CC BY
24УДК 575.222.73:633.11
О. А. Орловская1, С. И. Вакула2, Л. В. Хотылёва1, А. В. Кильчевский1
АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ ЗЕРНА ЛИНИЙ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ С ИНТРОГРЕССИЯМИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ВИДОВ РОДА TRITICUM
Государственное научное учреждение «Институт генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси» Республика Беларусь, 220072, г. Минск, ул. Академическая, 27
e-mail: [email protected] 2Белорусский государственный технологический университет Республика Беларусь, 220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а
Исследован аминокислотный состав зерна сортов яровой мягкой пшеницы, образцов тетраплоидных и гек-саплоидных видов рода Triticum, а также 19 интрогрессивных линий, полученных с их участием (урожай 2020 и 2021 гг.). Суммарное количество заменимых и незаменимых аминокислот в зерне сородичей пшеницы (64,75% и 25,92% соответственно) незначительно превышало данные показатели сортов (64,70% и 25,84% соответственно). У большинства линий с чужеродным генетическим материалом уровень накопления незаменимых аминокислот превосходил обоих родителей, а содержание заменимых аминокислот было ближе к значениям сорта. Значимое превышение интрогрессивных линий над родительскими генотипами установлено по накоплению как заменимых (аспарагиновая кислота, глицин, аргинин, аланин), так и незаменимых аминокислот (изолей-цин, треонин, валин). Выделены интрогрессивные линии с высоким содержанием незаменимых аминокислот, которые представляют интерес для увеличения питательной ценности зерна пшеницы.
Ключевые слова: виды рода Triticum, интрогрессивные линии мягкой пшеницы, заменимые и незаменимые аминокислоты в зерне.
Введение
Пшеница — одна из самых распространенных сельскохозяйственных культур, которая является основным источником калорий, белка, витаминов и минералов для 2,5 млрд человек [1]. Белок играет значимую роль в питании человека, в связи с чем содержание и аминокислотный состав белка в зерне — важные показатели его питательной ценности [2]. Наибольшую часть запасных белков зерна пшеницы составляют проламины и глютелины, которые богаты аспарагином, глютамином, аргинином и пролином, однако имеют низкое содержание важнейших незаменимых аминокислот — лизина, триптофана, треонина и изолейцина [3, 4, 5]. Незаменимыми аминокислотами считают такие, которые либо не синтезируются в организме, либо синтезируются со скоростью, недостаточной для обеспечения пластических и регенеративных процессов, связанных с образованием новых клеток и тканей [6]. Известно восемь
жизненно необходимых для человека аминокислот: лизин, метионин, триптофан, валин, изолейцин, лейцин, треонин, фенилаланин [7]. Для детей незаменимой аминокислотой также является гистидин. У взрослых гистидин может синтезироваться из других веществ, но в очень малом количестве, поэтому его также нужно получать с пищей, как и незаменимые аминокислоты. Идеальными белками по составу и пропорциям незаменимых аминокислот являются белки молока и куриного яйца. Аминокислотный состав белка пшеницы несбалансирован из-за низкого уровня незаменимых аминокислот, общее количество которых составляет только 42% от их содержания в идеальном белке [8]. Недостаточное поступление незаменимых аминокислот приводит к нарушению обмена веществ, патологическим изменениям в нервной системе, органах внутренней секреции, составе крови и т. д. В связи с этим важно улучшать аминокислотный состав зерна пшеницы. Родственные виды
мягкой пшеницы часто имеют лучшие качественные показатели зерна, чем культивируемые сорта. Например, в зерне однозернянки (Triticum monococcum L), культурной полбы (Triticum dicoccum (Schrank) Schuebl.), дикой полбы (Triticum dicoccoides (Körn. ex Aschers. et Graebn.) Schweinf.), спельты (Triticum spelta L.) выявлен повышенный уровень накопления микроэлементов по сравнению с сортами T. aestivum [9-2]. В работе Х. Jiang с соавторами анализ аминокислотного состава зерна 17 видов рода Triticum и сортов мягкой пшеницы показал, что сородичи пшеницы превосходят сорта по содержанию многих аминокислот и белка [8]. Таким образом, дикие и примитивные пшеницы могут служить источником для улучшения питательной ценности зерна современных сортов пшеницы. С целью обогащения генофонда мягкой пшеницы в скрещивания с сортами T. aestivum нами были привлечены образцы видов рода Triticum (T. dicoccoides, T. dicoccum, T. durum, T. spelta, T. kiharae). Проведенное ранее изучение коллекции интрогрессивных линий пшеницы с помощью молекулярно-цитогене-тического анализа показало, что в геноме этих линий чужеродный генетический материал представлен как в виде небольших участков, так и в виде целых хромосом [13, 14]. Цель данного исследования — оценка особенностей аминокислотного состава зерна линий мягкой пшеницы с интрогрессиями генетического материала видов рода Triticum.
