vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS10.18699/VJ15.043vavilov-416Research ArticleБИОТЕХНОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВPlant genetics and breedingМаркер-контролируемое выявление генотипов кукурузы с улучшенным качеством белкаMarker-assisted identification of maize genotypes with improved protein qualityОрловскаяО. А.OrlovskayaO. A.O.Orlovskaya@igc.byКубракС. В.KubrakS. V.ВакулаС. И.VakulaS. I.ХотылеваЛ. В.KhotylevaL. V.КильчевскийА. В.KilchevskyA. V.Государственное научное учреждение «Институт генетики и цитологии НАН Беларуси», Минск, БеларусьРоссияInstitute of Genetics and Cytology, National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, Republic of BelarusRussian FederationГосударственное научное учреждение «Институт генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси», Минск, БеларусьРоссияInstitute of Genetics and Cytology, National Academy of Sciences of Belarus, Minsk, Republic of BelarusRussian Federation201529112015193333338Copyright © Орловская О.А., Кубрак С.В., Вакула С.И., Хотылева Л.В., Кильчевский А.В., 20152015Орловская О.А., Кубрак С.В., Вакула С.И., Хотылева Л.В., Кильчевский А.В.Orlovskaya O.A., Kubrak S.V., Vakula S.I., Khotyleva L.V., Kilchevsky A.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/416

В настоящее время более 70 % кукурузы используется для производства пищевых продуктов и кормов, поэтому улучшение качественных показателей зерна может повысить пищевую и энергетическую ценность данной культуры. Дефицит двух незаменимых аминокислот, лизина и триптофана, существенно снижает питательное качество белка кукурузы. Однако мутанты кукурузы opaque2 (o2) имеют увеличенное содержание лизина и триптофана в белке эндосперма по сравнению с традиционными сортами, что повышает биологическую ценность кукурузного белка. Цель исследования – выявление образцов с высоким качеством белка в коллекции кукурузы различного эколого-географического происхождения с использованием молекулярно-генетических методов для повышения эффективности селекции данной культуры. Создана коллекция из 54 генотипов кукурузы с различными качественными показателями зерна. С помощью трех специфических маркеров к гену оpaque-2 (phi 057, phi 112 и umc 1066) выявлены генотипы кукурузы, гомозиготные по рецессивному аллелю o2, который связан с улучшенными питательными свойствами белка. Электрофоретический анализ зеинов позволил отобрать образцы Quality Protein Maize (QPM), которые содержат наряду с мутантным аллелем о2 генетические модификаторы, преобразующие крахмальный эндосперм o2-мутанта в твердый, стекловидный фенотип. Выделенные в результате исследования QPM-образцы представляют интерес для селекционных программ кукурузы, направленных на повышение качества зерна. Применение маркеров к гену opaque-2 и генам-модификаторам позволяет сократить сроки создания QPM-гибридов кукурузы, а также значительно уменьшает трудоемкость и финансовые затраты на их создание.

Currently, more than 70 % of maize is used for food and fodder; therefore, grain quality improvement can increase its nutritive and energy value. Deficiency of two essential amino acids (lysine and tryptophan) significantly reduces the nutritional quality of maize proteins. However, in comparison to conventional maize varieties, opaque2 (o2) mutants have greater contents of lysine and tryptophan in their endosperm proteins and their bioavailability is better. The aim of the study was identification of maize accessions with high-quality protein. A collection of maize accessions of various ecogeographical origins was studied by molecular methods. This approach was expected to improve maize breeding efficiency. We collected 54 maize genotypes differing in grain quality performance. Amplification with three specific markers to the opaque-2 gene (phi057, phi112 and umc1066) revealed homozygous recessive o2 genotypes, associated with improved nutritional quality of the protein. UREA-PAG electrophoresis of zein proteins was used for Quality Protein Maize (QPM) identification. In addition to the mutant o2 allele, QPM contains genetic modifiers that convert starchy endosperm of o2 mutant to the hard vitreous phenotype. The selected QPM accessions are of interest for maize breeding programs aimed at grain quality improvement. The use of the markers to o2 and modifier genes accelerates the development of QPM varieties and significantly reduces the labor and financial costs of their production.

