小麦近缘基因组品质相关蛋白鉴定、编码基因克隆及其分子标记研究

利用本课题组育成的不同代换系和六倍体人工合成小麦品系为主要实验材料，通过高效毛细管电泳、双向电泳、生物质谱以及差异荧光双向电泳（DIGE）等蛋白质组学技术构建U、C、S、D等小麦近缘基因组编码的蛋白质表达谱，结合品质参数分析鉴定与品质相关的候选蛋白亚基，主要包括高低分子量谷蛋白、醇溶蛋白、清球蛋白等；克隆品质相关蛋白的编码基因，通过生物信息学手段分析基因分子结构与等位变异特征，预测基因功能；构建高效表达载体在E. coli中表达候选优质基因，表达蛋白回收纯化后采用体外微量配粉方法进一步验证基因功能；根据克隆候选基因SNPs、InDels等变异特征，重点筛选以PCR为基础的基因功能标记，并通过标记辅助选择验证其可靠性；从转录和翻译水平研究候选优质基因的表达调控特点及其与品质形成的关系；利用Network等方法构建小麦不同基因组系统进化树与分化时间表，进一步研究小麦基因组进化与栽培小麦的起源。

小麦种子主要包括高低分子量谷蛋白亚基（HMW-GS、LMW-GS）、醇溶蛋白及其水溶性蛋白，是面粉和面特性与面包品质的主要决定因素。迄今我国还缺乏具有自主知识产权、对面包品质具有重要作用的优质蛋白基因。本项目的主要目标是优化建立小麦种子蛋白快速高效的分离鉴定新方法，利用这些方法从小麦及其近缘基因组中鉴定、克隆新的候选优质基因，开发具有实用价值的基因功能标记，为小麦品质改良提供新的优质基因资源。通过不同分离参数的优化与筛选，首次建立了快速鉴定LMW-GS及其等位基因的高效毛细管电泳（HPCE）方法、HMW-GS和LMW-GS及其等位基因快速鉴定的超高效液相色谱（UPLC）方法、水溶性蛋白UPLC快速分离鉴定方法以及谷蛋白亚基及其等位基因从蛋白到DNA分子标记的多重鉴定技术体系，这些方法能快速、准确地鉴定优质蛋白亚基及其等位基因，在小麦品质改良中具有重要实际应用价值；应用蛋白质组学方法鉴定了多个籽粒发育中品质相关蛋白，发现α-淀粉酶抑制因子、谷氨酰氨合成酶、27k蛋白、果聚糖、蛋白质二硫键异构酶、NAD-依赖的异柠檬酸脱氢酶、LMW-s型低分子量谷蛋白亚基和C-类似蛋白复制子等与品质密切相关；鉴定了5个影响面粉和面条颜色、53个影响揉面仪参数、蛋白含量和千粒重等品质性状的QTL、55个贮藏蛋白含量主效QTL和77个上位性QTL；明确了Glu-3位点不同等位基因的组成及其对品质的效应；在普通小麦及其近缘基因组中首次克隆了9个新的对面筋强度具有重要作用的HMW-GS优质候选基因、15个新的影响面团粘性的LMW-GS候选基因和22个无（或少）过敏肽、影响面团延展性的α-和γ-醇溶蛋白基因；证实1By8、1Slx2.3*和1Sly17*三个高分子量谷蛋白新基因能显著提高面筋强度和面包品质。课题研究期间在J. Proteomics、PLoS One、BMC Plant Biol.、Theor. Appl. Genet.、J. Cereal Sci.、J. Agric. Food Chem.等本领域国际重要SCI期刊发表论文49篇；授权发明专利2项，申请3项；获北京市科学技术一等奖（2011农-1-001）和2010-2011年度中华农业科技奖优秀创新团队奖（TD2011-003-04）两项；获北京市50篇优秀博士论文1篇和全国百篇优秀博士论文提名2篇。