Труды Кубанского государственного аграрного университета
    

    <<<  Назад

    2022 год, № 101

    УДК: 633.15:577.122.5:581.14
    ГРНТИ: 68.43.31

    МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОСИНТЕЗА И НАКОПЛЕНИЯ КРАХМАЛА В ЭНДОСПЕРМЕ КУКУРУЗЫ

    Кукуруза является ценным материалом для научных исследований в генетике и селекции, благодаря внушительным размерам генома и высокому уровню полиморфизма ДНК. Основной целью было обобщение результатов научных исследований по изучению генетики, молекулярной биологии, а также селекции качества и количества зерна кукурузы, которые представляют особую ценность в отборе наиболее ценных генотипов кукурузы по содержанию крахмала для дальнейшей селекции с целью получения высококачественных и продуктивных линий и гибридов кукурузы. Понимание биосинтеза крахмала и его взаимосвязи со структурой и функциональностью представляет огромный интерес, поскольку является предпосылкой для целенаправленного улучшения качества кукурузы. Исследования, связанные с изучением генетического полиморфизма генов биосинтеза крахмала у кукурузы, необходимы для выведения новых линий и гибридов с повышенным содержанием амилопектина в зерне. По состоянию на сегодняшний день достигнут большой прогресс в изучении биохимии и механизмов синтеза крахмала: была охарактеризована восковая зародышевая плазма с помощью простых повторяющихся последовательностей (SSR-маркеры), распределенных по всему гену; выявлены новые мутантные аллели гена восковой кукурузы; проводились: молекулярно-биологические анализы полиморфизма генов биосинтеза крахмала у линий кукурузы; анализ содержания крахмала, амилозы, амилопектина в зерне; работы по развитию гибридов кукурузы богатых амилопектином или амилозой в зависимости от сельскохозяйственных предпочтений; были созданы наборы данных по протеомике по изучению системы накопления многочисленных белков, которые являются ответственными за синтез крахмала в кукурузе.
    Ключевые слова: Кукуруза, крахмал, биосинтез крахмала, амилоза, амилопектин, воскообразный, эндосперм.
    DOI: 10.21515/1999-1703-101-73-85

    Литература:

