Генетические подходы к формированию разнообразия по технологическим свойствам зерна и муки среди генофонда мягкой пшеницы России
Автор[править | править код]
Т.А. Пшеничникова, к.б.н.,
ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук», г. Новосибирск
Аннотация[править | править код]
В данной работе рассмотрены генетические подходы, которые использовались в России для изучения наследования сложно контролируемых количественных признаков – отдельных компонентов комплекса технологические свойства зерна и муки. Для этого в разные годы использовались генетические, цитогенетические и молекулярные методы, которые позволили выявить локусы, ответственные за различные параметры качества, в том числе такие как мукомольные показатели, содержание клейковины в зерне и физические свойства теста. Использование межсортового замещения хромосом позволило выявить хромосомы, которые несут гены, ответственные за важные для хлебопекарных свойств и технологические параметры. С помощью молекулярных маркёров было установлено внутрихромосомное местоположение локусов, ассоциированных с разными параметрами качества в картирующих популяциях пшеницы. Было показано, что интрогрессии от сородичей и стародавних сортов могут быть хорошими источниками генов высокого содержания клейковины в зерне. Достижения современной генетики в комбинации с традиционными методами селекции делают возможным ускоренное и целенаправленное создание адаптированных к требованиям хлебопекарной отрасли сортов за счет использования естественного генетического потенциала пшеницы и её сородичей.
Статья[править | править код]
Современная Россия добилась больших успехов в производстве зерна пшеницы, собирает рекордные урожаи и является крупнейшим мировым экспортёром. При этом однако, значительно, по сравнению с временами в СССР, изменилась в худшую сторону структура урожая по соотношению товарных классов. По данным Россельхозцентра, ВНИИ зерна и других государственных учреждений зерно сильных и ценных сортов составляет ничтожную долю урожая, а основную массу составляет зерно 4-го, низшего продовольственного класса (Последний доступ 07.10.2019). В Советском Союзе доля такого зерна была значительна, и страна была основным поставщиком сильной пшеницы наряду с Канадой. В настоящее время при наблюдаемом росте производства зерна ухудшается качество хлеба массовых сортов. При отсутствии на рынке зерна сильных сортов-улучшителей в хлебопечении взамен применяются десятки различных веществ биологического и химического происхождения. Вместе с тем, достижения современной молекулярной генетики в комбинации с традиционными методами селекции делают возможным ускоренное и целенаправленное создание адаптированных к требованиям хлебопекарной отрасли сортов за счет использования естественного генетического потенциала пшеницы и её сородичей.
Многие десятилетия исследований в области генетики пшеницы позволили выявить различные генетические системы, которые влияют на технологические свойства зерна и физические свойства теста (cм. Международный каталог генных символов пшеницы: McIntosh et al., 2015). Широко используемый термин «качество зерна» является обобщённой характеристикой, определяющей конечное технологическое назначение зерна пшеницы. Оно целиком определяется отдельными свойствами эндосперма зерновки, его биохимическим составом и структурой. Эндосперм – запасающий орган семени, обеспечивающий при прорастании питание зародыша, образуется на завершающем этапе онтогенеза растения пшеницы. Как и все остальные этапы, процесс образования эндосперма строго контролируется со стороны генома. Это значит, что все последующие свойства эндосперма зерновки, определяющие его технологические характеристики, также генетически обусловлены. Качество зерна – это комплексный признак, состоящий из многих отдельных параметров, каждый из которых со своей стороны характеризует технологические свойства зерна и его конечное назначение. Среди них – мукомольные свойства (твердозёрность), содержание белка или клейковины, её тип, а также реологические свойства теста, полученного из муки, выработанной из определённого зерна и другие. Для различных видов мучных изделий требуется зерно с различной твердостью эндосперма, содержанием белка от 10 до 14 % и с контрастным типом клейковины (Peña, 2002). Все эти свойства могут быть обеспечены генетически в сортах пшеницы.
