小麦谷蛋白大聚合体研究进展

姜佳慧 金 蕊 陈刘明 王光一 赵万春 董 剑 高 翔 李晓燕

（西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100）

1 GMP 与小麦加工品质的相关性

在早期谷蛋白组分研究中，发现GMP 与小麦的加工品质相关，GMP 含量与沉降值相关系数远高于粗蛋白含量与沉降值的相关系数[4]。而且，其含量和结构与小麦的食品加工品质密切相关，在面制食品制作过程中的作用远大于单体蛋白、可溶性蛋白[5]。通常，GMP 含量越高的小麦，其面团强度大，弹性较大，面包烘烤品质更佳[2，6]。由于不同小麦品种中含有的GMP 含量和组成结构不同，所以，GMP与加工品质的相关参数有所差异。裴玉贺等[7]相关研究发现，我国164 个小麦品种中GMP 含量平均值为4.927%，明显低于国外学者Bean 分析的28 个小麦品种GMP 平均值6.819%，麦谷蛋白大聚合体的含量低，是导致我国小麦烘烤品质较低的原因之一。晏本菊等[5]测定了国内118 个株系小麦样品的沉淀值和GMP 含量，发现GMP 含量与沉降值存在极显著相关。孙辉等[4]对100 份来自全国各地的小麦材料研究发现，GMP 含量与面团吸水率呈极显著正相关，GMP 含量越高，沉降值越高，面筋强度大，其烘烤品质更佳。

不溶性谷蛋白聚合体百分含量（GMP%）是指麦谷蛋白大聚合体占谷蛋白聚合体总含量的百分数，通常可用来表示麦谷蛋白大聚合体的粒度分布。王爱娜等[8]证实GMP%与GMP 有极显著的关系，GMP 含量与沉降值有极显著的正作用，通过回归分析认为GMP%是决定SDS 沉淀值的重要生化因素，影响小麦的加工品质。GMP 与粗蛋白对烘烤性状呈偏相关，当GMP 含量保持一定时，粗蛋白与吸水率的相关性由不相关变为负相关，与稳定时间和面包体系的相关性由显著变为不显著；粗蛋白含量一定时，GMP 含量与加工品质参数仍保持显著正相关[4]。可见，GMP 虽在总蛋白中占比不高，但对小麦加工品质起着重要作用，GMP 含量高的小麦，其加工品质更佳。

对高、中、低筋3 种类型小麦成熟期GMP 变化研究发现，高、中、低筋品质小麦的GMP 含量分别增加至22.25g/kg、13.72g/kg 和10.32g/kg，面筋含量越高其GMP 的积累值越大[9]。可见，GMP 对小麦加工品质有显著作用，相比各种品质指标的测量鉴定，提取并鉴定GMP 含量更适合作为早期小麦加工特性的预测指标，其含量测定可应用于小麦育种早期微量快速品质鉴定与筛选。

2 GMP 提取与测定方法

GMP 的提取与含量测定是小麦品质研究的重要内容。因其分子量大，结构复杂，通常不溶于SDS缓冲液的特性，可以采用以SDS 缓冲液为提取剂的特殊处理法或以醇类为提取剂的分离方法。

以SDS 缓冲液为提取剂的特殊处理是利用声波、还原剂或酸碱水解处理使得GMP 可溶于SDS缓冲液的一种方法。首先将小麦籽粒磨粉后加入SDS-磷酸缓冲液震荡离心，弃上清液除去可溶蛋白，在沉淀中再次加入SDS 缓冲液，再利用超声波细胞粉碎仪处理，使大部分GMP 溶于提取剂，得到含有GMP 的上清液。除此之外，还可以在SDS 缓冲液中加入DTT 强氧化剂，从而使得GMP 结构发生一定的变化，溶于SDS 缓冲液[10]。

