Среди зерновых культур овес выделяется высоким содержанием масла в зернах. С одной стороны, это дало идеи о производстве овсяного масла, а с другой – о выведении низкомасличных сортов, которые было бы легко перерабатывать в муку или растительные белки. Более глубокое понимание молекулярных процессов, происходящих во время развития зерна овса, особенно тех, которые связаны с синтезом липидов, поможет выявить пути или специфические ферменты для модификации с целью управления маслом зерна овса. В новом исследовании австралийские ученые использовали липидомные и протеомные стратегии для изучения биологических процессов во время развития зерна двух австралийских сортов овса мукомольного качества с высоким и средним содержанием масла. Сравнение этих двух моделей овса дало основополагающие знания о сложной сети генетических и физиологических процессов и распределении ресурсов в запасных молекулах во время развития зерна, вносящих вклад в конечные качественные характеристики зерна.
Команда исследователей Университета Южной Австралии, Южно-Австралийского научно-исследовательского института и Университета Аделаиды работает над тонкой настройкой масличности овса с акцентом на биосинтез липидов на уровне белка.
Хотя овес является ценной в питательном отношении зерновой культурой, его высокое содержание масла затрудняет переработку и ограничивает его включение в пищевые продукты, обогащенные питательными веществами.
Овес посевной (Avena sativa L.) — универсальное зерновое растение, широко культивируемое благодаря своей питательной ценности и адаптивности. Изначально овес использовался в качестве кормовой культуры для скота, однако достижения в технологиях его переработки, таких как сушка и прокатка, способствовали включению овса в рацион человека по всему миру.
Популярность овса обусловлена его полезными свойствами, в том числе высоким содержанием β-глюкана и авенантрамидов, которые способствуют улучшению здоровья сердца и регуляции уровня сахара в крови. В 2022 году во всем мире было произведено двадцать шесть миллионов тонн овса, что поставило эту культуру на седьмое место среди зерновых культур по объему производства.
Несмотря на питательный потенциал овса, технологические и селекционные достижения исторически были сосредоточены на основных продовольственных зерновых культурах, таких как ячмень, кукуруза, рис и пшеница, что приводило к более высокой урожайности и большей рыночной стабильности этих культур.
В противоположность этому, овес часто рассматривается как менее ценная вторичная культура, цены на которую определяются механизмами рынка кормов. Кроме того, переработка овса затруднена из-за его уникально высокого содержания масла среди злаков, что способствует образованию агрегатов, и это затрудняет помол и сортировку на более ценные, богатые питательными веществами фракции. Это препятствует разработке новых ингредиентов и применений на основе овса.
Генетическое улучшение качества зерна овса, включая улучшение характеристик питательных веществ и снижение содержания масла, требует глубокого понимания физиологических процессов, происходящих во время развития зерна.
Развитие зерна у злаковых культур делится на три основных этапа: (i) целлюляризация - деление клеток и дифференциация на ткани эндосперма и зародыша; (ii) налив зерна - накопление масла, крахмала и запасных белков семян; и (iii) созревание - высыхание семян, приводящее к покою.
Исследования, изучающие распределение углерода во время развития зерна овса, показали, что сорта с высоким содержанием масла включают больший процент общего углерода в липиды на ранних стадиях развития, чем сорта со средним содержанием масла.
Эти результаты указывают на возможности тонкой настройки взаимодействия между синтезом масла и углеводов в овсе для получения высокоурожайных сортов с пониженным содержанием масла для улучшенной переработки. Для этого важно полностью понять основные молекулярные механизмы, управляющие развитием зерна овса.
Были проведены транскриптомные исследования с использованием секвенирования РНК для изучения изменений в паттернах экспрессии генов во время развития зерна овса. Однако на сегодняшний день еще не были опубликованы данные об уровне белка, которые могли бы более непосредственно соотноситься с фенотипом семян.
Протеомика дала всестороннее понимание регуляции путей в других зерновых культурах, включая ячмень, рис, кукурузу и пшеницу. Аналогичным образом, липидомика предлагает исследование экспрессии различных классов липидов в овсе на уровне фенотипа.
Интересно, что липидомика выявила отрицательные корреляции между уровнями экспрессии полярных липидов и триацилглицеридов в овсе с высоким содержанием масла по сравнению с низким, но молекулярные механизмы, лежащие в основе этих корреляций, остаются неизвестными.
Сочетание липидомического и протеомического анализов на этапах развития зерна может помочь выяснить основные пути синтеза липидов в овсе, генерируя ресурсы для будущих исследований по выявлению целей для генетической манипуляции с использованием современных биотехнологических инструментов.
В данной работе команда исследователей стремилась охарактеризовать синтез овсяного масла во время развития зерна двух современных сортов овса – сорта Баннистер (Bannister, (10,0 % масла) и сорта Билби (Bilby, (7,5 % масла) – с использованием липидомных и протеомных подходов. Масс-спектрометрия с матрично-активированной лазерной десорбцией и ионизацией (MALDI-MSI) развивающихся зерен показала, что накопление триацилглицеридов (ТГ) происходило в развивающемся эндосперме, области, где также ожидается накопление крахмала.
Анализ экстрактов образцов из обоих сортов методом жидкостной хроматографии с тандемной масс-спектрометрией (ЖХ-МС/МС) облегчил отслеживание синтеза липидов в процессе развития зерна. Белки, участвующие в сборке жирных кислот и ТГ, были идентифицированы с помощью протеомики, наряду с другими ферментами, участвующими в углеводном обмене. Было идентифицировано более 4500 групп белков.
Ученые определили также потенциальные механизмы, имеющие отношение к распределению углерода между липидами и крахмалом. По сравнению с Билби, у Баннистера наблюдалось относительно более высокое накопление глицеролипидов и повышенный уровень ключевых ферментов в путях синтеза липидов, что указывает на различия в приоритетах метаболизма в отношении липидов.
Результаты, представленные в данном исследовании, дают дополнительные знания о регуляции липидов овса в процессе развития зерна, что может быть полезно для будущих селекционных работ по оптимизации переработки овса и повышению его питательной ценности.
Полностью ознакомиться с исследованием вы можете по ссылке.