小麥籽粒硬度研究進(jìn)展

劉培勛 蒲宗君 李曉葉 鄧皓然 冉冬梅 馬孝玲

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/糧油作物綠色種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610066)

小麥?zhǔn)且环N分布廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的糧食作物，具備獨(dú)特的面筋特性，是全球約35%～40%人口的主食。小麥?zhǔn)俏覈?guó)第3大糧食作物，小麥產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展對(duì)保障國(guó)家糧食安全具有重大意義[1]。小麥籽粒硬度是小麥品質(zhì)研究和育種的重要參數(shù)，也是小麥分類、分級(jí)、定價(jià)和加工的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。在面粉制作過(guò)程中，籽粒硬度影響磨粉能耗、潤(rùn)麥加水量、出粉率等，是決定面粉顆粒大小、粒度分布、破損數(shù)量和破損程度的關(guān)鍵因素。根據(jù)小麥籽粒硬度，普通小麥可分為硬麥、軟麥和混合麥。硬麥面粉蛋白質(zhì)含量高，面粉較粗，面團(tuán)吸水率高，適合制作面包、面條等；軟麥面粉蛋白質(zhì)含量低，面粉細(xì)膩，面粉吸水率較低，適合制作餅干、蛋糕和釀酒等。軟質(zhì)小麥的淀粉近似球形，清晰可見(jiàn)，籽粒胚乳蛋白質(zhì)基質(zhì)與淀粉粒表面呈分離狀態(tài)；硬質(zhì)小麥籽粒的斷面破碎淀粉粒較多，胚乳結(jié)構(gòu)致密，籽粒胚乳蛋白質(zhì)基質(zhì)與淀粉粒緊密結(jié)合。小麥籽粒硬度與小麥面粉的面筋強(qiáng)度具有強(qiáng)相關(guān)性，可間接反映小麥面筋情況。為了更好地了解小麥籽粒硬度的研究現(xiàn)狀，為專用小麥遺傳改良和育種提供相關(guān)理論支持，本文就小麥籽粒硬度的相關(guān)研究進(jìn)行綜述。

1 小麥籽粒硬度的遺傳基礎(chǔ)

Greenwell和Schofield首次從軟質(zhì)小麥水洗淀粉中分離出了Friabilin蛋白，F(xiàn)riabilin蛋白分子量為15kD左右，在軟質(zhì)小麥中大量存在，在硬質(zhì)小麥中含量極少或者是缺失。Friabilin蛋白復(fù)合體主要由Puroindoline a(Pina)和Puroindoline b(Pinb)蛋白組成，分別由Pina-D1和Pinb-D1基因編碼，二者共同形成小麥籽粒硬度的分子遺傳基礎(chǔ)。Pina-D1和Pinb-D1均位于5D染色體短臂上，緊密連鎖，編碼區(qū)均為447個(gè)堿基，編碼的氨基酸序列相似度達(dá)60%，均沒(méi)有內(nèi)含子。小麥籽粒軟質(zhì)對(duì)硬質(zhì)為顯性，當(dāng)Pina-D1和Pinb-D1二者均為野生型時(shí)表現(xiàn)為軟質(zhì)，其中一個(gè)缺失或發(fā)生突變時(shí)表現(xiàn)為硬質(zhì)[2]。

Wiley等運(yùn)用組織印記等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)小麥PIN蛋白的合成和積累僅發(fā)生在籽粒胚乳細(xì)胞中；將Puroindoline基因?qū)胨?Oryzaesativa L.)中，分析表明，PIN基因的表達(dá)降低了水稻籽粒的硬度，這些較軟的種子制成面粉后，淀粉損傷更少[3]。通過(guò)生物信息學(xué)方法，在小麥基因組中共鑒定出19個(gè)小麥PIN同源基因，均含有AAI-SS結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域?yàn)楦叩戎参锾赜?，包含谷物型α淀粉酶抑制劑結(jié)構(gòu)域和種子貯藏蛋白結(jié)構(gòu)域，Pina-D1和Pinb-D1在各基因間表達(dá)量最高，且隨著籽粒硬度的降低，相對(duì)表達(dá)量顯著上調(diào)。Beecher等將野生型Pinb-Dla轉(zhuǎn)入硬麥中，使其SKCS硬度值由70降為25，與典型軟質(zhì)麥相同[4]。Gasparis等運(yùn)用RNA介導(dǎo)的基因沉默技術(shù)使PIN基因沉默，發(fā)現(xiàn)PIN蛋白顯著減少，小麥籽粒硬度增加[5]。將Puroindoline基因轉(zhuǎn)入硬粒小麥(Triticum turgidum L.var.durum)，其籽粒硬度降低，制粉產(chǎn)量增加，農(nóng)藝性狀沒(méi)有顯著差異[6]。

