6. Генетика біохімічних ознак

Цукрова кукурудза відома в культурі давно. На відміну від зубовидної, у цукрової кукурудзи, що несе рецесивний ген su1, ендосперм зморшкуватий, прозорий. Дія гена Su1 запобігає перетворенню частини цукру в крохмаль, в результаті в ендоспермі нагромаджуються водорозчинні полісахариди, вміст крохмалю знижується. На основі цього мутанта створені лінії, гібриди і сорти цукрової кукурудзи. Цукрова кукурудза виділяється своїми смаковими якостями, у стадії молочно-воскової стиглості використовується у вигляді відварних качанів і як сировина для консервної промисловості.

Мутанти по гену sh2 мають сильно зморщений ендосперм, у них блокована первинна полімеризація цукрів, в результаті чого кількість цукрів підвищується до 21—32%. Найсильніший прояв гена відзначений на 25—39-й день після запилення. Зріле насіння містить цукрів в 10 разів більше, ніж насіння зубовидної. Поєднання генів su1 I sh2 в одному генотипі підвищує вміст цукрів при одночасному накопиченні водорозчинних полісахаридів. Але у генотипу su1 sh2 в порівнянні з генотипом su1 su1 спостерігається зниження водорозчинних полісахаридів. Це дало підставу визначити, що дія гена sh2 передує дії гена su1. Ген Sh2 контролює зверхцукристість. Мутанти по цьому гену — донори для отримання гібридів зверхцукрової кукурудзи.

Мутанти з геном sh1, мають зернівки із зморщеним ендоспермом, на верхівці або з боків утворюють вдавленість. Дія гена sh1 приводить до різкого зниження накопичення крохмалю. Тип зернівки мутантів по гену sh4 схожий з sh2, але ендосперм у них сильно редукований, непрозорий, різко понижений синтез крохмалю.

Відомі мутанти, у яких змінений не тільки кількісний, але і якісний склад крохмалю. Крохмаль ендосперма у зубовидної кукурудзи складається з амілопектина (72—75%) і амілози (25—28%). Описаний і вивчений мутант по гену wx1 (восковидна кукурудза), у якого крохмаль складається повністю з амілопектина -полісахариду з розгалуженим ланцюгом. Підвищений вміст амілози — полісахариду з простим нерозгалуженим ланцюгом, контролює декілька генів. Ген ae1 збільшує вміст амілози в крохмалі до 60%. Зернівка мутанта по гену ae1 має слабо зморшкувату поверхню, що робить її неблискучою. На основі мутантів ae1 отримані гібриди з високим виходом крохмалю і високим вмістом в ньому амілози, до 60%.

Дія гена su 2 змінює склад крохмалю, підвищуючи в ньому вміст амілози до 40%. Форми з геном su2 мають зернівки з ледве помітною зморшкуватістю на верхівці, на вигляд мало відмінні від зубовидної кукурудзи. Ген du1 підвищує вміст амілози до 35%. Зерно мас ледве помітну зморшкуватість і тьмяний непрозорий ендосперм. Форми кукурудзи з підвищеним вмістом амілози в крохмалі перспективні для промислового використовування у виробництві плівок і волокна.

Проводилися дослідження форм з різним поєднанням генів, що змінюють структуру ендосперма, велися пошуки генотипів з бажаним хімічним складом. Взаємодія генів su1 і du1 підвищує вміст амілози до 65%, але загальний вихід крохмалю дуже низький. Гомозиготні форми ae1 su2, ae1 du1 і ae1 su1 утворюють крохмаль, що містить 54, 57 і 60% амілози.

Відзначена висока негативна кореляція між виходом крохмалю і змістом амілози в крохмалі. Форми з трьома рецесивними генами du1su1su2 містять 73—77% амілози в крохмалі, але крохмалю утворюють мало — всього 9%. Поки не знайдені генотипи для безпосереднього практичного використовування. Необхідний пошук нових, здатних давати високий зміст амілози при відповідному виході крохмалю.

Якісний і кількісний склад білка кукурудзи

В зерні кукурудзи близько 20% білка доводиться на зародок і 80% — на ендосперм. У зародку сконцентрований збалансований по амінокислотному складу білок, в ендоспермі міститься основна частина білка, що включає повністю глютелін і зеїн. Останній є украй незбалансованим білком, в якому майже повністю відсутні лізин і триптофан. Через високий зміст зеїну (до 35—60%), майже повністю позбавленого цих незамінних амінокислот, біологічна цінність білка кукурудзи украй низька. В 100 г білка звичайних сортів кукурудзи міститься лізину 1,8—2,5%, триптофана 0,08—0,09%.

