97份安徽省種植小麥品種HMW-GS組成及品質分析

何賢芳，趙 莉，都斌斌，馬 斐,吳子峰，鄭文寅，汪建來

(1.安徽省農業科學院作物研究所,安徽合肥 230031;2.六安市農業科學研究院,安徽六安 237000;3.阜陽市潁州區農技推廣中心,安徽阜陽 236005;4.安徽省農業技術推廣總站,安徽合肥 230031;5.安徽農業大學,安徽合肥 230036)

小麥是當今世界重要的糧食作物之一，其加工品質主要由貯藏蛋白的性質決定。小麥貯藏蛋白主要包括醇溶蛋白和麥谷蛋白。一般來說，醇溶蛋白對面團的延展性很重要，而麥谷蛋白則是面團強度和彈性的主要決定因素。依據分子量大小，麥谷蛋白可分為低分子量麥谷蛋白亞基(LMW-GS)和高分子量麥谷蛋白亞基(HMW-GS)兩個亞家族，HMW-GS是麥谷蛋白主要組成部分，是決定面團彈性的主要因素。HMW-GS由第一組染色體長臂上的位點編碼，3個等位變異分別命名為、和，在每個位點中有兩個緊密連鎖基因，一個是分子量較高的x亞基，另一個是分子量較小的y亞基，其等位基因變異能解釋普通小麥面團特性遺傳變異的70%左右。具有優質HMW-GS亞基和亞基組合的小麥品種通常具有優良的品質特性，因此，研究HMW-GS的組成和特性對提高我國小麥加工品質具有重要意義。

研究發現，在位點有3個等位基因 (，，)，分別編碼1、2和Null亞基；在位點檢測到11個等位基因(～)，其中較為常見的為、、、和，分別編碼 7+8、7+9、6+8和17+18亞基；位點檢測到7個等位基因(～)，其中、和較為常見，分別編碼2+12、4+12和5+10亞基。

HMW-GS不同亞基類型對小麥品質的效應存在差異。研究表明，在位點，1和2相比Null亞基對小麥面包烘烤品質貢獻較大。在位點，14+15亞基對面團彈性有正效應，17+18亞基與面團延展性等正相關。在位點，5+10亞基對面粉品質有正向效應。HMW-GS的遺傳多樣性可作為改良小麥品質的重要資源支撐，因此確定不同小麥品種中的HMW-GS組成，對于小麥品種品質改良具有積極意義。本研究對安徽省種植97份小麥品種的HMW-GS組成及品質性狀進行分析，以期為安徽省小麥品質性狀改良提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與地點概況

選用安徽省主要種植的97份小麥品種，其中半冬性品種59份，春性品種38份，將其依次命名為V1～V97。2018—2019年度在安徽省阜南種植，供試地塊土壤類型為砂姜黑土，0～20 cm基本土壤性質：有機質18.3 g·kg,全氮0.98 g·kg,有效磷19.9 mg·kg，速效鉀147 mg·kg。

1.2 試驗設計

試驗地前茬為玉米。采用隨機區組設計，2次重復，6行區，行長7 m，行距25 cm。適期播種，基本苗2.40×10株·hm；總施氮量為240 kg·hm純氮，設基肥∶拔節肥為7∶3；磷肥(PO)和鉀肥(KO)施用量均為105 kg·hm，一次性基施；其他田間管理同當地大田生產。成熟期分區收獲并清理籽粒樣本，將經清理的2個重復的種子等量混合作為最終測試樣本。