Материалы и методы
В исследование включены 3 сорта яровой мягкой пшеницы (Рассвет, Саратовская 29, Фестивальная), тетраплоидные T. dicoccoides, T. dicoccum и гексаплоидные T. spelta, T. kiharae виды рода Triticum, а также 19 интрогрессив-ных линий, полученных нами. Из 19 изученных линий 6 создано с участием T. dicoccoides (29 Рассвет х T. dicoccoides к-5199; 8 Саратовская 29 х T. dicoccoides; 13-3, 15-7-1, 15-7-2, 16-5 T. dicoccoides х Фестивальная), 6 — с T. kiharae (19, 20-1, 25-2 T. kiharae х Саратовская 29; 28, 34-1, 34-2 T. kiharae х Фестивальная) и 5 — с T. dicoccum (1-3, 2-7 T. dicoccum к-45926 х Фестивальная, 206-2, 208-3, 213-1 Pitic S62 х T. dicoccum к-45926), 2 — с T. spelta (7 T. spelta к-1731 х Саратовская 29, 1-8
T. spelta к-1731 х Рассвет). Образцы чужеродных доноров получены из коллекции ВИР. Растения выращивали на экспериментальных полях Института генетики и цитологии НАН Беларуси в 2020 и 2021 гг. (г. Минск, Республика Беларусь) на дерново-подзолистой супесчаной почве. Минеральные удобрения вносили в следующих дозах: азотные — 80 кг д.в./га, фосфорные — 70 кг д.в./га, калийные — 90 кг д.в./га.
Определение концентрации 8 заменимых (аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, серин, глицин, аргинин, аланин, тирозин, про-лин) и 7 незаменимых (лизин, валин, изолей-цин, лейцин, треонин, фенилаланин, гистидин) аминокислот в зерне пшеницы проводили в Республиканском контрольно-испытательном комплексе по качеству и безопасности продуктов питания РУП «Научно-практический центр НАН Беларуси по продовольствию» с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии с применением компьютерной системы регистрации. Методика соответствует требованиям ГОСТ 8.010-90. Общее содержание белка в зерне пшеницы определяли на инфракрасном анализаторе «Инфра ЛЮМ ФТ-12» (Люмэкс, Россия).
Результаты эксперимента обобщены с использованием методов описательной статистики, метода главных компонент (англ. principal component analysis, PCA). Средние значения накопления аминокислот в зерне трех групп (сорта, образцы видов Triticum, интрогрессивные линии) сравнивали с помощью дисперсионного анализа и критерия Тьюки. Для визуализации структуры данных содержания незаменимых аминокислот использовали скрипичные графики (violin plot), которые объединяют диаграммы размаха (box-and-whiskers plot) и графики плотности, позволяющие оценить меры центральной тенденции, разброс данных, равномерность распределения наблюдений внутри исследованных групп. Статистические процедуры реализованы в программной среде R.
Результаты и их обсуждение
Мы оценили аминокислотный состав зерна родительских форм (3 сорта T. aestivum и 5 образцов видов рода Triticum) и 19 интро-грессивных линий пшеницы, созданных
с их участием (урожай 2020 и 2021 гг.). Данные двухлетнего эксперимента обобщены в средние значения признаков аминокислотного состава зерна для каждого генотипа. Все изученные генотипы пшеницы больше всего накапливали глутаминовой кислоты (29,56-35,01%) и пролина (8,98-11,47%), что согласуется с литературными данными. Например, в сортах пшеницы индийской селекции также показано максимальное накопление данных аминокислот [15, 16]. В работе Wang et al. отмечена наибольшая концентрация глутаминовой кислоты для сортов пшеницы, возделываемых в Китае [17]. Содержание остальных заменимых аминокислот у исследованных нами генотипов находились в следующих диапазонах: серин — от 4,22 до 5,01%; глицин — от 3,22 до 4,67%; аланин — от 2,90 до 3,90%; аргинин — от 3,59 до 5,0%; тирозин — от 1,81 до 2,78% и было в пределах показателей, полученных в работах зарубежных ученых [2, 15, 16]. Известно, что белки злаковых культур неполноценны по ряду незаменимых аминокислот, прежде всего по лизину, метионину, триптофану и треонину [18]. В нашем исследовании также показано низкое содержание лизина и треонина (содержание метионина и триптофана не определяли). Больше всего изученные генотипы пшеницы накапливали незаменимой аминокислоты лейцина — 5,85-7,39%.
