Улучшение питательных свойств зернового сорго на основе методов современной генетики и биотехнологии

Представлен обзор работ по использованию методов генетической инженерии и геномного редактирования для улучшения питательной ценности зерна сорго. За последние 5-7 лет в результате экспериментов, выполненных несколькими группами исследователей, созданы трансгенные линии, несущие генетические конструкции для РНК-сайленсинга разных подклассов кафиринов (проламинов зерна сорго). В экспериментах по геномному редактированию с использованием системы CRISPR/Cas9 получены мутанты с делециями и инсерциями в сигнальной последовательности гена, кодируюшего 22 кДа α-кафирин сорго. Такие линии и мутанты характеризуются улучшенной перевариваемостью белков зерна в системе in vitro, измененной ультраструктурой белковых телец и повышенным содержанием лизина. РНК-сайленсинг α-кафирина повышал перевариваемость белков сырой муки, а также муки, подвергшейся кипячению, тогда как сайленсинг γ-кафирина приводил к улучшению перевариваемости белков только сырой муки. Зерновки линий с сайленсингом α-кафирина имеют мучнистый тип эндосперма, что снижает их ценность для прямого коммерческого использования поскольку рыхлый мучнистый эндосперм уменьшает механическую прочность зерновок и способствует их контаминации микрофлорой; однако эти линии могут быть использованы в качестве доноров высокой перевариваемости запасных белков при скрещивании с линиями сорго, адаптированными к местным условиям, для улучшения их питательной ценности. Зерновки линий с сайленсингом γ-кафирина характеризуются разными типами эндосперма: мучнистым, стекловидным или модифицированным типом с вкраплениями стекловидного эндосперма в мучнистый. Этот факт указывает на возможность получения агрономически-ценных линий сорго с высокой перевариваемостью кафиринов и твердым эндоспермом. Повышенное содержание лизина в зерновках линий сорго с подавленным синтезом кафиринов может быть связано с балансировкой уровня белка в эндосперме за счет синтеза других белков, в том числе, с более высоким содержанием незаменимых аминокислот. Наряду с улучшением перевариваемости кафиринов, генно-инженерный подход позволил создать линии сорго с увеличенным содержанием в зерне провитамина А и его повышенной стабильностью при хранении. Результаты работ свидетельствуют о перспективности использования методов РНК-интерференции и геномного редактирования для создания линий сорго с улучшенной питательной ценностью зерна.

кафирины, РНК-сайленсинг, геномное редактирование, перевариваемость белка in vitro, эндосперм, Sorghum bicolor (L.) Moench

1. Bean S.R., Ioerger B.P., Wilson J.D., Tilley M., Rhodes D., Herald T.J. Structure and chemistry of sorghum grain. In: Rooney W. (ed.). Achieving sustainable cultivation of sorghum. Vol. 2. Sorghum utilization around the world. Cambridge, UK: Burleigh Dodds Science Publishing Limited; 2018. p.3-29. DOI: 10.19103/as.2017.0015.21

2. Belide S., Vanhercke T., Petrie J.R., Singh S.P. Robust genetic transformation of sorghum (Sorghum bicolor L.) using differentiating embryogenic callus induced from immature embryos. Plant Methods. 2017;13:109. DOI: 10.1186/s13007-017-0260-9

3. Belton P.S., Delgadillo I., Halford N.G., Shewry P.R. Kafirin structure and functionality. Journal of Cereal Science. 2006;44:272-286. DOI: 10.1016/j.jcs.2006.05.004

4. Che P., Zhao Z.-Y., Glassman K. et al. Elevated vitamin E content improves all-trans β-carotene accumulation and stability in biofortified sorghum. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2016;113:11040-11045. DOI: 10.1073/pnas.1605689113

5. Che P., Anand A., Wu E., Sander J.D., Simon M.K., Zhu W., et al. Developing a flexible, high-efficiency Agrobacterium-mediated sorghum transformation system with broad application. Plant Biotechnology J. 2018;16:1388–1395. DOI: 10.1111/pbi.12879

