虎夢(mèng)霞

（甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，甘肅 蘭州 730070）

低分子量麥谷蛋白亞基（LMW-GS）是小麥麥谷蛋白的重要組成部分，約占麥谷蛋白總量的60%，在小麥的營養(yǎng)品質(zhì)和面粉加工過程中有重要作用。LMW-GS多態(tài)性豐富，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與醇溶蛋白分子量相近，分離難度大，對(duì)小麥品質(zhì)的貢獻(xiàn)程度難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，研究的深度和廣度難以拓展［1］；另外，由于LMW-GS和高分子量谷蛋白亞基（HMW-GS）的互作效應(yīng)，在一定程度上也影響了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)HMW-GS對(duì)小麥加工品質(zhì)的作用，如HMW-GS亞基組成相同的小麥品種品質(zhì)差異非常大，甚至含有優(yōu)質(zhì)亞基5+10、17+18和2*等的材料不總是優(yōu)質(zhì)的。截止目前，對(duì)LMW-GS的命名、分類、基因結(jié)構(gòu)、多態(tài)性、分子克隆以及與烘烤品質(zhì)的關(guān)系研究都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于HMW-GS相關(guān)性狀的研究［2～3］。

1 LMW-GS分類和結(jié)構(gòu)

Jackson等根據(jù)低分子量麥谷蛋白亞基在SDS-PAGE和2-DIEF/SDS-PAGE的遷移率和等電點(diǎn)，將其分成B、C、D3種組分［4］。其中B組分是LMW-GS最基本的部分，較小的C組分具有較寬的等電點(diǎn)，D組分具有比B、C組分慢的遷移率，且形成胚乳蛋白中最具有酸性的一組。Kasarda按照功能的不同，又將B、C和D類亞基分為兩大類：一類有兩個(gè)分子間二硫鍵，起延長(zhǎng)鏈的作用，包括絕大部分的B類亞基；另一類僅有1個(gè)Cys-殘基用以形成分子間二硫鍵，起終止鏈的作用，包括大部分的C和D類亞基［5］，依據(jù)LMW-GS的N末段第1個(gè)氨基酸的差異，即甲硫氨酸、絲氨酸和異亮氨酸又分為L(zhǎng)MW-m，LMW-s和LMW-i［6］。

LMW-GS有4個(gè)主要的結(jié)構(gòu)域，20個(gè)氨基酸信號(hào)肽、1個(gè)短的13個(gè)氨基酸的N末端序列、氨基酸重復(fù)區(qū)域和C末端結(jié)構(gòu)域。N-末端序列具有大量的半胱氨酸殘基，其中6個(gè)半胱氨酸殘基形成分子內(nèi)二硫鍵，兩個(gè)游離的半胱氨酸殘基與HMW-GS的半胱氨酸殘基形成分子間二硫鍵，將LMW-GS連接到HMW-GS“骨架”中，聚合為麥谷蛋白［5］。在N-末端結(jié)構(gòu)域，重復(fù)序列形成的β-轉(zhuǎn)角，可能進(jìn)一步形成規(guī)則的螺旋結(jié)構(gòu)，非重復(fù)序列則形成緊密的α-螺旋［7］。Lee等的研究顯示，小麥面粉中加入3種LMW-GS，和面時(shí)間延長(zhǎng)的程度不同［8］。Xu等報(bào)道包括9個(gè)半胱氨酸殘基的LMW-GS基因較含有8個(gè)的和面時(shí)間顯著提高，面團(tuán)強(qiáng)度增強(qiáng)，而抗延阻力減弱，但有更高的蛋白聚合體［9］。說明面團(tuán)強(qiáng)度提高與和面時(shí)間的延長(zhǎng)主要是LMW-GS參與了谷蛋白聚合體的形成，和面參數(shù)和蛋白聚合體的效應(yīng)取決于聚合LMW-GS亞基的數(shù)目。由于LMW-GS結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和研究不夠深入，目前還不能從結(jié)構(gòu)上解釋LMW-GS對(duì)小麥品質(zhì)的效應(yīng)，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遺傳多樣性

