Фізіологія рослин і генетика 2021, том 53, № 3, 187-215, doi: https://doi.org/10.15407/frg2021.03.187

Нові наукові напрями генетичного поліпшення злакових культур

Моргун В.В.2, Рибалка О.І.1,2, Моргун Б.В.2,3

  1. Селекційно-генетичний інститут—Національний центр насіннєзнавства та сортовивчення Національної академії аграрних наук України 65036 Одеса, Овідіопольська дорога, 3
  2. Інститут фізіології рослин і генетики Національної академії наук України 03022 Київ, вул. Васильківська, 31/17
  3. Інститут клітинної біології та генетичної інженерії Національної академії наук України 03680 Київ, вул. Академіка Заболотного, 148

Ґрунтуючись на генетичній базі, оригінальній за походженням і впливом на біосинтез білків, крохмалю, біоактивних компонентів зерна, ми ініціювали кілька нових напрямів селекції озимої пшениці, озимої пшениці-спельти, озимого та ярого голозерного ячменю й озимого тритикале, яких раніше не було в Україні. Кінцева мета цих ініціатив — виведення на зерновий ринок України нових сортів озимої пшениці, пшениці-спельти, ярого й озимого голозерного ячменю, озимого тритикале з біохімічними, технологічними і харчовими характеристиками зерна, необхідними для розробки нових продуктів харчування з функціональним статусом, а також нових напрямів технологічного використання зерна. Генетична база наших селекційних програм, спеціально створена або перенесена в геном культурної пшениці від дикорослих видів (егілопсів Aegilops tauschii (2n = 2x = 14), Aegilops cylindrica (2n = 4x = 28), дикорослого емера Triticum dicoccoides (2n = 4x = 28), дає нам змогу сьогодні створювати сорти хлібопекарської і бісквітної пшениці екстрависокої якості як на червонозерній, так і на білозерній основі, чого досі не було у вітчизняній селекції. У наших селекційних про­грамах вперше з’явився генетичний ресурс для цілеспрямованого широкомасштабного ке­рування консистенцією ендосперму пшениці, харчовими і технологічними характеристиками крохмалю, твердістю зерна, технологічними і борошномельними характеристиками зерна, що також є новим для української селекції й істотно розширює технологічний потенціал культури пшениці. Ми першими в Україні ініціювали створення сортів озимої хлібопекарської пшениці і пшениці-спельти, харчового голозерного ячменю з кольоровим (фіолетовим, синім, чорним) зерном, що радикально поліпшить харчовий і функціональний статус зерна хлібопекарської пшениці, пшениці-спельти і харчового голозерного ячменю та продуктів їх переробки. У зв’язку зі створенням кольорових сортів пшениці і голозерного ячменю та різноманіттям зерна за твердістю ми ініціювали принципово новий напрям в українській селекції — створення сортів пшениці і голозерного ячменю з кольоровим зерном спеціального круп’яного напряму використання (крупи, пластівці, екструдовані продукти) та наголошуємо на популяризації серед населення України функціональних продуктів харчування із цільного зерна кольорових сортів злаків як важливого харчового чинника, спрямованого на поліпшення фізичного здоров’я нації. Вперше в Україні ми ініціювали і забезпечили спеціальною генетичною базою програму селекції сортів голозерного ячменю (ярого, озимого й альтернативного типів розвитку) харчового напряму використання з підвищеним вмістом у зерні білка, розчинної дієтичної клітковини (бета-глюканів), засвоюваного мінерального фосфору, біоактивних поліфенольних сполук антоціанінів і фітомеланінів з високою антиоксидантною активністю, з підвищеним вмістом у крохмалі амілози й резистентного крохмалю, а також створення голозерного ячменю з унікальними харчовими характеристиками й ультранизьким вмістом у зерні глютену. На підставі результатів світових і власних досліджень ми вважаємо, що питання харчової цінності зернових злаків в Україні має набути статусу стратегічної державної програми, спрямованої на оздоровлення української нації.

