小麦高分子量谷蛋白亚基研究进展

刘春雷,刘泽平,张丽琴,王世杰

(1.河南教育学院人口与生命科学系,河南郑州 450046;2.河南教育学院小麦育种研究中心,河南郑州 450046;3.郑州铁路职业技术学院公共教学部,河南郑州 450000)

小麦高分子量谷蛋白亚基研究进展

刘春雷1,2,刘泽平3,张丽琴1,2,王世杰1,2

(1.河南教育学院人口与生命科学系,河南郑州 450046;2.河南教育学院小麦育种研究中心,河南郑州 450046;3.郑州铁路职业技术学院公共教学部,河南郑州 450000)

简要介绍了小麦高分子量谷蛋白亚基的基因定位、遗传方式及其结构特征,对我国小麦品种的 HMW-GS组成、HMW-GS对小麦品质的影响进行了综述,并对今后的研究方向进行了展望.

小麦;高分子量谷蛋白亚基;品质;结构特征;组成;近等基因系

一般认为,小麦籽粒中的谷蛋白是一种储藏蛋白,它具有储藏氨基酸功能,为种子萌发和幼苗生长提供营养.谷蛋白与另一种储藏蛋白即醇溶蛋白是面筋的主要成分,它们都含有较高的脯氨酸 (Proline)和谷氨酰胺 (Glutamine),因此被合称为 Prolamins[1].谷蛋白和醇溶蛋白分别决定面筋的弹性和延展性,它们在面筋中的比值对小麦粉的加工品质有着重要的影响.按分子量的高低谷蛋白可分为高分子量谷蛋白亚基(HMW-GS)和低分子量谷蛋白亚基(LMW-GS),其中 HMW-GS通过 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳可以很好地分离和认读,因而一直是小麦品质研究中的热点之一.

1 HMW-GS基因的定位、遗传方式及其表达

小麦 HMW-GS分别由第一部分同源群染色体长臂上的 Glu-A1、Glu-B1和 Glu-D1位点控制,统称为 Glu-1位点.每个位点含有两个紧密连锁的基因,分别编码分子量较大的 x-型亚基和分子量较小的 y-型亚基[2].然而,一些基因的沉默使 Glu-A1位点编码 0或 1个亚基、Glu-B1位点编码 1或 2个亚基、Glu-D1位点编码 2个亚基.因此普通小麦的 HMW-GS为 3～5个[3].所有品种均含有 1Bx、1Dx和 1Dy亚基,但Ay亚基在所有普通小麦品种中均不表达,1By亚基则在少数品种中沉默.

HMW-GS的遗传方式属孟德尔式遗传,不同环境只影响亚基的含量和比例[4].由于在小麦 3N胚乳形成时,来源于母本和父本的遗传物质比例不同,所以在 F1代为共显性和倾母遗传[5].

高分子量谷蛋白亚基是在灌浆过程中逐渐表达的,不同位点亚基表达的次序不同,Glu-D1和 Glu-B1位点亚基出现最早,而 Glu-A1位点亚基出现最晚.并且 HMW-GS在花后 15 d前积累缓慢,花后 16～28 d积累量迅速增加,花后 21 d达到积累高峰期,花后 28 d以后积累量不再变化[6].

2 HMW-GS的结构特征

HMW-GS的一级结构含有 3个区域:中间重复区域(400-670氨基酸残基),N-末端(81-104氨基酸残基)和 C-末端 (42氨基酸残基)非重复区域.所有 HMW-GS在 C-末端区域只含有 1个半胱氨酸残基,而在N-末端区域,x-型和 y-型亚基分别含有 3个和 5个半胱氨酸残基.还有一些亚基在中部重复区域也含有 1个半胱氨酸残基,这个半胱氨酸残基在 1By9、1Dy10和 1Dy12中靠近 C-末端,在 1Dx5中靠近 N-末端.x-型亚基和 y-型亚基在中部重复区域有着较大的不同,它们都含有 PGQGQQ和GYYPTSP/LQQ重复模块,而 x-型亚基中还特有 GQQ重复模块.HMW-GS分子量的差异主要由中部重复区域的变化造成的[7].