LMW-GS是一個(gè)蛋白大家族。Gupta和Shepherd利用SDS-PAGE方法，在普通小麥品種中發(fā)現(xiàn)40個(gè)不同的LMW-GS［10］；對(duì)四倍體硬粒小麥B型控制的LMW-GS進(jìn)行描述，發(fā)現(xiàn)了20個(gè)不同的B亞基［11］；從二倍體粗山羊草品種中觀察到30個(gè)不同的B亞基和43個(gè)C亞基LMW-GS帶型［12］；從spelta小麥中鑒定了一些特異LMW-GS等位基因［13］。另外，從小麥近緣種如野生二粒小麥、高大山羊草等作物中也分離出LMW-GS，都具有豐富的遺傳多態(tài)性［14～16］。目前已明確的普通小麥LMW-GS等位變異在Glu-A3位點(diǎn)有6個(gè)等位基因；Glu-B3位點(diǎn)有10個(gè)等位基因；Glu-D3位點(diǎn)有11個(gè)等位基因。各個(gè)位點(diǎn)等位變異可分別通過SDS-PAGE、2-DE、MALDI-TOF-MS和PCR等方法很好區(qū)分［17］。

LMW-GS豐富的多態(tài)性、復(fù)雜結(jié)構(gòu)和難分離，加大了其研究難度和深度，加之LMW-GS與HMW-GS、醇溶蛋白的相互作用，使LMW-GS與小麥品質(zhì)的關(guān)系更為錯(cuò)綜復(fù)雜。

3 LMW-GS的分子鑒定與基因克隆

小麥LMW-GS的分子鑒定及基因克隆將是國內(nèi)外的重要研究課題，研究者以期通過基因工程定向改良小麥品質(zhì)。

利用LMW-GS基因兩端保守序列來設(shè)計(jì)等位基因特異引物（AS-PCR），通過PCR直接從基因組擴(kuò)增得到基因片段，然后將其克隆到載體上進(jìn)行測(cè)序，因其利用了PCR迅速、靈敏等特點(diǎn)，近幾年來成為L(zhǎng)MW-GS基因克隆的重要手段。利用cDNA基因克隆從普通小麥（AABBDD）Chinese Spring得到1個(gè)部分序列，從Cheyenne得到2個(gè)部分、1個(gè)完整序列，從硬粒小麥（AABB）Mexicali得到1個(gè)完整基因序列［18～21］。利用gDNA基因克隆方法，Pitts等首次從普通小麥Yamhill中得到1個(gè)完整LMW-GS基因序列［22］。Zhang等和Ikeda等分別發(fā)展了一套區(qū)分Glu-A3位點(diǎn)LMW-GS等位變異的特異性標(biāo)記引物［23～24］；Zhao等從普通小麥的Glu-D3位點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了新的LMW-GS基因并開發(fā)了相應(yīng)標(biāo)記［25～26］。Jiang等從小麥屬和山羊草鑒定和克隆了4個(gè)新LMW-GS基因，均屬于LMW-m類型，這些基因具有相似的結(jié)構(gòu)，但第一個(gè)半胱氨酸殘基、重復(fù)序列和β連的數(shù)量等有一定的差別［27］。鑒于Glu-B3位點(diǎn)對(duì)小麥品質(zhì)性狀的正向作用顯著，國家小麥玉米改良中心（CIMMYT）依據(jù)Glu-B3位點(diǎn)完全編碼序列發(fā)展了10個(gè)功能標(biāo)記，目的是區(qū)分Glu-B3位點(diǎn)的不同等位變異［28］。

