Ученые Федерального исследовательского центра «Институт цитологии и генетики СО РАН» ищут новые пути повышения устойчивости ведущих злаковых культур к неблагоприятным условиям, а также работают над повышением питательных свойств зерна пшеницы. Сделать это можно, если генетически изменить его пигмент.
Внимание специалистов привлекла система генов, отвечающая за синтез пигментных соединений, которые являются природными антиоксидантами. Помимо хлорофилла, различный цвет растениям придают вещества фенольной природы — например, антоцианы окрашивают семена пшеницы и ячменя, а также стебли и другие части растений, в фиолетовый цвет. Эти вторичные метаболиты ответственны за множество функций у растений. В том числе, они обладают антимикробными свойствами и могут нейтрализовать разрушительные для клеток свободные радикалы, образующиеся при стрессовых воздействиях. Изучение синтеза таких пигментов позволяет выявить взаимосвязь между определенными вариантами генов и устойчивостью растений к абиотическому стрессу: засухе, засолению, пониженным температурам и так далее. Кроме того, растительные антиоксиданты могут быть полезны для здоровья — например, такими свойствами обладает богатая антоцианами черника. Однако она не включена в наш постоянный рацион питания, в отличие от риса, кукурузы и пшеницы.
Изучением этих культур занимается заведующая сектором функциональной генетики злаков ИЦиГ, главный научный сотрудник Исследовательского центра продовольственной безопасности НГУ, доктор биологических наук Елена Константиновна Хлесткина. По ее словам, в селекции сейчас популярно создание сортов злаков, зерно которых богато антоцианами, а также другими полезными веществами — каротиноидами. Работы в области генетических основ биосинтеза фенольных пигментов широко ведутся за рубежом на рисе и кукурузе. В исследованиях пшеницы в этом направлении ведущие позиции, без преувеличения, занимают российские ученые. Результаты их фундаментальных исследований востребованы практиками в селекционных центрах по всему миру и являются основой для международного сотрудничества.
Сейчас ИЦиГ реализует совместный проект с Институтом генетики и цитологии НАН Беларуси, посвященный молекулярно-генетическим механизмам окраски зерна злаков и плодов овощных культур. Специалисты ставят перед собой задачи как фундаментального, так и прикладного характера. В частности, речь идет о разработке маркеров для генов, связанных с синтезом пигментных соединений — например, каротиноидов томатов. От состава этих соединений зависят вкус, питательная ценность и продолжительность хранения (лежкость) плодов. Ожидается, что в ИЦиГ из Минска приедет ученый, чтобы на базе федерального исследовательского центра провести работы, связанные с изучением тонкой функциональной организации генов пасленовых.
— Со своей стороны мы в большей степени охватываем ту часть проекта, которая касается злаковых растений, и проводим серию физиологических экспериментов по подбору ДНК-маркеров для селекции, — рассказывает Елена Хлесткина.
Ученые устанавливают взаимосвязь между наличием определенных вариантов генов, регулирующих синтез пигментов, и устойчивостью растений — их проверяют на радиорезистентность, а также на способность переносить засуху и противостоять засолению почвы.
Некоторые модели, изучаемые в ИЦиГ, параллельно тестируются в Международном центре улучшения кукурузы и пшеницы в Мексике. Если выяснится, что синтез антоцианов в стебле, листе и других частях растений, повышает засухоустойчивость, то соответствующие гены начнут вводить в злаковые в проблемных регионах, чтобы повысить урожайность. Итоги полевых исследований ожидаются через два-три года, поскольку специалистам нужно доказать: положительный результат экспериментов можно воспроизвести.
Дальнейшая фундаментальная цель ученых ИЦиГ — проследить особенности эволюции отдельных генов как самой пшеницы, так и растений в целом, ведь биосинтез фенольных соединений является отличной моделью для генетических исследований. К работам Елены Хлесткиной проявляют большой интерес селекционеры из Болгарии и Сербии — возможно, в будущем ИЦиГ ожидает новый виток международного сотрудничества.
Созданием новых сортов планируют заняться и специалисты Сибирского НИИ растениеводства и селекции. В частности, ведущий научный сотрудник лаборатории генофонда растений СибНИИРС доктор сельскохозяйственных наук Петр Иванович Степочкин планирует совместно с Е.К. Хлесткиной проводить селекцию пшеницы полбы, которая будет иметь окрашенное зерно, богатое антиоксидантными соединениями. Подходы по ДНК-диагностике, поставленные в секторе функциональной генетики злаков ИЦиГ, помогут по меньшей мере вдвое ускорить получение новых форм этой зерновой культуры.
Сейчас Елена Хлесткина и ее группа готовы развивать еще одно интересное направление. В сотрудничестве с заведующими лабораториями НИИ физиологии и фундаментальной медицины доктором биологических наук Тамарой Геннадьевной Амстиславской и кандидатом биологических наук Марией Александровной Тихоновой планируется тестирование двух линий пшеницы, отличающихся по окраске зерна. Его будут добавлять к корму для мышей, чтобы изучать старение и нейродегенеративные заболевания человека —болезни Паркинсона и Альцгеймера. Эксперименты покажут, смогут ли природные антиоксиданты, содержащиеся в окрашенном зерне, оказывать превентивное действие в развитии этих процессов. Если результаты будут положительными, ученые разработают рекомендации по включению в рацион питания отрубей или отрубного хлеба, полученного из таких сортов пшеницы.
Павел Красин
Фото предоставлены Еленой Хлесткиной
