全 文 ：植物生理学通讯 第 40 卷 第 1期，2004 年 2 月100
收稿 2003-04-14 修定　 2003-10-20
资助 山东省三 O 工程项目。
* E-mail:wangfang19710302@163.com, Tel:0538-8242922
* * 通讯作者(E-mail:xzwang@sdau.edu.cn,Tel：0538-
8249697)。
小麦Wx 基因及其在农业生产中的潜在应用
王 芳* 王宪泽** 郭尚敬
山东农业大学生命科学学院，泰安 271018
Wx Genes in Wheat and Their Possible Application in Agricultural Production
WANG Fang*, WANG Xian-Ze**, GUO Shang-Jing
College of Life Sciences, Shandong Agricultural University, Taian 271018
提要 围绕影响小麦品质的蜡质基因，介绍了小麦蜡质基因突变体筛选、蜡质基因对淀粉合成的影响、蜡质基因的分
子遗传和蜡质小麦培育的研究近况，并对 Wx 基因的结构特征和分子标记辅助选择进行了分析，还就 Wx 基因的研究前
景和问题作了分析和展望。
关键词 蜡质基因;遗传;分子标记;育种
Waxy蛋白是结合在禾谷类胚乳淀粉上的一种
蛋白，即颗粒结合淀粉合成酶（G B S S ）。此酶
的表达与否制约着直链淀粉的合成，其基因位点
为Wx 。 普通六倍体小麦（Triticum aestivum,
AABBDD）含有 3 种 Waxy 蛋白亚基，即 Wx-A1、
Wx-B1、Wx-D1，其编码基因[1]Wx-A1、Wx-B1、
Wx-D1 分别位于 7A、4A、7D 染色体上[2,3]。已
发现小麦胚乳中直链淀粉和支链淀粉的含量与这3
个基因的表达有关。这组基因中有 1 个缺失时，
即会导致淀粉合成酶活性下降，直链淀粉含量降
低和支链淀粉含量增加[4]，从而改变小麦的淀粉
构成、面粉品质、面团的加工和食用价值[5]。3
种Wx蛋白全部缺失的小麦胚乳中直链淀粉含量几
乎为零，成为自然界中不存在的所谓“糯性小
麦”。
1 Wx基因的结构和序列特征
成熟小麦 Waxy 蛋白的分子量为 60 kD，有
615个氨基酸，蛋白质前体还包括一个分子量为7
kD 的转运肽，有75个氨基酸 ，与其他作物不同
的是，小麦N端有一个11个氨基酸的插入序列[6]。
3种 Wx亚基对直连淀粉含量的作用大小不同[5，7]，
W x - B 1 亚基的缺失对直连淀粉含量的影响最
大，W x - A 1 和 W x - D 1 亚基的缺失影响较小。
研究发现，六倍体小麦中 W x - A 1 、W x - B 1 、
Wx-D1 基因的基因组的核苷酸序列长度分别是
2 781、2 794、2 862 bp[8] 。Murai等[9]研究六
倍体小麦中编码 GBSS 的 3 个基因的特征时，发
现每个基因由11个外显子和10个内含子组成; 成
熟的蛋白质区域中核苷酸序列同源性为 95.6%～
96.3%，转运肽区域是 88.7%～93.0%，内含子
区是 70.5%～75.2%；Wx-4A 基因在转运肽的编码
区含有 1 个三核苷酸（C A A ）的插入的序列。
Clarka等[4]以“中国春”小麦开花后20 d的发育
籽粒分离Poly(A)+ mRNA ，并克隆进λgt10,再
用 pcWX27(代表大麦 Waxy 蛋白 mRNA 的 cDNA 克
隆)筛选，构建小麦 Wx 基因的 cDNA 文库，证明
这一cDNA基因的长度为2 189 bp,并认为其代表
了Wx(cDNA)基因的全部长度。Fujita 等[10]比较
六倍体小麦中 Wx-7A、Wx-4A、Wx-7D 基因编码
的氨基酸序列和 N 端成熟 Wx 蛋白序列时，发现
编码转运肽和信号肽的区域为：W x - 7 A 中
210~1 605 bp，Wx-4A中 213~1 605 bp，Wx-
7D 中 210~1 605 bp。转运肽区的核苷酸替换率
比成熟 Waxy 蛋白的编码区高(表 1)。
Nakamura和Yamamon[2]用气相色谱仪分析小
麦 3 个 Wx 蛋白亚基的 N 端氨基酸序列（17 或 18
个 aa）,并与小麦基因的 cDNA 克隆的翻译产物比
较，发现 Wx-A1、Wx-D1 和 Wx(cDNA)基因翻译
产物的 N 端氨基酸序列相同，它们的第 5 个氨基
酸均为甘氨酸（Gly）；但 Wx-B 1 基因产物的 N
端第 5 个氨基酸为丙氨酸（A l a ）：W x - A 1 为
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A T G S G G M N L V F V G A E M A P ；W x - B 1 为
