基因型、环境对新疆冬小麦品种蛋白质品质的影响

刘鹏鹏，桑 伟，徐红军，崔凤娟，韩新年，聂迎彬， 孔德真，邹 波，穆培源

(1.新疆农垦科学院作物研究所，新疆石河子 832000；2.谷物品质与遗传改良兵团重点实验室，新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意义】小麦蛋白质品质性状是评价小麦品质的重要指标，决定小麦的营养品质，且与加工品质密切相关[1-5]。蛋白质品质性状受遗传控制和环境条件的影响，是基因型和环境条件互相作用的综合表现[1-9]。品种间差异、地点间生态条件以及同一地点环境变化(耕作栽培、土壤等)均影响小麦品质[5]。同一小麦品种在不同地点，其品质有明显差异，且基因型与环境间有显著的互作效应[6]。深入研究基因型、环境对小麦品质的影响，对小麦品质遗传改良、优质育种、优质栽培以及确定小麦品质种质区划、确定合理的育种方案，以及充分发挥各地自然资源和品种的遗传潜力和实现优质小麦高效生产具有重要意义。【前人研究进展】基因型与环境对小麦品质性状影响的研究较多，结论不一[2，11-15]。姚大年等[2]研究认为，地点间环境效应对沉淀值的影响较大；研究发现，基因型、环境及其互作都显著影响蛋白质性状，环境对面粉蛋白含量影响大于基因型[11-12]；环境对蛋白质含量的影响较大，其影响程度甚至超过基因型的影响，而环境对蛋白质品质的影响相对较小，其主要受基因型的影响[13]；蛋白质、湿面筋含量与沉降值在品种间的变异大于地点间的变异[14-15]；曹俊梅等[16]对新疆大面积主栽的不同筋力类型小麦品种的品质研究后发现，不同筋力类型小麦在不同环境下品质性状的变化程度不同，蛋白质品质性状受基因型的影响大于环境影响。一些研究[12-18]结果显示，基因型与环境对小麦品质性状影响不尽相同。【本研究切入点】新疆地域辽阔，生态环境复杂，小麦品质易受环境影响，同一优质小麦在不同生态区域品质变化较大，给优质小麦的育种和推广利用带来了一定的影响，很难发挥优质小麦的潜力，且小麦蛋白质品质的提高和优质小麦品种的高效利用化均涉及生态环境和栽培措施等多种因素[15]。需研究不同环境条件下小麦品种的品质稳定性，发掘对环境有钝感的优质小麦品种(系)。【拟解决的关键问题】选用新疆自育及国内外引进的762份冬小麦品种(系)，在新疆典型生态区布点种植，分析基因型与环境对新疆冬小麦蛋白质品质性状的影响，研究冬小麦蛋白质性状在不同区域的稳定性，为充分发挥各地自然资源和品种的遗传潜力和小麦蛋白质品质改良提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

参试的762份新疆冬小麦品种均来自新疆农垦科学院作物研究所小麦课题组，于2014年分别种植在石河子(新疆农垦科学院作物所农业科研试验站)、阿克苏(兵团第一师农科所试验基地、伊宁(兵团第四师农科所试验基地)，统一设计，田间顺序排列，8行区，行长1.8 m，行距0.25 m，播种量35×104粒/667m2。田间管理同大田，正常成熟后及时收获，人工收割，机械脱粒。收获后每小区取1.0 kg籽粒作为分析样品，室温存放1个月后制粉，面粉室温存放1个月后测定品质。

1.2 方 法

1.2.1 籽粒性状和磨粉品质测定

籽粒蛋白质含量(14%水分基，下同)使用丹麦FOSS公司1241型近红外谷物成分分析仪测定；湿面筋含量使用瑞典Perten公司2200型面筋仪按国标GB/T14608-93方法测定；Zeleny沉淀值使用中国农业大学BAU-1型沉淀值测定仪按AACC56-61A方法测定；面团特性使用美国National manufacturing 公司10g电子型和面仪按AACC54-40A方法测定峰值时间、峰值高度、8min宽度和8min面积等指标。

