Glu-D1d與Wx-B1b基因聚合在強筋小麥育種中的利用

楊雪峰,宋維富,劉東軍,趙麗娟,宋慶杰,張春利,辛文利,肖志敏,白光宇,孫雪松,王曉楠

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物資源研究所,黑龍江哈爾濱 150086; 2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第十師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,新疆北屯 836000; 3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)遙感與信息研究所,黑龍江哈爾濱 150086)

關(guān)鍵字:普通小麥;Glu-D1d;Wx-B1b;基因聚合;品質(zhì)改良

小麥(TriticumaestivumL.)是中國重要的口糧作物之一,隨著經(jīng)濟快速發(fā)展和綜合國力的提高,食品加工企業(yè)和消費者對小麥加工用途的要求更加多樣化。面包面條兼用型強筋小麥可用于生產(chǎn)面包粉、面條粉、餃子粉等,其應(yīng)用范圍更廣,商業(yè)價值更高,不僅能滿足食品加工企業(yè)的多元化需求,同時也符合中國蒸煮食品消費大國的基本國情。大力開展面包面條兼用型小麥新品種的選育,現(xiàn)已逐步成為中國強筋小麥育種的重要方向之一。Glu-D1d(Glu1Dx5+Glu1Dy10)與Wx-B1b(Wx-B1缺失)基因遺傳效應(yīng)是面包面條兼用型強筋小麥的主要遺傳基礎(chǔ),二者聚合可實現(xiàn)蛋白質(zhì)(面筋)質(zhì)量和淀粉特性的同步改良[1],對拓寬強筋小麥二次加工用途及品質(zhì)改良等具有重要意義。本文從Glu-D1d與Wx-B1b基因及其聚合對強筋小麥品質(zhì)的影響、基因聚合育種策略及注意事項幾個方面進行探討,以期為面包面條兼用型強筋小麥育種提供理論依據(jù)。

1 Glu-D1d基因?qū)娊钚←溒焚|(zhì)的影響

1.1 對面粉和面團品質(zhì)的效應(yīng)

眾所周知,在編碼高分子量麥谷蛋白亞基(HMW-GS)的位點中,Glu-D1位點的貢獻明顯高于Glu-A1和Glu-B1[2-3]。不同位點亞基組成對小麥品質(zhì)的貢獻也不一致,Payne等[4]按照品質(zhì)評分標準,將含有Glu-D1d基因(5+10)的小麥評定為4分(最高分),表明其對品質(zhì)的貢獻最大。權(quán) 威等[5]對393份國外小麥資源進行研究,也發(fā)現(xiàn)含有Glu-D1d基因的小麥具有較高的品質(zhì)得分。研究結(jié)果表明,Glu-D1d基因?qū)ψ蚜５鞍踪|(zhì)含量、沉降值、峰高、8 min帶高、面團形成時間、穩(wěn)定時間、面團彈性最大抗延阻力、拉伸面積、面筋強度、峰值曲線面積以及高、低分子量麥谷蛋白亞基含量等品質(zhì)性狀均具有較大或顯著的正向效應(yīng)[6-14]。因此,Glu-D1d基因?qū)娊钚←湹钠焚|(zhì)影響較大,是影響品質(zhì)的主效基因之一。

1.2 對面包和面條品質(zhì)的效應(yīng)

大量研究表明,Glu-D1d可影響烘烤品質(zhì)[15-16]和面包體積[17-18],因此對面包評分的貢獻最大[4]。另外,Glu-D1d也能夠增加面條的適口性,使面條富有彈性、有咬勁、不粘牙,是適合制作優(yōu)質(zhì)面條的優(yōu)異位點[19],且制成的掛面品質(zhì)得分相對較高[20-21]。因此,Glu-D1d對改良強筋小麥品種面制品品質(zhì)至關(guān)重要。

2 Wx-B1b基因?qū)π←溒焚|(zhì)的影響

小麥Wx基因缺失可使直鏈淀粉含量減少,并對淀粉特性和面條加工、食用等品質(zhì)產(chǎn)生積極影響,Wx基因單缺失類型中Wx-B1缺失對其影響最為顯著。在降低直鏈淀粉含量的效應(yīng)方面,Wx-B1缺失型>Wx-D1缺失型>Wx-A1缺失型[22-24];在影響淀粉糊化特性方面,Wx-B1b基因缺失品種總體上優(yōu)于非缺失品種[25-26],其淀粉糊化特性表現(xiàn)優(yōu)良,直鏈淀粉含量最低,膨脹勢和峰值黏度最高[24],稀懈值也顯著高于非缺失品種[25]。