Кількість і якість білка генетично детермінована і відбір на високий і низький вміст білка в зерні кукурудзи ефективний. Так, після 70 поколінь відбору вміст білка в зерні досяг 26,6% (Іллінойська високобілкова лінія) і

4,4% (Іллінойська низькобілкова лінія). Кількість білка контролює велике число аддитивно діючих генів. Успадкування ознаки матроклинне: зернівки, що сформувалися на високобілковій рослині, подібно материнській рослині мають високий зміст білка; зерна, що розвинулися на низькобілковій рослині, містять білка так само мало, як і материнська рослина. Зерна гібрида, отримані в результаті схрещування Іллінойської високобілкової лінії (материнська рослина) з Іллінойською низькобілковою лінією (батьківська рослина), містили 23,1% білки, а у нащадків від реципрокного схрещування — тільки 10,9%. Отримані результати можна пояснити тим, що 80% білка сконцентровано в ендоспермі, який включає два набори генів материнської рослини і лише один набір батьківського.

Як показали дослідження, відбір на високий вміст білка не приводить до поліпшення його якісного складу. Як правило, білок низькобілкової кукурудзи володіє більш високою біологічною цінністю в порівнянні з високобілковими лініями. Якісний склад контролюється іншими генами.

Американськими ученими знайдена дія гена opaque 2 (о2), який змінює якісний склад білка, підвищуючи вміст в ньому незамінних амінокислот лізину (на 50—100%) і триптофану (на 40—60%). Це дало початок новому напряму в селекції кукурудзи — поліпшенню якості зерна, створенню високолізинової кукурудзи. Мутація о2 викликає в ендоспермі значні перерозподіли фракцій білка: в два-три рази зменшується фракція зеїну і відповідно зростають такі фракції, як глютелінова і, частково, альбумінова.

Схожу дію надає мутація fl2, яка викликає підвищення вмісту в білці таких незамінних амінокислот, як лізин і метіонін. Прояв дії гена fl 2 і гена о2 морфологічно схоже: контролюють тьмяний крохмалистий ендосперм. Ген fl2, на відміну від о2, є напівдомінантним, фенотип ендосперма визначає генотип жіночої рослини: fl2fl2fl2 fl2 або F12F12 F12 F12 — крохмалистий, F12F12fl2 fl2 або F12 fl2 fl2 fl2 — рогоподібний.

Багаторічні дослідження і здійснення селекційних програм по поліпшенню якості білка кукурудзи показали перевагу використання гена о2 в селекції високолізинової кукурудзи . Крім генів о2 і f12 відомі гени, що обумовлюють борошнисту консистенцію ендосперма: оі, о5—о7, о9—о13 і група дублікатних рецесивних факторів sen1 ~sen6. Ген wx1, описаний раніше, також обумовлює тьмяний матовий фенотип зерна.

З відомих генів, контролюючих крохмалисту консистенцію ендосперма, дія на амінокислотний склад білка, аналогічне генам о2 і fl2, надає ген о 7. В даний час досліджуються перспективи використовування цього гена в селекції на якість зерна. Але творці високолізинової кукурудзи зіткнулися з цілим рядом проблем. Так, борошниста структура ендосперма в порівнянні з рогоподібною має ряд недоліків: менша маса 1000 зерен, знижена стійкість до хвороб і шкідників, підвищена травматичність зерна, погіршення товарного виду зерна, зниження врожайності. Це стимулювало пошук генів-модифікаторів, обумовлюючих рогоподібний або мозаїчний ендосперм без зниження умісту лізину в білці.

Для поліпшення фізичних якостей високолізинова кукурудза використовує ген su2, який при взаємодії з геном о2 підвищує щільність зерна, а вміст лізину зберігається на рівні кукурудзи. Пошук мутацій, які істотно поліпшують структуру ендосперма, методом індукованого мутагенезу привів до виявлення зернівок з рогоподібною напівпрозорою структурою ендосперма, відмінних від зернівок звичайної кукурудзи різко вираженим контуром невеликого борошнистого шару, розташованого в самій нижній її частині. За вмістом лізину і біологічної цінності модифіковані зернівки близькі до стандартних аналогів, що містять ген о2. Генетичний аналіз показав, що ця ознака контролюється домінантним геном, не зчепленим з геном о2.