1.2.2 方差与模型

参照刘丽华等[10]的AMMI(Additive Main effects and Multiplicative Interaction)方法，若基因型与环境互作(G×E，下同)效应显著，则进行联合方差分析，利用AMMI模型进行蛋白品质性状的稳定性分析，其表达式为：

参照刘丽华等[10]的方法计算品种稳定性参数(Di)，Di是指一个基因型在交互作用的主成分(IPCA)空间中的位置与原点的欧氏距离。

式中，n表示显著IPCA个数；γin表示第i个基因型在第n个IPCA上的得分；ωn表示权重系数，是每个IPCA 解释的平方和占全部IPCA解释的平方和的比例。Di为有基因型给出相应的定量指标，参试品种Di值越小，其稳定性就越好

1.3 数据处理

数据分析采用DPS7.05统计软件进行数据的基本参数和方差分析。

2 结果与分析

2.1 新疆冬小麦品种的蛋白质品质特性

研究表明，新疆冬小麦品种的籽粒蛋白质含量为14.44%，湿面筋含量为32.37%，面筋指数为61.86%，Zeleny沉淀值为26.25 mL，峰值时间为2.67 min，峰值高度为53.09%，8 min宽度为15.30%，8 min面积为107.16%TQ×min，其中籽粒蛋白质含量和湿面筋含量均达到了国标优质强筋的要求。但新疆冬小麦品种中蛋白质品质性状的变异程度存在较大差异，其中8 min宽度的变异系数最大，为37.74%；其次是峰值时间、8 min面积、面筋指数和Zeleny沉淀值，变异系数均达到20%以上；湿面筋含量、籽粒蛋白含量和峰值高度的变异系数较小，分别为10.16%、6.09%和4.62%。

河农2552、河农326、中优9507、CA0045、郑366等品种的籽粒蛋白质含量在16.00%以上；CA0045、HD05-06、LB0288等品种的湿面筋含量达到40%以上；新冬23号、垦冬03-69、冀麦24、垦冬07-26等品种(系)的面筋指数在95%以上；优选14、新冬23号、93-187等品种的沉淀值在40 mL以上；96-66的峰值时间最高为6.11 min；新冬34号、周麦98100、西农889、济麦19、陕981、2003(76)/3-11-2等品种的峰值高度达到58%以上；垦冬01(38)、奎花2号、06/6155、2001(38)/1-2-6等品种的8 min宽度在35%以上；2007(16)/25-5-2、新冬23号、2004(11)/5-3-1等品种(系)的8 min面积在200.00%TQ×min以上。表1

表1 新疆冬小麦品种的蛋白质品质特性Table 1 Protein quality properties of winter wheat varieties in xinjiang

2.2 不同地点新疆冬小麦品种蛋白质品质性状比较

研究表明，同一性状在不同地点的表现是不同的，石河子点的籽粒蛋白质含量、沉淀值、峰值高度显著最高，分别为14.73%、28.43 mL和55.14%；阿克苏点的湿面筋含量显著最高，为34.13%；伊宁点的面筋指数、峰值时间、8 min宽度、8 min面积显著最高，分别为63.05%、3.15min、20.05%和123.88%TQ×min。伊宁点和阿克苏点的8 min宽度(20.05%，16.81%)明显高于石河子点(9.03%)，伊宁点和石河子点的8 min面积(123.88%TQ×min，107.55%TQ×min)明显高于阿克苏点。蛋白质数量性状中，阿克苏点表现最好，其次是石河子点，伊宁点表现最差；蛋白质质量性状中，伊宁点表现最好，其次是石河子点，阿克苏点表现最差，且三地点间蛋白质质量性状表现出显著差异，环境效应对蛋白质质量性状具有显著影响。表2

表2 不同地点间新疆冬小麦品种蛋白质品质性状比较Table 2 Comparison of protein quality traits of Xinjiang winter wheat varieties in different sites

