山东省小麦新品系高分子量麦谷蛋白亚基组成分析

郭 军 毛瑞喜 李成磊 刘 悦，3 李金生，4 王 燕 刘爱峰 刘建军 李豪圣 宋健民

（1 山东省农业科学院作物研究所，小麦玉米国家工程研究中心&农业农村部黄淮北部小麦生物学与遗传育种重点实验室&山东省小麦技术创新中心，济南 250100；2 山东省种子管理总站，济南 250100；3 鲁东大学农学院，山东烟台 264025；4 青岛农业大学，山东青岛 266109）

小麦是我国最重要的口粮作物之一，是人类获取植物蛋白质的重要来源之一。随着人民生活水平的提高，对小麦的品质有了更高的要求。小麦面粉能够制作成面包、面条、馒头、糕点等多种食品，满足不同地区不同民族的消费需求，这主要是由其储藏蛋白决定的，其中高分子量麦谷蛋白亚基（HMW-GS，High molecular weight glutenin subunit）在小麦加工品质中起重要作用。因此，育种中通过对小麦高分子量麦谷蛋白亚基组成进行优化，培育出优质小麦新品种，是小麦品质育种的重要内容之一。

研究表明，控制高分子麦谷蛋白亚基的基因位于小麦1AL（Glu-A1）、1BL（Glu-B1）和1DL（Glu-D1）染色体，分别有3、12 和7 种等位基因类型。目前已经从小麦中发现了至少24 个高分子麦谷蛋白亚基[1-2]。一般来讲，除1A 染色体只编码1 个x 亚基（y 亚基沉默）外，B 和D 染色体各编码1 对HMWGS（x 和y 亚基），即HMW-GS 是成对存在的，如7+8、5+10 等。前人的研究表明[3-5]，1A 染色体有3种亚基类型（N、1 和2*），其中1 和2*亚基对小麦面包、面条加工品质具有正向效应；B 染色体至少可编码13 种亚基类型（6+8、7+8、7OE+8、7、7OE、7+9、13+16、13+19、14+15、17+18、20+20、21和22），其中7+8、7OE+8、13+16、14+15 和17+18亚基对小麦面包加工品质具有正向效应；1D 染色体至少可编码7 种亚基类型（2+12、2.2+12、4+12、3+12、2+11、5+10、5+12），2.2+12 和5+10 亚基对小麦面包、面条、馒头加工品质具有正向效应。从以上的分析可以看出，小麦1B 染色体编码的HMWGS 类型最多，而1A 染色体编码的HMW-GS 类型较为匮乏（只有3 种）。十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）方法不仅简便经济而且高效快捷，目前已被广泛用于麦谷蛋白亚基电泳分析[5-6]。

山东省是我国小麦优势产区，在保障国家粮食安全方面发挥了重要作用。尽管前人对山东省小麦品系（种）高分子量麦谷蛋白亚基进行过研究，但是有关近年来新育成的小麦新品系高分子量麦谷蛋白亚基组成分析的研究未见报道。本研究以2017-2020 年4 年度山东省区域试验高产组和强筋组参试小麦新品系为试验材料进行研究，分析高分子量麦谷蛋白亚基的分布情况，以期为山东省小麦品质改良提供参考信息。

1 材料与方法

1.1 试验材料供试材料为2017-2020 年山东省区域试验高产组和强筋组参试小麦新品系，剔除高分子量麦谷蛋白亚基杂合材料和区试对照材料后共计429 个。其中4 个年度高产组小麦材料分别有81、80、103、95 个，共计359 份；强筋组小麦材料分别为19、14、13、24 个，共计70 份，均保存于本实验室。为避免材料重复导致统计分析失去代表性，以2017 年 和2019 年材料为1 组，2018 年和2020年为1 组，研究山东省小麦新品系的HMW-GS 类型及频率，因为2017 年区域试验参试材料在2019年进入生产试验或者已淘汰，同理2018 年和2020年区域试验材料也不重合。