В нашей стране исследования генетики качества зерна как комплексного признака развивались в русле мировых исследований и с помощью соответствовавших времени методологий. В середине 60-х годов в Институте цитологии и генетики СО РАН путём исследования гибридов между сортами с различным качеством клейковины было показана вероятность появления ценных по качеству клейковины генотипов на определённых этапах отбора (Майстренко, Трошина, 1966). В дальнейших работах 70-80-х годов, основанных на манипуляции с отдельными хромосомами генома пшеницы, было обнаружено, что отсутствие некоторых хромосом или хромосомных плеч связано со значительными изменениями отдельных технологических свойств зерна и муки. Например, отсутствие одной дозы хромосомы 1D у высококачественного сорта Саратовская 29 (C29) приводит к резкому ухудшению физических свойств муки и теста (Arbuzova et al. 2010). Утеря короткого плеча хромосомы 4В у низкокачественного сорта Чайниз Спринг, наоборот, приводит к увеличению силы муки (Maystrenko et al. 1973). Для развития этих исследований были специально созданы межсортовые замещённые линии пшеницы на основе двух контрастных сортов – уникального по качеству сорта С29 и низкокачественного, но высокобелкового сорта Диамант 2 (Дм2). Было обнаружено, что межсортовое замещение хромосомы 1А, несущей гены синтеза белков клейковины, у низкокачественного сорта Диамант 2, на гомологичную от высококачественного сорта Новосибирская 67 приводит к увеличению силы муки.
Этот результат совпадает с данными многих исследователей 80-90-х годов, показавших большую роль аллельного состава белков клейковины – глиадинов и глютенинов в детерминации физических свойства теста. (Cornish et al. 2006). Было показано, что определённые аллели глютенина действительно существенно влияют на силу муки и упругость теста Сорт Дм2 несёт аллель Glu-A1c (нуль-аллель) локуса высокомолекулярных глютенинов, не синтезирующий одну из субъединиц белкового комплекса клейковины, что что снижает упругость и силу теста. Напротив, сорт Н67 несёт аллель Glu-A1a, синтезирующий эту субъединицу (Обухова и др. 1997). Такие аллели необходимо привносить и сохранять во вновь создаваемых сортах хлебопекарного назначения. Замещение одновременно двух хромосом 1А и 6D сорта Н67 в геноме слабого сорта приводит к улучшению смесительных характеристик теста, а также повышает содержание клейковины в зерне по сравнению с сортом Дм2 – с 39,8 % до 42,9 % (среднее за три года) (Пшеничникова и др., 2006).
Однако выявленные и изученные гены белков, входящих в состав клейковины, не объясняли всего генетического разнообразия пшеницы по технологическим свойствам зерна и муки. Это неудивительно с учетом сложности и разнообразия физиологических процессов, происходящих при формировании эндосперма зерновки. С появлением современных молекулярно-генетических технологий стало возможным определение Дм Н67 1А 1В 1D 6А 6В 6D 1A 6D Дм Н67 1А 1В 1D 6А 6В 6D 1A 6D Рис. 1. Влияние межсортового замещения хромосом на физические свойства теста. Дм – низкокачественный сорт Диамант 2. Н67 – сильный сорт Новосибирская 67. Представлены хромосомы 1 и 6 гомеологических групп мягкой пшеницы (частично по Пшеничникова и др., 2006) конкретных участков генома (локусов), которые вносят вклад в количественные признаки, даже если их функции неизвестны. К настоящему моменту в геноме пшеницы выявлены многочисленные локусы количественных признаков (QTL), влияющие на отдельные технологические параметрами зерна (Balyan et al., 2013; McIntosh et al., 2015; Хлёсткина и др. 2016). В России этот подход нами применялся для картирования QTL в различных картирующих популяциях. В одной из самых известных из них - популяции ITMI, полученной от скрещивания синтетической пшеницы W7984 и мексиканского сорта Opata-85, было выявлено 22 QTL на 10 хромосомах (Пшеничникова и др. 2008). На рисунке представлены локусы в хромосомах 1А и 1В, ассоциированные с физическими свойствами теста. Они были картированы в районах локализации запасных белков клейковины, что совпадает с данными о важности их аллельного состава для этих признаков. В хромосоме 5В был локализован локус, связанный с содержанием клейковины в зерне, – признаком, который также определяет принадлежность сорта к сильным или слабым сортам.