Оценка различий в уровне накопления аминокислот в зерне между группами (сорта, образцы видов ТгШсит, интрогрессивные линии) на основании теста множественных сравнений Тьюки показала, что сорта и сородичи пшеницы достоверно не отличались по содержанию всех изученных аминокислот. В среднем за два года общее количество заменимых аминокислот в зерне сородичей пшеницы и сортов составило 64,75% и 64,70% соответственно, а незаменимых 25,92% и 25,84% соответственно. Содержание заменимых аминокислот было несколько выше у сортов, чем у родственных видов пшеницы, за исключением аспарагиновой и глютаминовой кислот (табл. 1). Больше всего аспарагиновой кислоты нами выявлено в зерне Т. dicoccoides к-5199 (5,35%), а глютаминовой — в Т. kiharae (35,01%). Анализ аминокислотного состава зерна китайскими учеными также показал более высокий уровень накопления данных аминокислот у родственных видов по сравнению с сортами Т. aestivum [8]. Следует отметить важную роль аспарагиновой и глютаминовой кислот для человека, так как среди заменимых аминокислот, в соответствии с современными нормами потребности, доминируют именно эти аминокислоты [6]. Кроме того, глюта-миновая кислота участвует в формировании клейковины, определяющей хлебопекарные свойства пшеничной муки [19].
Таблица 1
Содержание заменимых аминокислот в зерне трех групп генотипов пшеницы в среднем за
два года, %
Группа Асп Глу Сер Гли Арг Ала Тир Про I кол-во
генотипов Среднее (минимум-максимум)
Сорта 4,47 (4,035,25) 31,44 (30,0432,65) 4,67 (4,344,88) 4,11 (3,784,27) 4,17 (3,984,40) 3,29 (3,043,41) 2,42 (2,052,63) 10,13 (9,8810,57) 64,7 (62,8466,48)
Виды рода Triticum 4,87 (4,485,35) 32,60 (30,3635,01) 4,44 (4,404,51) 3,59 (3,363,73) 3,89 (3,614,19) 3,12 (2,903,21) 2,21 (1,812,76) 10,03 (9,7510,44) 64,75 (61,2266,13)
Интрогрессивные линии 5,41 (4,736,11) 31,48 (29,7833,65) 4,69 (4,225,01) 4,05 (3,224,67) 4,36 (3,595,0) 3,51 (3,053,90) 2,38 (2,032,78) 9,99 (8,9811,47) 65,89 (62,1168,08)
Примечание. Асп — аспарагиновая кислота, Глу — глутаминовая кислота, Сер — серин, Гли — глицин, Арг — аргинин, Ала — аланин, Тир — тирозин, Про — пролин
Статистически недостоверное превосходство сородичей пшеницы над сортами наблюдается по накоплению таких незаменимых аминокислот, как фенилаланин, изолейцин и лизин. Исключение составил только образец T. spelta к-1731, у которого выявлено самое низкое содержание данных аминокислот среди родительских форм — 4,47%, 2,93% и 2,21% соответственно, что отражено на рисунке 1 в виде выбросов в нижней части скрипичного графика. Можно отметить, что данный образец характеризовался минимальным уровнем накопления изученных незаменимых аминокислот среди видов рода Triticum (суммарное количество незаменимых аминокислот составило 23,70%). Полученные нами результаты согласуются с литературными данными. Так, венгерскими учеными при изучении аминокислотного состава диплоидных, тетраплоидных и гексаплоидных видов рода Triticum установлено, что образцы видов T. dicoccoides, T. dicoccum, T. petropavlovskyi, T. turgidum (геном ААВВ) превышали сорта T. aestivum по содержанию незаменимых аминокислот на 14,5-27,3%, в то время как виды T. spelta, T. compactum, T. macha (геном AABBDD) имели приблизительно такой же аминокислотный состав, как сорта мягкой пшеницы [20]. Значимых различий по аминокислотному составу зерна между генотипами спельты и мягкой пшеницы не установлено также в работе Smolková с соавторами [21]. Образцы T. dicoccum к-45926 и T. kiharae характеризовались максимальным количеством фенилаланина (5,14% и 5,19% соответственно) и лизина (2,87% и 2,86% соответственно) среди родительских форм. Образец культурной полбы также имел самый высокий уровень изолейцина — 4,02%. Содержание большинства незаменимых аминокислот в зерне сорта Фестивальная ниже, чем у сортов Рассвет и Саратовская 29, что отражено в бимодальном распределении анализируемых признаков в этой группе (рис. 1).
