Маркер-контролируемое выявление генотипов кукурузы с улучшенным качеством белка

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.

1. Семена 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.

2. Babu R., Prasanna B.M. Molecular breeding for Quality Protein Maize (QPM). Genom Plant Genetic Res. 2014489-505. https://doi.org/10.1007/978-94-007-7575-6_21

3. Danson 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. https://doi.org/10.5897/AJB06.499

4. Esen A. A proposed nomenclature for the alcohol-soluble proteins(zeins) of maize (Zea mays L.). J. Cereal Sci. 1987;5(2):117-128. https://doi.org/10.1016/S0733-5210(87)80015-2

5. Geetha 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. https://doi.org/http:/dx.doi.org/10.1105/tpc.3.11.1207

6. Gibbon B.C., Larkins B.A. Molecular genetic approaches to developing quality protein maize. Trends Genet. 2005;21(4):227-233. https://doi.org/10.1016/j.tig.2005.02.009

7. Habben 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. https://doi.org/10.1007/BF00021537

8. Holding D.R. Recent advances in the study of prolamin storage protein organization and function. Front Plant Sci. 2014;5:276. https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00276

9. Holding 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. https://doi.org/10.1105/tpc.107/053538

10. Motto M., Balconi C., Hartings H., Rossi V. Gene discovery for improvement of kernel quality-related traits in maize. Genetika. 2010;42(1):23-56. https://doi.org/10.2298/GENSR1001023M

11. 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.

12. Vasal S.K. The quality protein maize story. Food Nutr. Bull. 2000;21:445-450.

13. 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. https://doi.org/10.1104/pp.113.230961

14. 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. https://doi.org/10.1007/BF02772679