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VARIATION OF HMW-CS AND GLIADIN INDUCED BY LOW ENERGY N~+ IMPLANTATION IN COMMON WHEAT SEEDS

低能N~+离子注入诱导小麦种子高分子量谷蛋白亚基和醇溶蛋白的变异



全 文 :文章编号 :100028551 (2005) 042245206
低能 N + 离子注入诱导小麦种子高分子量谷蛋白
亚基和醇溶蛋白的变异
张怀渝1 ,2  宋 云1  畅志坚3  张晓军3  任正隆2
(1. 四川农业大学生命理学院原子能农业应用研究室 ,四川 雅安 625014 ;
2. 四川农业大学植物遗传育种省级重点实验室 ,四川 雅安 625014 ;
3. 山西省农科院作物遗传育种研究所 ,山西 太原 030031)
摘  要 :应用 SDS2PAGE和 A2PAGE电泳技术 ,对不同剂量低能 (25keV) N+ 离子注入小麦稳定品
系 CH3286 的 M3 代种子储藏蛋白高分子量谷蛋白亚基和醇溶蛋白变异进行了系统的分析。
结果表明低能 N + 离子束注入能有效地诱导小麦种子高分子量谷蛋白亚基的变异。高剂量
(1018 ×1016N + Πcm2 ) N + 注入的诱变频率高于中剂量 (712 ×1016 N + Πcm2 ) ,其亚基总变异频率分
别是 1317 %和 412 %。不同位点的高分子量谷蛋白亚基对 N+ 离子的敏感程度不同 ,其中以
Glu21D 最敏感 ,变异频率由大至小分别是 Glu21D > Glu21B > Glu21A。低能 N+ 离子束注入诱导
的醇溶蛋白变异与高分子量谷蛋白亚基的变异有相似的规律。醇溶蛋白遗传区对 N+ 离子的
敏感程度也不同 ,其中ω醇溶蛋白最敏感 ,能产生较多的变异 ,其次是γ和β醇溶蛋白 ,最不敏
感的是α2醇溶蛋白。在 M3 代植株群体中筛选到一些农艺性状较稳定的高分子量谷蛋白亚基
和醇溶蛋白变异株。
关键词 :小麦 ; N + 离子束注入 ; 醇溶蛋白 ; 谷蛋白
收稿日期 :2005203216
基金项目 :四川省科技厅“十五”小麦育种攻关项目
作者简介 :张怀渝 (1964 - ) ,女 ,北京人 ,农学博士 ,副研究员。主要从事应用生物物理和植物遗传育种工作。电话 :0835 - 2885081 ;
Email :zhyu @sicau. edu. cn
VARIATION OF HMW2CS AND GLIADIN INDUCED BY LOW ENERGY N+
IMPLANTATION IN COMMON WHEAT SEEDS
ZHANG Huai2yu1 ,2  SONG Yun1  CHANG Zhi2jian3  ZHANG Xiao2jun3  REN Zheng2long2
(11 Isotope Research Laboratory , School of Life Science , Sichuan Agricultural University , Ya’an , Sichuan , 625014 ;
21State Key Laboratory of Plant Breeding and Genetics , Sichuan Agricultural University , Ya’an , Sichuan , 625014 ;
31 Institute of Breeding and Genetics , Shanxi Academy of Agricultural Science , Taiyuan , Shanxi  030031)
Abstract :Seeds of wheat variety CH3286 were implant with low energy N+ ion beam (25keV) . The variation and
composition of high2molecular2weight subunits of glutenin (HMW2CS) and gliadin proteins in M3 generation of seeds
were analyzed by SDS2PAGE and A2PAGE techniques. The results showed that the great variations including in new
HMW glutenin protein bands appearing and original bands disappearing were found in HMW glutenin electrophoretic
patterns due to implant N + ion beam. The totally induced variation frequency of HMW2CS was positively associated
with dosage of N + ion beam implantation ,1317 % and 412 % at 10. 8 ×106 and 7. 2 ×1016 N + Πcm2 , respectively.
