谷物種子貯藏蛋白的結(jié)構(gòu)、特性及其在谷物利用中的功能

李興軍

(國家糧食局科學(xué)研究院,北京 100037)

谷物種子貯藏蛋白的結(jié)構(gòu)、特性及其在谷物利用中的功能

李興軍

(國家糧食局科學(xué)研究院,北京 100037)

在谷物成熟種子中,貯藏蛋白占總蛋白的 50%,對(duì)種子萌發(fā)與糧食儲(chǔ)藏、人和牲畜的營養(yǎng)供給、糧食加工的功能特性有重要影響。本文闡述了谷物醇蛋白和球蛋白的結(jié)構(gòu)與特性、合成機(jī)制、運(yùn)輸及其在發(fā)育種子內(nèi)的沉積。面筋蛋白決定面包加工小麥品種的特性,介紹了如何調(diào)控它們的數(shù)量與組成,以改變面團(tuán)混合特性。這些研究進(jìn)展對(duì)我國谷物育種、儲(chǔ)藏及加工品質(zhì)評(píng)價(jià)有指導(dǎo)和借鑒意義。

谷物 貯藏蛋白 醇蛋白 面筋蛋白 功能特性 蛋白體

谷物是世界上最重要的糧食作物,年產(chǎn)量超過210億 t,其中玉米、小麥及稻谷年產(chǎn)量占總產(chǎn)量的85%,大麥、高粱、黍、燕麥及黑麥等產(chǎn)量依次減少。我國大宗谷物年產(chǎn)量約 5億 t,其中稻谷、小麥、玉米占總產(chǎn)量的 86%。谷物蛋白含量相對(duì)豆類來說較低,占種子干重的 10%～15%,但卻為全球人和動(dòng)物提供 20億 t蛋白,這個(gè)數(shù)量是高蛋白 (20%～40%)豆類種子的 3倍。除了營養(yǎng)功能外,谷物種子貯藏蛋白還影響其加工利用,尤其是對(duì)小麥加工品質(zhì)。醇蛋白與面團(tuán)的黏性和延展性有關(guān),其多態(tài)性可以作為小麥的指紋,用于品種鑒定、純度分析及親緣關(guān)系研究[1]。高分子質(zhì)量 (HMW)麥谷蛋白影響面團(tuán)彈性,過去的研究集中在高分子質(zhì)量谷蛋白亞基(HMW-GS),近年來重視研究低分子質(zhì)量谷蛋白亞基(LMW-GS)的多態(tài)性及其與HMW-GS相互作用形成聚合物[2-4]。本文主要對(duì)谷物貯藏蛋白的結(jié)構(gòu)、合成調(diào)控及在谷物利用中的功能作一概述,以期對(duì)我國大宗谷物儲(chǔ)藏、加工利用、品質(zhì)改良及制定科學(xué)品質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提供指導(dǎo)。

1 谷物種子貯藏蛋白種類

1745年Beccari首次分離了小麥面筋蛋白 (glu2 ten),之后 250多年人們對(duì)谷物種子蛋白進(jìn)行了系統(tǒng)研究[5]。Osborne(1859～1929)被稱為植物蛋白化學(xué)之父。他根據(jù)植物蛋白的溶解性進(jìn)行分類,如溶于水的清蛋白,溶于稀鹽的球蛋白,溶于醇溶液的醇蛋白,溶于稀酸或稀堿的谷蛋白[5]。他的分類法被廣泛地采用。目前普遍將種子蛋白分為貯藏蛋白、結(jié)構(gòu)與代謝蛋白及保護(hù)蛋白 3類[5]。種子貯藏蛋白屬于Osborne劃分的三個(gè)不同成分,存在于種子的三種組織中。

1.1 貯藏球蛋白 (Storage proteins)

胚和糊粉層細(xì)胞含有貯藏球蛋白。根據(jù)沉降系數(shù)將球蛋白分為7S和11S兩種。一些玉米品種中種子胚細(xì)胞內(nèi)球蛋白易溶于稀鹽溶液,沉降系數(shù)是 7。它們的氨基酸序列與豆類及其他雙子葉植物的 7S vicilins類似或同源,彼此之間有相似的結(jié)構(gòu)和特性[6]。在小麥、大麥及燕麥的胚或糊粉層細(xì)胞中也鑒定了相關(guān)球蛋白。定性的水稻胚 7S球蛋白與其他植物 7S球蛋白的關(guān)系還沒有建立。7S球蛋白儲(chǔ)存在蛋白體內(nèi),功能是僅作為種子貯藏蛋白,它們對(duì)正常種子的功能不是必需的,如玉米 7S球蛋白缺乏突變株系能夠正常地發(fā)芽與生長。與胚乳組織比較,糊粉層和胚組織富有蛋白質(zhì),這些組織中的球蛋白對(duì)谷物加工特性影響不大。對(duì)于小籽粒谷物,糊粉層和胚組織占種子干重的 10%,通過小麥磨粉(milling)、稻谷礱谷 (polishing)、大麥去殼 (pear2 ling)、高粱剝殼 (decortication)等方法除去這些組織后,剩余的胚乳細(xì)胞成分供人們消費(fèi)。玉米胚組織占種子質(zhì)量的 10%～11%,高含量的蛋白和油是牲畜的營養(yǎng)來源。

一些谷物胚乳細(xì)胞中還存在 11S～12S貯藏球蛋白。這些蛋白在燕麥和稻谷中形成重要的胚乳貯藏蛋白,占總貯藏蛋白含量的 70%～80%。它們類似大多數(shù)雙子葉植物中廣泛分布的‘legumin’球蛋白。水稻胚乳貯藏蛋白不易溶于稀鹽溶液,被稱為‘glutelins’,屬于 11S～12S球蛋白家族。11S～12S貯藏球蛋白的組成亞基分子質(zhì)量約 55 ku,翻譯后加工成的酸性肽 (燕麥的為 33 ku,稻谷的為 28～31 ku)和堿性肽(燕麥的為 23 ku,稻谷的為 20～22 ku)通過一個(gè)二硫鍵連接。燕麥球蛋白也類似 legumin,形成六聚體結(jié)構(gòu),沉降系數(shù)是 12。與 legumin相關(guān)的小麥貯藏球蛋白叫‘triticins’,存在胚乳中,占種子總蛋白質(zhì)量的 5%。Triticins包括分子質(zhì)量為 40 ku的大肽鏈和分子質(zhì)量為 22～23 ku的小肽鏈,形成二聚體結(jié)構(gòu),不是典型的 legumin六聚體。與大麥和小麥比較,燕麥種子的貯藏球蛋白含量最高,而且必需氨基酸含量高,適合作為飼料。

1.2 貯藏醇蛋白 (Prolamins)

除了燕麥和稻谷外,所有谷物胚乳細(xì)胞的重要貯藏蛋白是醇蛋白。這個(gè)詞語 prolamin依據(jù)這些蛋白富含脯氨酸 (proline)和谷酰胺 (glutamine)的氨基氮,不同谷物類型中這兩種氨基酸含量之和占醇蛋白的 30%～70%。根據(jù)最初定義,醇蛋白溶解于醇的水溶液,如 60%～70%乙醇、50%～55%丙醇或異丙醇。還有一些醇不溶聚合蛋白,但是所有醇蛋白聚合物在還原態(tài)時(shí)都是醇溶的。醇蛋白分子質(zhì)量變化范圍大,從 10～100 ku。

