早世代优质小麦的快速筛选鉴定_王伟.pdf

分子植物育种，2023 年，第 21 卷，第 3 期，第 891-895 页Molecular Plant Breeding,2023,Vol.21,No.3,891-895基金项目：本研究由山东省农业良种工程项目(2019LZGC001)、山东省农业科学院院创新工程项目(CXGC2018E01)和国家重点研发计划项目(2017YFD0100600)共同资助引用格式：Wang W.,Yan M.,Xue L.X.,Yang Z.D.,Cheng D.G.,Liu A.F.,Song J.M.,Liu J.J.,Li H.S.,and Guo J.,2023,Rapidscreeningand identification ofwheat lines with high qualityin the earlier generations,Fenzi Zhiwu Yuzhong(Molecular Plant Breeding),21(3):891-895.(王伟,闫美,薛立霞,杨在东,程敦公,刘爱峰,宋健民,刘建军,李豪圣,郭军,2023,早世代优质小麦的快速筛选鉴定,分子植物育种,21(3):891-895.)研究报告Research Report早世代优质小麦的快速筛选鉴定王伟1,2*闫美3*薛立霞4杨在东3程敦公1刘爱峰1宋健民1刘建军1李豪圣1郭军1*1 山东省农业科学院作物研究所,小麦玉米国家工程实验室,农业部黄淮北部小麦生物学与遗传育种重点实验室,济南,250100;2 烟台大学,烟台,264005;3 山东鲁研农业良种有限公司,济南,250100;4 惠民县孙武街道办事处农技站,惠民,251700*同等贡献作者*通信作者,摘要为提高育种后代优质小麦新品种的中选概率，本研究以强筋小麦品种 济麦 20 与高产小麦品种济麦 22 杂交和回交获得的 76 个 BC1F2:4群体为试验材料，通过 SDS 沉降值测定、面筋指数测定和高分子量谷蛋白亚基电泳分析，筛选到 2 个优质小麦株系(6225 和 6294)；初步建立了育种后代早世代优质小麦的快速筛选鉴定方法体系，即首先测定株系的面筋指数，再测定谷蛋白亚基组成和 SDS 沉降值，最后测定稳定时间等品质指标。本研究建立的优质小麦快速筛选方法体系，对于提高优质小麦新品种中选概率具有一定的应用价值。关键词小麦(Triticum aestivum);优质;选择方法Rapid Screening and Identification of Wheat Lines with High Quality in theEarlier GenerationsWang Wei1,2*Yan Mei3*Xue Lixia4Yang Zaidong3Cheng Dungong1Liu Aifeng1Song Jianmin1Liu Jianjun1Li Haosheng1Guo Jun1*1 Key Laboratory of Wheat Biology and Genetic Improvement in North Yellow and Huai River Valley(Ministry of Agriculture),National EngineeringLaboratory for Wheat and Maize,Crop Research Institute,Shandong Academy of Agricultural Sciences,Jinan,250100;2 Yantai University,Yantai,264005;3 Shandong Luyan Agricultural Co.,Ltd.,Jinan,250100;4 Sunwu Street Office and Agro-technical Station,Huimin,251700*These authors contributed equally to this work*Corresponding author,DOI:10.13271/j.mpb.021.000891AbstractTo improve the probability of wheat lines selected with good quality in the breeding programme,76BC1F2:4linespopulations were obtained by crosscrossing and backcrossing between strong gluten wheat varietyJimai20 and high yield wheat variety Jimai22.Then 2 wheat lines,6225 and 6294 were selected by SDSsedimentation(SDSS)detection,gluten index(GI)detection and high molecular weight glutenin subunits sodiumdodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis(HMW-GS SDS-PAGE).A rapid screening and identificationmethod system for early generation and high quality wheat was established.Firstly,gluten index was determined,then gluten subunit composition and SDS settlement