HMW-GS基因从起始密码子开始的 63 bp序列编码一段 21氨基酸的短肽,称为信号肽序列,信号肽在麦粒成熟的过程中被切除[8].已知的 HMW-GS基因均不含有内含子,长度一般为 2～2.5 kb,并且含有两个紧密相连的终止密码子 TGATAG.

3 我国小麦HMW-GS的组成

HMW-GS具有广泛的等位基因变异,而这些变异也使不同的小麦品种具有不同的加工品质,是小麦粉能够加工成饼干、糕点、面条、馒头、面包等各种食品的基础.研究 HMW-GS等位基因的变异可推测我国现有小麦品种加工品质的大致情况,为小麦品质育种中育种目标的制定提供依据.

黄淮麦区是我国小麦的主产区,也是小麦新品种审定最多的地区之一,因此,许多研究者都采用了该地区的品种作为研究材料.牛吉山等对该区 190份小麦品种的分析结果是,Glu-A1位点 1和 null亚基的频率分别为 40.53%和 59.47%;Glu-B1位点频率最高的是 7+8和 7+9亚基,分别为 43.68%和 45.79%;Glu-D1位点 2+12和 5+10亚基频率分别为 62.63%和34.74%;而亚基组合 (null;7+9;2+12)和 (null;7+8;2+12)的频率较高[9].李学军等在黄淮麦区新选育的 111个小麦品种(系)中发现,Glu-A1位点 1、null和 2＊亚基的频率分别为 65.8%、33.3%和 0.9%;Glu-B1位点 7+9、7+8和 14+15亚基的频率分别为 54.1%、27.0%和 18.9%;Glu-D1位点 2+12、5+10、4+12和 3+12亚基的频率分别为 54.1%、26.1%、18%和1.8%;在各种亚基组合中,(1;7+9;2+12)、(1;7+9;5+10)和 (null;7+9;2+12)的频率最高,分别为20.7%,10.8%和9.9%[10].

吴芳等研究了 235份中国推广品种和高代品系的 HMW-GS组成,发现 1、Null、7+9、5+10和 2+12亚基含量较高,频率分别为 46.2%、46.2%、44.5%、47%和 48.3%[11].高居荣等研究发现,在我国的 100个小麦骨干亲本及其衍生材料中,Glu-A1位点 null和1亚基的频率分别为 82%和 18%;Glu-B1位点频率较高的亚基为7+8(56%)、7+9(28%)和14+15(7%);Glu-D1位点 2+12和 5+10亚基的频率分别为 86%和 14%;同时亚基组合 (null;7+8;2+12)和 (null;7+9;2+12)的频率最高,分别为 40%和 23%[12].

董永梅等分析了 200份中国地方小麦品种的 HMW-GS组成,发现 Glu-A1、Glu-B1和 Glu-D1位点的优势亚基分别为 null、7+8亚基和 2+12亚基,频率分别为 86.5%、73%和 85%[13].在新疆的 282份地方品种中,Glu-A1、Glu-B1和 Glu-D1位点的优势亚基依次为 null、7+8和 2+12,其频率分别是 75.5%、90.8%和 72.0%,而亚基组合 (null;7+8;2+12)的频率最高(52.8%)[14].在甘肃的地方品种中,冬、春小麦资源的 Glu-A1、Glu-B1和 Glu-D1位点均以 null、7+8和 2+12为优势亚基,而亚基组合 (null;7+8;2+12)均为优势组合,分别占冬、春小麦的 67.1%和 56.4%[15].而在黄淮麦区的农家品种中,亚基组合(null;7+8;2+12)的频率高达 90%[10].

从这些研究结果可以看出:在我国的小麦品种中,Glu-A1位点编码的亚基中 null和 1出现的频率最高;Glu-B1位点的7+8和 7+9亚基频率较高;Glu-D1位点的 2+12亚基频率较高.同时在推广品种中,亚基组合(1或 null;7+8或 7+9;2+12)是最常见的组合;而在各地的地方品种中,亚基组合 (null;7+8;2+12)均占有相当高的比例.