以醇类为提取剂的方法是利用蛋白质在50%正丁醇的溶解性，结合化学还原剂来提取GMP。李卫华等[11]根据前人的方法进行改良，利用50%正丙醇溶液提取面粉中GMP，首先加入醇溶液后间隔振荡并离心，再向50PI（50%正丙醇不溶性蛋白）沉淀中，加含1% DTT 的50%正丙醇，水浴震荡后离心，得到含有GMP 的上清液。熊玉英[12]通过对33 个冬小麦蛋白的提取，利用凝胶电泳图验证，得到最佳的提取方案：用0.25mol/L EDTA（pH 7.5）在60℃预处理小麦面粉1h，利用45%正丙醇提取，在可溶性组分中利用73%正丙醇再次提取可分离不同的蛋白组分，具体流程见图1。

图1 小麦蛋白分离提纯技术路线

小麦GMP 的含量作为测定中的关键指标，通常会将GMP 的提取方法与含量测定结合从而直接测定其含量。常用的方法有两类：第1 类是操作简易、成本低廉但误差较大的含量测定法；第2 类是操作复杂或成本高，但结果更加精确的分离测定法。

第1 类常采用双缩脲法（Lowry 氏法）、考马斯亮蓝法（Bradford 氏法）、凯氏定氮法（Kjeldahe 氏法）等。第2 类常采用多层浓缩胶SDS-PAGE 法、液相色谱（HPLC）与高效液相色谱（SE-HPLC）、高效毛细管电泳法（HPCE）。通过色谱仪器、光谱仪器准确分析提取蛋白的组成含量。张平平等[13]采用SE-HPLC 测定谷蛋白与醇溶蛋白的含量比，计算GMP 的含量。Wu 等[14]构建了利用SE-HPLC快速精准测量微量GMP 结构组成的体系。在能利用HPCE 技术定量分析优质小麦高分子量谷蛋白亚基后，王卫东等[15]成功构建了小麦HMW-GS 的HPCE 高效分离体系。与利用SDS-PAGE 技术相比较，HPCE 技术操作简单，可以实现高通量自动化，具有样品量少、速度快等优势，但要对GMP 进行精准定量分析，需要关联使用HPCE 与HPLC。

3 GMP 的遗传与改良

GMP 由低分子量麦谷蛋白亚基（LMW-GS）和高分子量麦谷蛋白亚基（HMW-GS）通过二硫键聚合而成，HMW-GS 包含4～7 个半胱氨酸残基，LMW-GS 具有6 个保守的半胱氨酸残基和额外的1个或多个残基，这些残基大多数形成链内二硫键，一些残基形成链间二硫键，二硫键和次级键使面筋具有弹性[3]。

阿东焦急万分，他看看手表，发现时间紧迫。他不能走太晚，迟到对他来说，会给所有人留下坏印象。阿东说：“那我先走好不好?”

编码LMW-GS 的基因主要有定位在小麦第1 同源染色体1A、1B 和1D 染色体短臂末端的Glu-A3、Glu-B3和Glu-D3位 点，分 别 与Gli-A1、Gli-B1和Gli-D1紧密连锁，统称为Glu-3。HMWGS 由小麦第1 部分同源染色体1A、1B 和1D 长臂上的Glu-A1、Glu-B1和Glu-D1位点调控，统称为Glu-1[16]。当LMW-GS 和HMW-GS 在不同基因调控下，小麦谷蛋白高低分子的含量与亚基结构就会发生变化；其中LMW-GS 因其分子量小、重复拷贝数多，并且在电泳过程与醇溶蛋白接近不易区分，与HMW-GS 相比研究还不够深入。