1.2 高分子量麦谷蛋白亚基SDS-PAGE 电泳小麦高分子量麦谷蛋白亚基分析参考王伟等[7]的方法，具体为（1）蛋白质提取：每个材料取3 粒种子，敲碎后混匀，50%异丙醇缓冲液提取种子谷蛋白；（2）蛋白质电泳：分离胶浓度为12%，浓缩胶浓度为3.7%。电流大小为20mA/板，电泳时间为18h；（3）凝胶染色、脱色和成像：0.1%考马斯亮蓝染色6～10h，蒸馏水脱色24～72h，凝胶成像仪成像。利用已知高分子量麦谷蛋白亚基带型的小麦材料中国春（N，7+8，2+12）、济麦22（N，7+8，4+12）和济南17（1，7+8，4+12）作为对照。亚基判读按Payne 等[6]的方法，品质得分按Payne 等[4]和黄兴峰等[8]的方法计算（表1）。

1.3 数据分析利用Microsoft Excel 2003 计算亚基分布频率和表格绘制。

2 结果与分析

2.1 高分子量麦谷蛋白亚基的等位变异及其频率供试材料共计429 份，包括山东省区域试验高产组材料359 份和山东省区域试验强筋组材料70 份。对各品系进行蛋白质提取、电泳检测和亚基判读分析（图1、表1）。在359 份高产组供试材料（2017 年+2019 年合计184 份，2018 年+2020 年合计175 份）的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位点上共鉴定出11种亚基类型（表2），分别为1、N，7+8、7+9、6+8、13+16、14+15、17+18，2+12、4+12、5+10，其 分布频率分别为44.6%和43.4%、55.4%和56.6%，69.6%和68.0%、7.1%和11.4%、1.6%和0、1.1%和2.3%、0.5% 和0、20.1% 和18.3%，9.8% 和13.7%、56.5%和56.0%、33.7%和30.3%，这表明高产组材料的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位点分别以N、7+8 和4+12 亚基类型为主。

图1 小麦品系高分子量麦谷蛋白电泳图

表2 不同年度、不同组别高分子量麦谷蛋白亚基的等位变异及其频率

在70 份强筋组供试材料（2017 年+2019 年合计32 份，2018 年+2020 年 合 计38 份）的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位点上共鉴定出10 种亚基类型（表2），分 别 为1、2*、N，7+8、7+9、13+16、17+18，2+12、4+12、5+10，其 分 布 频 率 分 别 为84.4%和94.7%、3.1%和0、12.5%和5.3%，50.0%和36.8%、25.0% 和34.2%、3.1% 和5.3%、21.9%和23.7%，6.3% 和2.6%、31.3% 和23.7%、62.5%和73.7%，这表明山东省区域试验强筋组材料的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位点分别以1、7+8 和5+10 亚基类型分布为主。

2.2 高分子量麦谷蛋白亚基组成及其变异频率分析山东省区域试验高产组359 份材料高分子量麦谷蛋白亚基组成及其变异频率（表3），发现共有25种亚基组成类型，2017 年+2019 年、2018 年+2020年出现频率均较高的亚基组合类型为：N、7+8、4+12 和1、7+8、4+12，其 频 率 分 别 为33.2% 和26.1%、14.7%和14.1%。

分析山东省区域试验强筋组70 份材料高分子量麦谷蛋白亚基组成及其变异频率（表4），发现共有13 种亚基组成类型，2017 年+2019 年、2018年+2020 年出现频率均较高的亚基组合类型为：1、7+8、5+10，1、17+18、5+10，1、7+9、5+10，1、7+8、4+12，1、7+9、4+12，其频率分别为21.9%和23.7%、12.5% 和23.7%、15.6% 和18.4%、15.6%和7.9%、6.3%和13.2%，其中出现频率最高的类型为1、7+8、5+10。

