小麥不溶性谷蛋白含量與HMW-GS及品質的關系

朱保磊,陳金平，李 剛，周國勤，趙萬兵，趙永濤，陳 杰，陳建輝，石守設，詹克慧

(1.信陽市農業科學院，河南信陽 464000；2.信陽市種子管理站，河南信陽 464000；3.漯河市農業科學院，河南漯河 462000；4.駐馬店市農業科學院，河南駐馬店 463000；5.河南省對外科技交流中心，河南鄭州 450003；6.河南農業大學農學院，河南鄭州 450002)

隨著社會經濟的不斷發展，人們對小麥加工品質的要求越來越高。小麥加工品質性狀是多基因控制的復雜數量性狀[1]，品質評價指標的確定關系到小麥品質育種的效率。谷蛋白大聚體(glutenin macropolymer,GMP)是小麥儲藏蛋白的重要組成部分，主要由HMW-GSs和LMW-GSs通過分子內二硫鍵以及分子間范德華力聚合而成。GMP屬于分子量較大的聚合體蛋白，在面筋網絡結構的形成中起著重要作用，可直接影響面團的彈性和延展性，進而影響面制品的食品加工用途[2]。根據GMP在50%正丙醇溶液中的溶解性可將其分為分子量較小的可溶性谷蛋白(soluble glutenin,SG)和分子量較大的不溶性谷蛋白(insoluble glutenin,IG)[3]，IG相對于GMP提取方法簡單，能夠通過分光光度計進行快速和高通量的定量測定，且能夠代表GMP中聚合程度較大的那部分蛋白，對小麥加工品質預測意義較大。

前人關于小麥GMP含量與品質之間的關系研究較多，普遍認為GMP主要對面團延展性和彈性影響較大，進而影響烘焙品質[4-5]。Gupta等[6]用SE-HPLC方法研究了GMP含量與面團流變學特性之間的關系，結果表明，GMP含量與揉混儀的和面時間、粉質儀的面團形成時間及面筋的黏彈特性均有顯著正相關關系。宋建民等[7]通過測定233份小麥面粉的沉淀值與GMP含量之間的關系，發現GMP含量與沉淀值存在極顯著相關性(r=0.923 9)。裴玉賀等[8]研究了166份來自不同地區的小麥HMW-GS組成與GMP含量之間的關系，發現Glu-A1位點1亞基、Glu-B1位點13+16亞基和Glu-D1位點5+10亞基與較高GMP含量顯著相關。雖然前人對GMP含量進行了大量的研究，但多集中研究GMP含量與品質之間的關系，對于IG含量與品質之間的關系研究較少，尤其缺乏對不同HMW-GS與IG含量之間的關系研究。本研究選用不同筋力的176份小麥材料進行IG含量和品質測定，分析IG含量與HMW-GS和品質間的關系，以期為小麥品質遺傳改良提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試小麥材料共176份，全部來自黃淮麥區，主要包括：(1)主栽品種，如西農979、周麥18、鄭麥366等；(2)骨干親本，如小偃6號、周8425B等；(3)正在參加審定試驗的新品系，如濮2056、鄭麥1023等。全部材料于2015至2016年度分別種植于河南省鄭州市河南農業大學科教園區、駐馬店農業科學院試驗基地和商丘市農林科學院試驗基地。采用隨機區組設計，4行區，行長 1.5 m，行距23 cm，按每公頃225萬基本苗播種，2次重復。田間管理同當地大田。

1.2 IG含量、HMW-GS和品質性狀的測定

試驗材料收獲后，利用單籽粒谷物測試系統(SKCS4100 Perten Instruments AB,Sweden)測定樣品的水分含量和硬度。根據硬度值調整潤麥加水量和潤麥時間，用CD1磨粉機(Laboratory Mill CD1)制粉。使用近紅外分析儀(Perten DA 7200)測定蛋白質含量(干基)；采用德國Brabender H型電子粉質儀，參照GB/T 14614-2006測定吸水率和穩定時間。不溶性谷蛋白(IG)的提取與定量測定參照Jin 等[9]的方法進行，但在提取的過程中略有改進(即在漩渦震蕩前向試管中加入一粒鋼珠，使得面粉沉淀能夠與提取液進行充分接觸)。HMW-GS類型的確定，采用劉 麗等[10]的操作方法制備供試樣品的蛋白上樣液和SDS-PAGE膠塊，使用北京六一儀器廠的DYCZ-24DN型垂直電泳儀進行電泳。按照Payne等[11]的HMW-GS命名標準來確定分離條帶的亞基類型。

