2025年6月3日 18:25 星期二
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94份小麦种质Puroindoline和HMW-GS分子检测与品质分析  PDF

    张晓 1
    ✉
    江伟 1
    高德荣 1
    郭延玲 2
    刘大同 1
    蒋正宁 1
    李曼 1
    刘健 1
    袁博 1
    陆成彬 1
    ✉
1. 江苏里下河地区农业科学研究所/农业农村部长江中下游小麦生物学与遗传育种重点实验室,扬州 225007; 2. 玉米生物育种全国重点实验室,沈阳 110164

最近更新:2024-04-26

DOI:10.13430/j.cnki.jpgr.20230905002

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摘要
关键词
1 材料与方法
1.1 试验材料
1.2 DNA提取和电泳分析
1.3 硬度基因KASP标记检测
1.4 SDS-PAGE分析
1.5 品质性状测定
1.6 数据分析
2 结果与分析
2.1 籽粒硬度基因等位变异分析
2.2 籽粒硬度分析
2.3 HMW-GS和SDS沉淀值分析
2.4 硬度基因Pin和HMW-GS等位变异组合
3 讨论
参考文献

摘要

籽粒硬度和高分子量谷蛋白亚基(HMW-GS)对小麦品质起决定作用,为发掘和利用硬度Puroindoline基因和HMW-GS优异等位变异,提升长江中下游麦区中强筋小麦品质,对长江中下游麦区推广品种以及其他麦区优质推广品种和地方品种共计94份材料进行分子检测和品质分析。结果表明,硬度变幅7.21~72.91,软质类型42份、占44.68%,硬质类型42份、占44.68%,混合类型10份、占10.64%。硬度突变基因型共有5种,包括Pina-D1b/Pinb-D1a、Pina-D1r/Pinb-D1a、Pina-D1s/Pinb-D1a、Pina-D1a/Pinb-D1b和Pina-D1a/Pinb-D1p,数量分别为8份、3份、1份、29份和9份,籽粒硬度表现依次为Pina-D1r/Pinb-D1a>Pina-D1s/Pinb-D1a>Pina-D1b/Pinb-D1a>Pina-D1a/Pinb-D1p>Pina-D1a/Pinb-D1b。HMW-GS分析表明,Glu-A1位点1和Null亚基材料比例分别为53.33%和45.56%,此外有1G330E亚基材料1份;Glu-B1位点7+8和7+9亚基材料比例分别为47.78%和46.67%,此外有14+15亚基材料3份、7OE+8*亚基材料1份、6+8亚基材料1份;Glu-D1位点2+12和5+10亚基材料比例分别为61.11%和38.89%。在微量SDS沉淀值上,Glu-A1位点的1和Null亚基、Glu-B1位点的7+8和7+9亚基无显著差异,Glu-D1位点5+10亚基极显著大于2+12亚基。硬度和SDS沉淀值呈极显著正相关,硬度对SDS沉淀值影响大于HMW-GS。本研究对小麦种质Pin和HMW-GS基因型和品质进行了分析,为小麦品质遗传改良尤其是中强筋小麦品质改良提供了参考。

关键词

小麦; 硬度; Puroindoline; HMW-GS; 分子检测; 品质分析

籽粒硬度是小麦分类和市场分级的重要性状之一,严重影响润麦加水量、出粉率、破损淀粉含量和面粉颗粒度,决定磨粉品质和食品加工品质。硬质麦面粉颗粒度大、破损淀粉含量高,具有较强吸水能力,适合制作面包和优质面条等食品[

参考文献 1-2
1-2]。籽粒硬度主要由位于5D染色体短臂的主效基因Puroindoline a (Pina)和Puroindoline b (Pinb)控制,野生基因型Pina-D1a/Pinb-D1a形成软质胚乳,Pina或Pinb发生基因突变均会导致小麦胚乳变硬[
参考文献 1-2
1-2]。目前已报道25种Pina及33种Pinb基因等位变异类型[
参考文献 3-4
3-4],Pina变异类型包括Pina-D1b[
参考文献 5
百度学术    
5]、Pina-D1r、Pina-D1s[
参考文献 6
百度学术    
6]、Pina-D1m[
参考文献 7
百度学术    
7]、Pina-D1u[
参考文献 2
百度学术    
2]等;Pinb变异类型包括Pinb-D1b[
参考文献 8
百度学术    
8]、Pinb-D1p[
参考文献 9
百度学术    
9]、Pinb-D1c[
参考文献 10
百度学术    
10]、Pinb-D1e、Pinb-D1f、Pinb-D1g[
参考文献 11
百度学术    
11]等。Pinb-D1b较为常见,占我国硬质麦类型80%以上[
参考文献 1-2
1-2]。

