Китайские ученые успешно разработали новые линии пшеницы, обогащенные каротиноидами, с помощью метода редактирования генов.
Каротиноиды служат предшественниками для синтеза витамина А, питательного вещества, которое человек не может синтезировать de novo. Следовательно, витамин А необходимо получать с пищей. Дефицит витамина А имеет серьезные последствия для здоровья: легкие случаи проявляются в виде ночной слепоты, а тяжелые могут привести к необратимой слепоте или даже смерти. Однако эти жизненно важные соединения хронически недопотребляются в современном рационе. Биофортификация пшеницы предлагает надежную, прагматичную стратегию для борьбы с дефицитом витамина А в странах с низким уровнем дохода, которые сильно зависят от основных сельскохозяйственных культур.
В 2025 году исследователи продемонстрировали, что селекция с помощью маркеров является эффективным путем к обогащению кукурузы провитамином А, что значительно снижает затраты на селекцию и ускоряет выпуск сортов.
Среди каротиноидов β-каротин является основным растительным предшественником ретинола (витамина А), необходимого для широкого спектра физиологических функций. Эти функции включают ночное зрение, пролиферацию клеток, размножение, эмбриональное развитие, активность мозга и регуляцию иммунной системы. Другие каротиноиды, такие как зеаксантин, антераксантин и виолаксантин, также играют важную роль в качестве антиоксидантов, нейтрализуя вредные активные формы кислорода.
Каротиноиды представляют собой разнообразную группу встречающихся в природе липофильных соединений, широко распространенных в зеленых растениях, водорослях, грибах и бактериях. Эти соединения относятся к классу изопреноидов C40 и обычно состоят из восьми изопреноидных единиц.
Биосинтетический путь каротиноидов проходит несколько фаз, а циклизация ликопена является критическим разветвлением в биосинтезе каротиноидов, разделяя их на два различных пути.
Один путь приводит к образованию α-каротина, а другой — к образованию γ-каротина и β-каротина. Растения содержат два типа циклазных ферментов, которые опосредуют процесс ε-циклазы (LCYE) и β-циклазы (LCYB) соответственно. LCYE и LCYB катализируют циклизацию одного конца ликопина с образованием ε-кольца, в результате чего образуется α-каротин. В отличие от них, LCYB циклизует оба конца ликопина с образованием β-колец, тем самым производя γ-каротин и β-каротин.
Далее по течению в пути биосинтеза каротиноидов растений α-каротин и β-каротин подвергаются дополнительным модификациям с образованием более сложных кислородсодержащих производных. Эти модификации катализируются каротиноидной гидроксилазой (HYD). В частности, α-каротин преимущественно превращается в α-криптоксантин и лютеин. В то же время β-каротин трансформируется в различные ксантофиллы, включая β-криптоксантин, зеаксантин, антераксантин, виолаксантин и неоксантин.
Ген Lcye, кодирующий ε-циклазу, является ключевым фактором в пути биосинтеза каротиноидов, оказывая значительное влияние на содержание и соотношение каротиноидов в растениях. Последующие исследования продемонстрировали его ключевую роль в модулировании профилей каротиноидов у различных видов растений.
Например, дефицит фермента LCYE у Arabidopsis приводит к невозможности синтеза лютеина и сопутствующему увеличению уровня β-каротина; у томатов с подавленной экспрессией Lcye наблюдалось повышение общего содержания каротиноидов и β-каротина, в то время как содержание лютеина снижалось; подавление экспрессии гена Lcye у рапса показало заметное повышение уровня каротиноидов в семенах.
Аналогично, целенаправленное редактирование гена Lcye у бананов привело к шестикратному увеличению содержания β-каротина в плодах, хотя и с одновременным снижением уровней α-каротина и лютеина. У картофеля подавление экспрессии Lcye привело к 14-кратному увеличению содержания β-каротина и 2,5-кратному увеличению общего содержания каротиноидов, при этом каллусная ткань картофеля приобрела насыщенный желтый оттенок.