У гибридных генотипов суммарное количество заменимых аминокислот варьировало от 62,11 до 68,08% и в среднем составило 65,89%, что незначительно выше показателя родительских форм (табл. 1). Содержание заменимых аминокислот было, как правило, ближе к значениям сорта и превышало
показатели сородичей пшеницы (табл. 1). Можно отметить, что сорта, виды рода Triticum и интрогрессивные линии имели очень схожий уровень накопления пролина — 10,13%, 10,03% и 9,99% соответственно. Достоверное превышение интрогрессивных линий над обоими родителями выявлено по количеству аспарагиновой кислоты (р = 0,004 и р = 0,04), превышение над сородичами пшеницы — по содержанию глицина (р = 0,04), аргинина (р = 0,03) и аланина (р = 0,003). Содержание заменимых аминокислот у интрогрессивных линий варьировало в широких пределах, и только размах варьирования по накоплению глутаминовой кислоты не превышал таковой исходных форм (табл. 1). Можно выделить линию 8 Саратовская 29 х T. dicoccoides, которая, как правило, превосходила родительские генотипы по накоплению всех заменимых аминокислот и обладала максимальным количеством серина, глицина, аргинина и аланина.
В среднем за два года в группе интро-грессивных линий уровень накопления незаменимых кислот, как правило, был выше, чем у родительских форм. Только средние значения содержания лейцина во всех трех группах были приблизительно на одном уровне, а содержание фенилаланина у линий было как у сородичей пшеницы (рис. 1). Интрогрессивные линии значимо превышали обоих родителей по количеству изолейцина (р = 0,001 и р = 0,009), а родственные виды мягкой пшеницы — треонина (р = 0,006) и ва-лина (р = 0,02). Подавляющее большинство интрогрессивных линий накапливало больше данных аминокислот, чем исходные формы. Например, из 19 линий по содержанию треонина уровня лучшего родителя не достигали только 3 линии, изолейцина — 4, а валина — 5.
Распределение наблюдений внутри группы интрогрессивных линий чаще всего характеризуется непрерывностью, низким эксцессом и положительной асимметрией (рис. 1), что обусловлено большим объемом выборки относительно небольших родительских групп, а также гибридной природой линий, сочетающих гены диких и культурных форм.
Скрипичные графики показывают, что среди интрогрессивных линий присутствуют генотипы, превосходящие лучшего родителя по содержанию всех изученных незаменимых
Рис. 1. Скрипичные графики содержания незаменимых аминокислот в зерне трех групп генотипов пшеницы (сорта, образцы видов Triticum, интрогрессивные линии) в среднем за два года п среднее, — 25-75%, Т— минимум-максимум, • — выбросы
аминокислот (рис. 1). Например, линии, созданные с участием дикой и культурной полбы, превышали обоих родителей по суммарному количеству незаменимых аминокислот (исключение составили только линии 13-3 и 213-1). Особенно следует выделить линию 15-7-2, у которой содержание всех незаменимых аминокислот было выше, чем у родительских форм. Линия 16-5 превосходила все исследованные генотипы по накоплению изолейцина (4,39%), а линия 29 — лизина (3,43%). Линия 1-3 показала максимальный уровень гистидина, треонина и лейцина (2,96%, 2,96% и 7,39% соответственно); линия 206-2 — валина (4,97%). Среди линий с генетическим материалом Т. kiharae наиболее высокое суммарное количество незаменимых аминокислот характерно для линии 19 — 28,38%. Можно также отметить линию 34-2, которая превышала все генотипы по содержанию фенилаланина — 5,44%. Возможно, исходные формы имеют разные гены (аллели), детерминирующие накопление данных аминокислот в зерне, сочетание которых в гибридном генотипе обеспечило превосходство интрогрессивных линий пшеницы над обоими родителями.