кукурузаQPM-генотипSSR-маркерыэлектрофоретический анализ зеиновmaizeQPM genotypeSSR markersUREAPAGEzeins.ReferencesСемена кукурузы. Метод определения уровня гибридности семян первого поколения, оценка типичности и маркирование инбредных линий: СТБ 1710–2006. утв. и введ. в действие Постановлением Госстандарта Республики Беларусь от 30 декабря 2006 г. № 66. Минск, 2006.Babu R., Prasanna B.M. Molecular breeding for Quality Protein Maize (QPM). Genom Plant Genetic Res. 2014489-505. DOI: 10.1007/978-94-007-7575-6_21Babu R., Prasanna B.M. Molecular breeding for Quality Protein Maize (QPM). Genom Plant Genetic Res. 2014489-505. DOI: 10.1007/978-94-007-7575-6_21Danson J.W., Mbogori M., Kimani M., Lagat M., Kuria A., Diallo A. Marker assisted introgression of opaque2 gene into herbicide resistant elite maize inbred lines. African J. Biotechnol. 2006;5(24):2417-2422. DOI: 10.5897/AJB06.499Danson J.W., Mbogori M., Kimani M., Lagat M., Kuria A., Diallo A. Marker assisted introgression of opaque2 gene into herbicide resistant elite maize inbred lines. African J. Biotechnol. 2006;5(24):2417- 2422. DOI: 10.5897/AJB06.499Esen A. A proposed nomenclature for the alcohol-soluble proteins(zeins) of maize (Zea mays L.). J. Cereal Sci. 1987;5(2):117-128. DOI: 10.1016/S0733-5210(87)80015-2Esen A. A proposed nomenclature for the alcohol-soluble proteins(zeins) of maize (Zea mays L.). J. Cereal Sci. 1987;5(2):117-128. DOI: 10.1016/S0733-5210(87)80015-2Geetha K.B., Lending G.R., Lopes M.A., Wallace J.C., Larkinset B.A. opaque-2 modifiers increase γ-zein synthesis and alter its spatial distribution in maize endosperm. Plant Cell. 1991;3(11):1207-1219. DOI: http:/dx.doi.org/10.1105/tpc.3.11.1207Geetha K.B., Lending G.R., Lopes M.A., Wallace J.C., Larkinset B.A. opaque-2 modifiers increase γ-zein synthesis and alter its spatial distribution in maize endosperm. Plant Cell. 1991;3(11):1207-1219. DOI: http:/dx.doi.org/10.1105/tpc.3.11.1207Gibbon B.C., Larkins B.A. Molecular genetic approaches to developing quality protein maize. Trends Genet. 2005;21(4):227-233. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.tig.2005.02.009Gibbon B.C., Larkins B.A. Molecular genetic approaches to developing quality protein maize. Trends Genet. 2005;21(4):227-233. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.tig.2005.02.009Habben J.E., Kirleis A.W., Larkins B.A. The origin of lysine-containing proteins in opaque-2 maize endosperm. Plant Mol. Biol. 1993;23(4):825-838. DOI: 10.1007/BF00021537Habben J.E., Kirleis A.W., Larkins B.A. The origin of lysine-containing proteins in opaque-2 maize endosperm. Plant Mol. Biol. 1993;23(4):825-838. DOI: 10.1007/BF00021537Holding D.R. Recent advances in the study of prolamin storage protein organization and function. Front Plant Sci. 2014;5:276. DOI: 10.3389/fpls.2014.00276Holding D.R. Recent advances in the study of prolamin storage protein organization and function. Front Plant Sci. 2014;5:276. DOI: 10.3389/fpls.2014.00276Holding D.R., Otegui M.S., Li B.L., Meeley R.B., Dam T., Hunter B.G., Jung R., Larkins B.A. The maize floury1 gene encodes a novel endoplasmic reticulum protein involved in zein protein body formation. Plant Cell. 2007;19(8):2569-2582. DOI: 10.1105/tpc.107/053538Holding D.R., Otegui M.S., Li B.L., Meeley R.B., Dam T., Hunter B.G., Jung R., Larkins B.A. The maize floury1 gene encodes a novel endoplasmic reticulum protein involved in zein protein body formation. Plant Cell. 2007;19(8):25692582. DOI: 10.1105/tpc.107/053538Motto M., Balconi C., Hartings H., Rossi V. Gene discovery for improvement of kernel quality-related traits in maize. Genetika. 2010;42(1):23-56. DOI:10.2298/GENSR1001023MMotto M., Balconi C., Hartings H., Rossi V. Gene discovery for improvement of kernel quality-related traits in maize. Genetika. 2010;42(1):23-56. DOI:10.2298/GENSR1001023MSchmidt R.J., Burr F.A., Aukerman M.J., Burr B. Maize regulatory gene opaque2 encodes protein with a «leucine zipper» motif that binds to zein DNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1990;87(1):46-50.Schmidt R.J., Burr F.A., Aukerman M.J., Burr B. Maize regulatory gene opaque2 encodes protein with a «leucine zipper» motif that binds to zein DNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1990;87(1):46-50.STB 1710–2006. utv. i vved. v dejstvie Postanovleniem Gosstandarta Respubliki Belarus’ ot 30 dekabrja 2006 g. № 66. Semena kukuruzy. Metod opredelenija urovnja gibridnosti semjan pervogo pokolenija, ocenka tipichnosti i markirovanie inbrednyh linij [STB 1710-2006.Vasal S.K. The quality protein maize story. Food Nutr. Bull. 2000;21:445-450.approved. and enter. by a Resolution of the State Standard of the Republic of Belarus on December 30, 2006 № 66. Seeds of maize. Hybridization level detection method for seeds of first generation, typicality evaluation and inbred lines labeling]. Minsk, 2006.Wu Y., Holding D.R., Messing J. Gamma-zein is essential for endosperm modification in quality protein maize. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2010;107(29):12810-12815. DOI: 10.1104/pp.113.230961Vasal S.K. The quality protein maize story. Food Nutr. Bull. 2000;21:445-450.Yang W., Zheng Y., Ni S., Wu J. Recessive allelic variations of three microsatellite sites within the O2 gene in maize. Plant Mol Biol. Rep. 200422):-374. DOI: 10.1007/BF02772679Wu Y., Holding D.R., Messing J. Gamma-zein is essential for endosperm modification in quality protein maize. Proc. Natl Acad. Sci.USA. 2010;10729):12810-12815. DOI: 10.1104/pp.113.230961Yang W., Zheng Y., Ni S., Wu J. Recessive allelic variations of three microsatellite sites within the O2 gene in maize. Plant Mol. Biol. Rep. 200422(4):361374. DOI: 10.1007/BF02772679Yang W., Zheng Y., Ni S., Wu J. Recessive allelic variations of three microsatellite sites within the O2 gene in maize. Plant Mol. Biol. Rep. 200422(4):361374. DOI: 10.1007/BF02772679

The authors declare that there are no conflicts of interest present.