面包加工品質基因在中國和巴基斯坦小麥品種中的分布與遺傳分析

鄭 琪，李 欣，任根深，王亞翠，王 勇，張愛民

(1.平涼市農業科學院，甘肅平涼 744000； 2.植物細胞與染色體工程國家重點實驗室，中國科學院遺傳與發育生物學研究所/種子創新研究院，北京 100101)

品質改良是當前小麥育種的重要目標，也是促進小麥供給側結構性改革、提升產業競爭力的重要因素[1]。近年來，小麥面包加工品質的改良已成為各地小麥育種的重要目標之一[2]。一般情況下，只有通過烘烤制作并測定面包品質的各項指標方可評價一個品種是否為優質面包小麥品種。烘烤測試只能在育種后期有足夠多的籽粒磨粉才能進行，并且受季節和環境等因素的影響，試驗的重復性比較低[3]。截至目前，通過測定小麥品種籽粒儲存蛋白質含量、高分子量谷蛋白亞基類型以及面粉沉降值、farinogram(粉質圖)吸水率、mixogram(和面圖)峰值等指標快速檢測小麥面包加工品質的報道較多[4-11]，但針對小麥面包加工品質關鍵基因的研究報道較少。Furtado等[12]研究發現，wbm(wheat bread making)基因編碼一個含有48個氨基酸(含4個半胱氨酸殘基)的蛋白質，含有wbm基因的小麥品種具有很好的面包制作品質，并開發了wbm檢測標記。該標記可以快速有效地檢測小麥基因組中是否存在wbm基因。wbm基因高表達的基因型小麥品種均具有良好的面包品質，但不一定具有良好的面團品質[12]。Carlos等[13]研究證實，wbm基因的表達對面筋品質、面筋強度、面筋的延展性和面包品質均有顯著的正向效應，但其效應小于Glu-D1、Glu-B1等基因的表達效應。由于wbm基因的片段較小(961 bp)，在小麥基因庫中出現的幾率低，前人將其與小麥品質聯系起來進行研究的報道很少。本研究利用wbm標記檢測國內外部分優質小麥品種，分析wbm基因的分布與遺傳變異，以期發掘可供選育優質面包小麥品種的優良種質材料。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為196個國內外小麥品種(系)，其中，國內品種(系)104個，主要來自國內新育成或當前主栽的優質小麥品種(系)和部分中國微核心種質，冬性品種57個，春性品種47個；巴基斯坦優質面包小麥品種(系)92個，全部為春性品種(系)。具體品種(系)名稱見表1和表2。

1.2 面包加工基因分子標記及引物

小麥面包加工基因標記的PCR引物對為NWPFor(5′-CCGTCACAAGATTTACAGGGT TG-3′)和NWPRev(5′-TTATGGATCTCTTT ATGTCTGTGT-3′)，該標記位于7L染色體上[12]。

1.3 DNA提取和PCR擴增

采用CTAB法提取小麥幼苗中基因組總DNA。PCR反應體系為20 μL，包括2×Taq Master Mix 10 μL、上下游引物(5 μmol·L-1)各1.5 μL、ddH2O 6 μL和模板DNA(100 ng·μL-1)1 μL。PCR擴增程序為：94 ℃預變性5 min； 94 ℃變性30 s，50 ℃退火30 s，72 ℃延伸2 min，36個循環；72 ℃延伸7 min。PCR產物用1.5%的瓊脂糖凝膠電泳檢測。

2 結果與分析

2.1 中國小麥品種中wbm基因的分布

利用引物NWPFor和NWPRev對來自新疆、甘肅、寧夏、四川以及黃淮流域的104個中國小麥品種(系)的基因組DNA進行PCR擴增，檢測結果(圖1、表1)表明，在57個冬小麥品種(系)中未檢測到wbm基因，在47個春小麥品種(系)中，有2個品種含有wbm基因，即阿春2號和寧春40。104個中國小麥品種(系)攜帶wbm基因的比例僅為1.9%。說明該基因在中國小麥品種中出現的頻率很低。

M：DNA ladder;1：Munal#1(陽性對照，含wbm基因)；2：KAChu#1(陰性對照)；3：阿春2號；4：川麥104；5：川麥42；6：創星8號；7：藁優5766；8：濟麥24；9：隴春22；10：隴春36；11：綿麥367；12：綿麥37；13：寧春40號；14：寧春53號；15：農大3753；16：師欒02-1；17：西農979；18：新春28號；19：新春40號；20：新麥26；21：鄭麥366；22：中優206；23：中麥255；24：周麥26。

表1 104個中國小麥品種(系)中wbm基因的分布

2.2 巴基斯坦小麥品種中wbm基因的分布

利用引物NWPFor和NWPRev對巴基斯坦92個小麥品種(系)的基因組DNA進行PCR擴增，檢測結果(表2，圖2)表明，有8個品種含有wbm基因(圖2)，這8個品種為Anmol-91、BHAKKAR-2000、Imdad-2005、IQBAL-2000、MIRAJ-08、Moomal-2002、SINDHU16和WATAN。92個巴基斯坦小麥品種(系)全部為春性，攜帶wbm基因的比例為8.7%。說明該基因在巴基斯坦春性小麥品種中出現的頻率相對較高。

表2 92份巴基斯坦春小麥品種(系)中wbm基因的分布

M:DNA ladder; 1:Munal#1(positive control with wbm gene); 2:KAChu#1(negative control); 3:Abadgar-93; 4:Anmol-91; 5:BHAKKAR-2000; 6:BHITTAI; 7:CHAKWAL-97; 8:FAISALABAD 85; 9:Hamal-2012; 10:Imdad-2005; 11:LASANI-08; 12:IQBAL-2000; 13:Mehran-89; 14:MEHRAN-89; 15:MH97; 16:MIRAJ-08; 17:Moomal-2002; 18:NAEEM 82; 19:PAK-81; 20:PASTOR; 21:SINDHU16; 22:SKD-1; 23:WATAN; 24:ZAMINDAR-80.

