Изучение полиморфизма гена CslF6, ассоциированного с биосинтезом β-D-глюканов, у образцов диплоидного овса Avena strigosa Schreb. коллекции ВИР

Актуальность. Овес является одной из самых распространенных и важных зерновых культур в мировом сельскохозяйственном производстве. Поиск новых высокоурожайных и высококачественных генотипов продолжает оставаться актуальным, особенно в условиях глобальной тенденции изменения климата, когда большинство местных сортов овса могут стать экономически неэффективными.

Материалы и методы. Материалом для данного исследования послужили 50 местных сортов диплоидного культурного вида овса Avena strigosa Schreb. из коллекции ВИР, имеющих разнообразное географическое происхождение. Материал изучался в условиях научно-производственной базы «Пушкинские и Павловские лаборатории ВИР» в 2023– 2024 гг. В результате изучения определены главные хозяйственно ценные признаки и биохимические свойства зерновок. Полевое изучение коллекции овса проводили на основе методических указаний по изучению коллекции ВИР, биохимические показатели определяли по общепринятым методикам. У контрастных образцов овса выполнены молекулярно-генетические исследования (изолирование ДНК, постановка полимеразной цепной реакции и секвенирование по методу Сэнгера). Проведен анализ аллельного состояния генов, ассоциированных с биосинтезом β-глюканов.

Результаты и заключение. Приведены данные исследования содержания растворимых полисахаридов β-глюканов у образцов A. strigosa коллекции ВИР. Изучен биохимический состав зерновок диплоидного овса и определено процентное содержание β-глюканов. С помощью современных молекулярно-генетических методов исследования проведено изучение ключевого гена биосинтеза данной группы веществ – CslF6. Секвенирование по методу Сэнгера кодирующей части гена не выявило перестроек в последовательности нуклеотидов гена.

1. Burton R.A., Jobling S.A., Harvey A.J., Shirley N.J., Mather D.E., Bacic A. et al. The genetics and transcriptional profiles of the cellulose synthase-like HvCslF gene family in barley. Plant Physiology. 2008;146(4):1821-1833. DOI: 10.1104/pp.107.114694

2. Burton R.A., Wilson S.M., Hrmova M., Harvey A.J., Shirley N.J., Medhurst A. et al. Cellulose synthase-like CslF genes mediate the synthesis of cell wall (1, 3; 1, 4)-beta-D-glucans. Science. 2006;311(5769):1940-1942. DOI: 10.1126/science.1122975

3. Cocuron J.C., Lerouxel O., Drakakaki G., Alonso A.P., Liepman A.H., Keegstra K. et al. A gene from the cellulose synthase-like C family encodes a beta-1,4 glucan synthase. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2007;104(20):8550-8555. DOI: 10.1073/pnas.0703133104

4. Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П., Перуанский Ю.В., Луковникова Г.А., Иконникова М.И. Методы биохимического исследования растений /под ред. А.И. Ермакова. 3-е изд. Ленинград: Агропромиздат; 1987.

5. Farrokhi N., Burton R.A., Brownfield L., Hrmova M., Wilson S.M., Bacic A. et al. Plant cell wall biosynthesis: genetic, biochemical and functional genomics approaches to the identification of key genes. Plant Biotechnology Journal. 2006;4(2):145-167. DOI: 10.1111/j.1467-7652.2005.00169.x

6. Havrlentová M, Dvořáček V, Jurkaninová L, Gregusová V. Unraveling the potential of β-D-Glucans in Poales: from characterization to biosynthesis and factors affecting the content. Life (Basel). 2023;13(6):1387. DOI: 10.3390/life13061387

7. Hazen S.P., Scott-Craig J.S., Walton J.D. Cellulose synthaselike genes of rice. Plant Physiology. 2002;128(2):336-340. DOI: 10.1104/pp.010875

8. Integrated DNA Technologies. PrimerQuest Tool: [website]. Available from: https://eu.idtdna.com/primerquest/home [accessed Nov. 25, 2024].

9. Izydorczyk M.S., Dexter J.E. Barley β-glucans and arabinoxylans: molecular structure, physicochemical properties, and uses in food products – a review. Food Research International. 2008;41(9):850-868. DOI: 10.1016/j.foodres.2008.04.001

10. Lante A., Canazza E., Tessari P. Beta-glucans of cereals: functional and technological properties. Nutrients. 2023;15(9):2124. DOI: 10.3390/nu15092124

11. Лоскутов И.Г. Овес (Avena L.). Распространение, систематика, эволюция и селекционная ценность. Санкт-Петербург: ВИР; 2007).

