小麥谷蛋白大聚合體研究進(jìn)展

姜佳慧 金 蕊 陳劉明 王光一 趙萬春 董 劍 高 翔 李曉燕

（西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100）

1 GMP 與小麥加工品質(zhì)的相關(guān)性

在早期谷蛋白組分研究中，發(fā)現(xiàn)GMP 與小麥的加工品質(zhì)相關(guān)，GMP 含量與沉降值相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)高于粗蛋白含量與沉降值的相關(guān)系數(shù)[4]。而且，其含量和結(jié)構(gòu)與小麥的食品加工品質(zhì)密切相關(guān)，在面制食品制作過程中的作用遠(yuǎn)大于單體蛋白、可溶性蛋白[5]。通常，GMP 含量越高的小麥，其面團(tuán)強(qiáng)度大，彈性較大，面包烘烤品質(zhì)更佳[2，6]。由于不同小麥品種中含有的GMP 含量和組成結(jié)構(gòu)不同，所以，GMP與加工品質(zhì)的相關(guān)參數(shù)有所差異。裴玉賀等[7]相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)164 個(gè)小麥品種中GMP 含量平均值為4.927%，明顯低于國(guó)外學(xué)者Bean 分析的28 個(gè)小麥品種GMP 平均值6.819%，麥谷蛋白大聚合體的含量低，是導(dǎo)致我國(guó)小麥烘烤品質(zhì)較低的原因之一。晏本菊等[5]測(cè)定了國(guó)內(nèi)118 個(gè)株系小麥樣品的沉淀值和GMP 含量，發(fā)現(xiàn)GMP 含量與沉降值存在極顯著相關(guān)。孫輝等[4]對(duì)100 份來自全國(guó)各地的小麥材料研究發(fā)現(xiàn)，GMP 含量與面團(tuán)吸水率呈極顯著正相關(guān)，GMP 含量越高，沉降值越高，面筋強(qiáng)度大，其烘烤品質(zhì)更佳。

不溶性谷蛋白聚合體百分含量（GMP%）是指麥谷蛋白大聚合體占谷蛋白聚合體總含量的百分?jǐn)?shù)，通?？捎脕肀硎钧湽鹊鞍状缶酆象w的粒度分布。王愛娜等[8]證實(shí)GMP%與GMP 有極顯著的關(guān)系，GMP 含量與沉降值有極顯著的正作用，通過回歸分析認(rèn)為GMP%是決定SDS 沉淀值的重要生化因素，影響小麥的加工品質(zhì)。GMP 與粗蛋白對(duì)烘烤性狀呈偏相關(guān)，當(dāng)GMP 含量保持一定時(shí)，粗蛋白與吸水率的相關(guān)性由不相關(guān)變?yōu)樨?fù)相關(guān)，與穩(wěn)定時(shí)間和面包體系的相關(guān)性由顯著變?yōu)椴伙@著；粗蛋白含量一定時(shí)，GMP 含量與加工品質(zhì)參數(shù)仍保持顯著正相關(guān)[4]?？梢?，GMP 雖在總蛋白中占比不高，但對(duì)小麥加工品質(zhì)起著重要作用，GMP 含量高的小麥，其加工品質(zhì)更佳。

對(duì)高、中、低筋3 種類型小麥成熟期GMP 變化研究發(fā)現(xiàn)，高、中、低筋品質(zhì)小麥的GMP 含量分別增加至22.25g/kg、13.72g/kg 和10.32g/kg，面筋含量越高其GMP 的積累值越大[9]。可見，GMP 對(duì)小麥加工品質(zhì)有顯著作用，相比各種品質(zhì)指標(biāo)的測(cè)量鑒定，提取并鑒定GMP 含量更適合作為早期小麥加工特性的預(yù)測(cè)指標(biāo)，其含量測(cè)定可應(yīng)用于小麥育種早期微量快速品質(zhì)鑒定與篩選。

