黄淮砂姜黑土区强筯小麦品质现状及基因型与环境效应

常莹莹，王永华，王永霞，马冬云，段剑钊

(1.河南省农业科学院小麦研究所，河南郑州 450002；2.河南农业大学/国家小麦工程技术研究中心，河南郑州 450002；3.河南省农业科学院作物设计中心，河南郑州 450002)

小麦是我国主要粮食作物之一，小麦籽粒品质对面粉及其深加工有重要影响[1]。随着生活水平的提高，消费者对小麦品质的要求更加注重[2-3]。普通小麦可分为强筋、中筋和弱筋三种类型，强筋小麦的蛋白质含量高、面粉筋力强，适合制作面包、高品质面条[2, 4-5]。科研人员已建立了我国优质面包小麦品质标准，筛选了一批优质面包小麦品种[4-7]。随着食品加工业对强筋小麦粉需求量的增加，强筋小麦的育种和推广显得更为重要。小麦品质易受生态环境和遗传因素影响，黄淮冬麦区强筋小麦品种所占比例较低[8-10]。黄淮地区光热资源充足，是我国小麦主产区，在此区域大约有4 000万亩砂姜黑土耕作区。砂姜黑土质地粘重，保肥能力强，有利于小麦中后期养分稳定供应，比较符合强筋小麦养分需求特点，利于强筋小麦的生产[11]。关于黄淮五省砂姜黑土区强筋小麦品质性状及其品质指标的基因型与环境效应的研究较少。本研究对2011-2013年黄淮五省(安徽、河北、河南、江苏、山东)砂姜黑土区不同主栽品种的籽粒品质性状进行分析，以期为黄淮砂姜黑土区强筋小麦生产布局、品质改良及其深加工提供一定的理论依据与参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

于2011、2012、2013年对黄淮麦区五省(安徽、河北、河南、江苏、山东)不同砂姜黑土区强筋小麦分别取样224、300和270份；所取的27个品种均为生产上大面积推广的主栽品种，包括矮抗58、藁优2018、藁优9415、衡观35、淮麦20、济麦20、济麦22、济南17、连麦2号、良星99、山农17、山农21、师栾02-1、宿553、泰山4173、皖麦38、西农979、新麦19、新麦26、徐麦30、烟农19、郑麦366、郑麦7698、郑麦9023、周麦18、周麦24、洲元9369。每年对上述品种样品的籽粒感官性状、质量指标和主要品质性状进行分析和评价。

于2011-2012、2012-2013年，将8个强筋小麦品种(衡观35、济麦20、西农979、新麦19、新麦26、郑麦366、郑麦7698和周麦24)分别种植在黄淮麦区13个试验地点，包括亳州、宿州、阜阳、邢台、南阳、漯河、新乡、濮阳、周口、潍坊、滨州、泰安、菏泽，麦田管理按照当地常规管理措施，成熟时收获籽粒，进行基因型与环境对籽粒品质性状的效应分析。

1.2 测定项目及方法

参照GB/T5519-2008测定千粒重；参照GB/T5498-85测定容重；参照GB/T21304-2007 测定硬度指数；参照GB/T5519-2008 测定不完善粒；参照GB/T24899-2010 测定粗蛋白质含量；参照GB/T5506.1-2008 测定湿面筋含量；参照SB/T10248-1995测定面筋指数；参照GB/T10361-2008测定降落数值；参照GB/T21119-2007测定沉降指数；参照GB/T14614-2006测定粉质参数；参照GB/T14615-2006 测定拉伸参数。

