Новый подход к структурированию сортового разнообразия голозерных и пленчатых форм культурного овса (Avena sativa l.)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Структуризация и фенотипирование генетического разнообразия — важное направление работы с исходным и селекционным материалом. Предметом исследования выбраны биохимические признаки, выявляемые в ходе метаболомного анализа, проведенного с использованием газовой хроматографии с масс-спектрометрией. Объекты — зерна пленчатых (ПФ) и голозерных форм (ГФ) овса посевного (Avena sativa L.) из коллекции отдела генетических ресурсов овса, ржи, ячменя ВИР. Основная задача работы — выявление различий между формами овса на уровне метаболомных спектров. Полученные спектры отражают метаболическое состояние генотипов различного эколого-географического происхождения. Проведено сравнение по важнейшим группам метаболитов, имеющим важное значение для формирования признаков устойчивости к стрессорам, пищевых, лечебных, диетических достоинств зерновой продукции. В том числе внимание уделено биологически активным соединениям, определяющим функциональную ценность продукции для питания человека — фенольным соединениям и свободным аминокислотам. Доля фенольных соединений в метаболитном профиле ПФ выше таковых у ГФ. Установлены отличия метаболомных профилей ГФ и ПФ, которые подтверждены статистически. Выявлены образцы с наиболее оптимальным питательным составом для использования в пищевых целях и формирования устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам окружающей среды.

Об авторах

Игорь Градиславович Лоскутов

ФГБНУ «ФИЦ Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова»; ФГБУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет»

Автор, ответственный за переписку.
Email: i.loskutov@vir.nw.ru
ORCID iD: 0000-0002-9250-7225
SPIN-код: 2715-2082
Scopus Author ID: 8619012600
ResearcherId: D-5238-2013

д-р биол. наук, главный научный сотрудник, и. о. заведующего отделом генетических ресурсов овса, ржи, ячменя; профессор кафедры агрохимии

Россия, Санкт-Петербург

Татьяна Васильевна Шеленга

ФГБНУ «ФИЦ Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова»

Email: tatianashelenga@yandex.ru

канд. биол. наук, ведущий научный сотрудник отдела биохимии и молекулярной биологии

Россия, Санкт-Петербург

Алексей Васильевич Конарев

ФГБНУ «ФИЦ Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова»

Email: a.konarev@vir.nw.ru

д-р биол. наук, профессор, и. о. заведующего отделом биохимии и молекулярной биологии

Россия, Санкт-Петербург

Юлия Игоревна Варгач

ФГБНУ «Всероссийский селекционно-технологический институт садоводства и питомниководства»

Email: ulvargach@gmail.com

канд. с.-х. наук, младший научный сотрудник отдела генофонда

Россия, Москва

Елизавета Александровна Пороховинова

Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова (ВИР)

Email: e.porohovinova@mail.ru
SPIN-код: 5033-3263

канд. биол. наук, старший научный сотрудник отдела генетических ресурсов масличных и прядильных культур

Россия, Санкт-Петербург

Елена Владимировна Блинова

ФГБНУ «ФИЦ Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова»

Email: i.loskutov@vir.nw.ru

канд. с.-х. наук, старший научный сотрудник отдела генетических ресурсов овса, ржи, ячменя

Россия, Санкт-Петербург

Александр Александрович Гнутиков

ФГБНУ «ФИЦ Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова»

Email: alexandr2911@yandex.ru

канд. с.-х. наук, старший научный сотрудник отдела генетических ресурсов овса, ржи, ячменя

Россия, Санкт-Петербург

Александр Викентьевич Родионов

ФГБУН «Ботанический институт им. В.Л. Комарова» РАН; ФГБУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет»

Email: avrodionov@mail.ru

профессор, главный научный сотрудник, и. о. заведующего лабораторией биосистематики и цитологии; профессор

