不同氮肥管理下HMW-GS缺失对弱筋小麦品质的影响及其机制解析

End-use quality of wheat is mainly determined by high-molecular-weight glutenin subunit (HMW-GS). A set of near-isogenic lines (NILs) with single HMW-GS deletion was developed by EMS-induced and backcross method on Ningmai 9 background, which was characterized with typical weak-gluten quality. Based on the NILs, field trials will be conducted with nitrogen application rate and splitting pattern. The dynamic change of HMW-GS gene expression, the quantity of HMW-GS, and the quality and quantity of glutenin polymeric protein will be investigated. Dough rheological properties and end-use quality of harvested grain will be also evaluated. This project will clarify the mechanism of the effect of HMW-GS deletion on weak-gluten wheat quality under different nitrogen application regimes. The results will provide theoretical basis and methodology for making use of HMW-GS deletion in weak gluten wheat production.

高分子量谷蛋白亚基(HMW-GS)是影响小麦加工品质的重要因素。通过EMS诱导分别敲除优质弱筋小麦宁麦9号的5个HMW-GS，利用回交转育法获得了单亚基缺失的近等基因系。利用此近等基因系，在不同施氮量和施氮模式下，通过定量PCR和谷蛋白分步分离量化技术，研究灌浆期籽粒HMW-GS编码基因表达、HMW-GS表达量和谷蛋白聚合体质量与数量的动态变化，分析其对小麦籽粒面团流变学特性和加工品质的效应。解析不同氮肥管理下HMW-GS缺失对弱筋小麦品质形成的影响及机制，为利用HMW-GS缺失提高弱筋小麦品质提供理论依据和方法。

我国弱筋小麦年需求超过600万吨，但生产上很难找到加工品质优良的小麦原料。挖掘或创制新的优异基因，开展其对弱筋小麦加工品质的影响，对提高我国弱筋小麦育种水平和产能具有重要意义。本项目通过EMS诱变法获得了5个HMW-GS单亚基缺失系，并通过连续回交获得了宁麦9号的单亚基缺失近等基因系。以该近等基因系为试材，在不同施氮量条件下，监测了HMW-GS编码基因的表达模式，分析了贮藏蛋白组分的表达量和谷蛋白聚合体质量变化规律，评价了籽粒产量、籽粒品质和加工品质特性。结果表明，产量、品质、贮藏蛋白组分和饼干直径等性状受基因型、氮肥、环境及其互作的影响不同。贮藏蛋白组分绝对含量和相对含量受氮肥的影响最大；饼干直径受氮肥的直接影响较小，但显著受基因型、环境×基因型和环境×氮肥的影响。HMW-GS基因 在花后14天的表达量最高，高氮肥显著提高了HMW-GS基因表达量、籽粒蛋白含量和贮藏蛋白组分绝对含量，但降低了不溶性谷蛋白百分含量、谷蛋白/醇溶蛋白比和HMW-GS/LMW-GS，高氮肥主要提高了醇溶蛋白和低分子量谷蛋白的总量。HMW-GS缺失系通过降低HMW-GS表达量和不溶性谷蛋白大聚体含量，弱化面筋强度，从而在高氮条件下兼顾产量和加工品质，其中Glu-B1x缺失系的饼干加工品质最好，可作为弱筋小麦培育的重要资源。另外，本项目克隆了11个HMW-GS无义突变基因，开发2个Glu-B1x7null的KASP标记，并验证了Glu-B1x7null可显著提高弱筋小麦的饼干加工品质。开发了高通量提取种子HMW-GS和高通量检测不溶性谷蛋白大聚体含量的方法，这些方法可用于小麦品质育种的快速筛选。本项研究结论为弱筋小麦加工品质改良提供了新材料和理论支撑。