2.3 wbm基因遺傳分析

Furtado等[12]認為，來自澳大利亞的WW-15和Condor小麥品種是wbm基因的最初供體，這兩個品種是國際小麥玉米改良中心(Centro Internacional de Mejoramientode Maizy Trigo，CIMMYT)小麥育種普遍使用的親本材料，并且CIMMYT利用它們已經選育出具有高表達wbm基因的優質面包小麥品種。Guzman等[13]研究表明，來自CIMMYT的Munal#1的親本WAXWING和KIRITATI均含有wbm基因，且其親本也是CIMMYT面包小麥種質資源中wbm基因的供體。本研究對含有wbm基因小麥品種的系譜、類型和來源調查(表3)發現，面包加工品質基因在春小麥品種中分布較廣，巴基斯坦小麥品種中分布的頻率高于中國。攜帶wbm基因的巴基斯坦和中國春小麥品種親本中大多都含有CIMMYT的種質資源。由此可以推斷，wbm基因的最初供體是來自澳大利亞的WW-15或Condor，這兩個種質資源被引入CIMMYT后，又被傳到巴基斯坦和中國的小麥品 種中。

表3 含有wbm基因品種的系譜、類型及來源

3 討 論

從小麥及其近緣植物中發掘新的優質基因，通過分子標記輔助選擇聚合優質基因的小麥品種是小麥品質改良的重要途徑之一。wbm基因自2015年被報道以來，在一部分CIMMTY種質和澳大利亞小麥品種中也被發現[12-13]，但頻率很低。本研究通過檢測104個中國小麥及92個巴基斯坦春小麥品種中wbm基因的分布，發現在國內外小麥品種中，wbm基因出現的頻率也很低 (5.3%)。其中，在中國小麥中的分布頻率為1.9%；在巴基斯坦小麥中品種的分布頻率為8.7%。Rasheed等[14]對來自世界范圍內的4 000余個小麥品種(系)及種質資源進行分析，發現wbm基因的分布頻率也很低，在150個美國小麥品種、94個四倍體材料和267個小麥中國微核心種質中均不含wbm基因，在1 840個中國小麥品種(系)中僅5個含有wbm基因[14]。本研究在45個中國微核心種質中也均未檢測到wbm基因，與前人研究結果一致。極低的分布頻率表明，wbm基因尚未經人工選擇應用在現代小麥品種中，通過分子標記輔助選擇，或者利用轉基因技術，可將優質wbm基因導入適宜的小麥品種(系)中，并開發優質小麥新材料，培育優質小麥新品種。

決定小麥加工品質的遺傳基礎比較復雜，人們長期將小麥品質與其所含高分子量谷蛋白亞基的數量和種類相關聯。近年來研究表明，wbm基因編碼一個富含硫的小分子量蛋白，在面包品質好的小麥品種中表達量較高，可能在谷蛋白和醇溶蛋白形成交聯時發揮作用[12,15]。Guzman等[13]研究表明，wbm基因顯著影響面筋品質、面筋強度、面筋的延展性和面包品質。Rasheed等[14]研究發現，與不含wbm基因的小麥品種綿麥37相比，含有wbm基因的小麥品種綿麥1419的面團延展性和面包體積均有明顯改善[14]。鄭 琪等[16]研究發現，含有wbm基因的小麥中，對面包加工品質有正向作用的高分子量谷蛋白優質亞基2*、17+18、7+8、5+10等分布的頻率也較高，同時在優質面包小麥藁優8901和藁優2018中并不含wbm基因。因此，為了選育具有優良面包加工品質的小麥品種，在選擇具有優良的高分子量和低分子量麥谷蛋白基因組合的同時，還應考慮wbm基因，不僅可以改善面包品質，而且豐富了遺傳基因多樣性。

本研究結果表明，攜帶wbm基因的小麥主要為春性品種，包括2個中國小麥品種(阿春2號、寧春40)和8個巴基斯坦小麥品種，均是新發現的攜帶wbm基因的材料。實際上冬性品種也有攜帶wbm基因的材料。Rasheed等[14]對 2 000余個中國小麥品種(系)進行分析，結果發現，有7個中國材料(川麥38、川麥82、14046、1190722、周11595-5-1-2、晉麥67和新冬21號)攜帶有wbm基因。其中，川麥38和川麥82是春性品種，其系譜來自CIMMYT和人工合成種的材料；新冬21號和晉麥67是冬性小麥品種，從系譜分析來看, 其親本和CIMMYT種質關系不大，推測wbm基因來源可能是多樣化的。