Genetic architecture of soluble arabinoxylan fibre in elite genotypes of bread wheat revealed by genome-wide association analysis
本研究利用对384份英国精英小麦基因型进行的全基因组关联分析，鉴定了包括在1B和6B染色体上具有主要稳定效应在内的七个调节水可提取阿拉伯木聚糖含量的遗传位点，证明了通过聚合现有的有利等位基因来实现增强可溶性膳食纤维的育种是可行的。
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大多数人都知道摄入纤维对健康有益。它有助于保持消化系统的运转，降低患心脏病的风险，并能稳定血糖水平。然而，尽管这些益处众所周知，许多人仍然摄入的纤维量不足。造成这种缺口的一个主要原因是，世界上最受欢迎的小麦制品——白面包，是由小麦颗粒中几乎所有纤维都被去除后的部分制成的。在碾磨过程中，富含纤维的小麦颗粒外层被剥离，只留下用于制作白面粉的柔软淀粉中心。虽然全麦面包保留了这些纤维，但大多数消费者仍然更青睐白面包的口感和味道。这导致了人们实际摄入量与健康专家建议摄入量之间的差距。
科学家们早已知道，小麦中含有一种被称为阿拉伯木聚糖（arabinoxylans）的特定类型纤维，这种纤维存在于谷物的细胞壁中。其中一种特别健康的纤维版本是水溶性的，这意味着它可以溶解在水中，并能被我们肠道中的细菌轻松发酵。长久以来的挑战在于，如何在不改变面包口感或质感的情况下，增加白面粉中这种有益纤维的含量。多年来，研究人员一直怀疑小麦植物内部的基因控制着这种纤维的产量。然而，确切的遗传指令并不明确，而且目前尚不清楚现代小麦品种（这些品种主要为了高产量和抗病性而培育）是否仍保留着生产更多此类纤维的遗传潜力。
来自英国约翰·英内斯中心（John Innes Centre）和罗汉姆斯特德研究中心（Rothamsted Research）的一个研究小组致力于解决这个谜题。他们收集了由384个精英小麦品种组成的大型集合，这些品种代表了目前商业育种者使用的最先进、最优质的品系。这些并非野生或古老谷物，而是分布在英国各地的现代栽培品种。该团队在两个不同的地点种植了这些品种，以观察环境如何影响纤维含量。他们将谷物研磨成全麦粉，并测量了水溶性阿拉伯木糖的含量。由于全麦粉中的纤维含量与白面粉中的含量密切相关，这一测量结果可以作为最终白面包中含量的可靠替代指标。
结果显示，这些现代小麦品系之间的纤维含量存在巨大差异。一些品种比其他品种含有显著更多的益处纤维，这证明了精英育种材料中仍然存在高纤维的遗传潜力。随后，研究人员使用了一种强大的遗传扫描技术，寻找与这些差异相关的小麦DNA中的特定位点。通过将植物的基因构成与纤维测量值进行对比，他们确定了控制水溶性阿拉伯木糖含量的七个不同染色体位置。
其中两个位置是科学家已知的，分别位于1B和6B染色体上。研究证实，这些是驱动纤维含量的主要因素。然而，这项研究更进一步，发现了位于3A、5B和7A染色体上的另外五个位置，它们也发挥着作用，尽管其影响较小且有时取决于生长条件。位于6B染色体上最显著的发现涉及一个名为PER1的基因。该基因就像一个开关，控制着纤维链条连接的紧密程度。当该基因以特定方式运作时，连接会变弱，从而使更多的纤维能够溶解在水中，供我们的身体利用。研究人员发现，这些现代小麦品种中已经存在了这些最佳版本的基因。
研究还调查了发现的其他基因，以了解它们的功能。位于5B染色体上的一个基因似乎参与构建制造纤维所需的糖块；另一个位于1B染色体上的基因似乎有助于重新排列细胞壁的结构；而位于7A染色体上的其他基因则与构建完成后的纤维修饰有关。至关重要的是，研究人员发现这些有益版本的基因并非固定不变的；它们仍在育种品系中进行着“混合与匹配”。这意味着育种者不需要去寻找来自野生近缘种的新基因，因为引入野生基因有时会带来产量降低等不良性状。相反，他们只需选择那些携带了这些天然促纤基因最佳组合的现有小麦品系即可。
当研究人员结合这些基因的效果时，他们看到了清晰的模式。携带更多有利基因版本的小麦品系，其水溶性纤维水平也随之递增。研究中最具前景的品系（携带了六个有利基因版本）比那些一个有利版本都没有的品系，其有益纤维含量高出约40%。这表明，通过叠加这些天然遗传优势，育种者可以培育出生产出的白面粉中纤维含量显著提高的新型小麦品种。
这项工作的意义在于其实用性和即时性。它表明，提高世界上最受欢迎的主食的营养质量，并不需要对小麦植物进行彻底改造，也不需要改变消费习惯。用于让白面包更健康的遗传工具已经存在于各大种子公司的育种计划中了。通过使用本研究中确定的遗传标记，育种者现在可以精准地进行高纤维性状的选择，确保下一代小麦品种在提供更好健康益处的同时，不会牺牲白面包广受欢迎的品质。这种方法提供了一种可扩展的方式来增加人群的纤维摄入量，将一种常见的食物转化为更强大的公共卫生工具。
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