1.3 HMW-GS組成檢測

參考Liu等的聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)方法鑒定HMW-GS組成。

1.4 小麥品質性狀測定

按AACC 55-31用單籽粒谷物測定儀(SKCS 4100,Perten USA)測定硬度指數(hardness index)，根據硬度指數劃分小麥類型，<40為軟質麥，41～60的為混合麥，>60的為硬質麥。按AACC 26-50用Branberder Quadrumat Jr.實驗磨制粉，出粉率為62%～67%。按AACC56-81.03測定降落數值。參照AACC56-11.02測定4種溶劑保持力(solvent retention capacity,SRC)，分別為水溶劑保持力(water SRC)，碳酸鈉溶劑保持力(sodium carbonate SRC)，乳酸溶劑保持力(lactic acid SRC)和蔗糖溶劑保持力(sucrose SRC)。按GB/T 14614-2006用Brabender-Farinograghy-E型粉質儀(德國)測定面團揉混特性，記錄粉質圖參數。利用數顯白度儀(SBDY-1)測定面粉白度；面粉色澤用色彩色差計(CR-400)測定，分別用、和值表示。依據Payne的品質得分標準對不同亞基進行賦分。

1.5 數據分析

利用Excel和Spass 22軟件進行數據統計分析、繪圖，利用 NTSYS 2.10 軟件對不同HMW-GS 等位基因組合進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 HMW-GS等位變異分析

由表1可知，97份品種中，在位點共檢測出10個等位基因，其中在位點發現、和共3個等位基因，對應的亞基類型分別是1、2和Null，出現的頻率分別是57.73%、2.06%和40.21%；位點檢測出3個等位基因，分別是、和，相應的亞基出現頻率依次為52.58% (7+8)、37.11%(7+9)和10.31%(17+18)；位點檢測到4個等位基因，、、以及，出現頻率分別為37.11%(2+12)、16.49%(4+12)、45.36% (5+10)和1.03%(2.2+12)。部分品種的亞基分離圖譜如圖1。

Ⅰ:恒進麥8號;Ⅱ:華成1688;Ⅲ:華成2019;Ⅳ;華成3366;Ⅴ:華成859;Ⅵ:淮麥22;Ⅶ：淮麥29;Ⅷ：淮麥30;Ⅸ：淮麥33;Χ：淮麥35;Ⅺ:淮麥40;CS:中國春；1～18:HMW-GS亞基類型。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.圖1 部分小麥品種和中國春(CS)的SDS-PAGE圖譜Fig.1 SDS-PAGE patterns of some wheat cultivars and Chinese Spring(CS)

表1 97份小麥品種 Glu-1位點的等位基因及其頻率Table 1 Allelic variations and frequency at the Glu-1 loci in the 97 wheat cultivars

2.2 HMW-GS的組成分析

由表2可知，97份品種共檢測到19種HMW-GS亞基組合類型，其中15份品種檢測到1/7+8/5+10亞基組合類型，出現頻率最高，為15.46%，其次為1/7+8/2+12、1/7+9/5+10和Null/7+9/2+12，分別在12、10和9份品種中出現，頻率依次為12.37%、10.31%和9.28%，其他亞基組合類型數量較少。

供試品種亞基組合品質得分分布在4～10范圍內，平均得分為7.58，其中品質得分為10的亞基組合有1/7+8/5+10和1/17+18/5+10兩種類型，共有19份品種，頻率為19.59%；品質得分為9的亞基組合包括1/7+9/5+10和2/7+9/5+10兩種組合，共11份品種，頻率為11.34%；品質得分為8的品種共22份材料，亞基組合有4種類型，分別為1/7+8/2+12、1/17+18/2+12、Null/7+8/5+10和Null/17+18/5+10，所占頻率為22.68%；品質得分8以下的共44份品種，占比45.36%(表2)。

表2 97份小麥品種HMW-GS組合類型及其 Glu-1品質得分Table 2 HMW-GS compositions,frequency and Glu-1 quality score of the 97 wheat cultivars

2.3 HMW-GS等位基因組合的聚類分析

通過對97份品種的19種HMW-GS等位基因組合的相似性進行聚類分析，發現組合間的相似系數在0.50～0.86之間，在相似系數在0.68處可將19種HMW-GS組合劃分為4類，第一類包含10種亞基組合類型，共50個小麥品種；第二類包含5種亞基組合類型，共37個供試材料；第三類僅含有一種亞基組合類型，有2個品種；第四類包含3種亞基組合類型，屬于此類的供試材料有8個(圖2)。