作為貯藏蛋白,醇蛋白與 7S和 11/12S球蛋白比較,在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上變異較大。麥亞科 (Triticeae,如小麥、大麥及黑麥)和黍亞科 (Panicoideae,如玉米、高粱及黍)的重要醇蛋白類型在系統(tǒng)進(jìn)化上是獨(dú)立的。大多數(shù)醇蛋白有兩個(gè)共同的結(jié)構(gòu)特征,一是存在特征區(qū)域或結(jié)構(gòu)域,這些結(jié)構(gòu)域彼此之間結(jié)構(gòu)不同,起源可能不同;二是在氨基酸序列中存在一個(gè)或多個(gè)短肽基序,或存在特定氨基酸殘基如甲硫氨酸的重復(fù)區(qū)塊。這些特征解釋了一些醇蛋白類型中存在的高比例谷氨酰胺、脯氨酸及其他特異氨基酸(如組氨酸、甘氨酸、甲硫氨酸和苯丙氨酸)。

1.2.1 小麥醇蛋白及醇蛋白家族 (Cereal Prolamin Family)

由于分離的醇蛋白成分復(fù)雜和術(shù)語專業(yè)化,該蛋白的結(jié)構(gòu)和特性較難理解。目前依據(jù)代表材料的已知醇蛋白類型氨基酸序列,按照結(jié)構(gòu)與進(jìn)化關(guān)系將麥類(小麥、大麥及黑麥)所有醇蛋白分為富硫 (S -rich)、貧硫 (S-poor)及高分子質(zhì)量 (HMW)醇蛋白 3大類型 (表 1),富硫類型還有幾個(gè)亞類型[5]。這種劃分方法與谷物化學(xué)家劃分的小麥多聚物蛋白(谷蛋白)和單聚物蛋白 (醇蛋白)不是一一對(duì)應(yīng)的,因?yàn)楦涣?、貧硫醇蛋白都有單聚物或多聚物態(tài)。

表1 小麥種子醇蛋白類型和特征

圖 1是小麥富硫、貧硫及高分子質(zhì)量醇蛋白的結(jié)構(gòu)。它們?nèi)几缓彼帷⒐劝滨０坊虻闹貜?fù)序列。富硫與貧硫醇蛋白的重復(fù)基序是相關(guān)的。富硫醇蛋白與HMW醇蛋白之間的非重復(fù)結(jié)構(gòu)域也存在序列相似性,尤其是在保守的半胱氨酸位置及靠近這些半胱氨酸的氨基酸殘基。這些對(duì)比分析表明,富硫、貧硫及 HMW醇蛋白之間有共同的起源進(jìn)化關(guān)系。廣泛地比較玉米醇蛋白(zein)、燕麥和稻谷醇蛋白 (prolamins)、雙子葉植物種子2S貯藏清蛋白、谷物種子α-淀粉酶和胰島素抑制劑、包括脂肪轉(zhuǎn)移蛋白和谷物種子puroindolines在內(nèi)的LMW富半胱氨酸植物蛋白,發(fā)現(xiàn)也存在進(jìn)化和結(jié)構(gòu)類似關(guān)系。于是將這些醇蛋白統(tǒng)稱為谷物醇蛋白超級(jí)家族 (ce2 real prolamin superfamily)。谷物醇蛋白普遍具有營養(yǎng)功能,但是只有小麥的醇蛋白與加工品質(zhì)相關(guān)。小麥醇蛋白是面筋蛋白(gluten)重要構(gòu)成成分,面筋蛋白形成面團(tuán)的黏彈性網(wǎng)絡(luò),在小麥加工成面食、面包及其他產(chǎn)品中起重要作用。

圖 1 小麥三種醇蛋白類型

1.2.2 玉米醇蛋白 (prolamins ofmaize)

玉米醇溶蛋白 (zeins)于 1821年從玉米中分離出來,缺乏賴氨酸、色氨酸,但富有谷酰胺、脯氨酸、丙氨酸及亮氨酸。它有凝膠化、黏結(jié)及形成膜等特征。玉米醇蛋白與其他黍亞科谷物如高粱、黍的醇蛋白構(gòu)成一個(gè)大類(α-zeins)與幾個(gè)小類(β-、γ-、σ-zeins)(圖 2a)。氨基酸序列對(duì)比分析表明,β-、γ-、σ-zeins都是醇蛋白超級(jí)家族的成員。γ-zeins含有 2個(gè)或 8個(gè) Pro-Pro-Pro-Val-His-Leu的串聯(lián)重復(fù)氨基酸基序,β-和σ-zeins都富有甲硫氨酸,這些甲硫氨酸成簇區(qū)域靠近γ-zeins的 C-末端。玉米α-zeins僅僅與黍亞科其他谷物的α-型醇蛋白相似,與其他醇蛋白類型無明顯類似關(guān)系。SDS-PAGE分子質(zhì)量分析表明,玉米α-zeins分為19 ku(Z19)和 22 ku(Z22)的兩大亞組,它們各自的實(shí)際分子質(zhì)量是 23～24 ku和 26.5～27 ku[7]。這兩個(gè)亞組包括 20個(gè)氨基酸殘基的退化重復(fù)區(qū),Z19有9個(gè)重復(fù)區(qū),Z22有 10個(gè)重復(fù)區(qū) (圖 2b)。玉米αzeins每分子僅含有 1～2個(gè)半胱氨酸殘基,在種子中以單聚物或寡聚物存在,但是β-γ-、σ-zeins都富有半胱氨酸,形成了多聚物。

圖2 玉米醇蛋白

2 谷物種子貯藏蛋白的合成與沉積

2.1 貯藏蛋白的合成與沉積

谷物種子貯藏蛋白以分泌方式產(chǎn)生,沉積在單個(gè)的蛋白體內(nèi)。蛋白體的起源、種子貯藏蛋白運(yùn)輸與沉積的機(jī)理還不完全清楚。分別位于谷物胚與糊粉層細(xì)胞、胚乳細(xì)胞的7S和11S貯藏球蛋白,可能按照雙子葉植物種子的同源蛋白方式分泌、運(yùn)輸及沉積。它們一般在粗面型內(nèi)質(zhì)網(wǎng) (ER)膜上合成,邊翻譯邊被運(yùn)輸?shù)絻?nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi) (lumen),接著通過高爾基體運(yùn)輸?shù)劫A藏球蛋白的液胞中,這些大量存在的球蛋白貯藏液胞不同于發(fā)育種子內(nèi)同時(shí)存在的裂解型液胞[8]。貯藏球蛋白這種分類儲(chǔ)存的確切機(jī)制還沒有完全了解,但高爾基體內(nèi)的物理聚集作用很重要,在電鏡下顯示電子密集型聚合物,這些聚合物形成濃密小泡的內(nèi)含物。貯藏球蛋白沒有向液胞定向運(yùn)輸?shù)目汕谐半?這種成熟蛋白不含前肽可能有重要意義。

