p、Pinb-D1aa基因型與Pinb-D1ab基因型間出粉率的差異均達到顯著水平，與Martin等[6]和Giroux等[31]結果一致。不同Pins基因型組合中，野生型的籽粒硬度最低，面粉色澤最好；Pina-D1a/Pinb-D1aa基因型組合的出粉率最高，Pina-D1a/Pinb-D1ab基因型組合的灰分含量最低，吸水率最高。前人研究表明，籽粒硬度與吸水率、面粉黃度(b*值)和灰分含量呈極顯著或顯著正相關，與面粉亮度(L*值)呈極顯著負相關[9,22]。本研究中不同Pins突變類型間籽粒硬度的差異不顯著，制粉過程中硬度大的小麥更易形成較多的破損淀粉顆粒，導致小麥粉吸水率增大，但硬度過大不利于面粉色澤的改善。這與陳 鋒等[1]、Nagamine等[9]、Chen等[22]、桑 偉等[32]的研究結果一致。

不同Pins基因型對面食加工品質的影響不同[21]。Chen等[22]認為Pinb-D1b基因型小麥的面條a*值、黏彈性和評價總分高于Pina-D1b類型和野生型。Eagles 等[24]認為野生型的面條L*值、黃亮度(L*-b*)值和軟硬度分值顯著高于Pina-D1b/Pinb-D1a類型，但b*值顯著較低；Pina-D1a/Pinb-D1b類型的面條品質優于Pina-D1a/Pinb-D1a和Pina-D1b/Pinb-D1a2種類型。本研究發現，新疆拉面加工品質中僅Pinb-D1ab、Pina-D1a/Pinb-D1ab基因型的表觀狀態、黏彈性與野生型和其他Pins基因突變類型存在顯著差異(除Pinb-D1aa、Pina-D1b/Pinb-D1a和Pina-D1a/Pinb-D1aa)，拉面手感、適口性、光滑性、食味、色澤和拉面總分在不同Pins基因型及其基因型組合間均無顯著差異，說明Pins基因及其基因型組合對新疆拉面加工品質無顯著直接影響。這與Chen等[22]、Eagles 等[24]等研究的結果不同。原因可能是本研究供試材料雖具有新疆代表性，但Pinb-D1aa和Pinb-D1ab基因型樣本數量過少，研究結果還需進一步驗證。從拉面總分為優(≥85分)的Pins基因型中可以看出，11個優良拉面品種中有9個品種為Pinb-D1b(占 81.82%)基因型，這與我國冬小麥品種籽粒硬度Pins基因主要以Pina-D1a/Pinb-D1b為主有關[29]；Pins基因發生突變，籽粒硬度變大、制粉過程中破損淀粉和灰分含量增加、面粉色澤變差，進而影響拉面表觀狀態、光滑性、色澤、食味和拉面總分。這一分析結果說明，Pins基因突變類型通過影響磨粉品質和面粉品質，進而對新疆拉面加工品質產生間接的影響。這也與前人的研究結果相同[28,32-33]。同時，也再次驗證不同研究的結果受材料來源和數量多少的影響很大，因此，需進行較大規模的試驗進行進一步研究，研究結果有待報告。

4 結 論

新疆冬小麥品種中，Pina基因以野生型為主，Pinb基因以突變型為主。當Pina或Pinb基因發生突變后，冬小麥品種的籽粒硬度、出粉率顯著上升；面粉亮度顯著下降，a*值、b*值和吸水率等顯著升高；新疆拉面適口性變好，但拉面手感、表觀狀態、黏彈性、光滑性、色澤和拉面總分均略有下降，但未達到顯著水平(除Pinb-D1ab的表觀狀態和黏彈性外)。

Pins基因及其基因型組合對新疆拉面加工品質無顯著直接影響，其主要通過影響籽粒硬度、磨粉品質性狀對新疆拉面加工品質產生間接的影響；對于優質新疆拉面品種，Pinb基因突變類型對新疆拉面加工品質的影響大于Pina基因突變類型，育種中應優先選擇Pinb基因突變型材料，其中Pina-D1a/Pinb-D1b可以作為育種中重點選擇的基因型組合。