Пшеница обеспечивает примерно одну пятую от общего объема потребляемой населением мира энергии, поэтому учеными предпринимается множество усилий для улучшения зерна для целей хлебопечения этой необходимой культуры в сочетании м раскрытием потенциала урожайности. На наиболее быстрорастущих рынках Южной Азии и Китая улучшение качества зерна стало гораздо более важным в значительной степени из-за быстрого роста доходов и разнообразия продуктов питания. Китайские исследователи определили, что тримерный комплекс TaNF-Y балансирует урожайность и качество зерна пшеницы.
Пшеница обеспечивает в среднем 20% от общего белка в рационе человека. Белки зерна пшеницы обладают уникальными свойствами, что делает их пригодными для использования в значительном количестве пищевых и непищевых продуктов. Как общая концентрация белка зерна, так и относительный состав фракции запасного белка определяют связность и вязкоупругость глютена, сети, образованной запасными белками зерна пшеницы при смешивании с водой. Запасные белки (или белки запаса) составляют около 50% от общего белка в зрелых зернах злаков и оказывают важное влияние на их питательные качества для людей и скота, а также на их функциональные свойства в переработке пищевых продуктов.
Зерна злаковых содержат относительно мало белка по сравнению с семенами бобовых, в среднем около 10–12% сухого веса. Тем не менее, они обеспечивают примерно свыше 200 тонн белка для питания людей и скота, что примерно в три раза превышает количество, полученное из более богатых белком (20–40%) семян бобовых. Помимо своей пищевой важности, белки семян злаковых также влияют на использование зерна в пищевой промышленности. Это особенно важно для пшеницы, которая в основном потребляется людьми после переработки в хлеб и другие продукты питания. Поэтому неудивительно, что белки семян злаковых на протяжении многих лет были основной темой исследований с целью понимания их структуры, контроля синтеза и роли в использовании зерна.
Содержание и состав крахмала зерна и запасного белка семян (SSP) являются двумя критическими факторами, которые определяют урожайность и качество зерна пшеницы. Содержание крахмала тесно связано с весом зерна, в то время как содержание и состав SSP напрямую влияют на качество муки. Однако часто существует отрицательная корреляция между содержанием SSP (качеством) и содержанием крахмала. Вместе с тем. интеграция различных дисциплин, таких как функциональная геномика, протеомика, биоинформатика, генетическая трансформация, селекция и эксплуатация новых генетических ресурсов, быстро продвигает наше понимание генетических и биохимических основ качественных признаков пшеницы.
Недавно исследовательская группа Сяо Цзюня из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук идентифицировала тримерный комплекс TaNF-Y, который может одновременно регулировать биосинтез крахмала и SSP, работа была опубликована года в журнале The Plant Cell.
Предыдущие исследования сообщали о транскрипционной регуляции генов, кодирующих SSP пшеницы, и генов, кодирующих ферменты биосинтеза крахмала. Однако мало что известно о том, как факторы транскрипции регулируют как SSP, так и накопление крахмала и координируют баланс между качеством и урожайностью.
«Эндосперм в зерновых культурах играет важную роль в определении урожайности зерна и качества семян, поскольку он контролирует производство крахмала и запасного белка семян (SSP). В этом исследовании мы идентифицировали специфический тримерный комплекс ядерного фактора Y (NF-Y) в пшенице, состоящий из TaNF-YA3-D, TaNF-YB7-B и TaNF-YC6-B, и демонстрирующий надежную экспрессию в эндосперме во время налива зерна. Эти тримерные комплексы напрямую или косвенно регулируют синтез SSP и крахмала, изменяя собственные паттерны транскрипции.
После подавления генов TaNF-YA3 и TaNF-YC6 с использованием технологии интерференции РНК-интерференции наблюдалось снижение содержания крахмала и увеличение содержания запасного белка. Дальнейший анализ показал, что комплекс тримеров TaNF-Y взаимодействует с Polycomb Repressive Complexes 2 (PRC2), рекрутируя модификации гистона H3K27me3 и ингибируя транскрипцию генов, кодирующих SSP, TaLMW-400 и TaGli-γ-700, а также отрицательный регулятор генов, кодирующих крахмал, TaNAC019. Таким образом, он напрямую регулирует SSP пшеницы и косвенно регулирует накопление крахмала», - рассказал профессор Сяо Цзюнь.
Кроме того, естественные вариации в кодирующей области TaNF-YB7-B влияют на его взаимодействие с PRC2, при этом гаплотип TaNF-YB7-B Hap2 показывает более высокое содержание крахмала и более низкое содержание SSP. Это дает возможность к созданию более урожайных сортов, что соответствует цели повышения урожайности важной зерновой культуры в Китае.
Источник: Chinese Academy of Sciences.
Заглавное фото: Лукьянов Дмитрий, AgroXXI.ru.