直鏈淀粉含量低是優(yōu)質(zhì)面條小麥品種的特性[27]。研究表明,直鏈淀粉含量與面條評分呈顯著負相關(guān)[28],而Wx-B1b基因能夠顯著降低直鏈淀粉含量,進而改良小麥面條品質(zhì),是影響面條品質(zhì)質(zhì)構(gòu)參數(shù)的重要因素,可使干面條不易斷裂[29],硬度降低[30],具有最高的面條評分[24]。澳大利亞小麥以優(yōu)質(zhì)面條小麥著稱,多數(shù)以Wx-B1b基因缺失類型為主[31-32],也進一步說明了Wx-B1b基因在面條品質(zhì)改良中的利用價值。另有研究表明,直鏈淀粉含量與面包品質(zhì)呈負相關(guān)[33-34],較低的直鏈淀粉含量能夠延緩面包老化速度[35]。因此,Wx-B1b基因缺失效應(yīng)在強筋小麥品質(zhì)改良中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 Glu-D1d與Wx-B1b基因聚合效應(yīng)對小麥品質(zhì)的影響

3.1 實現(xiàn)蛋白質(zhì)和淀粉品質(zhì)協(xié)同改良

蛋白質(zhì)和淀粉是小麥的主要成分,兩者之間的品質(zhì)改良相關(guān)性較小,通過優(yōu)質(zhì)HMW-GS和Wx基因缺失聚合,可實現(xiàn)二者的協(xié)同改良[36],不僅可顯著提高淀粉和蛋白質(zhì)品質(zhì),還可提升面條蒸煮品質(zhì)和感官評分[37]。研究發(fā)現(xiàn),具有直鏈淀粉含量低和蛋白質(zhì)含量高的優(yōu)質(zhì)品種,其面包和面條品質(zhì)均較好[38],其中面條的質(zhì)構(gòu)特性、拉伸性能、剪切性能與淀粉含量呈負相關(guān),與蛋白質(zhì)含量呈正相關(guān)[39]。由于Glu-D1d與Wx-B1b基因?qū)Φ鞍踪|(zhì)質(zhì)量和淀粉特性改良具有顯著的正向效應(yīng),因此二者聚合可實現(xiàn)面包面條兼用型強筋小麥二次加工品質(zhì)的改良。

多年來,“龍麥”系列優(yōu)質(zhì)小麥品種選育的實踐也表明,Glu-D1d和Wx-B1b基因作為面包面條兼用型強筋小麥品種選育的主要品質(zhì)指標[40-41],可通過分子標記輔助選擇手段進行跟蹤檢測,并結(jié)合淀粉特性分析、二次加工品質(zhì)評價等手段,實現(xiàn)面包面條兼用型強筋小麥品質(zhì)的協(xié)同改良,最終育成的“龍麥”系列優(yōu)質(zhì)小麥品種面包、面條評分雙高(表1)。因此,定向進行Glu-D1d和Wx-B1b基因聚合,可為面包面條兼用型強筋小麥二次加工品質(zhì)的遺傳改良提供遺傳基礎(chǔ),兩者聚合后其蛋白質(zhì)(面筋)質(zhì)量和淀粉特性均能得到有效改善。

表1 “龍麥”系列面包面條兼用型小麥品種的基因類型及面包、面條評分表現(xiàn)(2021)Table 1 Genotype and quality score of bread and noodle-making quality of Longmai-series wheat cultivars (2021)

3.2 拓寬和提高強筋小麥二次加工用途和利用價值

“龍麥號”小麥育種團隊選育推廣的龍麥26、龍麥35、龍麥67等“龍麥”系列面包面條兼用型強筋小麥品種(表1),集Glu-D1d與Wx-B1b基因于一體,既有優(yōu)質(zhì)面包小麥的面團特性,又兼具優(yōu)質(zhì)面條小麥的淀粉特性,其原糧商品價值較高,不僅受到國內(nèi)面粉企業(yè)和當?shù)匦←湻N植者的青睞,而且引導(dǎo)東北春麥區(qū)小麥品種進行了2次更新?lián)Q代[42]。其中,龍麥26曾作為制作方便面的主要配麥原料,被食品加工企業(yè)大量應(yīng)用;龍麥35曾獲得全國強筋小麥品種面包烘焙品質(zhì)第一名,其品質(zhì)鑒評總分超過美麥DNS和香港金像面包粉[1,42]。目前,“龍麥號”小麥育種團隊仍側(cè)重以面包面條兼用型小麥育種為主,開展聚合Glu-D1d與Wx-B1b基因優(yōu)良品種(系)的鑒定、篩選及選育工作,獲得了大量品質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)良品種(系),既可為強筋小麥原糧生產(chǎn)提供品種儲備,又可為小麥品質(zhì)育種提供豐富的優(yōu)質(zhì)基因源。