The induced effects were different in HMW glutenin2coding loci Glu21A , Glu21B and Glu21D , among that Glu21D
was the most sensitive to N + ion beam. The variation disciplinarian of gliadin proteins in the injected seeds was
similar with that of HMW2CS. The proportion of the number of induced new gliadin protein bands and totally
542 核 农 学 报 2005 ,19 (4) :245~250Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
separated bands was 50 % in high dose and 3614 % in moderate dose , respectively. The induced variation effect
also was different in four gliadin protein blocks , among thatω gliadin was the most sensitive to N + ion beam and
caused the greatest variations in this block. The next was inγandβgliadin blocks , and the least variations were in
αgliadin block. A few of improved plants with new HMW2CS and gliadin compositions were selected in M3
generation.
Key words :wheat ; N + implantation ; gliadin ; glutenin
小麦高分子量谷蛋白和醇溶蛋白的组成和含量是影响小麦加工品质的重要因素。醇溶蛋白主要决
定面团的粘着性和延展性 ,而麦谷蛋白与面团的弹性有关 ,是决定面团强度的主要因素[1 ] 。目前 ,我国
大多数推广品种品质较差 ,主要表现在面筋品质差、强度低、弹性弱[2 ] 、稳定时间短等问题。一个重要的
原因是推广小麦品种中优质谷蛋白亚基和醇溶蛋白组成频率较低和变异范围较窄。因此 ,通过筛选和
利用优质蛋白基因已成为当前小麦品质育种的关键和重点 ,而丰富的蛋白质基因变异是筛选和利用的
基础。低能离子束注入技术作为我国独立创造的一种新诱变技术在农作物育种[3~8 ] 、工业微生物改
良[9 ] 、细胞加工[10~13 ]等方面获得了广泛的应用 ,在水稻、小麦、棉花、甜菊等植物遗传育种改良中取得了
显著的成效[14 ] ,对提高作物的产量发挥了积极的作用 ,但这些离子束诱变效果主要集中在株高、生育
期、抗病性和产量性状的改善上 ,而在作物品质改良方面的应用及机理研究较少。本研究利用低能 N+
离子注入技术改良小麦种子储藏蛋白组成 ,研究其对小麦醇溶蛋白和高分子量谷蛋白亚基变异的作用 ,
以期为小麦品质改良提供新的种子醇溶蛋白和谷蛋白亚基变异类型材料 ,丰富现有的优质基因资源。
1  材料与方法
111  实验材料
选用小麦 CH3286 的干种子为离子注入材料。该小麦是 8 倍体小偃麦与冬性小麦杂交后代 ,经半冬
性小麦回交、5 代以上自交选育形成的稳定品系 ,由山西省农科院作物遗传育种研究所畅志坚研究员培
育和提供。中国春和绵阳 11 小麦品种分别为谷蛋白亚基 null、7 + 8 和 2 + 12 和 1、7 + 8、5 + 10 组合类型
的标准材料。
112  离子注入方法及世代选择
N + 离子 F 注入能量为 25Kev ,注入剂量分别为低剂量 316 ×1016 、中剂量 712 ×1016和高剂量 1018 ×
1016 N + Πcm2 ,注入种子量为 800 粒。未注入 N+ 离子的小麦 CH3286 种子为对照。将各剂量注入种子
(M0 )各 500 粒播种于四川省四川农业大学邛崃小麦育种基地 ,其余用于室内发芽实验和其他实验研究。
在开花期对各处理单株套袋自交 ,成熟后分单株收割、脱粒 ,获得 M1 种子 ,于当年 6 月份在四川省马尔
康加代繁殖 ,构成 M2 群体 ,共 972 个 M2 穗行 (其中低剂量 263 行 ,中剂量 303 行 ,高剂量 401 行) 。与对