Другой подход был использован для выявления локуса, ответственного за уникальные физические свойства сильного сорта пшеницы С29. Первоначально с помощью межсортового замещения было показано, что это свойство лишь отчасти связано с составом запасных белков клейковины. Главный генетический фактор был локализован на хромосоме 4D. При замещении этой хромосомы сорта С29 на гомологичную от немецкого сорта Янецкис Пробат с более низкой силой муки упругость и сила муки снижались почти вдвое и соответствовала донору хромосомы (Shchukina et al. 2018). Для этой линии были создана и генотипирована с помощью молекулярных ДНК-маркёров рекомбинантная картирующая популяция. При её изучении по физическим свойствам теста в районе микросателлитного маркёра Xgwm165 был картирован QTL, ассоциированный с упругостью и силой муки (Shchukina et al. 2018).
Содержание клейковины в зерне является главным классифицирующим фактором при отнесении зерна к определённым классам, что, в свою очередь, определяет его стоимость при региональной и международной торговле. Поэтому выявление генов, стабильно поддерживающих этот признак в разных условиях среды, является важной научной проблемой. На сегодня известен только один такой ген – Gpc-B1, интрогрессированный из Triticum dicoccoides. Он введён во многие сорта мира и даёт ожидаемый эффект. Например, Vishwakarma и др. (2014) использовали диагностический маркер Xucw108 для введения Gpc-B1 в элитный сорт пшеницы, в результате чего содержание белка возросло с 10 до 13–17 %. Хорошим источником таких генов могут быть другие сородичи, а также стародавние сорта пшеницы. В наших исследованиях было показано, что таким источником может быть вид T. timopheevii и стародавние сибирские сорта. На основе сорта С29 нами были созданы линии с отдельными интрогрессиями из высококлейковинной линии 821, несущей фрагменты хромосом 2А, 2В и 5А упомянутого выше вида. Оказалось, что каждая из трёх хромосом содержит локусы, повышающие содержание клейковины в зерне. Стабильное проявление признака показано в тепличных и полевых условиях. При этом, как показали наши исследования, линии сохраняли высокое качество клейковины, свойственное сорту С29 (неопубликованные данные).
Анализ коллекции современных и стародавних яровых сортов мягкой пшеницы, которые выращивались в Сибири на протяжении XX в., показал значимо более высокий уровень клейковины у стародавних сортов Цезиум 111 Сибирка 118, возделывавшихся в первой половине XX в., по сравнению с современными (Morozova et al., 2015). Этот признак был связан с молекулярным маркёром Xgwm261 на хромосоме 2D. Введение этой хромосомы в сорт С29 значительно повышает содержание клейковины в зерне замещённых линий и говорит о существовании локуса, контролирующего этот признак.
Конечное использование зерна и муки в разных странах мира очень разнообразно. В таблице 1 представлено разнообразие требований, предъявляемых к зерну различного конечного использования. Для различных видов мучных изделий требуется зерно с различной твердостью эндосперма, содержанием белка от 10 до 14% и с контрастным типом клейковины. В России в последние годы существенно расширился ассортимент изделий из зерна, что предъявляет и более разнообразные требования к технологическим свойствам, которые можно зафиксировать в сортах генетическими методами.