高分子量麦谷蛋白亚基(HMW-GS, high-molecular-weight glutenin subunit)解释45%~70%小麦品质的变异[

参考文献 12-14
12-14]。HMW-GS由染色体1A、1B和1D长臂位点Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1控制[
参考文献 15-17
15-17]。每个位点有两个紧密连锁基因,分别控制X-型和Y-型亚基。理论上,每个小麦品种存在6个HMW-GSs,但因为1Ay亚基及某些位点沉默,通常表达3~5个HMW-GSs [
参考文献 15-17
15-17]。目前普通小麦中Glu-1位点发现、克隆的亚基有20多个[
参考文献 18
百度学术    
18]。Glu-A1位点常见的有1、2*和Null亚基;Glu-B1位点有7、7+8、7+9、6+8、20、13+16、13+19、14+15、17+18、21和22等亚基,其中7+8、7+9、17+18、20、13+16等较为常见;Glu-D1位点有2+12、3+12、4+12、5+10、2+10、2.2+12和2+11亚基,还发现了一些特殊结构的HMW-GSs,如1Bx7OE、1Dx2.2*、1S1x2.3*+1S1y16*等。一般对面团强度有正向效应的优质HMW-GSs有1Ax1、1Ax1G330E、1Ax2*、1Bx7OE+1By8、1Bx13+1By16、1Bx14+1By15、1Bx17+1By18、1Dx5+1Dy10、1S1x2.3*+1S1y16*[
参考文献 19-21
19-21]。

陈锋[

参考文献 22
百度学术    
22]对中国主栽品种、地方品种和历史品种以及CIMMYT小麦品种(系)的籽粒硬度及其基因型进行了鉴定;张福彦[
参考文献 23
百度学术    
23]对黄淮麦区的地方品种、当前主栽品种和小麦新品系进行了籽粒硬度及其基因型鉴定。研究人员对中国山东、新疆和陕西等多个省份农家品种、历史品种和主栽品种进行了籽粒硬度及基因型检测[
参考文献 24-26
24-26],对中国黄淮麦区小麦核心种质、长江中下游麦区历年育成小麦品种、江苏淮北地区小麦品种资源等不同地区的材料进行了籽粒硬度及基因型检测[
参考文献 27-29
27-29],对国内外小麦品种和种质资源的HMW-GS也进行了比较分析[
参考文献 30-31
30-31]。近年利用高通量KASP标记对包含HMW-GS和硬度等品质性状相关基因进行了检测[
参考文献 32-34
32-34]。以上不同时期研究结果表明我国北部冬麦区、黄淮麦区的小麦品种及种质资源以硬质类型为主,由北向南硬质麦比例降低,长江中下游麦区和西南麦区软质麦比例较高[
参考文献 22
百度学术    
22,
参考文献 28
百度学术    
28
];硬质麦类型中,Pinb-D1b基因型所占比例最高,其次是Pina-D1b和Pinb-D1p[
参考文献 22-23
22-23,
参考文献 29
百度学术    
29
];地方品种和历史品种等种质资源的硬度变异类型更为丰富[
参考文献 24-25
24-25,
参考文献 27
百度学术    
27
]。我国小麦品种HMW-GS在Glu-A1位点具有较高比例的优质亚基1和2*[
参考文献 30
百度学术    
30],权威[
参考文献 34
百度学术    
34]研究表明近年我国审定的530份小麦品种5+10亚基分布频率为29.20%,Glu-D1位点优质亚基 5+10比例有所上升,但仍相对较低。

长江中下游麦区是我国第二大麦区,以中、弱筋小麦类型为主,同时红皮中强筋小麦也深受市场欢迎。该麦区Pin基因突变类型较少;小麦品种HMW-GS类型以1AxNull、1Bx7+1By8、1Dx2+1Dy12为主,优质HMW-GS比例非常少[

参考文献 35
百度学术    
35]。当前长江中下游麦区推广的中强筋品种存在籽粒硬度低、筋力弱、品质稳定性差等缺点,急需聚合优异高硬度基因型和优质HMW-GSs进行面团强度和加工品质改良。尽管已有较多关于籽粒硬度基因变异和HMW-GS类型的研究报道,但多数研究仅检测2种或3种硬度变异类型,对硬度和HMW-GS类型同时研究的较少,且不同研究结果存在差异。因此本研究以长江中下游麦区推广品种为主、引进其他麦区携硬度突变基因或优质亚基的推广品种和地方品种,对94份种质开展HMW-GS和多种硬度突变类型基因型检测和品质性状研究,筛选优异等位变异组合,以期为长江中下游麦区中强筋小麦品质改良提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料包括48份长江中下游麦区小麦推广品种以及46份其他麦区推广品种、地方品种,分别由中国农业科学院作物科学研究所、河南农业大学、云南农业大学、江苏省农业科学院、四川省农业科学院、江苏徐淮地区淮阴农科所、咸阳市农业科学研究院、绵阳市农业科学研究院等单位提供;扬麦23、扬麦29分别有两份,均由江苏里下河地区农业科学研究所育成并提供。2021-2022年度种植于江苏里下河地区农业科学研究所试验基地(32º24′ N, 119º26′ E),前茬为水稻,土壤为沙壤土。3行区,行长1.33 m,行距0.23 m,每行40粒。田间统一管理与大田生产一致,生长期间没受到自然灾害,正常成熟,按小区收获脱粒,晾晒除杂后统一进行试验。

1.2 DNA提取和电泳分析

取苗期叶片进行小麦基因组DNA提取。DNA提取参照Murray等[

参考文献 36
百度学术    
36]提取法。提取的DNA使用灭菌水溶解,去除RNA,琼脂糖电泳检测DNA完整性,NanoDrop2000微量紫外分光光度计检测DNA质量和浓度,浓度满足50~100 ng/µL,OD260/280=1.7~2.1,OD260/230>1.5,无降解或少量降解的DNA进行下一步试验。

