doi: 10.15389/agrobiology.2025.6.rus
УДК 633.15:577.2
Работа выполнена в рамках Федерального проекта «Аграрная наука – шаг в будущее развитие агропромышленного комплекса», направление 4.1.1.
ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЛИНИЙ КУКУРУЗЫ (Zea mays L.)
ПО СОДЕРЖАНИЮ КАРОТИНОИДОВ И ЭКСПРЕССИИ
КЛЮЧЕВЫХ ГЕНОВ КАРОТИНОГЕНЕЗА ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ
ГИБРИДОВ КОРМОВОГО НАПРАВЛЕНИЯ
А.Х. ГЯУРГИЕВ, Д.Х. АРХЕСТОВА✉, Р.А. ГАЖЕВА,
А.И. САРБАШЕВА, А.Д. ХАУДОВ
Кукуруза (Zea mays L.) широко используется в кормопроизводстве. Один из важнейших вторичных метаболитов, определяющих питательную ценность кормов и физиологическое состояние растений, — каротиноиды, которые тесно связаны с хлорофиллом и участвуют во многих клеточных процессах растений. Каротиноиды способны поглощать свет в тех областях видимого спектра, где хлорофилл не очень эффективен. Они передают часть световой энергии хлорофиллам и защищают растения от необратимой фотодеструкции. Каротиноиды также служат липофильными антиоксидантами, которые защищают клеточные мембраны от окислительного стресса посредством поглощения синглетного кислорода. Растения с повышенным содержанием каротиноидов более стрессоустойчивы и характеризуются увеличением вегетативной массы. Корма, богатые каротиноидами, способствуют улучшению состояния иммунной системы крупного рогатого скота, снижают заболеваемость и положительно влияют на продуктивность. В представленном исследовании в коллекции Института сельского хозяйства — филиала ФГБНУ ФНЦ Кабардино-Балкарский научный центр РАН (ИСХ КБНЦ РАН) были впервые выявлены селекционные линии кукурузы с высоким содержанием в листьях каротиноидов, а также показана взаимосвязь между их накоплением и экспрессией ключевых генов каротиногенеза. Целью работы стало определение содержания каротиноидов и экспрессии ключевых генов каротиногенеза в селекционных линиях кукурузы ИСХ КБНЦ РАН для выделения образцов, которые будут использоваться в селекционной работе для получения новых сортов и гибридов кормовой направленности. Для анализа были отобраны 150 селекционных линий кукурузы из коллекции ИСХ КБНЦ РАН. Растения были выращены на опытных участках ИСХ КБНЦ РАН (с. Опытное, Терский р-н, Кабардино-Балкарская Республика) в 2023 году. Площадь участка — 2,0 га, предшественник — соя. Почва опытного участка — чернозем обыкновенный. Содержание каротиноидов в листовой ткани определяли с использованием реактива Фолча на спектрофотометре УФ-1100 («Эковью», Россия). Экспрессию генов определяли в тех же тканях, гомогенизированных в жидком азоте, которые использовали для измерения содержания каротиноидов. Суммарную РНК выделяли из 50 мг листовой ткани (RNeasy Plant Mini Kit, «QIAGEN GmbH», Германия) и очищали от ДНК-контаминации (RNase-free DNase set, «QIAGEN GmbH», Германия). Полученную мРНК использовали для синтеза кДНК с праймером oligo-dT (GoScript Reverse Transcription System, «Promega Corporation», США). Экспрессию генов определяли методом количественной ПЦР в реальном времени (ПЦР-РВ) на приборе CFX96 Real-Time PCR Detection System («Bio-Rad Laboratories», США). Результаты биохимического анализа листьев анализируемых образцов показали значительную вариабельность в содержании каротиноидов, что позволило разделить линии на группы с высоким, средним и низким содержанием пигментов. Для экспрессионного анализа ключевых генов каротиногенеза (фитоинсинтаз PSYиликопин-циклаз Lcy)были отобраны четыре линии с контрастным содержанием каротиноидов в листьях. Транскрипционный анализ показал, что линии 944 и 726 с высоким содержанием каротиноидов характеризовались повышенной экспрессией генов биосинтеза каротиноидов PSY1, PSY2, LcyB и LcyE по сравнению с низкокаротиноидными линиями 804 и 849. Это может свидетельствовать о том, что повышение экспрессии генов биосинтеза каротиноидов способствует увеличенному накоплению этих пигментов в листьях кукурузы. Различия в содержании каротиноидов и экспрессии соответствующих генов у исследованных линий кукурузы, вероятно, были обусловлены генетически. Такая генетическая вариабельность служит важным фактором для селекционных программ, направленных на повышение питательной ценности кукурузы. Выделенные линии с повышенным содержанием каротиноидов (линии 8007, 931, 944, 726, 760, 847, 728) имеют большой потенциал для использования в селекционных программах по созданию гибридов кукурузы с улучшенным содержанием каротиноидов, особенно в рамках биофортификации, направленной на повышение питательной и диетической ценности кукурузы.
