小麦HMW-GSs数目渐变近等基因系"面筋蛋白"组分间动态平衡及品质效应分析

The reduction of the expression number of high-molecular-weight glutenin (HMW-GS) genes is a potentially genetic strategy for breeding weak gluten wheat. Common wheat cultivars usually express at least three HMW-GS genes. Considering this issue, two key questions remain to be answered. One is how about the quality processing property of hexaploid wheat without expressed HMW-GS genes. The other is what happens in the gene expression and in the protein content of low-molecular-weight glutenin subunits (LMW-GS), Gliadin and HMW-GSs when the expressed HMW-GS gene number varies. We previously created two sets of wheat isogenic lines with 0-5 HMW-GSs. The objective of present study is to evaluate the quality of wheat lines with triple nulls at Glu-A1, Glu-B1 and Glu-D1 loci. Another target is to elucidate the genetic interaction among HMW-GS, LMW-GS and Gliadin in the protein content, their ratios, and gene expression through protein content determination, transcriptome analysis, and reverse transcript quantitative PCR analysis. This study may provide a novel strategy and key materials for the quality improvement of weak gluten wheat breeding, as well as reveal and clarify the basic knowledge about the gene interactions and compensation effect among different storage protein types.

减少高分子量谷蛋白(HMW-GS)表达基因数目是优质弱筋小麦育种的一个潜在遗传学方法，普通小麦品种至少表达3个HMW-GS基因。目前需要回答的问题是：当HMW-GS表达基因减少为"零"时小麦加工品质如何？减少HMW-GS表达基因导致低分子量谷蛋白(LMW-GS)和醇溶蛋白(Gliadin)含量及基因表达产生怎样的动态平衡和补偿调节？通过聚合不同基因位点沉默的HMW-GS基因，获得了HMW-GS表达基因为"零"的小麦材料并以此为亲本构建了HMW-GS表达基因数目梯度变化的两套近等基因系。本研究目标是评价HMW-GS表达基因为"零"小麦材料的品质育种价值。通过蛋白组分含量测定、转录组及定量PCR分析研究不同蛋白组分含量和比例以及基因表达变化的遗传互作关系。为优质弱筋小麦育种提供潜在新策略和关键材料，为阐明不同种子蛋白基因间相互补偿和调节奠定理论基础。

弱筋小麦是饼干、糕点类食品的重要原料，它对加工品质指标要求苛刻，几乎均需低值，因而生产技术难度大、配粉十分困难。因此，迫切需要找到能够突破弱筋小麦生产技术难题的新方法。减少小麦背景表达的高分子量谷蛋白基因数目及位点数可减弱面筋强度，有望成为解决弱筋小麦生产问题的潜在可用新方法，为验证其对弱筋小麦品质改良的潜在可利用性，开展了如下研究工作：(1) 创制了高分子量谷蛋白表达位点数和基因数为“零”的六倍体小麦，测定了沉降值、湿面筋含量、面筋指数以及面团形成和稳定时间等加工品质指标及面筋蛋白组分含量及比例关系，并将这种面粉以一定比例与强、弱筋对照在内的5种基础面粉配粉并测定了它们的饼干品质及主要加工品质指标。(2) 利用创制的两套高分子量谷蛋白表达基因数目(0-4或0-5个)和位点数(0-3个)梯度变化的近等基因系H5-Shumai 969和H11-Chuannong 16，研究了表达基因位点及表达蛋白数目变化对加工品质指标、面筋蛋白及组分含量和比例、面包和饼干成品品质的影响。(3) 对H11-Chuannong 16近等基因系还进行了开花后第10和30天种子的转录组分析，以及第30天种子的差异蛋白分析。结果表明：(1) 减少表达的高分子量谷蛋白数目及基因位点数可降低沉降值和面筋等主要加工品质指标，随高分子量谷蛋白表达位点数和亚基数减少，面包品质变差，包括体积、高度和切片面积减小等，而饼干面积和延展性有随之减少而增加的趋势，谷蛋白随之降低、醇溶蛋白增加、谷醇比降低使面筋趋于弱化。(2) 添加一定比例的高分子量谷蛋白全缺失面粉可降低基础面粉的主要加工品质指标而使饼干变薄，面积和延展性增加。(3) 找到了一些影响近等基因系间差异表达的蛋白和基因。这些结果为高分子量谷蛋白全缺失小麦的育种利用及减少表达的高分子量谷蛋白基因位点数及蛋白数应用于弱筋小麦品质育种提供了潜在可利用的备选方案。