圖2 97份小麥品種19種HMW-GS等位基因組合的聚類分析Fig.2 Cluster analysis based on the 19 allele combinations of the 97 wheat cultivars

2.4 品質性狀特點

如表3所示，97份小麥品種的硬度指數在 19.00～77.00之間，平均值為47.12，變異系數為36.12%；降落數值變異范圍為72.00～636.00 s，均值464.62 s，變異系數為17.90%；四種溶劑保持力在供試材料中的變異系數均較小，在10% 左右。

表3 97份小麥品種品質性狀Table 3 Quality traits of the 97 wheat cultivars

粉質參數中，除吸水率的變異系數較小，為 6.55%，其他性狀在供試材料中的變異系數均較大，其中形成時間最大，為125.19%，變異范圍在1.20～35.20 min之間，其次為粉質質量指數的變異系數，為89.41%，變化范圍為20.00～ 456.00；穩定時間在1.30～32.60 min之間，變異系數為82.44%；弱化度在4.00～138.00之間，變異系數為57.17%。粉色參數中，和的變異系數較小，分別為 3.22%和 2.90%，和變異系數分別為 33.57%和19.06%。

2.5 品質性狀間的相關性分析

從不同品質性狀間的相關性分析結果(圖3)可以看出，弱化度與粉色性狀中的、和呈極顯著正相關(<0.01)，其他品質性狀均與弱化度和、及呈顯著負相關(<0.05)；降落數值和粉色參數與近半品質性狀無明顯相關性或相關系數較低；其他品質指標間基本呈顯著正相關(<0.05)。

×表示不顯著。×：Correlation not significant.圖3 小麥不同品質性狀間的相關性分析Fig.3 Correlation analysis among different quality traits of wheat

2.6 HMW-GS不同位點品質性狀的方差分析

由表4可知，位點僅對4種溶劑保持力指標有顯著影響(<0.05)；位點對硬度指數、除乳酸外的3種溶劑保持力、吸水率以及弱化度的影響達顯著水平；位點對降落數值、吸水率、蔗糖和碳酸鈉溶劑保持力有顯著影響；與位點互作對降落數值和蔗糖溶劑保持力的影響均顯著；+對所有品質性狀均無顯著互作效應；+對降落數值、吸水率及的影響達顯著水平；++對硬度指數、4種溶劑保持力和吸水率均有顯著影響。

表4 HMW-GS不同位點對品質性狀的方差分析(F值)Table 4 Variance analysis(F value)of HMW-GS loci effect on quality traits

2.7 不同HMW-GS類型對品質性狀的影響

由表5可知，8種不同的亞基類型(樣本數≥3)對品質性狀的影響存在差異。位點17+18亞基的硬度指數顯著高于其他亞基類型，位點2+12亞基的硬度指數最低；在降落數值方面，位點的4+12亞基最高，與2+12和Null亞基存在顯著差異(<0.05)，其他亞基間差異不顯著。在4種溶劑保持力上，位點的17+18亞基最高，亞基類型對乳酸溶劑保持力無顯著影響，其對余3個溶劑保持力均有顯著影響。粉質圖參數中，吸水率和形成時間在不同亞基下略有差異，在穩定時間上，位點 17+18亞基顯著高于多數亞基類型，Null亞基最低；對于弱化度，位點2+12亞基最高，其次是Null亞基和7+9亞基，位點17+18亞基最低；在粉質質量指數方面，不同亞基間存在一定差異，位點17+18亞基最高，其次是1亞基和5+10亞基，Null亞基最低。粉色性狀中，不同亞基對無顯著影響，對其他3個粉色性狀均有顯著影響，在位點的Null亞基最高，在位點17+18亞基處最低。

表5 不同亞基類型對品質性狀的效應分析Table 5 Effect analysis of different subunit types on quality traits

