科研进展
| New Phytologist│中国农业大学小麦研究中心在小麦面筋蛋白积累的调控机制方面取得重要进展 | |||||||
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近日，New Phytologist在线发表了中国农业大学小麦研究中心团队题为 "Unprocessed wheat γ-gliadin reduces gluten accumulation associated with the endoplasmic reticulum stress and elevated cell death" 的研究论文。 小麦是全世界重要的粮食作物，因含有独特的面筋蛋白能够被加工成面包、馒头、饼干等多种面食品。但某些特殊人群因对面筋（即麸质）过敏而无法食用小麦面食品，谷蛋白因富含脯氨酸和谷氨酰胺而使胃肠道酶对其水解产生抗性，产生不易消化的富含脯氨酸和谷氨酰胺的多肽，引发麸质相关疾病免疫反应，肾病或糖尿病人摄入过多会增加肾脏负担。培育无麸质或低麸质小麦品种是解决这一问题最根本有效的策略。目前，自然群体中缺乏无麸质种质资源，对面筋蛋白形成和积累的途径和机制也知之甚少。因此，挖掘小麦面筋蛋白积累关键调控基因并解析其作用机理，将加深对小麦面筋形成机制的认识，并有可能为无麸质或低麸质小麦育种提供基因资源和理论依据。 01LGP1 基因的图位克隆 团队从小麦品系 3672 (野生型，WT) EMS诱变群体中获得一个低面筋蛋白突变体 lgp1 (low gluten protein 1)，谷蛋白和醇溶蛋白含量均显著降低。将 lgp1 与周麦 16 杂交，正反交 F1 表型介于双亲之间且倾向于母本，(ZM16 ´ lgp1) F2 群体 152 单株表型符合 1：2：1 单基因分离 (χ2 = 0.039 < χ20.05,2 = 5.991)，表明突变性状受半显性单基因控制，命名为 LGP1 。利用 F2 群体将 LGP1 初定位在 1D 染色体上标记 CS2805420 和 CS3183041 之间，遗传距离 1.0 cM (图1a)；利用含 8746 单株的次级分离群体将 LGP1 精细定位在标记 CS2928184 和 CS2981214 之间，对应中国春 v2.0 参考基因组物理区间为 53.03-kb，仅包含一个高置信基因 TraesCS1D03G0010000 , 编码 γ 类醇溶蛋白 γ-gliadin (图1a)。lgp1 中该基因第 56 位核苷酸发生 C 到 T 突变，氨基酸由 Ala 突变为 Val，该位置为 γ-gliadin 信号肽切割位点 (图1b)，突变后导致信号肽切割异常。突变的 LGP1 (LGP1-T )转入小麦中产生了与 lgp1 一致的表型，进一步证实了 γ-gliadin 基因突变导致面筋蛋白异常积累的表型 (图1c)。
▲ 图 1 LGP1 基因图位克隆和功能验证 02LGP1 调控面筋蛋白积累的分子机制 进一步解析了醇溶蛋白信号肽切割异常如何影响小麦面筋蛋白的积累。我们发现 lgp1 突变体中醇溶蛋白由于其信号肽不能正常切割而滞留在内质网 (图2a)，引发严重的内质网应激 (ER Stress)，内质网表现为膨胀、环形、网状等异常结构 (图2b)；产生大量类自噬体结构 (图2c)；细胞凋亡程度增加；储藏蛋白被分泌到质外体空间 (图2d)；淀粉合成途径受到抑制。而在野生型(WT) 中， LGP1 蛋白 N 端信号肽进入内质网腔后被信号肽酶切割，蛋白体正常形成、转运并最终在蛋白质储藏型液泡中积累。 ▲ 图 2 LGP1 调控面筋蛋白积累的分子机制 03突变体 lgp1 具有高膳食纤维和低面筋特性 麦麸是膳食纤维的良好来源。lgp1 麦麸含量占粒重82.2%，显著高于 WT (图3a)；膳食纤维含量也显著提高 (图3b)。因此，虽然 lgp1 粒重比 WT 降低很多，但其麦麸可作为膳食纤维补充剂添加到烘焙食品中，以增加膳食纤维摄入量。 乳糜泻病人等易感人群不能食用含麸质食品，我们采用 R5 抗体麸质检测试剂盒检测 lgp1 是否达到了国际规定的无麸质标准 (麸质含量＜20mg/kg)，结果显示 lgp1 麸质含量仅比 WT 降低 31% (图3c)，表明 lgp1 虽醇溶蛋白含量大幅降低，但其降解的小片段仍存在。马铃薯、大米、红薯和玉米粉常被用作无麸质替代粉代替小麦，但这几类淀粉加工成饼干、面包等表现很差，我们用 lgp1 面粉加工成饼干和面包，表现明显优于上述几类谷物，饼干纹路清晰，不易碎。因此，lgp1 虽不符合无麸质，但具有低面筋和低谷蛋白特性，可加工成适合于肾病糖尿病等有低蛋白饮食需求人群的面食品。 ▲ 图 3 突变体 lgp1 麦麸、膳食纤维、面筋含量和加工品质表现 04结论与讨论 该工作首次系统揭示了小麦籽粒发育过程中异常加工 γ-醇溶蛋白通过内质网应激和细胞死亡相关途径调控面筋蛋白积累的分子机制，为小麦籽粒发育调控机制解析和低麸质育种提供了重要的理论依据。 中国农业大学小麦研究中心 姚颖垠教授和 孙其信教授为共同通讯作者；博士后 陈倩，博士研究生 杨长峰为论文共同第一作者；小麦研究中心 倪中福教授、彭惠茹教授、辛明明教授、宿振起教授、胡兆荣副教授、郭伟龙副教授、刘杰副教授、杜金昆副研究员，硕士研究生 张召衡、已毕业博士 王梓豪、陈永明，华中农业大学 陈伟教授参与了该研究工作。该研究得到国家重点研发计划 (2020YFE0202300)，国家自然科学基金 (32125030)，海南崖州湾种子实验室 (B21HJ0502) 和分子设计育种前沿科学中心 (2022TC149) 资助。 团队介绍 孙其信教授作为学术带头人的中国农业大学小麦研究中心长期围绕多倍体小麦广适性的遗传基础和分子机制、小麦产量性状形成、小麦品质性状遗传调控等一系列重要科学问题开展系统深入的研究。该团队在“十三五”期间共获得国家科技进步二等奖1项，国家技术发明二等奖1项，教育部高校科研优秀成果技术发明奖一等奖1项，中华农业科技奖优秀创新团队奖1项；近5年在小麦研究方向发表Nature Communications、The Plant Cell、Molecular Plant等高水平研究论文50余篇。 |
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