根据Chen等[

参考文献 2
百度学术    
2]报道的特异性分子标记进行PCR扩增(表1)。首先用Pina-D1和Pinb-D1引物进行PCR扩增获得Pina和Pinb全长,Pina-D1位点发生

表1  分子标记引物信息
Table1  Primers information of molecular markers used in the study

标记名称

Marker name

引物序列(5′-3′)

Forward and reverse primers(5′-3′)

扩增片段(bp)

Fragment size

等位基因

Allele

参考文献

Reference

Pina-D1 F:CATCTATTCATCTCCACCTGC 524 Pina-D1 [
参考文献 2
百度学术    
2
]
R:GTGACAGTTTATTAGCTAGTC
Pinb-D1 F:GAGCCTCAACCCATCTATTCATC 597 Pinb-D1 [
参考文献 2
百度学术    
2
]
R:CAAGGGTGATTTTATTCATAG
Pina-N1 F:AATACCACATGGTTCTAGATACTG 776 Pina-D1b [
参考文献 2
百度学术    
2
]
R:GCAATACAAAGGACCTCTAGATT
Pina-N2 F:TCAACATTCGTGCATCATCA 436 Pina-D1r [
参考文献 2
百度学术    
2
]
R:CTTCATTCGTCAGAGTTCCAT
Pina-N3 F:CATCTATTCATCTCCACCTGC 440 Pina-D1s [
参考文献 2
百度学术    
2
]
R:CACTATATTGCCGGGATTTT
Pina-N4 F:AGTGGTCTGATGGAAGCGT 546 Pina-D1u [
参考文献 2
百度学术    
2
]
R:TGGAAAAAACTAGGTTGGGA
BsrDI_Pina-D1n F:TCACCTGGCGTTGGTGGCAAT 197 Pina-D1n [
参考文献 2
百度学术    
2
]
R:CGGCAGGTTCTTGGCTTCTTGTAT
Ball_Pina-D1l F:GAGTGTTGCAGTCGGCTTGG 143 Pina-D1l [
参考文献 2
百度学术    
2
]
R:GGCAGGTTCTTGGCTTCTTGT

突变不能得到Pina-D1基因全长,Pinb-D1位点无论野生基因型还是突变基因型均能扩增到Pinb-D1基因全长。对于只扩增到Pinb-D1基因全长而未得到Pina-D1基因全长的小麦种质,分别利用表1中的功能标记(Pina-N1、Pina-N2、Pina-N3、Pina-N4、BsrDI_Pina-D1n、Ball_Pina-D1l )鉴定Pina-D1位点变异类型。对于同时得到两者全长的品种,需要进行Pinb-D1b和Pinb-D1p基因型鉴定。首先对Pinb-D1的PCR扩增产物采用内切酶Pf1MI酶切鉴定Pinb-D1p基因型,酶切片段分别为332 bp和256 bp[

参考文献 37
百度学术    
37],电泳谱带未被切开,属于Pinb-D1p类型。PCR反应体系为10 µL,包括上下游引物(10 μmol/L)各0.2 µL,10×PCRBuffer (MgCl2)1.0 µL,dNTP(2.5 mmol/L)0.2 µL,Taq酶(2.5 U/µL)0.2 µL,DNA(50 ng/µL)1.0 µL,ddH2O 7.2 µL。PCR反应程序:94 ℃预变性3 min;94 ℃变性30 s,58 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,共33个循环;72 ℃延伸10 min,4 ℃保存。PCR扩增在 Mastercycler nexus PCR仪(Eppendorf,德国)上完成。PCR产物通过4%琼脂糖凝胶电泳或6%聚丙烯酰胺凝胶电泳进行检测,凝胶成像仪拍照或银染读取基因型。

1.3 硬度基因KASP标记检测

参照Rasheed等[

参考文献 21
百度学术    
21]基因引物和方法进行籽粒硬度基因(Pinb-D1b)KASP标记基因型检测。Pinb-D1的碱基突变类型是C (Pinb-D1a,软质)/T(Pinb-D1b,硬质),特异性引物1序列是5′-CTCATGCT CACAGCCGCC-3′,尾部添加能够与FAM荧光结合的特异性序列,特异性引物2序列5′-CCTCATG CTCACAGCCGCT-3′,尾部添加能够与HEX荧光结合的特异性序列,共用引物是5′-GTCACCTG GCCCACAAAATG-3′。PCR反应体系为5 µL,包含KASP Master mix 2.5 µL、KASP Primer mix 0.07 µL(由6 µL特异引物(100 µmol/L)、15 µL共用引物(100 µmol/L)、23 µL Tris-HCl(10 mmol/L) 混合制成)和模板 DNA(50 ng/µL)2.5 µL。 PCR反应条件:第一轮94 ℃ 15 min;94 ℃ 20 s,61~55 ℃ 60 s,每个循环降低0.6 ℃,共进行10个循环;第二轮94 ℃ 20 s,55 ℃ 60 s,共进行26个循环。PCR扩增在qPCR仪7900(Applied Biosystems,美国)上完成,终点法收集荧光信号,然后用LGC公司开发的SNP viewer 2.0软件读取检测数据。

