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Wx基因缺失通过调控短链淀粉颗粒比例和晶型结构改善面条质地，其中部分缺失（如ABA型）优化软弹特性，完全缺失（BBB型）导致粘弹性下降。研究揭示Wx多等位基因协同调控淀粉多尺度结构的机制，为品质改良育种提供新策略。
Fada Han|Shuo Zhang|Liqiang Song|Liang Chen|Maria Itria Ibba|Aimin Zhang|Boli Guo|Ming Li|Dongcheng Liu
华北作物改良与调控国家重点实验室，河北农业大学农学院，保定，071000，河北，中国
摘要
Wx等位基因在直链淀粉生物合成中的作用已经得到充分证实；然而，Wx缺乏如何触发淀粉结构的变化以及这些变化如何影响面条品质仍不完全清楚。通过分析近等基因系（NILs），研究发现Wx缺乏会优先增加短支链淀粉链（DP 6–24）的比例，并使颗粒大小分布向更小的B型颗粒偏移。尽管完全缺失Wx（BBB基因型）提高了淀粉的结晶度和焓值，但同时也导致面糊粘度降低。相比之下，部分缺失（例如ABA）产生的面条具有柔软且有弹性的质地，其弹性和咀嚼性显著提高，且硬度适中。这种理想的质地归因于短支链淀粉链（DP 6–24）比例较高，而长直链淀粉链（DP > 500）比例较低。这项工作表明，通过定向操控Wx等位基因可以设计出满足特定用途品质的淀粉多级结构，超越了传统的以直链淀粉为中心的育种策略。
引言
小麦（Triticum aestivum L.）是全球主要的粮食作物，是膳食能量和蛋白质的主要来源。在六倍体小麦中，直链淀粉的生物合成主要由颗粒结合的淀粉合成酶I（GBSSI）催化。该酶由三个同源的Waxy（Wx）基因编码——Wx-A1、Wx-B1和Wx-D1——它们协同作用调节淀粉颗粒内的直链淀粉积累（Gaur等人，2024年；Sung等人，2024年）。Wx等位基因的突变或缺失会降低或消除GBSSI的活性，从而导致直链淀粉合成部分或完全缺失，产生蜡质（低直链淀粉）小麦。与非蜡质品种相比，蜡质小麦的淀粉分子结构和结晶结构以及面糊特性发生了显著变化（Liu等人，2023年）。这些变化从根本上影响了关键的功能属性，包括粘度、质地和整体加工性能（Chen, Shao等人，2025年；Kumar等人，2025年；Liu等人，2021年）。
小麦淀粉是小麦制品最终品质的关键决定因素，尤其是面条（Li等人，2017年；Tester等人，2004年）。先前的研究表明，Wx基因的缺失，特别是Wx-B1的缺失，会降低面粉中的直链淀粉含量，从而提高面条的柔软度、光滑度和整体感官评分。历史上，许多优质面条小麦品种都携带一个Wx缺失，如中国的宁春4号和 Zhengmai 366号，以及澳大利亚的Mace、Scepter、Sunmax（Qiu等人，2025年；Siah等人，2025年）。通过基因编辑，已经培育出一系列新的蜡质小麦突变体，其直链淀粉含量范围从0%到19.05%。虽然野生型的宁春4号本身适合制作面条，但其衍生的所有TaWaxy编辑突变体的面条品质参数（包括粘弹性、光滑度和质地）都有显著下降（Qiu等人，2025年）。相比之下，在冬季小麦品种Jimai 22中，一些突变体实际上改善了面条品质（Qiu等人，2025年）。具体来说，TaWaxy-ad-JM突变体的面条在光滑度、粘弹性和总评分上优于野生型Jimai 22（Qiu等人，2025年）。然而，完全蜡质类型（所有Wx基因完全缺失）通常不适合单独生产高质量面条，因为面筋强度过弱且颜色问题严重。尽管较低的直链淀粉含量通常有利于面条生产，但仅调节直链淀粉含量不足以全面提高面条品质。因此，虽然直链淀粉含量是一个关键因素，但不同Wx等位基因组合引起的淀粉结构的具体变化可能在最终品质中起着重要作用，这一关系需要进一步的机制研究。