4 HMW-GS与小麦品质的关系

研究表明,谷蛋白的数量与面粉的烘烤品质有关[16],但 Payne等认为 HMW-GS的构成对小麦烘烤品质影响更大[4,17]. Payne等认为 Glu-D1位点在很大程度上决定着小麦面粉的烘烤特性[3].

许多有关 HMW-GS与小麦烘烤品质相关关系的研究表明,亚基 2＊、1、17+18、14+15及 5+10等与小麦烘烤品质正相关,而 null、20和 2+12等亚基与烘烤品质负相关,并认为 Glu-D1位点控制的 HMW-GS对小麦品质的影响大于 Glu-A1位点, Glu-B1位点对小麦品质的影响最小[4,18-21].

4.1 基于统计学方法的研究

胡琳等研究了33个小麦品种的HMW-GS组成与面筋数量和强度的关系,发现 Glu-A1位点1和 null亚基对面筋数量和强度的效应无显著性差异;Glu-B1位点的亚基对面筋数量的贡献顺序为 14+15>7+8>7+9,对面筋强度的贡献顺序为 7+8>14+ 15>7+9;而 Glu-D1位点亚基对面筋数量的影响为:2+12>5+10>4+12,对面筋强度的影响则是:5+10>2+12>4+12[22].

康志钰等分析了 100份春小麦品种 HMW-GS与面团吹泡特性的关系,发现亚基 1、7、7+8、17+18和 5+10排序较前,对面团吹泡特性有正向效应,并认为优质面条小麦中应含有 17+18亚基[23].

马小乐等分析了 HMW-GS对面粉理化特性和面团流变学特性的影响,认为 Clu-D1位点亚基对品质的影响为 5+10> 2+12;Glu-B1位点的亚基对品质的贡献为 7+8>17+18>22亚基[24].

李望鸿等分析了 250份甘肃地方品种的蛋白质含量、沉淀值和湿面筋含量与 HMW-GS的相关性,发现春小麦品种中 1、7+8和 5+10亚基在各自位点的品质效应值最高,冬小麦品种中 2＊、7+8、5+12亚基在各自位点的品质效应值最高[15].

唐建卫等分析了不同 HMW-GS组成对其表达量、面团流变学特性和面包加工品质的影响.结果表明,Glu-D1位点对谷蛋白含量和加工品质的加性效应最大.在 Glu-A1和 Glu-D1位点,单个亚基对谷蛋白含量和加工品质的贡献分别为 1>2＊>N和 5+10>2+12>4+12,而在 Glu-B1位点,各亚基间差异不显著[25].

4.2 基于近等基因系的研究

用近等基因系研究基因的功能可以在最大程度上消除遗传背景不同的影响,把不同的 HMW-GS导入相同的遗传背景下进行研究,可以相对精确地了解 HMW-GS对品质的贡献.

温之雨等利用冀 92-3235的一个 2+12亚基缺失体,选育出了 7个 2+12亚基缺失的近等基因系,这些近等基因系的LMW-GS、醇溶蛋白及农艺性状均与冀 92-3235相同或者无明显差异.但品质分析结果表明:2+12亚基的缺失使冀 92-3235的湿面筋含量下降为 0,同时沉降值下降 50%以上[26].

邓志英等使用 3个鲁麦 16(1;14+15;2+12)背景下的 HMW-GS近等基因系 (line2:null;14+15;5+10、line8:null;7+9; 5+10和 line 13:null;14+15;10)研究了相关亚基组成对小麦品质的影响.结果表明,line2具有较好的面粉品质,面团流变学特性及面包制作品质,line8次之.含有 10亚基的 line13在多数品质性状上均表现不佳[27].

LÜXiaobo等把 5+10亚基导入克丰 6号、龙麦 20、龙辐麦 10号和小冰麦 33中得到 4个近等基因系.品质检测结果表明,这四个品种的 2+12亚基被换成 5+10后,面筋指数和最大阻力都得到了显著的提升[28].

刘伟等研究了 2对 Glu-A1位点 1亚基和 2＊亚基的近等基因系 (分别来自龙麦 19和克丰 6号).结果表明,在蛋白质含量、湿面筋/干面筋比值、吸水率、形成时间、稳定时间、软化度、断裂时间、评价值及拉伸参数等方面差异不显著.因此建议在相关育种中无须对 1亚基和 2＊亚基进行选择[29].