2 GMP 提取與測(cè)定方法

GMP 的提取與含量測(cè)定是小麥品質(zhì)研究的重要內(nèi)容。因其分子量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常不溶于SDS緩沖液的特性，可以采用以SDS 緩沖液為提取劑的特殊處理法或以醇類為提取劑的分離方法。

以SDS 緩沖液為提取劑的特殊處理是利用聲波、還原劑或酸堿水解處理使得GMP 可溶于SDS緩沖液的一種方法。首先將小麥籽粒磨粉后加入SDS-磷酸緩沖液震蕩離心，棄上清液除去可溶蛋白，在沉淀中再次加入SDS 緩沖液，再利用超聲波細(xì)胞粉碎儀處理，使大部分GMP 溶于提取劑，得到含有GMP 的上清液。除此之外，還可以在SDS 緩沖液中加入DTT 強(qiáng)氧化劑，從而使得GMP 結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，溶于SDS 緩沖液[10]。

以醇類為提取劑的方法是利用蛋白質(zhì)在50%正丁醇的溶解性，結(jié)合化學(xué)還原劑來提取GMP。李衛(wèi)華等[11]根據(jù)前人的方法進(jìn)行改良，利用50%正丙醇溶液提取面粉中GMP，首先加入醇溶液后間隔振蕩并離心，再向50PI（50%正丙醇不溶性蛋白）沉淀中，加含1% DTT 的50%正丙醇，水浴震蕩后離心，得到含有GMP 的上清液。熊玉英[12]通過對(duì)33 個(gè)冬小麥蛋白的提取，利用凝膠電泳圖驗(yàn)證，得到最佳的提取方案：用0.25mol/L EDTA（pH 7.5）在60℃預(yù)處理小麥面粉1h，利用45%正丙醇提取，在可溶性組分中利用73%正丙醇再次提取可分離不同的蛋白組分，具體流程見圖1。

圖1 小麥蛋白分離提純技術(shù)路線

小麥GMP 的含量作為測(cè)定中的關(guān)鍵指標(biāo)，通常會(huì)將GMP 的提取方法與含量測(cè)定結(jié)合從而直接測(cè)定其含量。常用的方法有兩類：第1 類是操作簡(jiǎn)易、成本低廉但誤差較大的含量測(cè)定法；第2 類是操作復(fù)雜或成本高，但結(jié)果更加精確的分離測(cè)定法。

第1 類常采用雙縮脲法（Lowry 氏法）、考馬斯亮藍(lán)法（Bradford 氏法）、凱氏定氮法（Kjeldahe 氏法）等。第2 類常采用多層濃縮膠SDS-PAGE 法、液相色譜（HPLC）與高效液相色譜（SE-HPLC）、高效毛細(xì)管電泳法（HPCE）。通過色譜儀器、光譜儀器準(zhǔn)確分析提取蛋白的組成含量。張平平等[13]采用SE-HPLC 測(cè)定谷蛋白與醇溶蛋白的含量比，計(jì)算GMP 的含量。Wu 等[14]構(gòu)建了利用SE-HPLC快速精準(zhǔn)測(cè)量微量GMP 結(jié)構(gòu)組成的體系。在能利用HPCE 技術(shù)定量分析優(yōu)質(zhì)小麥高分子量谷蛋白亞基后，王衛(wèi)東等[15]成功構(gòu)建了小麥HMW-GS 的HPCE 高效分離體系。與利用SDS-PAGE 技術(shù)相比較，HPCE 技術(shù)操作簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)高通量自動(dòng)化，具有樣品量少、速度快等優(yōu)勢(shì)，但要對(duì)GMP 進(jìn)行精準(zhǔn)定量分析，需要關(guān)聯(lián)使用HPCE 與HPLC。

3 GMP 的遺傳與改良

GMP 由低分子量麥谷蛋白亞基（LMW-GS）和高分子量麥谷蛋白亞基（HMW-GS）通過二硫鍵聚合而成，HMW-GS 包含4～7 個(gè)半胱氨酸殘基，LMW-GS 具有6 個(gè)保守的半胱氨酸殘基和額外的1個(gè)或多個(gè)殘基，這些殘基大多數(shù)形成鏈內(nèi)二硫鍵，一些殘基形成鏈間二硫鍵，二硫鍵和次級(jí)鍵使面筋具有彈性[3]。

阿東焦急萬分，他看看手表，發(fā)現(xiàn)時(shí)間緊迫。他不能走太晚，遲到對(duì)他來說，會(huì)給所有人留下壞印象。阿東說：“那我先走好不好?”

