稻米中四种蛋白质组分的研究进展

稻米中四种蛋白质组分的研究进展刘向蕾;刘奕;程方民【摘要】稻米作为人类的主食,其营养品质的高低至关重要.而作为稻米中两大主要贮藏成分之一的蛋白质,其含量及组成成分对决定稻米营养品质具有举足轻重的作用.稻米蛋白质按其在不同溶剂中的溶解度可分为清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白4种组分.对多年来有关稻米中这4种蛋白质组分的一些研究成果进行了综述.【期刊名称】《湖北农业科学》【年(卷),期】2010(049)010【总页数】4页(P2567-2570)【关键词】稻米;清蛋白;球蛋白;醇溶蛋白;谷蛋白;组分【作者】刘向蕾;刘奕;程方民【作者单位】金华职业技术学院,浙江,金华,321007;浙江大学农业与生物技术学院,杭州,310029;浙江大学农业与生物技术学院,杭州,310029【正文语种】中文【中图分类】S511%Q51在膳食结构多样化的今天，稻米仍然是人类的主食，全世界包括我国在内有39个国家以稻米为主食［1］。

稻米营养品质的高低直接关系到亿万人的健康，同时也影响到畜牧业、食品加工业和对外贸易等行业的发展［2］。

作为稻米中两大主要贮藏成分之一的蛋白质，按其在不同溶剂中的溶解度可分为清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白4种组分。

本文对多年来有关稻米中这4种蛋白质组分的一些研究成果进行了综述。

1 稻米中4种蛋白质组分的含量和分布21世纪初Osborn建立了依据溶解性差异对禾谷类种子蛋白质进行分类的系统（连续提取方法），按此方法，稻米蛋白质可分为以下4类：①能溶于水、稀酸溶液的清蛋白（Albumin）；②不溶于水，但能溶于 0.4mol／L NaCl溶液的球蛋白（Globulin）；③不溶于水，但能溶于70%～80%乙醇的醇溶蛋白（Prolamin）；④不溶于水、乙醇，但能溶于酸或碱的谷蛋白（Glutelin）。

这4种组分分别占稻米蛋白质总量的0%～10%、1%～20%、2%～20%和60%～90%［3］。

4种蛋白质组分在稻米中呈辐射状分布［4］。

清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白在米糠、精糠和大米中的比率分别是37∶36∶5∶22、30∶14∶5∶51、5∶9∶3∶83［5］，可见清蛋白和球蛋白主要集中在米糠和精糠中，比例在稻米最外层最高，越往中心越低，占主要的谷蛋白与此恰好相反，而醇溶蛋白与其他3种蛋白质相比，在稻米中的分布是最均匀的。

稻米蛋白质以孤立蛋白体（直径为1.5～4.0 μm）的形式存在于胚乳细胞和糊粉层中［6］。

胚乳蛋白体包括具有同心片状结构的球形体蛋白体－1（PB－Ⅰ）和没有片状结构的椭圆形体蛋白体－2（PB－Ⅱ）两种［7］，糊粉层蛋白体为AP蛋白体［8］。

醇溶蛋白主要存在于PB－Ⅰ中，不被胰蛋白酶分解；谷蛋白主要存在于PB－Ⅱ中，易被蛋白酶分解；清蛋白和球蛋白主要存在于AP中，多为活性（如酶）分子。

2 稻米中4种蛋白质组分的多肽、氨基酸组成和生物合成2.1 稻米中4种蛋白质组分的多肽组成稻米中清蛋白和球蛋白为代谢活性蛋白质，是由单链组成的低分子量蛋白质，其相对分子量分别为10～200 kDa和16～130 kDa。

醇溶蛋白和谷蛋白为贮藏蛋白，醇溶蛋白是由单肽链通过分子内二硫键连接而成的，其相对分子量在7～12.6 kDa，而谷蛋白是由多条肽链彼此通过二硫键连接而成的大分子组成，其相对分子量在19～90 kDa之间，更高可达上百万［9］。

Yamagata等［10］认为，稻米谷蛋白的亚基可分为两类：一是高分子量（37～39 kDa）成分（A 亚基），二是低分子量（20～23 kDa）成分（B 亚基），两者通过二硫键以1∶1连结形成分子量为57 kDa的亚基以及26 kDa的亚基。

