跨界基因快报 04：野生基因赋能小麦面包品质改良

本期跨界基因快报分享发表于《The Crop Journal》（农林科学一区，2022年）的小麦品质改良研究。中国农科院作物科学研究所团队依托农杆菌介导遗传转化技术，将高大山羊草的优质高分子量谷蛋白亚基基因1S^lx2.3*精准导入普通小麦，成功创制面包加工品质显著提升的纯合小麦新材料，为野生近缘种优质基因的功能验证与育种应用提供了成熟可落地的技术范式。

文章链接：doi.org/10.1016/j.cj.2022.04.001

一、研究背景

高分子量谷蛋白亚基（HMW-GS）是决定小麦面团黏弹性、面包加工品质的核心因子，但普通栽培小麦的HMW-GS等位变异资源十分有限，长期制约品质育种突破。传统染色体易位/替换方法会伴随大量外源染色体片段导入，既无法精准评估单基因的遗传效应，也易引入不利性状。而农杆菌介导的遗传转化可实现单基因的定点整合与时空精准表达，是功能基因验证、定向种质改良的高效技术路径。

二、核心实验方案

研究以小麦品种Westonia为受体材料，构建由1Dx5种子特异性启动子驱动1S^lx2.3*的表达载体pWMB184，同步搭载bar基因作为筛选标记；采用农杆菌介导的幼胚转化体系，取花后14~15天的幼胚为外植体，经共培养、愈伤诱导、抗性筛选与植株再生，最终以14%的稳定转化效率获得阳性转基因植株。后续通过“bar试纸条+PCR分子初筛—FISH/GISH细胞学定位插入位点—SDS-PAGE验证蛋白表达”的三级鉴定体系，经多代筛选获得稳定遗传的纯合转基因株系T-W1。

三、关键研究结果

在获得纯合转基因株系T-W1的基础上，研究团队首先确认了外源基因的正常表达——1S^lx2.3*在籽粒发育各阶段均有转录，于花后22天达峰值。值得注意的是，该外源基因的导入对内源HMW-GS产生了明显的调控作用：1Dx2和1Dy12的表达显著上调，而1By18的表达被大幅抑制至野生型的五分之一，说明外源品质基因可通过影响内源基因网络协同改善品质。

Fig. 2. Identification of homozygous transgenic wheat lines by cytogenetic, molecular, and protein techniques.

在蛋白层面，RP-UPLC定量分析显示，T-W1中1Ax2*、1Dx2、1Dy12和1Bx17的含量分别增加了24.18%、14.20%、39.03%和18.64%，总HMW-GS和LMW-GS含量均显著升高，而醇溶蛋白含量基本不变，谷蛋白/醇溶蛋白比例显著提高——该比例正是决定面团强度和弹性的关键指标。透射电镜观察进一步表明，T-W1籽粒发育过程中蛋白体的积累明显快于野生型，且片层结构形成提前3天，从细胞学层面证实了外源基因对储藏蛋白积累的促进作用。

Fig. 4. Content determination of grain storage protein compositions in new material T-W1 and its genetic background control Westonia by reversed-phase ultra-performance liquid chromatography (RP-UPLC) or size-exclusion ultra-performance liquid chromatography (SE-UPLC). 

最终的面包加工品质测试结果显示：T-W1的面包体积比野生型增大12.2%，感官评分从85.0分提升至93.5分，面团形成时间和稳定时间也显著延长，而海绵蛋糕品质未受负面影响。综上，1Sˡx2.3*的导入通过重塑内源HMW-GS表达网络、提高谷蛋白积累、加速蛋白体形成，最终实现了面包加工品质的显著提升。

Fig. 6. Bread- and sponge cake-making quality evaluation of new material T-W1 and its its genetic background control Westonia.

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