Aegilops tauschii Glu-D1位点基因组多样性揭示面包小麦优质高分子量谷蛋白基因的起源

研究人员针对面包小麦(Triticum aestivum L.)D亚基因组供体Aegilops tauschii中Glu-D1位点的基因组复杂性难题，通过分析48个高质量基因组组装数据，揭示了HMW-GS基因Dx和Dy的进化轨迹。研究发现L2E-1和L2W-2亚群是小麦D亚基因组最可能的祖先来源，鉴定出可单碱基编辑的关键氨基酸位点，为小麦品质改良提供了新策略。该研究深化了对种子贮藏蛋白演化的认识，发表于《Plant Diversity》。

　　

小麦作为全球主要粮食作物，其面团独特的粘弹性主要源于D亚基因组编码的高分子量谷蛋白(HMW-GS)。然而，由于Glu-D1位点存在约55kb的重复序列区，这个决定小麦品质的关键位点长期难以进行高分辨率分析。更棘手的是，传统SDS-PAGE方法仅能根据迁移率区分等位基因（如Glu-D1a的2+12和Glu-D1d的5+10），却无法揭示其生化特性差异。这些技术瓶颈严重制约了小麦品质育种的精准改良。

中国农业科学院等机构的研究人员利用最新构建的Aegilops tauschii泛基因组资源，对48个高质量基因组中的Glu-D1位点展开系统研究。通过多组学分析，不仅阐明了面包小麦优质谷蛋白基因的起源，还发现了可用于品质改良的基因编辑靶点。该研究为理解小麦驯化过程中关键品质性状的演化提供了新视角，相关成果发表在《Plant Diversity》期刊。

研究采用tBLASTn从泛基因组中提取Glu-D1位点序列，使用ClustalX和MEGA11构建系统发育树。通过GeneHapR进行单倍型分析，Bioperl计算等电点(pI)，SOPMA预测蛋白二级结构。利用RepeatMasker注释转座元件，VCFtools计算群体遗传参数。从乳糜泻数据库获取抗原表位信息，通过Perl脚本筛选CRISPR/Cas9编辑位点。

在Glu-D1位点基因组特征方面，研究确认所有Dx和Dy基因均为单外显子结构，平均长度分别为844±13aa和649±13aa。系统发育分析将Dx蛋白分为7个分支，与地理亚群分类存在差异。值得注意的是，L3材料TA2576的Dy基因与L2E-2聚为一支，暗示基因重组事件。单倍型网络分析进一步证实，5个材料存在Dx-Dy基因间祖先重组现象。

关于HMW-GS生化特性，研究发现尽管SDS-PAGE注释相同（如Dx2），实际蛋白长度存在12aa差异。pI值分析显示Dy蛋白均呈碱性(pH>7)，而Dx蛋白多为酸性(pH<7)。氨基酸组成分析表明，Dx含更多疏水和亲水氨基酸，Dy则富含碱性氨基酸。所有Dy含7个半胱氨酸(C)，Dx含4个C（Dx5多1个C¹¹⁸
）。特别重要的是，L2E-1和L2E-2亚群的乳糜泻抗原表位数量最少。

转座元件分析显示，Dx-Dy基因间区域含有42%-55%的重复序列，其中64%-76%为Copia-like逆转录转座子。群体遗传参数表明，Dy基因(Fst=0.62-1)比Dx(Fst=0.17-1)分化更显著。Ka/Ks值分析揭示L2E-1和L2W-1受到较强选择压力，而小麦品种中Dx基因呈现明显正选择信号。

研究最重要的发现是明确了优质等位基因Dx5+Dy10的起源：Dx5与L2E-1聚为一支，而Dx2则与L2W-2关系更近。通过序列比对，鉴定出导致Dx5多一个C¹¹⁸
的C353G突变。更关键的是，在中国春Dx2基因中发现R¹⁰⁰
位点可通过单碱基编辑转换为C，为品质改良提供了精准靶点。

这项研究首次在泛基因组尺度解析了Glu-D1位点的进化历程，证实L2E-1和L2W-2是小麦D亚基因组的主要贡献者。发现的低抗原表位特性为培育低致敏小麦提供了理论基础，而鉴定的基因编辑靶点使直接改良现有优质品种成为可能。该工作不仅解决了小麦品质遗传研究中的关键技术难题，更为应对未来粮食安全和特殊人群健康需求提供了创新解决方案。随着基因编辑等技术的发展，这些发现将加速实现小麦产量与品质的协同改良。