1.4 SDS-PAGE分析

采用张延滨等[

参考文献 38
百度学术    
38]方法提取HMW-GS,十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰氨凝胶电泳(SDS-PAGE,sodium dodecyl sulfate - polyacrylamide gel electrophoresis)分析HMW-GS组成。单粒种子研磨放入1.5 mL离心管,加入0.2 mL提取缓冲夜(1 mol/L Tris-HCl(PH=6.8)12.5mL、5 mL巯基乙醇、2.0 g SDS、10 mL乙二醇、0.01 g溴芬蓝,定容至100 mL),室温放置3 h,每1 h 搅拌1次,12,000 r/min离心5 min,沸水浴3 min,取上清液。分离胶浓度10.45%,浓缩胶浓度3%,HMW-GS命名参照Payne等[
参考文献 39
百度学术    
39]标准,藁城8901(1,7+8,5+10)、扬麦16(Null,7+9,2+12)和中国春(Null,7+8,2+12)作为HMW-GS标准对照。

1.5 品质性状测定

按照AACC55-31用瑞典波通仪器公司(Perten)单粒谷物测定仪(SKCS-4100)测定籽粒硬度,硬度指数是无量纲单位。选取100粒代表性种子进行测定分析,显示每个样品平均值、标准差并绘图,给出小于33、34~46、47~59和大于60四个硬度范围籽粒分布频率,最终硬度级别根据平均硬度指数和4个硬度范围籽粒分布频率而定,每份供试材料测试两次。微量SDS沉淀值参照本团队已发表文献方法[

参考文献 40
百度学术    
40]测定,称取1 g 全麦粉进行测定,每个样品平行测定两次。

1.6 数据分析

采用Microsoft Excel 2016、IBM SPSS Statistics 22进行数据统计分析, 并利用Originpro进行作图。

2 结果与分析

2.1 籽粒硬度基因等位变异分析

首先利用Pina-D1和Pinb-D1引物进行PCR扩增获得Pina和Pinb全长,其中南农06Y86、云麦42、云麦80等12份材料未扩增到Pina基因全长,所有材料均扩增到Pinb基因全长(图1)。利用功能标记对12份材料进一步鉴定,根据Chen等[

参考文献 2
百度学术    
2]开发的STS标记Pina-N1进行PCR扩增,南农06Y86、云麦42、云麦80、绵麦827等8份材料呈现776 bp条带,即为Pina-D1b类型(图1,表2)。剩下的4份材料利用STS标记Pina-N2进行扩增,三月黄、江东门和白火麦3份材料扩增出436 bp目的片段,属于Pina-D1r类型;利用STS标记Pina-N3进行扩增,蚰子麦扩增出440 bp目的片段,属于Pina-D1s类型(图1,表2)。

图1  部分材料Pin-D1基因分子标记鉴定

Fig.1  Identification of Puroindoline-D1 alleles by molecular markers in part tested materials

5:扬麦5号; 13:扬麦14; 21:扬麦22; 29:扬麦30; 37:扬麦38; 40:科兴626; 45:镇麦12; 53:川麦88; 57:绵麦902; 58:绵麦827; 59:山农28; 60:山农29; 61:豫麦18; 62:偃展4110; 63:郑麦9694; 64:红和尚头;65:望水白; 66:三月黄; 67:江东门; 68:白火麦; 69:平原50; 70:蚰子麦; 71:和尚头; 72:周1550; 77:铁壳麦105; 85:淮麦16

5:Yangmai 5 hao; 13: Yangmai 14; 21: Yangmai 22; 29: Yangmai 30; 37: Yangmai 38; 40:Kexing 626; 45:Zhenmai 12; 53:Chuanmai 88; 57:Mianmai 902; 58: Mianmai 827; 59:Shannong 28; 60:Shannong 29; 61:Yumai 18; 62:Yanzhan 4110; 63:Zhenmai 9694; 64:Hongheshangtou;65:Wangshuibai; 66:Sanyuehuang; 67:Jiangdongmen; 68:Baihuomai; 69:Pingyuan 50; 70:Youzimai; 71:Heshangtou; 72:Zhou 1550; 77:Tiekemai 105; 85:Huaimai 16

表2  供试材料籽粒硬度、硬度基因型、HMW-GS和沉淀值
Table 2  Hardness, Puroindoline genotypes, HMW-GS and sedimentation value in tested materials

编号

No.

名称

Name

来源

Origin

硬度

Hardness

硬度类型

Hardness

type

Pina-D1

基因型

Genotype

Pinb-D1

基因型

Genotype

Glu-A1Glu-B1Glu-D1

SDS沉淀值(mL)