與球蛋白比較,醇蛋白運(yùn)輸與沉積機(jī)制了解更少,可能有 2種方式。在玉米、稻谷及其他黍型谷物(如高粱、黍)中,醇蛋白直接在 ER腔內(nèi)積累,形成ER單層膜包裹的離散蛋白體[9]。在稻谷內(nèi)存在 2個(gè)蛋白體群體,PB-I來自 ER,含有醇蛋白;PB-II來自液胞,含有球蛋白/谷蛋白[10],如圖 3a。Okita研究組提出證據(jù),醇蛋白和球蛋白/谷蛋白在各自的ER亞區(qū)域合成,醇蛋白的 mRNA被定位到粗面型ER,粗面型 ER與發(fā)育著的含醇蛋白的蛋白小體相關(guān)。球蛋白/谷蛋白的 mRNA被定位到更特定的潴泡 (cysternal)ER膜[11]。其他證據(jù)表明,醇蛋白 mR2 NA能夠結(jié)合到微管蛋白 (tubulin)和肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架 (actin cytoskeleton)的特定位點(diǎn)[12]。

圖 3 正在發(fā)育的谷物籽粒淀粉型胚乳細(xì)胞中的蛋白體

與稻谷類似,燕麥胚乳細(xì)胞內(nèi)含有高比例的球蛋白類型貯藏蛋白。在這種情況下,球蛋白與醇蛋白位于同一蛋白體,醇蛋白是染色較輕的內(nèi)含物(圖 3b)。這可能是 ER內(nèi)的蛋白體 (含有醇蛋白)與液胞內(nèi)的蛋白體 (含有球蛋白)發(fā)生了融合[13]。

玉米、稻谷及 (可能)燕麥醇蛋白在 ER內(nèi)直接積累,還沒有證據(jù)表明被運(yùn)輸?shù)揭喊?。已?jīng)證明在小麥、大麥及(可能)黑麥種子內(nèi),存在醇蛋白向液胞運(yùn)輸與蛋白體形成兩個(gè)過程。其證據(jù)包括高爾基復(fù)合物內(nèi)醇蛋白的免疫金標(biāo)記,在 ER內(nèi)觀察到小蛋白體或者與 ER相關(guān)的小蛋白體,通過亞細(xì)胞分離技術(shù)制備了 ER標(biāo)記酶與蛋白體的結(jié)合物,在異源系統(tǒng)中表達(dá)野生型和突變體的醇蛋白[14]。結(jié)論是,一些醇蛋白(主要是小麥醇蛋白),通過高爾基體運(yùn)輸?shù)劫A藏蛋白體的液胞,而其他醇蛋白 (主要是谷蛋白),保留在 ER內(nèi)。ER內(nèi)的蛋白體隨后以類似自我吞噬(autophagy)的方式被貯藏蛋白的液胞所吸收。在發(fā)育小麥種子內(nèi)蛋白體也包含深染色的內(nèi)含物即貯藏球蛋白 (triticin,圖 3c中 I),它可能通過高爾基體運(yùn)輸?shù)揭喊麅?nèi)的蛋白體中[15]。小麥兩類蛋白體融合的確切機(jī)制還不清楚。事實(shí)上,在小麥成熟干種子胚乳細(xì)胞內(nèi),存在圍繞淀粉粒并吞沒其他細(xì)胞結(jié)構(gòu)殘?jiān)倪B續(xù)蛋白質(zhì)基質(zhì)。當(dāng)小麥粉與水混合形成面團(tuán)時(shí),這個(gè)基質(zhì)是形成面筋網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

醇蛋白是保留在 ER內(nèi),還是通過高爾基體運(yùn)輸?shù)揭喊臋C(jī)制還不清楚。在這些醇蛋白中均沒有找見典型的 ER保持信號(hào)肽,即 C-端的四肽 KDEL或HDEL,或者液胞定位序列。在異源系統(tǒng)中分別表達(dá)玉米γ-zeins和小麥γ-gliadin,對(duì)野生型和突變型分析均表明,富脯氨酸重復(fù)序列對(duì)醇蛋白保留在 ER內(nèi)是必需的[16]?？赡艿氖?這些富脯氨酸重復(fù)區(qū)域形成蛋白質(zhì) -蛋白質(zhì)互作,導(dǎo)致不溶性聚合物的增大,在 ER內(nèi)直接積累,而不是被運(yùn)輸?shù)礁郀柣w和液胞[17]。Okita研究組提出不同的機(jī)理解釋醇蛋白保持在稻谷胚乳細(xì)胞的 ER內(nèi)。這包括與分子伴侶Bip(binding protein,結(jié)合蛋白)的互作,Bip結(jié)合到初生的醇蛋白多肽,并將該多肽保留在 ER內(nèi),直到組裝成一個(gè)蛋白體[9]。但這個(gè)機(jī)制對(duì)其他谷物還沒有提出。

2.2 蛋白體內(nèi)貯藏蛋白的構(gòu)建

在發(fā)育著的淀粉型胚乳細(xì)胞中,燕麥 (圖 3b)和小麥(圖 3c)的蛋白體呈現(xiàn)球形小泡或不規(guī)則小泡兩種狀態(tài)。球形小泡以單層 ER膜包裹,含有醇蛋白;不規(guī)則小泡由液泡沉積物形成,含有球蛋白/谷蛋白。這樣,分別含有醇蛋白和球蛋白沉積物的兩類蛋白體群落最初是易區(qū)分的,隨后這兩類蛋白體就發(fā)生了融合,如水稻 (圖 3a)。鑒于醇蛋白與球蛋白的結(jié)構(gòu)和特性不同,在胚乳細(xì)胞發(fā)育初期階段依據(jù)形態(tài),就可以區(qū)分含有醇蛋白或球蛋白的蛋白體群落。

由于不同的醇蛋白類型在電鏡下顯示相似的染色特性,所以蛋白體內(nèi)不同類型醇蛋白的空間分布還沒有闡明。但 Lending等[18]研究顯示,蛋白體內(nèi)玉米醇蛋白 (zeins)類型分布的差異性,與它們?cè)诎l(fā)育胚乳組織中的位置相關(guān)。如圖 4,亞糊粉層區(qū)域幼齡細(xì)胞內(nèi)的蛋白體,主要含有β-和γ-zeins,它們遍及整個(gè)蛋白體內(nèi)。一旦轉(zhuǎn)遞到胚乳組織細(xì)胞內(nèi),這些蛋白體體積增大,中心位置出現(xiàn)含有α-zeins的小腔。這些小腔最終融合成一個(gè)連續(xù)的α-zeins中心區(qū)域,結(jié)果是成熟蛋白體中,β-和γ-zeins分布在α-zeins中心區(qū)域的周邊[19]。

圖4 玉米胚乳蛋白體發(fā)育的模式。

利用高度特異性α-、β-、γ-zeins抗體,很容易進(jìn)行玉米胚乳細(xì)胞蛋白體發(fā)育研究。類似的研究對(duì)其他谷物還沒有報(bào)道。但是用不同小麥醇蛋白(gliadin)組分的研究表明,醇蛋白組分呈空間微相態(tài)(microphases)分布,所以能夠區(qū)分。將純化的αgliadin與ω-gliadin組分溶解在 70%的乙醇中,分別以 1∶3、1∶1及 3∶1混勻,涂抹到云母 (mica)表面,讓溶劑蒸發(fā)。在原子力顯微鏡下分析干膜的表面特性,兩個(gè)相態(tài)的比例約相關(guān)于混合組分的比率[20],這說明在小麥胚乳細(xì)胞蛋白體中,醇蛋白(gliadin)和谷蛋白(glutenins)可以依據(jù)各自的微相態(tài)區(qū)分,不過在常規(guī)電鏡下觀察不到。

