小麦籽粒硬度研究进展

刘培勋 蒲宗君 李晓叶 邓皓然 冉冬梅 马孝玲

(四川省农业科学院作物研究所/粮油作物绿色种质创新与遗传改良四川省重点实验室，四川 成都 610066)

小麦是一种分布广泛、适应性强、营养价值高的粮食作物，具备独特的面筋特性，是全球约35%～40%人口的主食。小麦是我国第3大粮食作物，小麦产业持续发展对保障国家粮食安全具有重大意义[1]。小麦籽粒硬度是小麦品质研究和育种的重要参数，也是小麦分类、分级、定价和加工的重要评价指标。在面粉制作过程中，籽粒硬度影响磨粉能耗、润麦加水量、出粉率等，是决定面粉颗粒大小、粒度分布、破损数量和破损程度的关键因素。根据小麦籽粒硬度，普通小麦可分为硬麦、软麦和混合麦。硬麦面粉蛋白质含量高，面粉较粗，面团吸水率高，适合制作面包、面条等；软麦面粉蛋白质含量低，面粉细腻，面粉吸水率较低，适合制作饼干、蛋糕和酿酒等。软质小麦的淀粉近似球形，清晰可见，籽粒胚乳蛋白质基质与淀粉粒表面呈分离状态；硬质小麦籽粒的断面破碎淀粉粒较多，胚乳结构致密，籽粒胚乳蛋白质基质与淀粉粒紧密结合。小麦籽粒硬度与小麦面粉的面筋强度具有强相关性，可间接反映小麦面筋情况。为了更好地了解小麦籽粒硬度的研究现状，为专用小麦遗传改良和育种提供相关理论支持，本文就小麦籽粒硬度的相关研究进行综述。

1 小麦籽粒硬度的遗传基础

Greenwell和Schofield首次从软质小麦水洗淀粉中分离出了Friabilin蛋白，Friabilin蛋白分子量为15kD左右，在软质小麦中大量存在，在硬质小麦中含量极少或者是缺失。Friabilin蛋白复合体主要由Puroindoline a(Pina)和Puroindoline b(Pinb)蛋白组成，分别由Pina-D1和Pinb-D1基因编码，二者共同形成小麦籽粒硬度的分子遗传基础。Pina-D1和Pinb-D1均位于5D染色体短臂上，紧密连锁，编码区均为447个碱基，编码的氨基酸序列相似度达60%，均没有内含子。小麦籽粒软质对硬质为显性，当Pina-D1和Pinb-D1二者均为野生型时表现为软质，其中一个缺失或发生突变时表现为硬质[2]。

Wiley等运用组织印记等技术，发现小麦PIN蛋白的合成和积累仅发生在籽粒胚乳细胞中；将Puroindoline基因导入水稻(Oryzaesativa L.)中，分析表明，PIN基因的表达降低了水稻籽粒的硬度，这些较软的种子制成面粉后，淀粉损伤更少[3]。通过生物信息学方法，在小麦基因组中共鉴定出19个小麦PIN同源基因，均含有AAI-SS结构域，该结构域为高等植物特有，包含谷物型α淀粉酶抑制剂结构域和种子贮藏蛋白结构域，Pina-D1和Pinb-D1在各基因间表达量最高，且随着籽粒硬度的降低，相对表达量显著上调。Beecher等将野生型Pinb-Dla转入硬麦中，使其SKCS硬度值由70降为25，与典型软质麦相同[4]。Gasparis等运用RNA介导的基因沉默技术使PIN基因沉默，发现PIN蛋白显著减少，小麦籽粒硬度增加[5]。将Puroindoline基因转入硬粒小麦(Triticum turgidum L.var.durum)，其籽粒硬度降低，制粉产量增加，农艺性状没有显著差异[6]。

2 Puroindoline基因型与籽粒硬度的关系

自1998年Puroindoline野生基因型Pina-D1a和Pinb-D1a被发现后，Pina-D1和Pinb-D1的各种变异类型相继被报道，其中，报道最多且分布比例比较高的几种类型有Pina-D1b、Pinb-D1b和Pinb-D1p等。Pina-D1b为Pina蛋白缺失类型，是Pina-D1基因最主要的变异类型。Pinb-D1b(G46S,GGC-AGC)为Pinb-D1的单碱基变异类型，是我国历史品种中Pinb-D1基因的最重要变异类型。Pinb-D1p为移码突变，第210位点A缺失，导致肽链合成终止，是我国农家品种中Pinb-D1基因最重要的变异类型。近年来，随着Pina-D1y和Pina-D1z等类型的发现，Pina-D1基因已知超过26种类型，Pinb-D1基因已超过30种类型[7]。截至目前，在小麦中仅Pina-D1a和Pinb-D1a的组合类型表型为软质，2个PIN基因其中有一个发生突变或者缺失，籽粒硬度就表现出硬粒。如果这2个PIN基因都缺失的话，籽粒硬度比一般的硬粒小麦要高一些。

