Волгоградские биологи в рамках госзадания занимаются изучением молекулярных маркеров для производства богатых антоцианами сортов салата Lactuca sativa L. Это вклад в селекцию растений, потребление которых способствует укреплению здоровья человека.
Для нужд общественного здравоохранения требуется селекция растений, повышающая их пищевую ценность. Разработка более «здоровых» вариантов традиционных продуктов питания может быть основана на увеличении содержания необходимых или полезных компонентов (например, клетчатки или флавоноидов), либо уменьшения содержания вредных для здоровья соединений. Один из предлагаемых подходов – разведение растений с повышенным содержанием антоцианов.
Антоцианы представляют собой полифенольные соединения, которые содержатся во многих растениях и придают им различную окраску. Основная их функция у растений – повышение устойчивости к воздействию неблагоприятных природных факторов, микроорганизмов, вызывающих болезни растений, и вредителей. Учеными обнаружено и подтверждено наличие положительных эффектов антоцианов на здоровье человека (в частности, ослабление интенсивности воспалительных процессов и снижение риска развития некоторых видов рака).
В центре внимания ученых из ФНЦ агроэкологии РАН (г. Волгоград) поиск новых молекулярных маркеров, обладающих преимуществами в селекции растений, богатых антоцианами, и разработка и формирование биоинформационного комплекса, содержащего данные для ускоренной селекции.
На фото – Валерий Геннадьевич Зайцев – кандидат биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией молекулярной селекции ФНЦ агроэкологии РАН (г. Волгоград), доцент кафедры биоинженерии и биоинформатики Волгоградского государственного университета
В международном рецензируемом научном издании European Journal of Molecular Biotechnology, 2019, 7(1) опубликован предварительный обзор, в котором рассмотрены перспективы разработки и выращивания сортов растений с повышенным содержанием антоцианов, полезных для здоровья, в частности, салата-латука и использование молекулярных маркеров для лучших результатов их разведения.
Валерий Геннадьевич Зайцев – руководитель проекта в рамках государственного задания, отвечающего запросам общественного здравоохранения, кандидат биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией молекулярной селекции ФНЦ агроэкологии РАН (г. Волгоград), доцент кафедры биоинженерии и биоинформатики Волгоградского государственного университета – рассказал о преимуществах использования молекулярных маркеров в селекции культурных растений и о том, как накопление антоцианов поможет сделать пищевые продукты более здоровыми и полезными.
Для решения продовольственных задач и профилактики проблем здравоохранения важное значение имеет маркерная селекция растений, повышающих пищевую ценность продуктов питания, в частности, селекция растений, содержащих антоцианы. По замечанию Валерия Зайцева, «сейчас уже нет сомнений, что качество пищи очень сильно влияет на вероятность заболевания и смерти для каждого конкретного человека. Так, каждого третьего случая рака можно было бы избежать при правильном питании. Анализ данных из 195 стран за 1990-2017 годы показал, что 22% смертей за это время так или иначе связаны с неправильным питанием. Среди важнейших причин повышенного риска заболеваемости и смерти – недостаток потребления овощей, фруктов и цельнозерновых продуктов. Казалось бы, эту проблему можно решить, изменив структуру питания. Но привычки в еде у людей достаточно консервативны и меняются довольно медленно. Поэтому в мире возникла идея улучшить сами продукты, в первую очередь те, которые потребляются в недостаточных количествах. Антоцианы являются одной из групп веществ, польза от которых достаточно хорошо изучена и доказана, в первую очередь, для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний».