4 Glu-D1d與Wx-B1b基因聚合育種策略和注意事項

4.1 育種策略

為加速面包面條兼用型強筋小麥育種進程,利用雜交選育、分子檢測及品質(zhì)測試相結(jié)合的手段聚合Glu-D1d與Wx-B1b基因,現(xiàn)已成為東北春麥區(qū)強筋小麥二次加工品質(zhì)改良的重要途徑。如“龍麥號”小麥育種團隊以蛋白質(zhì)質(zhì)量與淀粉特性之間相對獨立為依據(jù),以Glu-D1d和Wx-B1b基因遺傳效應(yīng)為主要遺傳基礎(chǔ),重點進行親本選配和穩(wěn)定品系的分子檢測及品質(zhì)分析,不僅成功實現(xiàn)了蛋白質(zhì)質(zhì)量和淀粉特性的同步改良,而且選育推廣了多個面包面條兼用型強筋小麥新品種,并創(chuàng)制了一批面包面條兼用型強筋小麥新種質(zhì)。其中,龍麥26分別于2002年和2005年獲得黑龍江省科學(xué)技術(shù)獎一等獎和國家科技進步二等獎;龍麥35現(xiàn)已成為中國東北春麥區(qū)第一主栽品種[43]。

育種策略的具體做法:一是小麥親本選擇需在雙親蛋白質(zhì)質(zhì)量和淀粉特性分析結(jié)果基礎(chǔ)上,重點進行Glu-D1d和Wx-B1b基因同步檢測,確保親本材料中含有目的基因,為面包面條兼用型強筋小麥后代的品質(zhì)選擇提供遺傳保障。二是雜交組合選配方式可采用單交、復(fù)交等多種雜交方式,主要目的是將Glu-D1d和Wx-B1b基因進行有效聚合。三是后代處理時,F1～F5等分離世代重點側(cè)重對雜交組合后代的豐產(chǎn)性、抗病性、抗倒性及適應(yīng)性等性狀進行選擇,以保證決選世代的優(yōu)良品系能夠滿足除品質(zhì)性狀之外其他重點性狀的育種要求,由于F5代入選單株趨于穩(wěn)定,可對入選單株的籽粒開展目的基因檢測[主要以十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳技術(shù)(SDS-PAGE)為主],為下一世代品系決選提供參考依據(jù);F6或F7等穩(wěn)定決選世代重點進行遺傳基礎(chǔ)檢測(重復(fù)驗證)及相關(guān)品質(zhì)指標分析,即對入選品系進行Glu-D1d和Wx-B1b基因分子檢測,同時根據(jù)種子量有選擇性的開展蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、沉降值、穩(wěn)定時間、拉伸面積及淀粉糊化特性等主要品質(zhì)指標分析。需要注意的是,考慮到小麥雜種分離世代期間,蛋白質(zhì)質(zhì)量和淀粉特性檢測數(shù)量龐大、耗時耗力,故在決選前一世代(F5)和決選世代(F6或F7)及穩(wěn)定品系處理階段進行遺傳基礎(chǔ)檢測及相關(guān)品質(zhì)指標分析,既減少了對目標基因檢測的工作量,又可兼顧品質(zhì)分析所需的樣品量,選擇效果明顯,同時還可實現(xiàn)優(yōu)異蛋白質(zhì)質(zhì)量和微糯淀粉特性的同步選擇,保證了面包面條兼用型強筋小麥的育種效率。

4.2 注意事項

(1)在改良強筋小麥二次加工品質(zhì)時,Wx-B1b基因遺傳效應(yīng)只有在優(yōu)異蛋白質(zhì)質(zhì)量和較高蛋白質(zhì)含量遺傳背景下,才能具有較高的利用價值。(2)在面包面條兼用型強筋小麥新品種選育時,只有在“以生態(tài)適應(yīng)性為鏈條,產(chǎn)量為基礎(chǔ),多抗為保證”的前提下,進行Glu-D1d和Wx-B1b基因同步聚合,才具有實用意義。(3)對面包面條兼用型強筋小麥品系決選時,除對主要品質(zhì)指標和遺傳基礎(chǔ)進行分析外,面包、面條等面食制品烘焙品質(zhì)和蒸煮品質(zhì)評價也不可或缺。(4)在小麥親本選配和后代處理時,關(guān)注1BL/1RS遺傳基礎(chǔ)[10,44]以及多酚氧化酶(PPO)活性[45]等對面包面條兼用型強筋小麥二次加工品質(zhì)的負面效應(yīng),也非常必要。

5 小結(jié)

小麥Glu-D1d與Wx-B1b基因遺傳效應(yīng)是面包面條兼用型小麥二次加工品質(zhì)的主要遺傳基礎(chǔ)。采用合理的育種策略,通過品質(zhì)分析和分子標記輔助選擇相結(jié)合等方法,可實現(xiàn)Glu-D1d與Wx-B1b基因的同步聚合,并能加速面包面條兼用型強筋小麥二次加工品質(zhì)的改良進程。育成的優(yōu)良品種(系)既能服務(wù)于強筋小麥原糧生產(chǎn),又可直接或間接為小麥品質(zhì)育種提供優(yōu)質(zhì)基因源。