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New Phytologist|小麦研究中心为小麦籽粒发育调控机制解析和低麸质育种提供重要理论依据
发布日期:2022-08-23 浏览次数:  信息来源:太阳集团城娱8722

2022617日,太阳集团tcy8722农学院小麦研究中心在New Phytologist杂志上在线发表了题为“Unprocessed wheat γ-gliadin reduces gluten accumulation associated with the endoplasmic reticulum stress and elevated cell death”的研究论文,报道了面筋蛋白积累关键基因LGP1的图位克隆,首次系统解析了小麦籽粒中异常加工的γ-醇溶蛋白通过内质网应激和细胞死亡相关途径影响面筋蛋白积累的分子机制,为小麦籽粒发育调控机制解析和低麸质育种提供了重要理论依据。

 

首先,研究团队从小麦品系3672(野生型,WTEMS诱变群体中获得一个低面筋蛋白突变体lgp1low gluten protein 1),谷蛋白和醇溶蛋白含量均显著降低。将lgp1与周麦16进行杂交,遗传学分析发现突变性状受一个半显性单基因LGP1控制。利用F2群体152单株和次级分离群体8746单株将LGP1精细定位在中国春1D染色体标记CS2928184CS2981214之间,对应参考基因组物理区间为53.03-kb,仅包含一个高置信基因TraesCS1D03G0010000, 编码γ类醇溶蛋白γ-gliadinlgp1中该基因编码区第56位核苷酸发生CT突变,导致第19位氨基酸由Ala突变为Val,该位置为γ-gliadin信号肽切割位点,突变后导致信号肽切割异常。突变的LGP1 (LGP1-T)转入小麦中与lgp1表型一致,进一步证实了γ-gliadin基因突变导致面筋蛋白异常积累(图1

1 LGP1基因图位克隆和功能验证

解析了醇溶蛋白信号肽切割异常如何影响小麦面筋蛋白的积累。该团队发现,lgp1突变体中醇溶蛋白由于其信号肽不能正常切割而滞留在内质网,引发严重的内质网应激(ER Stress),内质网表现为膨胀、环形、网状等异常结构;产生大量类自噬体结构;细胞凋亡程度增加;储藏蛋白被分泌到质外体空间;淀粉合成途径受到抑制。而在WT中,LGP1蛋白N端信号肽进入内质网腔后被信号肽酶切割,蛋白体正常形成、转运并最终在蛋白质储藏型液泡中积累(2)

2 LGP1调控面筋蛋白积累的分子机制

应用方面,lgp1突变体膳食纤维含量比WT显著提高了。因此,虽然lgp1粒重比WT降低很多,但其麦麸可作为膳食纤维补充剂添加到烘焙食品中,以增加膳食纤维摄入量。乳糜泻病人等易感人群不能食用含麸质食品,lgp1麸质含量仅比WT降低31%,没有达到国际规定的无麸质标准(麸质含量<20mg/kg),表明lgp1醇溶蛋白降解的小片段仍存在。加工品质方面,lgp1饼干和面包表现明显优于无麸质替代粉马铃薯、大米、红薯和玉米粉,饼干纹路清晰,不易碎(3)。因此,lgp1虽不符合无麸质,但具有低面筋和低谷蛋白特性,可加工成适合于肾病糖尿病等有低蛋白饮食需求人群的面食品。

3 突变体lgp1麦麸、膳食纤维、面筋含量和加工品质表现

综上,该工作首次系统揭示了小麦籽粒发育过程中异常加工的γ-醇溶蛋白通过内质网应激和细胞死亡相关途径调控面筋蛋白积累的分子机制(4),为小麦籽粒发育调控机制解析和低麸质育种提供了重要的理论依据。

4 LGP1调控面筋蛋白异常积累的模式图

 

太阳集团tcy8722农学院小麦研究中心姚颖垠教授和孙其信教授为论文共同通讯作者;博士后陈倩,博士研究生杨长峰为论文共同第一作者;小麦研究中心倪中福教授、彭惠茹教授、辛明明教授、宿振起教授、胡兆荣副教授、郭伟龙副教授、刘杰副教授、杜金昆副研究员、硕士研究生张召衡、已毕业博士生王梓豪陈永明,华中农业大学陈伟教授,意大利农业研究和经济委员会谷物研究中心Vincenzo Rossi教授参与了该论文工作。感谢中科院刘志勇教授提供小麦EMS诱变群体材料、中国农科院叶兴国教授提供pWMB110质粒、太阳集团tcy8722太阳集团城娱8722王向锋副教授提供mCherry-ATG8e标记,感谢香港中文大学姜里文教授、太阳集团tcy8722宋任涛教授、中国农科院任玉龙教授、中科院左建儒教授、山东农业大学倪飞教授对本研究的指导和帮助。该研究得到国家重点研发计划(2020YFE0202300)国家自然科学基金(32125030)海南崖州湾种子实验室(B21HJ0502)分子设计育种前沿科学中心(2022TC149) 的资助。


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