SDS sedi-

mentation

value

1 扬麦1号 江苏 30.42 软质 a a 1 7+8 2+12 6.00
2 扬麦2号 江苏 35.50 软质 a a Null 7+9 2+12 6.00
3 扬麦3号 江苏 15.59 软质 a a Null 7+8 2+12 8.00
4 扬麦4号 江苏 45.17 混合 a b Null 7+9 5+10 6.50
5 扬麦5号 江苏 23.66 软质 a a Null 7+9 5+10 5.75
6 扬麦6号 江苏 28.82 软质 a a 1 7+8 2+12 6.25
7 扬麦158 江苏 56.73 硬质 a b Null 7+8 2+12 7.50
8 扬麦9号 江苏 20.06 软质 a a Null 7+9 2+12 5.40
9 扬麦10号 江苏 50.64 硬质 a b Null 7+8 2+12 8.00
10 扬麦11 江苏 29.52 软质 a a Null 7+8 2+12 7.25
11 扬麦12 江苏 30.68 软质 a a Null 7+8 2+12 6.00
12 扬麦13 江苏 21.09 软质 a a Null 7+8 2+12 5.50
13 扬麦14 江苏 23.41 软质 a a 1 7+8 2+12 6.50
14 扬麦15 江苏 19.99 软质 a a 1 7+8 2+12 5.25
15 扬麦16 江苏 57.92 硬质 a b Null 7+9 2+12 6.50
16 扬麦17 江苏 44.06 混合 a b 1 7+8 2+12 6.50
17 扬麦18 江苏 24.20 软质 a a 1 7+8 2+12 4.50
18 扬麦19 江苏 22.51 软质 a a Null 7+9 2+12 4.50
19 扬麦20 江苏 32.82 软质 a a Null 7+9 2+12 4.75
20 扬麦21 江苏 19.65 软质 a a 1 7+8 2+12 6.50
21 扬麦22 江苏 29.93 软质 a a Null 7+9 2+12 4.75
22 扬麦23 江苏 53.33 硬质 a b Null 7+9 2+12 8.00
23 扬麦24 江苏 37.53 软质 a a 1 7+8 2+12 5.50
24 扬麦25 江苏 28.58 软质 a a 1 7+8 2+12 5.75
25 扬麦26 江苏 33.31 软质 a a Null 7+9 2+12 5.50
26 扬麦27 江苏 32.12 软质 a a Null 7+9 2+12 5.00
27 扬麦28 江苏 48.70 混合 a b 1 7+9 2+12 7.50
28 扬麦29 江苏 56.72 硬质 a b 1 7+9 5+10 9.00
29 扬麦30 江苏 28.68 软质 a a 1 7+8 2+12 6.00
30 扬麦31 江苏 23.98 软质 a a Null 7+8 2+12 6.00
31 扬麦32 江苏 22.12 软质 a a 1 7+8 2+12 5.50
32 扬麦33 江苏 26.58 软质 a a 1 7+8 5+10 5.00
33 扬麦34 江苏 17.84 软质 a a 1 7+8 2+12 6.00
34 扬麦35 江苏 49.87 硬质 a b 1 7+9 2+12 7.50
35 扬麦36 江苏 18.82 软质 a a 1 7+9 5+10 8.50
36 扬麦37 江苏 52.99 硬质 a b 1 7+9 2+12 6.50
37 扬麦38 江苏 17.74 软质 a a Null 7+9 5+10 5.75
38 扬麦39 江苏 45.46 混合 a b 1 7+9 5+10 8.75
39 扬糯麦1号 江苏 34.00 软质 a a 1 7+9 2+12 5.25
40 科兴626 北京 55.73 硬质 a b 1 7+8 5+10 9.10
41 南农06Y86 江苏 61.20 硬质 b a Null 7+8 5+10 8.00
42 镇麦9号 江苏 62.62 硬质 a b 1 7+9 5+10 10.00
43 镇麦10号 江苏 69.83 硬质 a b 1 7+9 5+10 8.25
44 镇麦168 江苏 57.60 硬质 a p 1 7+9 5+10 9.50
45 镇麦12 江苏 59.22 硬质 a p 1 7+9 5+10 8.25
46 农麦88 江苏 60.27 硬质 a b 1 7+9 5+10 9.00
47 扬麦29 江苏 55.64 硬质 a b 1 7+9 5+10 9.00
48 明麦133 江苏 53.28 硬质 a p Null 7+8 5+10 8.90
49 扬麦23 江苏 50.88 硬质 a b Null 7+9 2+12 7.75
50 龙麦26(7OE+8*) 黑龙江 59.70 硬质 a b Null 7OE+8* 5+10 11.00
51 云麦42 云南 63.41 硬质 b a / / / 8.00
52 云麦80 云南 57.55 硬质 b a 1 7+8 5+10 12.00
53 川麦88 四川 28.75 软质 a a 1 7+8 5+10 6.50
54 川麦93 四川 19.46 软质 a a 1 7+8 2+12 6.50
55 川麦104 四川 31.67 软质 a a 1 6+8 5+10 7.50
56 绵麦907 四川 35.53 软质 a b 1 7+8 2+12 7.50
57 绵麦902 四川 14.06 软质 a a 1 7+9 5+10 5.50
58 绵麦827 四川 37.28 混合 b a / / / 7.25
59 山农28 山东 54.96 硬质 a b / / / 9.00
60 山农29 山东 46.39 混合 a b / / / 8.40
61 豫麦18 河南 21.23 软质 a a Null 14+15 5+10 7.00
62 偃展4110 河南 14.98 软质 a a Null 14+15 5+10 6.75
63 郑麦9694 河南 40.41 软质 a b Null 14+15 5+10 5.75
64 红和尚头 8.80 软质 a a Null 7+9 2+12 11.75
65 望水白 35.35 软质 a a Null 7+8 2+12 9.25
66 三月黄 68.66 硬质 r a Null 7+8 2+12 9.00
67 江东门 65.87 硬质 r a Null 7+8 2+12 9.50
68 白火麦 55.56 硬质 r a Null 7+8 2+12 9.25
69 平原50 63.83 硬质 a p Null 7+8 2+12 8.00
70 蚰子麦 61.80 硬质 s a Null 7+8 2+12 6.75
71 和尚头 7.21 软质 a a Null 7+8 2+12 5.00
72 周1550 河南 44.80 混合 a b 1 7+9 5+10 9.25
73 周4013 河南 43.31 混合 a b 1 7+9 5+10 8.25
74 洛旱2号 河南 48.73 混合 a p 1 7+8 2+12 7.75
75 铁壳麦103 云南 56.02 硬质 a a Null 7+8 2+12 8.35
76 铁壳麦104 云南 63.47 硬质 a a Null 7+8 2+12 5.25
77 铁壳麦105 云南 56.48 硬质 a a Null 7+8 2+12 5.75
78 铁壳麦106 云南 58.10 硬质 a a Null 7+8 2+12 6.25
79 铁壳麦107 云南 64.30 硬质 a a Null 7+8 2+12 8.25
80 科兴3302 北京 61.04 硬质 a b 1G330E 7+8 5+10 9.75
81 淮核12013 江苏 62.91 硬质 a b 1 7+9 5+10 5.50
82 淮核0838 江苏 65.39 硬质 b a 1 7+9 2+12 8.70
83 淮核00134 江苏 62.89 硬质 a p 1 7+9 5+10 8.25
84 淮核0779 江苏 66.60 硬质 b a 1 7+9 2+12 9.00
85 淮麦16 江苏 37.16 软质 a p Null 7+9 2+12 6.00
86 中麦175 北京 18.01 软质 a a Null 7+9 2+12 7.50
87 中麦578 北京 46.07 混合 a b 1 7+8 5+10 11.00
88 中麦895 北京 52.73 硬质 a b 1 7+9 2+12 10.00
89 郑麦379 河南 64.18 硬质 b a 1 7+9 5+10 8.25
90 淮核12248 江苏 63.79 硬质 a p 1 7+9 5+10 8.25
91 淮核00130 江苏 58.08 硬质 a p 1 7+9 5+10 7.50
92 新麦21 河南 33.33 软质 a a 1 7+9 5+10 7.50
93 陕229 陕西 67.24 硬质 a b 1 7+8 2+12 8.50
94 陕253 陕西 72.91 硬质 b a 1 7+9 5+10 7.75