編碼LMW-GS 的基因主要有定位在小麥第1 同源染色體1A、1B 和1D 染色體短臂末端的Glu-A3、Glu-B3和Glu-D3位 點(diǎn)，分 別 與Gli-A1、Gli-B1和Gli-D1緊密連鎖，統(tǒng)稱為Glu-3。HMWGS 由小麥第1 部分同源染色體1A、1B 和1D 長(zhǎng)臂上的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位點(diǎn)調(diào)控，統(tǒng)稱為Glu-1[16]。當(dāng)LMW-GS 和HMW-GS 在不同基因調(diào)控下，小麥谷蛋白高低分子的含量與亞基結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生變化；其中LMW-GS 因其分子量小、重復(fù)拷貝數(shù)多，并且在電泳過程與醇溶蛋白接近不易區(qū)分，與HMW-GS 相比研究還不夠深入。

GMP 相對(duì)含量受HMW-GS 亞基影響表現(xiàn)出較大的遺傳差異，而且不同亞基組成對(duì)小麥加工品質(zhì)影響也有差異。Payne[16]首次根據(jù)HMW-GS 的亞基組成與品質(zhì)的關(guān)系，建立了一個(gè)亞基組成的評(píng)分體系，但高分子量谷蛋白亞基組成對(duì)加工品質(zhì)的影響也與其遺傳背景有關(guān)，僅依靠亞基組成得到的結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有不同。劉天紅[17]利用HMWGS 近等基因系材料，研究發(fā)現(xiàn)在LMW-GS 和醇溶蛋白含量不變的情況下，Glu-A1位點(diǎn)上含有1 亞基的HMW-GS 比Null 的GMP%積累速度更快、含量更高；在Glu-B1位點(diǎn)上17+18 亞基近等基因系較含14+15、7+8、7+9、6+8 的近等基因系提早5d 進(jìn)入GMP%的迅速增長(zhǎng)期；含5+10 亞基的近等基因系比含2+12 的近等基因系提早進(jìn)入GMP%的迅速增長(zhǎng)期。

裴玉賀等[7]利用160 份來自山東、河南、北京、甘肅、安徽等地的小麥種質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)HMW-GS 的評(píng)分與GMP 含量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到極顯著水平，在Glu-A1位點(diǎn)含有1 亞基的品種，其GMP 含量平均值大于亞基缺失型品種；在Glu-B1位點(diǎn)含有13+16亞基對(duì)的品種，其GMP 含量平均值顯著（P＜0.05）大于含有7+8、17+18、14+15 或7+9 等亞基的品種；在Glu-D1位點(diǎn)含有5+10 亞基的品種GMP 含量平均值顯著大于含有2+12 的品種。Wang 等[18]利用Glu-1基因座的單突變體和雙突變體比較分析發(fā)現(xiàn)Glu-D1在小麥最終品質(zhì)形成中起到主導(dǎo)地位。可見，HMW-GS 影響了GMP 的含量，不同亞基組成對(duì)小麥品質(zhì)影響也不同。相比Null、Glu-B1位點(diǎn)17+18 與13+16，Glu-A1的1亞基對(duì)GMP的含量影響最大，Glu-D1位點(diǎn)上5+10 的亞基組成會(huì)使得GMP 含量增加，3+12 亞基組合有利于提高小麥的品質(zhì)，但針對(duì)不同小麥品種優(yōu)勢(shì)亞基的組合也會(huì)有所變化。

