Влияние мутаций генов на свойства крахмала в ячмене

Крахмал — основной компонент зерна злаков (рис, пшеница, кукуруза, ячмень). Его свойства определяют пригодность для пищевой промышленности. Крахмал образует гранулы (SG) внутри клеток растений. В эндосперме ячменя, пшеницы и кукурузы формируются простые SG, а в рисе — сложные.

Форма и размер SG определяются ферментами, синтезирующими амилопектин — ключевой компонент крахмала. Основные этапы:

  • Удлинение цепей глюкозы синтазами крахмала (SS).
  • Ветвление цепей ферментами ветвления (BE).
  • Удаление неправильных ветвей ферментами деветвления (DBE).

Мутации, нарушающие работу этих ферментов, меняют свойства крахмала. Например, у мутантов ячменя по гену ISOAMYLASE1 (ISA1), кодирующему DBE, накапливается фитогликоген (сильно разветвлённый полимер с низкой молекулярной массой) вместо амилопектина. Аналогичные изменения есть у сладкой кукурузы.

Генетические взаимодействия мутаций в генах биосинтеза крахмала хорошо изучены у риса и кукурузы, но мало известны для ячменя. Группа профессора Рё Мацусимы из Университета Окаямы исследовала эти взаимодействия. Результаты опубликованы в Theoretical and Applied Genetics 31 августа 2024 года.

Ключевые результаты исследования:

  1. Выделены мутанты по гену BE: hvbe2a-1 и hvbe2a-2. У них в эндосперме образуются удлинённые SG (в отличие от дикого типа).

  2. Взаимодействие с мутацией DBE: Ранее было показано, что у мутанта hvisa1 (DBE) в эндосперме образуются сложные SG (а не простые), снижается содержание крахмала и растёт уровень фитогликогена.

    • При скрещивании hvisa1 с мутантами hvbe2a у двойных мутантов hvisa1 hvbe2a снова формировались простые SG, как у дикого типа.

Объяснение от доктора Мацусимы: «Отсутствие HvBE2a, основного BE в эндосперме ячменя, должно снижать образование неправильных цепей глюкозы, уменьшая потребность в их "подрезке" ферментом HvISA1. В результате потеря HvBE2a может смягчать фенотип, вызванный мутацией hvisa1».

  1. Различие тканей: Подавляющий эффект мутации hvbe2a на мутацию hvisa1 наблюдался только в эндосперме, но не в пыльце. Это указывает на разные пути поддержания нормальной структуры SG в этих тканях.

Вывод: Исследование раскрывает новые аспекты генетических взаимодействий в пути биосинтеза крахмала. Конкретные генетические изменения и их комбинации могут влиять на свойства крахмала и морфологию гранул, что открывает возможности для селекции злаков с заданными характеристиками крахмала.