en   uk  
ISSN 2308-7099
Фізіологія рослин і генетика
 
 
Фізіологія рослин і генетика 2022, том 54, № 6, 484-497, doi: https://doi.org/10.15407/frg2022.06.484

Lpa-мутації і біофортифікація голозерного ячменю (Hordeum vulgare L.) за вмістом у зерні мінерального фосфору

Рибалка О.І.1,2, Моргун Б.В.2,3, Черво­ніс М.В.1, Поліщук С.С.1, Моргун В.В.2, Топораш І.Г.1, Троянівська А.В.1

  1. Селекційно-генетичний інститут—Національний центр насіннєзнавства та сортовивчення Національної академії аграрних наук України 65036 Одеса, Овідіопольська дорога, 3
  2. Iнститут фізіології рослин і генетики Національної академії наук України 03022 Київ, вул. Васильківська, 31/17
  3. Iнститут клітинної біології та генетичної інженерії Національної академії наук України 03143 Київ, вул. Академіка Заболотного, 148

Ключовий для організму тварин і людини мінерал фосфор у зерні злаків та бобових культур на дві третини (~65—85 %) загального вмісту зв’язаний у формі фітинової кислоти (mio-inositol-1,2,3,4,5,6-hexa-kisphosphate) і є недо­ступним для засвоєння організмом людини і нежуйних тварин. Незасвоєний органічний фосфор у формі фітатів виводиться назовні з фекаліями й спричинює екологічну шкоду у вигляді «цвітіння» водойм і погіршення якості питної води (ев­трофікація водних шляхів). Створення сортів низькофітатного голозерного ячменю на основі lpa-мутацій дає змогу істотно поліпшити ефективність засвоєння (біодоступність) фосфору зерна ячменю людиною і тваринами й знизити шкідливе навантаження органічними фосфатами на навколишнє середовище. Серія оригінальних lpa-мутацій була використана у спеціальній селекційній програмі, спрямованій на створення сортів низькофітатного голозерного ячменю з підвищеним вмістом у зерні мінерального фосфору в комбінації з чорним перикарпом зернівки (від колекційного зразка Abyssinian 1105), як маркером підвищеного вмісту у зерні пігментів антоціанінів з високою антиоксидантною активністю. Як реципієнт lpa-мутацій використано комерційний сорт ярого голозерного ячменю Ахіллес. У результаті схрещування створено кілька популяцій, з яких дібрано перспективні генотипи голозерного ячменю з підвищеним вмістом у зерні мінерального фосфору та чорним перикарпом. Опрацьовано лабораторну процедуру ідентифікації в селекційних популяціях lpa-мутацій з метою їх подальшого застосування у селекційному процесі. Лабораторна процедура дає змогу детектувати ефекти lpa-мутацій з використанням для аналізу мінімум матеріалу, індивідуальні зернівки або їх частини.

Ключові слова: ячмінь голозерний, фітати, мінеральний фосфор, lpa-мутації, біофортифікація

Фізіологія рослин і генетика
2022, том 54, № 6, 484-497

Повний текст та додаткові матеріали

У вільному доступі: PDF  

Цитована література

1. Key, M.N., Zwilling, Ch.E., Talukdar, T. & Barbey, A.K. (2019). Essential amino acids, vitamins, and minerals moderate the relationship between the right frontal pole and measures of memory. Mol. Nutr. Food. Res., 53, No. 15, p. 1801048. https://doi.org/10.1002/mnfr.201801048

2. Berdanier, C., Dwyer, J. & Herber, D. (2013). Handbook of nutrition and food (3rd ed.). CRC Press. https://doi.org/10.1201/b15294

3. Harland, B. & Morris, E. (1995). Phytate: a good of bad food component? Nutr. Res., 15, No. 5, pp. 733-754. https://doi.org/10.1016/0271-5317(95)00040-P

4. Horii, S., Matsuno, T., Tagomor, J., Mukai, M., Adhikari, D. & Kubo, M. (2013). Isolation and identification of phytate-degrading bacteria and their contribution to phytate mineralization in soil. J. Genet. Appl. Microbiol., 59, No. 5, pp. 353-360. https://doi.org/10.2323/jgam.59.353

5. Li, Y., Ledoux, D., Veum, T., Raboy, V., Zyla, K. & Wikiera, A. (2001). Bioavailability of phosphorus in low phytic acid barley. J. Appl. Poultry. Res., 10, No. 1, pp. 86-91. https://doi.org/10.1093/japr/10.1.86

6. Dorsch, J., Cook, A., Young, K., Anderson, J.M., Bauman, A.T. & Volkmann, C.S. (2003). Seed phosphorus and inositol phosphate phenotype of barley low phytic acid genotypes. Phytochemistry, 62, No. 5, pp. 691-706. https://doi.org/10.1016/S0031-9422(02)00610-6

