Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ВАРИАНТЫ ГЛИАДИНА И КОЛИЧЕСТВО ДИСУЛЬФИДНЫХ СВЯЗЕЙ В БЕЛКОВОМ КОМПЛЕКСЕ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ

Нецветаев В.П. 1 Копусь М.М. 2 Рыжкова Т.А. 1
1 ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет»
2 ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт зерновых культур им. И.Г. Калиненко Россельхозакадемии»
Исследованы варианты глиадина, контролируемые хромосомами 1A, 1B, 1D, 6A, 6B, 6D в селекционном материале озимой мягкой пшеницы ГНУ Белгородский НИИСХ Россельхозакадемии урожая и влияние их на количество дисульфидных связей белкового комплекса муки. В 2008 году, близком по метеорологическим показателям вегетационного периода к средним многолетним для Белгородской области, обнаружена дифференциация образцов по агрегирующей способности белков. Установлено, что присутствие белков ржи в зерне пшеницы значительно уменьшало число дисульфидных связей между полипептидами и ухудшало физические свойства клейковины. Образованию наибольшего числа дисульфидных связей белкового комплекса среди изученных образцов мягкой пшеницы способствовали следующие генетические факторы, ответственные за синтез глиадинов: Gld 1A2. 1B1. 1D1. 6A3. 6B7. 6D2. Различия между вариантами белков, контролируемых 6 гомеологичной группой хромосом, по числу дисульфидных связей были незначительны.
агрегирующая способность
дисульфидные связи
глиадины
запасные белки
мягкая пшеница
1. Козуб Н. А. Ржаные транслокации у некоторых сортов озимой мягкой пшеницы / Н. А. Козуб, И. А. Созинов, Т. А. Собко, О. С. Дедкова, Е. Д. Бадаева, В.П. Нецветаев // Сельскохозяйственная биология. – 2012. – № 3. – С. 68–74.
2. Козуб Н. А. Сорта мягкой пшеницы украинской и российской селекции с геном устойчивости к стеблевой ржавчине Sr 1RSAmigo. / Н. А. Козуб, И. А. Созинов, Т. А. Собко, В. Т. Колючий, В. А. Власенко, В. П. Нецветаев // Управление продукционным процессом в агротехнологиях 21 века: реальность и перспективы (Матер. Международ. научно-практ. конф. 15–16 июля 2010 – Белгородский НИИСХ). – Белгород: Отчий край, 2010. – С. 222–225.
3. Нецветаев В. П. Методы седиментации и оценка качества клейковины мягкой пшеницы / В. П. Нецветаев, О. В. Лютенко, Л. С. Пащенко, И. И. Попкова // Научные ведомости БГУ (Серия естественные науки). – Белгород:БГУ. – 2009. – № 11 (66). – Вып. 9/1. – С. 56-64.
4. Нецветаев В. П. Новые подходы к оценке качества зерна озимой мягкой пшеницы / В. П. Нецветаев, О. В. Лютенко, Л. С. Пащенко, И. И. Попкова // Белгордский Агромир. – 2010. –№ 1 (54). – С. 27–29.
5. Нецветаев В. П. Оценка качества зерна мягкой пшеницы SDS-седиментацией / В. П. Нецветаев, О. В. Лютенко, Л. С. Пащенко, И. И. Попкова // Сельскохозяйственная биология. – 2010. – № 3. – С. 63–70.
6. Созинов А. А. Методические рекомендации по оценке качества зерна / А. А. Созинов, Н. И. Блохин, И. И. Василенко, С. С. Синицин, В. И. Комаров, Н. Д. Тарасенко, Б. Е. Кравцова. – М.: Артес, 1977. – 130 с.
7. Созинов А. А., Попереля Ф. А. Методика вертикального дискового электрофореза белков в крахмальном геле // Информационный бюллетень СЭВ. – Прага, 1974. – Вып. 1. – С. 135–144.
8. Kozub N. A. Variation at storage protein loci in winter common wheat cultivars of the Central Forest-Steppe of Ukraine / N. A. Kozub, I. A. Sozinov, T. A. Sobko, V. T. Kolyuchii, S. V. Kurtsov, A. A. Sozinov // Цитология и генетика. – 2009. – Т. 43. – № 1. – С. 69–77.
9. Payne P. I, Holt L. M., Jackson E. A., Law C. N. Wheat storage protein: their genetics and their potential for manipulation by plant breeding/ Phil. Trans. R. Soc. Lond. – 1984. – P. 359-371.
10. Попереля Ф. О. Три основнi генетичнi системи якостϊ зерна озимоϊ м’якоϊ пшеницi // Реалiзация потенцiйних можливостей сортiв та гибридiв селекцийно-генетичного институту в умовах Украϊни, Зб. Наук. праць СГI. – Одеса, 1996. – С. 117–132.