value were determined.Finally,stability time and otherquality indexes were determined.The rapid screening method system of high quality wheat established in this分子植物育种Molecular Plant Breedingstudy has certain application value for improving the selection probability of new varieties of high quality wheat.KeywordsTriticum aestivum;High quality;Selection methods小麦(Triticum aestivum)是中国的重要口粮作物之一，随着人民生活水平的提高，对小麦品种品质的要求越来越高。小麦面粉可加工制作成面条和面包等食品，主要是由面粉中的谷蛋白决定的。因此，培育优质强筋小麦品种对于提高小麦加工品质具有重要意义。小麦籽粒中的蛋白质包括清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白。谷蛋白又可分为高分子量谷蛋白亚基(HMW-GS)和低分子量谷蛋白亚基(LMW-GS)，是决定面团强度和稳定性的最重要的一类蛋白质。其中，HMW-GS 约占总蛋白含量的 6%10%，但对小麦加工品质起着重要作用(Payne et al.,1987;Anjum etal.,2007)。SDS 沉降值、面筋指数与面包品质呈正相关关系，且高分子量谷蛋白与面筋强度密切相关。Glu-1 位点对小麦品质有加性效应、上位效应和互作效应，且 Glu-1 位点对小麦品质性状的加性效应大小为，Glu-D1Glu-A1Glu-B1(Rogers et al.,1989)，且 Ax1、Ax2*、Bx7OE、Bx14+By15、Dx5+Dy10 等对小麦面包烘焙品质具有正向效应(宋健民等,2003;Liet al.,2015;Moloi et al.,2017)。任何一种基因的缺失或沉默都会造成小麦品质的明显下降，且 HMW-GS对面包品质的作用似乎在 x 和 y 亚基之间存在一定的配合效应(Li et al.,2015)。如 Ax1 亚基缺失突变导致 HMW-GS 含量明显降低，进而导致面团弹性和面包品质降低；Bx14 亚基缺失突变导致 HMW-GS 含量明显降低，进而导致面包延展性和面包品质降低，当二者均发生缺失突变时，面包品质降低更为明显(Li etal.,2015;Gao et al.,2018)。另外，过表达 HMW-GS 可显著提高小麦品质。研究表明，过表达 Dx5+Dy10 或Dx5 或 Dy10 亚基基因可以显著提高小麦的品质(Rakszegi et al.,2005;Baudo et al.,2006)；Bx7OE亚基是一个优质亚基，其提高小麦品质的根本原因是Glu-B1 位点插入了一个逆转录因子，导致 Bx7OE亚基基因过表达(Ragupathy et al.,2008)。另外，研究还发现，面筋指数、SDS 沉降值与面包品质呈正相关关系，因此可以用于优质小麦新品种选育(Lietal.,2015)。然而以往大多数研究，是基于优质强筋小麦开展的相关理论研究，而在实际育种工作中，综合利用面筋指数、SDS 沉降值和高分子谷蛋白等选择方法，快速从大量育种后代中精确选择出优质小麦株系的研究较少。本研究拟利用前期选择到的同一组合的杂种后代(不同的株系)，通过 SDS 沉降值、面筋指数和HMW-GS 比较分析，开展早世代(F2F4)优质小麦的快速筛选方法体系研究，以期为优质小麦新品种选育提供参考依据。1结果与分析1.1 SDS沉降值测定分析SDS 沉降值与面包品质呈正相关关系，SDS 沉降值小于 35 mL 的入选小麦株系数占到一半以上(43/76)，而沉降值大于 38 mL 的株系仅占到了23.7%，具 体 包 括 6036、6054、6058、6060、6114、6120、6198、6199、6205、6214、6223、6225、6236、6279、6294、6315、6316 和 6327 等 18 个株系(表 1)。1.2面筋指数测定分析在一定范围内，面筋指数(6488)与面团稳定时间呈正相关关系，绝大部分入选株系的面筋指数小于 60，而面筋指数大于 60 的株系仅占了 9.2%，具体包括 6120、6197、6198、6219、6225、6294 和 6315 等7个株系(表 2)。1.3高分子量谷蛋白亚基鉴定分析高分子量谷蛋白亚基与面包品质呈正相关关系。小麦品种 济麦 22 和 济麦 20 的高分子量谷蛋白亚基组成分别为 N、7+8、4+12 和 1、13+16、4+12。因 1B 染色体上，7+8 亚基效应与 13+16 亚基效应相当，1D 染色体上两亲本均为 4+12 亚基。因此，在杂种后代中，只需要选择 1A 染色体上的谷蛋白亚基即可(图 1)。