小麥籽粒硬度研究進展

劉培勛 蒲宗君 李曉葉 鄧皓然 冉冬梅 馬孝玲

(四川省農業科學院作物研究所/糧油作物綠色種質創新與遺傳改良四川省重點實驗室，四川 成都 610066)

小麥是一種分布廣泛、適應性強、營養價值高的糧食作物，具備獨特的面筋特性，是全球約35%～40%人口的主食。小麥是我國第3大糧食作物，小麥產業持續發展對保障國家糧食安全具有重大意義[1]。小麥籽粒硬度是小麥品質研究和育種的重要參數，也是小麥分類、分級、定價和加工的重要評價指標。在面粉制作過程中，籽粒硬度影響磨粉能耗、潤麥加水量、出粉率等，是決定面粉顆粒大小、粒度分布、破損數量和破損程度的關鍵因素。根據小麥籽粒硬度，普通小麥可分為硬麥、軟麥和混合麥。硬麥面粉蛋白質含量高，面粉較粗，面團吸水率高，適合制作面包、面條等；軟麥面粉蛋白質含量低，面粉細膩，面粉吸水率較低，適合制作餅干、蛋糕和釀酒等。軟質小麥的淀粉近似球形，清晰可見，籽粒胚乳蛋白質基質與淀粉粒表面呈分離狀態；硬質小麥籽粒的斷面破碎淀粉粒較多，胚乳結構致密，籽粒胚乳蛋白質基質與淀粉粒緊密結合。小麥籽粒硬度與小麥面粉的面筋強度具有強相關性，可間接反映小麥面筋情況。為了更好地了解小麥籽粒硬度的研究現狀，為專用小麥遺傳改良和育種提供相關理論支持，本文就小麥籽粒硬度的相關研究進行綜述。

1 小麥籽粒硬度的遺傳基礎

Greenwell和Schofield首次從軟質小麥水洗淀粉中分離出了Friabilin蛋白，Friabilin蛋白分子量為15kD左右，在軟質小麥中大量存在，在硬質小麥中含量極少或者是缺失。Friabilin蛋白復合體主要由Puroindoline a(Pina)和Puroindoline b(Pinb)蛋白組成，分別由Pina-D1和Pinb-D1基因編碼，二者共同形成小麥籽粒硬度的分子遺傳基礎。Pina-D1和Pinb-D1均位于5D染色體短臂上，緊密連鎖，編碼區均為447個堿基，編碼的氨基酸序列相似度達60%，均沒有內含子。小麥籽粒軟質對硬質為顯性，當Pina-D1和Pinb-D1二者均為野生型時表現為軟質，其中一個缺失或發生突變時表現為硬質[2]。

Wiley等運用組織印記等技術，發現小麥PIN蛋白的合成和積累僅發生在籽粒胚乳細胞中；將Puroindoline基因導入水稻(Oryzaesativa L.)中，分析表明，PIN基因的表達降低了水稻籽粒的硬度，這些較軟的種子制成面粉后，淀粉損傷更少[3]。通過生物信息學方法，在小麥基因組中共鑒定出19個小麥PIN同源基因，均含有AAI-SS結構域，該結構域為高等植物特有，包含谷物型α淀粉酶抑制劑結構域和種子貯藏蛋白結構域，Pina-D1和Pinb-D1在各基因間表達量最高，且隨著籽粒硬度的降低，相對表達量顯著上調。Beecher等將野生型Pinb-Dla轉入硬麥中，使其SKCS硬度值由70降為25，與典型軟質麥相同[4]。Gasparis等運用RNA介導的基因沉默技術使PIN基因沉默，發現PIN蛋白顯著減少，小麥籽粒硬度增加[5]。將Puroindoline基因轉入硬粒小麥(Triticum turgidum L.var.durum)，其籽粒硬度降低，制粉產量增加，農藝性狀沒有顯著差異[6]。

2 Puroindoline基因型與籽粒硬度的關系

自1998年Puroindoline野生基因型Pina-D1a和Pinb-D1a被發現后，Pina-D1和Pinb-D1的各種變異類型相繼被報道，其中，報道最多且分布比例比較高的幾種類型有Pina-D1b、Pinb-D1b和Pinb-D1p等。Pina-D1b為Pina蛋白缺失類型，是Pina-D1基因最主要的變異類型。Pinb-D1b(G46S,GGC-AGC)為Pinb-D1的單堿基變異類型，是我國歷史品種中Pinb-D1基因的最重要變異類型。Pinb-D1p為移碼突變，第210位點A缺失，導致肽鏈合成終止，是我國農家品種中Pinb-D1基因最重要的變異類型。近年來，隨著Pina-D1y和Pina-D1z等類型的發現，Pina-D1基因已知超過26種類型，Pinb-D1基因已超過30種類型[7]。截至目前，在小麥中僅Pina-D1a和Pinb-D1a的組合類型表型為軟質，2個PIN基因其中有一個發生突變或者缺失，籽粒硬度就表現出硬粒。如果這2個PIN基因都缺失的話，籽粒硬度比一般的硬粒小麥要高一些。

