Реализация генетического потенциала сортов мягкой пшеницы под влиянием условий внешней среды: современные возможности улучшения качества зерна и хлебопекарной продукции (обзор)

Автор: Хлесткина Е.К., Журавлева Е.В., Пшеничникова Т.А., Усенко Н.И., Морозова Е.В., Осипова С.В., Пермякова М.Д., Афонников Д.А., Отмахова Ю.С.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Зерновые: генетический потенциал, селекционное улучшение, агробиотехнологии

Статья в выпуске: 3 т.52, 2017 года.

Бесплатный доступ

Анализ современного состояния отечественного рынка хлебобулочной продукции, предпринятый в настоящем междисциплинарном исследовании, показывает, что объемы производства хлеба уменьшаются, а качество изделий ухудшается. Среди причин этого следует выделить низкие технологические характеристики муки, что негативно влияет на реологические свойства теста. На предприятиях для корректировки качества муки все чаще применяют химические улучшители. Они повышают технологичность процесса, но в то же время утрачивается традиционный вкус и изменяются свойства хлеба, что отрицательно сказывается на его потреблении. Альтернативный подход к решению проблемы - естественное улучшение исходных характеристик муки благодаря реализации генетического потенциала сортов мягкой пшеницы. В последние годы накоплены данные, которые позволили существенно продвинуться в понимании сложного взаимодействия систем и механизмов, лежащих в основе формирования свойств зерна и определяющих количество и качество производимой из него муки. Неотъемлемой компонентой здесь выступают экологические факторы, под влиянием которых модулируются физиологические и биохимические процессы и изменяется реализация генетической информации. В статье обобщены сведения об эффекте различных средовых факторов на технологические свойства муки и теста и описаны возможности IT-сопровождения селекционного процесса, облегчающие оценку количественных признаков и учет взаимосвязи между генотипом, фенотипом и условиями внешней среды. Обсуждаются достижения в идентификации генетических факторов, влияющих на технологические свойства муки и теста, и источники полезных вариантов этих генов. Отмечено значение озимой мягкой пшеницы для повышения производства высококачественного зерна. Приведены результаты поиска доноров полезных генов среди стародавних сортов яровой мягкой пшеницы, в частности выделены сорта с высоким содержанием сырой клейковины (Тарская 2 - 43,8 %, Аленькая - 40,9 %) и высокой эластичностью теста. Уделено внимание использованию данных о влиянии генетических и средовых факторов на формирование технологических свойств муки и теста в селекции. Обоснована необходимость получения сортов с генетически детерминированной высокой силой муки как натурального улучшителя слабой муки взамен применяемых химических добавок. Эти меры важны для расширения как внутреннего зернового рынка, так и его экспортного потенциала.

Еще

Пшеница, хлеб, качество, технологические свойства муки, внутренний и экспортный потенциал, генетические, биохимические и физиологические механизмы формирования признаков качества, экологические факторы, днк-маркеры, биоинформатика, селекция

Короткий адрес: https://sciup.org/142213805

IDR: 142213805 | DOI: 10.15389/agrobiology.2017.3.501rus

Список литературы Реализация генетического потенциала сортов мягкой пшеницы под влиянием условий внешней среды: современные возможности улучшения качества зерна и хлебопекарной продукции (обзор)

