小麥低分子量麥谷蛋白亞基（LMW-GS）研究進(jìn)展

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(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和面粉加工過(guò)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(shuō)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(guò)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(guó)內(nèi)外的重要研究課題，研究者以期通過(guò)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(lái)設(shè)計(jì)等位基因特異引物（AS-PCR），通過(guò)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(lái)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(kāi)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(guó)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(lái)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(guó)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(jiàn)，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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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。

［1］ SINGH N K， SHEPHERD K W.Linkage mapping of genes controlling endosperm storage proteins in Wheat［J］.Theoretical and Applied Genetics，1988，75（4）：628-641.

［2］ APPELBEE M J，MEKURIA G T，NAGASANDRA V，et al.Mather DE：Novel allelic variants encoded at the Glu-D3 locus in bread wheat ［J］.J.Cereal Sci.，2009，49（2）：254-261.

［3］ D'OVIDIO，MASCI S：The low-molecular-weight glutenin subunits of wheat gluten［J］.J.Cereal Sci.，2004，39（3）：321-339.

［4］ JACKSON E A，HOLT L M，PAYNE P I.Characterization of high-molecular-weight gliadin and low-molecular-weight glutenin subunits of wheat endosperm by twodimensional electrophoresis and the chromosomal localization of their controlling genes［J］.Theor.Appl.Genet.，1983，66：29～37

［5］ KASARDA D D.Glutenin structure in relation to wheat quality［C］//Wheat is Unique.St.Paul：MN.USA，1989：277-302.

［6］ MASCI S，ROVELLI L，KASARDA D D，et al.Characterisation and chromosomal localization of C-type lowmolecular-weight glutenin subunits in the bread wheat cultivar Chinese Spring［J］.Theor.Appl.Genet.， 2002，104（2）：422-428.

［7］ THOMSON N H，MILES M J，TATHAM A S，et al.Molecular images of cereal proteins by STM［J］.Ultramicroscopy，1992，42：1118-1122.

［8］ LEE Y K，BEKES F，GRAS P，et al.The low-molecular-weight glutenin subunit proteins of primitive wheats.Ⅳ.Functional properties of products from individual genes［J］.Theor.Appl.Genet.，1998，98：149-155.

［9］ XU H， WANG R J，SHEN X，et al.Functional properties of a new low-molecular-weight glutenin subunit gene from a bread wheat cultivar［J］.Theor Appl Genet 2006（113）：1295-1303

［10］ GUPTA R B，SHEPHERD K W.Two-step one-dimensional SDS-PAGE analysis of LMW subunits of glutelin［J］.Theor Appl Genet.1990，80：65-74.

［11］ NIETO-TALADRIZ M T，M.RUIZ，M.C.MARTíNEZ，et al.Variation and classification of B low-molecularweight glutenin subunit alleles in durum wheat［J］.Theoretical and Applied Genetics， 1997， 95（7）：1155-1160.

［12］ GIANIBELLI M C，WRIGLEY C W，MACRITCHIE F.Polymorphism of low Mr Glutenin subunits in Triticum tauschii［J］.J.Cereal Sci.2002，35：277-286.

［13］ YAN Y， S L K HSAM，J Z YU，et al.HMW and LMW glutenin alleles among putative tetraploid and hexaploid European spelt wheat（Triticum spelta L.）progenitors ［J］.Theor.Appl.Genet.， 2003， 107：1321-1330.

［14］ YUE Y W，LONG H，LIU Q，et al.Isolation of lowmolecular-weight glutenin subunit genes from wild emmer wheat Triticum dicoccoides［J］.J.Appl.Genet. ，2005，46：349-355.

［15］ LI X H，WANG A L，YINGHUA XIAO，et al.Cloning and characterization of a novel low molecular weight glutenin subunit gene at the Glu-A3 locus from wild emmer wheat（Triticum turgidum L.var.dicoccoides）［J］.Euphytica，2008，159：181-190.

［16］ HUANG Z，LONG H，JIANG Q T，et al.Molecular characterization of novel low-molecular-weight glutenin genes in Aegilops longissima ［J］.J.Appl.Genet.，2010，51（1）：9-18.

［17］ LI L，IKEDA T M，GERARD BRANLARD，et al.Research article Comparison of low molecular weight glutenin subunits identified by SDS-PAGE，2-DE，MALDI-TOF-MS and PCR in common wheat［J］.BMC Plant Biology，2010，10：124

［18］ MASCI S， D'OVIDIO R， Lafiandra D，et al.Characterization of a low-molecular-weight glutenin subunit gene from bread wheat and the corresponding protein that represents a major subunit of the glutenin polymer［J］.Plant Physiology，1998，118： 1147-1158.

［19］ MASCI，S.，ROVELLI，L.，KASARDA，et al.Characterisation and chromosomal localisation of C-type low-molecular-weight glutenin subunits in the bread wheat cultivar Chinese Spring［J］.Theor.Appl.Genet.，2002，104：422-428.