3 小麥籽粒硬度與地理位置的關系

全世界范圍內，小麥品種以硬質為主。208個俄羅斯引進小麥品種，硬質麥品種為190個(91.35%)，PIN基因主要變異類型是Pina-D1b(55.77%)[8]。對國際玉米小麥改良中心(CIMMYT)土耳其育種站提供的192份普通冬小麥新品系進行籽粒硬度和基因型檢測，119份為硬質麥，占62.0%，硬質麥基因型以Pina蛋白缺失類型為主，占硬質類型的75.6%[9]。澳大利亞、智利、荷蘭等小麥品種均以硬質麥為主，墨西哥小麥栽培種以硬質為主，但歷史地方品種中軟質類型占比較高。西班牙小麥以硬質為主，但南部的安達盧西亞地方品種以軟質和半硬質為主，PIN基因型以野生型為主[10]。

我國小麥品種中硬質麥比例高于軟質麥，小麥地方品種中具有豐富的Pinb-D1變異類型。我國黃淮麥區小麥核心種質資源以硬質類型為主，Pinb-D1b基因型、Pinb-D1p基因型和Pina蛋白缺失類型占比較高，農家種擁有更豐富的硬質基因型[11]。新疆小麥以硬質麥為主，占61.2%，硬質麥以Pina-D1b、Pinb-D1p和Pinb-D1b突變類型為主[12]。陜西小麥以硬質麥和混合麥為主，未發現軟質麥，硬質麥主要由Pinb-D1b基因型組成。

我國南方(秦嶺-淮河以南)小麥籽粒硬度及基因型與北方小麥具有較大差異。長江中下游麥區歷年育成的小麥品種中軟質麥比例較高，占52.4%，硬質麥和混合麥分別占38.1%和9.5%[13]。余春梅等對來自長江流域、黃淮麥區南部、西南麥區以及南部冬麥區的104份品種，進行Pina和Pinb基因型檢測，有80份材料該基因與“中國春”(軟質)沒有差異。江蘇小麥品種以軟質為主，小麥軟質基因組合類型Pina-D1a/Pinb-D1a占54.95%，硬質基因組合Pina-D1a/Pinb-D1b占38.74%[14]?？梢?，小麥籽粒硬度與緯度密切相關，表現出高緯度地區小麥籽粒硬度高，基因型以變異類型為主；低緯度地區小麥籽粒硬度低，基因型以野生型為主[15]。

4 總結與展望

小麥是人類重要的能量來源，對全球糧食安全至關重要。籽粒硬度是小麥品質的主要決定因素，是小麥分級分類的重要指標。Puroindoline基因(Pina-D1和Pinb-D1)是小麥籽粒硬度的遺傳基礎，其控制小麥籽粒硬度的功能已得到反復驗證，基因型與籽粒硬度的關系以及基因型的地理分布均有較深入研究，但其控制小麥籽粒硬度的分子機制尚未完全闡明。近年來，關于其作用機制的研究更多關注于其對淀粉的影響，Pina蛋白的表達可減少淀粉損傷，導致面粉顆粒更細[16]。體外免疫熒光法研究表明，小麥Puroindoline蛋白與水稻(Pin-null)淀粉顆粒表面具有較高的親和力，可能存在相互作用[17]。隨著研究的深入，Puroindoline蛋白與淀粉的相關作用必將進一步得到解析。

Puroindoline基因是控制小麥籽粒硬度的主效基因，但尚不能完全解釋小麥籽粒硬度。研究者發現，在用甲基磺酸乙酯(EMS)誘變的軟白春小麥種子中，產生了7種Puroindoline基因變異類型，有一種變異類型表現出較野生型更軟的性狀[18]。推測在一些特殊材料中可能還存在影響籽粒硬度的重要基因待開發。此外，除Puroindoline基因外，科學家不斷利用DH、RIL及GWAS等小麥群體挖掘控制小麥籽粒硬度的遺傳位點，并獲得大量QTL，可能對小麥籽粒硬度起調控作用。

除控制籽粒硬度外，Puroindoline基因還具有廣譜抗菌功能[19]。Pina-D1和Pinb-D1基因均編碼148個氨基酸，分子量約13kD，序列均含有4個α螺旋，第1個和第2個α螺旋之間均存在一個色氨酸豐富區(Pina：WRWWKWWK；Pinb：WPTKWWK)，使其具有強烈的脂聯特性。表達Pina、Pinb和Pina+Pinb的轉基因水稻植株，稻瘟病抗性明顯提高，稻瘟病癥狀得到延緩，病情程度降低。蘋果轉Pinb基因的植株，黑星病感染顯著降低。將Pina+Pinb基因轉入玉米，玉米小斑病的耐受性顯著提高，癥狀減輕了42%。Pina的表達增強了轉基因四倍體小麥的葉銹病抗性，減緩了病菌生長；軟質的四倍體小麥(含Puroindoline基因的易位系)高抗黑穗??；轉Puroindoline基因的六倍體小麥，對青霉菌引起的種子腐爛病抗性增強。深入挖掘Puroindoline基因的抗病功能，解析其抗病機理，有望為作物抗病育種提供新的基因資源。