A T G S A G M N L V F V G A E M A ；W x - D 1 为
A T G S G G M N L V F V G A E M A ；W x ( c D N A ) 为
A T G S G G M N L V F V G A E M A P。
Clarka等[4]比较Wx基因5＇~3＇端10个内含
子时，发现 9 个内含子的 3 ＇末端剪接位点符合
GT-AG 的普遍规律，而第 4 个内含子的 3 ＇末端
剪接位点是 G G - A G ，不符合 G T - A G 的普遍
规律。这证明 3 个 Wx 基因的第 4 个内含子与
其它 9 个内含子有明显的差异：Wx-7A 为……
cttggtgctg CCATGCTATGCCGTGCCGTGCCGCG
C C G C G C A G G G G A A G A C ……; W x - 4 A 为……
cttggtgctg CCACGCCATGCTATGCCGCGCCAC
GCCGCGCAGGGGAAGAC……; Wx-7D 为 ……
tgtatctgggTGCCGTCGTCGTCCCTTGTTGCGCG
C C G C G C A G G G G A G G A C ……（小写字母代表
内含子，大写字母代表外显子[ 9 ]）。
2 Wx基因的分子遗传学
在许多所谓的糯性小麦材料筛选中，澳大利
亚的Zhao 和 Sharp[11]只筛选到 Waxy-B1 和 Waxy-
A1 缺失材料。日本学者Yamamori 等[12]分析世界
各地的1 960份小麦的结果表明，小麦中Waxy蛋
白缺失的品系分布广泛，土耳其、日本、朝鲜
小麦的 Wx-A1 缺失频率较高，澳大利亚和印度小
麦则是Wx-B1缺失的频率较高, 我国小麦品种中亦
为Wx-B1 缺失的频率较高。Graybosch 等[13,14]鉴
定和分析200多个北美的六倍体小麦品种的Wx蛋
白时，获得了同时具有 Wx-A1 和 Wx-B1 位点缺失
的品种。小麦品种“Ike”也同时具有 Wx-A1 和
Wx-B1 缺失位点。但是未发现有 Wx-D1 位点缺失
的品种。我国小麦品种资源丰富，王子宁等[15]用
SDS-PAGE 技术，从河北省及其它地方 900 份小
麦品种中鉴定出一份普通小麦Waxy-D1 基因缺失
小麦，6份 Waxy-B1 基因缺失小麦。姚大年等[16]
从鉴定的“中国春”小麦及有关染色体缺体 - 四
体系、中国地方小麦品种“白火麦”和国内外
400多份品种的Waxy蛋白亚基类型中筛选出43份
不同的Waxy蛋白亚基缺失类型小麦，特别是筛选
出 3 份 Wx-D1 亚基缺失小麦。这些材料的发现，
为我国开展品质育种研究打下了基础。
Yamamori 等[17]分析四倍体二粒小麦(AABB)
及其相应染色体缺体 - 四体系(N7AT7B,N7AT7D,
N4AT4B,N4AT4D,N7DT7B)的 Wx 蛋白的结果证
明，Wx-A1 和 Wx-B1 分别位于 7A 和 4A 上，并
认为小麦的Wx基因存在等位变异。Ainsworth等[6]
用“中国春”小麦的缺体 - 四体和二倍体分析进
一步确证了3个 Wx 基因位点（Wx-A1,Wx-B1,Wx-
D1）所在的染色体臂，Wx-A1 位于 7AS 上，Wx-
B1 和 Wx-D1 分别位于 4AL 和 7DS 上。Nakamura
和 Ya m a m o n [2 ]用 S o u t h e r n 和 PC R 方法分析
“K a n t o 1 0 7”和“白火麦”，发现两者均存在
3个 Wx 位点的结构基因，说明Wx 基因并不缺失，
但Wx-A1 和 Wx-B1 位点的结构基因分别有一中间
缺失段（30~50 bp）和一个插入段（20 bp），
但在Wx-D1 位点的结构基因中未发现缺失或插入
段，认为Waxy蛋白亚基的缺失可能是遗传障碍导
致基因不能表达而造成的。Nelson等[18]用染色体
配对分析二倍体小麦和原始六倍体小麦的结果显
示，4AL 末端和 7BS 曾发生过染色体片段相互易
位，并发现 4AL 末端和 7AS、7DS 具有部分同源
性。Miura和 Sugawara[7]发现“中国春”缺体4A
和携 Wx-B1 基因的染色体段缺失系的直链淀粉含
表1 六倍体小麦3个蜡质基因之间的同源性、相似性和非同义转换与同义转换的比率
基因组DNA序列的同源性/% aa序列相似性/% 非同义转换∶同义转换
基因 从起始密码子 外显子区 内含子区 到终止密码子 转运肽编码区 成熟Waxy
转 运 肽 成熟Waxy蛋白 转 运 肽 成熟Waxy蛋白
蛋白编码区
Wx-7A/4A 87.8 88.7 95.9 75.2 84.5 96.5 0.663 0.134