照株行比较 ,从中选择变异单株套袋自交 ,9 月份单株收割、单穗脱粒 ,于当年 11 月 2 日按单穗播种于邛
崃小麦育种基地 ,构成 M3 代株系群体 ,共 444 行 ,其中中剂量 161 行 ,高剂量 283 行 (低剂量由于表型变
异不大 ,加之减数分裂观察结果未发现明显的花粉母细胞减数分裂异常行为 ,因此没有播种) 。与对照
株行比较 ,从中选择变异单株套袋自交 ,单株 (或单株主穗)脱粒 ,对表型基本稳定的株系按单主穗脱粒 ,
不稳定株系按选择单株脱粒 ,备用。
113  醇溶蛋白和谷蛋白亚基变异分析
最初设计了高、中、低 3 个 N + 离子注入剂量 ,但通过 M1~M2 两代田间农艺性状观察和 M2 代单株
花粉母细胞减数分裂统计分析 ,发现低剂量处理诱变效应不明显 ,所以只对高剂量和中剂量注入的 M3
后代种子进行了醇溶蛋白和谷蛋白亚基变异分析 ,以选择其变异株。从中剂量 161 个 ,高剂量 283 个M3
株系随机选取无病虫害种子 143 粒和 213 粒 ,单粒种子切下胚种于室内 ,余下部分按单粒用于醇溶蛋白
和谷蛋白亚基分析。中剂量供试籽粒数为 143 粒 ;高剂量供试籽粒数为 213 例。
642 核 农 学 报 19 卷
种子醇溶蛋白变异分析采用 1986 年 ISTA 颁布的酸性聚丙烯酰胺凝胶电泳 (A2PAGE ,pH = 312)标准
程序[15 ]稍加改进。种子高分子量谷蛋白亚基 (HWM2GS)变异分析采用常规的 SDS2聚丙烯酰胺凝胶电泳
(SDS2PAGE)方法 ,高分子量谷蛋白亚基编号参照 Payne 等提出的命名标准[16 ] 。以上电泳分析均 3 次重
复 ,在山西农业大学文理学院化学系进行。
2  结果与分析
211  N + 离子诱导谷蛋白亚基变异及剂量效应
小麦 CH3286 的谷蛋白亚基组成为 null ,7 + 8 和 2 + 12 ,N+ 离子注入后 M3 种子 ,10 %SDS2PAGE 电
泳 ,结果表明谷蛋白亚基产生较大变异。在注入剂量范围内 ,共出现 7 种亚基变异类型和一些无法用标
准带谱鉴别的亚基 (表 1 ,图 1) 。这 7 种亚基变异类型分别是 Glu21A 位点控制的 1 (亚基频率为 019 % ,
下同)和 2 3 (313 %) ; Glu21B 位点控制的 13 + 16 (114 %) ,13 + 19 (0147 %) 和 7 亚基 (318 %) , Glu21D 位点
控制的 2 + 10 (119 %)和 5 + 10 (313 %)亚基。
表 1  N + 注入小麦 CH3286M3 种子的高分子量麦谷蛋白亚基的等位变异及变异频率
Table 1  Allelic variations and frequencies of HMW2CS in wheat variety
CH3286 M3 seeds by N + ion beam implantation
剂量 dose
(N + Πcm2) Glu21 亚基类型subunit 籽粒数No. of grain 亚基频率subunit frequency( %) 变异亚基数No. of variation subunit 变异频率variation frequency( %)
1A Null # 143 10010 0 0
1B 7 + 8 # 141 9816
712 ×1016 7 2 114 1 114
1D 2 + 12 # 139 9712
2 + 10 4 218 1 218
1018 ×1016 A1 Null # 204 9518
1 2 019
2 3 7 313 2 412
1B 7 + 8 # 204 9518
7 5 214
13 + 16 3 114
13 + 19 1 0147 3 413
1D 2 + 12 # 202 9418
5 + 10 7 313
2 + 10 4 119 2 512
注 :“# ”为小麦 CH3286 的原始亚基类型 ;变异频率 ( %) = 检出变异的籽粒数Π总供试籽粒数 ,表 2 同 ;亚基频率 ( %) = 检出不同类型亚基
的籽粒数Π总供试籽粒数。
Note :“# ”indicates the original glutenin subunits in wheat CH3286 ;Variation frequency ( %) = the number of grains with variation subunitsΠtotal grains
tested ,the same as table 2 ;Subunit frequency( %) = the number of grains with different subunit typesΠtotal grains tested.