    1. Wurzburg, O. B. Ed.Introduction, in Modified Starches: Properties and Uses CRC Press Boca Raton FL. - 1986, chap 1.
    2. Fisher, M. B. Immunological characterization of maize starch branching enzymes / M. B. Fisher, and C. Boyer // Plant Physiol, 1983, 72: 813-816. PMID:16663090.
    3. Buckler, E. S. Molecular and functional diversity of maize / E. S Buckler, B. S. Gaut, M. D. McMullen // Curr Opin Plant Biol, 2006, 9:172-176.
    4. Rousseau, D. Fast virtual histology using X-ray in-line phase tomography: application to the 3D anatomy of maize developing seeds / D. Rousseau, T. Widiez, S. Di Tommaso, H. Rositi, J. Adrien, E. Maire, M. Langer, C. Olivier, F. Peyrin, P. Rogowsky // Plant Methods. - 2015, 11:55. - DOI 10.1186/s13007-015-0098-y.
    5. Jianzhou, Qu.Comparative transcriptomics reveals the difference in early endosperm development between maize with different amylose contents / Qu1, 2, Jianzhou, Xu1,2, Shutu, Tian1,2, Xiaokang, Li1,2, Ting, Wang1,2, Yuyue Zhong1,2, Jiquan Xue1,2 Licheng and Guo1,2, Qu Dongwei et al. // PeerJ, 2019. - DOI 10.7717/peerj.7528.
    6. Larkins, B. A. Maize kernel development / B. A. Larkins. - Boston: CAB International, 2017.
    7. Gehring, M. Endosperm and imprinting, inextricably linked / M. Gehring, P. R. Satyaki // Plant Physiology, 2017, рр. 173:143-154. - DOI 10.1104/pp.16.01353.
    8. Gontarek, B. C. NKD transcription factors are central regulators of maize endosperm development / B. C. Gontarek, A. K. Neelakandan, H. Wu, P. W. Becraft // The Plant cell, 2016, 28:2916-2936 DOI 10.1105/tpc.16.00609.
    9. Jianzhou, Qu.Comparative transcriptomics reveals the difference in early endosperm development between maize with different amylose contents / Qu. Jianzhou, Xu. Shutu, T. Xiaokang, Li. Ting, W. Licheng, Z. Yuyue, X. Jiquan and G. Dongwei // PeerJ, 2019. - DOI 10.7717/peerj.7528.
    10. Tayade, R. Insight into the prospects for the improvement of seed starch in legume - A Review. Front / R. Tayade, K. P. Kulkarni, H. Jo, J. T. Song, J.-D. Lee // Plant Sci 10. 2019, Р. 1213.
    11. Ju-Kyung, Y. Corn Starch: Quality and Quantity Improvement for Industrial Uses / Y. Ju-Kyung and M. Yong-Sun // Plants 11, 2022, Р. 92. - https://doi.org/10.3390/plants11010092.
    12. Barbara, P. Formation of starch in plant cells / P. Barbara, C. Z. Samuel // Cellular and Molecular Life Sciences, 2016, рр. 73:2781-2807. - DOI 10.1007/s00018-016-2250-x.
    13. Whitt, S. R. Genetic diversity and selection in the maize starch pathway / S. R. Whitt, L. M. Wilson, M. I. Tenaillon, B. S. Gaut and E. S. T.Buckler. - Proc. Natl Acad 99. Sci. 2002, 12959-12962 (in USA).
    14. Glaring, M. A. Genotype-specific spatial distribution of starch molecules in the starch granule: a combined CLSM and SEM approach / M. A. Glaring, C. B. Koch, A. Blennow // Biomacromolecules 7, 2006, рр. 2310-2320. - doi: 10.1021/bm060216e.
    15. He, W. The defective effect of starch branching enzyme IIb from weak to strong induces the formation of biphasic starch granules in amylose-extender maize endosperm / W. He, X. Liu, L. Lin, A. Xu, D. Hao, C. Wei // Plant Mol. Biol103, 2020, рр. 355-371. - DOI: 10.1007/s11103-020-00998-w.
    16. Song, Y. Optimization of butter, xylitol, and high-amylose maize flour on developing a low-sugar cookie / Y. Song, X. Li, Y. Zhong // Food Sci. Nutr 7. 2019, рр. 3414-3424. doi: 10.1002/fsn3.1160.
    17. Liu, N. Genome-wide association study identifies candidate genes for starch content regulation in maize kernels / N. Liu, Y Xue, Z. Guo, W. Li and J. Tang (b) // Front. Plant Sci. 7, 2016, р. 1-8.
    18. Inouchi, N. DSC characteristics of gelatinization of starches of single-, double-, and triple-mutants and their normal counterpart in the inbred Oh43 maize (Zea mays L.) background. Starch / N. Inouchi, D. V. Glover, Y. Sugimoto and H. Fuwa. - Staerke 43, 1991, Р. 468.
    19. Hennen-Bierwagen, T. A. Genomic specification of starch biosynthesis in maize endosperm, PW. Becraft (ed.) / T. A. Hennen-Bierwagen, A. M. Myers // Seed Genomics. John Wiley & Sons, 2013, р. 123-137.
    20. Kyu, J. S.Comparative Gene Expression Analysis of Seed Development in Waxy and Dent Corn (Zea mays L.) /j. S. Kyu, C. Ik-Young, H. P. Dae, K. L. Ju // Plant Breed. Biotech. 6(4), 2018, р. 337-353. - https://doi.org/10.9787/PBB.2018.6.4.337.
    21. Larissa, M. W. Dissection of Maize Kernel Composition and Starch Production by Candidate Gene Association / M. W. Larissa, R. W. Sherry, M. I. Ana, R. R. Torbert, M. G. Major and S. B. Edward // The Plant Cell. Vol. 16, 2004, рр. 2719-2733.
    22. Buckler, E. S. Plant molecular diversity and applications to genomics / E. S. Buckler and J. M. Thornsberry // Curr. Opin. Plant Biol. 5, 2002, рр. 107-111.
    23. Flint-Garcia, S. A. Structure of linkage disequilibrium in plants / S. A. Flint-Garcia, J. M. Thornsberry and E. S. Buckler // Annu. Rev. Plant Biol. 54, 2003, рр. 357-374.
    24. Thornsberry, J. M. Dwarf8 polymorphisms associate with variation in flowering time /j. M. Thornsberry, M. M Goodman, J. Doebley, S. Kresovich, D. Nielsen and IV E. S. Buckler // Nat. Genet. 28, 2001, р. 286-289.
    25. Collins, G. N. A new type of Indian Corn from China / G. N. Collins // Bureau Plant Ind. (Bulletin), 161, 1909, р. 1-30.
    26. Coe, E. H. The genetics of corn, in Corn and Corn Improvement / E. H. Jr. Coe, M. G. Neuffer and D. A. Hoisington, G. F. Sprague and J. W. Dudley. - Eds., American Society of Agronomy, Madison, WI, 1988, chap. 3.
    27. Zahirul, A.Combining higher accumulation of amylopectin, lysine and tryptophan in maize hybrids through genomics-assisted stacking of waxy1 and opaque2 genes / A. Talukder1, Vignesh Muthusamy1 Zahirul, Chhabra 1 Rashmi, Gain1 Nisrita, B. Shashidhar, Reddappa1, J. Mishra1 Subhra Kasana1, Ravindra, Bhatt1 Vinay, Chand1 Gulab, Katral1 Ashvinkumar, K. Mehta Brijesh 2, K. Guleria3, Rajkumar U. Satish Zunjare1 & Hossain1. Firoz // Scientific Reports. 2022, 12:706. https://doi.org/10.1038/s41598-021-04698-3.