Ценность аминокислот определяется возможностью их биосинтеза в организме. Например, для человека абсолютно незаменимыми являются лизин и треонин, которые не образуются в организме и поэтому должны непрерывно поступать с пищей. Недостаточное содержание лизина в широко распространенных зерновых продуктах и сравнительно высокая потребность в нем (3-5 г в сутки) делают его одной из наиболее важных незаменимых аминокислот. Эта аминокислота необходима для усвоения кальция и его доставки к костям, также она участвует в сохранении мышечной ткани, поддержании уровня энергии и здоровья сердца. Недостаток в пище лизина приводит к снижению количества эритроцитов и уменьшению в них гемоглобина, к нарушению кровообращения, азотистого баланса и кальцификации костей [22]. Треонин принимает участие в синтезе аминокислот серина и глицина, которые в свою очередь необходимы для производства коллагена и эластина — белков соединительной и мышечной ткани. Кроме
того, треонин требуется для здоровой работы печени и пищеварительного трактата, а также поддерживает работу иммунной системы. Из 19 проанализированных линий в среднем за два года по накоплению треонина и лизина превышали обоих родителей 16 и 9 линий соответственно. Особенно высокое содержание треонина в зерне выявлено для линий 1-3, 8, 25-2 и 19 (2,96%, 2,65%, 2,57% и 2,52% соответственно). Самый высокий процент лизина характерен для линий 29, 19 и 15-7-2 (3,43%, 3,15% и 2,93% соответственно). Следует отметить линию 29, которая обладала повышенным накоплением обеих аминокислот.
Остальные незаменимые аминокислоты в определенных количествах могут синтезироваться в организме человека за счет реакций трансаминирования, но объем их синтеза является недостаточным. Суточная потребность человека в незаменимых аминокислотах (по данным Ф. М. Пруцкова, А. А. Покровского и др.) составляет (в г): лизина — 3-5,2, валина — 3,8-4, лейцина — 4-9, изолейцина — 3-4, метионина — 2-4, треонина — 2-3,5, триптофана — 1-1,1, фенилалани-на — 2-4,4 [22]. Лейцин, изолейцин и валин имеют похожие эффекты действия в организме. Данные аминокислоты обеспечивают защиту от неоправданных трат серотонина, то есть предупреждают его дефицит и связанные с этим состояния: депрессии, апатии, тревожные расстройства. Кроме того, изолейцин участвует в регуляции уровня сахара, синтезе гемоглобина, ускорении заживлений после травм, ран и ожогов. Лейцин — регулятор усваиваемости белка и, как следствие, роста мышечной массы. При недостатке лейцина в питании у детей происходит задержка роста и снижение массы тела, отмечают изменения в почках и щитовидной железе [23]. Валин — демонстрирует аналогичные лейцину действия, а также обладает способностью защищать миелиновую оболочку нервных волокон. Гистидин играет важную роль в образовании гемоглобина крови. При декарбоксилировании гистидин превращается в гистамин — вещество, имеющее большое значение в расширении сосудистой стенки и ее проницаемости. Недостаток гистидина, так же как и избыток, ухудшает условно-рефлекторную деятельность [24]. Фенилаланин
регулирует функцию щитовидной железы и надпочечников. Из него образуется гормон тироксин, а также аминокислота тирозин, из которого, в свою очередь, образуется адреналин. Тирозин может образовываться из фенилаланина, однако обратного образования фенилаланина из тирозина не происходит [6].
Таким образом, незаменимые аминокислоты широко вовлечены в процессы биосинтеза не только протеинов, но и ферментов, витаминов, некоторых гормонов и играют большую роль в жизнедеятельности организма человека. В связи с этим линии с высоким содержанием данных аминокислот представляют большой интерес для увеличения питательной ценности зерна пшеницы.
Для изучения и упрощения сложных наборов данных используется метод анализа главных компонент (Principal component analysis, PCA). Поиск общих закономерностей между аминокислотным составом и содержанием белка мы провели с помощью анализа главных компонент, основанного на корреляционной матрице 27 генотипов пшеницы. На основании собственных значений (Eigen value, EV) были выделены три главные компоненты, объясняющие большую часть общей дисперсии 71,69%. Первая компонента (EV = 8,75; 48,6% изменчивости) разделяет генотипы пшеницы по суммарному количеству незаменимых аминокислот, аргинина и аланина; вторая (EV = 2,37; 13,2% изменчивости) — по накоплению изолей-цина, гистидина, лизина, глицина и белка; третья (EV = 1,78; 9,9% изменчивости) — по содержанию глутаминовой кислоты. Для визуализации результатов анализа главных компонент использовали диаграммы рассеяния, сочетающие проекции наблюдений и переменных на плоскости трех главных компонент (PCA1, PCA2, PCA3) (рис. 2).