1.3 数据分析

试验数据采用SPSS 19.0进行方差分析，用Excel 2010进行图表绘制。用AMMI模型对小麦品质性状稳定性进行分析[12-14]。

2 结果与分析

2.1 不同地区小麦品种的性状表现

2.1.1 小麦籽粒的外观品质性状

由表1可知，2011-2013年度五省砂姜黑土区794份供试小麦样品的平均千粒重以山东省最低，为37.4 g，安徽、河北、河南、江苏四省均达40 g以上，各省份的平均变异系数为9.6%～12.2%；平均容重为789.1～795.3 g·L-1，均达到我国二级小麦标准(≥770 g·L-1)，且变异系数较小(2.3%～3.1%)；平均硬度指数均达到国家硬麦和强筋小麦标准，变异系数较大。供试样品各被测指标的平均值均达到了我国强筋小麦标准，但多数指标的变幅较大，某些品种的个别指标较低，如河南省小麦平均硬度指数为64.5，但最低值仅为33.0(低于强筋小麦标准)。进一步对品质性状的达标率进行分析发现，不同地区小麦的不同被测指标达到我国二级小麦标准的达标率存在差异，如河北省小麦硬度指数达标率最高(94.9%)，安徽省最低(87.2%)。

表1 2011-2013年度五省小麦样品籽粒外观品质性状Table 1 Appearance quality characters of wheat grain in five provinces from 2011 to 2013

同列平均值数据后不同小写字母表示差异在5%水平显著，下同。

TKW:Thousand kernel weight; TW:Test weight; H:Hardness; SR:Standard-reaching rate; UK:Unsound kernel. The mean values followed by different lower-case letters in same column are significantly different at 0.05 level. The same in table 2 and 3.

2.1.2 小麦籽粒品质分析

由表2可知，2011-2013年五省砂姜黑土区抽取的小麦样品平均粗蛋白含量、湿面筋含量均达到国家强筋小麦标准。其中，江苏省小麦的平均蛋白质含量、湿面筋含量和面筋指数均最低，分别为14.9%、32.0%和72.5%，山东省面筋指数最高，为83.8%。降落数值则以河北省最低，为308.3 s，山东省最高，为356.6 s。沉降值以江苏省小麦样品最大，为59.0 mL，山东省最低，为46.3 mL。不同品质指标的变异系数不同，面筋指数、降落值和沉降值的变异系数相对较大，而蛋白质含量和湿面筋含量的变异系数则相对较小。不同省份比较，江苏省小麦的蛋白质含量、湿面筋含量、面筋指数平均值均最低，沉降值显著高于其他省份；山东省小麦的面筋指数和降落数值均最高，沉降值最低；河北省小麦的降落数值最低。各省小麦不同被测指标的达标率不同，江苏省小麦的蛋白质含量、湿面筋含量达标率均最低(77.7%，70.2%)，沉降值达标率却是最高(90.4%)；而河北和河南小麦各指标的达标率均较高。

2.1.3 小麦籽粒的面团流变学特性分析

由表3可知，五个省份3年抽取的小麦籽粒样品的吸水率平均值差异不大，且均达到我国专用中强筋小麦品质标准(吸水率≥60.0%)。山东省小麦样品的最大拉伸阻力(632.2 BU)显著高于其他省份，稳定时间和延伸度也最长，为20.2 min和165.2 mm；河南省小麦样品的弱化度最高，为61.7 BU，显著高于其他省份。从变异系数来看，河南省小麦样品的吸水率、弱化度和最大拉伸阻力的变异系数最高，分别为6.8%、71.0%和46.1%；河北省小麦样品的形成时间和稳定时间的变异系数最大，分别为106.6%和83.1%；安徽省小麦的延伸度变异系数最高，为37.3%。从品质指标的达标率来看，江苏省小麦样品的吸水率、稳定时间、最大拉伸阻力达标率最高，分别为62.8%、87.2%和89.4%。

表2 2011-2013年度五省小麦样品籽粒蛋白质品质指标Table 2 Protein quality characters of wheat grain in five provinces from 2011 to 2013

PC:Protein content; SR:Standard-reaching rate; WG:Wet gluten content; GI:Gluten index; FN:Falling number; SV:Sedimentation value.

表3 2011-2013年度五省小麦样品面团流变学特性Table 3 Dough rheological properties of wheat in five provinces from 2011 to 2013

WA:Water absorption; DT:Development time; ST:Stability time; DS:Degree of soften; MR:Maximum resistance; E:Extensibility.