Усенко Н.И., Позняковский В.М., Отмахова Ю.С. Структурные и качественные трансформации на рынке хлеба (анализ современного состояния и проблем развития). ЭКО (Всероссийский экономический журнал), 2016, 1: 109-124.
Хлесткина Е.К., Пшеничникова Т.А., Усенко Н.И., Отмахова Ю.С. Перспективные возможности использования молекулярно-генетических подходов для управления технологическими свойствами зерна пшеницы в контексте цепочки «зерно-мука-хлеб». Вавиловский журнал генетики и селекции, 2016, 20(4): 511-527 ( ) DOI: 10.18699/VJ15.140
Розмаинский И.И. Почему «развитие капитализма» сопровождается ухудшением качества товаров? Terra Economicus, 2011, 9(1): 8-16.
Эксперты Красноярского ЦСМ сняли с рейтинговой оценки 40 процентов исследованных образцов хлеба. Режим доступа: http://www.prodnadzor.info/news/chast-hleba-snjali-s-proverki-eksperty-soobshhili-kakoj-hleb-kachestvennyj.html. Дата обращения: 01.10.2016.
Российский статистический ежегодник. М., 2014.
Россия в цифрах. M., 2015.
Прогноз структуры посевных площадей (2016). Режим доступа: http://www.mcx.ru/documents/document/v7_show/34609. Дата обращения: 01.10.2016.
Государственный реестр охраняемых селекционных достижений. М., 2016.
Krupnova O.V. A comparison of grain quality in spring and winter wheats associated with market classes (review). Agricultural Biology, 2013, 1: 15-25 ( ) DOI: 10.15389/agrobiology.2013.1.15eng
Темпы роста. 2014. Режим доступа: http://mcx.ru/news/news/show/31716.355.htm. Дата обращения: 25.03.2017.
Сандухадзе Б.И., Кочетыгов В.Г., Рыбакова М.И., Бугрова В.В., Коровушкина М.С., Гусева Н.Ю., Морозов А.А., Сандухадзе Э.К. Особенности селекционного улучшения озимой пшеницы в центре Нечерноземья. Зернобобовые и крупяные культуры, 2013, 2(6): 19-23.
Афонников Д.А., Генаев М.А., Дорошков А.В., Комышев Е.Г., Пшеничникова Т.А. Методы высокопроизводительного фенотипирования растений для массовых селекционно-генетических экспериментов. Генетика, 2016, 52(7): 788-803 ( ) DOI: 10.7868/S001667581607002X
Huang M., Wang Q.G., Zhu Q.B., Qin J.W., Huang G. Review of seed quality and safety tests using optical sensing technologies. Seed Sci. Technol., 2015, 43(3): 337-366 ( ) DOI: 10.15258/sst.2015.43.3.16
Tanabata T., Shibaya T., Hori K., Ebana K., Yano M. Smart Grain: high-throughput phenotyping software for measuring seed shape through image analysis. Plant Physiol., 2012, 160(4): 1871-1880 ( ) DOI: 10.1104/pp.112.205120
Smykalova I., Grillo O., Bjelkova M., Pavelek M., Venora G. Phenotypic evaluation of flax seeds by image analysis. Ind. Crop. Prod., 2013, 47: 232-238 ( ) DOI: 10.1016/j.indcrop.2013.03.001
Yang X., Wang L., Zhou X., Shuang S., Zhu Z., Li N., Li Y., Liu F., Liu S., Lu P., Ren G., Dong C. Determination of protein, fat, starch, and amino acids in foxtail millet Setaria italica (L.) Beauv. by Fourier transform near-infrared reflectance spectroscopy. Food Sci. Biotechnol., 2013, 22: 1495-1500 ( ) DOI: 10.1007/s10068-013-0243-1
Armstrong P.R., Tallada J.G., Hurburgh C., Hildebrand D.F., Specht J.E. Development of single-seed near-infrared spectroscopic predictions of corn and soybean constituents using bulk reference values and mean spectra. Transactions of the ASABE, 2011, 54: 1529-1535 ( ) DOI: 10.13031/2013.39012
Singh C.B., Jayas D.S., Paliwal J., White N.D.G. Fungal damage detection in wheat using shortwave near-infrared hyperspectral and digital colour imaging. International Journal of Food Properties, 2012, 15: 11-24 ( ) DOI: 10.1080/10942911003687223
