小麦醇溶蛋白染色体位点结构与功能研究以及育种应用价值分析获得新进展

醇溶蛋白及其同源物广泛存在于禾本科植物种子中，是水稻、小麦、玉米等作物籽粒加工与营养品质的一个重要决定因素。在六倍体普通小麦，醇溶蛋白基因以多拷贝方式存在于六个复杂的染色体位点（Gli-A1, B1, D1, A2, B2 & D2），其积累量一般占籽粒总蛋白含量的40-50%，对面筋、面团的功能以及各类终用途品质（如面包加工品质）的优劣有重要影响。传统遗传学研究表明醇溶蛋白可能在平衡面团弹性和延展性中发挥作用，但利用转基因技术降低醇溶蛋白基因表达后，面团功能，尤其是弹性指标，反而会明显提高，表明小麦醇溶蛋白的含量与功能有进一步调控和优化的可能。

2006年以来，中国科学院遗传与发育生物学研究所王道文团队以冬小麦品种小偃81为材料，分别制备了六个醇溶蛋白染色体位点的缺失突变体，为解析其结构与功能奠定了基础。在该研究中，团队对位于6D染色体短臂的Gli-D2位点进行了分析。通过BAC克隆测序和拼接，获得了该位点的421 kb序列，注释出了10个a-醇溶蛋白的编码基因，其中7个结构完整并在发育籽粒中高水平表达。在物理结构和基因组成等方面，小偃81的Gli-D2与中国春小麦以及小麦D基因组供体粗山羊草中的直向同源位点间存在较大差别，表明Gli-D2在普通小麦及其近缘物种中存在丰富的遗传多样性。通过多年多点试验，发现小偃81和Gli-D2缺失系（DLGliD2）在株高、生育期以及籽粒产量等方面没有显著差别，但DLGliD2的面筋、面团、面包加工品质以及籽粒赖氨酸含量显著优于小偃81。转录组学和生化试验表明，DLGliD2籽粒中醇溶蛋白含量降低、谷蛋白和谷蛋白大聚体含量上升、蛋白质二硫键异构酶的表达与活性也明显升高，这是DLGliD2面包加工品质提升的重要原因。利用分子标记辅助选择将Gli-D2的缺失变异转入强筋小麦品种郑麦366，可进一步提高其面筋与面团功能指标以及面包加工品质。因此，该研究为解析栽培小麦Gli-D2位点的结构与功能提供了新信息，创制出了对改良小麦终用途和营养功能品质具有实用价值的新种质。综合本研究以及前人发表的结果，团队建议适当降低醇溶蛋白（或其同源蛋白）的含量是改进小麦以及其它禾本科作物籽粒品质的一个重要途径。

相关论文发表于The Plant Journal (DOI:10.1111/tpj.13956)，博士生李达和靳怀冰为共同第一作者，王道文研究员和董玲丽副研究员为共同通讯作者，美国农部西部区域研究中心的霍纳新和顾永强博士也为研究的顺利完成作出了重要贡献。该研究主要由国家重点研发项目（2016YFD0100500）、国家基金委面上项目（31471483）以及中国科学院战略性先导专项项目（XDA08020302）资助。