小麦低分子量麦谷蛋白亚基（LMW-GS）研究进展

虎梦霞

（甘肃省农业科学院小麦研究所，甘肃 兰州 730070）

低分子量麦谷蛋白亚基（LMW-GS）是小麦麦谷蛋白的重要组成部分，约占麦谷蛋白总量的60%，在小麦的营养品质和面粉加工过程中有重要作用。LMW-GS多态性丰富，结构复杂，与醇溶蛋白分子量相近，分离难度大，对小麦品质的贡献程度难以准确评价，研究的深度和广度难以拓展［1］；另外，由于LMW-GS和高分子量谷蛋白亚基（HMW-GS）的互作效应，在一定程度上也影响了准确评价HMW-GS对小麦加工品质的作用，如HMW-GS亚基组成相同的小麦品种品质差异非常大，甚至含有优质亚基5+10、17+18和2*等的材料不总是优质的。截止目前，对LMW-GS的命名、分类、基因结构、多态性、分子克隆以及与烘烤品质的关系研究都远远落后于HMW-GS相关性状的研究［2～3］。

1 LMW-GS分类和结构

Jackson等根据低分子量麦谷蛋白亚基在SDS-PAGE和2-DIEF/SDS-PAGE的迁移率和等电点，将其分成B、C、D3种组分［4］。其中B组分是LMW-GS最基本的部分，较小的C组分具有较宽的等电点，D组分具有比B、C组分慢的迁移率，且形成胚乳蛋白中最具有酸性的一组。Kasarda按照功能的不同，又将B、C和D类亚基分为两大类：一类有两个分子间二硫键，起延长链的作用，包括绝大部分的B类亚基；另一类仅有1个Cys-残基用以形成分子间二硫键，起终止链的作用，包括大部分的C和D类亚基［5］，依据LMW-GS的N末段第1个氨基酸的差异，即甲硫氨酸、丝氨酸和异亮氨酸又分为LMW-m，LMW-s和LMW-i［6］。

LMW-GS有4个主要的结构域，20个氨基酸信号肽、1个短的13个氨基酸的N末端序列、氨基酸重复区域和C末端结构域。N-末端序列具有大量的半胱氨酸残基，其中6个半胱氨酸残基形成分子内二硫键，两个游离的半胱氨酸残基与HMW-GS的半胱氨酸残基形成分子间二硫键，将LMW-GS连接到HMW-GS“骨架”中，聚合为麦谷蛋白［5］。在N-末端结构域，重复序列形成的β-转角，可能进一步形成规则的螺旋结构，非重复序列则形成紧密的α-螺旋［7］。Lee等的研究显示，小麦面粉中加入3种LMW-GS，和面时间延长的程度不同［8］。Xu等报道包括9个半胱氨酸残基的LMW-GS基因较含有8个的和面时间显著提高，面团强度增强，而抗延阻力减弱，但有更高的蛋白聚合体［9］。说明面团强度提高与和面时间的延长主要是LMW-GS参与了谷蛋白聚合体的形成，和面参数和蛋白聚合体的效应取决于聚合LMW-GS亚基的数目。由于LMW-GS结构的复杂性和研究不够深入，目前还不能从结构上解释LMW-GS对小麦品质的效应，在一定程度上也限制了LMW-GS的序列分析和分子克隆等方面的深入研究。

2 LMW-GS遗传多样性

LMW-GS是一个蛋白大家族。Gupta和Shepherd利用SDS-PAGE方法，在普通小麦品种中发现40个不同的LMW-GS［10］；对四倍体硬粒小麦B型控制的LMW-GS进行描述，发现了20个不同的B亚基［11］；从二倍体粗山羊草品种中观察到30个不同的B亚基和43个C亚基LMW-GS带型［12］；从spelta小麦中鉴定了一些特异LMW-GS等位基因［13］。另外，从小麦近缘种如野生二粒小麦、高大山羊草等作物中也分离出LMW-GS，都具有丰富的遗传多态性［14～16］。目前已明确的普通小麦LMW-GS等位变异在Glu-A3位点有6个等位基因；Glu-B3位点有10个等位基因；Glu-D3位点有11个等位基因。各个位点等位变异可分别通过SDS-PAGE、2-DE、MALDI-TOF-MS和PCR等方法很好区分［17］。

LMW-GS丰富的多态性、复杂结构和难分离，加大了其研究难度和深度，加之LMW-GS与HMW-GS、醇溶蛋白的相互作用，使LMW-GS与小麦品质的关系更为错综复杂。