Shahin M.A., Symons S.J., Hatcher D.W. Quantification of mildew damage in soft red winter wheat based on spectral characteristics of bulk samples: A comparison of visible-near-infrared imaging and near-infrared spectroscopy. Food Bioprocess Technol., 2014, 7: 224-234 ( ) DOI: 10.1007/s11947-012-1046-8
Duan L., Yang W., Huang C., Liu Q. A novel machine-vision-based facility for the automatic evaluation of yield-related traits in rice. Plant Methods, 2011, 7(1): 1-13 ( ) DOI: 10.1186/1746-4811-7-44
Munns R., James R.A., Sirault X.R., Furbank R.T., Jones H.G. New phenotyping methods for screening wheat and barley for beneficial responses to water deficit. J. Exp. Bot., 2010, 61(13): 3499-3507 ( ) DOI: 10.1093/jxb/erq199
Fehér-Juhász E., Majer P., Sass L., Lantos C., Csiszár J., Turóczy Z., Mihály R., Mai A., Horváth G.V., Vass I., Dudits D., Pauk J. Phenotyping shows improved physiological traits and seed yield of transgenic wheat plants expressing the alfalfa aldose reductase under permanent drought stress. Acta Physiologiae Plantarum, 2014, 36(3): 663-673 ( ) DOI: 10.1007/s11738-013-1445-0
Gonzalez-Dugo V., Hernandez P., Solis I., Zarco-Tejada P.J. Using high-resolution hyperspectral and thermal airborne imagery to assess physiological condition in the context of wheat phenotyping. Remote Sens., 2015, 7(10): 13586-13605 ( ) DOI: 10.3390/rs71013586
Lopes M.S., Rebetzke G.J., Reynolds M. Integration of phenotyping and genetic platforms for a better understanding of wheat performance under drought. J. Exp. Bot., 2014, 65(21): 6167-6177 ( ) DOI: 10.1093/jxb/eru384
Nuttall J.G., O'Leary G.J., Panozzo J.F., Walker C.K., Barlow K.M., Fitzgerald G.J. Models of grain quality in wheat -a review. Field Crop Res., 2017, 202: 136-145 ( ) DOI: 10.1016/j.fcr.2015.12.011
DuPont F.M., Hurkman W.J., Tanaka C.K., Chan R. BiP, HSP70, NDK and PDI in wheat endosperm. I. Accumulation of mRNA and protein during grain development. Physiologia Plantarum, 1998, 103: 70-79.
Farooq M., Bramley H., Palta J.A., Siddique K.H.M. Heat stress in wheat during reproductive and grain-filling phases. Crit. Rev. Plant Sci., 2011, 30: 1-17 ( ) DOI: 10.1080/07352689.2011.615687
Hurkman W.J., Vensel W.H., Tanaka C.K., Whitehand L., Altenbach S.B. Effect of high temperature on albumin and globulin accumulation in the endosperm proteome of the developing wheat grain. J. Cereal Sci., 2009, 49: 12-23 ( ) DOI: 10.1016/j.jcs.2008.06.014
Blumenthal C.S., Barlow E.W.R., Wrigley C.W. Growth environment and wheat quality: the effect of heat stress on dough properties and gluten proteins. J. Cereal Sci., 1993, 18: 3-21.
Blumenthal C.S., Stone P.J., Gras P.W., Bekes F., Clarke B., Barlow E.W.R., Appels R., Wrigley C.W. Heat-shock protein 70 and dough-quality changes resulting from heat stress during grain filling in wheat. Cereal Chem., 1998, 75: 43-50.
Hawkesford M.J. Reducing the reliance on nitrogen fertilizer for wheat production. J. Cereal Sci., 2014, 59: 276-283 ( ) DOI: 10.1016/j.jcs.2013.12.001
Peltonen J., Virtonen A. Effect of nitrogen fertilizers differing in release characteristics on the quantity of storage proteins in wheat. Cereal Chem., 1994, 71: 1-5.
Thomason W.E., Phillips S.B., Pridgen T.H., Kenner J.C., Griffey C.A., Beahm B.R., Seabourn B.W. Managing nitrogen and sulfur fertilization for improved bread wheat quality in humid environments. Cereal Chem., 2007, 84: 450-462 ( ) DOI: 10.1094/CCHEM-84-5-0450