Отрицательные значения координат первой главной компоненты, определяющей высокое содержание аланина, аргинина и суммарного количества незаменимых аминокислот, имеют сорт Саратовская 29 и подавляющее большинство интрогрессивных линий (12 из 19 линий): 15-7-2, 16-5, 29, 8, 1-3, 2-7, 206-2, 208-3, 19, 25-2, 28, 34-2. Высокие положительные счета второй главной компоненты, ассоциированной с повышенным накоплением гистидина
и глицина, но пониженным содержанием белка в зерне, имеют все родительские сорта, вид T. dicoccoides k-5199, линии 1-3, 2-7, 213-1. Отрицательные координаты по второй главной компоненте (РС2 <-1,5) соответствуют интрогрессивным линиям 13-3, 16-5, 206-2 и образцам T. dicoccum k-45926, T. dicoccoides, T. kiharae. Это высокобелковые формы, с повышенной концентрацией незаменимых аминокислот изолейцина и лизина. Третья главная компонента коррелирует с уровнем глутаминовой кислоты. Положительное значение данной координаты характерно для большинства родительских форм (исключение составили сорт Саратовская 29 и T. dicoccoides k-5199) и для 8 из 19 интрогрессивных линий. Максимальное количество глутаминовой кислоты выявлено для T. kiharae (35,01%). Следует отметить, что среди линий с генетическим материалом данной синтетической пшеницы только линия 20-1 T. kiharae х Саратовская 29 имела низкий уровень глутаминовой кислоты (30,15%). Для остальных линий комбинаций T. kiharae х Саратовская 29 и T. kiharae х Фестивальная данный показатель варьировал от 32,05 до 33,65%, и был, как правило, выше, чем у других интрогрессивных линий.
В проекции наблюдений на диаграммах рассеяния отражена генетическая структура изучаемой выборки. Сородичи мягкой пшеницы характеризуются исключительно положительными координатами первой главной компоненты, преимущественно низкими значениями второй и высокими значениями третьей компонент. Это группа с высоким содержанием белка, низким суммарным количеством незаменимых аминокислот, высокими уровнями изолейцина, лизина и глутаминовой кислоты. Общей характеристикой родительских сортов пшеницы является высокое значение второй главной компоненты, что отражает низкие концентрации белка, изо-лейцина, лизина при высоком содержании гистидина и глицина. Для линий с чужеродным генетическим материалом выявлена более широкая дисперсия значений изученных признаков, чем у исходных форм. Максимальная плотность дисперсии наблюдений данной группы соответствует отрицательным значениям первой и третьей компонент, равномерным распределением вдоль второго
РСЛ1 РСА1 {48.6°/»)
* Сорт Т. асмтт: * ШпрофСй^шыс линии [¡] ТгШсит зр.
Рис. 2. Проекции наблюдений (образцы пшеницы) и переменных (содержание 15 аминокислот и белка в зерне) на плоскость 1-й и 2-й компонент РСА и на плоскость 1-й и 3-й компонент РСА
главного фактора. Всего одна линия (13-3) проецируется в нижнюю четверть графика, что соответствует низкой суммарной концентрации незаменимых аминокислот в зерне при высоких уровнях белка, изолейцина и лизина. Анализ диаграммы трех главных компонент РСА анализа аминокислотного состава белка позволил выделить интрогрессивные линии, превосходящие обоих родителей по содержанию комплекса аминокислот в оба года:
линия 15-7-2 Т. dicoccoides х Фестивальная — аспарагиновой кислоты, аланина, тирозина, треонина, валина, фенилаланина;
линия 8 Саратовская 29 х Т. dicoccoides — ас-парагиновой кислоты, серина, глицина, аргинина, аланина, гистидина, фенилаланина, изолейцина;
линия 1-3 Т. dicoccum к-45926 х Фестивальная — серина, глицина, аргинина, аланина, гистидина, треонина, валина;
линия 2-7 Т. dicoccum к-45926 х Фестивальная — аспарагиновой кислоты, глицина, аргинина, аланина, гистидина, треонина;
линия 28 Т. kiharae х Фестивальная — ас-парагиновой кислоты, серина, глицина,
аргинина, аланина, гистидина, треонина, валина, изолейцина;
линия 34-1 Т. МНате х Фестивальная — ас-парагиновой кислоты, серина, глицина, аргинина, треонина, валина;
линия 34-2 Т. ЫНате х Фестивальная — ас-парагиновой кислоты, серина, глицина, аргинина, аланина, гистидина, треонина, валина, фенилаланина, изолейцина;
линия 25-2 Т. МНагае х Саратовская 29 — ас-парагиновой кислоты, глицина, аргинина, аланина, гистидина, изолейцина.