2.2 不同品质性状的基因与环境及其互作效应分析

由表4可知，硬度指数、沉降值、蛋白质含量、湿面筋含量、面筋脂数、形成时间、稳定时间和拉伸面积均受基因型、环境及其交互作用的显著或极显著影响；容重和不完善粒受基因型和环境的显著或极显著影响；环境对千粒重影响达显著水平；吸水率、最大拉伸阻力和延伸性则受基因型影响显著。对于吸水率、形成时间、硬度指数和蛋白质含量来说，其基因型的F值相对较高，表明这几个指标受基因型影响较大。而不完善粒、千粒重和沉降值则以环境作用的F值较高，表明这几个指标受环境影响的效应较大。

2.3 几个品质指标的AMMI模型分析

对小麦籽粒的蛋白质品质和面团流变学特性受交互作用影响显著的几个指标进一步用AMMI模型进行分析，结果如表5所示，沉降值、蛋白质含量、形成时间和稳定时间4个指标的IPCA1、IPCA2均达到了显著水平，可用双标图分析其遗传与环境效应。

表4 小麦品质指标的方差分析(F值)Table 4 Variance analysis wheat kernel quality characters(F value)

*P<0.05；**P<0.01。下同。The same below.

表5 部分指标的AMMI模型分析结果Table 5 Analysis of part index with AMIMI model

2.4 籽粒蛋白质含量与沉降值的环境效应

用AMMI模型的双标图分析不同环境条件下籽粒蛋白质含量和沉降值，结果如图1(左)所示。在蛋白质含量的双标图中，B(济麦20)、E(新麦26)离原点较近，表明对于蛋白质含量而言，这两个品种与环境的交互作用较小，稳定性较好；A(衡观35)、F(郑麦366)离原点距离较远，表明这两个品种的蛋白质含量对环境比较敏感。不同地点比较发现，7(新乡)、11(滨州)和1(亳州)离原点较近，表明这几个试点对蛋白质含量的鉴别力较小，而9(周口)和6(漯河)离原点较远，表明这些试点对蛋白质含量的鉴别力较大。品种在原点与试点连线上的垂直投影到原点的距离代表其在此试点的最大交互效应，品种C(西农979)和D(新麦19)在试点5(南阳)和6(漯河)有较大的正向交互作用。在沉降值双标图(图1右)中， B(济麦20)和G(郑麦7698)离原点较近，表明就沉降值而言，这两个品种对环境不敏感；而A(衡观35)和F(郑麦366)离原点较远，表明其对环境较敏感；地点9(周口)离原点最远，表明其对沉降值有较高的鉴别力。

2.5 面团形成时间及稳定时间的环境效应

由图2(左)可知，D(新麦19)和F(郑麦366)离原点较近，表明就形成时间而言，这两个品种对环境不敏感，稳定性较好；而C(西农979)和E(新麦26)离原点较远，表明其对环境比较敏感；品种C(西农979)在试点11(滨州)、品种E(新麦26)在试点10(潍坊)有较大的正向交互作用。图2(右)稳定时间双标图表明，品种G(郑麦7698)和F(郑麦366)距离原点较近，表明这两个品种对环境不敏感，稳定性较好，而品种A(衡观35)和E(新麦26)则距离原点较远，说明其对环境敏感；试点11(滨州)、10(潍坊)和13(菏泽)离原点较远，表明这些试点对面团稳定时间的鉴别力较高；品种A(衡观35)在试点13(菏泽)、品种E(新麦26)在试点9(周口)有较大的正向交互作用。

图中字母A、B、C、D、E、F、G、H依次分别代表品种衡观35、济麦20、西农979、新麦19、新麦26、郑麦366、郑麦7698和周麦24；数字1～13则分别代表亳州、宿州、阜阳、邢台、南阳、漯河、新乡、濮阳、周口、潍坊、滨州、泰安、菏泽试点。

A, B, C, D, E, F, G and H represent Hengguan 35, Jimai 20, Xinong 979, Xinmai 19, Xinmai 26, Zhengmai 366, Zhengmai 7698 and Zhoumai 24, respectively. The number 1 to 13 represent Bozhou, Suzhou, Fuyang, Xingtai, Nanyang, Luohe, Xinxiang, Puyang, Zhoukou, Weifang, Binzhou, Taian, and Heze, respectively. The same in figure 2.