Ключевые слова: Zea mays L., кукуруза, каротиноиды, экспрессия генов, PSY1, PSY2, LcyB, LcyE.
A.Kh. Gyaurgiev, D.Kh. Arkhestova ✉, R.A. Gazheva,
A.I. Sarbasheva, A.D. Khaudov
Maize (Zea mays L.) is widely used in feed production. Carotenoids are among the most important secondary metabolites, determining the nutritional value of feed and the physiological state of plants. They are closely associated with chlorophyll and participate in numerous cellular processes. Carotenoids can absorb light in regions of the visible spectrum where chlorophyll is less efficient. They transfer a portion of the light energy to chlorophylls and protect plants from irreversible photodamage. Carotenoids also serve as lipophilic antioxidants, protecting cell membranes from oxidative stress by quenching singlet oxygen. Plants with elevated carotenoid content exhibit greater stress tolerance and are characterized by increased vegetative biomass. Feeding cattle with carotenoid-rich feed improves the immune system, reduces disease incidence, and positively impacts productivity. This study, for the first time, identified maize breeding lines with high leaf carotenoid content from the collection of the Institute of Agriculture — a branch of the Kabardino-Balkarian Scientific Center of the Russian Academy of Sciences (IA KBSC RAS), and demonstrated the relationship between carotenoid accumulation and the expression of key carotenogenesis genes. The aim of this work was to determine the carotenoid content and the expression of key carotenogenesis genes in maize breeding lines from the IA KBSC RAS collection to identify samples for use in breeding new varieties and hybrids of forage maize. A set of 150 maize breeding lines from the ISX KBSC RAS collection was analyzed. Plants were grown on the experimental plots of IA KBSC RAS (s. Opytnoe, Tersky District, Kabardino-Balkarian Republic) in 2023. The plot area was 2.0 hectares, with soybean as the preceding crop. The soil of the experimental plot was ordinary chernozem. Carotenoid content in leaf tissue was determined using Folch reagent and a UV-1100 spectrophotometer ("Ecoview", Russia). Gene expression analysis was performed on the same tissues homogenized in liquid nitrogen and used for carotenoid measurement. Total RNA was isolated from 50 mg of leaf tissue (RNeasy Plant Mini Kit, QIAGEN GmbH, Germany) and purified from DNA contamination (RNase-free DNase set, QIAGEN GmbH, Germany). The obtained mRNA was used for cDNA synthesis with an oligo-dT primer (GoScript Reverse Transcription System, Promega Corporation, USA). Gene expression was analyzed by quantitative real-time PCR (qRT-PCR, a CFX96 Real-Time PCR Detection System, Bio-Rad Laboratories, USA). The results of the biochemical analysis revealed significant variability in carotenoid content among the samples, allowing the lines to be divided into groups with high, medium, and low pigment content. For the expression analysis of key carotenogenesis genes (phytoene synthases PSY and lycopene cyclases Lcy), four lines with contrasting leaf carotenoid content were selected. The transcript level analysis showed that lines 944 and 726, with high carotenoid content, were characterized by increased expression of the carotenoid biosynthesis genes PSY1, PSY2, LcyB, and LcyE compared to the low-carotenoid lines 804 and 849. This suggests that increased expression of carotenoid biosynthesis genes contributes to the enhanced accumulation of these pigments in maize leaves. The differences in carotenoid content and the expression of the corresponding genes among the studied maize lines are likely due to genetic factors. This genetic variability is an important asset for breeding programs aimed at enhancing the nutritional value of maize. The identified lines with high carotenoid content (lines 8007, 931, 944, 726, 760, 847, 728) hold significant potential for use in breeding programs to develop maize hybrids with improved carotenoid content, particularly in biofortification strategies aimed at enhancing the nutritional and dietary value of maize.
Keywords: Zea mays L., corn, carotenoids, carotenogenesis, biofortification, gene expression, PSY1, PSY2, LcyB, LcyE.
Институт сельского хозяйства — филиал ФГБНУ ФНЦ Кабардино-Балкарский научный центр РАН, |
Поступила в редакцию Принята к публикации |
