doi: 10.15389/agrobiology.2016.1.17rus

УДК 633.1:[573.6.086.83:577.21]:58

 

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ КАК ИНСТРУМЕНТ МОДИФИКАЦИИ
СОСТАВА ЗАПАСНЫХ БЕЛКОВ И ПОВЫШЕНИЯ
ПИТАТЕЛЬНОЙ ЦЕННОСТИ ЗЕРНА У ЗЛАКОВ (обзор)

Л.А. ЭЛЬКОНИН, И.В. ДОМАНИНА, Ю.В. ИТАЛЬЯНСКАЯ

За последние годы генная инженерия стала одним из методов генетического улучшения возделываемых растений, в том числе эффективным инструментом изменения состава запасных белков зерна у злаковых культур — основного источника продуктов питания для человека. В обзоре описаны разные подходы, используемые в этих исследованиях, а именно введение генетических конструкций, которые обеспечивают синтез белков, отсутствующих у сорта-реципиента; индуцируют РНК-сайленсинг генов, кодирующих белки с низкой питательной ценностью; регулируют пул аминокислот в эндосперме зерновки. Рассматриваются работы, в которых сообщается о введении дополнительных генов высокомолекулярных глютенинов (1Dx5, 1Ax1, 1Bx17, 1By18, 1Dy10 и др.) в геномы различных линий и сортов мягкой пшеницы. В этих работах были созданы трансгенные линии с улучшенными хлебопекарными свойствами зерна (повышенная сила муки и эластичность теста). Помимо прикладного значения, такие исследования позволяют понять роль отдельных генов высоко- и низкомолекулярных глютенинов в формировании признаков качества муки. Приводятся примеры получения безмаркерных трансгенных линий пшеницы, экспрессирующих гены 1Dy10 и 1Bx14, а также переноса генов высокомолекулярных глютенинов в геномы других злаковых культур — ржи, кукурузы, сорго. Обсуждаются возможности использования РНК-интерференции для получения информации о механизмах образования белковых телец, стекловидного эндосперма, а также роли различных классов проламинов и глютенинов в технологических свойствах муки и теста. Приводятся примеры создания трансгенной кукурузы с улучшенной питательной ценностью посредством РНК-сайленсинга генов зеинов, подавление синтеза которых ведет к накоплению других белков с более высоким содержанием лизина и триптофана, трансгенного сорго с улучшенной переваримостью белков за счет сайленсинга гена γ-кафирина (белка, образующего поверхностный слой белковых телец, устойчивого к действию пепсина), трансгенной пшеницы с подавленным синтезом глиадинов, мука которой обладает низкой токсичностью для людей, подверженных целиакии и вынужденных соблюдать безглютениновую диету. Приводится пример природного РНК-сайленсинга: у мутанта риса со сниженным уровнем глютелина в локусе Lgc1 обнаружена делеция между двумя кодирующими последовательностями, одна из которых имеет инвертированную ориентацию. Описываются генно-инженерные подходы для повышения содержания лизина: введение нечувствительных к ретроингибированию генов дигидропиколин-синтазы (DHPS) и аспартаткиназы, усиливающих синтез лизина; подавление экспрессии гена zlkr/sdh, регулирующего его катаболизм; введение генов, контролирующих синтез белков с высоким содержанием лизина (гистонов и др.). Обсуждаются перспективы использования генно-инженер-ных методов создания сортов с улучшенной питательной ценностью зерна, которые связаны с применением безмаркерных технологий, повышением точности встраивания генетических конструкций, применением методов редактирования генома с помощью искусственно сконструированных нуклеаз.

Ключевые слова: трансгенные растения, РНК-сайленсинг, проламины, белковые тельца, эндосперм, злаковые культуры.

 

Полный текст

 

GENETIC ENGINEERING AS A TOOL FOR MODIFICATION OF SEED
STORAGE PROTEINS AND IMPROVEMENT OF NUTRITIONAL VALUE
OF CEREAL GRAIN (review)

L.A. El’konin, I.V. Domanina, Yu.V. Ital’yanskaya

In recent years, genetic engineering has become an effective tool for the genetic improvement of cultivated plants including changes in the composition grain storage proteins of cereal crops that are the main source of nutrition for humans. The review describes the approaches used in these studies: the introduction of genetic constructs (i) providing the synthesis of proteins that are absent in recipient cultivars; (ii) inducing RNA-silencing of genes encoding proteins with low nutritional value, (iii) regulating the pool of amino acids in the endosperm. The studies are referred, which reported on the introduction of additional genes of high molecular weight glutenins (1Dx5, 1Ax1, 1Bx17, 1By18, 1Dy10 and others) into the genomes of different lines and cultivars of wheat. In these studies, the transgenic lines with increased dough strength and elasticity were obtained. In addition to the practical importance, these studies allow understanding the role of individual genes of high and low molecular weight glutenins in the formation of wheat flour quality traits. The examples of marker-free transgenic wheat lines expressing 1Dy10 and 1Bx14 genes, as well as transfer of high molecular weight glutenin genes into the genomes of other cereals (rye, corn, sorghum) are given. The possibilities of using the RNAi technology to obtain new information about the mechanisms of development of protein bodies, vitreous endosperm formation, and the role of different classes of prolamins and glutenins in the technological properties of flour and dough are discussed. The examples of the creation of transgenic maize with improved nutritional value via RNA-silencing of prolamin genes, transgenic sorghum with improved protein digestibility (obtained by silencing gene of the γ-kafirin, the protein that forms outer layer of the protein bodies, resistant to pepsin digestion), transgenic wheat with suppression of gliadin synthesis, which flour has a low toxicity to humans with celiac disease, forced to comply gluten-free diet, are given. An example of natural RNA-silencing is given Partivularly, in the rice mutant with reduced level of glutelin, a deletion between the two coding sequences, one of which has an inverted orientation has been detected in the Lgc1 locus. The genetic engineering approaches to increase the lysine content are described, e.g. introduction of genes that enhance its synthesis, such as dihydrodipicolinate synthase (DHPS) insensitive to feedback inhibition and aspartate kinase; suppression of zlkr/sdh gene regulating its catabolism; introduction of genes that control the synthesis of proteins with high lysine content (histones and other lysine-rich proteins). The prospects of using genetic engineering methods to create varieties with improved nutritional value are associated with the use of marker-free technologies, increasing accuracy of insertion of genetic constructs, using the methods of genome editing by artificially engineered nucleases.

Keywords: transgenic plants, RNAi, prolamins, protein bodies, endosperm, cereal crops.

 

ФГБНУ НИИ сельского хозяйства Юго-Востока,
410010 Россия, г. Саратов, ул. Тулайкова, 7,
e-mail: lelkonin@gmail.com

Поступила в редакцию
25 августа 2015 года

 

Оформление электронного оттиска

назад в начало