尽管有这些认识，但从单重缺失到三重缺失的Wx等位基因缺失对小麦淀粉结构和最终品质的多层次影响仍不完全清楚。两个关键的知识空白仍然存在。首先，单个Wx缺失如何改变支链淀粉链长度分布和结晶组织以改善面条质地？其次，淀粉多尺度结构的具体特征（如链长度分布、结晶和颗粒结构）与其功能特性（如面糊性质、热性质）和最终产品质地之间存在什么定量关系？解决这些问题对于将淀粉生物合成的遗传调控与其在食品加工中的功能结果联系起来至关重要。假设在单缺失基因型中，GBSSI活性的部分丧失会通过增加短链的比例来优先改变支链淀粉链长度分布。这种结构变化最终产生了新鲜面条所需的柔软且有弹性的质地。这样的机制见解将有助于培育出具有优异质地和加工性能的小麦品种。
在这项研究中，系统地研究了七种Wx等位基因组合（野生型、两种单缺失、三种双缺失和蜡质类型）对小麦淀粉分子结构和物理化学性质的影响。进一步评估了新鲜面条的烹饪和质地特性，以建立Wx缺失数量、淀粉结构特征和最终用途性能之间的定量关系。通过解析Wx-A1、Wx-B1和Wx-D1位点的贡献，阐明了它们对关键结构、热性质和面糊特性的相对影响。总体而言，这些发现提供了关于Wx缺乏如何重塑分子和颗粒层次结构，从而影响基于小麦的食品的功能和质地特性的机制见解。
材料与种植
通过七次回交和六代自交（BC7F6），使用Tiannuo 158（Wx供体）和Shiyou 20（重复亲本）培育了近等基因系（NILs）。通过多重PCR鉴定出Wx-A1、Wx-B1和Wx-D1位点的七种等位基因组合：野生型（AAA）、单缺失（BAA、ABA）、双缺失（BBA、ABB、BAB）和蜡质基因型（BBB）（表1，图S1）。2022–2023生长季节在清远试验场进行了田间试验
Wx对直链淀粉含量和蛋白质含量的影响
分析显示Wx缺失对直链淀粉含量有明显的剂量依赖性效应。与AAA型（20.49%）相比，单缺失基因型（BAA、ABA）的直链淀粉含量略有降低（19.6–19.8%），双缺失基因型（BBA、ABB、BAB）的直链淀粉含量显著降低（15.5–17.6%），三重缺失基因型（BBB）的直链淀粉含量最低（2.57%）（表1）。这种逐步降低表明Wx缺失以渐进的方式干扰直链淀粉的生物合成。相比之下，Wx缺乏
Wx的等位基因特异性效应和多变量相关性分析
热图（图4A）展示了六个Wx近等基因系（NIL）突变对关键小麦品质特性的影响。颜色渐变代表标准化属性值，蓝色表示负值，红色表示正值，颜色越深表示变化幅度越大。
在Shiyou 20 NILs中，累积缺失导致直链淀粉含量、链长度分布（6 ≤ DP ≤ 24和DP > 100）、粘度曲线和硬度发生渐进变化（图4A；表S1）。
结论
Wx缺乏会系统地重新编程小麦的淀粉代谢，最终形成独特的结构特征：直链淀粉含量极低（例如，BBB型为2.57%），支链淀粉链长度分布偏向较短链，B型颗粒的比例显著增加。这种结构重塑直接导致面条硬度和咀嚼性的降低。值得注意的是，不同NILs之间的蛋白质含量变化小于0.4%，并且与任何
CRediT作者贡献声明
Fada Han：撰写——原始草稿、方法学、研究。Shuo Zhang：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、方法学、概念化。Liqiang Song：资源、方法学。Liang Chen：方法学。Maria Itria Ibba：撰写——审稿与编辑、方法学。Aimin Zhang：撰写——审稿与编辑、资源。Boli Guo：撰写——审稿与编辑。Ming Li：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法学、概念化。Dongcheng Liu：
资助
我们感谢来自农业科学技术重大项目、国家重点研发计划（编号2025YFD2100300）、河北省自然科学基金（C2023204216）、河北科技计划（23567601H）以及农业科学技术创新计划（CAAS）的资助。作者感谢河北农业大学的Gao Mingxiang小姐提供的XRD测量支持，以及中国农业科学院的Du Shuangkui博士提供的建议
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
作者是《Carbohydrate Polymers》杂志的编委会成员/主编/副主编/客座编辑，未参与本文的编辑审查或发表决定。
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