Wx-7A/7D 85.8 91.0 95.6 70.5 87.1 96.8 0.564 0.095
Wx-4A/7D 87.6 93.0 96.3 74.0 94.4 97.4 0.180 0.091
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量降低 3% 以上，其染色体代换系的情况与此一
致。这证明 Wx-B1 基因的缺失对降低直链淀粉的
合成具有强烈的效应。去除携带Wx-A1基因或Wx-
D1 基因的染色体后，直链淀粉含量至少可以降低
2%。姚大年等[16]分析二倍体小麦和原始六倍体小
麦（西藏小麦）的 Waxy 蛋白带型时进一步确证，
在小麦进化过程中，染色体 4AL 上的的片段曾与
7BS发生过相互易位，原来在7BS上的荷载有Wx-
B1 基因的片段易位到 4AL 上。
3 Wx基因的分子标记和表达调控
分子标记可显著提高育种的准确性和效率。
近年来,应用分子标记研究小麦Wx基因越来越多。
Briney等[19] 比较禾谷类作物的Wx基因及其相应的
mRNA 时发现其间差别主要是 10 个内含子，特别
是第4个内含子变异显著。Shariflou等[20]根据小
麦 Wx 基因的 3 ＇端的微卫星序列设计 PCR 引物，
从“中国春”中扩增出204和 265 bp 2条带，并
用非整倍体将之定位于 7D 和 7A 上。在加工面包
较好的小麦Wx基因核苷酸序列中发现一段3＇端
的 (AT)n 简单重复序列(SSR), 并设计一对引物
“Sun1F/Sun1R”对该(AT)n 重复序列进行PCR 扩
增，结果在135 个澳大利亚品种中发现染色体7A
上有 8 个等位基因。梁荣奇等[21]采用“中国春”
及其缺体 - 四体系（N7AT7B,N7AT7D,N4AT4B,
N4AT4D,N7DT7B）对 wx-B1 基因的 STS 标记和
wx-A1、wx-D1 的微卫星（SSR）标记进行了定
位。有人联合应用这两种分子标记，对 12 个小
麦品种和 5 个高代糯性小麦株系做了鉴定，已从
中国地方品种“白火麦”中筛选到Wx缺失基因[22]。
Yamamuri等[17]用四倍体的二粒小麦、野生二粒和
硬粒小麦筛选到Wx-A1(a,b,d,e)和Wx-B1(a,d)多态
性基因。
反义RNA 技术是调节基因表达的有效途径之
一 。Visser等[23]将一个反义的编码GBSS的基因
导入马铃薯后，马铃薯本身的 GBSS 基因表达即
受到抑制，块茎中的直连淀粉含量降低。
Nakanura和Yamamon[23]在以Sourthern杂交和PCR
方法研究“K a n t o 1 0 7”、“白火麦”和四倍体
小麦（A A B B ）的 W x 等位基因位点中，用
“Ka n t o 1 0 7”(缺失 Wx - A 1 和 W x - B 1 )分别与
“A l d u r a”(硬粒小麦)、“白火麦”（缺失 W x -
D 1 ）杂交，培育出六倍体“糯性小麦”。
4 问题与展望
六倍体普通小麦 Wx 基因及其编码 Wx 蛋白的
机制比二倍体植物复杂得多[24]。玉米、水稻、大
麦等二倍体植物中都存在一个Wx位点，合成一种
Wx 蛋白。而六倍体小麦存在 3 个 Wx 位点，合成
3种 Wx 蛋白。一些小麦品种具有 Wx-A1 或 Wx-B1
缺失位点，甚至有些品种如“Kant ol 1 0 7”和
“Ik e”的这两个位点同时缺失，但是，Wx- D 1
位点上的突变为何如此之少，其原因尚不清楚[6]。
另外，3种 Wx 基因编码的淀粉合成酶控制直链淀
粉合成的机制，以及 Wx 基因编码的 3 种 Wx 蛋白
的氨基酸序列及等电点范围是否相同，都待进一
步研究。
Wx蛋白亚基及其基因检测方法尚需简单和准
确化。尽管双向 SDS-PAGE 可以区分 Wx 蛋白亚
基[2]，但操作繁琐，难度大，效率低；单向SDS-
PAGE 虽操作简单[15，25]，但由于 Wx-B1 的分子量
和等电点与 Wx-D1 相近，用普通的电泳技术很难
将二者分开。由于 DNA 二级结构等因素的影响，
非变性连续聚丙烯酰胺凝胶电泳分离 PCR 扩增产
物也受到一定影响,由于琼脂糖凝胶的分辨率低，
测序胶的仪器和操作又比较繁杂，这就使应用小
麦品质改良的分子标记辅助选择育种受到很大限
制，需要开发更加简便、高效的分子标记，以
加快小麦品质的改良。
此外，转反义Wx基因等外源基因使直连淀粉
含量下降后，籽粒产量是否会受到影响，这一问
题也应深入研究。
相信今后随着Wx基因生物化学和遗传机制研
究的深入，人们有可能对谷物直链淀粉含量和谷
物食用品质的改良提出新的思路，发展新的技
术，最终高直链淀粉或高支链淀粉的谷物将会问
世。
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