GMP 的合成受到多基因的調(diào)控，是典型的數(shù)量性狀，高汝勇等[19]利用6 個(gè)親本的雙列雜交構(gòu)建GMP 含量分析的遺傳模型，研究發(fā)現(xiàn)GMP 的遺傳以加性效應(yīng)為主，遺傳力高，在雜交種進(jìn)行早代選擇有效。目前常用于GMP 的遺傳改良方式為常規(guī)育種、分子標(biāo)記輔助選擇、突變誘導(dǎo)等。李衛(wèi)華等[11]構(gòu)建了RIL 群體與遺傳圖譜對(duì)GMP 含量積累的動(dòng)態(tài)規(guī)律進(jìn)行分析和QTL 定位，檢測(cè)到3 個(gè)顯著加性非條件主效QTL，即QGMP1D、QGMP5B、QGMP7B，但在開花后的12d、17d、22d、27d、32d 這5 個(gè)時(shí)期控制小麥GMP 含量的QTL 效應(yīng)都不同。在解析GMP 遺傳基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上，開發(fā)相關(guān)分子標(biāo)記輔助改良GMP 是一個(gè)有效的途徑。但目前針對(duì)GMP 組成的高低分子量麥谷蛋白的標(biāo)記開發(fā)較多，GMP 直接相關(guān)的分子標(biāo)記開發(fā)較少。

除此之外，通過花粉管通道法、物理射線誘導(dǎo)、化學(xué)試劑誘導(dǎo)等方式，也可以創(chuàng)建新種質(zhì)用于GMP 的遺傳改良[20]。Du 等[21]通過構(gòu)建含有優(yōu)異HMW-GS 亞基基因組成的傘形山羊草附加系與中國(guó)春進(jìn)行近緣種雜交，有效改良了中國(guó)春的GMP 含量與面團(tuán)品質(zhì)。

4 栽培措施對(duì)GMP 含量的影響

作為一個(gè)蛋白聚合體，除受多個(gè)基因調(diào)控外，也受到種植方式、土壤養(yǎng)分、施肥條件等環(huán)境的影響。植物體內(nèi)氮同化途徑與硫同化途徑相似且相互協(xié)調(diào)，兩途徑之間有密切的交互作用，氮、硫中的一種元素缺乏可抑制另一條途徑。硫素主要通過與氮素互作來影響HMW-GS 和LMW-GS 含量，增施硫肥可以調(diào)整GMP 亞基的相對(duì)含量。蔡鐵等[22]通過設(shè)計(jì)氮硫肥調(diào)控的隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，證明增施氮肥對(duì)GMP 大粒徑的顆粒的表面積與體積分布均有正向效應(yīng)，增施硫肥可以改變GMP 中LMW-GS 的含量。

合理施加氮肥，田間管理促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，有利于GMP 的合成與含量的提高。GMP 含量對(duì)栽培環(huán)境十分敏感。旱作條件下施加氮肥，強(qiáng)筋小麥GMP 含量隨著氮肥的增多先上升后下降，而在水氮互作的條件下，強(qiáng)筋小麥GMP 與HWM-GS/LWMGS 值隨著施氮肥量增加而增加[23]。

播種時(shí)期影響小麥的產(chǎn)量與品質(zhì)。白露等[24]研究發(fā)現(xiàn)播期的變化導(dǎo)致蛋白質(zhì)各組分含量發(fā)生變化，最終影響小麥的品質(zhì)。由于不同研究者選取材料品種和種植環(huán)境的不同，得出的變化規(guī)律結(jié)果不盡相同。

