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小麦族物种α-醇溶蛋白基因的克隆与分子进化研究

李光蓉  
【摘要】:禾谷类植物(Cereal)属于禾本科(Poaceae),其中包含如水稻、小麦、大麦(Hordeum vulgare)、黑麦、燕麦、玉米、高粱等重要的粮食作物。它们的种子构成了人类和动物的主要食物。其中,禾谷类植物种子的主要蛋白营养成分称作醇蛋白(prolamins),它们富含基因家系组成,这些蛋白多能溶解于乙醇中。在小麦族植物种子蛋白中,麦醇溶蛋白(Gliadin)是小麦胚乳贮藏蛋白的重要组成部分之一,其组成和含量对小麦烘烤品质具有重要作用。麦醇溶蛋白在较低的PH值条件下,通过聚丙烯酰胺凝胶电泳分离,按电泳迁移率的不同,可以分离成为α、β、γ和ω四种类型。麦醇溶蛋白的等位性变异在栽培小麦及其近缘属物种中极为丰富,已经被用在小麦遗传资源的鉴定之中。 醇溶蛋白基因在结构上具有一定的保守性,并且α醇溶蛋白基因编码的氨基酸序列包括信号肽、多聚谷胺酰胺区域、重复区和非重复区,以及有利于蛋白质形成二硫键的6个半胱氨酸残基等典型的特征,为进行醇溶蛋白基因的克隆和从基因序列水平上来阐释其遗传变异的分子机制提供了依据。 目前已有从六倍体普通小麦(Triticum aestivum,AABBDD)、四倍体硬粒小麦(T. durum,AABB)、斯卑尔脱小麦(T. spelta,AABBDD)、栽培小麦的A、B、D染色体供体物种一粒小麦(T. monococcum,AA)、斯卑尔脱山羊草(Aegilops speltoides,SS)和节节麦(Ae. tauschii,DD)基因组中克隆α-醇溶蛋白基因序列的报道,但是未见在小麦族植物其他物种的系统研究。 本研究从小麦育种应用中广泛优异的近缘种属出发,率先开展了簇毛麦属(Dasypyrum)、偃麦草属(Thinopyrum)、黑麦属(Secale)、冰草属(Agropyron)、拟鹅观草属(Pseudoroengeria)、旱麦草属(Eremopyrum)、澳冰草属(Australopyrum)和小麦-山羊草复合群(Triticum-Aegilops complex)的20余个二倍体或多倍体代表性物种的α-醇溶蛋白的序列进行了克隆与序列分析,获得了以下创新性结果: (1)在黑麦属物种中,我们率先在野生黑麦中克隆到10个小麦α-醇溶蛋白的类似序列,通过聚类与系统发育树分析发现这些存在于森林黑麦(S. sylivestre)和非洲黑麦(S. africanum)的序列属于α-醇溶蛋白家系成员,其基因的重复区段尚未出现,具有8个半胱氨酸残基,推测其α-醇溶蛋白序列为小麦族物种的祖先序列。 (2)克隆了62个簇毛麦属三物种α-醇溶蛋白基因序列,发现二倍体多年生簇毛麦α-醇溶蛋白基因分化较早,为古老的类型,而四倍体多年生簇毛麦和二倍体一年生簇毛麦的分化较晚。α-醇溶蛋白基因的聚类结果支持四倍体多年生簇毛麦不是由二倍体一年生簇毛麦加倍产生,而是由二倍体多年生簇毛麦加倍产生的观点。研究还发现α-醇溶蛋白基因的启动子序列长度具有较大的多态性,根据多态性序列设计引物获得了簇毛麦特异的α-醇溶蛋白基因的PCR标记,成功地应用于小麦背景中簇毛麦6VS染色体片段的跟踪之中。 (3)分离了94个偃麦草属及其祖先物种(二倍体长穗偃麦草、拟鹅观草、百萨偃麦草和中间偃麦草物种)的α-醇溶蛋白基因序列,分析认为中间偃麦草基因组为多个近缘物种基因的重组,簇毛麦基因组与偃麦草多倍体物种的遗传关系较近,该结论得到了基因组原位杂交的支持,同时发现偃麦草物种多倍体化过程中,有MITE的插入醇溶蛋白基因,加速了功能基因组的遗传分化。 (4)克隆了来自澳冰草、冰草和旱麦草属物种的48个α-醇溶蛋白基因序列,系统发生树分析发现了澳冰草基因组中醇溶蛋白基因发生了多次进化。澳冰草、冰草属中的α-醇溶蛋白基因均不具有毒性多肽位点,表明α-醇溶蛋白基因毒性多肽位点是出现于该属物种分化之后。 (5)在小麦属物种中国节节麦和育成小麦新品种“成电麦1号”中分离了25个α-醇溶蛋白基因序列,从中发现了具有不同半胱氨酸残基的序列,可以作为小麦品质育种的供体基因源。 (6)综合分析小麦族物种的α-醇溶蛋白基因的多态性指数和物种,与小麦物种分化的过程,我们推测,小麦族物种α-醇溶蛋白基因在25-30百万年从γ-醇溶蛋白的祖先分离出来,即最先起源于黑麦属的祖先物种,而后在澳冰草、拟鹅观草属和偃麦草属物种发生3次以上基因组的快速进化,并随3-5百万年小麦近缘种属和多倍体化过程中发生了快速基因组分化。毒性多肽位点Glia-α可能约在12-15百万年前,其他3个毒性多肽位点Glia-α-2,9,20均在小麦物种形成后迅速产生,可能与自然选择与人工选择有关。 综上,本研究克隆并系统分析了192个小麦族α-醇溶蛋白基因序列,明确了小麦族物种的演化与α-醇溶蛋白基因家族进化的内在联系,揭示了α-醇溶蛋白基因家族快速进化的特征,获得了可用于小麦分子染色体工程育种的新基因和新标记,具有重要理论和应用价值。


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