面包小麦中一个推定新型17x + 8y高分子量谷蛋白亚基重组的鉴定与品质特征分析

《Journal of the Science of Food and Agriculture》：Identification and quality characterization of a putative novel 17x + 8y high-molecular-weight glutenin subunit recombination in bread wheat

　　

摘要 背景：高分子量谷蛋白亚基（high-molecular-weight glutenin subunits, HMW-GSs）是决定面包小麦（Triticum aestivum L.）面团流变学行为和面包制作品质的主要因素。在小麦基因组中，Glu-B1位点表现出最高的等位基因多样性；然而，x型和y型HMW-GS基因之间的重组事件被认为极为罕见。因此，鉴定新型重组HMW-GS谱系可能为小麦品质改良提供有价值的新功能多样性来源。 结果：在本研究中，研究人员采用回交育种策略结合加速育种技术，将7OE + 8y HMW-GS组合导入到携带17x + 18y亚基的强筋小麦遗传背景中。在回交过程中，基于十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）和分离模式，研究人员鉴定出一个包含17x + 8y的推定重组HMW-GS谱系，并通过连续世代将其稳定化。随后，研究人员评估了携带7OE + 8y、17x + 18y以及重组17x + 8y组合的近等基因系（near-isogenic lines, NILs）的籽粒品质、面粉功能性、面团流变学行为和面包制作性能，并以弱筋品种‘Bayraktar’作为对照。各NILs在沉降值、蛋白质相关品质性状、面团流变学和面包质地特性方面均观察到显著差异。NIL 7OE + 8y表现出最高的沉降值（27.3 mL），其次是NIL 17x + 18y（25.5 mL），而重组17x + 8y品系的沉降值相对较低（20.6 mL）。相比之下，NIL 17x + 8y表现出显著更高的破损淀粉含量和升高的吸水率，表明该重组HMW-GS谱系具有独特的面粉功能性。NIL 17x + 18y记录到最高的面包体积。面包质地分析表明，与‘Bayraktar’品种相比，携带17x + 18y、17x + 8y和7OE + 8y的NILs在储存期间硬度值显著降低。 结论：总体而言，在所评估的条件下，17x + 18y NIL比17x + 8y NIL表现出更强的面筋相关特性和更大的面包体积。然而，由于这些品系在总蛋白质浓度上也存在差异，这些差异不能完全归因于18y亚基相对于8y亚基的存在。尽管如此，推定的重组17x + 8y谱系展现出独特的面粉功能性，可能代表一种有价值的遗传资源，可用于进一步研究和特定的终端用途应用。结果表明，推定的重组17x + 8y HMW-GS谱系代表了影响面包小麦面团流变学和面包制作性能的功能变异的一个新来源。然而，需要进行DNA水平的表征才能最终确认其潜在的重组事件。

研究背景与目的

面包小麦（Triticum aestivum L.）是全球最重要的谷类作物之一，其终端品质主要由贮藏蛋白中的高分子量谷蛋白亚基（high-molecular-weight glutenin subunits, HMW-GSs）决定。HMW-GSs由位于染色体1A、1B和1D长臂上的Glu-1位点编码，每个位点通常包含两个紧密连锁的旁系同源基因，分别编码x型和y型亚基。其中，Glu-B1位点展现出最高的等位基因多样性，某些特定组合如1Bx17+1By18、1Bx7^OE+1By8已被证实与优良的面团强度和面包制作品质密切相关。然而，x型和y型HMW-GS基因之间的重组事件极为罕见，此前估计在Glu-B1位点的重组频率约为每千次减数分裂发生一次。尽管罕见，此类重组可能产生具有改变后功能特性的新型谷蛋白谱系。截至目前，尚无研究报告过包含推定重组17x+8y HMW-GS谱系的小麦基因型的开发及其技术特性表征。因此，本研究旨在：(i) 通过十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）和分离分析鉴定并稳定一个推定新型17x+8y重组HMW-GS谱系；(ii) 利用近等基因系（near-isogenic lines, NILs）评估该重组亚基谱系对籽粒特性、面粉品质、面团流变学性质和面包制作性能的影响。

关键技术方法

研究人员采用回交育种策略结合加速育种技术，以高产的硬白冬小麦品系148（系谱：Tosunbey/Tahirova2000）作为轮回亲本，加拿大春小麦品种‘Glenlea’（携带过表达的1Bx7^OE+1By8组合）作为供体亲本，进行连续回交至BC₆代。HMW-GSs的表征采用SDS-PAGE进行。籽粒和面粉品质分析包括：使用Inframatic 9500近红外谷物分析仪测定容重和蛋白质含量；使用SDmatic分析仪测定破损淀粉；采用改良的AACC方法56-70测定SDS沉降值。面团流变学和热机械特性使用肖邦Mixolab系统进行评估。面包制作测试依据标准配方进行，面包体积采用小米置换法测量，面包质地剖面分析使用TA.XT Plus质构仪。所有统计分析使用SPSS软件完成，采用邓肯多重比较检验进行均值比较。