Более того, биохимический анализ мутантных линий твердой пшеницы выявил 75%-ное увеличение содержания β-каротина в зерне у полной мутантной линии по сравнению с контролем. В совокупности эти результаты подчеркивают потенциал Lcye как ценного генетического инструмента для повышения содержания β-каротина в растениях, что открывает значительные перспективы для селекционных программ, направленных на улучшение питательной ценности.
Пшеница — одна из крупнейших культивируемых зерновых культур, выращиваемая почти на 17% мировых сельскохозяйственных земель и являющаяся основной культурой в мире; она служит важнейшим источником растительного белка, минералов и витаминов для питания человека.
Качество пшеницы можно условно разделить на качество переработки и пищевую ценность. С постоянным повышением уровня жизни и углублением осознания важности здорового питания, выращивание сортов пшеницы с улучшенными питательными свойствами привлекает все больше внимания.
Среди этих питательных веществ содержание витамина А является одним из ключевых показателей оценки пищевой ценности пшеницы, играя решающую роль в здоровье человека. В то время как не провитаминные каротиноиды, такие как лютеин, преимущественно накапливаются в эндосперме пшеницы, провитамин А, например β-каротин, остается крайне редким, его содержание колеблется от 0,03 до 0,16 мкг/ г в различных индийских сортах озимой пшеницы.
Таким образом, необходимо разработать генофонд пшеницы с повышенным содержанием провитамина А (каротиноидов) с помощью технологии редактирования генов.
Исследователи Агрономического колледжа Государственной ключевой лаборатории растениеводства (пшеница и кукуруза) Хэнаньского сельскохозяйственного университета, Китай, использовали систему редактирования генов CRISPR для воздействия на ген TaLcye в пшенице с целью улучшения питательного профиля, контролируемого этим геном. Результаты показали, что содержание каротиноидов — β-каротина, зеаксантина, антераксантина и виолаксантина — существенно повысилось в зерне через 20 дней после опыления.
Для решения этой задачи ученые использовали систему CRISPR-Cas9 для воздействия на ключевые контрольные точки в пути биосинтеза каротиноидов в сорте пшеницы Филдер (Fielder). Это среднепоздний сорт яровой мягкой пшеницы, часто используемый в селекционных программах. Сорт получен из Банка генетического материала сельскохозяйственных культур Китая.
«В частности, мы нокаутировали ген, кодирующий ликопин ε-циклазу (LCYE), фермент, который действует как регулятор, препятствующий производству β-разветвленных каротиноидов. Биохимический анализ гомозиготных мутантных эндоспермов без трансгена через 20 дней после цветения (DPA) выявил выраженное метаболическое перенаправление биосинтеза каротиноидов, характеризующееся дифференциальными, специфичными для каждой линии моделями накопления. Содержание провитамина А и каротиноидов, в частности β-каротина, увеличилось на 26,1–34,5% по сравнению с контрольными образцами дикого типа, одновременно с повышением содержания зеаксантина на 22,9–125,4%, виолаксантина на 41,6–73,9% и антераксантина на 26,2–186,5%. Однако это увеличение было нивелировано резким снижением содержания лютеина в линиях 1–4 и 5–1. В результате общий уровень каротиноидов демонстрировал неравномерную реакцию, при этом в линии 5–1 наблюдалось умеренное снижение по сравнению с диким типом. Кроме того, в мутантных линиях наблюдалось повышение уровня амилозы и растворимых сахаров, а оболочки семян и эндосперм тройных гомозиготных мутантных линий без трансгенов приобрели оранжево-желтый оттенок. В заключение, мы успешно разработали новые линии пшеницы, обогащенные каротиноидами, с помощью метода редактирования генов. Это исследование демонстрирует, что целенаправленное перенаправление биосинтеза каротиноидов посредством редактирования генов является эффективной стратегией для повышения питательной ценности товарной пшеницы и смягчения дефицита микроэлементов в современных системах питания», сообщают авторы исследования.
Эти результаты подчеркивают потенциал редактирования генов как эффективного подхода к биофортификации, предоставляющего жизнеспособное решение для борьбы с дефицитом микроэлементов в основных сельскохозяйственных культурах.
Источник: Foods 2026, doi.org/10.3390/foods15050817