小麦7AL染色体过氧化物酶基因TaPod-A3功能标记开发与表达分析及其对面粉品质的调控机制

本研究克隆了小麦7AL染色体上的过氧化物酶（POD）基因TaPod-A3，开发了基于SNP/Indel的功能标记（POD-7A1/2/3），可区分低（216 bp）、中（882 bp）、高（156 bp）POD活性基因型。通过228份小麦品种（系）的方差分析，发现TaPod-A3c等位基因显著提升POD活性（731.2 > 668.6 U·min?1·g?1），而最优单倍型（TaPod-A1b/A3c/D1b）通过等位基因聚合效应使活性达780.6 U·min?1·g?1。定量PCR证实TaPod-A3表达量与POD活性正相关（p < 0.05），为小麦面粉品质改良提供了分子育种工具。

　　

摘要

过氧化物酶（POD）是影响小麦面粉品质的关键因子。本研究聚焦7AL染色体上的TaPod-A3基因，通过克隆其全长序列并开发功能标记，揭示了其调控面粉品质的分子机制。基于单核苷酸多态性（SNP）和插入缺失（Indel）开发的标记POD-7A1/2/3，可分别扩增216 bp（低活性）、882 bp（中活性）和156 bp（高活性）片段。228份小麦品种（系）的分析显示，携带TaPod-A3c的品系平均POD活性（731.2 U·min^?1·g^?1）显著高于TaPod-A3a（668.6 U·min^?1·g^?1）。最优单倍型组合TaPod-A1b/A3c/D1b的活性（780.6 U·min^?1·g^?1）较非优势组合（625.7 U·min^?1·g^?1）提升24.7%。定量PCR证实高活性品系F49-70的花后各时期TaPod-A3表达量显著高于低活性品种万麦29（p < 0.05），且表达量与POD活性呈正相关。

1 引言

小麦作为全球主粮作物，其面粉色泽受黄色素含量、氧化酶活性等多因素影响。III类POD通过催化酪氨酸交联反应影响面团延展性，同时参与面粉褐变过程。前期研究虽定位了3A、7D染色体的POD基因，但7AL染色体上TaPod-A3的功能尚未解析。本研究旨在：（1）克隆TaPod-A3全长并解析其结构；（2）开发功能性分子标记；（3）阐明基因表达与表型的关联，为品质育种提供靶点。

2 材料与方法

2.1 实验材料

以中国春（CS）为模板克隆TaPod-A3，228份小麦品种（系）用于标记验证，包括58份国外冬小麦和170份国内品种。选取6份极端表型材料（万麦29、中育5等）进行qPCR分析。

2.2 功能标记开发

基于TaPod-A3序列多态性设计引物（表1），POD-7A1/2/3分别特异性扩增不同等位基因。PCR产物经克隆测序后，通过毛细管电泳验证片段大小差异。

2.3 表达分析

提取花后7–35天籽粒RNA，以Actin为内参，采用2^?ΔΔCt法计算TaPod-A3相对表达量。

3 结果

3.1 基因特征

TaPod-A3含2个外显子和1个内含子（图S1），编码357个氨基酸的不稳定蛋白（pI=6.82）。系统进化分析显示其与乌拉尔图小麦（Triticum urartu）同源基因聚为一支（图S2），支持其A基因组起源假说。

3.2 标记应用

228份材料中，TaPod-A3a/b/c频率分别为49.5%、7.5%和43.0%。携带TaPod-A3c的材料活性显著高于TaPod-A3a（p < 0.05），而双等位基因聚合（如TaPod-A1b/A3c）可进一步提升活性至775.9 U·min^?1·g^?1（表3）。

3.3 表达模式

花后21天（软面团期）TaPod-A3表达量达峰值，高活性品种Sossions的表达量为低活性品种万麦29的25倍（图2）。热图分析显示表达量与籽粒发育阶段及基因型显著相关（图3）。

4 讨论

4.1 标记育种价值

Indel导致的氨基酸移码突变是TaPod-A3c高活性的潜在原因。功能标记POD-7A1/2/3可替代传统活性测定，实现早期选择。

4.2 等位基因聚合效应

多基因协同调控表明，聚合TaPod-A1b、A3c和D1b是提升POD活性的有效策略，为分子设计育种提供模板。

4.3 时空表达特性

花后21–28天的高表达期与籽粒贮藏物质积累阶段吻合，提示TaPod-A3可能通过调控氧化还原平衡影响面筋网络形成。

5 结论

本研究开发的TaPod-A3功能标记及表达的解析，为小麦品质改良提供了分子工具，后续可通过转基因验证其功能并拓展至其他POD家族基因研究。