Xue Ch., Schulte auf'm Erley G., Rossmann A., Schuster R., Koehler P., Mühling K.-H. Split nitrogen application improves wheat baking quality by influencing protein composition rather than concentration. Front. Plant Sci., 2016, 7: 738 ( ) DOI: 10.3389/fpls.2016.00738
Massoudifar O., Kodjouri F.D., Mohammadi G.N., Mirhadi M.J. Effect of nitrogen fertilizer levels and irrigation on quality characteristics in bread wheat (Triticum aestivum L.). Archives of Agronomy and Soil Science, 2014, 60: 925-934 ( ) DOI: 10.1080/03650340.2013.856004
Guarda G., Padovan S., Delogu G. Grain yield, nitrogen-use efficiency and baking quality of old and modern Italian bread-wheat cultivars grown at different nitrogen levels. Eur. J. Agron., 2004, 21: 181-192 ( ) DOI: 10.1016/j.eja.2003.08.001
Skerrit J.H., Lew P.H., Castle S.L. Accumulation of gliadin and glutenin polypeptides during development of normal and Sulphur-deficient wheat seed: Analysis using specific monoclonal antibodies. J. Exp. Bot., 1988, 39(203): 723-737.
Shewry P.R., Tatham A.S. Disulfide bonds in wheat gluten protein. J. Cereal Sci., 1997, 25: 135-146.
Erekul O., Götz K.-P., Koca Y.O. Effect of sulphur and nitrogen fertilization on bread-making quality of wheat (Triticum aestivum L.) varieties under Mediterranean climate conditions. J. Appl. Bot. Food Qual., 2012, 85: 17-22.
Shahsavani S., Gholami A. Effect of sulfur fertilization on breadmaking quality of three winter wheat varieties. Pakistan Journal of Biological Sciences, 2008, 11: 2134-2138.
Järvan M., Edesi L., Adamson A., Lukme L., Akk A. The effect of sulphur fertilization on yield, quality of protein and baking properties of winter wheat. Agronomy Research, 2008, 6(2): 459-469.
Stepien A., Wojtkowiak K. Effect of foliar application of Cu, Zn, and Mn on yield and quality indicators of winter wheat grain. Chilean J. Agric. Res., 2016, 76(2): 220-227 ( ) DOI: 10.4067/S0718-58392016000200012
Kimball B.A., Morris C.F., Pinter P.J., Wall G.W., Hunsaker D.J., Adamsen F.J., LaMorte R.L., Leavitt S.W., Thompson T.L., Matthias A.D., Brooks T.J. Elevated CO2, drought and soil nitrogen effects on wheat grain quality. New Phytologist, 2001, 150: 295-303.
Högy P., Wieser H., Köhler P., Schwadorf K., Breuer J., Franzaring J., Muntifering R., Fangmeier A. Effects of elevated CO2 on grain yield and quality of wheat: results from a three-year FACE experiment. Plant Biol., 2009, 11(Suppl. 1): 60-69 ( ) DOI: 10.1111/j.1438-8677.2009.00230.x
Fernando N., Panozzo J., Tausz M., Norton R., Fitzgerald G., Khan A., Seneweera S. Rising CO2 concentration altered wheat grain proteome and flour rheological characteristics. Food Chem., 2015, 170: 448-454.
Högy P., Zörb C., Langenkämper G., Betsche T., Fangmeier A. Atmospheric CO2 enrichment changes the wheat grain proteome. J. Cereal Sci., 2009, 50(2): 248-254 ( ) DOI: 10.1016/j.jcs.2009.06.002
MacRitchie F. Evaluation of contributions from wheat protein fractions to dough mixing and bread making. J. Cereal Sci., 1987, 6: 259-268 ( ) DOI: 10.1016/S0733-5210(87)80063-2
MacRitchie F., Kasarda D.D., Kuzmicky D.D. Characterization of wheat protein fractions differing in contributions to bread-making quality. Cereal Chem., 1991, 68: 122-130.
Uthayakumaran S., Newberry M., Keentok M., Stoddard F.L., Bekes F. Basic rheology of bread dough with modified protein content and glutenin-to-gliadin ratio. Cereal Chem., 2000, 77: 744-749 ( ) DOI: 10.1094/CCHEM.2000.77.6.744-749
