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小麥?zhǔn)侨驍?shù)十億人口賴以生存的重要口糧作物，也是我國最主要的糧食作物之一。決定小麥面團(tuán)彈性、延展性等加工特性的核心，是籽粒中的面筋蛋白。近日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所等以中國推廣面積最大的強(qiáng)筋小麥品種“濟(jì)麥44”為對(duì)象，構(gòu)建了高質(zhì)量參考基因組，完整呈現(xiàn)了面筋蛋白基因座的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

研究發(fā)現(xiàn)，長期以來備受關(guān)注的高分子量麥谷蛋白亞基（HMW-GSs）基因在演化過程中高度保守；相比之下，低分子量麥谷蛋白亞基（LMW-GSs）和α-/β-醇溶蛋白基因具有更豐富的拷貝數(shù)變化和結(jié)構(gòu)變異。這提示，決定品質(zhì)適應(yīng)性演化的關(guān)鍵，并不總是最保守、最“經(jīng)典”的基因，而往往來自更具可塑性的基因家族。

研究構(gòu)建了包含485份代表性材料的高分辨率基因組變異圖譜，揭示了面筋基因的演化軌跡。研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)高度可變的LMW-GSs和α-/β-醇溶蛋白基因一直是人類持續(xù)選擇的主要靶點(diǎn)。二者對(duì)強(qiáng)筋單倍型頻率變化的貢獻(xiàn)合計(jì)超過四分之三，是調(diào)控小麥加工品質(zhì)的重要“旋鈕”。從亞基因組層面看，D亞基因組貢獻(xiàn)了超過一半的強(qiáng)筋單倍型頻率變化，在品質(zhì)形成過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

研究發(fā)現(xiàn)小麥品質(zhì)性狀并非只由單個(gè)基因獨(dú)立決定。面筋蛋白基因之間存在上位性互作，即一個(gè)基因的效應(yīng)會(huì)受到其他基因背景的影響。進(jìn)一步分析顯示，人類選擇對(duì)上位性互作的影響并非簡單線性關(guān)系。適度選擇可以增強(qiáng)面筋基因之間的有利組合，使品質(zhì)獲得快速遺傳增益。但過強(qiáng)選擇可能削弱互作網(wǎng)絡(luò)，并降低長期適應(yīng)潛力。

基于上述發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出基因的結(jié)構(gòu)保守性并不必然等同于育種重要性。HMW-GSs作為面筋網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組分仍然重要，但高變異的LMW-GSs和醇溶蛋白基因在長期演化中更頻繁地響應(yīng)人類選擇，值得在基因組設(shè)計(jì)育種中被重新評(píng)估和系統(tǒng)利用。

該研究不僅為理解小麥品質(zhì)形成機(jī)制提供了理論框架，也為推動(dòng)小麥加工產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供了重要科學(xué)支撐。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Plants上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。

面筋蛋白基因間的上位性互作