Вісник НАН України. 2017. № 3. С. 55-66
https://doi.org/10.15407/visn2017.03.054
МОРГУН Володимир Васильович –
академік НАН України, академік-секретар Відділення загальної біології НАН України
РИБАЛКА Олександр Ілліч –
академік Академії аграрних наук Франції, завідувач відділу генетичних основ селекції Селекційно-генетичного інституту – Національного центру насіннєзнавства та сортовивчення НААН України, старший науковий співробітник лабораторії якості зерна Інституту фізіології рослин і генетики НАН України
Стратегія генетичного поліпшення зернових злаків з метою забезпечення продовольчої безпеки, лікувально-профілактичного харчування та потреб переробної промисловості
У статті викладено результати вивчення і впровадження в програми селекційно-генетичних досліджень нових генів і генетичних систем, що впливають на біохімічні, харчові і технологічні властивості зерна пшениці, тритикале і ячменю з метою створення сортів цих культур продовольчого та спеціального технологічного використання зерна.
Ключові слова: запасні білки зерна, послідовність амінокислот, еле-ктрофорез, ПЛР, функціональні та молекулярні маркери хромосом, хлібопекарська і харчова якість зерна, QTL-фактор Gpc-B1, амілоза, хромосомні транслокації, екстраекспресія генів, ферментабельність, β-глюкани, сорти.
Україна є провідною країною на світовому ринку зерна з потенціалом експорту, що перевищує 40 млн тонн. Як один із лідерів світового зернового експорту наша держава відіграватиме планетарно значущу роль у забезпеченні їжею і зерновою сировиною постійно зростаючого населення Землі, чисельність якого, за прогнозом, до 2050 р. становитиме 9,1 млрд, а потреба в їжі збільшиться на 70%. За оцінками Продовольчої та сільськогосподарської організації ООН (ФАО), щорічне виробництво зернових має зрости до 3 млрд т проти сьогоднішніх 2,1 млрд т [1, 2]. З огляду на це стратегічним завданням агросектору України залишається підвищення продуктивності ключових для національного землеробства сільськогосподарських культур пшениці, кукурудзи та ячменю і поліпшення якості зернової продукції. У здійсненні цього завдання вирішальну роль відіграватимуть новітні сорти і гібриди зернових культур, створені шляхом селекції на основі сучасних генетичних впроваджень.
Якщо в період від 50-х років минулого і до початку нинішнього століття завдяки зусиллям селекціонерів щорічний приріст урожаю пшениці, наприклад в успішній Франції, становив 0,5 ц/га, то нині він суттєво сповільнився. Це свідчить про необхідність інтенсифікації селекції через розширення генетичного різноманіття і впровадження в селекційний процес новітніх досягнень геноміки, протеоміки і метаболоміки, ГМ-технологій, TILLING-технології цілеспрямованих мутацій, CRISPR/Cas-системи редагування геномів, DArT-системи молекулярних маркерів у селекції тощо. Традиційна селекція трансформується сьогодні у МАS-селекцію, або молекулярну селекцію на основі молекулярних маркерів, з широким застосуванням QTLs (локуси кількісних ознак) для контролю комплексу полігенних ознак, з якими переважно працює селекціонер.
Сучасні генні технології в селекції потребують великих фінансових ресурсів, яких сьогодні в Україні бракує. Бюджет окремої вітчизняної селекційної науково-дослідної установи в рази менший, ніж відповідних інституцій на Заході, що не дозволяє на належному рівні виконувати орієнтовані на селекцію високотехнологічні генетичні дослідження. В умовах фінансової скрути єдиним виходом для українських учених залишається кооперація між спорідненими установами в Україні і за кордоном. Матеріали спільних перспективних генетичних досліджень, спрямованих на створення новітніх сортів зернових культур найближчого майбутнього, представлено у цій публікації.
Поряд з урожаєм питанням номер один у селекції зернових культур є якість зерна. Ця складна ознака цілком залежить від біохімічного складу білків і крохмалю зерна, масова частка яких у зернових культурах становить 12–15% і 65–75% відповідно, тобто основну масу зерна. Білкова маса зерна хлібопекарської пшениці крім водо/солерозчинної (15–20%) містить дві інші фракції – мономерні гліадини (40–45%) та високополімерні глютеніни (35–40%), що становлять клас запасних (за їх біологічною функцією) або клейковинних (за їх технологічним використанням) білків. Клейковинні білки утворюють клейковину (35–40% білка + 60–65% води), унікальні реологічні властивості якої визначають хлібопекарську якість пшеничного борошна [3, 4].
У сучасній селекції знання генетичного контролю біосинтезу клейковинних білків пшениці є основою цілеспрямованого поліпшення хлібопекарської якості борошна. Перші пріоритетні цитогенетичні дослідження у цьому напрямі було виконано у Селекційно-генетичному інституті (керівник – академік НАН України О.О. Созінов) з використанням гібридологічного, моносомного і телосомного аналізів. У результаті було встановлено, що генетичний контроль біосинтезу клейковинних білків – гліадинів (найбільш генетично поліморфні білки пшениці) у сортів пшениці здійснюється локусами Gli-1 та Gli-2 у коротких плечах хромосом гомологічних груп 1 і 6 відповідно (рис. 1). Кожний з цих локусів має серію алелів, представлених групою тісно зчеплених при спадкуванні білкових компонентів. Вплив цих алелів на якість клейковини різний: від різко негативного до сильного позитивного.