2 Puroindoline基因型與籽粒硬度的關(guān)系

自1998年P(guān)uroindoline野生基因型Pina-D1a和Pinb-D1a被發(fā)現(xiàn)后，Pina-D1和Pinb-D1的各種變異類型相繼被報(bào)道，其中，報(bào)道最多且分布比例比較高的幾種類型有Pina-D1b、Pinb-D1b和Pinb-D1p等。Pina-D1b為Pina蛋白缺失類型，是Pina-D1基因最主要的變異類型。Pinb-D1b(G46S,GGC-AGC)為Pinb-D1的單堿基變異類型，是我國(guó)歷史品種中Pinb-D1基因的最重要變異類型。Pinb-D1p為移碼突變，第210位點(diǎn)A缺失，導(dǎo)致肽鏈合成終止，是我國(guó)農(nóng)家品種中Pinb-D1基因最重要的變異類型。近年來(lái)，隨著Pina-D1y和Pina-D1z等類型的發(fā)現(xiàn)，Pina-D1基因已知超過(guò)26種類型，Pinb-D1基因已超過(guò)30種類型[7]。截至目前，在小麥中僅Pina-D1a和Pinb-D1a的組合類型表型為軟質(zhì)，2個(gè)PIN基因其中有一個(gè)發(fā)生突變或者缺失，籽粒硬度就表現(xiàn)出硬粒。如果這2個(gè)PIN基因都缺失的話，籽粒硬度比一般的硬粒小麥要高一些。

3 小麥籽粒硬度與地理位置的關(guān)系

全世界范圍內(nèi)，小麥品種以硬質(zhì)為主。208個(gè)俄羅斯引進(jìn)小麥品種，硬質(zhì)麥品種為190個(gè)(91.35%)，PIN基因主要變異類型是Pina-D1b(55.77%)[8]。對(duì)國(guó)際玉米小麥改良中心(CIMMYT)土耳其育種站提供的192份普通冬小麥新品系進(jìn)行籽粒硬度和基因型檢測(cè)，119份為硬質(zhì)麥，占62.0%，硬質(zhì)麥基因型以Pina蛋白缺失類型為主，占硬質(zhì)類型的75.6%[9]。澳大利亞、智利、荷蘭等小麥品種均以硬質(zhì)麥為主，墨西哥小麥栽培種以硬質(zhì)為主，但歷史地方品種中軟質(zhì)類型占比較高。西班牙小麥以硬質(zhì)為主，但南部的安達(dá)盧西亞地方品種以軟質(zhì)和半硬質(zhì)為主，PIN基因型以野生型為主[10]。

我國(guó)小麥品種中硬質(zhì)麥比例高于軟質(zhì)麥，小麥地方品種中具有豐富的Pinb-D1變異類型。我國(guó)黃淮麥區(qū)小麥核心種質(zhì)資源以硬質(zhì)類型為主，Pinb-D1b基因型、Pinb-D1p基因型和Pina蛋白缺失類型占比較高，農(nóng)家種擁有更豐富的硬質(zhì)基因型[11]。新疆小麥以硬質(zhì)麥為主，占61.2%，硬質(zhì)麥以Pina-D1b、Pinb-D1p和Pinb-D1b突變類型為主[12]。陜西小麥以硬質(zhì)麥和混合麥為主，未發(fā)現(xiàn)軟質(zhì)麥，硬質(zhì)麥主要由Pinb-D1b基因型組成。