Заключение
Оценка аминокислотного состава зерна пшеницы в течение двух лет показала, что суммарное количество заменимых и незаменимых аминокислот в группе сородичей пшеницы (64,75% и 25,92% соответственно) статистически недостоверно превышало данные показатели в группе сортов (64,70% и 25,84% соответственно). Можно отметить, что содержание заменимых аминокислот было несколько выше у сортов, чем у родственных видов пшеницы, за исключением аспараги-
новой и глютаминовой кислот. Небольшое превосходство сородичей пшеницы над сортами наблюдалось по накоплению таких незаменимых аминокислот, как фенилаланин, изолейцин и лизин. Среди родительских генотипов максимальные значения по содержанию серина, глицина, аргинина, аланина, треонина и лейцина выявлены для сорта Саратовская 29; пролина, гистидина и валина для сорта Рассвет; тирозина, изолейцина и лизина для T. dicoccum; аспарагиновой кислоты для T. dicoccoides; глютаминовой кислоты и фени-лаланина для T. kiharae. Линии с чужеродным генетическим материалом характеризовались более широким генетическим разнообразием признаков аминокислотного состава, чем исходные формы. Содержание заменимых аминокислот интрогрессивных линий, как правило, было ближе к значениям сорта и превосходило показатели сородичей пшеницы. Накопление незаменимых аминокислот большинства линий (13 из 19) было выше, чем у обоих родителей. Значимое превышение интрогрессивных линий над родительскими формами установлено по накоплению как заменимых (аспарагиновая кислота, глицин, аргинин, аланин), так и незаменимых аминокислот (изолейцин, треонин, валин).
Среди исследованных генотипов выделены линии с максимальным накоплением незаменимых аминокислот: изолейцина (линия 16-5), лизина (линия 29), гистидина, треонина и лейцина (линия 1-3), фенилаланина (линия 34-2), а также линии с высоким содержанием комплекса аминокислот (линии 15-7-2, 8, 1-3, 2-7, 28, 25-2, 34-1 и 34-2). Данные линии представляют интерес для увеличения питательной ценности зерна пшеницы, так как аминокислоты широко вовлечены в процессы биосинтеза не только протеинов, но также ферментов, витаминов, некоторых гормонов и играют большую роль в жизнедеятельности организма человека.
Список использованных источников
1. Shewry, P. R. The contribution of wheat to human diet and health / P. R. Shewry, S. J. Hey. - Food Energy Sec. - 2015. - Vol. 4, № 3. -P. 178-202.
2. Amino acid composition of spring wheats and losses of lysine during chapati baking /
F. M. Anjum [et al.]. - J Food Compos Anal. -2005. - Vol. 18. - Р. 523-32.
3. Shewry, P. R. Improving the protein content and composition of cereal grain / P. R. Shewry.
- Journal of Cereal Science. - 2007. - Vol. 46, № 3. - Р. 239-250.
4. Composition of essential amino acids in emmer wheat landraces, old and modern varieties of bread wheat / P. Konvalina [et al.]. - J. Food Agric. Environ. - 2011. - Vol. 9. - P. 193-197.
5. Chemical composition and amino acid content in different genotypes of wheat flour / A. Laze [et al.]. - Periodica Polytechnica Chemical Engineering. - 2019. - Vol. 63, № 4.
- P. 618-628.
6. Лысиков, Ю. А. Аминокислоты в питании человека / Ю. А. Лысиков. - Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. - 2012.
- № 2. - С. 88-105.
7. Казаков, Е. Д. Биохимия зерна и продуктов его переработки / Е. Д. Казаков, В. П. Крето-вич. - М.: Агропромиздат, 1989. - 368 с.
8. Protein content and amino acid composition in grains of wheat-related species / Xiao-ling Jiang [et al.]. - Agricultural Sciences in China.
- 2008. - Vol. 7, № 3. - P. 272-279.
9. Variation in mineral micronutrient concentrations in grain of wheat lines of diverse origin / F. J. Zhao [et al.]. - J. Cereal. Sci. - 2009.
- Vol. 49, № 2. - P. 290-295.
10. Genetic diversity for grain nutrients in wild emmer wheat: potential for wheat improvement / M. Chatzav [et al.]. - Annals of Botany. - 2010.
- Vol. 105, № 7. - Р. 1 211-1 220.
11. Genome-wide association study for grain micronutrient concentrations in wheat advanced lines derived from wild emmer / J. Liu [et al.]. -Front. Plant Sci. - 2021. - Vol. 12. - Pub. 651283.
12. Корреляции и структура вариации признаков качества зерна и продуктивности линий пшеницы с чужеродным генетическим материалом / О. А. Орловская [и др.]. - Сб. науч. тр. - Институт генетики и цитологии НАН Беларуси. - Минск, 2021. - Т. 31: Молекулярная и прикладная генетика. - С. 42-52.
