小麥(Triticum aestivumL.)是全世界重要的口糧作物，因含有獨特的面筋蛋白能夠被加工成面包、饅頭、餅幹等類型多樣的面食品。面食品的口感、外觀等綜合表現是由小麥品種的加工品質特性決定的，是以加工品質遺傳改良是小麥育種的重要育種目标。小麥籽粒的面筋蛋白由谷蛋白和醇溶蛋白組成，是影響小麥加工品質的重要因素，在品質遺傳改良中發揮了至關重要的作用。前人研究主要集中于高分子量谷蛋白優良等位變異的發掘和利用以及谷蛋白積累的調控機制，對于醇溶蛋白對加工品質的研究還不夠深入，單個醇溶蛋白亞基對加工品質的影響尚不清楚，醇溶蛋白基因結構複雜、拷貝數多、存在大量的假基因，大大限制了醇溶蛋白在品質遺傳改良中的利用。
2023年1月8日，中國農業大學農學院小麥研究中心在New Phytologist雜志上線上發表了題為“An eliteγ-gliadin allele improves end-use quality in wheat”的研究論文，挖掘了編碼γ醇溶蛋白的主效基因，明确了γ醇溶蛋白對加工品質的影響，并篩選出一個提升小麥加工品質的優良等位變異。
首先，研究團隊利用A-PAGE電泳技術系統分析了小麥籽粒γ醇溶蛋白組成，發現Gli-γ1和Gli-γ2為主要的γ醇溶蛋白類型（圖1A）。利用Fielder參考基因組注釋了11個γ型醇溶蛋白編碼基因，其中位于1B和1D染色體的TraesFLD1B01G010600和TraesFLD1D01G005600在授粉後胚乳中表達遠高于其他基因（圖1B）。利用CRISPR/Cas9介導的基因編輯技術，獲得了同時敲除上述2個基因的株系（KO-1/2）和單獨敲除TraesFLD1D01G005600基因的株系(KO-3)。A-PAGE結果表明，KO-1/2株系Gli-γ1和Gli-γ2條帶缺失，KO-3缺失 Gli-γ1（圖1C），據此确定TraesFLD1D01G005600 (Gli-γ1-1D) 編碼Gli-γ1。從小麥品系農大3672 （野生型，WT）EMS誘變群體中獲得一個Gli-γ2缺失的突變體gli-γ-2。通過gli-γ-2與濟麥22衍生的F2群體将突變基因定位在Fielder 1B染色體短臂上6255741 bp 到6383815 bp的區間上，該區間對應的Fielder參考基因組中包含5個高置信基因。測序發現，僅在TraesFLD1B01G010600編碼區存在一個C到T突變，導緻翻譯提前終止，是以确定TraesFLD1B01G010600 (Gli-γ2-1B) 編碼Gli-γ2（圖1D）。
圖1 Gli-γ1-1D和Gli-γ2-1B為編碼小麥籽粒γ醇溶蛋白主效基因
為了明确小麥籽粒γ醇溶蛋白對小麥品質的影響，發現Gli-γ1-1D和Gli-γ2-1B敲除株系高分子量谷蛋白亞基（HMW-GSs）含量上升，谷蛋白（Glu）/醇溶蛋白（Gli）比例顯著提高，同時SDS沉降值、面筋指數顯著提高，說明γ醇溶蛋白缺失能夠提升小麥品質（圖2A）。面團流變學分析發現γ醇溶蛋白缺失能夠提升面團穩定時間，降低面團形成時間及弱化度，提升面團品質（圖2B）。R5過敏源分析發現，敲除Gli-γ1-1D和Gli-γ2-1B分别降低76%和68%的過敏源含量（圖2C）。是以同時敲除Gli-γ1-1D和Gli-γ2-1B能夠提升小麥品質并降低小麥緻敏性。
圖2 敲除Gli-γ1-1D和Gli-γ2-1B提升小麥品質并降低緻敏性
為了在品質育種中利用醇溶蛋白，研究團隊對181分小麥材料的Gli-γ2-1B序列進行分析，共發現4種氨基酸序列，分别命名為Gli-γ1-I、Gli-γ1-II、Gli-γ1-III和Gli-γ1-IV。由于Gli-γ1-III型和Gli-γ1-IV占比很少，是以重點關注Gli-γ1-I和Gli-γ1-II在品質中的差異。Gli-γ1-I和Gli-γ1-II在第171位氨基酸處存在一個脯氨酸和絲氨酸的差異，Gli-γ1-I材料的SDS沉降值高于Gli-γ1-II材料。Gli-γ1-I在農家種、現代育成品種及優質品種中分别為39%、70%、69%。說明Gli-γ1-I為優異的單倍型，并且在育種中被選擇。利用Gli-γ1-I和Gli-γ1-II在ATG下遊511 bp處的一個C-T的單核苷酸多态性（SNP）開發KASP标記來區分上述兩個單倍型。該标記為Gli-γ1-I在品質育種中的篩選、導入及優異等位基因的聚合提供了技術支援。
圖3 Gli-γ1優異單倍型挖掘與分子标記開發
中國農業大學農學院小麥研究中心姚穎垠教授和孫其信教授為論文共同通訊作者；博士研究所學生劉丹為論文第一作者；小麥研究中心倪中福教授、彭惠茹教授、辛明明教授、胡兆榮副教授、郭偉龍副教授、劉傑副教授、杜金昆副研究員、博士後陳倩、碩士研究所學生張召衡、楊懷茂，意大利農業研究和經濟委員會谷物研究中心Vincenzo Rossi教授參與了該論文的工作。感謝中國科學院遺傳與發育生物學研究所劉志勇教授提供小麥EMS誘變群體材料。該研究得到國家自然科學基金(32125030)、國家自然科學基金區域創新發展聯合基金項目(Grant No. U22A20478)、海南崖州灣種子實驗室“揭榜挂帥”項目(B21HJ0502)、教育部分子設計育種前沿科學中心(2022TC149)的資助。
原文連結：
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18722
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