一作解读|小麦1Dy12亚基对籽粒贮藏蛋白积聚和面粉制品加工品质具有显著影响
麦谷蛋白和醇溶蛋白是小麦籽粒胚乳中的主要蛋白质组分，分别占籽粒总蛋白的40％左右，其含量和组成影响面团、面筋的质量与强度，决定着面粉加工品质的优劣。醇溶蛋白分为α、 β、γ 和 ω 4 种不同类型，对面团的延展性起着重要作用。麦谷蛋白包括高分子量麦谷蛋白亚基（High molecular weight glutenin subunits，HMW-GS）和低分子量麦谷蛋白亚基（Low molecular weight glutenin subunits，LMW-GS），分别占胚乳麦谷蛋白含量的20%和80%，HMW-GS主要赋予面团弹性，LMW-GS主要赋予面团粘性，2种蛋白的编码基因分别位于第一部分同源群染色体长臂和短臂上。目前为止，已经从不同倍性小麦及其野生近缘种属中鉴定了约30个HMW-GS编码基因，开发了这些HMW-GS编码基因的分子标记，并利用近等基因系、突变体和转基因材料对部分HMW-GS亚基进行了品质效应研究。普遍认为，1Dx5、1Dy10、1Bx7、1By8、1Bx17和1Bx18等是小麦面包加工品质的优质亚基，而1Dx2、1Dy12、1Bx20和1By20等是小麦面包加工品质的劣质亚基。然而，单个HMW-GS亚基对主要面制品加工品质，以及对籽粒贮藏蛋白积累、谷蛋白大聚合体（Glutenin macropolymers，GMP）积聚、蛋白体（Protein bodies，PBs）颗粒动态变化的影响还缺乏研究。
中国农业科学院作物科学研究所叶兴国实验室之前对Glu-B1位点上1Bx20 和1By20 基因发生沉默的轮选987无性系变异体AS208进行了研究，发现AS208中的Glu-B1位点缺失，导致粉质参数和面包加工品质显著下降，但AS208与轮选987的主要植物学性状、农艺性状和产量没有显著差异。最近，该实验室以Glu-D1位点上1Dy12 基因发生沉默的科农199（KN199）无性系变异体AS273为材料，研究了AS273中1Dy12亚基发生沉默的分子机制，1Dy12亚基沉默对籽粒贮藏蛋白积累、GMP积聚、PBs颗粒动态变化和主要面制品（面包、蛋糕和饼干）加工品质的影响。结果表明，AS273中1Dy12 基因编码区第1528位的核苷酸C变为了T，出现了提前终止密码子，导致了1Dy12 基因发生沉默。尽管AS273和KN199中的1Dy12 基因在籽粒发育的各个时期都有表达，但其在KN199中的表达水平高于AS273，表明该基因在AS273中表达显著受到抑制。KN199中所有高分子量麦谷蛋白亚基（1Ax1、1Dx2、1Bx7、1By9和1Dy12）从开花后13 DPA（Days post anthesis）开始正常积累，而AS273中1Dy12亚基在籽粒所有发育时期都未检测到（图1）。进一步利用RP-UPLC、SE-UPLC对AS273中各种麦谷蛋白和GMP的相对含量进行了测定，依然未检测到1Dy12亚基，发现AS273中LMW-GSs及α、 β、γ 和 ω醇溶蛋白含量增加，GMP含量略微高于KN199，表明AS273中Dy12亚基的沉默一定程度刺激了LMW-GSs和醇溶蛋白的合成。
图1 KN199（A）和AS273（B）籽粒不同发育时期HMW-GS积累情况的SDS-PAGE分析
1-8：籽粒不同发育时期。1：7 DPA；2：10 DPA；3：13 DPA；4：16 DPA；5：19 DPA；6：22 DPA；7：25 DPA；8：28 DPA。
在籽粒不同发育阶段利用透射电镜观察了AS273和KN199中蛋白体的变化，研究了AS273和KN199蛋白体颗粒的形态差异。结果发现，除7 DPA和28 DPA时期外，AS273籽粒中的蛋白体普遍大于KN199，且AS273的蛋白体积累速率比KN199快。此外，28 DPA时AS273和KN199形成了PBs片层的网络结构。对AS273和KN199进行面团特性、面包加工品质、海绵蛋糕加工品质和饼干加工品质的分析表明，AS273面粉吸水率、面团形成时间和稳定时间、面包体积显著降低，耐揉指数显著增高；海绵蛋糕体积减小，内部质地粗糙，顶部凹陷和收缩比较严重，口感稍差；饼干饼体增厚，摊散程度降低，内部质地粗糙（图2）。证明AS273中1Dy12沉默显著降低了面团流变学特性、面包加工品质、海绵蛋糕加工品质以及饼干加工品质，1Dy12亚基对面粉制品的加工品质不可忽缺。
图2 AS273和KN199面粉加工品质分析
A：面包外形；B：面包切片；C：面包粉质仪；D：海绵蛋糕俯视图；E：海绵蛋糕侧视图；F：海绵蛋糕的垂直剖面图；G：饼干的俯视图；H：饼干的侧视图。
主要参考文献：
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3. Liu HY, Wang K, Xiao LL, Wang SL, Du LP, Cao XY, Zhang XX, Zhou Y, Yan YM, Ye XG. Comprehensive identification and bread-making quality evaluation of common wheat somatic variation line AS208 on glutenin composition. Plos One, 2016, 11(1): e0146933.
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