/:未检测;64~71号材料是地方品种或历史品种,由江苏省农科院小麦种质创新团队提供

/:Undetected;Materials 64 to 71 are landraces or historical cultivars,which prvided by the wheat Gemplasm Innovation Team of Jiangsu Academy of Agricultural Sciences

采用限制性内切酶鉴定Pinb-D1p类型,对Pinb-D1的PCR扩增产物采用内切酶Pf1MI进行酶切,镇麦12、平原50、淮麦16等9份材料电泳谱带没有被切开,属于Pinb-D1p类型;剩余材料均被内切酶Pf1MI所切开,酶切片段分别为332 bp和256 bp,属于Pinb-D1a或Pinb-D1b类型(图1 ,表2)。利用KASP标记检测了Pinb-D1位点等位变异Pinb-D1b,29份小麦材料检测到Pinb-D1b基因,占比为30.85%(图2,表2)。

图2  供试材料Pinb-D1b硬度基因KASP标记检测结果

Fig.2  Detection for Pinb-D1b of tested materials by KASP marker

绿色为Pinb-D1b等位基因,蓝色为Pinb-D1a等位基因,红色为杂合型

Materials colored green have the Pinb-D1b allele; Materials colored blue have the Pinb-D1b allele ; Materials colored red have the heterozygous genotype

2.2 籽粒硬度分析

SKCS单粒谷物测定仪测试结果见表2。供试的94份材料籽粒硬度变幅为7.21~72.91,其中软质类型42份,占44.68%;硬质类型42份,占44.68%;混合类型10份,占10.64%。硬度基因为野生基因型(Pina-D1a/Pinb-D1a)的材料有44份,其中5份为铁壳麦,由于铁壳麦基因组和普通小麦有差异,利用现有标记难以筛选,虽为硬质也未筛选出突变类型,有待进一步研究;其他39份硬度基因为野生基因型的材料,均表现为软质,硬度变异范围7.21~37.53,平均值为24.67。硬度基因突变材料有50份,包含5种硬度突变类型,分别为Pina-D1r/Pinb-D1a、Pina-D1s/Pinb-D1a、Pina-D1b/Pinb-D1a、Pina-D1a/Pinb-D1p和Pina-D1a/Pinb-D1b,硬度基因发生突变籽粒为硬质,其中37份为硬质、10份为混合型,籽粒硬质表型与硬度突变基因型一致,另外3份硬度突变基因型材料籽粒为软质,需进一步分析表型和基因型不一致的原因。Pina-D1b/Pinb-D1a基因型材料8份,硬度变异范围37.28~72.91,平均值为61.07;Pina-D1r/Pinb-D1a基因型材料3份,硬度变异范围55.56~68.66,平均值为63.36;Pina-D1s/Pinb-D1a基因型材料1份,硬度为61.80;Pina-D1a/Pinb-D1b基因型材料29份,硬度变异范围35.53~69.83,平均值为52.82;Pina-D1a/Pinb-D1p基因型材料9份,硬度变异范围37.16~63.83,平均值为56.06。5种硬度突变类型材料,平均籽粒硬度依次为Pina-D1r/Pinb-D1a>Pina-D1s/Pinb-D1a>Pina-D1b/Pinb-D1a>Pina-D1a/Pinb-D1p>Pina-D1a/Pinb-D1b(图3)。