7. Larson, S., Young, K., Cook, A., Blake, T.K. & Raboy, V. (1998). Linkage mapping of two mutations that reduce phytic acid content of barley grain. Theor. Appl. Genet., 97, pp. 141-146. https://doi.org/10.1007/s001220050878

8. Oliver, R., Yang, C., Hu, G., Raboy, V. & Zhang, M. (2009). Identification of PCR-based DNA markers flanking three low phytic acid mutant loci in barley. J. Plant Breed. Crop. Sci., 1, No. 4, pp. 87-93. http://www.academicjournals.org/jpbcs

9. Kim, S., Andaya, C. & Goyal, S. (2008). The rice OsLpa1 gene encodes a novel protein involved in phytic acid metabolism. Theor. Appl. Genet., 117, No. 5, pp. 769-779. https://doi.org/10.1007/s00122-008-0818-z

10. Larson, S., Rutger, J., Young, K. & Raboy, V. (2000). Isolation and genetic mapping of a non-lethal rice (Oryza sativa L.) low phytic acid 1 mutation. Crop Sci., 40, No. 5, pp. 1397-1405. https://doi.org/10.2135/cropsci2000.4051397x

11. Liu, Q., Xu, X., Ren, X., Fu, H., Wu, D. & Shu, Q. (2007). Generation and characterization of low phytic acid germplasm in rice (Oryza sativa L.). Theor. Appl. Genet., 114, pp. 803-814. https://doi.org/10.1007/s00122-006-0478-9

12. Ren, X., Liu, Q., Fu, H., Wu, D. & Shu, Q. (2007). Density alteration of nutrient elements in rice grains of a low phytate mutant. Food Chem., 102, No. 4, pp. 1400-1406. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2006.05.065

13. Zhao, H., Liu, Q., Fu, H., Xu, X., Wu, D. & Shu, Q. (2008). Effect of non-lethal low phytic acid mutations on grain yield and seed viability in rice. Field Crops Res., 108, No. 3, pp. 206-211. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2008.05.006

14. Zhao, H., Liu, Q., Ren, X., Wu, D. & Shu, Q. (2008). Gene identification and allele-specific marker development for two allelic low phytic acid mutations in rice (Oryza sativa L.). Mol. Breed., 22, pp. 603-612. https://doi.org/10.1007/s11032-008-9202-6

15. Guttieri, M., Bowen, D., Dorsch, J., Raboy, V. & Souza, E. (2003). Identification and characterization of a low phytic acid wheat. Crop Sci., 44, No. 2, pp. 418-424. https://doi.org/10.2135/cropsci2004.4180

16. Pilu, R., Panzeri, D., Gavazzi, G., Rasmussen, S.K., Consonni, G. & Nielsen, E. (2003). Phenotypic, genetic and molecular characterization of a maize low phytic acid mutant (lpa241). Theor. Appl. Genet., 107, pp. 980-987. https://doi.org/10.1007/s00122-003-1316-y

17. Raboy, V., Gerbasi, P., Young, K., Stoneberg, S.D., Pickett, S.C., Bauman, A.T., Murthy, P.P.N., Sheridan, W.F. & Ertl, D.S. (2000). Origin and seed phenotype of maize low phytic acid 1-1 and low phytic acid 2-1. Plant Physiol., 124, No. 1, pp. 355-368. https://doi.org/10.1104/pp.124.1.355

18. Shi, J., Wang, H., Wu, Y., Hazebroek, S., Meeley, R.B. & Ertl, D.S. (2003). The maize low-phytic acid mutant 1pa2 is caused by mutation in an inositol phosphate kinase gene. Plant Physiol., 131, No. 2, pp. 507-515. https://doi.org/10.1104/pp.014258

19. Shi, J., Wang, H., Hazebroek, J., Ertl, D.S. & Halp, T. (2005). The maize low-phytic acid 3 encodes a myo-inositol kinase that plays a role in phytic acid biosynthesis in developing seeds. Plant J., 42, No. 5, pp. 708-719. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2005.02412.x

20. Shi, J., Wang, H., Schellin, K., Li, B., Faller, M., Stoop, J.M., Meeley, R.B., Ertl, D.S., Ranch, J.P. & Glassman, K. (2007). Embryo-specific silencing of a transporter reduces phytic acid content of maize and soybean seeds. Nat. Biotechnol., 25, pp. 930-937. https://doi.org/10.1038/nbt1322

21. Hitz, W., Carlson, T., Kerr, P. & Sebastian, S.A. (2002). Biochemical and molecular characterization of a mutation that confers a decreased raffinosaccharide and phytic acid phenotype on soybean seeds. Plant Physiol., 128, No. 2, pp. 650-660. https://doi.org/10.1104/pp.010585