2.8 不同HMW-GS組合對品質性狀的影響

分析13種不同的亞基組合(樣本數≥3)對品質性狀的影響，結果(表6)表明，不同亞基組合對硬度指數存在顯著效應，1/17+18/5+10組合的硬度指數最高，其次為Null/7+8/4+12組合，Null/7+9/4+12組合硬度指數最低。在降落數值上，僅少數亞基組合間存在顯著差異，Null/7+8/4+12組合最高，Null/7+8/5+10組合最低。對于4種溶劑保持力，乳酸溶劑保持力在各亞基組合間差異較小，亞基組合對4種溶劑保持力均有顯著效應。1/17+18/5+10組合4種溶劑保持力最高，Null/7+9/4+12組合4種溶劑保持力最低。粉質參數中，不同亞基組合對被測性狀均存在顯著效應，吸水率、形成時間、穩定時間和粉質質量指數在1/17+18/5+10組合下顯著高于其他多數亞基組合，在Null/7+9/4+12組合下最低；對于弱化度，Null/7+9/4+12組合顯著高于多數亞基組合，1/7+9/2+12組合次之，Null/17+18/5+10組合最低。在粉色參數方面，亞基組合對被測指標均有顯著影響，和在Null/7+9/4+12組合中的均值最大，其次為Null/7+8/2+12組合，1/17+18/5+10組合最低。總體而言，1/17+18/5+10組合的品種硬度指數、4種溶劑保持力、吸水率、穩定時間和粉質圖參數最高，和最低，該類品種有煙農19、泰農19、山農17和糯小麥1012；Null/7+9/4+12組合的品種硬度指數、4種溶劑保持力、吸水率、穩定時間和粉質圖參數最低，弱化度、和最高，該類品種有荃麥725，皖麥52和未來0818。

表6 不同亞基組合對品質性狀的影響Table 6 Effect of different subunit combinations on quality traits

3 討 論

3.1 小麥HMW-GS的組成特點

小麥HMW-GS在面團彈性方面起著重要的作用，并且與小麥最終的品質息息相關。眾多學者對小麥HMW-GS類型進行鑒定及發掘，利用其遺傳多樣性為小麥品質性狀改良提供了許多優異種質資源。本研究通過對安徽省種植的97份小麥品種HMW-GS的等位基因和組成特點進行分析，在位點共鑒定出10個不同的等位基因和19種亞基組合類型(表1)，在位點檢測出3種亞基類型，主要以1亞基(57.73%)和Null亞基(40.21%)為主，優質亞基2僅占2.06%。前人的研究中普遍認為，1和2亞基較Null亞基對提升面包品質具有更大的作用，然而在中國小麥主產區，位點亞基頻率基本處于Null>1>2。在本試驗的供試材料中，1和2亞基頻率略高于Null亞基，說明在安徽省小麥品質正在逐步改善。在位點共檢測出3種亞基類型，以7+8亞基為主，頻率為52.58%，7+9亞基次之，占 37.11%，17+18亞基頻率最低，為10.31%。有研究報道，位點不同亞基類型對品質的效應表現為17+18>7+8>7+9，表明安徽省小麥品種在位點對品質性狀已得到明顯改善。在位點共鑒定出4種亞基類型，優質亞基5+10占比最大，為45.36%，2+12亞基次之，頻率為37.11%，4+12亞基頻率為 16.49%，2.2+12亞基頻率最低，為1.03%。大量研究表明，在位點，5+10亞基在提高小麥面包品質方面優于其他亞基類型；但國內外學者發現，亞基2+12為位點的優勢等位基因，Zheng等對長江流域的小麥品種研究發現，在位點2+12亞基占比高達 84.9%，在歐洲等國面包小麥中，2+12亞基頻率也處于較高水平。在本試驗中，2+12亞基的頻率為37.11%，已大大降低，5+10亞基比例相比西方國家面包小麥仍有差距，但比以往中國小麥報道中5+10亞基比例要高，表明在小麥品質育種方面正不斷提高。