图3  不同硬度基因等位变异类型籽粒硬度表现

Fig.3  Hardness of different Puroindoline genotypes

2.3 HMW-GS和SDS沉淀值分析

在94份供试材料中,有4份材料未能确定亚基类型,其余90份材料,Glu-A1位点,表达1亚基的材料48份,占检测出亚基材料的53.33%,Null材料41份,占45.56%,1份材料为1G330E亚基;Glu-B1位点,表达7+8亚基的材料43份,占47.78%,7+9亚基材料42份,占46.67%,3份材料为14+15亚基,1份材料为7OE+8*亚基,1份材料为6+8亚基;Glu-D1位点,表达2+12亚基的材料55份,占61.11%,5+10亚基材料35份,占38.89%(图4)。少数亚基在鉴定结果中占比较少,难以客观反映品质情况,因此选择比例较高的亚基类型(Glu-A1位点1和Null亚基、Glu-B1位点7+8与7+9亚基、Glu-D1位点5+10与2+12亚基)进行微量SDS沉淀值分析,结果表明Glu-A1位点1亚基与Null材料间SDS沉淀值无显著差异,Glu-B1位点7+8与7+9亚基材料间无显著差异,Glu-D1位点5+10亚基材料微量SDS沉淀值极显著大于2+12亚基材料(图5)。将软质材料和硬质材料分开,对不同亚基的SDS沉淀值进行分析,1亚基与Null材料及7+8与7+9亚基仍无显著差异,5+10亚基SDS沉淀值依然显著大于2+12亚基(数据未展示)。

图4  部分品种HMW-GS的SDS-PAGE电泳图谱

Fig.4  SDS-PAGE profile of HMW-GS of part test materials

CK1:藁城8901(1, 7+8, 5+10); CK2:扬麦16(Null, 7+9, 2+12); CK3:中国春 (Null, 7+8, 2+12);编号同表2

CK1:Gaocheng 8901(1, 7+8, 5+10); CK2:Yangmai 16(Null, 7+9, 2+12); CK3:Chinese spring (Null, 7+8, 2+12);No. is same as table 2

图5  Glu-1位点不同亚基SDS沉淀值

Fig.5  SDS sedimentation value of Glu-1 different glutenin subunit

**表示0.01水平显著差异,下同

**indicates significant difference at 0.01 level,the same as below

2.4 硬度基因Pin和HMW-GS等位变异组合

籽粒硬度和SDS沉淀值呈极显著正相关,相关系数为0.51(R2=0.2573)。Pin基因突变材料SDS沉淀值(平均8.31 mL)高于野生型材料(平均6.24 mL)(图6)。HMW-GS的Glu-A1、Glu-B1位点内不同亚基SDS沉淀值无显著差异,Glu-D1位点5+10亚基材料显著优于2+12亚基材料(图5)。因此,对不同Pin基因和Glu-D1位点等位变异组合分析,除5份云南铁壳麦材料和4份未确定HMW-GS组成的材料外,Pin野生基因型/2+12、Pin野生基因型/5+10、Pin突变基因型/2+12、Pin突变基因型/5+10亚基组合材料分别有29份、10份、21份和25份(表3)。在微量SDS沉淀值上,Pin突变基因型/5+10(平均8.67 mL)>Pin突变基因型/2+12(平均7.89 mL)>Pin野生基因型/5+10(平均6.58 mL)>Pin野生基因型/2+12(平均6.13 mL),进一步表明硬度对SDS沉淀值影响大于HMW-GS。Pin突变基因型/5+10亚基组合硬度和SDS沉淀值最高,以镇麦9号、科兴3302、农麦88、龙麦26(7OE+8*)和云麦80为代表。Pin野生基因型/2+12组合SDS沉淀值最低,以扬麦13、扬麦15、扬麦19、扬麦34和川麦93为代表。

图6  硬度基因突变基因型和野生基因型沉淀值

Fig.6  SDS sedimentation value of Pin mutant and wild genotype

表3  不同硬度基因和Glu-D1位点不同HMW-GSs组合的品质表现
Table 3  Quality trait of different combination type with different hardness and HMW-GSs of Glu-D1 locus

组合类型

Combination type

数量

No.

硬度

Hardness

SDS沉淀值(mL)

SDS sedimentation value

变幅Range平均值Mean变幅Range平均值Mean
Pin野生基因型/2+12 Pin wild genotype /2+12 29 7.21~37.53 25.21 4.50~11.75 6.13
Pin野生基因型/5+10 Pin wild genotype /5+10 10 14.06~33.33 23.08 5.00~8.50 6.58
Pin突变基因型/2+12 Pin mutant genotype /2+12 21 35.53~68.66 54.96 6.00~10.00 7.89
Pin突变基因型/5+10 Pin mutant genotype /5+10 25 40.41~72.91 56.82 5.50~12.00 8.67