GMP 相对含量受HMW-GS 亚基影响表现出较大的遗传差异，而且不同亚基组成对小麦加工品质影响也有差异。Payne[16]首次根据HMW-GS 的亚基组成与品质的关系，建立了一个亚基组成的评分体系，但高分子量谷蛋白亚基组成对加工品质的影响也与其遗传背景有关，仅依靠亚基组成得到的结果与实际情况会有不同。刘天红[17]利用HMWGS 近等基因系材料，研究发现在LMW-GS 和醇溶蛋白含量不变的情况下，Glu-A1位点上含有1 亚基的HMW-GS 比Null 的GMP%积累速度更快、含量更高；在Glu-B1位点上17+18 亚基近等基因系较含14+15、7+8、7+9、6+8 的近等基因系提早5d 进入GMP%的迅速增长期；含5+10 亚基的近等基因系比含2+12 的近等基因系提早进入GMP%的迅速增长期。

裴玉贺等[7]利用160 份来自山东、河南、北京、甘肃、安徽等地的小麦种质，研究发现HMW-GS 的评分与GMP 含量的相关系数达到极显著水平，在Glu-A1位点含有1 亚基的品种，其GMP 含量平均值大于亚基缺失型品种；在Glu-B1位点含有13+16亚基对的品种，其GMP 含量平均值显著（P＜0.05）大于含有7+8、17+18、14+15 或7+9 等亚基的品种；在Glu-D1位点含有5+10 亚基的品种GMP 含量平均值显著大于含有2+12 的品种。Wang 等[18]利用Glu-1基因座的单突变体和双突变体比较分析发现Glu-D1在小麦最终品质形成中起到主导地位。可见，HMW-GS 影响了GMP 的含量，不同亚基组成对小麦品质影响也不同。相比Null、Glu-B1位点17+18 与13+16，Glu-A1的1亚基对GMP的含量影响最大，Glu-D1位点上5+10 的亚基组成会使得GMP 含量增加，3+12 亚基组合有利于提高小麦的品质，但针对不同小麦品种优势亚基的组合也会有所变化。

GMP 的合成受到多基因的调控，是典型的数量性状，高汝勇等[19]利用6 个亲本的双列杂交构建GMP 含量分析的遗传模型，研究发现GMP 的遗传以加性效应为主，遗传力高，在杂交种进行早代选择有效。目前常用于GMP 的遗传改良方式为常规育种、分子标记辅助选择、突变诱导等。李卫华等[11]构建了RIL 群体与遗传图谱对GMP 含量积累的动态规律进行分析和QTL 定位，检测到3 个显著加性非条件主效QTL，即QGMP1D、QGMP5B、QGMP7B，但在开花后的12d、17d、22d、27d、32d 这5 个时期控制小麦GMP 含量的QTL 效应都不同。在解析GMP 遗传基础的基础上，开发相关分子标记辅助改良GMP 是一个有效的途径。但目前针对GMP 组成的高低分子量麦谷蛋白的标记开发较多，GMP 直接相关的分子标记开发较少。

除此之外，通过花粉管通道法、物理射线诱导、化学试剂诱导等方式，也可以创建新种质用于GMP 的遗传改良[20]。Du 等[21]通过构建含有优异HMW-GS 亚基基因组成的伞形山羊草附加系与中国春进行近缘种杂交，有效改良了中国春的GMP 含量与面团品质。

4 栽培措施对GMP 含量的影响

作为一个蛋白聚合体，除受多个基因调控外，也受到种植方式、土壤养分、施肥条件等环境的影响。植物体内氮同化途径与硫同化途径相似且相互协调，两途径之间有密切的交互作用，氮、硫中的一种元素缺乏可抑制另一条途径。硫素主要通过与氮素互作来影响HMW-GS 和LMW-GS 含量，增施硫肥可以调整GMP 亚基的相对含量。蔡铁等[22]通过设计氮硫肥调控的随机区组试验，证明增施氮肥对GMP 大粒径的颗粒的表面积与体积分布均有正向效应，增施硫肥可以改变GMP 中LMW-GS 的含量。

