小麦高分子量谷蛋白亚基研究进展

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小麦高分子量谷蛋白亚基研究进展

摘要小麦是重要的粮食作物，随着人们生活水平的提高，对小麦品质提出了更高的要求，小麦高分子量谷蛋白亚基（HMW-GS）无疑对小麦品质有重大的影响。从高分子量谷蛋白亚基的命名、基因的定位、多态性和遗传以及高分子量谷蛋白亚基的结构和功能、与品质的关系、目前高分子量谷蛋白亚基分子标记的开发、转基因情况等方面进行了综述。



AbstractWheat，as a key crop，should be required to improve it′s quality as the people′s life is better than ever. Wheat High-Molecular-Weight Glutenin Subunit（HMW-GS） plays a significant role on wheat quality undoubtly. In the paper，HMW-GS study progress was reported from its naming，gene localization，polymorphism and inheritance，structure and fuction，relation with wheat quality，exploitation of molecular marker，status of transgene，etc.



Key wordswheat；High-Molecular-Weight Glutenin Subunit；molecular marker；transgene



小麦是世界第一大粮食作物，是我国第三大粮食作物，近年来我国每年播种面积都在3 000万hm2左右，总产大约1.1亿t（《农村统计年鉴》，2006年）。小麦籽粒主要由蛋白质、淀粉和脂类等物质组成，其中蛋白质含量只有13%左右，但却是影响面粉食品加工品质的重要因素，较高的蛋白质含量一般与优良的烘烤品质有关。Osborne于1907年最早发表了关于谷类作物蛋白质分类的研究报告，将蛋白质组分按其在不同溶剂中溶解度的不同分为4类：溶于稀盐的是清蛋白（albumin）和球蛋白（globulin），溶于乙醇（70%）的是醇溶蛋白（glidian），不溶于稀盐和乙醇而能溶于稀醋酸的是谷蛋白（glutenin），这就是传统的“Osborne分类系统”。其中谷蛋白和醇溶蛋白是面筋的主要组成成分，约占小麦籽粒蛋白质含量的85%，醇溶蛋白是单体混合物，决定着面团的延展性和粘性；谷蛋白是通过亚基间的二硫键结合形成的高分子聚合物，决定着面团的弹性[1]。因此，谷蛋白亚基是影响小麦食品加工品质最为重要的因素。



目前分析谷蛋白亚基的主要方法是SDS-PAGE，根据在SDS-PAGE中的迁移率，谷蛋白分为A、B、C等3个区[1]，A区为高分子量谷蛋白亚基（High molecular weight glutenin subunit，简称HMW-GS），B区和C区为低分子量谷蛋白亚基（Low molecular weight glutenin subunit，LMW-GS）。高分子量谷蛋白基因位点（Glu-1）编码的亚基又分为x型和y型亚基（x型亚基分子量高，迁移率小；y型亚基分子量低，迁移率大）。大量研究证实，HMW-GS对小麦品质有重要影响[2-3]。



1普通小麦高分子量谷蛋白亚基的命名




常用的高分子量谷蛋白亚基的命名系统有Payne等[4-5]提出的“数字命名系统”、Payne等[6]提出的“字母命名系统”和目前应用最广的“数字-字母”命名系统。



1979年，Payne等用优质面包小麦品种Maris Widgeon和高产劣质小麦品种Maris Ranger杂交，发现有1个谷蛋白亚基与SDS沉淀值高度相关，即定名为1号亚基。1980年，Payne等又测定了Cappele、Desprez、Holdfast、Cheyenne、Spica、Hobbitsib、Berseé和Chinese Spring等品种的整倍体、单体及3个代换系的HMW-GS的带型，根据带型的相对位置从高到低依次确定了2~12号11个亚基，因此1~12亚基依迁移率由慢到快排列。1981年，Payne等又测定了Alcedo等10个品种HMW-GS带型差异较大的品种，发现在已编号的12个亚基的7号和8号亚基之间的空白区有4条新带出现，依次编为13~16号，即13~16亚基随亚基迁移率依次排列。后来随着研究工作的深入及新亚基的不断发现，要遵从数字与迁移率相关原则就有一定困难。为使用方便，Payne等[6]提出了“字母命名系统”。



字母命名系统是将HMW-GS的名称与其所在的染色体结合起来，对HMW-GS进行命名的系统。它的优点是用1个字母表示新鉴定的HMW-GS等位基因，而不影响其他基因的命名，且可直观地表示出HMW-GS基因所在的染色体。如Glu-A1a、Glu-A1b、Glu-A1c表示1A染色体上控制HMW-GS基因位点的3种等位基因。



为使用方便，Payne等[6]根据分析结果绘制了Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1位点不同亚基的相对迁移率示意图，给出了不同标准品种的亚基类型（图1）。