绝大部分入选株系的谷蛋白组成中不含有1亚基，31.6%的株系含有高分子量谷蛋白 1 亚基，具体表 1 入选小麦株系的 SDS 沉降值测定Table 1 Determination of SDS sedimentation of selected wheatlinesSDS 沉降值SDS sedimentation20SDSS3030SDSS3535SDSS3838SDSS4040SDSS株系数No.of lines10331599892图 1 部分株系的籽粒 HMW 谷蛋白电泳注:M:蛋白预染 Marker10170kD;1:SN055843(1,17+18,5+10);2:济麦 22(N,7+8,4+12);3:6288;4:6289;5:6294;6:6295;7:6114;8:6302;9:6305;10:6328;11:6330;12:6036;13:6003;14:6025;15:6304;16:6234;17:6041;18:6047;19:6050;20:6054;21:6037;22:6331Figure 1 Grain HMW-GS electrophoresis of some linesNote:M:ProteinprestainMarker10170kD;1:SN055843(1,17+18,5+10);2:Jimai22(N,7+8,4+12);3:6288;4:6289;5:6294;6:6295;7:6114;8:6302;9:6305;10:6328;11:6330;12:6036;13:6003;14:6025;15:6304;16:6234;17:6041;18:6047;19:6050;20:6054;21:6037;22:6331表 2 入选小麦株系的面筋指数测定Table 2 Determination of gluten index of selected wheat lines面筋指数Gluten index30GI4040GI5050GI6060GI株系数No.of lines538267包 括 6036、6041、6050、6074、6114、6120、6172、6175、6192、6214、6222、6225、6234、6236、6277、6294、6295、6302、6304、6305、6306、6310、6323 和 6325 等 24 个株系(表 3)。1.4优质小麦的选择方法优质强筋小麦的 SDS 沉降值要大于等于 40 mL、高分子量谷蛋白亚基组成为 1，7+8 或 1，13+16 和面筋指数大于等于 60。根据以上结果，可以看出仅有2 个株系(6225 和 6294)可达到这个要求。综合以上分析，可以得出最优的优质小麦筛选技术体系，即首先测定株系的面筋指数，再测定谷蛋白亚基组成和SDS 沉降值，最后测定稳定时间等品质指标。2讨论普通小麦可制作成蛋糕、馒头、面包和面条等食品和稻谷成为中国两大口粮作物。小麦的品质与籽粒蛋白质含量、蛋白质质量和淀粉类型密切相关。根据小麦面筋强度等指标，可将小麦品种分为强筋小麦、中强筋小麦、中筋小麦和弱筋小麦。表 3 入选小麦株系的高分子量谷蛋白亚基组成分析Table 3 Composition analysis of HMW-GS in selected wheat lines高分子量谷蛋白组成Composition of HMW-GSN,7+8,4+12N,13+16,4+12N,7+8/13+16,4+121,7+8,4+121,13+16,4+121,7+8/13+16,4+12株系数No.of lines375101923蛋白质质量是由醇溶蛋白和谷蛋白的比值决定，在很大程度上决定小麦品质。谷蛋白包括 HMW谷蛋白亚基和 LMW 谷蛋白亚基；其中，控制 HMW谷蛋白亚基的基因位于小麦第一同源群长臂(Glu-A1,Glu-B1 和 Glu-D1)；除 1A 染色体上的 Glu-A1y 不表达，1B 和 1D 染色体上的 x 和 y 亚基均表达。研究表明，HMW 谷蛋白亚基缺失，可导致面包品质降低(Payne et al.,1987;Anjum et al.,2007;Li et al.,2015;Gao et al.,2018)。过表达 HMW 谷蛋白基因或谷蛋白表达量提高，可显著提高小麦的品质(Rakszegi et al.,2005;Baudo et al.,2006;Ragupathy et al.,2008)。不同HMW 谷蛋白亚基组合类型对小麦品质的影响不同。本研究发现，HMW 谷蛋白亚基组成为(N,7+8/13+16,4+12)类型的平均 SDS 沉降值最小(33.0 mL)，谷蛋白亚基组成为(1,7+8/13+16,4+12)类型的平均 SDS 沉降值最大(39.7 mL)，亚基组成为(1,7+8,4+12 或 1,13+16,4+12)类型的平均 SDS 沉降值次之，分别为35.2 和 36.0 mL。因此，在小麦育种后代中，应选择早世代优质小麦的快速筛选鉴定Rapid Screening and Identification of Wheat Lines with High Quality in the Earlier Generations893分子植物育种Molecular Plant BreedingHMW 谷蛋白亚基组成为(1,7+8/13+16,4+12)类型的单株，提高优质小麦新品种的中选概率。蛋白质含量与小麦品质息息相关。小麦审定标准中，不同类型优质小麦的籽粒蛋白质含量不同，如强筋小麦要求蛋白质含量大于等于 14%，而弱筋小麦要求蛋白质含量小于 12%。控制籽粒蛋白质含量的基因受多基因控制。Prasad 等(1999)的研究发现，位于 2D 染色体上的 QGpc.ccsu-2D.1 位点可在多个环境中检测到，与其紧密连锁的分子标记为 Xgwm1264，可解释 10.36%19.60%的表型变异。朱占玲等(2011)的研究发现，位于 3A 染色体上的 QGpc3A 位点在整个籽粒灌浆期均表达，与其紧密连锁的分子标记为XBARC86 和 XWMC21。Avni 等(2014)的研究发现，位于 6B 染色体上的 GPC-B1 位点，不仅显著提高籽粒蛋白质，而且显著提高籽粒铁和锌的含量。淀粉类型与小麦品质密切相关。目前，普通小麦中一共报道了 57 个控制淀粉合成的基因(Guo et al.,2020)。