Ключові слова: пшениця, спельта, ячмінь голозерний, тритикале, якість зерна, білки, резистентний крохмаль, інтрогресія генів, амілоза, амілопектин, антоціаніни, антиоксиданти

Фізіологія рослин і генетика
2021, том 53, № 3, 187-215

Повний текст та додаткові матеріали

У вільному доступі: PDF  

Цитована література

1. Hsu, P., Lander, E. & Zhang, F. (2014). Development and application of CRISPR-Cas9 for genome engineering. Cell, 157, Elsevier Inc., pp. 1262-1278. https://doi.org/10.1016/j.cell.2014.05.010

2. Gorafi, Y., Kim, J.-S., Elbashir, A. & Tsujimoto, H. (2018). A population of wheat synthetic derivatives: an effective platform to explore, harness and utilize genetic diversity of Aegilops tauschii for wheat improvement. Theor. Appl. Genet., 131, pp. 1615-1625. https://doi.org/10.1007/s00122-018-3102-x

3. Cox, T., Wu, J., Wang, Sh., Cai, J., Zhang, Q. & Fu, B. (2017). Comparing two approaches for introgression of germplasm from Aegilops tauschii into common wheat. https://doi.org/10.1016/j.cj.2017.05.006

4. Rybalka, O.I. (2011). Wheat quality and its improvement. Kyiv: Logos [in Ukrinian].

5. Rybalka, O.I., Morgun, V.V. & Pochinok, V.M. (2012). Genetic bases of wheat varieties by specialization of their technological use. Physiology and biochemistry of cult. plants, 44, No. 2, pp. 95-124 [in Ukrainian].

6. D'Ovidio, R., Masci, S., Porceddu, E. & Kasarda, D. (1997). Duplication of the Bx7 high-molecular-weight glutenin subunit gene in bread wheat (Triticum aestivum L.) cultivar Red River 68. Plant Breeding, 116, pp. 525-531. https://doi.org/10.1111/j.1439-0523.1997.tb02184.x

7. Blechl, A. & Anderson, O. (1996). Expression of a novel high-molecular-weight glutenin subunit gene in transgenic wheat. Nature Biotechnol, 14, pp. 875-879. https://doi.org/10.1038/nbt0796-875

8. Howell, T., Hale, I., Jankulosky, L., Bonafede, M., Gilbert, M. & Dubcowsky, J. (2014). Mapping a region within 1RS.1BL translocation in common wheat affecting grain yield and canopy water status. Theor. Appl. Genet., 127, pp. 2695-2709. https://doi.org/10.1007/s00122-014-2408-6

9. Johnson, V., Mattern, P., Peterson, C. & Kuhr, S. (1985). Improvement of wheat protein by traditional breeding and genetic techniques. Cereal Chemistry, 62, pp. 350-355.

10. McIntosh, R.A., Dubcovsky, J., Rogers, W.J., Rogers, W.J., Morris, C., Appels, R. & Xia, X.C. (2013). Catalogue of Gene Symbols for Wheat. 12th Int. Wheat Genet. Symp. 8-13 Sept. 2013, Yokohama, Japan.

11. Cakmak, I., Torun, A., Millet, E., Feldman, M., Fahima, T., Korol, A., Nevo, B., Braun, H. & Ozkan, H. (2004). T. dicoccoides: an important genetic resource for increasing zinc and iron concentration in modern cultivated wheat. Soil. Sci. Plant Nutr., 50, pp. 1047-1054. https://doi.org/10.1080/00380768.2004.10408573

12. Uauy, C., Brevis, J. & Dubcovsky, J. (2006). The high grain protein content gene Gpc-B1 accelerates senescence and has pleiotropic effects on protein content in wheat. J. Exp. Bot., 57, pp. 2785-2794. https://doi.org/10.1093/jxb/erl047