2.3 基因型、环境对新疆冬小麦品种蛋白质品质性状的影响

研究表明，基因型、环境及其互作(G×E)对蛋白质品质性状均有显著影响作用，但三者引起蛋白质品质性状变化幅度的作用大小不同。环境(47.62%～68.94%)的影响作用最大，其次是G×E(23.34%～41.38%)，基因型(7.71%～11.00%)的影响作用最小；蛋白质品质性状中除8 min面积的基因型(11.00%)、环境(47.62%)和G×E(41.38%)百分比不同外，其余蛋白品质性状的基因型、环境和G×E百分比的数值大小相近、趋势也一致，基因型为7.71%～9.96%，环境为58.92%～68.94%，G×E为23.34%～31.12%。环境间的差异是影响小麦蛋白质品质变化的主要原因，但G×E的效应也不能忽视。蛋白质品质性状指标在品种间、环境间及G×E互作效应均达到极显著水平。表3

2.4 新疆冬小麦品种蛋白质品质性状的稳定性

研究表明，所有蛋白质品质性状主成分因子IPCA1、IPCA2的F值达显著或极显著水平，G×E互作的第1主成分之和(即IPCA1)能够解释G×E总变异平方和的90%以上，IPCA1所代表的互作部分，能对小麦蛋白质品质性状的稳定性做出可靠评价。表3

小麦蛋白质品质性状受地点效应的影响大小不同，表现出了不同的稳定性。伊宁点对籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、Zeleny沉淀值、峰值时间、8min宽度、8min面积指标影响最大，其次是阿克苏点，石河子点最小；石河子点对面筋指数指标影响最大，其次是伊宁点，阿克苏点影响最小；阿克苏点对峰值高度影响最大，其次是石河子点，伊宁点影响最小。表4

小偃54号、小偃22号、百农68蛋白质品质性状的Di值分别介于0.53～1.18、0.55～2.30、0.96 ～1.39，稳定性表现最好；其次是周麦18、中优206、西农979、中麦155、矮抗58、中麦175等品种的Di值大多介于1.00 ～4.00，稳定性表现较好；新冬17号、新冬18号、新冬20号、新冬22号、新冬33号、新冬41号等的Di值大多介于4.00 ～6.00，品质指标稳定性最差。762份冬小麦种质资源中，2007(26)/6-1-3、2007(32)/7-4-3、绵阳31号、晋麦22号、京作210等为稳定性较好的优良品系。表5

3 讨 论

研究表明，除籽粒蛋白质含量和湿面筋含量达到了国标优质强筋的要求，其余性状均未达到强筋标准，新疆冬小麦品种面筋质量有待进一步提高。其中，8 min宽度、峰值时间、8 min面积、面筋指数和Zeleny沉淀值的变异系数较大，均在20%以上，这些指标的变异是影响面筋质量的主要因素。穆培源等[29]对和面仪参数与粉质仪参数的对应关系进行分析表明，峰值时间、8 min宽度、8 min面积与粉质仪参数稳定时间的对应关系最好，能够反映面筋质量的优劣，以3个指标所对应的稳定时间对不同品种小麦品质类型进行划分，结果表明，以峰值时间、8 min宽度、8 min面积划分，达到强筋水平的品种所占比例分别为8.6%、52.07%、15.01%，同时满足这3个指标的仅占14.2%，达到强筋水平的小麦品种较少，应加强优质强筋类型小麦品种的引进和选育。新冬22号、新冬18号、新冬20号分别被划分强筋、中强筋、中筋偏弱，与实际结果一致，这3个指标用于评价面筋质量是可靠的。

研究表明，以峰值时间划分，伊宁点达到强筋标准(3.15 min)、石河子点达到中强筋标准(2.54 min)、阿克苏点达到中弱筋标准(2.32 min)；以8 min宽度划分，伊宁点达到强筋标准(20.05%)、石河子点达到中强筋标准(9.03%)、阿克苏点达到强筋标准(16.81%)；以8 min面积划分，伊宁点达到强筋标准(123.88%TQ×min)、石河子点达到中强筋标准(107.55%TQ×min)、阿克苏点达到中筋标准(89.99%TQ×min)，与吴新元等[30]的小麦品质区划结果基本一致，不同地区新疆冬小麦品种的面筋质量差异较大，同时也表明和面仪参数中8 min宽度、峰值时间、8 min面积这三个指标能够很好的反映面筋质量的优劣，可以用于育种早代材料面筋质量的评价。