2.3 供试材料高分子量麦谷蛋白亚基品质评分如表2 所示，2017-2020 年山东省区域试验高产组小麦材料Glu-1得分为：Glu-B1得分最高，为2.89分；Glu-D1得分次之，为2.08 分；Glu-A1得分最低，为1.88 分。2017-2020 年山东省区域试验强筋组小麦材料Glu-1得分为：Glu-D1得分最高，为3.10分；Glu-A1得分次之，为2.83 分；Glu-B1得分最低，为2.70 分。从总的评分（Glu-1）来看（表3、表4），高产组小麦材料品质平均得分为6.85 分，强筋组小麦材料品质平均得分为8.63 分。

表3 不同年份高产组参试小麦高分子量麦谷蛋白亚基组成及其变异频率

表4 不同年份强筋组参试小麦高分子量麦谷蛋白亚基组成及其变异频率

3 结论与讨论

小麦品质主要是由高分子量麦谷蛋白亚基决定[1-4]。王银萍等[9]对黄淮麦区小麦品种高分子量谷蛋白亚基组成及遗传多样性分析研究，从Glu-A1，Glu-B1和Glu-D1位点等位基因组成来看，发现陕西小麦以1、7+8、2+12 为主要类型；江苏小麦以1 或N、7+8、2+12 或4+12 为主要类型；河南和安徽小麦以1、7+9、4+12 为主要类型。聂莉等[10]对新疆小麦高分子量谷蛋白亚基组成分析研究，发现新疆小麦Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位点分别以N、7+8 和2+12 亚基类型为主。然而，有关山东小麦的高分子量麦谷蛋白亚基组成主要类型未知。本研究首次明晰了2017-2020 年山东省区域试验高产组和强筋组参试小麦新品系的高分子量麦谷蛋白亚基组成，结果发现，山东省区域试验高产组和强筋组小麦材料高分子量麦谷蛋白亚基组成主要类型不同，其中高产组小麦材料Glu-A1位点以N 亚基类型为主，Glu-B1和Glu-D1位点分别以7+8 和4+12 亚基类型为主；强筋组小麦材料Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位点分别以1、7+8 和5+10 亚基类型为主。李立等[11]对黄淮麦区小麦新品系高分子量谷蛋白亚基的组成及结构变化分析研究发现，黄淮麦区小麦出现频率最高的亚基组合类型为7+9、2+12，占全部供试材料的17.2%。本研究发现山东省区域试验高产组材料高分子量麦谷蛋白亚基出现频率最高的类型为N、7+8、4+12，占比为33.2%和26.1%；强筋组材料高分子量麦谷蛋白亚基出现频率最高的类型为1、7+8、5+10，占比为21.9%和23.7%。

在不考虑黑麦1RS 对小麦品质的不良影响情况下，本研究结果发现，山东省区域试验高产组小麦品质得分变异范围较大（4～10），平均分为6.85 分，且品质评分大于等于7 分的材料仅占57.1%；强筋组小麦品质得分变异范围同样较大（6～10），平均分为8.63 分，品质评分大于8 分的材料仅占61.4%。以上研究结果说明山东省高产和强筋小麦品质均有较大提升空间。

高产和优质是小麦育种永恒的目标。随着社会发展和人民生活水平的提高，对优质麦的需求不断增加。山东省区域试验小麦新品系在一定程度上代表了全省小麦育种趋势，根据表2 可知，目前山东省区域试验高产组和强筋组小麦Glu-1位点评分均较低。譬如高产组小麦Glu-A1位点评分仅为1.88 分，Glu-A1a占比仅为44.6%和43.4%，Glu-D1位点评分仅为2.08 分，Glu-D1d占比仅为33.7%和30.3%；强筋组Glu-D1位点优质亚基Glu-D1d占比为62.5%和73.7%。此外，山东省区域试验高产组和强筋组小麦Glu-B1位点优质亚基13+16、14+15、17+18 占比均较低。因此，在今后一段时间内，山东省小麦品质育种应重点以提高Glu-1位点优质亚基所占比例为主，同时兼顾提高各位点等位基因类型和所占比例。