小麥是全球數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，中國科學院遺傳與發育生物學研究所等以中國推廣面積最大的強筋小麥品種“濟麥44”為對象，構建了高質量參考基因組，完整呈現了面筋蛋白基因座的精細結構。
研究發現，長期以來備受關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變化和結構變異。這提示，決定品質適應性演化的關鍵，并不總是最保守、最“經典”的基因，而往往來自更具可塑性的基因家族。
研究構建了包含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。研究發現，結構高度可變的LMW-GSs和α-/β-醇溶蛋白基因一直是人類持續選擇的主要靶點。二者對強筋單倍型頻率變化的貢獻合計超過四分之三，是調控小麥加工品質的重要“旋鈕”。從亞基因組層面看，D亞基因組貢獻了超過一半的強筋單倍型頻率變化，在品質形成過程中發揮關鍵作用。
研究發現小麥品質性狀并非只由單個基因獨立決定。面筋蛋白基因之間存在上位性互作，即一個基因的效應會受到其他基因背景的影響。進一步分析顯示，人類選擇對上位性互作的影響并非簡單線性關系。適度選擇可以增強面筋基因之間的有利組合，使品質獲得快速遺傳增益。但過強選擇可能削弱互作網絡，并降低長期適應潛力。
基于上述發現，研究團隊提出基因的結構保守性并不必然等同于育種重要性。HMW-GSs作為面筋網絡的關鍵結構組分仍然重要，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人類選擇，值得在基因組設計育種中被重新評估和系統利用。
該研究不僅為理解小麥品質形成機制提供了理論框架，也為推動小麥加工產業升級提供了重要科學支撐。
相關研究成果發表在Nature Plants上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國科學院戰略性先導科技專項等的支持。