4 LMW-GS與品質(zhì)性狀的關(guān)系

LMW-GS對(duì)品質(zhì)具有重要作用，面粉的延展性與LMW-GS總的數(shù)量相關(guān)。已發(fā)現(xiàn)Glu-B3位點(diǎn)的加性和互作效應(yīng)［29～30］。Mascio等研究發(fā)現(xiàn)LMW-2與面粉品質(zhì)較優(yōu)有關(guān)的原因在于有42K蛋白亞基帶，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，來自普通小麥栽培種YecoraRoj的42K低分子量谷蛋白亞基與優(yōu)良面粉品質(zhì)高度相關(guān)［31］。2001年Luo等在普通小麥HMW-GS和LMW-GS等位變異對(duì)面粉品質(zhì)影響的研究中發(fā)現(xiàn)，Glu-3位點(diǎn)的等位變異對(duì)小麥品質(zhì)相關(guān)技術(shù)參數(shù)影響較大，如面粉蛋白含量、SDS沉淀值等［32］。

LMW-GS不同亞基對(duì)小麥品種品質(zhì)參數(shù)影響較大，不同亞基組合也有很大差異。Cornish等報(bào)道Glu-3位點(diǎn)，亞基組合為GluA3b、GluB3b和GluD3b的品種具有最好的延伸性，亞基組合為GluA3b、GluB3b和GluD3c的品種的延伸性也較好，亞基組合為GluA3b、GluB3b和GluD3b，Gl uA3b、GluB3b和GluD3c，以及GluA3c、GluB3b和GluD3c的品種，其面包品質(zhì)最好［33］。He等和Liu等報(bào)道Glu-B3位點(diǎn)的d和b等位基因?qū)γ鎴F(tuán)延展性的作用大于其它等位基因，Glu-A3d和Glu-B3d對(duì)中國干白面條品質(zhì)的貢獻(xiàn)較其它等位基因大［34］，對(duì)和面時(shí)間的貢獻(xiàn)為Glu-D1＞Glu-B3＞Glu-A1=Glu-B1=Glu-A3；對(duì)面團(tuán)耐揉性而言，Glu-D1＞Glu-B3=Glu-B1＞Glu-A3＞Glu-A1［35］。

由此可見，LMW-GS與面筋強(qiáng)度和面團(tuán)延展性等有關(guān)，L M W-G S總的數(shù)量與小麥加工品質(zhì)相關(guān)，而且不同等位變異對(duì)不同品質(zhì)參數(shù)的決定作用存在一定的差異。

5 LMW-GS在國內(nèi)育種中的應(yīng)用及小麥改良方向

到目前為止，HMW-GS和面包加工品質(zhì)之間的關(guān)系已達(dá)成共識(shí)。HMW-GS組成已成為小麥育種親本選配和后代選擇的重要依據(jù)，盡管LMW-GS對(duì)小麥加工品質(zhì)有重要作用，但由于LMW-GS亞基變異廣泛，分析和鑒定技術(shù)還不夠完善，加之品種系LMW優(yōu)質(zhì)亞基攜帶材料所限，基本談不上將其用于作物育種輔助選擇。

許多研究表明，中國小麥主栽品種的HMW-GS主要由N、7+9、2+12等品質(zhì)較差的亞基構(gòu)成，優(yōu)質(zhì)亞基2*、14+15、17+18和5+10的頻率明顯偏低，這是我國小麥面筋強(qiáng)度偏弱、面團(tuán)流變學(xué)特性差的主要原因之一［36～38］。劉麗等研究表明：亞基組合為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的品種，其形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間和最大阻力皆較優(yōu)［39］。但我國小麥品種含有以上優(yōu)質(zhì)亞基和亞基組合的材料較少。因此，進(jìn)一步肯定LMW-GS的基因結(jié)構(gòu)、多態(tài)性、與烘烤品質(zhì)的關(guān)系非常重要。全面調(diào)查HMW-GS、LMW-GS的分布，明確我國小麥品質(zhì)改良的育種目標(biāo)，發(fā)掘優(yōu)質(zhì)亞基基因源，在優(yōu)質(zhì)面包和面條新品種選育中引入優(yōu)質(zhì)亞基，特別是5+10、14+15、Glu-A3d、Glu-B3f和Glu-B3g等，綜合考慮HMW-GS和LMW-GS對(duì)小麥品質(zhì)的影響，以提高小麥面筋強(qiáng)度。

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