图1籽粒蛋白质含量和沉降值的双标图分析

Fig.1Biplotanalysisofgrainproteincontentandsedimentationvalue

图2 面团形成时间和稳定时间的AMMI双标图分析

3 讨 论

3.1 强筋小麦品种在黄淮砂姜黑土区的品质差异

砂姜黑土是黄淮平原典型的中低产土壤类型，但其独特的土壤特性有利于强筋小麦的生产。研究表明，砂姜黑土利于小麦各蛋白组分的积累和湿面筋含量的增加[15-16]；小麦籽粒的品质性状受环境影响较大[17]。本研究结果表明，各省份小麦平均千粒重均达到40 g，最高达55.2 g；籽粒平均蛋白质含量均达到15%以上(除江苏省为14.9%)，表明砂姜黑土有利于强筋小麦品质改善，小麦籽粒容重在黄淮砂姜黑土各省区变异幅度最小，而不完善粒变异幅度最大；山东省小麦平均千粒重最低，而河南、河北两省平均不完善粒较高。这表明不同环境类型对小麦籽粒不同外观指标影响不同。蛋白质含量和质量对小麦籽粒营养品质和加工特性至关重要，并直接影响食品加工品质[18-19]。我国小麦主产省籽粒蛋白质含量呈北高南低和东高西低趋势，由于过度追求高产，甚至导致部分地区强筋小麦面筋强度降低[8]。本研究中，2011-2013年五省砂姜黑土区供试小麦籽粒粗蛋白和湿面筋平均含量均达到国家强筋小麦标准，但变幅较大，其中，蛋白质含量最低仅11.6%。不同省份不同被测指标的达标率不同，如山东省蛋白质含量和湿面筋含量达标率分别为88.0%和89.1%，但沉降值达标率只有59%，因此，提高山东小麦沉降值有助于该区强筋小麦发展。面团流变学特性与面粉的加工品质直接相关[5-6]。且受地域和气候影响较大[20]。本研究中，供试小麦平均面团吸水率和稳定时间均达到我国专用强筋小麦品种品质标准，但不同省份达标率存在显著差异，因此，应该根据生态点环境选择种植品种，以提高优质小麦品质。从不同指标达标率来看，硬度指数的达标率较高，而吸水率的达标率较低。因此，应加强低达标率品质指标的改善工作，使强筋小麦品质得到全面提高。

3.2 小麦品质性状的环境效应

研究表明，基因和环境共同决定着小麦的品质[21-22]。蛋白质和湿面筋含量受生态环境及栽培条件影响较大，沉降值主要由基因型控制，而面团流变学特性受基因型、环境及栽培方式共同影响[23-25]。本试验结果显示，硬度指数、沉降值、蛋白质含量、湿面筋含量、形成时间、稳定时间和拉伸面积均受基因型、环境及其交互作用显著影响，这与前人研究基本一致。

AMMI模型是分析基因型与环境互作效应的有效工具[26-28]。本研究结果表明，就蛋白质含量和沉降值而言，济麦20对环境不敏感，具有较好的稳定性；衡观35和郑麦366对环境比较敏感；说明济麦20可以在较广的区域内种植，而衡观35和郑麦366在适宜地点种植更能有利于蛋白质含量和沉降值的提高。郑麦366的形成时间和稳定时间均有较好的稳定性，新麦26对环境敏感，这表明郑麦366在较广的范围内种植均可以获得较高的形成时间和稳定时间，而新麦26则在适宜地点种植则更有利于面团特性的改善。对于不同品质参数而言，不同品种受环境的影响程度不同，如西农979的蛋白质含量和沉降值在南阳和漯河有较大提高，但会降低其形成时间和稳定时间。因此，如何选择适宜的生态环境来提高小麦综合品质还需要进一步的研究。

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