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Зеленская Я.Г., Лоскутов И.Г., Губарева Н.К., и др. Характеристика староместных форм овса посевного (Аvena sativa L.) из коллекции ВИР по полиморфизму авенина // Аграрная Россия. – 2004. – № 6. – С. 50–58. [Zelenskaya YaG, Loskutov IG, Gubareva NK, et al. Characteristic landraces of oat (Avena sativa L.) from VIR collection for avenins polymorphism. Agricultural Russia. 2004;(6):50-58. (In Russ.)]
  2. Вишнякова М.А. Милая и прекрасная Леночка. – СПб.: Серебряный век, 2007. – 150 с. [Vishhyakova MA. Milaya i prekrasnaya Lenochka. Saint Petersburg: Serebryanyy vek; 2007. 150 р. (In Russ.)]
  3. Лоскутов И.Г. История мировой коллекции генетических ресурсов растений в России. – СПб.: ГНЦ РФ ВИР, 2009. – 292 с. [Loskutov IG. The history of the world collection of plant genetic resources in Russia. Saint Petersburg: State scientific center of the Russian Federation all-Russian scientific center. – research. in-t of crop production. N.I. Vavilov; 2009. 292 p. (In Russ.)]
  4. Конарев А.В. Всероссийский НИИ растениеводства и его вклад в развитие сельскохозяйственной науки и селекции страны // Сельскохозяйственная биология. – 1994. – Т. 29. – № 3. – С. 3–31. [Konarev AV. Vserossiyskiy NII rasteniyevodstva i ego vklad v razvitiye sel’skokhozyaystvennoy nauki i selektsii strany. Soviet agricultural biology. 1994;29(3):3-31. (In Russ.)]
  5. Вавилов Н.И. Селекция как наука // Теоретические основы селекции растений. Т. I. – М.; Л.: Колос, ВИР, 1935. – C. 1–14. [Vavilov NI. Plant breeding as a science. In: Theoretical basis of plant breeding. Vol. I. Moscow; Leningrad: Kolos, VIR; 1935. P. 1-14. (In Russ.)]
  6. Loskutov IG, Shelenga TV, Konarev AV, et al. The metabolomic approach to the comparative analysis of wild and cultivated species of oats (Avena L.). Rus J Genet Appl Res. 2017;7(5):501-508. https://doi.org/10.1134/s2079059717050136.
  7. Лоскутов И.Г., Шеленга Т.В., Конарев А.В., и др. Биохимические аспекты взаимоотношений грибов и растений на примере фузариоза овса // Сельскохозяйственная биология. – 2019. – Т. 54. – № 3. – С. 575–588. [Loskutov IG, Shelenga TV, Konarev AV, et al. Biochemical aspects of interrelations between fungi and plants in the case study of Fusarium head blight in oats. Soviet agricultural biology. 2019;54(3):575-588. (In Russ.)]. doi: 10.15389/agrobiology.2019.3.575rus.
  8. Лохов П.Г., Арчаков А.И. Масс-спектрометрические методы в метаболомике // Биомедицинская химия. – 2008. – Т. 54. – № 5. – С. 497–511. [Lokhov PG, Archakov AI. Mass-spectrometric methods in metabolomics. Biomed Chem. 2008;54(5):497-511. (In Russ.)]
  9. Shulaev V, Cortes D, Miller G, et al. Metabolomics for plant stress response. Physiologia Рlantarum. 2008;132(2):199-208. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.2007.01025.x.
  10. Hollywood K, Brison DR, Goodacre R. Metabolomics: current technologies and future trends. Proteomics. 2006;6(17):4716-4723. https://doi.org/10.1002/pmic.200600106.
  11. Shulaev V. Metabolomics technology and bioinformatics. Brief Bioinform. 2006;7(2):128-139. https://doi.org/10.1093/bib/bbl012.
  12. Harrigan GG, Brackett DJ, Boros LG. Medicinal chemistry, metabolic profiling and drug target discovery: a role for metabolic profiling in reverse pharmacology and chemical genetics. Mini Rev Med Chem. 2005;5(1):13-20. https://doi.org/10.2174/1389557053402800.
  13. Афонников Д.А., Миронова В.В. Системная биология // Вавиловский журнал генетики и селекции. – 2014. – Т. 18. – № 1. – С. 175–192. [Afonnikov DA, Mironova VV. Systems biology. Vavilov journal of genetics and breeding. 2014;18(1): 175-192. (In Russ.)]
  14. Schauer N, Fernie AR. Plant metabolomics: towards biological function and mechanism. Trends Plant Sci. 2006;11(10):508-516. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2006.08.007.
  15. Langridge P, Fleury D. Making the most of ‘omics’ for crop breeding. Trends Biotechnol. 2011;29(1):33-40. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2010.09.006.
  16. Balmer D, Flors V, Glauser G, Mauch-Mani B. Metabolomics of cereals under biotic stress: current knowledge and techniques. Front Plant Sci. 2013;4:82. https://doi.org/10.3389/fpls.2013.00082.