研究表明，不同地点间蛋白质品质性状存在显著差异，阿克苏点蛋白质数量性状总体优于石河子点和伊宁点，与优质专用小麦品种标准(GB/T17320-1998)相比较，3个地点的籽粒蛋白质含量均达到国标强筋标准，石河子点和阿克苏点湿面筋含量达到国标强筋标准，伊宁点湿面筋含量较低，但其面筋指数、峰值时间、8 min宽度和8 min面积均表现最优，即伊宁点蛋白质质量性状总体优于石河子点和阿克苏点，这也与吴新元等[30]、王荣栋等[31]对新疆小麦品质区划研究结论基本一致。

关于基因型与环境及其互作对小麦蛋白质品质性状的影响研究很多，张学林等[22]的研究认为沉淀值受环境的影响大于基因型，而赵广才等[26]、乔玉强等[5-6]则认为沉降值主要受基因型的影响；马冬云等[24]的研究表明，环境对蛋白质含量和湿面筋含量的影响大于基因型及其互作，而王鸿等[27]的研究均表明蛋白质含量和湿面筋含量环境效应及G×E效应大于基因型效应；邓志英等[13]的研究表明，反映面筋强度的8 min宽度和峰值时间参数受环境影响小于基因型。上述研究结果与研究结果存在异同，主要不同之处可能还是由于研究材料的来源和数量不同造成的。从研究结果来看，基因型、环境及其互作对蛋白质品质性状均有显著影响作用，但环境是造成小麦蛋白质品质性状差异的主要因素，而G×E的影响也不容忽视，其蛋白质品质性状差异的影响作用大于基因型。不同品质性状受基因与环境互作影响的程度不同[5-6]。研究表明，蛋白质品质性状各指标在不同地点的稳定性不同，其中籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、Zeleny沉淀值、峰值时间、8 min宽度和8 min面积这6个指标在石河子点具有较好稳定性，阿克苏点次之，伊宁点最差，说明蛋白质品质性状在石河子地区具有较好的稳定性。研究筛选出了一批蛋白质品质性状稳定性较好的品种，如小偃54号、小偃22号、百农68、中优206、中麦175等，也筛选出了一些在不同地点蛋白质品质性状稳定性较好的品种，如石河子点的优选14、优8134、垦冬00(2)、石新632、津08426等，阿克苏点的绵阳2000-18、绵1073-8、D04-L4、师栾02-1、冀麦24等以及伊宁点97(83)/1-1-1、农大3291、济麦20、济麦21等。研究中新冬17号、新冬18号、新冬20号、新冬22号等新疆主栽品种的蛋白质品质性状稳定性较差，这与实际种植区域相符。

4 结 论

基因型、环境及G×E互作对新疆冬小麦品种蛋白质品质性状均有显著影响作用，环境影响最大， G×E互作居中，基因型影响最小。在新疆冬小麦品种蛋白品质性状中，除籽粒蛋白质含量和湿面筋含量外，其他性状均未达到了国标优质强筋的标准，且达到强筋标准的小麦品种较少。不同地点对新疆冬小麦品种蛋白质品质性状的影响不同，阿克苏点蛋白质数量性状总体优于石河子与伊宁点，伊宁点蛋白质质量性状表现总体优于石河子和阿克苏点。新疆冬小麦品种蛋白质品质性状在不同地点的稳定性不同，籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、Zeleny沉淀值、峰值时间、8 min宽度和8 min面积在石河子点稳定性较好，峰值高度在伊宁点稳定性较好，面筋指数在阿克苏点稳定性较好。在762份新疆小麦品种中，筛选出了品质优良且稳定性好的材料，小偃54号、小偃22号、百农68、中优206、中麦175等，可以供新疆小麦品质改良利用。