Wieser H., Manderscheid R., Erbs M., Weigel H.J. Effects of elevated atmospheric CO2 concentrations on the quantitative protein composition of wheat grains. J. Agr. Food Chem., 2008, 56(15): 6531-6535.
Panozzo J.F., Eagles H.A., Wootton M. Changes in protein composition during grain development in wheat. Aust. J. Agr. Res., 2001, 52(4): 485-493.
Fernando N., Panozzo J., Tausz M., Norton R., Fitzgerald G., Seneweera S. Rising atmospheric CO2 concentration affects mineral nutrient and protein concentration of wheat grain. Food Chem., 2012, 133(4): 1307-1311 ( ) DOI: 10.1016/j.foodchem.2012.01.105
Taub D.R., Miller B., Allen H. Effects of elevated CO2 on the protein concentration of food crops: a meta-analysis. Glob. Change Biol., 2008, 14: 565-575.
Shewry P.R., Underwood C., Wan Y., Lovegrove A., Bhandan D., Toole G., Mills C.E.N., Dehyer K., Mitchell R.A.C. Storage product synthesis and accumulation in developing grains of wheat. J. Cereal Sci., 2009, 50: 106-112 ( ) DOI: 10.1016/j.jcs.2009.03.009
Lemelin E., Branlard G., Salvo L., Lein V., Aussenac T., Dayde J. Breadmaking stability of wheat flour: Relation between mixing properties and molecular weight distribution of polymeric glutenins. J. Cereal Sci., 2005, 42(3): 317-326.
Takemoto Y., Coughlan S.J., Okita T.W., Satoh H., Ogawa M., Kumamaru T. The rice mutant esp2 greatly accumulates the glutelin precursor and deletes the protein disulfide isomerase. Plant Physiol., 2002, 128(4): 1212-1222 ( ) DOI: 10.1104/pp.010624
Koh A., Nishimura K., Urade R. Relationship between endogenous protein disulfide isomerase family proteins and glutenin macropolymer. J. Agric. Food Chem., 2010, 58(24): 12970-12975 ( ) DOI: 10.1021/jf103347p
Li X., Wu Y., Zhang D.Z., Gillikin J.W., Boston R.S., Franceschi V.R., Okita T.W. Rice prolamin protein body biogenesis: a BiP-mediated process. Science, 1993, 262: 1054-1056.
Осипова С.В., Пермяков А.В., Митрофанова Т.Н., Дударева Л.В., Труфанов В.А. Характеристика тиол:протеиндисульфидоксидоредуктазы из зерна пшеницы Тriticum aestivum L. Биохимия, 2005, 70(8): 1130-1136.
Osipova S.V., Permyakov A.V., Mitrofanova T.N., Trufanov V.A., Ermakova M.F., Chistyakova A.K., Pshenichnikova T.A. GSH-dependent protein disulfide oxidoreductase of wheat grain: activity in maturing wheat kernels and relationship with rheological properties of dough. Cereal Res. Commun., 2007, 35(3): 1477-1486 ( ) DOI: 10.1556/CRC.35.2007.3.12
Пшеничникова Т.А., Осипова С.В., Пермякова М.Д., Митрофанова Т.Н., Лохвассер У., Рёдер М., Бёрнер А. Картирование локусов коли-чественных признаков (QTL), ассоциированных с активностью дисульфидредуктазы и липоксигеназы в зерне мягкой пшеницы Triticum aestivum L. Генетика, 2008, 44(5): 654-662.
Rhazi L., Cazalis R., Lemelin E., Aussenac Y. Changes in the glutathione thiol-disulfide status during wheat grain development. Plant Physiol. Bioch., 2003, 41: 895-902 ( ) DOI: 10.1016/S0981-9428(03)00134-7
Li W., Tsiami A.A., Bollecker S.S., Schofield J.D. Glutathione and related thiol compounds. II. The importance of protein bound glutathione and related protein-bound compounds in gluten proteins. J. Cereal Sci., 2004, 39: 213-224 ( ) DOI: 10.1016/j.jcs.2003.08.003
Пермякова М.Д., Труфанов В.А., Пшеничникова Т.А., Ермакова М.Ф. Роль липоксигеназы в определении качества зерна пшеницы. Прикладная биохимия и микробиология, 2010, 46(1): 96-102.