Введение

Исследования генетики запасных белков пшеницы и связь их с качеством муки показало, что на качество влияют как глютелины, так и глиадины зерна [9, 10]. Это основные белковые компоненты эндосперма, формирующие качество выпечки за счет создания белкового каркаса, поддерживающего ее форму. В агрегации белкового комплекса участвуют различные связи. В то же время, не все из них одинаково важны для формирования качества. Так, водородные связи, участвующие в агрегации белков теста, при нагревании разрушаются и, соответственно, мало влияют на форму конечного продукта. В этом отношении большего внимания заслуживают дисульфидные связи, обладающие достаточной стабильностью при высокой температуре.

Целью работы было исследовать влияние вариантов глиадинов на образование дисульфидных связей в белковом комплексе муки пшеницы и определить аллели глиадинкодирующих локусов с положительным вкладом в их формирование.

Материал и методы исследования

Исследовались сорта и селекционные формы мягкой пшеницы конкурсного испытания ГНУ Белгородского НИИСХ Россельхозакадемии урожая 2008 года. По климатическим характеристикам этот год был близок к среднемноголетним для Белгородской области [4]. Данные условия наиболее благоприятны для дифференциации технологических особенностей между образцами пшеницы [3–5].

Электрофорез глиадинов эндосперма зерновки выполнялся в ГНУ ВНИИС и ЗК Россельхозакадемии (Зерноград) в крахмальном геле с использованием алюминий лактатного буфера рН 3,1 по методике Созинова и Поперели [7]. Идентификацию аллелей глиадинкодирующих локусов вели в соответствии с символикой обозначения Поперели [10].

Число дисульфидных связей в белковом комплексе зерна определялось с помощью показателей седиментации муки 30 % выхода в соответствии с прописью Нецветаева и др. [3, 5]. Количество дисульфидных связей навески муки относили на процент сухой клейковины данного образца. Индекс деформации клейковины (ИДК) определяли на приборе ИДК-1 в соответствии с инструкцией [6].

Выборки из конкурного испытания для сравнения формировали в соответствии с данными электрофоретического анализа. Оценку существенности различий между полученными выборками вели по критерию Стьюдента.

Результаты и обсуждение

Ранее показано [3–5], что оценка количества дисульфидных связей белкового комплекса муки отражает физические свойства клейковины зерна пшеницы. Так, в 2008 году корреляция между индексом деформации клейковины (ИДК) и числом дисульфидных связей белкового комплекса составила –0,46 (n=74, p>0,999). Следовательно, в этом году показатель ИДК на 21 % определялся степенью агрегации белков с помощью -S-S- связей. Очевидно, другие связи также играли определенную роль в формировании физических свойств клейковины. Стандартный показатель седиментации, по Пумпянскому-Созинову [6], не обнаружил существенной связи с величиной ИДК (r=-0,11; n=74; p<0,95) [3-5]. В то же время SDS седиментация показала значимую корреляцию с ИДК клейковины (r=-0,32; n=74; p>0,99), что может свидетельствовать о сопряженности в 2008 году данного показателя с физическими свойствами клейковины на уровне 10 %.

Известно, что качество муки зависит от компонентного состава запасных белков эндосперма пшеницы [9, 10]. Предыдущие исследования [3, 5] показали, что число дисульфидных связей связано с вариантами глиадина. В связи с этим, были исследованы варианты глиадина в образцах зерна, некоторые из которых представлены на рис. 1.

Рис. 1 . Электрофореграммы глиадина сортов А) Богданка (1), Уни 1 (2-3), 6/08 (4), 8/08 (5), 13/08 (6-7); Б) Синтетик (1-3) и № 95/08 (4-5)

Это позволило оценить вклад аллелей локусов, контролирующих синтез глиадинов, в формирование межцепочечных -S-S- связей. Для этого провели группировку образцов (табл.) в соответствии с вариантами белков, контролируемых соответствующими аллелями 6 локусов, и оценили средние значения по числу дисульфидных связей.

Таблица

Оценка вклада аллелей глиадинкодирующих локусов (или тесно сцепленных с ними генов) на уровень формирования –S-S-связей белкового комплекса эндосперма

Символы аллелей Gld локусов

Количество образцов

Количество межмолекулярных дисульфидных связей, усл. ед.