“数字-字母”命名系统是将数字命名系统和字母命名系统结合起来的命名系统，此系统提供了HMW-GS所在染色体位置及其在SDS-PAGE上的迁移率。如Bx7＋By9中的Bx、By表示这2个亚基由染色体1B上的基因位点控制，数字7和9表示其迁移率。



2普通小麦高分子量谷蛋白亚基的基因定位

HMW-GS基因是一类多基因家族（multigene family），Payne等[4]利用中国春缺体—四体（NT）系和双端体（DT）系，与正常的整倍体中国春（CS）相比较，证明小麦高分子量谷蛋白亚基（HMW-GS）是由小麦第一部分同源群染色体上的3个复合位点控制的。



其基因位点分别位于1A、1B、1D长臂近着丝点处，分别命名为Glu-A1、Glu-B1、Glu-D1位点，总称为Glu-l位点[7]。每个位点编码分子量不同的2个亚基，普通小麦品种理论上应有6种不同的HMW-GS，但实际上仅有3～5种HMW-GS，原因是一些基因失去活性而成假基因，其中Glu-A1位点编码1个或0个HMW-GS，Glu-B1位点基因编码1个或2个HMW-GS，Glu-Dl位点编码2个HMW-GS[6-7]。大量研究表明，不同小麦品种HMW-GS组成图谱存在很大差异。






3普通小麦高分子量谷蛋白亚基的基因多态性

HMW-GS具有广泛的多态性，Glu-A1位点有5个等位基因，即Glu-A1a、Glu-A1b、Glu-A1c、Glu-A1k和GIu-A1t，编码6种亚基，即N、1、2*、26、21*和21*+21*y，Glu-B1位点有16个等位基因，即Glu-B1a、Glu-B1b、Glu-B1c、Glu-B1d、Glu-B1e、Glu-B1f、Glu-B1g、Glu-B1h、Glu-B1i、Glu-B1j、Glu-B1k、Glu-B1l、Glu-B1r、Glu-B1s、Glu-B1ak和Glu-B1a1，编码18种亚基，即6+8、6+15、6.8+20、7、7+8、7*+8、7*+8*、7+8*、7+9、7+18、13+16、13+19、14+15、17+18、20、21、22和23+24；Glu-D1位点有18种等位基因，即Glu-D1a、Glu-D1b、Glu-D1c、Glu-D1d、Glu-D1e、Glu-D1f、Glu-D1g、Glu-D1h、Glu-D1i、Glu-D1j、Glu-D1n、Glu-D1q、Glu-D1x、Glu-D1y、Glu-D1ah、Glu-D1ai、Glu-D1aj和Glu-D1ak，编码26种亚基，即N、1.5+10、1.5+10.5、1.5+12、1.5+T2、2+10、2+10.5、2+11、2+12、2+12*、2+T2、2.1+10、2.1+10.5、2.1+12、1+T2、2.1*+10.5、2.1*+12*、2.2、2.2*、2.2+12、3+10.5、3+T2、4+10、5+9、5+10和5+12[6，8-9]。HMW-GS的广泛多态性为品质育种中优质亚基的聚合奠定了基础，提供了丰富的遗传变异，有利于小麦面筋强度的遗传改良研究，赋予了HMW-GS广阔的研究空间。



4普通小麦高分子量谷蛋白亚基的遗传

普通小麦高分子量谷蛋白亚基的遗传受基因型的控制，不受环境影响。不同的生态环境只影响各亚基含量及比例的变化[10，6]。小麦HMW-GS在F1代呈共显性和倾母遗传现象。倾母现象的产生与小麦双受精和3n胚乳形成时，来源于母本和父本的遗传物质分别占2/3和1/3所造成的基因剂量效应有关。这种共显性遗传，异质位点呈混合型，同质位点呈单一型，由于剂量效应的存在，呈混合型的异质位点等位基因总表达量与同质位点等量或接近，故优劣亚基杂合基因型品质界于两者之间[11]，在F2籽粒中，1对等位基因差别的分离比例为纯合（亲本1）∶杂合∶纯合（亲本2）=1∶2∶1，回交后代分离比为纯合∶杂合=1∶1。由此可见，控制HMW-GS的基因为孟德尔式基因，其遗传行为遵从孟德尔的基因独立分配和自由组合规律[6]。



5普通小麦高分子量谷蛋白亚基的结构和功能

所有高分子量谷蛋白亚基的氨基酸序列都可以分为3个相似的区域：非重复氨基酸序列的N-末端区（81～104个氨基酸残基）和C-末端区（42个残基）、高度重复的中部区（481～681个残基）[12]。N端和C端含有Cys残基，从而形成分子间二硫键，产生高分子量的线形聚合物，这些聚合物使得面团具有良好的弹性。半胱氨酸残基主要分布在两端区，所有的y-型亚基都有6个半胱氨酸残基（HC1~6），均分布在非重复的端区，5个在N-末端区，1个在C-末端区，其中HC3和HC4是y-型亚基所独有的。所有的x-型亚基均有4个半胱氨酸残基（HC1、HC2、HC5、HC6），3个在N-末端区，1个在C-末端区（只有硬粒小麦谷蛋白亚基1Bx20例外）。缺失事件导致2个半胱氨酸丢失，使得x-型亚基比y-型亚基少2个半胱氨酸。



