Генетическое разнообразие образцов кафрского сорго из коллекции ВИР по кафирин-кодирующим локусам

Актуальность. Сорго – характеризующаяся высокой засухоустойчивостью универсальная культура, широко возделываемая во всем мире. Его зерно имеет ценный биохимический состав и используется в качестве фуража, а также как продукт питания. Благодаря уникальной структуре запасных белков эндосперма – кафиринов – включение сорговой муки в тесто перспективно для получения компонентов диетического питания. Изучение разнообразия образцов кафрского сорго из коллекции ВИР по биохимическим и морфологическим признакам зерна и полиморфным ДНК-маркерам как возможных доноров для получения стерильных линий и закрепителей стерильности актуально.

Материалы и методы. Шестнадцать образцов кафрского сорго фенотипировали по морфологическим признакам зерна, составу электрофоретических спектров кафиринов, а также генотипировали с помощью специфичных для генов этих белков ПЦР-маркеров. Фенотип зрелых зерен оценивали по цвету семенной оболочки, а также соотношению толщин стекловидного и мучнистого слоев эндосперма на срезах. Белки разделяли с помощью электрофореза в полиакриламидном геле. В ПЦР-анализе использовали SSR-маркеры, сцепленные с генами β- и γ-кафиринов, а также STS-маркер кодирующего участка гена δ-кафирина.

Результаты и выводы. Образцы изученной выборки различались по окраске зерна и структуре эндосперма. Три образца характеризовались значительной толщиной стекловидного слоя, остальные – мучнистым либо частично стекловидным эндоспермом. Не выявлено отличий между образцами по электрофоретическим спектрам кафиринов. В то же время образцы характеризовались высоким уровнем полиморфизма фрагментов, амплифицированных с праймерами, фланкирующими микросателлитные последовательности, сцепленные с генами β- и γ-кафиринов. Два варианта STS-маркера, отличавшихся по последовательности, обнаружены при амплификации с праймерами, специфичными для участка гена, кодирующего δ-кафирин. Изученные образцы дифференцированы после обработки результатов с помощью метода анализа главных координат (PCoА).

1. Анисимова И.Н., Алпатьева Н.В., Абдуллаев Р.А., Карабицина Ю.И., Кузнецова Е.Б. Скрининг генетических ресурсов растений с использованием ДНК-маркеров: основные принципы, выделение ДНК, постановка ПЦР, электрофорез в агарозном геле: (методические указания) / под ред. Е.Е. Радченко. Санкт-Петербург: ВИР; 2018. DOI: 10.30901/978-5-905954-81-8

2. Анискина Ю.В., Малиновская Е.В., Мицурова В.С., Велишаева Н.С., Колобова О.С., Шилов И.А. Исследование генетического разнообразия сорго с использованием технологии мультиплексного микросателлитного анализа. Биотехнология и селекция растений. 2019;2(3):20-29. DOI: 10.30901/2658-6266-2019-3-o1

3. Антимонов А.К., Сыркина Л.Ф., Антимонова О.Н. Селекция зернового сорго пищевого направления. Земледелие. 2021;(8):28-32. DOI: 10.24412/0044-3913-2021-8-28-32

4. Belton P.S., Delgadillo I., Halford N.G., Shewry P.R. Kafirin structure and functionality. Journal of Cereal Science. 2006;44(3):272-286. DOI: 10.1016/j.jcs.2006.05.004

5. Chamba E.B., Halford N.G., Forsyth J., Wilkinson M.D., Shewry P.R. Molecular cloning of β-kafirin, a methioninerich protein of sorghum grain. Journal of Cereal Science. 2005;41(3):381-383. DOI: 10.1016/j.jcs.2004.09.004

6. De Morais Cardoso L., Pinheiro S.S., Martino H.S.D., Pinheiro-Sant’Ana H.M. Sorghum (Sorghum bicolor L.): Nutrients, bioactive compounds, and potential impact on human health. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2016;57(2):372-390. DOI: 10.1080/10408398.2014.887057

7. Дорохов Д.Б., Клоке Э. Быстрая и экономичная технология RAPD анализа растительных геномов. Генетика. 1997;33(4):443-450.

8. Эльконин Л.А., Доманина И.В., Итальянская Ю.В. Генетическая инженерия как инструмент модификации состава запасных белков и повышения питательной ценности зерна у злаков (обзор). Сельскохозяйственная биология. 2016;51(1):17-30. DOI: 10.15389/agrobiology.2016.1.17rus

9. Эльконин Л.А., Панин В.М., Кенжегулов О.А., Геращенков Г.А. Улучшение питательных свойств зернового сорго на основе методов современной генетики и биотехнологии. Биотехнология и селекция растений. 2019;2(3):41-48. DOI: 10.30901/2658-6266-2019-3-o6

10. FAOSTAT. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Statistics: [website]. Available from: https://www.fao.org/statistics/en [accessed Aug. 01, 2024].