两类亚基在结构上无关。

在不同的水稻品种中，两类亚基具有一定的变异性，其中A亚基的变异较B亚基大。

何光华等［11］进一步证实稻米谷蛋白有3个酸性亚基，分子量为30～39 kDa，两个碱性亚基，分子量为19～25 kDa，这两类亚基是由一种57kDa多肽前体经切割后形成的。

Masumura 等［12，13］研究认为，醇溶蛋白的主要成分（90%）是 13kDa、10kDa和 16kDa亚基。

Ogawa等［14］研究发现，3种亚基中 13kDa为主要成分，根据分子量的细微差别，13kDa多肽又可分成两类多肽，即13a和13b。

进一步研究表明13a和13b多肽之间仅靠氢键连接；10kDa、13a和16kDa蛋白之间以二硫键相互连接。

mAsumura 等［12，13］通过等电聚焦电泳发现，16kDa亚基由单一多肽组成；10kDa亚基由等电点为8.9和10.0的2条多肽组成；13kDa亚基至少含有7条多肽，它们的等电点分布范围在5.0～9.0 之间。

2.2 稻米中4种蛋白质组分的氨基酸组成表1［4］列出了稻米中4种蛋白质组分的氨基酸组成以及它们所占的比例。

从表1可以看出，稻米总蛋白质中赖氨酸、苏氨酸和色氨酸含量较低，成为限制氨基酸，其中赖氨酸为第一限制氨基酸，苏氨酸为第二限制氨基酸，色氨酸为第三限制氨基酸［6］。

对各蛋白质组分而言，谷蛋白富含赖氨酸、精氨酸、甘氨酸等必需氨基酸，氨基酸等级分（以5.8%赖氨酸作为100%计算）较高；醇溶蛋白中谷氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸的含量较高，而苏氨酸、甘氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸、组氨酸和精氨酸的含量很低；清蛋白中赖氨酸、甘氨酸和苏氨酸含量最高；球蛋白中精氨酸含量最高，赖氨酸和甘氨酸含量也较高。

表1 稻米中蛋白质的氨基酸组成以及它们所占比例（%）氨基酸Asp Thr Ser Glu Pro Gly Ala Cys Val Met Leu Ile Tyr Phe Lys His Arg Try清蛋白9.65.14.712.05.913.011.12.26.81.53.35.92.82.65.12.25.31.0球蛋白8.22.77.116.44.29.88.10.97.12.64.06.52.43.73.22.210.00.9醇溶蛋白8.31.35.119.95.56.59.5痕量7.00.84.412.36.44.41.01.74.61.6谷蛋白9.73.05.416.96.08.97.91.76.81.74.17.03.74.12.32.17.81.0稻米总蛋白质9.13.54.816.95.48.98.60.96.71.34.68.43.74.63.42.26.61.1另据研究，谷蛋白中A亚基比B亚基含有较多的谷氨酸／谷氨酰胺、丝氨酸、甘氨酸，较少的丙氨酸、赖氨酸、天冬氨酸／天冬酰胺、异亮氨酸。