Отклонение от средней (+), мл/%(сух.клейк)

Хромосома 1А

А2

20

4,40 + 0,31

+0,95

А3

10

3,36 + 0,57

-0,09

А4

28

3,04 + 0,36

-0,41

А12

5

3,06 + 1,16

-0,39

А17

4

2,35 + 0,63

-1,1

Среднее

Σ67

3,45

-

Хромосома 1В

В1

53

3,91 + 0.23

+0,46

В3

8

0,78 + 0,64

-2,67

В4

3

2,54 + 0.85

-0,91

Среднее

Σ 64

3,45

-

Хромосома 1D

D1

11

3,94 + 0,41

+0,58

D2

10

3,82 + 0,52

+0,46

D4

10

3,07 + 0,71

-0,29

D5

29

3,02 + 0,34

-0,34

D7

4

3,84 + 1,04

+0,46

Среднее

Σ 64

3,36

-

Хромосома 6А

6А1

8

3,19 + 0,49

- 0,25

6А3

59

3,49 + 0,26

+ 0,04

Среднее

Σ 67

3,45

-

Хромосома 6В

6В1

31

3,18 + 0,38

- 0,27

6В2

36

3,69 + 0,29

+ 024

Среднее

Σ 67

3,45

-

Хромосома 6D

6D1

38

3,41 + 0,33

- 0,04

6D2

29

3,55 + 0,33

+ 0,10

Среднее

Σ 67

3,45

-

Как видно, варианты пептидов, контролируемые разными аллелями, обладают не одинаковой способностью к межмолекулярной агрегации в белковый комплекс с помощью дисульфидных связей. Так, например, если вариант GLD 1A2, контролируемый аллелем Gld 1A2 хромосомы 1А, связан с положительным эффектом в образовании дисульфидных связей, то альтернативный вариант пептидов GLD 1A17, контролируемый аллелем Gld 1A17 (рис. 1), приводит к негативному влиянию на агрегацию пептидов. Различия по эффекту образования дисульфидных связей белкового комплекса между этими вариантами существенны (рис. 2, t=2,1; n=24; p>0.99). Характерно, что вариант GLD 1A17 связан с интрогрессией в геном пшеницы генетического материала от ржи [2]. Этот вариант известен также под символом GLI A1w (аллель Gli-A1w), согласно обозначению Kozub et al. [8].

Подобными эффектами обладают также варианты пептидов, контролируемые другими локусами. Так, если вариант GLD 1B1, контролируемый аллелем Gld 1B1 локуса Gld 1B расположенного в коротком плече хромосомы 1В определяет положительное влияние на образование дисульфидных связей в белковом комплексе зерна (табл., рис. 2), то вариант GLD 1B3, обусловленный альтернативным аллелем Gld 1B3, приводит к негативному эффекту.

Хромосома 1А

←--------------- 2,1** --------------→

←------1,3 ------→ ←------ 0,8 ------→

←-- 1,0-→ ←- 0,3 -→ ←-0,1-→ ←--0,7--→

А2 (4,4) ≥ A3 (3,4) ≥ A12 (3,1) = A4 (3,0) ≥ A17 (2,35)

←------ 0,4------→

←------------1,4 ----------→

←---------- 1,1----------→

Хромосома 1В

←------3,1***------→

B1 (3,9) ≥ B4 (2,5) ≥ B3 (0,8)

←-- 1,4-→ ←-- 1,7-→

Хромосома 1D

←--------------- 0,9 -------------→

←------0,1 ------→ ←----- 0,8 -----→

←-- 0,1-→ ←- 0,0-→ ←-0,7-→ ←--0,1--→

D1 (3,9) = D7 (3,8) = D2 (3,8) ≥ D4 (3,1) = D5 (3,0)

←------ 0,7 ------→

←-----------0,8-----------→

←----------0,8----------→

Хромосома 6А

А3 (3,5) ≥ A1 (3,2)

←- 0,3 -→

Хромосома 6В

B2 (3,7) ≥ B1 (3,2)

←- 0,5 -→

Хромосома 6D

D2 (3,6) = D1 (3,4)

←- 0,2 -→

Рис. 2. Вклад аллелей в уровень содержания межмолекулярных дисульфидных связей белкового комплекса, мл/% (сух.клейк) (различия существенны при уровнях значимости: * - 95%, ** - 99%, *** - 99,9% для критерия t)

Различия по вкладу в формирование -S-S- связей в 2008 году между этими вариантами белков были существенны (рис. 2; t=3,1; n=61, p>0,999). Следует отметить, что в этом случае негативный эффект на агрегацию был также связан с транслокацией от ржи, но в хромосому 1В [1]. Генетический фактор Gld 1B3, контролирующий ржаной вариант пептидов GLD 1B3 (рис.1), расположен в транслоцированном от ржи участке хромосомы 1В.

Различия по вкладу аллелей локуса Gld 1D в формирование дисульфидных связей белкового комплекса менее значимы (табл., рис. 2). Еще меньшее влияние на агрегацию белков оказывали глиадинкодирующие аллели локусов, расположенных в шестых группах сцепления (табл., рис. 2).