    28. Li, C. The gentic architecture of amylose biosyntheses in maize kernel / C. Li, Y. Huang, R. Huang, Y. Wu, W. Wang // Plant Biotechnol. J, 16. 2018, рр. 688-695. - doi: 10.1111/pbi.12821
    29. Demerec, M. Am. J. / M. Demerec. - Bot. 11, 1924, р. 461-464.
    30. Huang, B. Q. Waxy locus and its mutant types in maize Zea mays / B. Q. Huang, M. L. Tian, J. J. Zhang & Y. B. Huang. - L. J.Integr. Agr. 9, 2010, р. 1-10.
    31. Bao, J. D.Identification of glutinous maize landraces and inbred lines with altered ranscription of waxy gene /j. D. Bao, J. Q. Yao, J. Q. Zhu. - Mol Breed, 2012, 30:1707-1714
    32. Zhang, W. L Increasing lysine content of waxy maize through introgression of opaque-2 and opaque-16 genes using molecular assisted and biochemical development / W. L. Zhang, W. P. Yang, M. C. Wang, W. Wang, G. P. Zeng, Z. W. Chen // PLoS One; 8, 2013, doi: 10.1371/ journal.pone.0056227.
    33. Liu, J. Mutation loci and intragenic selection marker of the granule-bound starch synthase gene in waxy maize /j. Liu, T. Rong, W. Li // Mol Breed 20, 2007, р. 93-102. - DOI: 10.1007/s11032-006-9074-6.
    34. Fan, L. J. Post-domestication selection in the maize starch pathway / L. J. Fan et al. // PLoS ONE 4, 2009. - https ://doi.org/10.1371/journ al.pone.00076 12.
    35. Wu, X. Y. Molecular characteristics of two new waxy mutations in China waxy maize / X. Y. Wu et al. - Mol. Breeding 37, 2017. - https ://doi.org/10.1007/s1103 2-016-0612-6.
    36. Hu, B. J. Active miniature inverted-repeat transposable elements transposon in plants: a review / B. J. Hu & M. B. Zhou, J. Chin // Biotechnol. 34, 2018, р. 204-215.
    37. Wu, X. Y. New waxy allele wx-Reina found in Chinese waxy maize / X. Y. Wu et al. - Genet. Resour. Crop Evol. 66, 2019, р. 885-895.
    38. Chen, M. H. Development of three allele-specific codominant rice Waxy gene PCR markers suitable for marker-assisted selection of amylose content and paste viscosity / M. H. Chen, R. G. Fjellstrom, E. F. Christensen & C. J. Bergman. - Mol. Breed. 26, 2010, р. 513-523.
    39. Zahirul, A. T. Marker-assisted Introgression of Waxy1 Gene into Elite Inbreds for Enhancement of Amylopectin in Maize Hybrids / A. T. Zahirul, M. Vignesh, C. Rashmi, S. C. Hema, U. Z. Rajkumar and H. Firoz. - 13th Asian Maize Conference and Expert Consultation on Maize for Food, Feed, Nutrition and Environmental Security Ludhiana, 2018, р.191-197 (in India).
    40. Вакула, С. И. SSR-локусы, потенциально ассоциированные с высоким содержанием амилопектина в эндосперме зерна кукурузы / С. И. Вакула, О. А. Орловская, Л. В. Хотылева, А. В. Кильчевский // Вавиловский журнал генетики и селекции. - 2018. - № 22(6). - С. 640-647. - DOI 10.18699/VJ18.405.
    41. Zhang, X. D. The effect of amylose on kernel phenotypic characteristics, starch-related gene expression and amylose inheritance in naturally mutated high-amylose maize / X. D. Zhang, X. C. Gao, Z. W. Li, L. C. Xu, Y. B. Li, R. H. Zhang, J. Q. Xu, D. W. Guo - J.Integr. Agric. 19, 2020, р. 1554-1564.
    42. Zhao, Y. Reduced expression of starch branching enzyme IIa and IIb in maize endosperm by RNAi constructs greatly increases the amylose content in kernel with nearly normal morphology / Y. Zhao, N. Li, B. Li, Z. Li, G. Xie, J. Zhang // Planta, 2015, 241, р. 449-461. - DOI: 10.1007/s00425-014-2192-1.
    43. Zhong, Y. The relationship between the expression pattern of starch biosynthesis enzymes and molecular structure of high amylose maize starch / Y. Zhong, L. Liu, J. Qu, S. Li, A. Blennow, S. A. Seytahmetovna, X. Liu, D. Guo. - Carbohydr. Polym. 2020, Р. 247. - DOI: 10.1016/j.carbpol.2020.116681.
    44. Van Hung, P. Waxy and high-amylose wheat starches and flours-characteristics, functionality and application / P. Van Hung, T. Maeda and N. Morita. - Trends Food Sci. Technol. 17, 2006, рр. 448-456.
    45. Vineyard, M. L. Development of “Amylomaize”- Corn hybrids with high amylose starch: I. Genetic considerations / M. L. Vineyard, R. P. Bear, M. M. MacMasters, W. L Deatherage. - Agron. J. 1958, 50, р. 595-598.
    46. James, M. G. Characterization of the maize gene sugary1, a determinant of starch composition in kernels / M. G. James, D. S. Robertson and A. M. Myers. - Plant Cell, 1995, 7, 417-429.
    47. Changsheng, L. The genetic architecture of amylose biosynthesis in maize kernel / L. Changsheng, H. Yongcai, H.Ruidong, W. Yongrui and W. Wenqin // Plant Biotechnology Journal. 2017. - p. 1-8. - DOI: 10.1111/pbi.12821.
    48. Shang-Jing, LI Jia-Rui1. Analysis of Amylose Accumulation During Seed Development in Maize / LI Jia-Rui1 Shang-Jing, Wei-Hua QIAO, Xian-Sheng ZHANG // Acta Genetica Sinica. 33 (11), 2006, р. 1014-1019.
    49. Liu, F. The amylose extender mutant of maize conditions novel protein-protein interactions between starch biosynthetic enzymes in amyloplasts / F. Liu, A. Makhmoudova, E. A. Lee, R. Wait, M. J Emes, I. J. Tetlow // Journal of Experimental Botany 60, 2009, р. 4423-4440.
    50. Fushan, L. Allelic variants of the amylose extender mutation of maize demonstrate phenotypic variation in starch structure resulting from modified protein-protein interactions / L. Fushan, A. Zaheer A. L. Elizabeth, D. Elizabeth, L. Qiang, A. Regina, K. M. Matthew, J. E. Michael and J. T. Ian // Journal of Experimental Botany, Vol. 63, No. 3, 2012, pp. 1167-1183. - DOI:10.1093/jxb/err341.
    51. Campbell, M. R. Registration of maize germplasm line GEMS-0067 / M. R. Campbell, J. L. Jane, L. Pollak, M. Blanco, A. O'Brien //j. Plant Regist. 2007, 1, р. 60-61.
    52. Wu, Y. Genetic analysis of high amylose content in maize (Zea mays L.) using a triploid endosperm model / Y. Wu, M. Campbell, Y. Yen, Z. Wicks, A. Ibrahim. - Euphytica, 2009, 166, р. 155-164.
    53. Han, N. Breeding potential of maize germplasm line GEMS-0067 for high amylose proportion / N. Han, W. Li, C. Xie, F. Fu. - Preprints, 2021.
    54. Liu, D. In situ mapping of the effect of additional mutations on starch granule structure in amylose-extender (ae) maize kernels / D. Liu, N. Wellner, M. L. Parker, V. J. Morris, F. Cheng. - Carbohydr. Polym. 2015, 118, р. 199-208.