B亚基的赖氨酸含量是A亚基的2倍，而A亚基则含有大量的谷氨酸，这些情况可能与它们的等电点偏酸或偏碱有关。

谷蛋白19～25kDa亚基赖氨酸含量较高（3.0%～4.1%），氨基酸等级分很高［15］。

醇溶蛋白中13kDa亚基的氨基酸组成具有典型的禾谷类醇溶蛋白的特征：谷氨酸／谷氨酰胺、天冬氨酸／天冬酰胺以及亮氨酸的含量很丰富，赖氨酸和含硫氨基酸的含量则很少。

10kDa、16kDa亚基与13kDa亚基不同：亮氨酸很少，半胱氨酸、甲硫氨酸等含硫氨基酸却很丰富［16］。

10kDa亚基则更为特殊，在总氨基酸含量中甲硫氨酸高达20%。

13kDa亚基的赖氨酸变异大（0.5%～5.5%），但其氨基酸等级分较低，10kDa亚基中苏氨酸、胱氨酸含量高，16kDa的亚基氨基酸等级分较高［13］。

2.3 稻米中主要蛋白质组分的生物合成由于稻米中最主要的蛋白质组分是谷蛋白和醇溶蛋白，所以对蛋白质组分生物合成的研究也主要集中在这两种组分上。

谷蛋白和醇溶蛋白都不是由单一成分组成的，它们分别由两个基因家族编码。

蛋白质分子通常由1个28～30 kDa的酸性亚基（α链）和1个21～22 kDa的碱性亚基（β链）通过二硫键连接而成。

这两个亚基是由一个基因编码的，先合成一个51～57 kDa的蛋白前体，然后经翻译后加工而成。

谷蛋白在开花后5 d合成，而醇溶蛋白则在开花后约10d开始出现。

贮藏谷蛋白的PB－Ⅱ比贮藏醇溶蛋白的PB－Ⅰ的形成速度要快［17］。

谷蛋白前体（57 kDa）在多聚核糖体上合成，前原蛋白还有一段信号肽，导向结合于内质网，并进入内质网腔。

完整的谷蛋白多肽链通过高尔基体运输到PB－Ⅱ的液泡状前体中，在此被水解酶切成两个亚基，由二硫键相连，贮藏于PB－Ⅱ中［18］。

醇溶蛋白在内质网周边的核糖体上被合成，并直接在内质网腔内组装成 PB－Ⅰ［18］，而不先形成蛋白质前体，即是以成熟多肽的形式合成，并不经过翻译后修饰，这与谷蛋白的生物合成不同。

发育的水稻种子PB－Ⅰ的最外层膜上有许多核糖体，而PB－Ⅱ上却没有，这是谷蛋白和醇溶蛋白合成方式不同的根本原因。

3 稻米中4种蛋白质组分的遗传研究稻米蛋白质及其4种组分的遗传研究是水稻营养品质育种的基础。

目前在改进水稻储藏蛋白品质方面形成了两种育种趋势：一是培育出高（谷）蛋白（低醇溶蛋白）的品种，旨在提高稻米营养品质；二是创造低（谷）蛋白（高醇溶蛋白）的品系，以适应糖尿病和肾病患者的需要。

高（谷）蛋白（低醇溶蛋白）含量品种可通过转基因或化学诱变获得。

Kumamaru［19］利用甲基亚硝基脲（MNU）处理水稻品种金南风的受精卵细胞得到3000株突变体。

通过与野生型比较种子蛋白SDS－PAGE图谱，筛选到了一定数量的低醇溶蛋白突变体。

这些突变体有4种类型：①13b组分变少（13b－L）；②10 kDa 和 13a 组分都变少（10／13a－L）；③57kDa组分变多（572H）；④10KDa和 16 kDa组分都变多（10／16－H）。

把这4种突变体分别与原品种杂交，根据F1、F2以及F3的分离比，得出13b－L和57－H突变体都由隐性单基因控制；10／16－H和10／13a－L突变体都受母本植株的基因型控制，且10／1－H突变体由1对显性基因控制，而10／13a－L突变体由1对隐性基因控制。

控制13b－L、57－H、10／13a－L 和 10／16－H 突变的基因分别被定名为esp 1、esp 2、esp 3 和 esp 4。

SDS－PAGE 分析表明这4个突变基因都属于控制蛋白体合成的调节基因，而并非结构基因，且esp 1对esp 3具有上位性效应。

通过三体测验，esp 1和esp 2分别被定位于水稻基因组的第十和第九染色体上。

另外，Katsube［20］将大豆球蛋白基因导入水稻中表达，则获得了高PB－Ⅱ含量的转基因水稻植株。

高蛋白育种除了采用上述常规方法外，近10年来还采用了外源DNA导入技术，且效果显著［21］。

目前报道的低（谷）蛋白（高醇溶蛋白）水稻品种都是通过物理或化学诱变形成的突变体。

Iida等利用γ－射线或乙烯亚胺（0.2%）处理“日本优”（NM），在1433个突变系中，筛选到一个低育、半矮、早黄的突变系（NM67，0.2%乙烯亚胺处理）。