合理施加氮肥，田间管理促进蛋白质的合成，有利于GMP 的合成与含量的提高。GMP 含量对栽培环境十分敏感。旱作条件下施加氮肥，强筋小麦GMP 含量随着氮肥的增多先上升后下降，而在水氮互作的条件下，强筋小麦GMP 与HWM-GS/LWMGS 值随着施氮肥量增加而增加[23]。

播种时期影响小麦的产量与品质。白露等[24]研究发现播期的变化导致蛋白质各组分含量发生变化，最终影响小麦的品质。由于不同研究者选取材料品种和种植环境的不同，得出的变化规律结果不尽相同。

除此之外，种植密度会影响小麦群体结构，从而改变光、温、水、气的作用效果，影响小麦的产量与品质。戴忠民等[25]发现强筋小麦中密度（18×105/hm2）的GMP 含量＞高密度种植＞低密度种植；中筋小麦中密度种植的GMP 含量＞低密度种植＞高密度种植。在灌浆初期，额外喷施植物生长激素或微量元素也会影响小麦蛋白质的合成。喷施ABA（脱落酸）与GA（赤霉素）能够明显改变GMP大粒径的体积与表面积分布。彭佃亮[26]研究发现喷施外源ABA 可以提高HMW-GS 含量及GMP 大粒径颗粒的分布，而外源GA 则对HMW-GS 含量无显著影响。不同的土壤种植条件对小麦蛋白的合成也有影响，但针对GMP 含量变化的研究较少。Zhang 等[27]在小麦开花后增加土壤中NaCl 浓度，随着盐浓度的增加，小麦中Na+、K+含量增加，HMWGS 和GMP 的含量也增加，证明盐胁迫对GMP 合成也有影响。通过研究发现冬春季夜间增温可提高小麦灌浆前期的GMP 含量和高低分子量麦谷蛋白亚基含量，从而改善小麦营养品质[28]。不同的水分条件也会影响GMP 的含量，赵佳佳等[29]发现灌溉和雨养的不同会影响HMW-GS、LMW-GS 的积累和GMP 中大粒径颗粒的形成。

可见，不同的栽培条件影响小麦的生长发育，也影响了蛋白质的合成，采用适当的栽培技术，花期前施加氮硫肥、适当晚播、喷施外源生长调节剂、灌溉方式等都有利于提高GMP 含量，改变GMP 的粒度分布，从而提高小麦的加工品质。

5 展望

GMP 的结构与含量对小麦的沉淀值、面团形成时间、面筋延展性、烘烤品质等都有显著影响。在GMP 的组成结构中，HMW-GS 起着重要作用，影响GMP 的含量与功能，不同的HMW-GS 亚基组成对加工品质作用不同。GMP 的含量也受到环境因素的影响，适宜的土壤、肥水、种植密度都有助于小麦的生长发育与蛋白质的合成。不同的环境条件对不同品种、特性和不同蛋白亚基组合及GMP 含量和粒度增长影响不同。因此改良小麦加工品质一方面需要继续优化相关检测方法，为小麦中GMP 的快速准确检测提供技术支持；另外通过创建相应的遗传群体与种质资源，利用现代生物技术，对GMP 进行精细定位研究，并进一步利用小麦基因组学的相关数据与高通量测序与分子标记，克隆相关的候选基因，解析GMP 的分子遗传基础。针对不同小麦品种GMP 的相关研究，搜集有代表性的种质资源，通过多年多点的研究，结合表型组学的相关研究，并利用全基因组关联分析，鉴定出稳定表达的GMP 相关的位点，筛选出GMP 相关的分子标记，并通过回交改良、分子标记辅助选择等方式针对优质亚基进行组合与选择，提高GMP 的表达量和粒度，选育新品种。再次，继续研究GMP 与环境的互作关系，针对相应的地区、特定的品种，解析不同的栽培措施，播期、施肥、土壤质地、灌溉条件等对其含量和粒度的影响，为小麦品质改良提供相应的理论与技术支持。