中国农业大学小麦中心在解析小麦籽粒 γ 型醇溶蛋白在加工品质改良中的作用取得重要进展

以下文章来源于作物科学联盟 ，作者刘丹

2023 年 1 月 8 日，中国农业大学农学院 小麦研究中心 在 New Phytologist 杂志上在线发表了题为 "An elite γ-gliadin allele improves end-use quality in wheat" 的研究论文。

小麦 (Triticum aestivum L.) 是全世界重要的口粮作物，因含有独特的面筋蛋白能够被加工成面包、馒头、饼干等类型多样的面食品。面食品的口感、外观等综合表现是由小麦品种的加工品质特性决定的，因此加工品质遗传改良是小麦育种的重要育种目标。小麦籽粒的面筋蛋白由谷蛋白和醇溶蛋白组成，是影响小麦加工品质的重要因素，在品质遗传改良中发挥了至关重要的作用。前人研究主要集中于高分子量谷蛋白优良等位变异的发掘和利用以及谷蛋白积累的调控机制，对于醇溶蛋白对加工品质的研究还不够深入，单个醇溶蛋白亚基对加工品质的影响尚不清楚，醇溶蛋白基因结构复杂、拷贝数多、存在大量的假基因，大大限制了醇溶蛋白在品质遗传改良中的利用。

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挖掘了编码 γ 醇溶蛋白的主效基因

首先，研究团队利用 A-PAGE 电泳技术系统分析了小麦籽粒 γ 醇溶蛋白组成，发现 Gli-γ1 和 Gli-γ2 为主要的 γ 醇溶蛋白类型 (图1A)。利用 Fielder 参考基因组注释了 11 个 γ 型醇溶蛋白编码基因，其中位于 1B 和 1D 染色体的 TraesFLD1B01G010600 和 TraesFLD1D01G005600 在授粉后胚乳中表达远高于其他基因 (图1B)。利用 CRISPR/Cas9 介导的基因编辑技术，获得了同时敲除上述2个基因的株系 (KO-1/2) 和单独敲除 TraesFLD1D01G005600 基因的株系 (KO-3)。A-PAGE 结果表明，KO-1/2 株系 Gli-γ1 和 Gli-γ2 条带缺失，KO-3 缺失 Gli-γ1 (图1C) ，据此确定 TraesFLD1D01G005600 (Gli-γ1-1D) 编码 Gli-γ1。从小麦品系农大 3672 (野生型，WT) EMS 诱变群体中获得一个 Gli-γ2 缺失的突变体 gli-γ-2。通过 gli-γ-2 与济麦 22 衍生的 F2 群体将突变基因定位在 Fielder 1B 染色体短臂上 6255741 bp 到 6383815 bp的区间上，该区间对应的 Fielder 参考基因组中包含 5 个高置信基因。测序发现，仅在 TraesFLD1B01G010600 编码区存在一个 C 到 T 突变，导致翻译提前终止，因此确定 TraesFLD1B01G010600 (Gli-γ2-1B) 编码 Gli-γ2 (图1D)。

图 1 Gli-γ1-1D 和 Gli-γ2-1B

为编码小麦籽粒γ醇溶蛋白主效基因

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明确了 γ 醇溶蛋白对加工品质的影响

为了明确小麦籽粒 γ 醇溶蛋白对小麦品质的影响，发现 Gli-γ1-1D 和 Gli-γ2-1B 敲除株系高分子量谷蛋白亚基 (HMW-GSs) 含量上升，谷蛋白 (Glu) /醇溶蛋白 (Gli) 比例显著提高，同时 SDS 沉降值、面筋指数显著提高，说明γ醇溶蛋白缺失能够提升小麦品质 (图2A)。面团流变学分析发现γ醇溶蛋白缺失能够提升面团稳定时间，降低面团形成时间及弱化度，提升面团质量 (图2B)。R5 过敏源分析发现，敲除 Gli-γ1-1D 和 Gli-γ2-1B 分别降低 76% 和 68% 的过敏源含量 (图2C)。因此同时敲除 Gli-γ1-1D 和 Gli-γ2-1B 能够提升小麦品质并降低小麦致敏性。

图 2 敲除 Gli-γ1-1D 和 Gli-γ2-1B

提升小麦品质并降低致敏性

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筛选出一个提升小麦

加工品质的优良等位基因

进一步分析了 Gli-γ1 位点在 181 份不同来源的小麦种质资源的变异情况，发现 Gli-γ1 存在 4 种氨基酸序列，分别命名为 Gli-γ1-I、Gli-γ1-II、Gli-γ1-III和Gli-γ1-IV (图3A)。由于 Gli-γ1-III 型和 Gli-γ1-IV 占比很少，因此重点关注 Gli-γ1-I 和 Gli-γ1-II 在品质中的差异。Gli-γ1-I 和 Gli-γ1-II 在第 171 位氨基酸处存在一个脯氨酸和丝氨酸的变异 (图3B)，携带 Gli-γ1-I 材料的 SDS 沉降值显著高于 Gli-γ1-II材料 (图3C)，说明 Gli-γ1-I 是改良加工品质优良的等位基因。Gli-γ1-I 在农家种、现代育成品种及优质品种中存在的频率分别为 39%、70%、69% (图3D)，说明 Gli-γ1-I 在育种过程中受到了选择。利用 Gli-γ1-I 和 Gli-γ1-II 在 ATG 下游 511 bp 处的一个 C-T 的单核苷酸多态性 (SNP) 开发 KASP 标记来区分上述两个单倍型 (图3E) ，该标记为 Gli-γ1-I 在小麦品质分子育种中的利用提供支撑。

图 3 Gli-γ1 优异单倍型挖掘与分子标记开发

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结论与讨论

本研究挖掘了 Fielder 中编码 γ 醇溶蛋白的主效基因 Gli-γ1-1D 和 Gli-γ2-1B，明确了降低籽粒 γ 醇溶蛋白提升小麦加工品质，并筛选出一个提升小麦加工品质的优良等位基因，为小麦品质分子育种提供了优异基因资源和理论依据。

中国农业大学农学院小麦研究中心 姚颖垠 教授和 孙其信 教授为论文共同通讯作者, 博士研究生 刘丹 为论文第一作者, 小麦研究中心 倪中福 教授、彭惠茹 教授、辛明明 教授、胡兆荣 副教授、郭伟龙 副教授、刘杰 副教授、杜金昆 副研究员、博士后 陈倩、硕士研究生 张召衡、杨怀茂，意大利农业研究和经济委员会谷物研究中心 Vincenzo Rossi 教授参与了该论文的工作。感谢中国科学院遗传与发育生物学研究所 刘志勇 教授提供小麦 EMS 诱变群体材料。该研究得到国家自然科学基金 (32125030)、国家自然科学基金区域创新发展联合基金项目 (Grant No. U22A20478)、海南崖州湾种子实验室“揭榜挂帅”项目 (B21HJ0502)、教育部分子设计育种前沿科学中心 (2022TC149) 的资助。

团队介绍

孙其信 教授作为学术带头人的中国农业大学小麦研究中心长期围绕多倍体小麦广适性的遗传基础和分子机制、小麦产量性状形成、小麦品质性状遗传调控等一系列重要科学问题开展系统深入的研究。该团队在“十三五”期间共获得国家科技进步二等奖1项，国家技术发明二等奖1项，教育部高校科研优秀成果技术发明奖一等奖1项，中华农业科技奖优秀创新团队奖1项；近5年在小麦研究方向发表Nature Communications、The Plant Cell、Molecular Plant等高水平研究论文50余篇。

转自：“iPlants”微信公众号

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