采用異源系統(tǒng)表達(dá)試驗(yàn)也表明,各種玉米醇蛋白(zeins)類型的混合物,對(duì)正常蛋白體的形成是必要的。轉(zhuǎn)基因煙草中γ-zein表達(dá)時(shí),檢測(cè)到α-zein積累。在煙草中單獨(dú)表達(dá)β-zeins或σ-zeins時(shí),形成了不正常的蛋白體,將兩者一起表達(dá)時(shí)則顯示正常的蛋白體[21]。從這些研究中看到,谷物蛋白體形成的機(jī)制,不同儲(chǔ)藏蛋白類型的作用與構(gòu)建還需要研究。

2.3 淀粉型胚乳組織內(nèi)醇蛋白的空間分布

在發(fā)育著的谷物胚乳組織內(nèi),糊粉細(xì)胞連續(xù)平周分裂,幼齡細(xì)胞就出現(xiàn)在亞糊粉層,老齡細(xì)胞存在胚乳組織的中心部位。在小種子谷物和黍亞科中,亞糊粉層細(xì)胞幾乎不含有淀粉粒,而且淀粉粒比胚乳組織中心部位細(xì)胞中的小,但是這些亞糊粉層細(xì)胞含有高比例的蛋白。就整個(gè)小麥胚乳組織,每個(gè)細(xì)胞內(nèi)總蛋白含量變化不大。對(duì)玉米,在亞糊粉層和胚乳組織外層細(xì)胞,蛋白體中富有β-zeins、γzeins,但α-zeins含量較低,α-zeins均一地分布在整個(gè)胚乳組織。這種分布有助于玉米胚乳細(xì)胞中蛋白體的發(fā)育形成。盡管大麥及(可能)小麥胚乳組織內(nèi)醇蛋白分布存在差異,但是這個(gè)現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制還不清楚。這兩個(gè)物種的亞糊粉層細(xì)胞富有蛋白質(zhì),對(duì)大麥進(jìn)行免疫標(biāo)記和去殼分析表明,這些蛋白質(zhì)主要是富硫和貧硫醇蛋白(主要是B-和 C-hor2 deins),HMW醇蛋白 (D-hordeins)大量存在在亞糊粉層下胚乳細(xì)胞[22]。大麥和小麥胚乳組織中醇蛋白這種分布對(duì)籽粒加工利用很重要,由于D-hordeins是凝膠蛋白的主要成分,它限制了大麥發(fā)芽期間胚乳變化,而小麥谷蛋白的同源 HMW亞基是彈性 (elasto2 meric)聚合物的重要成分,在面包及其他食品加工利用中起支撐作用。

3 醇蛋白基因表達(dá)的調(diào)控

醇蛋白基因表達(dá)主要在轉(zhuǎn)錄水平進(jìn)行調(diào)控,既是組織特異性發(fā)育調(diào)控,在種子發(fā)育中后期的胚乳組織中專一表達(dá);也是營養(yǎng)調(diào)控的,對(duì)種子中硫和氮的可利用性反應(yīng)敏感。對(duì)硫的反應(yīng),醇蛋白基因表達(dá)機(jī)制還不清楚。在小麥、大麥及黑麥中已經(jīng)鑒定了一個(gè)基序,它參與富硫、貧硫醇蛋白基因表達(dá)對(duì)氮的反應(yīng)。這個(gè)基序(N-基序或氮元件)位于高度保守的醇蛋白盒基因 (prolamin box)中[23]。醇蛋白盒基因,有時(shí)也叫胚乳元件,是第一個(gè)醇蛋白基因調(diào)節(jié)序列。通過比較分析幾個(gè)小麥醇蛋白 (gliadins)和大麥醇蛋白(hordeins)基因的起動(dòng)子,鑒定了這個(gè)醇蛋白盒基因。這個(gè)醇蛋白盒基因序列 (長 30 bp)是5’-TGACATGTAA AGTGAATAAG ATGAGTCATG,在轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游 300 bp處 (剛開始稱為 -300元件)。它 3′端保守的N-基序序列,在富硫醇蛋白基因中是G(A/G)TGAGTCAT,在貧硫醇蛋白盒基因中以反義互補(bǔ)形式存在。該 N-基序與酵母氮信號(hào)途經(jīng)元件 (有時(shí)稱為 GCN4-like基序,GLM)GCN4的轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)有相似性。醇蛋白盒基因中第2個(gè)高度保守的基序序列是TGTAAAGT,被稱為胚乳基序或者 E基序[24]。

將構(gòu)建的大麥富硫醇蛋白(B-hordein)啟動(dòng)子/氯霉素乙酰轉(zhuǎn)移酶 (chloramphenicol acetyl transfer2 ase,CAT)報(bào)告基因轉(zhuǎn)化煙草,結(jié)果顯示醇蛋白盒基因中含有功能性啟動(dòng)子區(qū)域[25]。Hammond-Kosack等[24]表明醇蛋白盒基因具有自身的調(diào)節(jié)作用。Müller等[23]采用同源基因瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng),用基因槍法將大麥貧硫醇蛋白 (C-hordein)啟動(dòng)子/β-葡萄糖醛酸酶 (β-glucuronidase,GUS)構(gòu)建導(dǎo)入培養(yǎng)的大麥胚乳細(xì)胞。這個(gè)試驗(yàn)證明了 E基序和N基序是獨(dú)立的元件,在低氮水平時(shí)N基序抑制基因表達(dá);當(dāng)?shù)匠渥銜r(shí)N基序與 E基序、其他上游元件相互作用產(chǎn)生高水平基因表達(dá)。

Hammond-Kosack等[24]利用體內(nèi)足跡法和凝膠滯緩試驗(yàn)分析表明,醇蛋白盒基因內(nèi) E基序、小麥低分子質(zhì)量谷蛋白亞基基因啟動(dòng)子上游的較遠(yuǎn)序列,結(jié)合一個(gè)公認(rèn)的轉(zhuǎn)錄因子 ESBF-Ⅰ。第二個(gè)公認(rèn)的轉(zhuǎn)錄因子 ESBF-II在基因表達(dá)量最大之前結(jié)合N-基序。第三個(gè)公認(rèn)的轉(zhuǎn)錄因子 SPA識(shí)別N基序。綜合這些結(jié)果,N-基序是富硫和貧硫醇蛋白基因氮調(diào)節(jié)機(jī)制的一個(gè)重要元件。它需要與 E基序相互作用,這兩個(gè)基序一起構(gòu)成了醇蛋白盒基因。但是,不是所有醇蛋白基因都含有醇蛋白盒基因,例如玉米醇蛋白 (zein)基因啟動(dòng)子含有一個(gè)高度保守的 15 bp元件,充當(dāng)組織特異性表達(dá)的增強(qiáng)子。這個(gè) 15 bp的元件含有序列TGTAAAG,類似 E基序,但缺乏 N基序。γ-zein醇蛋白啟動(dòng)子中存在N-基序,與 E-基序是分開的,它的功能還不清楚[26]。

