Qc5等位变异通过调控SPA和SPR改善面包品质

2022年7月8日，四川农业大学小麦研究所在International Journal of Molecular Sciences, 2022, 23, 7581（https://doi.org/10.3390/ijms23147581）发表了题为“TheQ^c5allele increases wheat bread-making quality by regulating SPA and SPR”的研究论文，报道了小麦驯化关键基因Q的新等位变异Q^c5通过弱化与seed storage activator (SPA)互作和抑制seed storage repressor(SPR)的表达提高籽粒蛋白含量，进而改善面包品质的机制。

小麦是世界上最重要的粮食作物之一，为人类提供约20%的能量和蛋白质。小麦籽粒富含种子储藏蛋白，磨粉加水混合后可形成具有独特弹性和延展性的面团，可被加工成馒头、饺子、包子、面包、饼干和蛋糕等食品。小麦种子储藏蛋白主要包括高分子量谷蛋白、低分子量谷蛋白（LMW-GS）和多种醇溶蛋白，其含量和组成是决定小麦加工品质的关键。种子储藏蛋白的表达受诸多遗传因子的调控。我们前期研究发现小麦驯化基因Q是决定小麦加工品质的关键遗传因子之一，其上调表达等位变异Q^c1可分别提高籽粒蛋白含量和面包体积~60 g kg^－1和~37%。相比在现代品种中广泛存在的Q等位变异，Q^c1等位变异的miRNA172结合位点内存在一个C-T的单碱基突变，这导致miRNA172对Q^c1转录本的切割受到抑制，最终提高了表达量[1]。在增加籽粒蛋白含量的同时，Q^c1也导致小麦穗型过密、株高过矮，不利于育种利用。为解决这一问题，我们通过化学诱变，在Q^c1等位变异的AP2结构域引入一个新的错义突变，获得具有较好育种价值的等位变异Q^c1-N8[2]。含有Q^c1-N8的植株具有较好的农艺性状、更高的产量和更高的籽粒蛋白含量[2]。然而，Q基因调控小麦加工品质的分子机制尚不明确。我们通过解析Q新等位变异Q^c5的作用机制部分回答了此问题。

研究团队从强筋小麦品种Roblin (野生型)的EMS诱变群体中获得一个密穗突变体R-Cp5-1，其株高和穗长均显著降低。将R-Cp5-1与QZ96 (speltoid穗型，含有Q^t等位变异[3] )杂交，遗传分析发现突变性状受一个显性单基因控制。由于其表型与Q^c1相似，我们先克隆了Q基因的序列，但未在miRNA172结合区域发现差异。为明确突变体R-Cp5-1表型是否由Q基因的突变导致，利用F₂和F₃群体证明Q基因内标记QX2与突变表型共分离。进一步比较野生型和突变体的Q基因序列，发现在miRNA172结合区域上游12 bp处存在一个C-T突变，导致第408位氨基酸残基由Pro突变为Leu。将此新等位变异命名为Q^c5。定量PCR分析显示，相比野生型材料中的Q等位变异，Q^c5在幼穗发育早期表达量显著升高。序列互补性和mRNA二级结构均影响miRNA对靶基因的切割效率。预测Q各等位变异的mRNA二级结构，显示与Q等位变异相比，Q^c5在miRNA172结合区域具有更复杂的二级结构，这降低了miRNA172的切割效率，导致Q^c5表达量上调(图1)。

图1 Q^c5的定位和表达分析

品质分析显示，与野生型相比，突变体R-Cp5-1的籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、谷蛋白和醇溶蛋白显著增加，且面包体积增加20% (图2)。

图2 Q^c5显著增加籽粒蛋白含量并改善面包品质

错义突变不改变Q^c5的亚细胞定位。酵母双杂证明Q蛋白与SPA蛋白互作，而Q^c5与SPA的互作强度减弱。双荧光素酶瞬时表达系统显示SPA在烟草中激活LMW-GS，而Q的加入会抑制SPA的激活效果，且存在剂量效应。与Q相比，Q^c5的错义突变减弱了其对SPA的抑制，从而使LMW-GS表达提高(图3)。

图3 Q与SPA物理互作调控SSP表达

分析花后14天的种子转录组数据，发现已报道的可调控种子储藏蛋白基因表达的转录因子中，只有种子储藏蛋白抑制因子SPR被Q^c5显著调控（显著下调）。SPR基因的RT-qPCR结果与转录组数据一致(图4)。

图4 Q^c5下调SPR表达量

综上，Q^c5通过两种方式提高种子储藏蛋白的表达(图5)：一是错义突变减弱了其对SPA的抑制；二是抑制种子储藏蛋白抑制因子SPR的表达。该工作部分解释了Q调控加工品质的分子机制，为后续育种利用优异Q等位变异提供了理论依据。

图5 Q^c5调控加工品质的分子机制

四川农业大学小麦研究所郑有良教授和祁鹏飞教授为论文通讯作者；博士研究生郭祯儒为论文第一作者。该研究得到国家自然科学基金(32072054、31971939和31901961)和四川省科技厅(2019YFH0066和2020YFH0150)的资助。

主要参考文献

1. Xu BJ, Chen Q, Zheng T,et al.2018.An overexpressedQallele leads to increased spike density and improved processing quality in common wheat (Triticum aestivum).Genes Genomes Genetics8,771-778.

2. Chen Q, Guo ZR, Shi XL,et al.2022. Increasing the grain yield and grain protein content of common wheat (Triticum aestivum) by introducing missense mutations in theQgene. PREPRINT (Version 1) available at Research Square. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-899571/v1.

3. Jiang YF, Chen Q, Wang Y,et al.2019.Re-acquisition of the brittle rachis trait via a transposon insertion in domestication geneQduring wheat de-domestication.New Phytologist224,961-973.