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:
Выделены мутанты по гену BE:
hvbe2a-1иhvbe2a-2. У них в эндосперме образуются удлинённые SG (в отличие от дикого типа).hvbe2a-1— замена аминокислоты, нарушающая активность фермента.hvbe2a-2— полное отсутствие гена из-за делеции хромосомы.
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
hvisa1с мутантамиhvbe2aу двойных мутантовhvisa1 hvbe2aснова формировались простые SG, как у дикого типа.
- При скрещивании
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».
- Различие тканей: Подавляющий эффект мутации
hvbe2aна мутациюhvisa1наблюдался 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.