22. Wilcox, J., Premachandra, G., Young, K. & Raboy, V. (2000). Isolation of high seed inorganic P, low-phytate soybean mutants. Crop Sci., 40, No. 6, pp. 1601-1605. https://doi.org/10.2135/cropsci2000.4061601x

23. Yuan, F., Zhao, H., Ren, X., Zhu, S., Fu, X. & Shu, Q. (2007). Generation and characterization of two novel low phytate mutations in soybean (Glycine max L. Merr.). Theor. Appl. Genet., 115, pp. 945-957. https://doi.org/10.1007/s00122-007-0621-2

24. Campion, B., Sparvoli, F., Doria, E. & Nielsen, E. (2009). Isolation and characterization of an lpa (low phytic acid) mutant in common bean (Phaseolus vulgaris L.). Theor. Appl. Genet., 118, pp. 1211-1221. https://doi.org/10.1007/s00122-009-0975-8

25. Raboy, V. (2002). Progress in breeding low phytate crops. J. Nutr., 132, No. 3, pp. 503-505. https://doi.org/10.1093/jn/132.3.503S

26. Raboy, V., Young, K., Dorsch, J. & Cook, A. (2001). Genetics and breeding of seed phosphorus and phytic acid. J. Plant Physiol., 158, No. 4, pp. 489-497. https://doi.org/10.1078/0176-1617-00361

27. Ramsay, L., Macaulay, M., Ivanissevich, S., MacLean, K., Cardle,L., Fuller, J., Edwards, K., Tuvesson, S., Morgante, M., Massari, A., Maestri, E., Marmiroli, N., Sjakste, T., Ganal, M., Powell, W. & Waugh, R. (2000). A simple sequence repeat-based linkage map of barley. Genetics, 156, pp. 1997-2005. https://doi.org/10.1093/genetics/156.4.1997

28. Chen, P., Toribara, T. & Warner, H. (1956). Microdetermination of phosphorus. Anal. Biochem., 28, No. 11, pp. 1756-1758. https://doi.org/10.1021/ac60119a033

29. Abdel-Aal, E.-S. & Hucl, P (1999). A rapid method for quantifying total anthocyanins in blue aleurone and purple pericarp wheats. Cereal Chem., 76, pp. 350-354. https://doi.org/10.1094/CCHEM.1999.76.3.350

30. Abdel-Aal, E.-S. & Hucl, P (2003). Composition and stability of anthocyanins in blue-grained wheat. J. Agric. Food Chem., 51, No. 8, pp. 2174-2180. https://doi.org/10.1021/jf021043x

31. Siebenhandl, S., Grausgruber, H., Pellegrini, N., Fogliano, V. & Pernice, R. (2007). Phytochemical profile of main antioxidants in different fractions of purple and blue wheat, and black barley. J. Agric. Food Chem., 55, No. 21, pp. 8541-8547. https://doi.org/10.1021/jf072021j

32. Glagoleva, A., Shoeva, O. & Khlestkina, E. (2020). Melanin pigment in plants. Front. Plant Sci., 11, p. 770. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00770

33. Raboy, V., Peterson, K., Jackson, C., Marshall, J.M., Hu, G., Saneoka, H. & Bregitzer, P. (2015). A substantial fraction of barley (Hordeum vulgare L.) low phytic acid mutations have little or no effect on yield across diverse production environments. Plants, 4, No. 2, pp. 225-239. https://doi.org/10.3390/plants4020225

34. Harvey, B. & Rossnagel, B. (1984). Harrington barley. Can. J. Plant Sci., 64, No. 1, pp. 193-194. https://doi.org/10.4141/cjps84-024

35. Bregitzer, P. & Raboy, V (2007). Registration of four low-phytate/wild type pairs of barley germplasms. J. Plant Reg., 1, No. 2, pp. 139-140. https://doi.org/10.3198/jpr2007.02.0070crg

36. Bregitzer, P., Raboy, V., Obert, D., Windes, S. & Whitmore, J.C. (2008). Registration of 'Clearwater' low-phytate hull-less spring barley. J. Plant Reg., 2, No. 1, pp. 1-4. https://doi.org/10.3198/jpr2007.07.0388crc

37. Rossnagel, B., Zatorski, T., Arganosa, G. & Beattlie, A.D. (2008). Registration of «CDC Lophy» barley. J. Plant Reg., 2, No. 3, pp. 169-173. https://doi.org/10.3198/jpr2008.02.0095crc

38. Bregitzer, Ph., Hu, G., Marshall, J. & Raboy, V. (2017). Registration of «Sawtooth» low-phytate, hulless, spring barley. J. Plant Reg., 11, No. 2, pp. 81-84. https://doi.org/10.3198/jpr2016.09.0049crc

39. Shaveta, H., Kaur, H. & Kaur, S. (2019). Hulless barley: a new era of research for food purposes. J. Cereal Res., 11, No. 2, pp. 114-124. https://doi.org/10.25174/2249-4065/2019/83719