  17. Смоликова Г.Н., Шаварда А.Л., Алексейчук И.В., и др. Mетаболомный подход к оценке сортовой специфичности семян Brassica napus L. // Вавиловский журнал генетики и селекции. – 2015. – Т. 19. – № 1. – С. 121–127. [Smolikova GN, Shavarda AL, Alekseichuk IV, et al. Metabolic approach to assessing the varietal specificity of seeds of Brassica napus L. Vavilov journal of genetics and breeding. 2015;19(1):121-127. (In Russ.)]
  18. Žilić S, Šukalović VH, Dodig D, et al. Antioxidant activity of small grain cereals caused by phenolics and lipid soluble antioxidants. J Cereal Sci. 2011;54(3):417-424. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2011.08.006.
  19. Björck I, Östman E, Kristensen M, et al. Cereal grains for nutrition and health benefits: Overview of results from in vitro, animal and human studies in the Healthgrain project. Trends Food Sci Technol. 2012;25(2): 87-100. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2011.11.005.
  20. Khakimov B, Bak S, Engelsen SB. High-throughput cereal metabolomics: current analytical technologies, challenges and perspectives. J Cereal Sci. 2014;59(3): 393-418. https://doi.org/10.1016/j.jcs.2013.10.002.
  21. Kokubo Y, Nishizaka M, Ube N, et al. Distribution of the tryptophan pathway-derived defensive secondary metabolites gramine and benzoxazinones in Poaceae. Biosci Biotechnol Biochem. 2017;81(3):431-440. https://doi.org/10.1080/09168451.2016.1256758.
  22. Fernie AR, Schauer N. Metabolomics-assisted breeding: a viable option for crop improvement? Trends Genet. 2009;25(1):39-48. https://doi.org/10.1016/j.tig.2008.10.010.
  23. Шеленга Т.В., Соловьева А.Е, Шаварда А.Л., и др. Исследование метаболома культур коллекции ВИР им. Н.И. Вавилова // Тезисы докладов международной научной конференции, посвященной 120-летию ВИР. – СПб., 2014. – С. 98. [Shelenga TV, Solov’yeva AE, Shavarda AL, et al. Research of metabolom of crops from N.I. Vavilov’s VIR collection. (Conference proceedings) Tezisy dokladov mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii, posvyashchennoy 120-letiyu VIR. Saint Petersburg; 2014. P. 98. (In Russ.)]
  24. Родионова Н.А., Солдатов В.Н., Мережко В.Е., и др. Овес. Культурная флора. Т. 2. Ч. 3. / Под ред. В.Д. Кобылянского, В.Н. Солдатова. – М.: Колос, 1994. – 367 с. [Rodionova NA, Soldatov VN, Merezhko VN, et al. Cultivated flora. Oats (Kulturnaya flora. Oves). Vol. 2, Part 3. Ed by V.D. Kobylyansky, V.N. Soldatov. Moscow: Kolos; 1994. 367 p. (In Russ.)]
  25. Лоскутов И.Г. Овес (Avena L.). Распространение, систематика, эволюция и селекционная ценность. – СПб.: ВИР, 2007. – 336 c. [Loskutov IG. Oat (Avena L.). Distribution, taxonomy, evolution and breeding value. Saint Petersburg: VIR; 2007. 336 p. (In Russ.)]
  26. Лоскутов И.Г. Разнообразие голозерных форм ячменя и овса и его использование в селекции // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. – 2009. – Т. 166. – С. 173–177. [Loskutov IG. Raznoobraziye golozernykh form yachmenya i ovsa i ego ispol’zovaniye v selektsii. Works on applied botany, genetics and plant breeding. 2009;166:173-177. (In Russ.)]
  27. Лоскутов И.Г., Ковалева О.Н., Блинова Е.В. Методические указания по изучению и сохранению мировой коллекции ячменя и овса. Изд. 4-е, доп. и перераб. – СПб.: ВИР, 2012. – 63 с. [Loskutov IG, Kovaleva ON, Blinova EV. Metodicheskiye ukazaniya po izucheniyu i sokhraneniyu mirovoy kollektsii yachmenya i ovsa. 4th revised and updated. Saint Petersburg: VIR; 2012. 63 р. (In Russ.)]
  28. StatSoft Inc. Electronic Statistics Textbook. Tulsa, OK: StatSoft; 2013. Available from: http://www.statsoft.com/textbook/.
  29. Section 20.4. The metabolism of glucose 6-phosphate by the pentose phosphate pathway is coordinated with glycolysis. In: Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. Biochemistry. 5th ed. New York; 2002. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22590/.
  30. Khakimov B, Jespersen BM, Engelsen SB. Comprehensive and comparative metabolomic profiling of wheat, barley, oat and rye using gas chromatography-mass spectrometry and advanced chemometrics. Foods. 2014;3(4): 569-585. https://doi.org/10.3390/foods3040569.
