小麥谷蛋白大聚合體研究進展

姜佳慧 金 蕊 陳劉明 王光一 趙萬春 董 劍 高 翔 李曉燕

（西北農林科技大學農學院，陜西楊凌 712100）

1 GMP 與小麥加工品質的相關性

在早期谷蛋白組分研究中，發現GMP 與小麥的加工品質相關，GMP 含量與沉降值相關系數遠高于粗蛋白含量與沉降值的相關系數[4]。而且，其含量和結構與小麥的食品加工品質密切相關，在面制食品制作過程中的作用遠大于單體蛋白、可溶性蛋白[5]。通常，GMP 含量越高的小麥，其面團強度大，彈性較大，面包烘烤品質更佳[2，6]。由于不同小麥品種中含有的GMP 含量和組成結構不同，所以，GMP與加工品質的相關參數有所差異。裴玉賀等[7]相關研究發現，我國164 個小麥品種中GMP 含量平均值為4.927%，明顯低于國外學者Bean 分析的28 個小麥品種GMP 平均值6.819%，麥谷蛋白大聚合體的含量低，是導致我國小麥烘烤品質較低的原因之一。晏本菊等[5]測定了國內118 個株系小麥樣品的沉淀值和GMP 含量，發現GMP 含量與沉降值存在極顯著相關。孫輝等[4]對100 份來自全國各地的小麥材料研究發現，GMP 含量與面團吸水率呈極顯著正相關，GMP 含量越高，沉降值越高，面筋強度大，其烘烤品質更佳。

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數，通常可用來表示麥谷蛋白大聚合體的粒度分布。王愛娜等[8]證實GMP%與GMP 有極顯著的關系，GMP 含量與沉降值有極顯著的正作用，通過回歸分析認為GMP%是決定SDS 沉淀值的重要生化因素，影響小麥的加工品質。GMP 與粗蛋白對烘烤性狀呈偏相關，當GMP 含量保持一定時，粗蛋白與吸水率的相關性由不相關變為負相關，與穩定時間和面包體系的相關性由顯著變為不顯著；粗蛋白含量一定時，GMP 含量與加工品質參數仍保持顯著正相關[4]。可見，GMP 雖在總蛋白中占比不高，但對小麥加工品質起著重要作用，GMP 含量高的小麥，其加工品質更佳。

對高、中、低筋3 種類型小麥成熟期GMP 變化研究發現，高、中、低筋品質小麥的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 對小麥加工品質有顯著作用，相比各種品質指標的測量鑒定，提取并鑒定GMP 含量更適合作為早期小麥加工特性的預測指標，其含量測定可應用于小麥育種早期微量快速品質鑒定與篩選。

2 GMP 提取與測定方法

GMP 的提取與含量測定是小麥品質研究的重要內容。因其分子量大，結構復雜，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 強氧化劑，從而使得GMP 結構發生一定的變化，溶于SDS 緩沖液[10]。

以醇類為提取劑的方法是利用蛋白質在50%正丁醇的溶解性，結合化學還原劑來提取GMP。李衛華等[11]根據前人的方法進行改良，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33 個冬小麥蛋白的提取，利用凝膠電泳圖驗證，得到最佳的提取方案：用0.25mol/L EDTA（pH 7.5）在60℃預處理小麥面粉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路線

小麥GMP 的含量作為測定中的關鍵指標，通常會將GMP 的提取方法與含量測定結合從而直接測定其含量。常用的方法有兩類：第1 類是操作簡易、成本低廉但誤差較大的含量測定法；第2 類是操作復雜或成本高，但結果更加精確的分離測定法。

第1 類常采用雙縮脲法（Lowry 氏法）、考馬斯亮藍法（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）、高效毛細管電泳法（HPCE）。通過色譜儀器、光譜儀器準確分析提取蛋白的組成含量。張平平等[13]采用SE-HPLC 測定谷蛋白與醇溶蛋白的含量比，計算GMP 的含量。Wu 等[14]構建了利用SE-HPLC快速精準測量微量GMP 結構組成的體系。在能利用HPCE 技術定量分析優質小麥高分子量谷蛋白亞基后，王衛東等[15]成功構建了小麥HMW-GS 的HPCE 高效分離體系。與利用SDS-PAGE 技術相比較，HPCE 技術操作簡單，可以實現高通量自動化，具有樣品量少、速度快等優勢，但要對GMP 進行精準定量分析，需要關聯使用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 個半胱氨酸殘基，LMW-GS 具有6 個保守的半胱氨酸殘基和額外的1個或多個殘基，這些殘基大多數形成鏈內二硫鍵，一些殘基形成鏈間二硫鍵，二硫鍵和次級鍵使面筋具有彈性[3]。

阿東焦急萬分，他看看手表，發現時間緊迫。他不能走太晚，遲到對他來說，會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，分 別 與Gli-A1、Gli-B1和Gli-D1緊密連鎖，統稱為Glu-3。HMWGS 由小麥第1 部分同源染色體1A、1B 和1D 長臂上的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位點調控，統稱為Glu-1[16]。當LMW-GS 和HMW-GS 在不同基因調控下，小麥谷蛋白高低分子的含量與亞基結構就會發生變化；其中LMW-GS 因其分子量小、重復拷貝數多，并且在電泳過程與醇溶蛋白接近不易區分，與HMW-GS 相比研究還不夠深入。

