小麥族物物α-醇溶蛋白基因的克隆與分子進化研究.pdf

1、禾谷類植物（Cereal）屬于禾本科(Poaceae)，其中包含如水稻、小麥、大麥(Hordeum vulgare)、黑麥、燕麥、玉米、高粱等重要的糧食作物。它們的種子構成了人類和動物的主要食物。其中，禾谷類植物種子的主要蛋白營養(yǎng)成分稱作醇蛋白（prolamins），它們富含基因家系組成，這些蛋白多能溶解于乙醇中。在小麥族植物種子蛋白中，麥醇溶蛋白(Gliadin)是小麥胚乳貯藏蛋白的重要組成部分之一，其組成和含量對小麥烘烤品質具有重要

2、作用。麥醇溶蛋白在較低的PH值條件下，通過聚丙烯酰胺凝膠電泳分離，按電泳遷移率的不同，可以分離成為α、β、γ和ω四種類型。麥醇溶蛋白的等位性變異在栽培小麥及其近緣屬物種中極為豐富，已經(jīng)被用在小麥遺傳資源的鑒定之中。
　　 醇溶蛋白基因在結構上具有一定的保守性，并且α醇溶蛋白基因編碼的氨基酸序列包括信號肽、多聚谷胺酰胺區(qū)域、重復區(qū)和非重復區(qū)，以及有利于蛋白質形成二硫鍵的6個半胱氨酸殘基等典型的特征，為進行醇溶蛋白基因的克隆和從基因

3、序列水平上來闡釋其遺傳變異的分子機制提供了依據(jù)。
　　 目前已有從六倍體普通小麥（Triticum aestivum，AABBDD）、四倍體硬粒小麥（T. durum，AABB）、斯卑爾脫小麥（T. spelta，AABBDD）、栽培小麥的A、B、D染色體供體物種一粒小麥（T. monococcum，AA）、斯卑爾脫山羊草(Aegilops speltoides，SS)和節(jié)節(jié)麥(Ae. tauschii，DD)基因組中克隆α-醇

4、溶蛋白基因序列的報道，但是未見在小麥族植物其他物種的系統(tǒng)研究。
　　 本研究從小麥育種應用中廣泛優(yōu)異的近緣種屬出發(fā)，率先開展了簇毛麥屬(Dasypyrum)、偃麥草屬（Thinopyrum）、黑麥屬（Secale）、冰草屬(Agropyron)、擬鵝觀草屬（Pseudoroengeria）、旱麥草屬(Eremopyrum)、澳冰草屬(Australopyrum)和小麥-山羊草復合群（Triticum-Aegilops compl

5、ex）的20余個二倍體或多倍體代表性物種的α-醇溶蛋白的序列進行了克隆與序列分析，獲得了以下創(chuàng)新性結果：
　　 (1)在黑麥屬物種中，我們率先在野生黑麥中克隆到10個小麥α-醇溶蛋白的類似序列，通過聚類與系統(tǒng)發(fā)育樹分析發(fā)現(xiàn)這些存在于森林黑麥（S. sylivestre）和非洲黑麥(S africanum)的序列屬于α-醇溶蛋白家系成員，其基因的重復區(qū)段尚未出現(xiàn)，具有8個半胱氨酸殘基，推測其α-醇溶蛋白序列為小麥族物種的祖先序列。

6、
　　 (2)克隆了62個簇毛麥屬三物種α-醇溶蛋白基因序列，發(fā)現(xiàn)二倍體多年生簇毛麥α-醇溶蛋白基因分化較早，為古老的類型，而四倍體多年生簇毛麥和二倍體一年生簇毛麥的分化較晚。α-醇溶蛋白基因的聚類結果支持四倍體多年生簇毛麥不是由二倍體一年生簇毛麥加倍產(chǎn)生，而是由二倍體多年生簇毛麥加倍產(chǎn)生的觀點。研究還發(fā)現(xiàn)α-醇溶蛋白基因的啟動子序列長度具有較大的多態(tài)性，根據(jù)多態(tài)性序列設計引物獲得了簇毛麥特異的α-醇溶蛋白基因的PCR標記，成功

7、地應用于小麥背景中簇毛麥6VS染色體片段的跟蹤之中。
　　 (3)分離了94個偃麥草屬及其祖先物種（二倍體長穗偃麥草、擬鵝觀草、百薩偃麥草和中間偃麥草物種）的α-醇溶蛋白基因序列，分析認為中間偃麥草基因組為多個近緣物種基因的重組，簇毛麥基因組與偃麥草多倍體物種的遺傳關系較近，該結論得到了基因組原位雜交的支持，同時發(fā)現(xiàn)偃麥草物種多倍體化過程中，有MITE的插入醇溶蛋白基因，加速了功能基因組的遺傳分化。
　　 (4)克隆了來

8、自澳冰草、冰草和旱麥草屬物種的48個α-醇溶蛋白基因序列，系統(tǒng)發(fā)生樹分析發(fā)現(xiàn)了澳冰草基因組中醇溶蛋白基因發(fā)生了多次進化。澳冰草、冰草屬中的α-醇溶蛋白基因均不具有毒性多肽位點，表明α-醇溶蛋白基因毒性多肽位點是出現(xiàn)于該屬物種分化之后。
　　 (5)在小麥屬物種中國節(jié)節(jié)麥和育成小麥新品種“成電麥1號”中分離了25個α-醇溶蛋白基因序列，從中發(fā)現(xiàn)了具有不同半胱氨酸殘基的序列，可以作為小麥品質育種的供體基因源。
　　 (6)綜

9、合分析小麥族物種的α-醇溶蛋白基因的多態(tài)性指數(shù)和物種，與小麥物種分化的過程，我們推測，小麥族物種α-醇溶蛋白基因在25-30百萬年從γ-醇溶蛋白的祖先分離出來，即最先起源于黑麥屬的祖先物種，而后在澳冰草、擬鵝觀草屬和偃麥草屬物種發(fā)生3次以上基因組的快速進化，并隨3-5百萬年小麥近緣種屬和多倍體化過程中發(fā)生了快速基因組分化。毒性多肽位點Glia-α可能約在12-15百萬年前，其他3個毒性多肽位點Glia-α-2，9，20均在小麥物種形成后