Пермякова М.Д., Пермяков А.В., Осипова С.В., Пшеничникова Т.А., Шишпарёнок А.А., Рудиковская Е.Г., Рудиковский А.В, Верхотуров В.В., Бёрнер А. Хромосомные области, ассоциированные с активностью липоксигеназы в геноме D Triticum aestivum L. при водном дефиците. Физиология растений, 2017, 64(1): 1-14 ( ) DOI: 10.7868/S0015330317010110
Law C.N., Young C.F., Brown J.W.S., Snape J.W., Worland A.J. The study of grain protein control in wheat using whole chromosome substitution lines. In: Seed protein improvement by nuclear techniques. International Atomic Energy Agency, Vienna, Austria, 1978: 483-502.
Morris C.F., DeMacon V.L., Giroux M.J. Wheat grain hardness among chromosome 5D homozygous recombinant substitution lines using different methods of measurement. Cereal Chem., 1999, 76(2): 249-254 ( ) DOI: 10.1094/CCHEM.1999.76.2.249
Zhang Y., Liang Z., Zong Y., Wang Y., Liu J., Chen K., Qiu J.-L., Gao C. Efficient and transgene-free genome editing in wheat through transient expression of CRISPR/Cas9 DNA or RNA. Nature Communications, 2016, 7: 1261 ( ) DOI: 10.1038/ncomms12617
Veronico P., Giannino D., Melillo M.T., Leone A., Reyes A., Kennedy M.W., Bleve-Zacheo T. A novel lipoxygenase in pea roots. Its function in wounding and biotic stress. Plant Physiol., 2006, 141(3): 1045-1055 ( ) DOI: 10.1104/pp.106.081679
Пермякова М.Д., Пермяков А.В., Осипова С.В., Пшеничникова Т.А. Липоксигеназа листьев пшеницы, выращенной в условиях разного водообеспечения. Прикладная биохимия и микробиология, 2012, 48: 1-6.
Петрова Л.Н., Ерошенко Ф.В. Структурная организация фотосинтетического аппарат и качество зерна озимой пшеницы. Научный журнал КубГАУ, 2006, 24(8): 1-10.
Law C.N., Bhandari D.G., Salmon S.E., Greenwell P.W., Foot I.M., Cauvain S.P., Sayers E.J., Worland A.J. Novel genes on chromosome 3A influencing bread making quality in wheat, including a new gene for loaf volume, Lvl 1. J. Cereal Sci., 2005, 41: 317-326 ( ) DOI: 10.1016/j.jcs.2004.11.003
Furtado A., Bundock P.C., Banks P.M., Fox G., Yin X., Henry R.J. A novel highly differentially expressed gene in wheat endosperm associated with bread quality. Scientific Reports, 2015, 5: 10446 ( ) DOI: 10.1038/srep10446
Guzmán C., Xiao Y., Crossa J., González-Santoyo H., Huerta J., Singh R., Dreisigacker S. Sources of the highly expressed wheat bread making (wbm) gene in CIMMYT spring wheat germplasm and its effect on processing and bread-making quality. Euphytica, 2016, 209: 689-692 ( ) DOI: 10.1007/s10681-016-1659-5
Митрофанова О.П., Хакимова А.Г. Новые генетические ресурсы в селекции пшеницы на увеличение содержания белка в зерне. Вавиловский журнал генетики и селекции, 2016, 20(4): 545-554 ( ) DOI: 10.18699/VJ16.177
Hagel I. Sulfur and baking-quality of bread making wheat. Landbauforschung Völkenrode, 2005, Special Issue 283: 23-36.
Morozova E.V., Pshenichnikova T.A., Simonov A.V., Shchukina L.V., Chistyakova A.K., Khlestkina E.K. A comparative study of grain and flour quality parameters among Russian bread wheat cultivars developed in different historical periods and their association with certain molecular markers. Proc. 16th Int. EWAC Conf. (24-29 May, 2015, Lublin, Poland). European Cereal Genetics Co-operative (EWAC) Newsletter (Gatersleben), 2016, 16: 49-56.
Короткова А.М., Герасимова С.В., Шумный В.К., Хлесткина Е.К. Гены сельскохозяйственных растений, модифицированные с помощью системы CRISPR/Cas. Вавиловский журнал генетики и селекции, 2017, 21(2): 250-258 ( ) DOI: 10.18699/VJ17.244

Еще

Статья обзорная