    Авторы:

    1. Канукова Кристина Руслановна, канд. с.-х. наук, науч. сотрудник, Федеральный научный центр «Кабардино-Балкарский научный центр Российской академии наук».
    2. Боготова Залина Ихсановна, канд. биол. наук, доцент, зав. лабораторией, Федеральный научный центр «Кабардино-Балкарский научный центр РАН»; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова».
    3. Хаудов Алий-Бек Данильбекович, науч. сотрудник, Федеральный научный центр «Кабардино-Балкарский научный центр Российской академии наук»; Филиал Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр «Кабардино-Балкарский научный центр Российской академии наук» ИСХ КБНЦ РАН.
    4. Архестова Дженет Хазреталиевна, аспирант, мл. науч. сотрудник, Филиал ФГБНУ «Федеральный научный центр «Кабардино-Балкарский научный центр Российской академии наук»; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет имени В.М. Кокова».
    5. Хагабанова Милана Мухамедовна, канд. с.-х. наук, доцент, Федеральный научный центр «Кабардино-Балкарский научный центр Российской академии наук».
    6. Белый Александр Иванович, канд. с.-х. наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина».

    © 2010-2021 ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина»

    Телефон: +7(861)244-32-47.

    Зарегистрирован Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия, свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-21434 от 30 июня 2005 г.