3 LMW-GS的分子鉴定与基因克隆

小麦LMW-GS的分子鉴定及基因克隆将是国内外的重要研究课题，研究者以期通过基因工程定向改良小麦品质。

利用LMW-GS基因两端保守序列来设计等位基因特异引物（AS-PCR），通过PCR直接从基因组扩增得到基因片段，然后将其克隆到载体上进行测序，因其利用了PCR迅速、灵敏等特点，近几年来成为LMW-GS基因克隆的重要手段。利用cDNA基因克隆从普通小麦（AABBDD）Chinese Spring得到1个部分序列，从Cheyenne得到2个部分、1个完整序列，从硬粒小麦（AABB）Mexicali得到1个完整基因序列［18～21］。利用gDNA基因克隆方法，Pitts等首次从普通小麦Yamhill中得到1个完整LMW-GS基因序列［22］。Zhang等和Ikeda等分别发展了一套区分Glu-A3位点LMW-GS等位变异的特异性标记引物［23～24］；Zhao等从普通小麦的Glu-D3位点发现了新的LMW-GS基因并开发了相应标记［25～26］。Jiang等从小麦属和山羊草鉴定和克隆了4个新LMW-GS基因，均属于LMW-m类型，这些基因具有相似的结构，但第一个半胱氨酸残基、重复序列和β连的数量等有一定的差别［27］。鉴于Glu-B3位点对小麦品质性状的正向作用显著，国家小麦玉米改良中心（CIMMYT）依据Glu-B3位点完全编码序列发展了10个功能标记，目的是区分Glu-B3位点的不同等位变异［28］。

4 LMW-GS与品质性状的关系

LMW-GS对品质具有重要作用，面粉的延展性与LMW-GS总的数量相关。已发现Glu-B3位点的加性和互作效应［29～30］。Mascio等研究发现LMW-2与面粉品质较优有关的原因在于有42K蛋白亚基带，同时也发现，来自普通小麦栽培种YecoraRoj的42K低分子量谷蛋白亚基与优良面粉品质高度相关［31］。2001年Luo等在普通小麦HMW-GS和LMW-GS等位变异对面粉品质影响的研究中发现，Glu-3位点的等位变异对小麦品质相关技术参数影响较大，如面粉蛋白含量、SDS沉淀值等［32］。

LMW-GS不同亚基对小麦品种品质参数影响较大，不同亚基组合也有很大差异。Cornish等报道Glu-3位点，亚基组合为GluA3b、GluB3b和GluD3b的品种具有最好的延伸性，亚基组合为GluA3b、GluB3b和GluD3c的品种的延伸性也较好，亚基组合为GluA3b、GluB3b和GluD3b，Gl uA3b、GluB3b和GluD3c，以及GluA3c、GluB3b和GluD3c的品种，其面包品质最好［33］。He等和Liu等报道Glu-B3位点的d和b等位基因对面团延展性的作用大于其它等位基因，Glu-A3d和Glu-B3d对中国干白面条品质的贡献较其它等位基因大［34］，对和面时间的贡献为Glu-D1＞Glu-B3＞Glu-A1=Glu-B1=Glu-A3；对面团耐揉性而言，Glu-D1＞Glu-B3=Glu-B1＞Glu-A3＞Glu-A1［35］。

由此可见，LMW-GS与面筋强度和面团延展性等有关，L M W-G S总的数量与小麦加工品质相关，而且不同等位变异对不同品质参数的决定作用存在一定的差异。

5 LMW-GS在国内育种中的应用及小麦改良方向

到目前为止，HMW-GS和面包加工品质之间的关系已达成共识。HMW-GS组成已成为小麦育种亲本选配和后代选择的重要依据，尽管LMW-GS对小麦加工品质有重要作用，但由于LMW-GS亚基变异广泛，分析和鉴定技术还不够完善，加之品种系LMW优质亚基携带材料所限，基本谈不上将其用于作物育种辅助选择。

许多研究表明，中国小麦主栽品种的HMW-GS主要由N、7+9、2+12等品质较差的亚基构成，优质亚基2*、14+15、17+18和5+10的频率明显偏低，这是我国小麦面筋强度偏弱、面团流变学特性差的主要原因之一［36～38］。刘丽等研究表明：亚基组合为1、7+8、5+10、Glu-A3a、Glu-B3b，1、7+8、5+10、Glu-A3e、Glu-B3g，1、7+9、5+10、Glu-A3d、Glu-B3d，1、14+15、5+10、Glu-A3d、Glu-B3g和1、17+18、2+12、Glu-A3d、Glu-B3f的品种，其形成时间、稳定时间和最大阻力皆较优［39］。但我国小麦品种含有以上优质亚基和亚基组合的材料较少。因此，进一步肯定LMW-GS的基因结构、多态性、与烘烤品质的关系非常重要。全面调查HMW-GS、LMW-GS的分布，明确我国小麦品质改良的育种目标，发掘优质亚基基因源，在优质面包和面条新品种选育中引入优质亚基，特别是5+10、14+15、Glu-A3d、Glu-B3f和Glu-B3g等，综合考虑HMW-GS和LMW-GS对小麦品质的影响，以提高小麦面筋强度。

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