  N + 离子注入诱导谷蛋白亚基变异具有剂量效应。高剂量注入产生 7 种不同于对照 (CH3286) 的新
亚基 ,而中剂量注入只产生 2 种新亚基类型。不同染色体上的亚基位点对 N+ 离子的敏感程度不同。高
剂量 N + 离子注入使 Glu1B 位点变异最丰富 ,产生 3 种类型的新亚基 ,使 Glu21A 和 Glu21D 位点产生 2 种
新亚基变异 ,但以 Glu1D 的变异频率最高 ,为 512 % ,而 Glu1A 和 Glu1B 分别为 412 %和 4127 %。中剂量
N + 离子注入对不同亚基位点的效应明显降低 ,在 Glu1A 位点上没有发现亚基变异 ,而在 Glu1B 和 Glu1D
位点分别也只发现了一种新亚基 ,变异频率也以 Glu1D 最高。由此可见 ,N+ 离子对不同染色体上的谷
蛋白亚基的诱变能力不同 , Glu21A、Glu21B 和 Glu21D 位点经高剂量和低剂量处理的变异频率分别为
412 % ,、413 %和 513 %及 0 %、114 %和 218 % , Glu21D 位点对 N+ 离子更为敏感 ,能获得较大的亚基变异 ,
获得相对较多的 Glu21D 位点突变株。
N + 离子注入使小麦 CH3286 不同染色体位点上的高分子量谷蛋白亚基编码基因发生变化 ,产生新
的亚基从而形成新的亚基组合。我们从高剂量处理的M3 种子中 ,筛选到 7 种不同于原始亚基组合的组
合类型 ,获得 12 株变异材料 ;而从中剂量处理的 M3 代种子只发现 2 种不同于原始亚基组合的组合类
742 4 期 低能 N + 离子注入诱导小麦种子高分子量谷蛋白亚基和醇溶蛋白的变异
型 ,获得 4 株变异材料 ,其组合类型及变异频率见表 2 所示。另外 ,图 12A 和 12B 中的材料 a10、a11 和
b08、b09 ,在 1D 位点控制的亚基重叠 ,推测为杂合状态 ,若在 M4 代继续观察可能会分化为 2 + 10 或者 2
+ 12 亚基。
图 1  部分供试样本种子高分子量谷蛋白亚基电泳图谱
Fig. 1  HMW2CS eletrophoretic patterns
A ,B :高剂量处理 HMW2CS电泳带谱 ;C :中剂量处理的 HMW2CS电泳带谱 ; ψ表示与对照不同的变异带谱。
图中底部的编号为实验材料的编号 ,亲本 (Ch3285) 、“中国春”小麦和小麦品种 My11 为对照。
A ,B : HMW2CS eletrophoretic patterns in 10. 8 ×1016N + Πcm2 treatment ;C :HMW2CS patterns in 7. 2 ×1016N + Πcm2 treatment ;
Arrow indicates variation glutenin pattern different from the control .
Numbers in the bottom of figure mean the tested materials. Parent (Ch3285) ,Chinese spring wheat (CS) and wheat cultivar My11 are the controls.
表 2  N + 注入小麦诱导的 M3 高分子量麦谷蛋白亚基组合变异及变异频率
Table 2  Composition variation and frequency of HMW2CS by N+ ion beam implantation
剂量 dose (N + Πcm2) 亚基类型 type of subunits
Glu21A Glu21B Glu21D 籽粒数 grain No. 变异频率 variation frequency( %)
712 ×1016 null # 7 + 8 # 2 + 12 # 139 9712 #
null 7 + 8 2 + 10 1 017
null 7 2 + 10 3 211
∑ 143 218
1018 ×1016 null # 7 + 8 # 2 + 12 # 192 94112 #
null 7 + 8 5 + 10 3 1147
null 7 2 + 10 2 0198
null 13 + 19 2 + 12 1 0149
2 3 7 + 8 2 + 12 2 0198
2 3 7 2 + 10 2 0198
2 3 13 + 16 5 + 10 1 0149
1 7 + 8 5 + 10 1 0149
∑ 204 5188
212  N + 离子诱导种子醇溶蛋白的变异分析
在高剂量处理的 M3 216 份材料中 ,分离出 40 条清晰的条带 (图 22A ,B) ,其中 20 条是不同于对照的