除此之外，種植密度會(huì)影響小麥群體結(jié)構(gòu)，從而改變光、溫、水、氣的作用效果，影響小麥的產(chǎn)量與品質(zhì)。戴忠民等[25]發(fā)現(xiàn)強(qiáng)筋小麥中密度（18×105/hm2）的GMP 含量＞高密度種植＞低密度種植；中筋小麥中密度種植的GMP 含量＞低密度種植＞高密度種植。在灌漿初期，額外噴施植物生長(zhǎng)激素或微量元素也會(huì)影響小麥蛋白質(zhì)的合成。噴施ABA（脫落酸）與GA（赤霉素）能夠明顯改變GMP大粒徑的體積與表面積分布。彭佃亮[26]研究發(fā)現(xiàn)噴施外源ABA 可以提高HMW-GS 含量及GMP 大粒徑顆粒的分布，而外源GA 則對(duì)HMW-GS 含量無顯著影響。不同的土壤種植條件對(duì)小麥蛋白的合成也有影響，但針對(duì)GMP 含量變化的研究較少。Zhang 等[27]在小麥開花后增加土壤中NaCl 濃度，隨著鹽濃度的增加，小麥中Na+、K+含量增加，HMWGS 和GMP 的含量也增加，證明鹽脅迫對(duì)GMP 合成也有影響。通過研究發(fā)現(xiàn)冬春季夜間增溫可提高小麥灌漿前期的GMP 含量和高低分子量麥谷蛋白亞基含量，從而改善小麥營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[28]。不同的水分條件也會(huì)影響GMP 的含量，趙佳佳等[29]發(fā)現(xiàn)灌溉和雨養(yǎng)的不同會(huì)影響HMW-GS、LMW-GS 的積累和GMP 中大粒徑顆粒的形成。

可見，不同的栽培條件影響小麥的生長(zhǎng)發(fā)育，也影響了蛋白質(zhì)的合成，采用適當(dāng)?shù)脑耘嗉夹g(shù)，花期前施加氮硫肥、適當(dāng)晚播、噴施外源生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、灌溉方式等都有利于提高GMP 含量，改變GMP 的粒度分布，從而提高小麥的加工品質(zhì)。

5 展望

GMP 的結(jié)構(gòu)與含量對(duì)小麥的沉淀值、面團(tuán)形成時(shí)間、面筋延展性、烘烤品質(zhì)等都有顯著影響。在GMP 的組成結(jié)構(gòu)中，HMW-GS 起著重要作用，影響GMP 的含量與功能，不同的HMW-GS 亞基組成對(duì)加工品質(zhì)作用不同。GMP 的含量也受到環(huán)境因素的影響，適宜的土壤、肥水、種植密度都有助于小麥的生長(zhǎng)發(fā)育與蛋白質(zhì)的合成。不同的環(huán)境條件對(duì)不同品種、特性和不同蛋白亞基組合及GMP 含量和粒度增長(zhǎng)影響不同。因此改良小麥加工品質(zhì)一方面需要繼續(xù)優(yōu)化相關(guān)檢測(cè)方法，為小麥中GMP 的快速準(zhǔn)確檢測(cè)提供技術(shù)支持；另外通過創(chuàng)建相應(yīng)的遺傳群體與種質(zhì)資源，利用現(xiàn)代生物技術(shù)，對(duì)GMP 進(jìn)行精細(xì)定位研究，并進(jìn)一步利用小麥基因組學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù)與高通量測(cè)序與分子標(biāo)記，克隆相關(guān)的候選基因，解析GMP 的分子遺傳基礎(chǔ)。針對(duì)不同小麥品種GMP 的相關(guān)研究，搜集有代表性的種質(zhì)資源，通過多年多點(diǎn)的研究，結(jié)合表型組學(xué)的相關(guān)研究，并利用全基因組關(guān)聯(lián)分析，鑒定出穩(wěn)定表達(dá)的GMP 相關(guān)的位點(diǎn)，篩選出GMP 相關(guān)的分子標(biāo)記，并通過回交改良、分子標(biāo)記輔助選擇等方式針對(duì)優(yōu)質(zhì)亞基進(jìn)行組合與選擇，提高GMP 的表達(dá)量和粒度，選育新品種。再次，繼續(xù)研究GMP 與環(huán)境的互作關(guān)系，針對(duì)相應(yīng)的地區(qū)、特定的品種，解析不同的栽培措施，播期、施肥、土壤質(zhì)地、灌溉條件等對(duì)其含量和粒度的影響，為小麥品質(zhì)改良提供相應(yīng)的理論與技術(shù)支持。