13. Uauy, C., Distelfeld, A., Fahima,T., Blechl, A. & Dubcovsky, J. (2006). A NAC gene regulating senescence improves grain protein, zinc and iron content in wheat. Science, 314, pp. 1298-1301. https://doi.org/10.1126/science.1133649

14. Distelfeld, A., Uauy, C., Fahima, T. & Dubcovsky, J. (2006). Physical map of the wheat high-grain protein content gene Gpc-B1 and development of a high-throughput molecular marker. New Phytol., 169, pp. 753-763. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2005.01627.x

15. Tabbita, F., Pearce, S. & Barneix, A. (2017). Breeding for increased grin protein and micronutrient content in wheat: Ten years of the GPC-B1 gene. J. Cereal Sci., 73, pp. 183-191. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2017.01.003

16. Stepanenko, A.I., Morgun, B.V. & Rybalka, O.I. (2014). Molecular markers for detection in wheat QTL Gpc-B1, transferred from T. dicoccoides. Proceedings of the XIV Biotechnology in plant growing, animal husbandry and veterenary medicine (pp. 50-52), 16 Apr. 2014, Moscow, Russia [in Russian].

17. Rybalka, O.I., Morgun, B.V. & Polyshchuc, S.S. (2018). GPC-B1(NAM-B1) gene as a new genetic resource in wheat breeding for high grain protein content and micronutrients. Fiziol. rast. genet., 50, No. 4, pp. 279-299 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/frg2018.04.279

18. Morgun, B.V., Stepanenko, O.V., Stepanenko, A.I. & Rybalka, O.I. (2015). Molecular-genetic identification of Wx genes polymorphism in wheat hybrids by multiplex polymerase chain reactions. Fiziol. rast. genet., 47, No. 1, pp. 25-35 [in Ukrainian].

19. Rybalka, O.I., Morgun, V.V., Morgun, B.V. & Pochynoc, V.M. (2015). Agronomic potential and perspectives of triticale. Fiziol. rast. genet., 47, No. 2, pp. 95-112 [in Ukrainian].

20. Hercberg, S., Chat-Yung, S. & Chauliac, M. (2008). The French National Nutrition and Health Program: 2001-2006-2010. Int. J. Public Health, 53, pp. 68-77. https://doi.org/10.1007/s00038-008-7016-2

21. Sherman, J., Souza, E., See, D. & Talbert, L. (2008). Microsatellite markers for kernel color genes in wheat. Crop Science, 48, pp. 1419-1424. https://doi.org/10.2135/cropsci2007.10.0561

22. Guo, Z., Xu, P., Zhang, Z. & Guo, Y. (2012). Segregation ratios of colored grains in F1 hybrid wheat. Crop Breeding and Applied Biotechnology, 12, pp.126-131. https://doi.org/10.1590/S1984-70332012000200005

23. Andersen, Sh. & Jordheim, M. (2006). The anthocyanins. In Flavonoids: Chemistry, Biochemistry and Applications. Sh., Andersen, K.R., Markham (Eds.) (pp. 471-552). Boca Raton, FL: CRC Press. https://doi.org/10.1201/9781420039443.ch10

24. Jacobs, D. & Steffen, L. (2003). Nutrients, foods, and dietary patterns as exposures in research: A framework for food synergy. Amer. J. Clin. Nutr., 78, pp. 508-513. https://doi.org/10.1093/ajcn/78.3.508S

25. Li, W., Shan, F., Sun, Sh., Corke, H. & Beta, T. (2005). Free radical scavenging properties and phenolic content of Chinese black-grained wheat. J. Agric. Food Chem., 53(22), pp. 8533-8536. https://doi.org/10.1021/jf051634y

26. Zeven, A.C. (1991). Wheats with purple and bluegrains - a review. Euphytica, 56, pp. 243-258. https://doi.org/10.1007/BF00042371

27. Nandy, S., Chen, Q., Cheng Sun, Sh., Ahmad, F., Graf, R. & Kereliuk, G. (2008). Nutritional analyses and their inheritance properties in colored wheat seed lines from different origins using near-infrared spectroscopy. Amer. J. Plant Sci. Biotech., 2(2), pp. 74-79.