«Обычная селекция была основана на отборе растений, обладающих определенными видимыми признаками (например, красной окраской, большим размером плодов и т.д.) или признаками, выраженность которых может быть выявлена в натурном эксперименте, например, урожайность или устойчивость к неблагоприятным условиям выращивания или к заболеваниям. Можно также использовать определение каких-либо важных метаболитов (например, тех же антоцианов) или белков, связанных с проявлением определенных качеств. Однако, главным минусом является тот факт, что все эти характеристики являются фенотипическими, то есть даже будучи заложенными в генах конкретного растения, они могут проявиться или не проявиться в зависимости от внешних факторов, например, климатических условий. Соответственно, для оценки этих признаков требуется либо полный цикл вегетации растений, либо их выращивание по крайней мере в течение определенного времени. –
Валерий Зайцев поясняет, как применение молекулярных маркеров способствует повышению эффективности селекционного процесса и влияет на здоровье человека. –
С другой стороны, в геноме растения можно найти один или несколько фрагментов последовательности ДНК, которые были бы ассоциированы с проявлением тех или иных фенотипических признаков. Эти определенные последовательности мы и будем называть молекулярными маркерами. Выявляться и определяться они могут самыми разными методами, но очень часто для этого используют ПЦР-анализ и электрофорез ДНК. В любом случае, такие последовательности присутствуют в ДНК растения на протяжении всей его жизни. Следовательно, мы можем провести анализ и определить наличие нужных нам молекулярных маркеров на любом этапе жизни растения. Таким образом можно сократить время и трудоемкость селекции как минимум за счет двух возможностей. Во-первых, на этапе выбора родительских форм для первого скрещивания для целей селекции мы сразу можем отобрать только те растения, которые в своей ДНК содержат интересные нам маркеры. Во-вторых, нам нет необходимости выращивать все полученные гибриды до момента получения семян – у взошедших растений можно взять образцы и по результатам анализа выбрать только те, которые обладают нужным нам сочетанием маркеров. Только такие специально отобранные растения будут выращиваться до получения семян и использоваться в дальнейшей селекции. Это позволяет в 4-5 раз сократить посевные площади, занятые под селекцию. Также это приводит к сокращению длительности селекционного процесса и существенному снижению стоимости выведения нового сорта. Но сами по себе они никак не могут повлиять на здоровье человека, поскольку это всего лишь относительно небольшие участки последовательности ДНК, содержащиеся в геноме растений. Они просто выбраны нами для использования в качестве маркеров каких-то свойств растения».
Существует большое количество антоцианов и все они выполняют защитные функции у растений, причем, по словам Зайцева, «от широкого спектра воздействующих факторов – повышенная температура, очень сильное солнечное освещение, химические вещества, вызывающие заболевания микроорганизмы, насекомые-вредители. Еще одним полезным следствием повышения содержания антоцианов является улучшение сохранности листьев салата при хранении после сбора урожая. Ну, и с точки зрения потребителя, красная или фиолетовая окраска имеет определенное эстетическое значение».
Волгоградские ученые не ориентируются на одно конкретное соединение, для них важно более высокое суммарное содержание всех антоцианов. Как подчеркивает исследователь, «антоцианы выбраны как вещества, содержание которых хотелось бы повысить в культивируемых пищевых растениях. На самом деле, нет какого-то одного вида антоцианов, который именно был бы полезен для человека. Сейчас считается, что все антоцианы обладают пользой для здоровья. Основные полезные свойства этой группы соединений – антиоксидантные и противовоспалительные. В исследованиях была показана способность антоцианов снижать риск развития, в первую очередь, сердечно-сосудистых заболеваний у человека. Именно, влияние на сосуды, видимо, определяет и пользу антоцианов при ряде хронических заболеваний, например, при сахарном диабете. Но при этом надо помнить очень важную вещь – антоцианы проявляют свой эффект ТОЛЬКО при длительном и регулярном поступлении в организм выше определенных критически значимых доз. Поэтому в ряде стран даже установлены минимальные рекомендованные количества для ежедневного потребления. То есть следует говорить, что действие антоцианов – профилактическое, а не лечебное как таковое».
Валерий Зайцев год назад возглавил проект в рамках выполнения государственного задания по теме «Создание новых генотипов сельскохозяйственных растений с заданными признаками с применением молекулярных маркеров». Для его выполнения в составе ФНЦ агроэкологии РАН (г. Волгоград) в прошлом году была специально создана лаборатория молекулярной селекции, в которой работают только молодые сотрудники, причем все – выпускники волгоградских вузов. Как уточнил исследователь, «работа выполняется в тесной кооперации с кафедрой биоинженерии и бионформатики Волгоградского государственного университета. Часть работ, в частности, связанных с микроклонированием, будет выполняться при участии еще одного подразделения ФНЦ агроэкологии РАН – лабораторией биотехнологий. Мы также планируем активное сотрудничество с Федеральным исследовательским центром «Субтропический научный центр Российской академии наук» и Волгоградским региональным ботаническим садом».