| Тип | Твердозёрность | Содержание белка, % | Тип клейковины |
|---|---|---|---|
| Дрожжевые хлеба | |||
| Формовой хлеб, сдобные изделия | Твердый эндосперм | > 13 | Сильная, упругая |
| Подовые изделия, багеты | Твердый эндосперм /среднетвердозерный | 11-14 | Средне-растяжимая |
| Паровые изделия | Твердый / мягкий | 11-13 | Средняя / слабая |
| Бездрожжевые (плоские) хлеба | |||
| Арабский | Твердый эндосперм / среднетвердозерный | 12-14 | Средне-растяжимая |
| Чапати, тортилла | Среднетвердозерный | 11-13 | Средне-растяжимая |
| Крекеры | Среднетвердозерный / мягкий | 11-13 | Средняя |
| Лапша | |||
| Жёлтая | Среднетвердозерный | 11-13 | Средняя / сильная |
| Белая | Среднетвердозерный / мягкий | 10-12 | Средняя |
| Кондитерские изделия | |||
| Обобщённые данные (торты, печенье и др.) | Мягкий / очень мягкий | 8-10 | Слабая / слабо растяжимая |
Сородичи мягкой пшеницы могут быть источниками разнообразия по мукомольным показателям. Линии с низкой стекловидностью зерна и малым диаметром частиц муки при размоле дают муку, удовлетворяющую требованиям кондитерской промышленности (печенье крекеры, бисквиты и др.). Используя линию из коллекции “Арсенал” (Lapochkina, 2001), нам удалось извлечь из вида Aegilops speltoides дополнительный ген мягкозёрности эндосперма Ha-Sp (Pshenichnikova et al. 2010). Был создан новые для пшеницы супермягкозёрный фенотипы путём объединения в одном генотипе двух генов мягкозёрности Ha и Ha-Sp. (Симонов и др. 2017). Линии способны сохранять свои свойства в разных условиях среды.
Дрожжевой хлеб – традиционный русский продукт, для изготовления которого в нашей стране были созданы сильные сорта с уникальными хлебопекарными свойствами, сохранявшими их в разных климатических зонах, такие как Безостая 1 и Саратовская 29. Зерно таких сортов заготовлялось миллионами тонн. Оно являлось предметом экспорта в Германию, Францию, Англию, Бельгию, Голландию и другие развитые страны и источником значительных валютных поступлений (Моисеева, 1975). Остаётся сожалеть, что в настоящее время эти позиции Россией утеряны.
Результаты многолетних исследований показывают, что разнообразие по технологическим свойствам зерна и муки может быть обеспечено генетически даже для сложных количественных признаков, к которым относятся технологические свойства зерна и муки. Развитие методов анализа ДНК создаёт новые инструменты для повышения эффективности отбора нужных форм в процессе селекции и ускорения создания сортов с заданными технологическими свойствами. Сильный сорт пшеницы в полном смысле может быть продуктом высоких генетических технологий, который востребован на международном рынке зерна. Эти инструменты также необходимы для решения и других вопросов, возникающих на этапах предселекционных и селекционных исследований при регистрации сорта и семеноводстве. Таким образом, расширяются возможности для решения задачи обеспечения хлебопекарных предприятий качественным сырьем для производства хлеба, в соответствии с принципами продовольственной безопасности и требованиями к повышению качества питания населения.
Литература[править | править код]
1. Майстренко О.И.. Трошина А.В. 1966. Проблемы генетики качества клейковины пшеницы. Сообщение I. Изменчивость качества клейковины гибридов мягкой пшеницы в зависимости от подбора родительских сортов. Генетика, №9, с.124-133.
2. Моисеева А.И. 1975. Технологические свойства пшеницы. М., Колос. 111 с.
3. Обухова Л.В., Майстренко О.И., Генералова Г.В. и др. 1997. Состав высокомолекулярных субъединиц глютенина у замещенных линий мягкой пшеницы, созданных с участием сортов с контрастными хлебопекарными свойствами. Генетика, т. 33, № 8, с. 1179–1184.
4. Пшеничникова Т.А., Ермакова М.Ф, Попова Р.К. 2006. Технологические качества зерна и муки мягкой пшеницы в линиях с межсортовым замещением хромосом 1 и 6 гомеологических групп. С.-х. биология, №1, с.57-62.