研究结果

1. 推定17x+8y HMW-GS重组谱系的鉴定与近等基因系的开发

在将7^OE+8y亚基导入携带17x+18y亚基的遗传背景的回交程序中，研究人员在BC₆F_1:2代通过SDS-PAGE鉴定出同时含有17x+18y+8y三个亚基的回交品系4。随后的BC₆F_2:3代分离分析揭示了三种不同的HMW-GS模式：17x+18y+8y、17x+18y以及推定的重组17x+8y谱系。携带17x+18y和重组17x+8y亚基的品系被选择并推进以开发NILs。通过与参考品种的电泳比较，重组17x+8y谱系与亲本对照明显区分开来，并在连续世代中得到遗传固定。

2. 籽粒和面粉品质性状评估

在所有评估的籽粒性状和面粉品质参数中，不同基因型间均存在显著差异（P<0.01）。NIL 17x+18y展现出最优异的籽粒物理特性，包括最高比例的2.8 mm筛上留存率（78.59%）、最高容重（81.96 kg hL^-1）和最大千粒重（44.17 g）。在面粉品质方面，NIL 17x+18y表现出最高的蛋白质含量（15.42%）、灰分含量（0.94%）和湿面筋含量（36.50%）。SDS沉降值范围为11.50至27.30 mL，NIL 7^OE+8y最高（27.30 mL），其次为NIL 17x+18y（25.50 mL），而重组NIL 17x+8y则较低（20.55 mL）。值得注意的是，NIL 17x+8y表现出最高的破损淀粉值（7.41%），而‘Bayraktar’最低（3.78%）。

3. 面团流变学特性

NIL 17x+8y和NIL 17x+18y展现出最高的吸水率，分别为61.80%和61.50%，而‘Bayraktar’最低（50.60%）。面团形成时间在各基因型间差异显著，NIL 7^OE+8y最长（5.99 min），其次为NIL 17x+8y（5.07 min）和NIL 17x+18y（4.30 min）。扭矩值在NILs间范围为1.08至1.14 Nm。面团稳定性值范围为7.14至9.32 min，‘Bayraktar’最高，而NIL 17x+18y最低。

4. 面包生产与品质评估

所有基因型的面包硬度值在储存期间均逐渐增加，但‘Bayraktar’在2、24和72小时均表现出显著高于NILs的硬度值。NIL 17x+18y展现出最高的面包体积（416.67 cm³），其次是NIL 7^OE+8y（409.00 cm³）和NIL 17x+8y（400.00 cm³），所有NILs的体积均显著大于‘Bayraktar’（315.00 cm³）。湿面筋和干面筋含量在NILs中均显著高于‘Bayraktar’，而面筋指数无显著差异。

讨论总结与研究结论翻译

讨论部分指出，虽然SDS-PAGE带型和孟德尔分离模式支持17x+8y谱系源于Glu-B1位点内的重组事件，但未进行DNA水平验证，因此需谨慎解读其重组性质。研究发现，NIL 17x+18y在籽粒物理特性和面筋品质上表现最佳，但研究人员强调这些差异不能完全归因于HMW-GS组成，因为各NILs在总蛋白质浓度和可能的残余遗传背景上也存在差异。NIL 17x+8y尽管沉降值较低，但展现出高吸水率和延长的面团形成时间，这可能与其较高的破损淀粉含量有关。有趣的是，NIL 7^OE+8y虽具有最高的沉降值和强面筋特性，但面包体积仅为中等水平，提示过强的面筋网络可能限制了面团延伸性和气体膨胀。研究结论翻译如下：本研究鉴定并表征了一个在回交育种过程中产生的推定新型17x+8y HMW-GS重组谱系。电泳和分离分析清楚地区分了该谱系与亲本HMW-GS组合，并证明其在连续世代中一致传递和遗传固定。结果表明，不同的HMW-GS组合显著影响籽粒品质、面粉功能性、面团流变学行为和面包制作性能。重组17x+8y NIL展现出独特的面筋相关和面团水合特性，但因其与其它品系在总蛋白质浓度上存在差异，这些差异不能完全归因于18y亚基被8y替代。总体而言，稀有的HMW-GS重组事件可以产生新的功能变异，该重组17x+8y谱系可能是一种有前景的遗传资源，用于开发具有特定终端用途品质的小麦品种。然而，需要进一步的分子表征和多环境评估来阐明这种新型重组HMW-GS组合的功能特性、稳定性和育种潜力。