3 讨论

刘红美等[

参考文献 27
百度学术    
27]报道白火麦的硬度基因型为Pinb-D1p、蚰子麦为Pinb-D1p、平原50为Pina-D1r、红和尚头为Pina-D1r、和尚头为Pina-D1r、望水白为Pina-D1r、江东门为Pina-D1r。张福彦[
参考文献 23
百度学术    
23]报道陕229的硬度基因型为Pina-D1b、江东门为Pina-D1s。陈锋[
参考文献 22
百度学术    
22]报道蚰子麦的硬度基因型为Pinb-D1p、陕229为Pinb-D1b。本研究鉴定白火麦的硬度基因型为Pina-D1r/Pinb-D1a、蚰子麦为Pina-D1s/Pinb-D1a、平原50为Pina-D1a/Pinb-D1p、红和尚头为Pina-D1a/Pinb-D1a、和尚头为Pina-D1a/Pinb-D1a、望水白为Pina-D1a/Pinb-D1a、陕229为Pina-D1a/Pinb-D1b、江东门为Pina-D1r/Pinb-D1a,与以前的报道不同。存在差异的材料多为地方品种,可能与来源不同有关。在供试的94份材料中有50份发生了硬度基因突变,共包括5种突变类型,分别为Pina-D1b/Pinb-D1a(8份)、Pina-D1r/Pinb-D1a(3份)、Pina-D1s/Pinb-D1a(1份)、Pina-D1a/Pinb-D1b(29份)和Pina-D1a/Pinb-D1p(9份),籽粒硬度依次为Pina-D1r/Pinb-D1a>Pina-D1s/Pinb-D1a>Pina-D1b/Pinb-D1a>Pina-D1a/Pinb-D1p>Pina-D1a/Pinb-D1b。不同硬度变异类型分布情况与已往研究结果一致,Pinb-D1b类型在硬质麦中占主导地位。多项研究均表明,Pina-D1b硬度和吸水率显著高于Pinb-D1b类型,但Pinb-D1b基因型磨粉品质、馒头和面条以及面包加工品质优于Pina-D1b类型[
参考文献 41-43
41-43]。Ma等[
参考文献 44
百度学术    
44]采用7个近等基因系(Pinb-D1a~g)对不同硬度类型小麦品质性状分析,Pinb-D1d类型磨粉品质较好,而Pinb-D1e和Pinb-D1g面条加工品质相对较好。王亮等[
参考文献 25
百度学术    
25]研究表明Pina-D1b、Pinb-D1b、Pinb-D1p 3种基因型籽粒硬度无显著差异。刘红美等[
参考文献 27
百度学术    
27]研究报道拥有PIN-null类型的小麦品种SKCS籽粒硬度显著高于Pinb-D1b和Pinb-D1p类型品种,而后两者SKCS籽粒硬度无显著差异。

研究结果表明Glu-1三个位点品质效应为Glu-D1>Glu-B1>Glu-A1[

参考文献 45
百度学术    
45]。Glu-A1位点的1或2*亚基,Glu-B1位点的7+8、17+18、13+16、14+15、7OE亚基,Glu-D1位点的5+10亚基对面筋强度和面包烘烤品质具有正向作用[
参考文献 20
百度学术    
20,
参考文献 46
百度学术    
46
]。本研究结果表明Glu-A1位点的1亚基与Null亚基、Glu-B1位点的7+8亚基与7+9亚基沉淀值相当,但Glu-D1位点的5+10亚基沉淀值显著高于2+12亚基。刘会云等[
参考文献 19
百度学术    
19]报道Glu-B1位点7+8与7+9品质效应相当;Glu-D1基因位点具有上位效应,只有与Glu-D1基因位点5+10亚基同时存在时,Glu-A1基因位点1亚基才优于Null。不同研究结果有所差异,这可能是由于贮藏蛋白是一个由大基因家族编码的产物,不仅考虑单个HMW-GS品质效应,还要考虑不同亚基组合、亚基表达量以及LMW-GS、醇溶蛋白组成和含量等。另外,小麦品种携带1B/1R易位系,面团粘性增加、面筋质量差,加工品质变劣。

硬度和HMW-GS是影响小麦品质的重要因素,本研究不同Pin基因和Glu-D1位点等位变异组合沉淀值依次为Pin突变基因型/5+10>Pin突变基因型/2+12>Pin野生基因型/5+10>Pin野生基因型/2+12,表明硬度对SDS沉淀值影响大于HMW-GS组成。25份Pin突变基因型/5+10亚基组合材料可以用来进行中强筋小麦品质改良,以镇麦9号、科兴3302、农麦88、龙麦26(7OE+8*)和云麦80为代表,同时科兴3302的Glu-A1位点携带优质亚基1G330E,龙麦26(7OE+8*)的Glu-B1位点携带优质亚基7OE。29份Pin野生基因型/2+12亚基组合材料可以用来进行弱筋小麦品质改良,以扬麦13、扬麦15、扬麦19、扬麦34和川麦93为代表。Pin突变基因型/2+12亚基组合和Pin野生基因型/5+10亚基组合材料,需进一步研究籽粒硬度和面筋强弱协调性及其加工适用性。通过聚合高硬度突变基因和优质谷蛋白亚基、选择非1B/1R易位类型,注重面团强度和延展性协同改良,培育优质中强筋和强筋小麦。目前有关不同硬度基因变异类型和不同HMW-GS组合品质效应的研究报道较少,需继续研究不同硬度和HMW-GS变异类型及组合对磨粉品质和加工品质的影响,为培育优质专用小麦品种提供理论依据。

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