GMP 相對含量受HMW-GS 亞基影響表現出較大的遺傳差異，而且不同亞基組成對小麥加工品質影響也有差異。Payne[16]首次根據HMW-GS 的亞基組成與品質的關系，建立了一個亞基組成的評分體系，但高分子量谷蛋白亞基組成對加工品質的影響也與其遺傳背景有關，僅依靠亞基組成得到的結果與實際情況會有不同。劉天紅[17]利用HMWGS 近等基因系材料，研究發現在LMW-GS 和醇溶蛋白含量不變的情況下，Glu-A1位點上含有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 進入GMP%的迅速增長期；含5+10 亞基的近等基因系比含2+12 的近等基因系提早進入GMP%的迅速增長期。

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，研究發現HMW-GS 的評分與GMP 含量的相關系數達到極顯著水平，在Glu-A1位點含有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位點含有13+16亞基對的品種，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現Glu-D1在小麥最終品質形成中起到主導地位。可見，HMW-GS 影響了GMP 的含量，不同亞基組成對小麥品質影響也不同。相比Null、Glu-B1位點17+18 與13+16，Glu-A1的1亞基對GMP的含量影響最大，Glu-D1位點上5+10 的亞基組成會使得GMP 含量增加，3+12 亞基組合有利于提高小麥的品質，但針對不同小麥品種優勢亞基的組合也會有所變化。

GMP 的合成受到多基因的調控，是典型的數量性狀，高汝勇等[19]利用6 個親本的雙列雜交構建GMP 含量分析的遺傳模型，研究發現GMP 的遺傳以加性效應為主，遺傳力高，在雜交種進行早代選擇有效。目前常用于GMP 的遺傳改良方式為常規育種、分子標記輔助選擇、突變誘導等。李衛華等[11]構建了RIL 群體與遺傳圖譜對GMP 含量積累的動態規律進行分析和QTL 定位，檢測到3 個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 個時期控制小麥GMP 含量的QTL 效應都不同。在解析GMP 遺傳基礎的基礎上，開發相關分子標記輔助改良GMP 是一個有效的途徑。但目前針對GMP 組成的高低分子量麥谷蛋白的標記開發較多，GMP 直接相關的分子標記開發較少。

除此之外，通過花粉管通道法、物理射線誘導、化學試劑誘導等方式，也可以創建新種質用于GMP 的遺傳改良[20]。Du 等[21]通過構建含有優異HMW-GS 亞基基因組成的傘形山羊草附加系與中國春進行近緣種雜交，有效改良了中國春的GMP 含量與面團品質。

4 栽培措施對GMP 含量的影響

作為一個蛋白聚合體，除受多個基因調控外，也受到種植方式、土壤養分、施肥條件等環境的影響。植物體內氮同化途徑與硫同化途徑相似且相互協調，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，增施硫肥可以調整GMP 亞基的相對含量。蔡鐵等[22]通過設計氮硫肥調控的隨機區組試驗，證明增施氮肥對GMP 大粒徑的顆粒的表面積與體積分布均有正向效應，增施硫肥可以改變GMP 中LMW-GS 的含量。

合理施加氮肥，田間管理促進蛋白質的合成，有利于GMP 的合成與含量的提高。GMP 含量對栽培環境十分敏感。旱作條件下施加氮肥，強筋小麥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，強筋小麥GMP 與HWM-GS/LWMGS 值隨著施氮肥量增加而增加[23]。

播種時期影響小麥的產量與品質。白露等[24]研究發現播期的變化導致蛋白質各組分含量發生變化，最終影響小麥的品質。由于不同研究者選取材料品種和種植環境的不同，得出的變化規律結果不盡相同。

除此之外，種植密度會影響小麥群體結構，從而改變光、溫、水、氣的作用效果，影響小麥的產量與品質。戴忠民等[25]發現強筋小麥中密度（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，額外噴施植物生長激素或微量元素也會影響小麥蛋白質的合成。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]研究發現噴施外源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HMW-GS 含量無顯著影響。不同的土壤種植條件對小麥蛋白的合成也有影響，但針對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GMP 合成也有影響。通過研究發現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，從而改善小麥營養品質[28]。不同的水分條件也會影響GMP 的含量，趙佳佳等[29]發現灌溉和雨養的不同會影響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發育，也影響了蛋白質的合成，采用適當的栽培技術，花期前施加氮硫肥、適當晚播、噴施外源生長調節劑、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。

5 展望

GMP 的結構與含量對小麥的沉淀值、面團形成時間、面筋延展性、烘烤品質等都有顯著影響。在GMP 的組成結構中，HMW-GS 起著重要作用，影響GMP 的含量與功能，不同的HMW-GS 亞基組成對加工品質作用不同。GMP 的含量也受到環境因素的影響，適宜的土壤、肥水、種植密度都有助于小麥的生長發育與蛋白質的合成。不同的環境條件對不同品種、特性和不同蛋白亞基組合及GMP 含量和粒度增長影響不同。因此改良小麥加工品質一方面需要繼續優化相關檢測方法，為小麥中GMP 的快速準確檢測提供技術支持；另外通過創建相應的遺傳群體與種質資源，利用現代生物技術，對GMP 進行精細定位研究，并進一步利用小麥基因組學的相關數據與高通量測序與分子標記，克隆相關的候選基因，解析GMP 的分子遺傳基礎。針對不同小麥品種GMP 的相關研究，搜集有代表性的種質資源，通過多年多點的研究，結合表型組學的相關研究，并利用全基因組關聯分析，鑒定出穩定表達的GMP 相關的位點，篩選出GMP 相關的分子標記，并通過回交改良、分子標記輔助選擇等方式針對優質亞基進行組合與選擇，提高GMP 的表達量和粒度，選育新品種。再次，繼續研究GMP 與環境的互作關系，針對相應的地區、特定的品種，解析不同的栽培措施，播期、施肥、土壤質地、灌溉條件等對其含量和粒度的影響，為小麥品質改良提供相應的理論與技術支持。