3 小麦籽粒硬度与地理位置的关系

全世界范围内，小麦品种以硬质为主。208个俄罗斯引进小麦品种，硬质麦品种为190个(91.35%)，PIN基因主要变异类型是Pina-D1b(55.77%)[8]。对国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)土耳其育种站提供的192份普通冬小麦新品系进行籽粒硬度和基因型检测，119份为硬质麦，占62.0%，硬质麦基因型以Pina蛋白缺失类型为主，占硬质类型的75.6%[9]。澳大利亚、智利、荷兰等小麦品种均以硬质麦为主，墨西哥小麦栽培种以硬质为主，但历史地方品种中软质类型占比较高。西班牙小麦以硬质为主，但南部的安达卢西亚地方品种以软质和半硬质为主，PIN基因型以野生型为主[10]。

我国小麦品种中硬质麦比例高于软质麦，小麦地方品种中具有丰富的Pinb-D1变异类型。我国黄淮麦区小麦核心种质资源以硬质类型为主，Pinb-D1b基因型、Pinb-D1p基因型和Pina蛋白缺失类型占比较高，农家种拥有更丰富的硬质基因型[11]。新疆小麦以硬质麦为主，占61.2%，硬质麦以Pina-D1b、Pinb-D1p和Pinb-D1b突变类型为主[12]。陕西小麦以硬质麦和混合麦为主，未发现软质麦，硬质麦主要由Pinb-D1b基因型组成。

我国南方(秦岭-淮河以南)小麦籽粒硬度及基因型与北方小麦具有较大差异。长江中下游麦区历年育成的小麦品种中软质麦比例较高，占52.4%，硬质麦和混合麦分别占38.1%和9.5%[13]。余春梅等对来自长江流域、黄淮麦区南部、西南麦区以及南部冬麦区的104份品种，进行Pina和Pinb基因型检测，有80份材料该基因与“中国春”(软质)没有差异。江苏小麦品种以软质为主，小麦软质基因组合类型Pina-D1a/Pinb-D1a占54.95%，硬质基因组合Pina-D1a/Pinb-D1b占38.74%[14]。可见，小麦籽粒硬度与纬度密切相关，表现出高纬度地区小麦籽粒硬度高，基因型以变异类型为主；低纬度地区小麦籽粒硬度低，基因型以野生型为主[15]。

4 总结与展望

小麦是人类重要的能量来源，对全球粮食安全至关重要。籽粒硬度是小麦品质的主要决定因素，是小麦分级分类的重要指标。Puroindoline基因(Pina-D1和Pinb-D1)是小麦籽粒硬度的遗传基础，其控制小麦籽粒硬度的功能已得到反复验证，基因型与籽粒硬度的关系以及基因型的地理分布均有较深入研究，但其控制小麦籽粒硬度的分子机制尚未完全阐明。近年来，关于其作用机制的研究更多关注于其对淀粉的影响，Pina蛋白的表达可减少淀粉损伤，导致面粉颗粒更细[16]。体外免疫荧光法研究表明，小麦Puroindoline蛋白与水稻(Pin-null)淀粉颗粒表面具有较高的亲和力，可能存在相互作用[17]。随着研究的深入，Puroindoline蛋白与淀粉的相关作用必将进一步得到解析。

Puroindoline基因是控制小麦籽粒硬度的主效基因，但尚不能完全解释小麦籽粒硬度。研究者发现，在用甲基磺酸乙酯(EMS)诱变的软白春小麦种子中，产生了7种Puroindoline基因变异类型，有一种变异类型表现出较野生型更软的性状[18]。推测在一些特殊材料中可能还存在影响籽粒硬度的重要基因待开发。此外，除Puroindoline基因外，科学家不断利用DH、RIL及GWAS等小麦群体挖掘控制小麦籽粒硬度的遗传位点，并获得大量QTL，可能对小麦籽粒硬度起调控作用。

除控制籽粒硬度外，Puroindoline基因还具有广谱抗菌功能[19]。Pina-D1和Pinb-D1基因均编码148个氨基酸，分子量约13kD，序列均含有4个α螺旋，第1个和第2个α螺旋之间均存在一个色氨酸丰富区(Pina：WRWWKWWK；Pinb：WPTKWWK)，使其具有强烈的脂联特性。表达Pina、Pinb和Pina+Pinb的转基因水稻植株，稻瘟病抗性明显提高，稻瘟病症状得到延缓，病情程度降低。苹果转Pinb基因的植株，黑星病感染显著降低。将Pina+Pinb基因转入玉米，玉米小斑病的耐受性显著提高，症状减轻了42%。Pina的表达增强了转基因四倍体小麦的叶锈病抗性，减缓了病菌生长；软质的四倍体小麦(含Puroindoline基因的易位系)高抗黑穗病；转Puroindoline基因的六倍体小麦，对青霉菌引起的种子腐烂病抗性增强。深入挖掘Puroindoline基因的抗病功能，解析其抗病机理，有望为作物抗病育种提供新的基因资源。