变异条带 ,占总分离条带数的 50 % ;筛选出 12 份醇溶蛋白突变株 ,含 6 种不同于对照的醇溶蛋白带谱 ,
变异株频率为 516 %。α、β、ω、γ 4 个醇溶蛋白遗传区 (block)对 N + 离子的敏感程度不同 ,ω区存在 13 种
变异条带 ,其中含 a , b 2 个位点的缺失带 ,占总分离条带的 3215 % ;γ区存在 4 种变异条带 ,占总分离条
带的 10 % ;α区存在 2 种变异类型 ,其中含 2 个未知位点的缺失 ,占总分离条带的 5 % ,β区存在 1 种变异
类型 ,占总分离条带的 215 %。变异率分别是ω>γ>α>β区 (表 3) 。中剂量处理的 132 份材料中 ,分离
出 33 条清晰的条带 (图 22C) ,其中 12 条为变异条带 ,占总条带数的 3614 % ;筛选出 2 种不同于对照的醇
溶蛋白带型 ,共 6 株 ,植株变异频率为 415 % ,低于高剂量注入的整株变异频率。中剂量处理的材料在
α、β、γ、ω 4 个区的醇溶蛋白变异也存在差异 ,诱变趋势与高剂量的相似。在α区未发现变异条带 ,β区
842 核 农 学 报 19 卷
存在 1 种变异类型 ,变异频率 3 % ,γ区存在 5 种变异类型 ,变异频率 1512 % ,ω区存在 6 种变异类型 ,变
异频率 1812 %(表 3) 。由此可见 ,N + 离子注入剂量与醇溶蛋白带变异频率呈正相关 ,注入剂量越高诱
变效果越明显。而且 ,不同区醇溶蛋白的诱变效果也有差别 ,以ω醇溶蛋白带的变异最大 ,其次是γ醇
溶蛋白 ,而β和α醇溶蛋白的变异虽有所变化 ,但相比之下变异频率较小 ,对 N+ 离子注入比较迟钝。
图 2  部分供试样本种子醇溶蛋白电泳图谱
Fig. 2  Gliadin protein electrophoretic patterns
A ,B :高剂量处理的醇溶蛋白电泳带谱 ;C :中剂量处理的醇溶蛋白电泳带谱。∀∀表示对照的醇溶蛋白质电泳带谱 , ψ表示与对照不同的带谱。
a01 - 011 ,b01 - 11 ,c01 - 13 为材料编号 ;亲本 (Ch3285) 、“中国春”小麦和小麦品种 My11 为对照。
A ,B : Gliadin eletrophoretic patterns in high dose treatment , C : Gliadin patterns in moderate dose treatment .ψindicates gliadin pattern of the control ; ∀∀ indicates variation gliadin pattern different from the control ;a01 - 011 ,b01 - 11 ,c01 - 13
indicate the part of materials tested ; Parent (Ch3285) ,Chinese spring wheat (CS) and wheat cultivar My11 are the controls.
表 3  N + 离子注入小麦种子诱导醇溶蛋白的变异
Table 3  Variation and frequency of gliadin induced by N+ ion beam implantation in wheat seeds
剂量
dose (N + Πcm2) 总分离带total blands
separated
变异带 (变异频率 , %)
variation bands(frequency , %)
ω γ β α ∑
变异株Π亚基组成
variation plantsΠ
subunit composition
株数
plant No.
植株变异频率
variation plant freq.
( %)
712 ×1016 33 6
(1812) 5(1512) 1(3) 0(0) 12(3613) 6Π2 132 415
1018 ×1016 40 13
(3215) 4(10) 1(215) 2(5) 20(50) 12Π6 216 516
注 :变异频率 ( %) = 与对照不同的变异带Π总分离带数 ( %) ;植株变异频率 ( %) = 醇溶蛋白变异株Π供试材料株数 ( %)
Note :Variation frequency( %) = The different bands comparing with the controlΠTotal bands separated ; Plant variation frequency ( %) = the number of
variation plants in gliadin Πtotal plants tested.