11. Holding D.R. Recent advances in the study of prolamin storage protein organization and function. Frontiers in Plant Science. 2014;5:276-284. DOI: 10.3389/fpls.2014.00276

12. Иванюкович Л.К., Доронина Ю.А. Обзор классификаций сорго Sorghum Moench. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1980;69(1):18-27.

13. Якушевский Е.С. Видовой состав сорго и его селекционное использование. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1969;41(2):148-178.

14. Хомутникова Л.А. Исследование полиморфизма зернового сорго по электрофоретическим спектрам запасных белков. Научно-технический бюллетень Всесоюзного научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова. 1992;223:37-38.

15. Идентификация сортов и регистрация генофонда культурных растений по белкам семян / под ред. В.Г. Конарева. Санкт-Петербург: ВИР; 2000.

16. Kurbonov M., Khaitov R. Sorghum as a substitute for corn in poultry feed. E3S Web of Conferences. 2023;390:02025. DOI: 10.1051/e3sconf/202339002025

17. Laidlaw H.K.C., Mace E.S., Williams S.B., Sakrewski K., Mudge A.M., Prentis P.J. et al. Allelic variation of the β-, γand δ-kafirin genes in diverse Sorghum genotypes. Theoretical and Applied Genetics. 2010;121(7):1227-1237. DOI: 10.1007/s00122-010-1383-9

18. Li A., Jia S., Yobi A., Ge Z., Sato S.J., Zhang C. et al. Editing of an alpha-kafirin gene family increases, digestibility and protein quality in sorghum. Plant Physiology. 2018;177(4):1425-1438. DOI: 10.1104/pp.18.00200

19. Mawouma S., Condurache N.N., Turturică M., Constantin O.E., Croitoru C., Rapeanu G. Chemical composition and antioxidant profile of sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) and pearl millet (Pennisetum glaucum (L.) R. Br.) grains cultivated in the Far-North region of Cameroon. Foods. 2022;11(14):2026. DOI: 10.3390/foods11142026

20. NCBI. National Center for Biotechnology Information: [website]. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov [accessed Aug. 08, 2024].

21. Osborne T.B. The vegetable proteins. London: Longmans, Green & Co; 1919. DOI: https://doi.org/10.5962/bhl.title.18912

22. Osterman L.A. Methods of protein and nucleic acid research. Vol. 3. Electrophoresis – Isoelectric Focusing Ultracentrifugation. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag; 1984.

23. Peakall R., Smouse P.E. GenALEx 6.5: Genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research – an update. Bioinformatics. 2012;28(19):2537-2539. DOI: 10.1093/bioinformatics/bts460

24. Price A.L ., Pat terson N.J., Plenge R.M., Weinblat t M.E., Shadick N.A., Reich D. Principal components analysis corrects for stratification in genome-wide association studies. Nature Genetics. 2006;38(8):904-909. DOI: 10.1038/ng1847

25. Reddy B.V.S., Ramesh S., Reddy P.S., Ramaiah B. Combining ability and heterosis as influenced by male-sterility inducing cytoplasms in sorghum [Sorghum bicolor (L.) Moench]. Euphytica. 2007;154(1-2):153-164.

26. Righetti P.G., Chillemi F. Isoelectric focusing of peptides. Journal of Chromatography A. 1978;157:243-251. DOI: 10.1016/S0021-9673(00)92339-2

27. Shewry P.R., Halford N.G. Cereal seed storage proteins: structures, properties and role in grain utilization. Journal of Experimental Botany. 2002;53(370):947-958. DOI: 10.1093/jexbot/53.370.947

28. Shull J.M., Watterson J.J., Kirleis A.W. Proposed nomenclature for the alcohol-soluble proteins (kafirins) of Sorghum bicolor (L.) Moench based on molecular weight, solubility, and structure. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1991;39(1):83-87. DOI: 10.1021/jf00001a015

29. Snowden J.D. A classification of the cultivated sorghums. Bulletin of Miscellaneous Information (Royal Botanic Gardens, Kew). 1935;5(1935):221-255. DOI: 10.2307/4107126

30. Universiteit Gent: [website]. Available from: ugent.be [accessed Aug. 08, 2024].

31. Wong J.H., Lau T., Cai N., Singh J., Pedersen J.F., Vensel W.H. et al. Digestibility of protein and starch from sorghum (Sorghum bicolor) is linked to biochemical and structural features of grain endosperm. Journal of Cereal Science. 2009;49(1):73-82. DOI: 10.1016/j.jcs.2008.07.013

32. Wu Y.R., Messing J. RNA interference-mediated change in protein body morphology and seed opacity through loss of different zein proteins. Plant Physiology. 2010;153(1):337-347. DOI: 10.1104/pp.110.154690

33. Xu J.H., Messing J. Organization of the prolamin gene family provides insight into the evolution of the maize genome and gene duplications in grass species. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2008;105(38):14330-14335. DOI: 10.1073/pnas.0807026105