高聳對國內528份小麥材料進行HMW-GS分析發現，共檢測到15種亞基以及35種亞基組合類型，其中以Null/7+9/2+12組合頻率最高；劉春雷等通過對河南省722份小麥品種進行HMW-GS分析，共鑒定到12種亞基和20種亞基組合類型，1/7+9/2+12和Null/7+9/2+12組合占比較高，未檢測到2優質亞基；權威等對外引的393份小麥種質資源進行HMW-GS分析，共檢測到23種亞基類型和50種亞基組合類型，2/7+9/5+10組合出現頻率最高。本研究結果與前人研究基本一致，但相比于外引小麥種質資源，亞基遺傳多樣性較低，組合類型較少，因此有必要引進更多的種質資源，豐富親本類型，進一步改善小麥品質。

3.2 小麥HMW-GS對品質性狀的影響

關于小麥HMW-GS對品質性狀的效應研究，前人已經進行大量的報道，基本從高分子量麥谷蛋白亞基類型、組合、含量以及環境因素等方面來探究其對品質性狀的影響。本研究結果表明，的三個位點對溶劑保持力性狀都有一定的影響，且>>；對于硬度指數和弱化度，位點對其影響達顯著水平，和位點未達顯著水平；對于降落指數，僅位點對其有顯著影響；關于吸水率，和位點均對其有顯著影響，且>，位點未達顯著水平(表4)。聶莉等對79份新疆小麥進行HMW-GS和品質性狀分析發現，位點對硬度指數性狀有顯著效應，和位點對其影響不顯著，本試驗中，位點對其有顯著效應，和位點效應不顯著，可能與研究材料不同有關。前人報道基因座對品質性狀的效應多以濕面筋含量、沉淀值等性狀為指標進行研究，基本表現為>>，本試驗通過研究基因座對多種品質性狀的效應，發現其對較多品質性狀的作用規律。

郝浩南通過研究299份小麥材料高分子量麥谷蛋白亞基與品質性狀的相關性，認為不同亞基類型對硬度指數無顯著效應，5+10和7+9亞基的降落數值顯著高于其他亞基類型，1、14+15和2+12亞基的弱化度顯著高于其他亞基類型。聶莉等在研究79份新疆小麥高分子量麥谷蛋白亞基和硬度指數性狀中，認為位點亞基效應排序為Null>1>2；位點為 7+8>7+9；位點為5+10>2+12>4+12。高聳對180份小麥材料高分子量麥谷蛋白亞基與穩定時間的相關性研究，發現位點亞基效應順序為1=2>Null；位點為7+8=17+18=7+9；位點為5+10>2+12。王倩等對49份山西水地小麥品系高分子量麥谷蛋白亞基和品質性狀的研究中，認為位點不同亞基類型對穩定時間的效應排序為7+8>17+18>7+9。本研究結果與前人結論有一定出入，發現17+18和4+12亞基的硬度指數較高，Null和2+12亞基的硬度指數較低；對于降落數值，位點4+12亞基最高，2+12和Null亞基較低；對于4種溶劑保持力，位點17+18亞基最高，不同亞基對乳酸溶劑保持力無顯著效應，對其余3個溶劑保持力存在顯著效應；粉質圖參數中，對于穩定時間，位點 17+18亞基顯著高于多數亞基類型，Null亞基最低；對于弱化度，位點2+12亞基最高，其次是Null亞基和7+9亞基(表5)，這可能與試驗材料、栽培環境及試驗方法存在不同有關。

小麥品質性狀不單受各亞基的作用，各位點間也存在一定的互作效應，因此在小麥品質育種中選擇優異的亞基組合對品質性狀的改良有重要意義。本研究中，不同亞基組合硬度指數、4種溶劑保持力、吸水率、形成時間、穩定時間和粉質質量指數的效應分析發現，1/17+18/5+10亞基組合對這些性狀的效應最大，Null/7+9/4+12組合的弱化度和面粉的、值顯著高于其他亞基組合而其籽粒硬度指數、4種溶劑保持力、吸水率、穩定時間和粉質圖質量數等參數表現為顯著低于其他亞基組合。依據Payne的品質得分標準，1/17+18/5+10亞基組合是滿分10的優質亞基組合，Null/7+9/4+12亞基組合評分為4。本試驗中調查的品質性狀與前人報道的不盡相同，有待更多品種環境下的深入研究，為安徽省乃至我國小麥品質性狀育種改良提供理論依據。