高分子量谷蛋白Dy10亚基翻译后剪切提升小麦饼干品质

小麦种子储藏蛋白主要包括谷蛋白和醇溶蛋白，它们赋予面团弹性和延展性，决定小麦独特的加工品质。谷蛋白分为高分子量谷蛋白（HMW-GS）和低分子量谷蛋白(LMW-GS)。

HMW-GS占种子储藏蛋白的~10%，是决定小麦加工品质最关键的储藏蛋白类型。HMW-GS通过分子间二硫键共价交联形成谷蛋白大聚合体，是面筋蛋白的“骨架”，决定面团的弹性。因此，挖掘优异HMW-GS等位变异对小麦育种具有重要意义。

本研究利用EMS诱变普通小麦品种“蜀麦482”，获得一份HMW-GS区含有一条额外条带的突变体（图1e和g）。经遗传学分析、质谱分析和蛋白免疫印迹分析（图1f），证明该条带源自突变体材料的Dy10亚基。

图1 突变体的鉴定

比较蜀麦482和突变体的Dy10亚基序列，发现突变体的Dy10基因（命名为Dy10-m619SN）含有一个错义突变，导致其编码蛋白的第619位氨基酸残基由丝氨酸（Ser，S）变为天冬酰胺（Asn，N）（图2）。在编码区和3’-非翻译区设计特异PCR引物，克隆测序发现Dy10-m619SN的mRNA与野生型Dy10一致，排除可变剪接（图1h）；蛋白C-端测序（图3a）、原核表达（图3b）和胚乳瞬时表达实验（图3e）证明Dy10-m619SN的蛋白产物能够被特定蛋白酶识别并发生翻译后部分剪切，形成Full-Dy10-m619SN（未被剪切的完整多肽）、N-Dy10-m619SN（剪切后的N端多肽）和C-Dy10-m619SN（剪切后的C端多肽）3条带；收集不同发育阶段的种子，SDS-PAGE检测证明这种翻译后剪切与籽粒HMW-GS的合成积累同步（图3c）。翻译后剪切的分子机制解析正在进行。

图2 野生型和突变体Dy10亚基的氨基酸序列比对

图3 Dy10-m619SN翻译后部分剪切形成新多肽

相比野生型，突变体的的农艺性状无显著差异（图1a-d），但Zeleny沉降值、面筋指数、形成时间和稳定时间等品质参数显著降低；湿面筋含量和粉质弱化度显著增加（表1）；饼干的直径显著增加、饼体变薄、延展因子增大，但硬度和感官评定无显著差异（图4）。

表1 野生型和突变体品质参数比较

图4 Dy10-m619SN对饼干品质的影响

图5 Dy10-m619SN翻译后剪切弱化面筋网络

分析多肽N-Dy10-m619SN和C-Dy10-m619SN中半胱氨酸残基的数目及分布，发现它们可用于形成分子间二硫键的半胱氨酸数目减少，会破坏面筋网络的延伸（图5），降低籽粒蛋白体的直径（图6）、谷蛋白大聚合物含量（表1）和面筋强度，但不影响谷醇比。

图6 Dy10-m619SN对籽粒蛋白体大小的影响

本研究报道了小麦HMW-GS翻译后加工的现象并解析了其对加工品质的影响，为弱筋小麦育种提供了一份有价值的种质资源。

研究结果于2021年发表在《Molecular Breeding》杂志上【Post‑translational cleavage of HMW‑GSDy10allele improves the cookie‑making quality in common wheat (Triticum aestivum)】。本研究受国家自然科学基金项目（31971939、31671677和32072054）和四川省科技厅资助。

文章链接：https://doi.org/10.1007/s11032-021-01238-9