5. Пшеничникова Т.А., Ермакова М.Ф., Чистякова А.К., Щукина Л.В., Березовская Е.В., Лохвассер У., Рёдер М., Бёрнер А. 2008. Картирование локусов количественных признаков (QTL), ассоциированных с показателями качества зерна мягкой пшеницы, выращенного в различных условиях среды. Генетика, т. 44, №1, с.74-84.
6. Симонов А.В., Чистякова А.К., Морозова Е.В., Щукина Л.В., Бёрнер А., Пшеничникова Т.А. 2017. Создание нового для мягкой пшеницы генотипа – носителя двух локусов мягкозёрности эндосперма. Вавиловский журнал генетики и селекции, т. 21, №3, с. 341-346.
7. Хлесткина Е.К., Пшеничникова Т.А., Усенко Н.И., Отмахова. 2016. Перспективные возможности использования молекулярно-генетических подходов для управления технологическими свойствами зерна пшеницы в контексте цепочки «зерно – мука – хлеб». Вавиловский журнал генетики и селекции, т. 20, №4, с. 511-527.
8. Arbuzova V.S., Ermakova M.F., Popova R.K. 2001. Studies of monosomic lines of cv. Saratovskaya 29 on productivity and grain technological properties. EWAC Newsletter. Proc. 11th EWAC Conf., Novosibirsk, Russia, 24–28 July, 2000. Ed. T.A. Pshenichnikova, A.J. Worland, p.80-82.
9. Balyan H.S., Gupta P.K., Kumar S., Dhariwal R., Jaiswal V., Tyagi S., Agarwal P., Gahlaut V., Kumari S. 2013. Genetic improvement of grain protein content and other health-related constituents of wheat grain. Plant Breeding, v. 132, p. 446-457.
10. Cornish G.B., Békés F., Eagles H.A., Payne P.I. 2006. Prediction of dough properties for bread wheats. In: Gliadin and Glutenin. The unique balance of wheat quality. Ed.: C. Wrigley, F. Békés, W, Bushuk. AACC International, p.243-279.
11. Lapochkina IF (2001) Genetic diversity of ‘‘Arsenal’’ collection and its use in wheat breeding. In: Proceedings of international applied sciences conference ‘‘Genetic Resources of Cultural Plants’’, St. Petersburg, pp 133–135.
12. Maystrenko O.I., Troshina A.V., Ermakova M.F. 1973. Chromosomal arm location of genes for flour quality in wheat using ditelosomic lines. Proc. 4th Intern. Wheat Genetics Symp. Missouri Agr. Exp. Sta., Columbia, Mo, p.51-56.
13. McIntosh R.A., Yamazaki Y., Dubcovsky J., Rogers J., Morris C., Appels R., Xia X.C. Catalogue of gene symbols for wheat available at: http://www.shigen.nig.ac.jp/wheat/komugi/genes/symbolClassList. jsp (accessed 10 October 2019).
14. Morozova E.V., Pshenichnikova T.A., Simonov A.V., Shchukina L.V., Chistyakova A.K., Khlestkina E.K. 2015. A comparative study of grain and flour quality parameters among Russian bread wheat cultivars developed in different historical periods and their association with certain molecular markers. Abstr. International Conference EWACEUCARPIA Cereals Section, Lublin, Poland, May 24-29, p. 11.
15. Peña R.J. Wheat for bread and other foods. 2002. In: Bread Wheat. Improvement and Prodiction. FAO.
16. Shchukina L.V., Pshenichnikova T.A., Khlestkina E.K., Misheva S., Kartseva T., Abugalieva A., Börner A. 2018. Chromosomal location and mapping of quantitative trait locus determining technological parameters of grain and flour in strong-flour bread wheat cultivar Saratovskaya 29. Cereal Research Communications, v. 46, №4, p. 628–638.
17. Vishwakarma M.K., Mishra V.K., Gupta P.K., Yadav P.S., Kumar H., Joshi A.K. 2014. Introgression of the high grain protein gene Gpc-B1 in an elite wheat variety of Indo-Gangetic Plains through marker assisted backcross breeding. Current Plant Biology, v. 1, p. 60-67.