6. Chiquito-Almanza E., Ochoa-Zarzosa A., Lуpez-Meza J.E., PecinaQuintero V., Nuñez-Colín C.A., Anaya-López J.L. A new allele of γ-kafirin gene coding for a protein with high lysine content in Mexican white sorghum germplasm. Journal of the Science of Food and Agriculture. 2016;96(10):3342-3350. DOI: 10.1002/jsfa.7513

7. Cremer J.E., Bean S.R., Tilley M.M., Ioerger B.P., Ohm J.B., Kaufman R.C. et al. Grain Sorghum Proteomics: Integrated Approach toward Characterization of Endosperm Storage Proteins in Kafirin Allelic Variants. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2014;62:9819-9831. DOI: 10.1021/jf5022847

8. De Mesa-Stonestreet N.J., Alavi S., Bean S.R. Sorghum proteins: the concentration, isolation, modification, and food applications of kafirins. Journal of Food Science. 2010;75:90-104. DOI: 10.1111/j.1750-3841.2010.01623.x

9. Da Silva L.S. Transgenic sorghum: Effects of altered kafirin synthesis on kafirin polymerisation, protein quality, protein body structure and endosperm texture [PhD Thesis]. South Africa: University of Pretoria, Department of Food Science, Faculty of Natural and Agricultural Sciences; 2012. 144 p.

10. Da Silva L.S., Jung R., Zhao Z.-Y., Glassman K., Taylor J., Taylor J.R. Effect of suppressing the synthesis of different kafirin sub-classes on grain endosperm texture, protein body structure and protein nutritional quality in improved sorghum lines. Journal of Cereal Science. 2011;54:160-167. DOI: 10.1016/j.jcs.2011.04.009

11. Elkonin L.A., Pakhomova N.V. Influence of nitrogen and phosphorus on induction embryogenic callus of sorghum. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 2000;61:115-123. DOI: 10.1023/A:1006472418218

12. Эльконин Л.А., Доманина И.В., Итальянская Ю.В. Генетическая инженерия как инструмент модификации состава запасных белков и улучшения питательной ценности зерна злаков. Сельскохозяйственная биология. 2016a;51(1):17-30. DOI: 10.15389/agrobiology.2016.1.17rus

13. Elkonin L.A., Italianskaya J.V., Domanina I.V., Selivanov N.Y., Rakitin A.L., Ravin N.V. Transgenic sorghum with improved digestibility of storage proteins obtained by Agrobacteriummediated transformation. Russian Journal of Plant Physiology. 2016b;63:678-689. DOI: 10.1134/S1021443716050046

14. Эльконин Л.А., Итальянская Ю.В. Перевариваемость in vitro запасных белков эндосперма трансгенных растений сорго, несущих генетическую конструкцию для сайленсинга гена гамма-кафирина. Успехи современного естествознания. 2017;12:96-100. DOI: 10.17513/use.36612

15. Ezeogu L.I., Duodu K.G., Taylor J.R.N. Effects of endosperm texture and cooking conditions on the in vitro starch digestibility of sorghum and maize flours. Journal of Cereal Science. 2005;42:33-44. DOI: 10.1016/j.jcs.2005.02.002

16. Godwin I.D., Williams S.B., Pandit P.S., Laidlaw H.K.C. Multifunctional grains for the future: genetic engineering for enhanced and novel cereal quality. In Vitro Cellular and Developmental Biology - Plant. 2009;45:383-399. DOI: 10.1007/s11627-008-9175-5

17. Grootboom A.W., Mkhonza N.L., Mbambo Z., O’Kennedy M.M., da Silva L.S., Taylor J. et al. Co-suppression of synthesis of major α-kafirin sub-class together with γ-kafirin-1 and γ-kafirin-2 required for substantially improved protein digestibility in transgenic sorghum. Plant Cell Reports. 2014;33:521-537. DOI: 10.1007/s00299-013-1556-5.