庞斌双等以小偃 54(1;14+15;2+12)为轮回亲本,引进品种 Pfinqual为供体亲本培育 HMW-GS近等基因系时获得一个含有 14+18亚基的系 (1;14+18;2+12).该系的 SDS沉降值、揉面特性等参数都优于小偃 54[30].

张莉丽等将 1亚基转入龙辐麦 3号 (null;7+8;5+10)得到了 null亚基和 1亚基的近等基因系.品质检测结果表明,1亚基龙辐麦 3号和 null龙辐麦 3号在面粉蛋白质含量、干面筋和吸水率等方面无显著差异;但面筋指数、沉降值、沉降值/干面筋、形成时间、稳定时间和断裂时间等参数显著提高;而湿面筋/干面筋和软化度有所降低.并建议在 5+10亚基的遗传背景下,1亚基对面筋强度仍有较大的影响,在选育强筋小麦时要加以考虑[31].

综上所述,Glu-D1位点对小麦品质的影响最大,同时该位点的 5+10亚基通常被称为优质亚基.但也有研究表明含有 5+ 10亚基的小麦品种比含有 2+12亚基的品种面包品质还差,而一些含有 2+12亚基的品种也具有较好的面包品质[32-33].这可能是由于HMW-GS之间、HMW-GS与LMW-GS之间以及谷蛋白与醇溶蛋白之间存在互作,或者不同HMW-GS在不同遗传背景下的表达量存在差异.

5 展望

由于不同面食对小麦粉特性的要求不同,小麦品质的好坏是相对的,比如优质饼干粉对于制作面包来说就是劣质的.我国小麦主产区的大部分品种为中筋品种,适合制作面条、馒头和饺子等食品,但不适合制作面包、饼干及糕点,我国优质强筋小麦和优质弱筋小麦的生产水平还不能满足国内市场需求,因此研究与优质强筋小麦和优质弱筋小麦有关的小麦品质性状对加速我国小麦品质改良工作具有重要的理论意义和实践意义.

我国对高分子量谷蛋白亚基的研究主要集中在其与品质参数的关系上,获得了较大的成果,但小麦粉的品质不仅与HMW-GS有关,含量更多的LMW-GS、醇溶蛋白以及淀粉的性质对小麦品质的作用也不容忽视.现实中许多小麦品种中都含有优质亚基,但它们的品质却不能满足食品加工的要求,这都和非 HMW-GS的因素有关.因此,今后的研究方向应转到 HMW-GS影响品质的原因,亚基之间的互作,LMW-GS、醇溶蛋白的功能等方面.

目前,我国在优质强筋小麦方面的研究较多,也育成了不少优质强筋小麦新品种,但在优质弱筋小麦方面的研究有待加强.

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Advances in the Study on HighMolecularWeight Glutenin Subunits ofWheat

L IU Chun-lei1,2,L IU Ze-ping3,ZHANG Li-qin1,2,WANG Shi-jie1,2

(1.Department of Dem ography and Life Science,Henan Institute of Education,Zhengzhou450046,China;2.W heatB reeding Research Center,Henan Institute of Education,Zhengzhou450046,China;3.Public Teaching Departm ent,Zhengzhou Railway Vocational and Technical College,Zhengzhou450000,China)

The genemapping,inheritancemode and structure feature of HMW-GSwere introduced briefly.The composition of HMW-GS in Chinese wheat and its quality effectwere reviewed.Also brought up the research directions of HMW-GS in future.

wheat;HMW-GS;quality;character of structure;component;near-equal gene system

Q754

A

1007-0834(2010)04-0034-04

10.3969/j.issn.1007-0834.2010.04.012

2010-09-01

国家自然科学基金 (31071413);河南省基础与前沿技术研究计划 (082300430010);河南教育学院青年基金(20100104);河南教育学院生态学重点学科资助项目

刘春雷(1983—),男,河南新乡人,河南教育学院人口与生命科学系、小麦育种研究中心教师.