3  讨论与结论
研究表明 ,C+ 和 N + 离子注入可以诱导核酸序列变化[19 ] ,Fe 离子使部分蛋白质的表达强弱发生了
变化[17 ] 。这为离子注入诱导蛋白质的变异提供了实验依据。但并不是所有种类的离子注入都能达到
改良品质性状的效果。李兴林等[17 ]用低能 Fe 离子 (110KevΠu) 辐照小麦种子 ,通过 SDS2PAGE 电泳和扫
描分析 ,发现该剂量的 Fe 离子注入并不影响小麦种子储藏蛋白高分子量谷蛋白亚基变异 ,而对低分子
量谷蛋白亚基和醇溶蛋白的变异有一定作用。目前 ,尚未见其他离子束 ,特别是低能 N+ 离子对小麦种
子醇溶蛋白和谷蛋白的影响的报道。因此 ,离子束技术用于小麦品质性状的改良是否有效 ,是目前值得
探讨的问题。本研究通过对小麦种子高分子量谷蛋白亚基 SDS2PAGE 电泳分析发现 , N+ 注入小麦
942 4 期 低能 N + 离子注入诱导小麦种子高分子量谷蛋白亚基和醇溶蛋白的变异
CH3286 种子可使高分子量谷蛋白亚基发生变异 ,出现与对照不同的新带和旧带的消失 ;同时 ,蛋白质带
谱的变化与 N + 注入剂量大小有关。高剂量 (1018 ×1016N + Πcm2 ) N + 注入诱变产生的谷蛋白新亚基类型
多于中剂量 (712 ×1016N + Πcm2 )注入 ,新亚基类型和亚基总变异频率分别是 7 种和 1317 % (高剂量) 及 2
种和 412 %(中剂量) 。不同染色体上谷蛋白亚基对 N+ 离子的敏感程度不同 ,在两种剂量下都表现同样
的趋势 ,变异频率由大至小分别是 Glu21D > Glu21B > Glu21A(表 1) 。可以认为 ,低能N + 对 Glu21D 位点的
亚基作用比 Glu21B 和 Glu21A 位点的亚基更大 ,因为 Glu21D 位点对 N+ 离子更为敏感 ,能产生较大的亚
基变异。
通过电泳分析发现 ,N + 离子诱导种子醇溶蛋白的变异同高分子量谷蛋白亚基的变异有类似的规
律。从 216 份高剂量 (1018 ×1016N + Πcm2 )材料中共分离出 40 条清晰的带纹 ,其中 20 条为不同于对照材
料的变异条带 ,占总条带数的 50 % ;而从只 132 份中剂量 712 ×1016N + Πcm2 材料中分离出 33 条清晰的带
纹 ,其中 12 条为变异条带 ,占总条带数的 3614 %。醇溶蛋白遗传区 (block) 对 N+ 离子的敏感程度不同 ,
在α、β、ω、γ4 个区中 ,如以区内变异带数占总分离条带的百分数计 ,ω区是 N+ 离子的最敏感区 ,在两种
剂量下 ,变异类型和变异带数都相比其它区多 ,其次是γ和β区 ,最不敏感的是α区 ,在中剂量下甚至没
有发现新的不同于对照的醇溶蛋白带 (表 3) 。我们也可以认为 ,低能 N+ 对小麦种子醇溶蛋白谱的改变
是有作用的 ,其中对ω区醇溶蛋白质组成的诱变效果最好。
本研究在 M3 代植株中供筛选出 16 株不同于对照的高分子量谷蛋白亚基突变体材料 ,含 8 种不同
于对照的新亚基组合 ;16 株醇溶蛋白突变株 ,含 6 种不同于对照的醇溶蛋白带谱。这些材料对于研究
小麦种子储藏蛋白组成与品质的关系是非常有价值的 ,特别是谷蛋白亚基组分的改良 ,获得了优质亚基
(5 + 10、13 + 16)的变异株和一些有待进一步鉴定新亚基变异株 ,这对提高优质亚基在小麦品种中所占
比例 ,优化我国推广小麦品种种子储藏蛋白质组成具有重要的意义。因此可以认为 ,低能 N+ 离子注入
是小麦品质遗传改良的有效方法 ,但所用剂量和能量还有待商榷。目前低能 N+ 离子用于改良产量等
田间农艺性状的剂量范围是 1 ×1014 N + Πcm2 至 8 ×1016 N + Πcm2 [16~18 ] ,结合本试验结果分析 ,我们建议用
于小麦品质改良的 N + 离子注入剂量可增加 ,以达到综合性状改良的效果。
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