［20］ D’OVIDIO R，SIMEONE M，MASCI S et al.Molecular charac-terization of a LMW-GS gene located on chromosome 1B and the development of primers specific for the Glu-B3 complex locus in durum wheat［J］.Theor.Appl.Genet.， 1997，95：1119-1126.

［21］ D’OVIDIO R，MARCHITELLI C，ERCOLI CARDELLI L et al.Sequence similarity between allelic Glu-B3 genes related to quality properties of durum wheat［J］.Theor.Appl.Genet.， 1999，98：455-461.

［22］ PITTS E G，RAFALSKI J A，HEDGCOTH C.Nucleotide sequence and encoded amino acid sequence of a genomic gene region for a low molecular weight glutenin［J］.Nucleic acids Research，1988，16：11376.

［23］ ZHANG W，GIANIBELLI M C，L R RAMPLING.Characterisation and marker developmentfor low molecular weight glutenin genes from Glu-A3 alleles of bread wheat （Triticum aestivum.L）［J］.Theor.Appl.Genet.，2004，108：1409-1419.

［24］ IKEDA T M，ARAKI E，F(xiàn)UJITA Y.Characterization of lowmolecular-weight glutenin subunit genes and their protein products in common wheats［J］.Theoretical and Applied Genetics， 2006，112：327-334.

［25］ ZHAO X L，XIA X C，HE Z H，et al.Characterization of three low-molecular-weight Glu-D3 subunit genes in common wheat ［J］.Theor.Appl.Genet.，2006，113（7）：1247-1259

［26］ ZHAO X L， XIA X C， HE Z H，et al.Novel DNA variations to characterize low molecular weight glutenin Glu-D3 genes and develop STS markers in common wheat［J］.Theor.Appl.Genet.，2007，114（3）：451-460.

［27］ JIANG C，PEI Y，ZHANG Y，et al.Molecular cloning and characterization of four novel LMW glutenin subunit genes from Aegilops longissima，Triticum dicoccoides and T.zhukovskyi［J］.Hereditas，2008，145：92-98.

［28］ WANG L H，X L ZHAO，HE Z H，et al.Characterization of low-molecular-weight glutenin subunit Glu-B3 genes and development of STS markers in common wheat （Triticum aestivum L.）［J］.Theoretical and Applied Genetics，2009，118（3）：525-539.

［29］ POGNA N E，AUSTRAN J C，LAFIANDRA D，et al.Chromosome 1B-encoded gliadins and glutenin subunits in durum wheat：genetics and relationship to gluten strength［J］.J.Cereal.Sci.，1990，11：15-34.

［30］ GUPTA G B，MAC RITCHIE F.Allelic variation at glutenin subunit and gliadin loci，Glu-3 and Gli-1 of common wheats.Biochemical basis of the allelic effects on dough properties［J］.Cereal Chem，1994， 19：19-29.

［31］ MASCI，S，LEW E J L，LAFIANDRA，et al.Characterization of low-molecular-weight glutenin subunits in durum wheat by RP-HPLC and N-terminal sequencing［J］.Cereal Chemistry，1995，72：100-104.

［32］ LUO C， GRIFFIN W B，BRANDLARD G，et al.Comparison of low-and high molecular weight wheat glutenin allele effects on flour quality［J］.Theor.Appl.Genet， 2001，102：1088-1098.

［33］ CORNISH G B，BURRIDGE P M，PALMER G A，et al.Mapping the origins of some HMW and LMW glutenin subunit alleles in Australian germplasm［D］.Sydney：Proc 43nd Aust Cereal Chem Conf.，1993，255-260.

［34］ HE Z H， LIU L， XIA X C，et al.Effect of allelic variation at the Glu-1 and Glu-3 loci and presence of 1BL/1RL translocation on pan bread and dry white Chinese noodle quality［J］.Cereal Chemistry，2005，82：345-350.

［35］ LIU L，HE Z H，YAN J，et al.Allelic variation at the Glu-1 and Glu-3 loci， presence of the 1B.1R translocation，and their effects on mixographic properties in Chinese bread wheat［J］.Euphytica， 2005， 142：197-204.

［36］ HE ZHONGHU， PENA R J， RAJARAM S.High molecular weight glutenin subunit composition of Chinese bread wheats［J］.Euphytica， 1992，64：11-20.

［37］ 張學(xué)勇，董玉琛，游光俠，等.中國(guó)小麥大面積推廣品種及骨干親本的高分子量谷蛋白亞基組成分析［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2001，34（4）： 355-362.

［38］ 張學(xué)勇，龐斌雙，游光霞，等.中國(guó)小麥品種資源Glu-1位點(diǎn)組成概況及遺傳多樣性分析［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2002，35（11）：1302-1310.

［39］ 劉 麗，閻 俊，張 艷，等.冬播麥區(qū)Glu-1和Glu-3位點(diǎn)變異及1B/1R易位與小麥加工品質(zhì)性狀的關(guān)系［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，38（10）：1944-1950.