13. Molecular сytogenetic analysis of triticale and wheat lines with introgressions of the genetic material of Triticeae tribe species / O. A. Orlovskaya [et al.]. - Russian Journal of Genetics: Applied Research. - 2016. - Vol. 6, № 5. - P. 527-536.
14. Molecular cytological analysis of alien introgressions in common wheat lines derived from the cross of Triticum aestivum with T. kiharae / O. A. Orlovskaya [et al.]. - BMC Plant Biology. - 2020. - Vol. 20 (Suppl. 1). - Pub. 201.
15. Jood, S. Amino acid composition and chemical evaluation of protein quality of cereals as affected by insect infestation / S. Jood, A. C. Kapoor, R. Singh. - Plant Foods Hum. Nutr. - 1995. - Vol. 48, № 2. - Р. 159-167.
16. Diversity in grain, flour, amino acid composition, protein profiling, and proportion of total flour proteins of different wheat cultivars of North India / R. A. Siddiqi [et al.]. - Front. Nutr. - 2020. - Vol. 7. - Pub. 141.
17. Changes in grain protein and amino acids composition of wheat and rice under short-term increased [CO2] and temperature of canopy air in a paddy from East China / J. Wang [et al.]. - New Phytol. - 2019. - Vol. 222. - Р. 726-34.
18. Казаков, Е. Д. Биохимия зерна и хлебопродуктов / Е. Д. Казаков, Г. П. Карпиленко. 3-е переработанное и дополненное издание. СПб.: ГИОРД, 2005. - 512 с.
19. Pelleit, P. L. Evaluation of the use of amino acid composition data in assessing the
protein quality of meat and poultry products / P. L. Pelleit, V. R. Young. - The American Journal of Clinical Nutrition. - 1984. - Vol. 40 (3 Suppl).
- P. 718-736.
20. Pepo, P. Amino acid compositions in wheat species with different genomes / P. Pepo, Z. Gyori. - Cereal Research Communications. -2007. - Vol. 35, № 4. Р. 1 685-1 699.
21. Aminosauren, enzyme und speicherproteine in 3 dinkelsorten (Triticum spelta L.) / H. Smolkova [et al.]. - Lebensmittelchemie.
- 2000. - Vol. 54. - P. 2-5.
22. Маркевич, Д. В. Сравнительный анализ состава незаменимых аминокислот в основной продукции зерновых культур / Д. В. Маркевич, Ю. В. Путятин, О. М. Таврыкина. - Почвоведение и агрохимия. - 2013. - № 1(50).
- С. 178-185.
23. Layman, D. K. The role of leucine in weight loss diets and glucose homeostasis / D. K. Layman. - The Journal of Nutrition. - 2003.
- Vol. 133, № 1. - P. 261-267.
24. Long-term effects of low histidine intake on men / E. S. Cho [et al.]. - Journal of Nutrition. 1984. - Vol. 114, № 2. - P. 369-384.
O. A. Orlovskaya1, S. I. Vakula2, L. V. Khotyleva1, A. V. Kilchevsky1
AMINO ACID COMPOSITION OF THE GRAIN OF COMMON WHEAT LINES WITH INTROGRESSIONS OF THE GENETIC MATERIAL OF
TRITICUM SPECIES
1State Scientific Institution "Institute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus" 27 Akademicheskaya St., 220072 Minsk, the Republic of Belarus e-mail: [email protected] 2Belarusian State Technological University, 13a, Sverdlova St., 220006 Minsk, the Republic of Belarus
The amino acid composition for spring common wheat varieties, the samples of tetraploid and hexaploid species of the genus Triticum, as well as 19 introgressive lines obtained with their involvement (2020-2021yield) were studied. The total amount of nonessential and essential amino acids in the grain of wheat relatives (64,75% и 25,92% respectively) were slightly higher than in the T. aestivum varieties (64,70% and 25,84% respectively). In most lines with foreign genetic material, the level of accumulation of essential amino acids exceeded both parents, and the content of nonessential amino acids was closer to variety values. A significant excess of introgressive lines over parental genotypes was established by the accumulation of both nonessential (aspartic acid, glycine, arginine, and alanine) and essential amino acids (isoleucine, threonine, and valine). Introgressive lines with a high content of essential amino acids have been identified, which are of interest for increasing the nutritional value of wheat grain.
Keywords: common wheat related species, introgressive lines of common wheat, nonessential and essential amino acids in grain.
Дата поступления в редакцию: 06 февраля 2023 г.
