小麦 6D 染色体 α- 醇溶蛋白缺失：提升面筋强度与降低乳糜泻风险的新突破

为解决小麦面筋蛋白含引发乳糜泻（CeD）抗原表位且消除表位会影响面包制作质量的问题，研究人员开展了删除小麦基因组中 α- 醇溶蛋白的研究。结果发现 Δgli-D2 缺失可增强面筋强度、改善面包制作质量并减少免疫显性表位，对小麦育种意义重大。

　　小麦，作为全球广泛种植的重要粮食作物，为人们提供了丰富的能量与营养。然而，对于患有乳糜泻（Celiac disease，CeD）的人群来说，小麦却成了 “健康杀手”。CeD 是一种常见的免疫介导疾病，全球约 1% 的人口受其困扰，且发病率呈上升趋势。这一疾病由遗传易感个体摄入小麦面筋及类似肽引发，目前唯一有效的治疗方法是严格遵循无麸质饮食。但长期坚持这种饮食，不仅会导致营养失衡、肠道微生物群受损，还会带来社交隔离和生活成本增加等问题。

小麦面筋由麦谷蛋白（glutenins）和醇溶蛋白（gliadins）组成，赋予面团独特的粘弹性和延展性，让面包和面食口感丰富。可这两种蛋白中含有的氨基酸序列（抗原表位，epitopes），能与特定的人类白细胞抗原（human leukocyte antigen，HLA）受体结合，引发 CeD 患者的免疫反应，损伤肠道内膜。其中，能在大多数 CeD 患者中引发高免疫反应的抗原表位被称为免疫显性表位（如 DQ2.5glia-α1、DQ2.5-glia-α2 等）。多项研究表明，摄入免疫原性小麦抗原表位的量与 CeD 发病率相关，减少这些表位有望降低疾病发生率。但小麦基因组中已知的 CeD 毒性蛋白超 40 种，全部消除不仅困难重重，还会严重影响面包制作质量。因此，寻找对面包制作质量影响小的免疫原性蛋白并消除，成为降低小麦 CeD 毒性的关键一步。

在此背景下，来自美国加利福尼亚大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们通过 γ 辐射诱导，在小麦的三个基因组中分别产生了包含 α- 醇溶蛋白（α-gliadins）的缺失突变体，即 Δgli-A2、Δgli-B2 和 Δgli-D2，并对其进行了全面的表征分析。该研究成果发表在《Theoretical and Applied Genetics》上，为小麦育种和 CeD 防治带来了新的希望。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先是 haplotype 分析，通过筛选特定单核苷酸多态性（SNPs），确定了与 RIL143 中 GLI-A2、GLI-B2 和 GLI-D2 位点最接近的测序小麦基因组。其次，利用基因组特异性引物和 SDS-PAGE 技术筛选并验证缺失突变体，通过外显子捕获数据确定缺失片段大小。再者，借助蛋白组学技术，分析小麦蛋白组成及变化，探究缺失突变对面包制作质量的影响机制。实验材料选用经 γ 辐射诱变的 RIL143 重组自交系，以及商业品种 UC-Central Red，通过田间试验评估突变体的农艺性状和面包制作质量。

研究结果如下：

1. Haplotype 分析：对 Gli2 区域进行 haplotype 分析，发现 RIL143 的 GLI-A2、GLI-B2 和 GLI-D2 位点分别属于不同单倍型。GLI-A2 区域属于 HA1 单倍型，与 ArinaLrFor 等品种相似；GLI-B2 区域属于 HB1 单倍型，与 Kariega 等品种接近；GLI-D2 区域属于 H5 单倍型，与 Ae. tauschii 测序基因组更为相似。基于此，研究人员选择 Fielder 基因组 v1.0 作为 GLI-D2 醇溶蛋白的参考基因组12。
2. 抗原表位和半胱氨酸分布：对 Fielder 基因组中 α- 醇溶蛋白的抗原表位和半胱氨酸分布进行分析，发现 GLI-D2 位点的 α- 醇溶蛋白含有大量免疫显性表位，如 33-mer 和 17-mer 免疫原性肽段，且部分 α- 醇溶蛋白含有 7 个半胱氨酸（7-CYS），这在 GLI-A2 和 GLI-B2 位点中是不存在的34。
3. 辐射突变体缺失大小测定：通过 PCR 筛选和外显子捕获分析，确定了 Δgli-A2 缺失长度为 4.2 - 5.1 Mb，包含 GLI-A2 的 8 个完整醇溶蛋白和 67 - 73 个其他基因；Δgli-B2 缺失长度为 2.2 - 2.6 Mb，包含 13 个 GLI-B2 醇溶蛋白和 25 - 29 个其他基因；Δgli-D2 缺失长度为 14.7 - 16.9 Mb，包含 GLI-D2 的 8 个完整醇溶蛋白和 259 - 267 个其他基因56。
4. 缺失系的产量和农艺性状表现：田间试验表明，与野生型 RIL143 相比，各缺失系在产量、千粒重、容重和籽粒蛋白质含量等性状上大多无显著差异。Δgli-A2 缺失系产量略有下降，Δgli-D2 缺失系产量略有增加，但均不显著。将 Δgli-D2 缺失导入 UC-Central Red 后，其姊妹系在各农艺性状上也无显著差异，说明该缺失可用于普通小麦育种78。
5. 辐射突变体的面包制作质量评估：α- 醇溶蛋白缺失对面包制作质量影响显著。在 RIL143 中，Δgli-D2 和 Δgli-A2 Δgli-D2 缺失系的面筋指数、粉质仪稳定性、混合仪峰值时间、混合仪峰值积分、面包体积和烘焙总分等指标均显著提高，面团延展性无显著变化，但面筋强度显著增强。在 UC-Central Red 中，Δgli-D2 缺失系同样对部分面包制作质量指标有积极影响，如面筋指数、粉质仪稳定性等910。
6. 7-CYS α- 醇溶蛋白与面筋聚合物的关系：蛋白组学研究发现，7-CYS α- 醇溶蛋白比 6-CYS α- 醇溶蛋白更易掺入面筋大分子聚合物中。这表明 7-CYS α- 醇溶蛋白可能作为链终止剂，限制面筋聚合物的长度和强度，从而影响面筋强度和面包制作质量1112。
7. Δgli-D2 缺失对 7-CYS α- 醇溶蛋白和麦谷蛋白比例的影响：Δgli-D2 缺失不仅消除了 7-CYS α- 醇溶蛋白，还增加了麦谷蛋白在总蛋白中的比例（%-glutenins）。通过回归分析发现，%-glutenins 的增加与面筋强度显著相关，但 Δgli-D2 缺失对面筋强度还有独立于 %-glutenins 变化的影响，可能是由于消除了 7-CYS α- 醇溶蛋白1314。

研究结论和讨论部分指出，α- 醇溶蛋白在拷贝数和多态性水平上存在广泛变异，GLI-D2 位点包含的 7-CYS α- 醇溶蛋白对面筋强度有负面影响。Δgli-D2 缺失可同时提高面筋强度和面包制作质量，减少免疫显性表位，为培育低免疫原性小麦提供了有效途径。尽管无法同时删除三个基因组中的 α- 醇溶蛋白，但 Δgli-A2 和 Δgli-D2 联合缺失可进一步降低免疫显性表位水平，且对产量无显著影响。未来，结合其他删除或编辑技术，有望培育出更安全、品质更优的小麦品种，这对于降低 CeD 发病率、提高小麦营养价值和面包制作质量具有重要意义，为小麦遗传改良和 CeD 防治开辟了新方向。