1.3 數據處理

利用Microsoft Excel 2010進行數據特征數的計算。利用RStudio-1.2.5033軟件中的ggplot2函數進行數據的統計分析和可視化，使用ggsignif函數對Glu-1位點不同亞基及不同亞基組合、穩定時間、蛋白質含量和吸水率與IG含量進行方差分析，多重比較采用LSD法。

2 結果與分析

2.1 供試材料的HMW-GS組成以及品質性狀和IG含量分析

在176份小麥材料中，3個染色體位點共檢測到10種亞基類型，Glu-A1位點上檢測到1、N和2*的分布頻率分別為76.13%、23.30%和 0.57%，Glu-B1位點上檢測到7+8、7+9、13+16、14+15和17+18的分布頻率分別為 22.15%、61.37%、0.57%、13.07%和2.84%，Glu-B1位點上檢測到2+12和5+10兩種亞基類型，其分布頻率分別為51.70%和48.30%，較多亞基類型出現，說明試驗材料來源廣泛，具有很好的代表性。共檢測出16種HMW-GS組合(表1)，其中，含有1/7+9/2+12亞基組合類型的材料最多，占25.57%(45個)，其次為1/7+9/5+10亞基組合類型，頻率為22.16%(39個)，以上兩種HMW-GS組合占比達到47.73%。1/7+8/5+10和N/7+9/2+12亞基組合類型所占比例也較高，分別為 11.36%和10.80%，共有10種HMW-GS組合的出現頻率在5.00%以下。1/7+8/5+10亞基組合的平均IG含量最高，N/14+15/5+10亞基組合的平均IG含量最低。

由表2可知，供試小麥材料的IG含量變化范圍為1.25%～3.71%，平均值為2.44%，變異系數較大，為20.53%，其中，IG含量最低的是洛麥05159 ，最高的是鄭麥9023。面粉蛋白質含量在11.76%～17.24%，平均為14.25%，變異系數為6.86%。吸水率在50.90%～68.80%之間，平均為5.49%，變異系數較小，說明大多數供試材料的吸水率相差不大。穩定時間在1.00～29.90 min之間，平均值為4.57 min，變異系數較大，為95.77%，根據GB/T 17320-2013的品質劃分標準，大多數試驗材料為中筋。說明供試材料之間具有較大的品質差異。

表2 176份小麥品種(系)的品質指標Table 2 Quality parameters of 176 wheat varieties(lines)

2.2 Glu-1位點不同HMW-GS對IG含量的影響

由圖1可知，在Glu-A1位點上，含1亞基類型材料的IG含量顯著高于含N亞基類型的，說明1亞基與較高的IG含量有關。在Glu-B1位點，含7+8亞基類型材料的IG含量顯著高于含7+9和14+15亞基類型的，含17+18亞基材料的IG含量與含7+8、7+9和14+15亞基材料之間差異不顯著。在Glu-D1位點，含5+10亞基材料的IG含量顯著高于含2+12亞基的，說明5+10亞基與高的IG含量有關。同時含有3個優勢亞基組合1/7+8/5+10材料的IG含量顯著高于其他HMW-GS組合，2個優勢亞基的組合1/17+18/5+10亞基類型雖與N/7+8/2+12和1/7+8/2+12等8種亞基組合材料的IG含量間無顯著差異，但顯著高于N/7+9/2+12和N/14+15/5+10亞基組合。有些亞基類型和組合的材料數較少(1～2個)，代表性不強，未比較。