由序列比较可知，两端区的氨基酸序列同源性很高（表1）。Van Dijk等[13]




亚克隆了1Dx5的N-末端区，并在细菌表达系统表达、纯化，研究了其初级结构。结果表明，N-端区决定亚基的溶解性；圆二向色谱和荧光色谱发现其结构组成具pH值依赖性，在低pH值时稳定；经热和脲变性后发现了2个独立的展开区，一个随pH值的变化稳定性下降，另一个不受pH值的影响。



中部重复区是由六氨基酸肽段（Pro-Gly-Gln-Gly-Gly-Gln）、九氨基酸肽段（Gly-Tyr-Tyr-Pro-Thr-Ser-Pro/Leu-Gln-Gln）和三氨基酸肽段（Gly-Gln-Gln）形成的重复结构，疏水性较强，Gln、Cys和Gly的含量较高，各肽段的数目因亚基不同而有差异，其中三氨基酸肽段仅存在于x-型亚基中。



中部重复区的氨基酸序列变化大主要归因于其重复单元数目的不同[1]。在x-型或y-型亚基中，由同一位点控制的等位基因变异的差异也只存在于中部重复区[14]，如Glu-D1位点编码亚基中部重复区都含有21个九氨基酸肽段，除此之外1Dx亚基含有73个六氨基酸肽段、20或23个三氨基酸肽段，而1Dy亚基含有47或49个六氨基酸肽段。1Dy10和1Dy12只是在近C-末端区的中部重复区有6个氨基酸序列的差异。1Dx2.2*比1Dx2延长了中部重复区[15]；1Bx17与1Bx7相比有2个氨基酸易位和36个氨基酸缺失[16]。面筋弹性是衡量面粉食品加工品质的主要指标之一。通过对HMW-GS相似序列的蛋白质的研究，发现中部重复域在水中有高水平的泳动性，由β-转角和β-折叠构成，并随水的组成比例不同而不同。据电镜结果推测，高分子量谷蛋白亚基重复域的氢键负责面筋的弹性。



谷蛋白亚基不仅决定面筋的弹性，同时也决定面团的强度，其作用主要依赖于其分子间二硫键形成聚合体的能力。2个半胱氨酸可以形成链内或链间二硫键，二硫键对于谷蛋白亚基之间相互作用形成和维持谷蛋白聚合体的结构和功能有重要意义。y-型亚基1By9、1Dy10和1Dy12靠近C-末端区的中部重复区有1个半胱氨酸残基（HCb）。同样，在x-型亚基1Dx5的N-末端区靠近中部重复区的位置也有1个半胱氨酸残基（HCa），而1Dx2没有，可能是由于这个半胱氨酸残基能够增加链间二硫键的数目使得1Dx5+1Dy10比1Dx2+1Dy12形成较大谷蛋白聚合体的比例增加[17]，从而使面筋弹性增强。1Bx7和1Dx5的N-端区氨基酸序列具有同源性，但其二硫键的形成方式不同。5亚基的前2个半胱氨酸位于连续的α-螺旋区内，若螺旋的折叠迅速发生，这2个半胱氨酸的巯基相距2.2 nm，从而不能形成链内二硫键；7亚基的α-螺旋在前2个半胱氨酸处中断，该中断区可能形成反式γ-转角，这2个半胱氨酸的巯基相距0.4 nm，很可能形成链内二硫键。



高分子量谷蛋白亚基以延伸的棒状蛋白形式存在[18-19]。非重复的N-末端和C-末端区的肽段有形成α-螺旋的倾向，构成一种球状结构[12]；中部重复区的氨基酸则易形成反向的β-折叠，并有规律地组织起来形成松散的β-螺旋结构[18-19]，对面筋的弹性起着重要作用。由硬粒小麦的1Bx20隧道电镜观察到的棒状β-螺旋的直径是19.5 A，螺间距为14.9 A。不同亚基中部重复区的氨基酸组成不同，因而形成的反式β-折叠有所不同。以1Dy10和1Dy12为例，前者的氨基酸残基数目少于后者，但在SDS-PAGE图谱上迁移慢，这是由于1Dy10的近C-末端区的中部重复区的6个氨基酸序列的差异，使得1Dy10重复单元的比例提高，产生了更规则的β-折叠，在还原剂处理时更不易变性[20]，这也是1Dy10




比1Dy12烘烤品质优良的主要原因。



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