18. Hansen J., Sato M., Ruedy R., Lo K., Lea D.W., Medina-Elizade M. Global temperature change. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006;103:14288-14293. DOI:10.1073/pnas.0606291103

19. Henley E.C., Taylor J.R.N., Obukosia S.D. The Importance of Dietary Protein in Human Health: Combating Protein Deficiency in Sub-Saharan Africa through Transgenic Biofortified Sorghum. In: Taylor S.L. (ed.) Advances in Food and Nutrition Research. Burlington, USA: Academic Press, 2010; Vol.60. p.21-52. DOI: 10.1016/S1043-4526(10)60002-2

20. Huang S., Frizzi A., Florida C.A., Kruger D.E., Luethy M.H. High lysine and high tryptophan transgenic maize resulting from the reduction of both 19- and 22-kD α-zeins. Plant Molecular Biology. 2006;61:525-535. DOI: 10.1007/s11103-006-0027-6.

21. Kawakatsu T., Hirose S., Yasuda H., Takaiwa F. Reducing rice seed storage protein accumulation leads to changes in nutrient quality and storage organelle formation. Plant Physiology. 2010;154:1842-1854. DOI: 10.1104/pp.110.164343

22. Kuluev B.R., Gumerova G.R., Mikhaylova E.V., Gerashchenkov G.A., Rozhnova N.A., Vershinina Z.R. et al. Delivery of CRISPR/Cas components into higher plant cells for genome editing. Russian Journal of Plant Physiology. 2019;66(5):694-706. DOI: 10.1134/S102144371905011X

23. Kumar T., Dweikat I., Sato S., Ge Z., Nersesian N., Chen H. et al. Modulation of kernel storage proteins in grain sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench). Plant Biotechnology Journal. 2012;10:533-544. DOI: 10.1111/j.1467-7652.2012.00685.x

24. Laidlaw H.K.C., Mace E.S., Williams S.B., Sakrewski K., Mudge A.M., Prentis P.J. et al. Allelic variation of the beta-, gammaand delta-kafirin genes in diverse Sorghum genotypes. Theoretical and Applied Genetics. 2010;121(7):1227-1237. DOI: 10.1007/s00122-010-1383-9

25. Li A., Jia S., Yobi A., Ge Z., Sato S.J., Zhang C. et al. Editing of an alpha-kafirin gene family increases digestibility and protein quality in sorghum. Plant Physiology. 2018;177(4):1425-1438. DOI: 10.1104/pp.18.00200

26. Lowe K., Wu E., Wang N., Hoerster G., Hastings C., Cho M.-J. et al. Morphogenic regulators Baby boom and Wuschel improve monocot transformation. Plant Cell. 2016;28:1998–2015. DOI: 10.1105/tpc.16.00124

27. Mookkan M., Nelson-Vasilchik K., Hague J., Zhang Z.J., Kausch A.P. Selectable marker independent transformation of recalcitrant maize inbred B73 and sorghum P898012 mediated by morphogenic regulators BABY BOOM and WUSCHEL2. Plant Cell Reports. 2017;36:1477–1491. DOI: 10.1007/s00299-017-2169-1

28. Mehlo L., Mbambo Z., Bado S., Lin J., Moagi S.M., Buthelezi S. et al. Induced protein polymorphisms and nutritional quality of gamma irradiation mutants of sorghum. Mutation Research 2013;749(1-2):66-72. DOI: 10.1016/j.mrfmmm.2013.05.002

29. Mudge S.R., Campbell B.C., Mustapha N.B., Godwin I.D. Genomic Approaches for Improving Grain Quality of Sorghum. In: Rakshit S., Wang Y.-H. (eds.). The Sorghum Genome. Springer International Publishing AG; 2016. p.189-205. DOI: 10.1007/978-3-319-47789-3_10

30. Nirwan R.S., Kothari S.L. High copper levels improve callus induction and plant regeneration in Sorghum bicolor (L.) Moench. In Vitro Cellular and Developmental Biology – Plant. 2003;39:161–164. DOI: 10.1079/IVP2002385

31. Oria M.P., Hamaker B.R., Shull J.M. Resistance of sorghum α-, β- and γ-kafirins to pepsin digestion. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 1995;43(8):2148-2153.