完整的醇蛋白盒基因也不會(huì)出現(xiàn)在小麥 HMW醇蛋白基因啟動(dòng)子中。HMW醇蛋白基因啟動(dòng)子含有一個(gè)重要調(diào)節(jié)元件,序列是 5’-GTTTTGCAAA GCTCCAATTG CTCCTTGCTT ATCCAGCT。這個(gè) 38 bp的序列在所有 HMW醇蛋白啟動(dòng)子中是高度保守的,起始位置在 -185到 -189[27]。這個(gè)元件包含TGCAAAG序列,類似玉米 zein基因中存在的 E基序TGTAAAG序列,但它不含有類似 N基序的序列。HMW醇蛋白基因啟動(dòng)子上游到增強(qiáng)子之間的序列對(duì)應(yīng)部分N和 E基序序列,這些序列的缺失不會(huì)明顯影響啟動(dòng)子活性,至少在轉(zhuǎn)基因煙草中驅(qū)動(dòng)報(bào)告基因表達(dá)。

4 種子貯藏蛋白與谷物加工利用

4.1 作為混合飼料成分

谷物種子貯藏蛋白是人和動(dòng)物食用植物蛋白的主要來源。谷物種子的總蛋白含量是種子干重的10%～15%,其中貯藏蛋白占總蛋白含量的一半,對(duì)種子利用特性有重要影響。除過燕麥和稻谷外,醇蛋白是大多數(shù)谷物的重要貯藏蛋白成分,但是它缺乏必需氨基酸賴氨酸、亮氨酸、色氨酸 (尤其對(duì)玉米)。對(duì)豬、禽等動(dòng)物長期喂養(yǎng)這些谷物,就導(dǎo)致這些必需氨基酸缺乏。因此將谷物與含有這些氨基酸的大豆、油料種子、魚粉等相結(jié)合,作為混合飼料。谷物富有含硫氨基酸,賴氨酸含量低,苜蓿種子則相反,將兩者混合就可以達(dá)到必需氨基酸互補(bǔ)。

4.2 種子萌發(fā)與糧食儲(chǔ)藏

如何避免種子衰老和陳化問題是種子生理學(xué)和糧食儲(chǔ)藏學(xué)研究的重要課題。種子活力與種子萌發(fā)時(shí)胚貯藏蛋白降解速率、新蛋白合成是一致的,不同活力的玉米胚吸脹 24 h的蛋白質(zhì)合成能力及貯藏蛋白降解程度,可作為衡量玉米種子活力的生化指標(biāo)[28-29]。我國遼寧省出土的、在地層中保存約 1450年的古蓮子,在人工處理下能夠發(fā)芽與開花。除了它堅(jiān)硬的種子外殼阻止水、空氣進(jìn)入外,貯藏蛋白及其他蛋白受到最小的損傷而使種子保持活力[30]。

4.3 面筋蛋白與小麥加工品質(zhì)

谷物蛋白對(duì)其加工食品的功能特性有重要影響。除過稻谷外,大宗谷物都以加工品被消費(fèi),多數(shù)小麥通過磨粉除去胚芽 (胚)和麩皮 (包括果皮、種皮、珠心層及糊粉層),成為小麥粉。小麥粉來源淀粉型胚乳細(xì)胞,含有大量的淀粉和面筋蛋白。小麥粉之所以能夠加工成面包、面條、蛋糕、餅干及面食等,在于其種子貯藏蛋白的特性與其他谷物不同。這些蛋白質(zhì)沉積在胚乳細(xì)胞內(nèi)散布的蛋白體,在種子成熟后期蛋白體在細(xì)胞內(nèi)結(jié)合形成一個(gè)連續(xù)的基質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)小麥粉與水混合形成面團(tuán)時(shí),小麥粉粒子中的面筋蛋白集合在一起在面團(tuán)中形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)賦予面團(tuán)黏結(jié)性、彈性及延展性。這些特性使得面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)被酵母發(fā)酵釋放的 CO2所膨大,產(chǎn)生色亮、多孔瓤面包結(jié)構(gòu)。所有小麥類型都能夠加工成面包,但是面包品質(zhì)差異甚大,這種差異與小麥品種、生長環(huán)境及二者互作的遺傳差異有關(guān)。與北美、南/中歐干熱地區(qū)比較,英國、北歐生產(chǎn)的小麥面筋較弱,加工面包時(shí)需要與強(qiáng)筋小麥混合。

250多年來,小麥面筋蛋白黏彈特性形成的機(jī)制一直是研究的熱點(diǎn),由于它與改良小麥加工利用特性有關(guān)。決定面團(tuán)強(qiáng)度的最重要因子是一些谷蛋白形成聚合物的能力,谷蛋白聚合物由鏈間二硫鍵所穩(wěn)定,分子質(zhì)量可以達(dá)到 1×104ku。已經(jīng)明確了高分子質(zhì)量谷蛋白亞基(HMW-GS),對(duì)大分子聚合物的形成重要作用。強(qiáng)筋面團(tuán)(高度黏彈性)就含有高比例的 HMW-GS聚合物。對(duì)這個(gè)原理的認(rèn)識(shí)是Payne[31]發(fā)現(xiàn)的,HMW醇蛋白 (即 HMW-GS)成分的等位變異,與歐洲面包小麥加工品質(zhì)的差異呈相關(guān)性。HMW-GS占總面筋蛋白的8%～12%,它們?cè)忈屃藲W洲小麥面包加工品質(zhì)變異的 45%～70%。之后其他學(xué)者都證實(shí)了這個(gè)相關(guān)性,于是HMW-GS的結(jié)構(gòu)與特性被詳細(xì)地研究。由于谷蛋白聚合物較低的溶解性,缺乏結(jié)晶結(jié)構(gòu),所以對(duì)其結(jié)構(gòu)分析較困難。HMW-GS能夠形成具有彈性的聚合物網(wǎng)絡(luò),在與其他谷蛋白亞基、醇蛋白相互作用中,它提供支撐作用。鏈間二硫鍵對(duì)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)起穩(wěn)定作用,特別是在重復(fù)結(jié)構(gòu)域的谷氨酰胺殘基之間形成的鏈間氫鍵(圖 1),對(duì)彈性材料形成很重要[32]。谷蛋白超過一定的分子質(zhì)量分布,其肽鏈才能形成彈性[33],較大的谷蛋白聚合物的分子質(zhì)量分布造成富有彈性的面團(tuán),改善了面包的加工特性。面筋蛋白生物物理學(xué)特性形成的意義還不清楚,作為種子貯藏蛋白,不知道它們呈現(xiàn)黏彈性的目的是什么。可能的是,決定這些特性的分子間相互作用在發(fā)育著的種子中開始建立,從種子發(fā)育中期胚乳細(xì)胞分離的蛋白體,含有二硫鍵連接的谷蛋白聚合物,這些聚合物被證明具有黏彈性。蛋白二硫異構(gòu)酶催化 ER內(nèi)面筋蛋白之間二硫鍵形成,分子伴侶(Bip)在建立其他蛋白與面筋蛋白相互的確切作用,還不肯定。

4.4 調(diào)控 HMW麥谷蛋白亞基表達(dá)與改良小麥加工品質(zhì)

六倍體面包小麥 (Triticum aestivumL.,2n=6x =42,AABBDD)是麥類中唯一適合加工發(fā)酵烘焙產(chǎn)品。編碼 HMW-GS基因位點(diǎn)Glu-1位于第 1部分同源染色體長臂上,而ω-醇蛋白基因位點(diǎn) Glu-1和LMW-GS基因位點(diǎn)Glu-1連鎖位于短臂上。在第 6部分同源染色體的短臂上還有醇蛋 Glu-1基因位點(diǎn)[34-35]。面包小麥加工品質(zhì)主要由 HMW-GS決定,有6個(gè)基因編碼 HMW-GS,兩個(gè)基因?yàn)橐唤M連鎖位于基因組 A、B及D的 Glu-1位點(diǎn)。這些位點(diǎn)中每組連鎖基因分別編碼高、低分子質(zhì)量的X-型和 Y-型亞基。由于基因沉默,Glu-A1編碼 0～1個(gè)亞基,Glu-B1編碼 1～2個(gè)亞基,Glu～D1編碼 2個(gè)亞基,所以面包小麥品種僅存在 3～5個(gè) HMWGS。1Bx、1Dx及 1Dy亞基存在所有面包小麥品種, 1Ax或 1By亞基僅存在一些品種中。所有表達(dá)亞基在 SDS-PAGE電泳中根據(jù)相對(duì)遷移率編號(hào)為 2個(gè)或 2個(gè)以上等位基因編碼產(chǎn)物,如 1Dx2與 1Dx5亞基是等位基因編碼產(chǎn)物,1Dx5亞基在 SDS-PAGE中遷移率大。而且,編碼的 X-型和 Y-型亞基以“等位基因?qū)Α碑a(chǎn)物形式遺傳,如亞基 1Dx2+1Dy12與 1Dx5+1Dy10是等位基因產(chǎn)物。于是,基因表達(dá)及編碼蛋白的這種等位變異對(duì)面團(tuán)強(qiáng)度產(chǎn)生數(shù)量和質(zhì)量影響。數(shù)量效應(yīng)與基因表達(dá)相關(guān),尤其在 Glu-A1位點(diǎn),1Ax亞基 (1A1或 1A23)的基因表達(dá)量增加,HMW-GS蛋白總量可以增加 2%[36]。質(zhì)量效應(yīng)的差異還不清楚,但認(rèn)為與等位表達(dá)蛋白的不同結(jié)構(gòu)與特性有關(guān),如在 Glu-D1基因位點(diǎn),與廣泛存在的等位基因產(chǎn)物 1Dx2+1Dy12、1Dx3+1Dy12及1Dx4+1Dy12比較,1Ax1+1Ay23、1Bx17+1By18、1Dx5+1Dy10亞基相關(guān)于優(yōu)質(zhì)的面包加工品質(zhì)。許多HMW-GS編碼基因已經(jīng)從面包小麥分離,它們編碼 1Ax(1,23)、1Bx(7,17)、1By(9)、1Dx(2,5)及 1Dy(10,12)亞基[34],這使得通過遺傳工程改良小麥加工特性變得容易。

過去十多年里報(bào)道了在面包小麥品種表達(dá)HMW-GS基因,采用其自身的啟動(dòng)子,或者另一HMW亞基基因的啟動(dòng)子,被轉(zhuǎn) HMW-GS基因的表達(dá)量接近或超過了內(nèi)在基因的表達(dá)量。利用亞基1Dx5基因啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)編碼β-葡萄糖醛酸酶的UidA報(bào)告子基因在小麥表達(dá),證明了被轉(zhuǎn)基因的表達(dá)僅限于胚乳組織。同時(shí)在溫室和田間對(duì)轉(zhuǎn)基因小麥試驗(yàn)中,分析了 HMW-GS基因?qū)γ鎴F(tuán)強(qiáng)度的影響[37-38]。在 Glu-A1位點(diǎn)基因發(fā)生沉默的株系表達(dá) 1Ax1亞基,增加了面團(tuán)強(qiáng)度,改善面包品質(zhì)能夠達(dá)到內(nèi)源 1Ax1亞基表達(dá)的水平。將 1Ax1亞基基因轉(zhuǎn)入不含有該基因的BobWhite小麥,轉(zhuǎn)基因小麥中HMW-GS 1Ax1亞基含量,是種子總蛋白的 0.6%～2.3%,以總 HMW-GS量計(jì)最高達(dá)到 71%[39]。1Dx5和 1Dy10共同表達(dá)的株系小麥粉混合時(shí)間 (即面團(tuán)強(qiáng)度)顯著地增加。如果缺乏 1Dy10亞基表達(dá),僅表達(dá) 1Dx5的株系 (歐洲小麥品種存在)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的結(jié)果:小麥粉不能吸水,在揉混儀 (Mixgraph)中不能形成正常的面團(tuán),揉混儀曲線是扁平的,烘烤的面包體積小、質(zhì)地色深。進(jìn)一步分析表明,面筋蛋白顯示高比例的不溶性谷蛋白聚合物,流變學(xué)特性類似加入轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶后面筋蛋白的交聯(lián)增加。亞基 1Dx5不同于所有其他 X-型亞基,在于氨基酸序列中多了一個(gè)半胱氨酸殘基,這導(dǎo)致在谷蛋白聚合物內(nèi)或者之間,尤其在缺乏亞基 1Dy10時(shí),發(fā)生不尋常的高水平交聯(lián)。這就解釋了谷蛋白聚合物的不溶性,不能發(fā)生正常的水合作用。1Ax1亞基的表達(dá)分析也表明遺傳改良能夠產(chǎn)生面團(tuán)強(qiáng)度增加的小麥品種。對(duì)目前歐洲優(yōu)良面包小麥品種,采用直接轉(zhuǎn)化,或者雜交滲入模式小麥株系的基因,都能夠改良面團(tuán)強(qiáng)度[40]。一些HMW-GS基因和LMW-GS基因已經(jīng)轉(zhuǎn)化到面包 (Triticum aestivum)和面食 (Triticum turgidum)小麥品種。

HMW-GS與面包小麥加工品質(zhì)明顯有關(guān),可以選擇它們作為小麥品質(zhì)遺傳改良的早期篩選標(biāo)記。此外,由于LMW-GS與醇蛋白編碼基因是連鎖的,一些醇蛋白可以作為小麥品質(zhì)改良的遺傳標(biāo)記。我國學(xué)者對(duì) 113個(gè)小麥品系 (冬小麥品種國產(chǎn) 81個(gè)、澳大利亞 4個(gè),春小麥品種國產(chǎn) 9個(gè)、國外 23個(gè))鑒定面團(tuán)強(qiáng)度和面包加工品質(zhì)相關(guān)的醇蛋白亞基,發(fā)現(xiàn) Gli-D1位點(diǎn)連鎖基因編碼的ω-醇蛋白亞基 15 +16可以作為小麥加工品質(zhì)改良的篩選標(biāo)記[41]。