12. Лоскутов И.Г., Ковалева О.Н., Блинова Е.В. Методические указания по изучению и сохранению мировой коллекции ячменя и овса. Санкт-Петербург: ВИР; 2012.

13. Loskutov I.G., Rines H.W. Avena L. In: C. Kole (ed.). Wild Crop Relatives: Genomic and Breeding Resources. Heidelberg; Berlin: Springer; 2011. p.109-184. DOI: 10.1007/978-3-64214228-4_3

14. Noorbakhsh Varnosfaderani S.M., Ebrahimzadeh F., Akbari Oryani M., Khalili S., Almasi F., Mosaddeghi Heris R. et al. Potential promising anticancer applications of β-glucans: a review. Bioscience Reports. 2024;44(1):BSR20231686. DOI: 10.1042/BSR20231686

15. Okonechnikov K., Golosova O., Fursov M.; the UGENE team. Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinformatics. 2012;28(8):1166-1167. DOI: 10.1093/bioinformatics/bts091

16. Popov V.S., Khoreva V.I., Konarev A.V., Shelenga T.V., Blinova E.V., Malyshev L.L. et al. Evaluating germplasm of cultivated oat species from the VIR collection under the Russian northwest conditions. Plants (Basel). 2022;11(23):3280. DOI: 10.3390/plants11233280

17. Попов В.С., Перчук И.Н., Хорева В.И. Гравиметрический метод количественного определения растворимых β-глюканов в зерне овса. Биотехнология и селекция растений. 2021;4(1):5-12. DOI: 10.30901/26586266-2021-1-o1

18. Redaelli R., Del Frate V., Bellato S., Terracciano G., Ciccoritti R., Germeier C.U. et al. Genetic and environmental variability in total and soluble β-glucan in European oat genotypes. Journal of Cereal Science. 2013;57(2):193-199. DOI: 10.1016/j.jcs.2012.09.003

19. Redaelli R., Sgrulletta D., Scalfati G., De Stefanis E., Cacciatori P. Naked oats for improving human nutrition: genetic and agronomic variability of grain bioactive components. Crop Science. 2009;49(4):1431-1437. DOI: 10.2135/cropsci2008.04.0225

20. Richmond T.A., Somerville C.R. The cellulose synthase superfamily. Plant Physiology. 2000;124(2):495-498. DOI: 10.1104/pp.124.2.495

21. Родионова Н.А., Солдатов В.Н., Мережко В.Е., Ярош Н.П., Кобылянский В.Д. Культурная флора. Т. 2, ч. 3. Овес. Москва: Колос; 1994.

22. Shvachko N.A., Loskutov I.G., Semilet T.V., Popov V.S., Kovaleva O.N., Konarev A.V. Bioactive components in oat and barley grain as a promising breeding trend for functional food production. Molecules. 2021;26(8):2260. DOI: 10.3390/molecules26082260

23. Sushytskyi L., Synytsya A., Čopíková J., Lukáč P., Rajsiglová L., Tenti P. et al. Perspectives in the application of high, medium, and low molecular weight oat β-d-glucans in dietary nutrition and food technology – A short overview. Foods. 2023:7;12(6):1121. DOI: 10.3390/foods12061121

24. Sykut-Domańska E., Rzedzicki Z., Zarzycki P., Sobota A., Błaszczak W. Distribution of (1,3)(1,4)-β-D-glucans in grains of Polish oat cultivars and lines (Avena sativa L.). Polish Journal of Food and Nutrition Sciences. 2015;66(1):51-56. DOI: 10.1515/pjfns-2015-0012

25. Toole G.A., Le Gall G., Colquhoun I.J., Drea S., Opanowicz M., Bedö Z. et al. Spectroscopic analysis of diversity in the spatial distribution of arabinoxylan structures in endosperm cell walls of cereal species in the HEALTHGRAIN diversity collection. Journal of Cereal Science. 2012;56(2):134-141. DOI: 10.1016/j.jcs.2012.02.016

26. Vega-Sánchez M.E., Verhertbruggen Y., Christensen U., Chen X., Sharma V., Varanasi P. et al. Loss of Cellulose synthase-like F6 function affects mixed-linkage glucan deposition, cell wall mechanical properties, and defense responses in vegetative tissues of rice. Plant Physiology. 2012;159(1):5669. DOI: 10.1104/pp.112.195495

27. Zhang J., Yan L., Liu M., Guo G., Wu B. Analysis of β-d-glucan biosynthetic genes in oat reveals glucan synthesis regulation by light. Annals of Botany. 2021;127(3):371-380. DOI: 10.1093/aob/mcaa185