其中，位于 7A、4A 和 7D 染色体上的 TaGBSSI 基因全部发生突变，小麦面粉中支链淀粉的含量近乎为零，而直链淀粉含量几乎为 100%，即全糯粉。于春花等(2012)创制了 8 种 Wx 基因纯合基因型的近等基因系，即 AABBDD、AABBdd、AAbbDD、AAbbdd、aaBBDD、aaBBdd、aabbDD 和 aabbdd，通过对小麦面条品质的影响研究，发现基因型为 aaBBDD 的小麦(半糯小麦)面条品质表现突出。此外，已报道的 Ax1、Bx7+By8、Bx13+By16、Dx5+Dy10 和 Dx2.2+Dy12 等亚基是优异的高分子量谷蛋白亚基，Wx 基因优异等位变异组合(即 aaBBDD 型)的面条品质最好，结合快速育种(Alahmad et al.,2018)和本研究建立的优质小麦筛选方法技术体系，可快速培育出优异的优质面条小麦新品系(种)。3材料与方法3.1植物材料高产小麦品种 济麦 22，优质强筋小麦品种 济麦 20 均系本实验室保存。2016 年 5 月，以高产小麦品种 济麦 22 为母本，以强筋小麦品种 济麦 20 为父本，配制杂交组合，得 F1；2017 年 5 月，以 F1为父本，以高产小麦品种济麦 22为轮回母本回交，得BC1F1；2018 年 6 月，杂种 BC1F1自交得到 BC1F2；2019年6月，入选BC1F2单株自交得到BC1F2:3；2020年6 月，入选 BC1F2:3单株自交得到 BC1F2:4，共选择到76 个穗行，对其进行品质相关指标检测分析。3.2 SDS沉降值和面筋指数测定将入选的 303 个 F2:3穗行于 2019 年 10 月种植于山东省农业科学院作物研究所陵城试验基地，每个材料种植 1 行，每行 40 粒，行长 3.0 m，株距 8 cm，行距 33 cm；2020 年 6 月，根据田间农艺性状和籽粒性状表现，入选 76 个穗行，用于 SDS 沉降值和面筋指数测定，具体参考宋健民等(2003)的方法。每个材料取 30 g 种子，用 Foss 公司生产的旋风磨粉机磨制全粉，称取 5 g 全粉，加入 50 mL 溴酚蓝提取液，上下混匀；再加入 50 mL SDS 溶液，摇床震荡 5 min；静置 20 min，读取沉淀物体积，即为 SDS沉降值。每个材料取 200 g 种子，用 Brabender 公司生产的 Quadrumat Junior 实验磨(Quadruplex)磨制面粉，过 60 目筛，出粉率约为 60%，称取 10 g 面粉，用Perten 公司生产的 2200 型面筋洗涤仪洗涤；洗涤完成后，用离心机离心；离心之后，分别称量上筛网(m1)和下筛网(m2)上的面筋重量；面筋指数计算公式为：面筋指数(%)=100m1/(m1+m2)。3.3 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)每个材料称取 40 mg 面粉，参考宋健民等(2003)的方法提取谷蛋白。提取物经 3.7%浓缩胶和 12%分离胶分离，电流大小 20 mA/板，电泳时间 18 h；考马斯亮蓝染色，Bio-Rad 凝胶成像仪成像。3.4数据分析利用 WPS 2010 对数据进行处理分析，利用Photoshop CS 4.0 对图片进行处理。作者贡献王伟和闫美是本研究的执行人，完成数据分析，论文初稿的写作；薛立霞、杨在东、程敦公、刘爱峰、宋健民、刘建军和李豪圣负责实验数据的整理及文献的收集；郭军是项目的构思者及负责人，指导实验设计、数据分析、论文写作与修改。全体作者都阅读并同意最终的文本。致谢本研究由山东省农业良种工程项目(2019LZGC-001)、山东省农业科学院院创新工程项目(CXGC20-18E01)和国家重点研发计划项目(2017YFD0100600)共同资助。894参考文献Anjum F.M.,Khan M.R.,Din A.,Saeed M.,Pasha I.,and ArshadM.U.,2007,Wheat gluten:high molecular weight gluteninsubunits-structure,genetics,and relation to dough elasticity,J.Food Sci.,72(3):R56-R63.Alahmad S.,Dinglasan E.,Leung K.M.,Riaz A.,Derbal N.,Voss-Fels K.P.,Able J.A.,Bassi F.M.,Christopher J.,andHickey L.T.,2018,Speed breeding for multiple quantitativetraits in durum wheat,Plant Methods,14:36.Avni R.,Zhao R.,Pearce S.,Jun Y.,Uauy C.,Tabbita F.,FahimaT.,Slade A.,Dubcovsky J.,and Distelfeld A.,2014,Func-tional characterization of GPC-1 genes in hexaploid wheat,Planta,239(2):313-324.Baudo M.M.,Lyons R.,Powers S.,Pastori G.M.,Edwards K.J.,Holdsworth M.J.,and Shewry P.R.,2006,Transgenesis hasless impact on the transcriptome of wheat grain than 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