32. Oria M.P., Hamaker B.R., Axtell J.D., Huang C.P. A highly digestible sorghum mutant cultivar exhibits a unique folded structure of endosperm protein bodies. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2000;97:5065-5070. DOI: 10.1073/pnas.080076297

33. Reichel M., Li J., Millar A.A. Silencing the silencer: strategies to inhibit microRNA activity. Biotechnology Letters. 2011;33(7): 1285-1292. DOI: 10.1007/s10529-011-0590-z

34. Schmidt M.A., Barbazuk W.B., Sandford M., May G., Song Z., Zhou W. et al. Silencing of soybean seed storage proteins results in a rebalanced protein composition preserving seed protein content without major collateral changes in the metabolome and transcriptome. Plant Physiology. 2011;156(1):330-345. DOI: 10.1104/pp.111.173807

35. Shewry P.R. Improving the protein content and composition of cereal grain. Journal of Cereal Science. 2007;46(3):239-250. DOI: 10.1016/j.jcs.2007.06.006

36. Tesso T., Ejeta G., Chandrashekar A., Huang C.-P., Tandjung A., Lewamy M. et al. A novel modified endosperm texture in a mutant high-protein digestibility/high-lysine grain sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench). Cereal Chemistry. 2006;83:194-201. DOI: 10.1094/CC-83-0194

37. Tuttle J.R., Idris A.M., Brown J.K., Haigler C.H., Robertson D. Geminivirus-Mediated Gene Silencing from Cotton Leaf Crumple Virus Is Enhanced by Low Temperature in Cotton. Plant Physiology. 2008;148(1):41-50. DOI: 10.1104/pp.108.123869

38. Von Born P., Bernardo-Faura M., Rubio-Somoza I. An artificial miRNA system reveals that relative contribution of translational inhibition to miRNA-mediated regulation depends on environmental and developmental factors in Arabidopsis thaliana. PLoS ONE. 2018;13(2):e0192984. DOI: 10.1371/journal.pone.0192984

39. Weaver C.A., Hamaker B.R., Axtell J.D. Discovery of grain sorghum germplasm with high uncooked and cooked in vitro protein digestibility. Cereal Chemistry. 1998;75:665-670.

40. Wong J.H., Lau T., Cai N., Singh J., Pedersen J.F., Vensel W.H. et al. Digestibility of protein and starch from sorghum (Sorghum bicolor) is linked to biochemical and structural features of grain endosperm. Journal of Cereal Science. 2009;49:73-82. DOI: 10.1016/j.jcs.2008.07.013

41. Wu Y., Messing J. Proteome balancing of the maize seed for higher nutritional value. Front Plant Sci. 2014;5:240. DOI: 10.3389/fpls.2014.00240

42. Wu Y., Yuan L., Guo X., Holding D.R., Messing J. Mutation in the seed storage protein kafirin creates a high-value food trait in sorghum. Nature Communications. 2013;4:2217. DOI: 10.1038/ncomms3217

43. Xing H.L., Dong L., Wang Z.P., Zhang H.Y., Han C.Y., Liu B. et al. A CRISPR/Cas9 toolkit for multiplex genome editing in plants // BMC Plant Biology. 2014;14:327. DOI: 10.1186/s12870-014-0327-y

44. Xu K., Ren C., Liu Z., Zhang T., Zhang T., Li D. et al. Efficient genome engineering in eukaryotes using Cas9 from Streptococcus thermophiles. Cellular and Molecular Life Sciences. 2015;72:383-399. DOI: 10.1007/s00018-014-1679-z

45. Zhang G., Hamaker B.R. Low α-amylase starch digestibility of cooked sorghum flours and the effect of protein. Cereal Chemistry 1998;75:710-713. DOI: 10.1094/CCHEM.1998.75.5.710

46. Zhao Z.-Y., Glassman K., Sewalt V., Wang N., Miller M., Chang S. et al. Nutritionally improved transgenic sorghum. In: Vasil I.K. (ed.). Plant Biotechnology 2002 and Beyond. Dordrecht, The Netherlands: Springer; 2003. p.413-416. DOI: 10.1007/978-94-017-2679-5_85