Характерно, что близкие генотипы по Gld-локусам с наличием активных аллелей по 1D хромосоме: Gld 1A2.1B1.1D5.6A3.6B2.6D2 (n = 3) и Gld 1A2.1B1.1D2.6A3.6B2.6D2 (n = 3) в среднем характеризовались наличием межмолекулярных дисульфидных связей в 4,44+0,26; и 4,39+0,10 усл. ед. Следовательно, они практически не отличались между собой. В то же время генотип с аллелями Gld 1A2.1B1.1D0.6A3.6B2.6D2 (рис. 1, 2–3 дорожки), имевший неактивный аллель – gld 1D0 в 1D хромосоме, приводил к увеличению этих связей в белковом комплексе зерна до 7,38 усл. ед. Характерно, что глиадины, контролируемые 1D хромосомой, не образуют межмолекулярных дисульфидных связей, так как добавление в экстрагирующий раствор восстановителей (β-мерпатоэтанола или дитиотриитола) не изменяет подвижности полипептидов этих глиадинов при электрофорезе и не увеличивает их эктрагируемости. Это свидетельствует об отсутствии цистеиновых остатков у этих белков, которые могли бы участвовать в агрегации полипептидов за счет межмолекулярных связей. Интересно, что в данном случае активизировалась активность аллеля Gld 1B1 в виде увеличения интенсивности полипептидов GLD 1B1 (рис. 1). Реакция этих белков на β-мерпатоэтанол свидетельствует о наличие у них дисульфидных связей.

Таким образом, присутствие глиадинов GLD 1D привело к уменьшению результирующего количества дисульфидных связей в белковом комплексе муки на 2,96 усл. ед. или на треть.

Вегетационный период 2009 г. отличался засушливыми условиями во время формирования и созревания зерна, что способствовало укреплению клейковины. В результате генотип с аллелями Gld 1A2.1B1.1D0.6A3.6B2.6D2 по наличию межмолекулярных дисульфидных связей характеризовался величиной в 6,25 усл. ед., а формы с аллелями Gld 1A2.1B1.1D5.6A3.6B2.6D2, соответственно, - 5,43+0,83 усл. ед. Следовательно, в условиях, способствующих формированию межмолекулярных пептидных агрегатов, отсутствие глиадинов GLD 1D привело лишь к 15 % увеличению количества дисульфидных связей. Это свидетельствует о том, что наиболее эффективно тестировать белковый комплекс эндосперма на количество дисульфидных связей в годы менее благоприятные для формирования высококачественной клейковины.

Оценка физических свойств клейковины между контрастными по количеству дисульфидных связей белкового комплекса образцами в 2008 году показала, что генотипы с аллелем Gld 1B3 (n=8) имели более высокий индекс деформации клейковины (ИДК) по сравнению с генотипами, несущими аллель Gld 1B1 (n=52). Так, носители аллеля Gld 1B3 по этому показателю характеризовались величиной ИДК в 92,0+1,9 ед., а образцы, c альтернативным аллелем Gld 1B1, имели ИДК, равный 78,9+1,2 ед. Различия существенны при p>0,999 (n=60, t=4,94). Следовательно, генотипы, несущие вариант ржаного белка GLD 1B3 (рис. 2), имели более слабую клейковину по сравнению с пшеничными вариантами, что обусловлено слабой агрегацией между ржаными и пшеничными пептидами. Подобная картина наблюдалась с генотипами, несущими ржаной вариант белка GLD 1A17 (рис. 1), контролируемый глиадинкодирующим локусом в транслокации от ржи в коротком плече хромосомы 1А.

Выводы

Таким образом, вариантный состав запасных белков эндосперма пшеницы определяет способность полипептидов агрегироваться с помощью дисульфидных связей. Степень агрегации белков формирует вязкость клейковины (индекс деформации), что определяет ее качество. Установлено, что присутствие белков ржи в зерне пшеницы уменьшает число дисульфидных связей между полипептидами и ухудшает физические свойства клейковины. Наибольшему числу образования дисульфидных связей белкового комплекса среди изученных образцов мягкой пшеницы способствовали следующие генетические факторы, ответственные за синтез глиадинов: Gld 1A2. 1B1. 1D1. 6A3. 6B7. 6D2.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы. Соглашение №14.132.21.1323.

Рецензенты:

Сорокопудов В. Н., д.с.-х.н., профессор, профессор кафедры фармацевтической химии и фармакогнозии ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г. Белгород.

Смирнова Л. Г., д.б.н., профессор, заведующая лабораторией адаптивного растениеводства и агроэкологии ГНУ «Белгородский НИИСХ Россельхозакадемии», г. Белгород.


Библиографическая ссылка

Нецветаев В.П., Копусь М.М., Рыжкова Т.А. ВАРИАНТЫ ГЛИАДИНА И КОЛИЧЕСТВО ДИСУЛЬФИДНЫХ СВЯЗЕЙ В БЕЛКОВОМ КОМПЛЕКСЕ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=10351 (дата обращения: 07.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074