箱線圖上無相同字母表示差異達5%的顯著水平。下同。Different letters above the boxplot indicate significant difference at 5% probability level.The same in figure 2.圖1 Glu-1基因位點不同HMW-GS的IG含量的多重比較Fig.1 Multiple comparison between different HMW-GS at Glu-1 loci and IG content

2.3 IG含量與小麥其他品質性狀間的關系

由圖2可知，蛋白質含量在12.5%～13.0%之間的材料平均IG含量最高，其次是蛋白質含量高于14.0%材料的IG，二者顯著(P<0.05)高于蛋白質含量在12.5%以下的材料。根據GB/T 17320-2013品質標準，穩定時間大于8.0 min為強筋小麥，穩定時間在6.0～8.0 min之間為中強筋小麥，穩定時間在3.0～6.0 min之間為中筋小麥，穩定時間低于3.0 min為弱筋小麥。隨著小麥品種IG含量的提高，穩定時間呈增加趨勢。其中，強筋材料的IG含量顯著(P<0.05)高于其他筋力的，而中強筋和中筋材料之間IG含量無顯著差異，二者顯著高于弱筋材料。說明IG含量可作為小麥品質育種中的預測指標，是提高育種效率的有效方法。根據GB/T 17320-2013對吸水率的劃分，弱筋小麥的吸水率在56.0 mL以下，中筋的吸水率在56～58 mL之間，中強筋的吸水率在58.0～60.0 mL之間，強筋的吸水率為高于60.0 mL。分析吸水量與IG含量之間的關系發現，吸水率高于60.0 mL材料的平均IG含量最高，且顯著(P<0.05)高于58.0～60.0 mL之間的材料，在56.0 mL以下材料的平均IG含量次之，而吸水率在58.0～60.0 mL之間材料的IG含量最低。

圖2 品質性狀與IG含量的關系Fig.2 Relationship between dough quality and IG content

3 討 論

前人研究表明，IG含量是一種典型的數量性狀，并且與面團的粘彈特性、延展性、面包體積有顯著的相關性[9]。Jin等[9]研究了Glu-1位點與IG含量之間的關系，發現對于Glu-1位點，Glu-A1a(1Ax1)，Glu-B1b(1Bx7+1By8)和Glu-D1d(1Dx5 +1Dy10)在不同環境中相對于各位點的其他等位變異顯著地增加IG含量，這與本試驗的結論一致。本研究通過分析供試材料的加工品質與IG含量之間的關系，IG含量能夠較其他單一指標更全面的反映出小麥品種的加工品質，這與Zhang等[12]和Hu等[13]的研究結果一致，表明可以利用IG含量作為篩選育種后代的有效輔助工具。裴玉賀等[8]研究了Glu-1位點不同HMW-GS對GMP含量的影響，其在Glu-A1位點和Glu-D1位點上結論與本研究相一致，但其在Glu-B1位點上其研究結果表明，7+9與7+8與GMP含量的差異不顯著，這與本試驗結論不一致，造成這種現象的原因有兩點：一是本研究中含有7+9亞基類型的部分材料為周8425B(1/7+9/2+12)的衍生品種(系)，而周8425B是1B/1R易位系的典型材料，其衍生品種(系)的IG含量普遍不高，且加工品質不優[14-18]，這也從側面佐證了Jin等[9]的研究結果(即1B/1R易位系能夠顯著降低IG含量，使小麥加工品質變差)；二是本研究的不溶性谷蛋白(IG)是谷蛋白大聚體(GMP)中分子量較大的那一部分蛋白，調控其含量的因素較為復雜，同時受到基因型、環境以及基因型和環境互作的影響[19-20]。

從本研究結果可以看出，5+10亞基與較高的IG含量顯著相關，而5+10亞基作為面包評分較高的亞基類型，在小麥品質改良過程中被廣泛利用[21-22]，但由于HMW-GS的鑒定過程較為復雜[23]。而IG含量的測定具有操作方法簡便、數據可靠性強，并且可以實現高通量的特點，利用測定IG含量來代替試驗步驟復雜的SDS-PAGE，不失為一種安全快速有效的育種輔助手段。本研究也表明，IG含量能夠綜合反映小麥的加工品質，對小麥品質育種具有很高的實用價值。