  31. Bailey PD, Bryans JS. Chiral synthesis of 5-hydroxy-(L)-pipecolic acids from (L)-glutamic acid. Tetrahedron Lett. 1988;29(18):2231-2234. https://doi.org/10.1016/s0040-4039(00)86719-2.
  32. Abeysekara S, Swaminathan S, Desai N, et al. The plant immunity inducer pipecolic acid accumulates in the xylem sap and leaves of soybean seedlings following Fusarium virguliforme infection. Plant Sci. 2016;243: 105-14. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2015.11.008.
  33. Sánchez-Martín JA, Heald JI, Kingston-Smith AL, et al. A metabolomic study in oats (Avena sativa) highlights a drought tolerance mechanism based upon salicylate signaling pathways and the modulation of carbon, antioxidant and photo-oxidative metabolism. Plant Cell Environ. 2015;38(7):1434-1452. https://doi.org/ 10.1111/pce.12501.
  34. Schenck CA, Maeda HA. Tyrosine biosynthesis, metabolism, and catabolism in plants. Phytochem. 2018;149:82-102. https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2018.02.003.
  35. Bhandari K, Nayyar H. Low temperature stress in plants: an overview of roles of cryoprotectants in defense. In: Physiological mechanisms and adaptation strategies in plants under changing environment. New York: Springer; 2014. P. 193-265. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-8591-9_9.
  36. Blanch M, Alvarez I, Sanchez-Ballesta MT, et al. Trisaccharides isomers, galactinol and osmotic imbalance associated with CO2 stress in strawberries. Postharvest Biol Technol. 2017;131:84-91. https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.2017.05.008.
  37. Kaur J, Bhatti DS, Goyal M. Influence of copper application on forage yield and quality of oats fodder in copper deficient soils. Indian J Anim Nutr. 2015;32:290-294.
  38. Bernardi J, Stagnati L, Lucini L, et al. Phenolic profile and susceptibility to Fusarium infection of pigmented maize cultivars. Front Plant Sci. 2018;9:1189. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01189.
  39. Pieterse CM, Poelman EH, van Wees SC, Dicke M. Induced plant responses to microbes and insects. Front Plant Sci. 2013;4:475. https://doi.org/10.3389/fpls.2013.00475.
  40. Seki M, Narusaka M, Ishida J, et al. Monitoring the expression profiles of 7000 Arabidopsis genes under drought, cold and high-salinity stresses using a full-length cDNAmicroarray. Plant J. 2002;31(3):279-292. https://doi.org/10.1046/j. 1365-313x.2002.01359.x.
  41. Vidigal DS, Willems L, Arkel J, et al. Galactinol as marker for seed longevity. Plant Sci. 2016;246:112-118. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2016.02.015.
  42. Lahiri A, Chatterjee MA, Ghosh K, Majee M. Diversification and evolution of L-myo-inositol 1-phosphate synthase. FEBS Lett. 2003;553(1-2):3-10. https://doi.org/10.1016/s0014-5793(03)00974-8.
  43. Шарова Е.И. Антиоксиданты растений. – СПб.: изд-во СПб. ГУ, 2016. – C. 102–118. [Sharova EI. Antioxidants of plants. Saint Petersburg: izd-vo SPb. GU. 2016. Р. 102–118. (In Russ.)]
  44. Cuperlovic-Culf M, Rajagopalan NK, Tulpan D, Loewen MC. Metabolomics and cheminformatics analysis of antifungal function of plant metabolites. Metabolites. 2016;6(4):31. https://doi.org/10.3390/metabo6040031.
  45. Yandeau-Nelson MD, Lauter N, Zabotina OA. Advances in metabolomic applications in plant genetics and breeding. CAB Rev. 2015;10(40):1-17. https://doi.org/10.1079/pavsnnr201510040.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Основные группы метаболитов зерновок пленчатого и голозерного овса в процентах (±0,95 доверительный интервал) от суммарного содержания всех идентифицированных веществ

Скачать (114KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение изученных соединений и образцов овса в системе двух факторов: a — вещества, факторы 1 и 2; b — образцы, факторы 1 и 2; c — вещества, факторы 3 и 4; d — образцы, факторы 3 и 4

Скачать (226KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Количество соединений, характерных для метаболитных профилей зерновок голозерных и пленчатых форм Avena sativa L.

Скачать (131KB)
Метаданные

© Лоскутов И.Г., Шеленга Т.В., Конарев А.В., Варгач Ю.И., Пороховинова Е.А., Блинова Е.В., Гнутиков А.А., Родионов А.В., 2020

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.
 


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах