Rht12矮秆突变对冬小麦'Maris Huntsman'籽粒贮藏蛋白组成的影响及其育种潜力分析

本研究针对GA敏感型矮秆基因Rht12对小麦品质的调控机制展开探索，通过两年田间试验结合高效液相色谱技术，发现Rht12突变显著提高籽粒蛋白质含量（增幅20.34–25.81%）和沉降值，但降低谷蛋白-醇溶蛋白比率（降低4.45–7.79%）和不可提取聚合蛋白比例（UPP%），揭示了矮秆基因通过改变贮藏蛋白组成影响加工品质的新机制，为抗旱矮秆小麦育种提供了重要理论依据。

　　

在农业绿色革命浪潮中，矮秆基因的引入彻底改变了小麦的生产格局。通过降低植株高度，Rht（Reduced height）基因显著提升了作物的抗倒伏能力和氮肥利用效率，其中基于DELLA蛋白的Rht-B1b和Rht-D1b突变体已成为现代小麦品种的支柱。然而，这些赤霉素（GA）不敏感型突变体存在一个致命缺陷——缩短的胚芽鞘长度在土壤墒情较差的半干旱地区会严重制约幼苗出土，从而限制其在干旱地区的应用潜力。面对这一挑战，科学家开始将目光转向GA敏感型矮秆基因，其中Rht12突变体因其独特的农艺特性引起广泛关注：它不仅能使株高降低40-50%，还能保持正常胚芽鞘长度，同时提高小穗育性和收获指数。但令人困惑的是，尽管Rht12在农艺性状方面表现优异，其对籽粒品质特别是贮藏蛋白组成的影响却始终笼罩在迷雾之中。

正是在这样的背景下，由匈牙利农业研究中心HUN-REN领衔的国际研究团队在《Cereal Research Communications》上发表了突破性研究成果。该研究以经典英国冬小麦品种'Maris Huntsman'及其Rht12近等基因系为材料，通过两年田间试验结合多维分析技术，首次揭示了Rht12突变对籽粒贮藏蛋白组成的深刻影响，为全面评估该基因的育种价值提供了关键科学依据。

研究人员采用了一套综合性的技术方法体系：通过近红外光谱（NIR）分析测定Zeleny沉降值和面筋含量等基本品质参数；采用杜马斯燃烧法精确测定总蛋白含量；利用十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）进行蛋白质谱分析；通过尺寸排阻高效液相色谱（SE-HPLC）技术量化谷蛋白、醇溶蛋白及清蛋白+球蛋白组分，并计算谷蛋白/醇溶蛋白比率和不可提取聚合蛋白百分比（UPP%）；运用反相高效液相色谱（RP-HPLC）进一步解析醇溶蛋白亚类（α+β-、γ-、ω-醇溶蛋白）和谷蛋白亚基（高分子量谷蛋白亚基HMW-GS和低分子量谷蛋白亚基LMW-GS）的组成特征。所有实验均设置三个技术重复和两个生物学重复，数据经过严格的统计学分析。

基本籽粒品质：Zeleny指数、面筋和蛋白质含量

研究结果显示，Rht12突变显著改善了小麦的基本加工品质指标。野生型材料的Zeleny沉降值在两个年度分别为17.20和24.53毫升，而突变体则提升至23.03和30.40毫升，增幅达23.91-33.91%。同样，面筋含量也从野生型的15.77-21.90%增加到突变体的21.33-29.17%。方差分析表明，年份对品质参数的影响最大，但Rht12突变本身也对品质性状变异有显著贡献。值得注意的是，尽管突变体品质有所改善，但其绝对数值仍属于低品质范畴，这与'Maris Huntsman'本身较差的加工品质背景相符。

基于SE-HPLC和RP-HPLC的种子贮藏蛋白相对比例

SE-HPLC分析揭示了蛋白质组成的微妙变化。野生型中谷蛋白、醇溶蛋白和清蛋白+球蛋白的相对比例在两个年度分别为35.16%、56.61%、8.23%和38.02%、53.04%、8.95%。突变导致谷蛋白比例下降5.4%（2023年）和2.6%（2024年），而醇溶蛋白比例则相应增加。RP-HPLC进一步显示，ω-和γ-醇溶蛋白亚类的相对比例显著上升，而α+β-醇溶蛋白则显著降低。这些变化直接反映在谷蛋白/醇溶蛋白比率的下降（降低4.45-7.79%）和UPP%的减少（降低8.9-12.7%），预示着面团加工特性的改变。

绝对蛋白质含量的测定

当从绝对量角度分析时，Rht12突变的影响更加显著。所有蛋白组分的绝对含量均显著增加：谷蛋白增加17.22-19.01%，醇溶蛋白增加22.66-29.10%，水/盐溶性蛋白增加19.85-32.16%。特别值得注意的是，ω-醇溶蛋白的增幅最为明显（39.83-57.89%），而γ-醇溶蛋白也增加了30.91-31.29%。在谷蛋白亚基组成方面，HMW-GS与LMW-GS的比率提高了4.27-12.06%，其中Bx和Dx亚基的增加尤为显著。这些变化进一步改变了谷蛋白/醇溶蛋白平衡，对最终加工品质产生复杂影响。

研究结论与讨论部分指出，Rht12突变通过调控GA2氧化酶A13基因的表达，降低了生物活性赤霉素含量，进而改变了植株的激素平衡。这种激素环境的变化可能通过复杂的交叉对话网络影响种子贮藏蛋白的合成。特别是突变体中较高的生长素水平可能通过激活FUSCA3（FUS3）和LEAFY COTYLEDON2（LEC2）等关键转录因子，间接调控贮藏蛋白相关基因的表达。

与GA不敏感型Rht基因（如Rht-B1b和Rht-D1b）通常降低蛋白质含量的效应不同，Rht12突变反而提高了总蛋白含量，这一发现挑战了人们对矮秆基因与蛋白质积累关系的传统认知。然而，这种蛋白量的增加并未转化为质的提升——谷蛋白/醇溶蛋白比率和UPP%的下降表明面团强度可能减弱，而HMW-GS/LMW-GS比率的提高则提示面团弹性可能增强。这种品质特性的重新平衡实际上可能更适合某些特定加工需求。

该研究的深远意义在于首次全面揭示了Rht12矮秆基因对小麦品质特性的多维度影响，为半干旱地区小麦育种提供了重要的品质选择指标。研究结果表明，在将Rht12基因导入育种材料时，需要充分考虑其对面团流变学特性的复杂影响，并通过背景选择来优化最终品质表现。随着气候变化加剧和干旱地区农业的重要性日益凸显，Rht12基因及其等位变异体有望成为下一代抗旱小麦品种培育的关键基因资源，为实现粮食安全与可持续农业的平衡提供新的解决方案。