我國(guó)南方(秦嶺-淮河以南)小麥籽粒硬度及基因型與北方小麥具有較大差異。長(zhǎng)江中下游麥區(qū)歷年育成的小麥品種中軟質(zhì)麥比例較高，占52.4%，硬質(zhì)麥和混合麥分別占38.1%和9.5%[13]。余春梅等對(duì)來(lái)自長(zhǎng)江流域、黃淮麥區(qū)南部、西南麥區(qū)以及南部冬麥區(qū)的104份品種，進(jìn)行Pina和Pinb基因型檢測(cè)，有80份材料該基因與“中國(guó)春”(軟質(zhì))沒(méi)有差異。江蘇小麥品種以軟質(zhì)為主，小麥軟質(zhì)基因組合類型Pina-D1a/Pinb-D1a占54.95%，硬質(zhì)基因組合Pina-D1a/Pinb-D1b占38.74%[14]。可見(jiàn)，小麥籽粒硬度與緯度密切相關(guān)，表現(xiàn)出高緯度地區(qū)小麥籽粒硬度高，基因型以變異類型為主；低緯度地區(qū)小麥籽粒硬度低，基因型以野生型為主[15]。

4 總結(jié)與展望

小麥?zhǔn)侨祟愔匾哪芰縼?lái)源，對(duì)全球糧食安全至關(guān)重要。籽粒硬度是小麥品質(zhì)的主要決定因素，是小麥分級(jí)分類的重要指標(biāo)。Puroindoline基因(Pina-D1和Pinb-D1)是小麥籽粒硬度的遺傳基礎(chǔ)，其控制小麥籽粒硬度的功能已得到反復(fù)驗(yàn)證，基因型與籽粒硬度的關(guān)系以及基因型的地理分布均有較深入研究，但其控制小麥籽粒硬度的分子機(jī)制尚未完全闡明。近年來(lái)，關(guān)于其作用機(jī)制的研究更多關(guān)注于其對(duì)淀粉的影響，Pina蛋白的表達(dá)可減少淀粉損傷，導(dǎo)致面粉顆粒更細(xì)[16]。體外免疫熒光法研究表明，小麥Puroindoline蛋白與水稻(Pin-null)淀粉顆粒表面具有較高的親和力，可能存在相互作用[17]。隨著研究的深入，Puroindoline蛋白與淀粉的相關(guān)作用必將進(jìn)一步得到解析。

Puroindoline基因是控制小麥籽粒硬度的主效基因，但尚不能完全解釋小麥籽粒硬度。研究者發(fā)現(xiàn)，在用甲基磺酸乙酯(EMS)誘變的軟白春小麥種子中，產(chǎn)生了7種Puroindoline基因變異類型，有一種變異類型表現(xiàn)出較野生型更軟的性狀[18]。推測(cè)在一些特殊材料中可能還存在影響籽粒硬度的重要基因待開(kāi)發(fā)。此外，除Puroindoline基因外，科學(xué)家不斷利用DH、RIL及GWAS等小麥群體挖掘控制小麥籽粒硬度的遺傳位點(diǎn)，并獲得大量QTL，可能對(duì)小麥籽粒硬度起調(diào)控作用。

除控制籽粒硬度外，Puroindoline基因還具有廣譜抗菌功能[19]。Pina-D1和Pinb-D1基因均編碼148個(gè)氨基酸，分子量約13kD，序列均含有4個(gè)α螺旋，第1個(gè)和第2個(gè)α螺旋之間均存在一個(gè)色氨酸豐富區(qū)(Pina：WRWWKWWK；Pinb：WPTKWWK)，使其具有強(qiáng)烈的脂聯(lián)特性。表達(dá)Pina、Pinb和Pina+Pinb的轉(zhuǎn)基因水稻植株，稻瘟病抗性明顯提高，稻瘟病癥狀得到延緩，病情程度降低。蘋(píng)果轉(zhuǎn)Pinb基因的植株，黑星病感染顯著降低。將Pina+Pinb基因轉(zhuǎn)入玉米，玉米小斑病的耐受性顯著提高，癥狀減輕了42%。Pina的表達(dá)增強(qiáng)了轉(zhuǎn)基因四倍體小麥的葉銹病抗性，減緩了病菌生長(zhǎng)；軟質(zhì)的四倍體小麥(含Puroindoline基因的易位系)高抗黑穗??；轉(zhuǎn)Puroindoline基因的六倍體小麥，對(duì)青霉菌引起的種子腐爛病抗性增強(qiáng)。深入挖掘Puroindoline基因的抗病功能，解析其抗病機(jī)理，有望為作物抗病育種提供新的基因資源。