«Я долгое время, около 20 лет, занимался исследованиями антиоксидантов и их вероятных и доказанных эффектов на здоровье человека и животных. С другой стороны, я последние годы преподаю в Волгоградском государственном университете предметы, связанные с биоинформатикой и различными «омиками». Поэтому, когда в прошлом году появилось предложение от руководства ФНЦ агроэкологии РАН заняться работами в области молекулярной селекции растений, первое, что пришло мне в голову – это селекция пищевых растений ради улучшения их полезных для здоровья свойств. Причем речь должна идти ТОЛЬКО о растительных метаболитах, для которых польза для здоровья человека была ДОКАЗАНА в качественных клинических или эпидемиологических исследованиях. –
отмечает Валерий Зайцев и говорит о главных задачах, которые определены в проекте. –
Планируется, во-первых, создать базу данных, объединяющую информацию по накоплению в культивируемых пищевых растениях соединений, доказанно полезных для здоровья, и ассоциированных с ними молекулярных маркеров; во-вторых, провести скрининг существующих сортов нескольких пищевых культур на повышенное содержание полезных для здоровья соединений; в-третьих, получить первые гибриды с использованием технологии молекулярной селекции. Кроме того, в ходе выполнения исследования мы планируем разработать новые методики и микроустройства для экспресс-тестов интересующих нас метаболитов, белков и молекулярных маркеров в полевых условиях, вне лаборатории».
По словам Зайцева, «уже разработана оригинальная база данных, соединяющая ряд характеристик пищевых растений со свойствами и доказанными медицинскими эффектами их метаболитов, а также с ассоциированными молекулярными маркерами и генами интереса», к которой планируется открыть публичный доступ в течение 2020 года.
Для своих исследований биологи выбрали один из широко используемых в сельском хозяйстве салат Lactuca sativa L.
Почему выбран этот вид растения, если другие также богаты антоцианами?
Как объясняет Валерий Зайцев, «выбор салата обусловлен, пожалуй, тремя факторами: во-первых, для него уже известно некоторое количество молекулярных маркеров, ассоциированных с повышенной и/или более устойчивой (менее зависящей от внешних факторов) продукцией антоцианов; есть от чего отталкиваться; во-вторых, салат-латук занимает достаточно устойчивые позиции на потребительском рынке и доступен круглогодично, а колебания цен в течение года почти отсутствуют; в-третьих, у него короткий период вегетации, что важно в ситуации недостаточного времени, выделенного министерством на выполнение государственного задания (3 года, как для большинства естественно-научных проектов, в то время, как разработка новых сортов требует хотя бы 5 лет работы даже при использовании ускоренных методов селекции)».
В этом проекте ученые планируют на первом этапе исследования создать максимально исчерпывающую базу данных уже известных молекулярных маркеров повышенного накопления антоцианов, а также определить их связь с синтезом и накоплением как антоцианов вообще, так и конкретных соединений. Кроме того, (в дополнение к уже известным), как конкретизирует Зайцев, планируется «обнаружить новые молекулярные маркеры для формирования их максимального информативного комплекса для последующих целей ускоренной селекции для получения целевых характеристик новых культиваров».
По каким показателям будет определена перспективность использования молекулярных маркеров для производства богатых антоцианами сортов салата?
«Выявление подходящих маркеров – процесс статистический. Просто определяется степень связи (ассоциации) определенного маркера (или комплекса нескольких маркеров) с выраженностью конкретного признака. В случае с антоцианами может возникнуть вопрос – а почему не проводить отбор просто по интенсивности окраски растения? Ведь это хорошо видимый признак. Но, во-первых, это признак фенотипический и, в зависимости от условий, может проявляться по-разному. То есть растение с одним и тем же набором генов может оказаться и интенсивно окрашенным, и почти не окрашенным. Во-вторых, окраска у разных сортов может проявляться не сразу, а только после определенного периода развития растения. Генетические маркеры позволяют отобрать самые лучшие растения уже в первые две недели после прорастания семян», – разъяснил руководитель проекта в лаборатории молекулярной селекции ФНЦ агроэкологии РАН Валерий Зайцев.
Таким образом, разработка и использование маркерных подходов в селекционной практике является актуальной задачей и предполагает получение пищевых культивируемых растений с повышенной пользой для здоровья человека.