28. Martinek, P., Scorpic, M., Chrpova, J., Fucik, P. & Schweiger, J. (2013). Development of the new wheat variety Skorpion with blue grain. Czech. J. Genet. Plant Breed., 49(20), pp. 90-94. https://doi.org/10.17221/7/2013-CJGPB

29. Rybalka, O.I., Morgun, V.V., Morgun, B.V. & Pochinok, V.M. (2015). Agronomic potential and perspectives of triticale. Fiziol. rast. genet., 47, No. 2, pp. 95-111 [in Ukrainian].

30. Newman, C. & Newman, R. (2005). Hulless barley for food and feed. In: Specialty grains for food and feed. E. Abdel-Aal, P. Wood eds. Amer. Association of Cereal Chemists. St. Paul, MN, pp. 167-202.

31. Morell, M., Kosar-Hashemi, B., Cmiel, M., Samuel, M., Chandler, P., Rahman, S., Buleon, A., Batey, I. & Li, Z. (2003). Barley sex6 mutants lack starch synthase IIa activity and contain a starch with novel properties. Plant J., 34, pp. 173-185. https://doi.org/10.1046/j.1365-313X.2003.01712.x

32. Topping, D., Morell, M., King, R., Li, Z., Bird, A. & Noakes, M. (2003). Resistant starch and health - Himalaya 292, a novel barley cultivar to deliver benefits to consumers. Starch, 55, pp. 539-545. https://doi.org/10.1002/star.200300221

33. Rybalka, O.I., Morgun, V.V. & Morgun, B.V. (2020). Colored grain of wheat and barley - a new breeding strategy of crops with grain of high nutritional values. Fiziol. rast. genet., 52, No. 2, pp. 95-128 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/frg2020.02.095

34. Rybalka, O.I. Morgun, B.V. & Polyshchuk, S.S. (2011). Barley as a product of functional nutrition. Kyiv: Logos [in Ukrinian].

35. Fasano, A., Berti, I., Gerarduzzi, T., Not, T., Colletti, R., Drago, S. & Elitsur, Y. (2003). Prevalence of celiac disease in at-risk and not-at-risk groups in the United States - a large multicenter study. Arch. Intern. Med., 163, pp. 286-292. https://doi.org/10.1001/archinte.163.3.286

36. Sanchez-Leon., R., Gil-Humanes, J., Ozuna, C., Gimenez, M., Sousa, C., Voytas, D. & Barro, F. (2018). Low-gluten, nontransgenic wheat engineered with CRISPR/Cas9. Plant Biotechnol. J., 16, pp. 902-910. https://doi.org/10.1111/pbi.12837

37. Tanner, G., Blundell, M., Colgrave, M. & Howitt, C. (2016). Creation of the first ultra-low gluten barley (Hordeum vulgare L.) for coeliac and gluten-intolerant populations Plant Biotechnol. J., 14, pp. 1139-1150. https://doi.org/10.1111/pbi.12482

38. Brennan, C., Smith, D., Harris, N. & Shewry, P. (1998). The production and characterization of Hor3 null lines of barley provides new information on the relationship of D hordein to malting performance. J. Cer. Sci., 28, pp. 291-299. https://doi.org/10.1016/S0733-5210(98)90009-1

39. Rybalka, O.I., Katrii, V.B., Morgun, B.V. & Poiyshshuk, S.S. (2020). Barley locus sex 6 mutation that substantionally improves nutritional grain values. Fiziol. rast. genet., 52, No. 3, pp. 238-247 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/frg2020.03.238