5 結(jié)語

谷物貯藏蛋白對(duì)種子品質(zhì)形成及利用特性有重要作用。了解這些蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、生物物理學(xué)特性及其在種子內(nèi)合成、運(yùn)輸和沉積的生物學(xué)機(jī)制,對(duì)通過遺傳工程改良谷物加工利用品質(zhì)有指導(dǎo)意義。由于小麥 HMW-GS等位基因是緊密連鎖的,利用常規(guī)育種方法操作它們就很困難。鑒定和克隆這些HMW-GS基因,通過遺傳轉(zhuǎn)化的方法將與面包加工品質(zhì)相關(guān)的基因?qū)雰?yōu)良栽培品種。早期的工作是研究增加小麥醇蛋白和谷蛋白亞基表達(dá)的轉(zhuǎn)基因技術(shù),主要是探索異源系統(tǒng)表達(dá)技術(shù),對(duì)表達(dá)蛋白的結(jié)構(gòu)與功能涉及較少[42],而且轉(zhuǎn)基因操作主要針對(duì)易于轉(zhuǎn)化的模式材料(如BobWhite小麥),不是針對(duì)高產(chǎn)的小麥栽培品種。近來已經(jīng)開始將轉(zhuǎn)入模式材料的基因通過常規(guī)育種技術(shù)滲入優(yōu)良栽培品種[40]。在逐步認(rèn)識(shí)我國小麥資源醇蛋白和麥谷蛋白等位基因構(gòu)成特性的基礎(chǔ)上,分析它們與小麥加工利用品質(zhì)的關(guān)系,在育種中充分利用這些優(yōu)質(zhì)基因,是一個(gè)重要的研究內(nèi)容。

盡管大量研究證實(shí)通過遺傳工程調(diào)控小麥面筋蛋白的結(jié)構(gòu)與特性是可行的,但是現(xiàn)有小麥面筋蛋白結(jié)構(gòu)與功能資料積累還不能可靠地預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。用編碼面包小麥HMW-GS的基因轉(zhuǎn)化其他面筋蛋白的野生型和突變株系,能夠分析特定 HMWGS的功能與結(jié)構(gòu)特征,產(chǎn)生特性改變的株系。如缺乏D基因組的六倍體小黑麥 (X Triticosecale,2n=6x =42,AABBRR),排除了第 1部分同源染色體長臂上的 Glu-D1位點(diǎn)和短臂上的 Gli-D1及 Glu-D3位點(diǎn),以及第 6部分同源染色體短臂上的 Gli-D2位點(diǎn)。將黑麥 (Secale cerealeLinn,RR)R基因組 (攜帶第 1部分同源染色體長臂上的 Sec-3位點(diǎn)和短臂上的 Sec-1位點(diǎn),以及第 2部分同源染色體長臂上的Sec-2位點(diǎn))移位到小黑麥,降低了小黑麥面包加工品質(zhì)[43]。將面包小麥第 1部分同源染色體長臂移位到小黑麥第 1部分同源染色體長臂,以 Glu-D1d (亞基 5+10)等位基因代替 Sec-3位點(diǎn),再進(jìn)一步移位短臂上的 Gli-D1及 Glu-D3位點(diǎn)到小黑麥第1部分同源染色體短臂上,小黑麥品質(zhì)有改善的趨勢(shì),但面包加工品質(zhì)變化不明顯[44]。開展這些工作有利于豐富麥類種質(zhì)資源,為小麥粉加工過程中面筋調(diào)配提供原料。

我國食用小麥歷史悠久,饅頭、水餃、面條等蒸煮食品加工技術(shù)優(yōu)良、加工品種繁多,不足之處是需要進(jìn)口面包和餅干小麥。我國小麥品種中 Gli-D1f、Gli-A2f、Gli-B2g及 Gli-D2g醇蛋白等位基因、Glu-1Bb(1Bx7+1By8)、Glu-1Bc(1Bx7+1By9)、Glu-D1a(1Dx2+1Dy12)HMW-GS等位基因 (或亞基)高頻率發(fā)生,缺乏歐美品種中高頻率發(fā)生的Gli-B2c、Gli-B1b、Gli-A2b、Glu-A1c(1Ax1+ 1Ay23)、Glu-D1d(1Dx5+1Dy10)等位基因[45-46],這有利于開展食品蒸煮與烘焙的機(jī)理研究。結(jié)合糧食界已確定的一系列小麥品質(zhì)評(píng)價(jià)國家標(biāo)準(zhǔn),如優(yōu)質(zhì)小麥 -強(qiáng)筋小麥 (GB/T17892-1999)、優(yōu)質(zhì)小麥-弱筋小麥 (GB/T17893-1999)、專用小麥品種品質(zhì)(GB/T17320-1998)等,從種子儲(chǔ)藏蛋白與加工工藝角度,不斷完善這些國家標(biāo)準(zhǔn)及我國小麥品質(zhì)的評(píng)價(jià)體系。

[1]董超華,徐如宏,張慶勤.小麥醇溶蛋白和谷蛋白研究進(jìn)展[J].山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào),2003,22(2):164-168

[2]赫俊杰,何盛蓮,陳軍營.小麥種子儲(chǔ)藏蛋白研究進(jìn)展[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,38(3):249-254

[3]陳豫,曲樂慶,賈旭.水稻種子儲(chǔ)藏蛋白及其基因表達(dá)[J].遺傳,2003,25(3):367-372

[4]唐建衛(wèi),劉建軍,張平平,等.儲(chǔ)藏蛋白組分對(duì)小麥面團(tuán)流變學(xué)特性和食品加工品質(zhì)的影響[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008,41(10):2937-2946

[5]Shewry PR,Casey R.Seed proteins[M].Dordrecht:Kluwer Academic Publishers 1999

[6]Kriz AL.7S globulins of cereals[M]//Shewry PR,Casey R.Seed proteins,Dordrecht:Kluwer Academic Publishers, 1999:477-498

[7]Shewry PR,Tatham AS.The prolamin storage proteins of ce2 real seeds:structure and evolution[J].BiochemicalJournal, 1990,267:1-12

[8]Kermode AR,Bewley JD.Synthesis,processing and deposi2 tion of seed proteins:the pathway of protein synthesis and deposition of the cell[M]//Shewry PR,Casey R.Seed pro2 teins,Dordrecht:KluwerAcademic Publishers,1999:807-841

[9]Muench DG,Ogawa M,Okita T W.The prolamins of rice [M]//Shewry PR,Casey R.Seed proteins,Dordrecht:Klu2 werAcademic Publishers,1999:93-108

[10]Yamagata H,Tanaka K.The site of synthesis and accumula2 tion of rice storage proteins[J].Plant and Cell Physiology, 1986,27:135-145

[11]Li X,FranceschiV,Okita T W.Segregation of storage protein mRNAs on the rough endoplas mic reticulum membranesof rice endosper m membrane[J].Cell,1993,72:869-879

[12]Muench DG,Wu Y,Coughlan SJ,et al.Evidence for a cy2 toskeleton-associated binding site involved in prolamine mRNA localization to the protein bodies in rice endosperm tissue[J].Plant Physiology,1998,116:559-569

[13]Lending CR,Chesnut RS,Shaw KL,et al.I mmunolocaliza2 tion of avenin and globulin storage proteins in developing en2 dosperm ofAvena sativa L[J].Planta,1989,178:315-324

[14]Bechtel DB,W ilson JD,Shewry PR.I mmunocytochemical localization of thewheat storage protein triticin in developing endosper m tissue[J].Cereal Chemistry,1991,68:573-577

[15]Galili G.The prolamin storage proteins ofwheat and its rela2 tives[M]//Larkins BA,Vasil IK.Cellular and molecular biology of plant seed development,The Netherlands:Kluwer Academic Publishers,1997:221-256

[16]Altschuler Y,Galili G.Role of conserved cysteines of a wheat gliadin in its transport and assembly into protein bodies in Xenopus oocytes[J].Journal ofBiological Chem2 istry,1994,269:6677-6682

