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小麦(Triticum aestivum L.,2n=6x=42,AABBDD)是世界范围内广泛种植的重要粮食作物。我国由于过去只重视产量的提高,忽视了小麦品质的同步改良,而演变为现在一方面小麦产量很大,另一方面却还需大量进口国外优质面粉的局面。近年来,虽然加大了优质小麦的研究和培育力度,但由于各方面的原因,我国优质小麦的生产仍不能满足市场需求。淀粉是小麦籽粒中含量最高的组分,对小麦面粉品质和产量具有重要的影响。但长期以来人们对小麦品质的研究主要集中在蛋白质及其氨基酸组分上,而忽视了淀粉对小麦品质及食品品质的影响。植株淀粉合成途径需要依靠四大类酶的协调作用,目前小麦中一部分淀粉合成相关酶的基因信息和功能信息并不明确或者不完全,包括腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase,AGP)。AGP是这个途径的限速酶对淀粉合成有着重大的影响。小麦近缘种如乌拉尔图小麦(Triticum urartu)、斯卑尔脱山羊草(Aegilops speltoides)、节节麦(Aegilops tauschii)是小麦基因组供体物种,对研究小麦功能基因具有重要作用。而且,庞大的小麦近缘种群体拥有丰富的基因多样性,是小麦育种的重要资源。因此开展小麦及其近缘种淀粉合成以及AGP的研究有助于小麦品质的遗传改良。本研究主要结果总结如下:1.本研究从小麦籽粒中分离了高纯度的直链淀粉和支链淀粉,通过不同的方法对其纯度和适用性进行了验证,并优化了小麦淀粉测定的操作流程。检验结果显示,基于本研究纯化的高纯度小麦淀粉标准品以及优化的测定方法可以准确、高效、低成本地测定小麦的淀粉组成。2.基于改良的淀粉测定方法,对不同小麦籽粒发育过程中的淀粉积累模式进行了分析。结果表明,不同小麦品种在种子发育过程中的淀粉积累模式存在差异,这种差异包括淀粉总含量、淀粉组成、积累的速率等方面。总体上,籽粒中的总淀粉和支链淀粉含量在7 DPA(days post anthesis)至16 DPA期间急剧上升,其含量比前期高出一倍甚至更多,在16 DPA之后缓慢增长或者趋于平稳。不同小麦籽粒的直链淀粉含量在整个发育时期一直平稳地提高。3.种子不同发育阶段的基因表达定量分析显示,可溶性淀粉合成酶(soluble starch synthase,SSS)的三个亚型表达水平和趋势相似,在发育中期(12 DPA–21 DPA)都有明显的升高;淀粉分支酶(starch branching enzyme,SBE)中SBEI和SBEII的表达都在发育中期增强,SBEI表达量和变化量明显高于其他两个亚型,SBEIII不仅在整个发育过程中表达量极低,且其变化趋势没有规律;两类去淀粉分支酶(starch debranching enzyme,DBE)的表达量都在发育中期急剧升高,但是不同材料中的表达量和持续表达时间不同;AGP小亚基(AGP-S)基因表达从发育早期开始就急剧上升在12DPA就达到峰值,随后进入一个逐步降低的高表达水平阶段。不同Bobwhite材料中的AGP大亚基(AGP-S)基因表达水平相似,但是Bobwhite7中AGP-L的表达变化趋势更加平缓。4.从小麦Bobwhite中克隆出AGP-L基因(Agp2)全长开放阅读框(Open reading frame,ORF),并从18个小麦近缘种中克隆出Agp2基因编码区序列。不同小麦近缘种Agp2编码区序列都含15个外显子和14个内含子,包含一个1566 bp的ORF,不同来源Agp2的差异主要位于2号内含子。基于Agp2的系统发育分析显示,A基因组和D基因组来源的Agp2相似性较高,S基因组来源的Agp2含有更多的变异。小麦籽粒中淀粉积累和基因表达分别在开花后21天和15天达到峰值,且两者表现出较高的关联性。此外,成功地在大肠杆菌中表达了小麦AGP-L,为后续酶活验证提供了基础。5.从小麦Bobwhite中克隆了AGP-S基因(命名为Agp1)ORF全长序列并从19个小麦近缘物种中克隆出Agp1全长基因编码区序列。不同物种中的Agp1编码区域长度由5948 bp到7666 bp不等,包含9个外显子和8个内含子。Agp1全长ORF序列编码一个由473个氨基酸残基组成的无转运肽多肽序列。序列多重比对以及系统发育分析表明,小麦近缘种间的Agp1 ORF序列高度保守(相似性99.7%),内含子区内的变异使得小麦近缘种中的Agp1的编码区序列相似性降低(79.5%),同时S基因组材料的Agp1编码区序列相对比较分散。在小麦籽粒发育的前期,淀粉的积累紧随Agp1表达量急剧上升,且淀粉的积累与Agp1表达之间存在明显的(P<0.001)关联性。不同小麦品种来源的AGP大小亚基在大肠杆菌(AC70R1-504)中进行联合表达,结果内源性AGP活性缺失(glg C-/-)的宿主菌恢复了糖原合成的能力。我们的研究结果为评估和利用小麦及其近缘种的AGP提供了有用的参考信息。