[17]Shewry PR.The synthesis,processing and deposition of glu2 ten proteins in the developingwheat grain[J].Cereal Foods World,1999,44:587-589

[18]Lending CR,Larkins BA.Changes in the zein composition of protein bodies duringmaize endosperm development[J]. The Plant Cell,1989,1:1011-1023

[19]Coleman CE,Herman EM,Takasaki K,et al.The maizeγ -zein sequestersα-zein and stabilizers its accumulation in protein bodies of transgenic tobacco endosperm[J].The Plant Cell,1996,8:2335-2345

[20]McMaster TJ,MilesMJ,WannerbergerL,et al.The identi2 fication ofmicrophases in mixedα-andγ-gliadin protein fil ms investigated by atomic forcemicroscopy[J].Journalof Agricultural and Food Chemistry,1999,47:5093-5099

[21]Bagga S,AdamsH,Rodriquez FD,et al.Co-expression of the maizeσ-andβ-zein genes results in stable accumu2 lation ofσ-zein in ER-derived protein bodies formed by β-zein[J].The Plant Cell,1997,9:1683-1696

[22]TecsiL,Darlington HF,HarrisN,et al.Patterns of protein deposition and distribution in developing and mature barley grain[C]//Barley genetics,V III.Proceedings of the 8th International Barley Genetics Symposium.Adelaide,Aus2 tralia,2000,2:266-268

[23]MüllerM,Knudsen S.The nitrogen response of a barley C -hordein promoter is controlled by positive and negative regulation of the GCN4 and endosperm box[J].The Plant Journal,1993,4:343-355

[24]Hammond-KosackMC,Holds worthMJ,BevanMW.In vi2 vo footprintingof a low molecularweight glutenin gene(LM2 WG-1D1)in wheat endosperm[J].The EMBO Journal, 1993,12:545-554

[25]Marris DG,Gallois P,Copley J,et al.The 5’flanking re2 gion of a barleyB hordein gene controls tissue and develop2 mental specific CAT expression in tobacco plants[J].Plant MolecularBiology,1988,10:359-366

[26]Coleman CE,Larkins BA.The prolamins of maize[M]// Shewry PR,Casey R.Seed proteins,Dordrecht:KluwerAc2 ademic Publishers,1999:109-139

[27]Shewry PR,Tatham AS,Halford NG.The prolamins of the Triticeae[M]//Shewry PR,Casey R.Seed proteins.Dor2 drecht:KluwerAcademic Publishers,1999:35-78

[28]劉軍,黃上志,傅家瑞.不同活力玉米種子胚萌發(fā)過程中蛋白質(zhì)的變化[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報(bào),1999,7:65-69

[29]王文軍,景新明.種子蛋白質(zhì)與蛋白組的研究[J].植物學(xué)通報(bào),2005,22(3):257-266

[30]Shen-Miller J,MudgettMB,Schopf JW,et al.Exception2 al seed longevity and robust growth:ancient sacred lotusfrom China[J].American Journal of Botany,1995,82: 1367-1380

[31]Payne PI.Geneticsofwheat storage proteins and the effectof allelic variation on bread-making quality[J].Annual Re2 view of Plant Physiology,1987,38:141-153

[32]Belton PS.On the elasticity of wheat gluten[J].Journal of Cereal Science,1999,29:103-107

[33]Macritchie F.Physicochemical properties of wheat proteins in relation to functionality[J].Advance in Food Nutrition and Research,1992,36:1-87

[34]Shewry PR,Jones HD,Halford NG.Plant biotechnology: transgenic crops[J]Adv Biochem Engin Biotechnol 2008, 111:149-186

[35]段淑娥.小麥麥谷蛋白亞基及其基因的研究進(jìn)展[J].西安文理學(xué)院學(xué)報(bào),2007,10(3):69-75

[36]BlechlAE,Anderson OD.Expression of a novel high-mo2 lecular-weight glutenin subunit gene in transgenic wheat [J].Nature Biotechnology,1996,14:875-879

[37]Popineau Y,Deshayes G,Lefebvre J,et al.Prolamin aggre2 gation,gluten vicoelasticity and mixing properties of trans2 genic wheat lines expressing 1Ax and 1Dx high molecular weight glutenin subunit transgenes[J].Journal of Agricul2 tural and Food Chemistry,2001,49:395-401

[38]RakszegiM,Békés F,Lang L,et al.Technological quality of transgenic wheat expressing an increased amount of a HMW glutenin subunit[J].Journal of Cereal Science, 2005,42:15-23

[39]Altpeter F,VasilV,SrivastavaV,et al.Integration and ex2 pression of the high-molecular-weight glutenin subunit 1Ax1 into wheat[J].Nature Biotechnology,1996,14: 1155-1159

[40]Field JM,Bhandari D,Bonet A,et al.Introgression of transgenes into a commercial cultivar confirms differential effects of HMW subunits 1Ax1 and 1Dx5 on gluten proper2 ties[J].Journal of Cereal Science,2008,48:457-463

[41]Wang AL,Gao LY,Li XH,et al.Characterization of two 1D-encodedω-gliadin subunits closely related to dough strength and pan bread-making quality in common wheat (Triticum aestivumL.) [J].Journal of Cereal Science, 2008,47:528-535

[42]Tamás L,Shewry PR.Heterologous expression and protein engineering ofwheat gluten proteins[J].Journal of Cereal Science,2006,43:259-274

[43]Lukaszewski AJ.Breeding behaviour of the cytogenetically engineered wheat-rye translocation chromosome 1RS.1BL [J].Crop Science,2001,41:1062-1065

[44]Martinek P,VinterováM,Bure?ováI,et al.Agronomic and quality characteristicsof triticale(XTriticosecaleW ittmack) with HMW glutenin subunits 5+10[J].Journal of Cereal Science,2008,47:68-78

[45]毛沛.小麥遺傳資源 HMW麥醇溶蛋白亞基組成及其與面包烘烤品質(zhì)關(guān)系的研究 [J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué):增刊, 1995,28:22-27

[46]晏月明,茹巖巖,余建中.中國小麥品種醇溶蛋白 Gli-1和 Gli-2編碼位點(diǎn)等位基因組成分析 [J].農(nóng)業(yè)生物技術(shù)學(xué)報(bào),2000,8(1):23-27.

Cereal Seed Storage Proteins:Structure, Property and Role in Grain Utilization

Li Xingjun
(Academy of the State Administration of Grains,Beijing 100037)

Storage proteins account for 50%of the total protein in mature cereal grains,and play role on grain nutrition for human and livestock and on grain properties relative with seed ger mination,grain storage and food pro2 cessing.The structures and properties of prolamin and globulin storage proteins of cereals and their mechanis ms of synthesis,transportation and deposition in the developing seeds are introduced.The role of gluten proteins ofwheat in deter mining bread making quality,and how to manipulate their amount and composition to change dough-mixing property is also demonstrated.This review is suggestive for cereal breeding,grain storage and grain processing quality valuation.

cereal,storage protein,prolamin,gluten,functional property,protein body

Q51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-0174(2010)05-0105-10

國家糧科院科研業(yè)務(wù)費(fèi)(ZX0708012),國家教育部留學(xué)歸國啟動(dòng)基金(Z1006)

2009-05-20

李興軍,男,1971年出生,副研究員,博士,糧食生理生化