Молекулярные основы пищевых и кормовых качеств зерна ржи (Secale sereale)
29.03.2020
Авторы:
Название:
Молекулярные основы пищевых и кормовых качеств зерна ржи (Secale sereale)
Страницы:
8-26
Рожь (Secale sereale L.) – важнейшая сельскохозяйственная культура России, отличающаяся стабильным урожаем в зонах рискованного земледелия, высокой стрессоустойчивостью и способностью произрастать на малоплодородных почвах. Важным показателем качества зерна ржи является низкое содержание пентозанов (арабиноксиланов), так как они оказывают негативный эффект на процессы пищеварения у сельскохозяйственных животных. Сорта ржи с низким содержанием пентозанов отличаются хорошими кормовыми качествами, при этом сорта ржи с высоким содержанием пентозанов в зерне характеризуются хорошими хлебопекарными качествами. В связи с тем, что использование ржи для хлебопечения как в РФ, так и в других странах с каждым годом уменьшается, наиболее актуальным становится создание низкопентозановых сортов ржи. Содержание пентозанов может зависеть от условий произрастания, но более существенное влияние оказывает генотип, что предполагает возможность целенаправленного создания сортов ржи с низким содержанием пентозанов. Целью данного обзора является рассмотрение молекулярных основ хлебопекарных и кормовых качеств зерна ржи, в том числе генетических детерминант, которые могут быть связаны с содержанием пентозанов в зерне ржи. Содержание арабиноксиланов в зерне ржи зависит, в первую очередь, от функционирования как ферментов их биосинтеза, например, гликозилтрансфераз, так и ферментов их деградации - ксиланаз. У растений в биосинтез арабиноксиланов (пентозанов) вовлечены гликозилтрансферазы семейств 8, 43, 47 и 75, гены которых секвенированы у мягкой пшеницы, ячменя и некоторых других злаковых, однако у ржи пока остаются неизученными. В связи с тем, что рожь является близким родственником Triticum aestivum, при исследовании генов гликозилтрансфераз ржи могут быть использованы аннотированные нуклеотидные последовательности мягкой пшеницы.
- Бахтизин Н.Р. Озимая рожь. Уфа, Башкнигоиздат, 1972. 260 с. 2. Белова О.В., Лисов А.В., Винокурова Н.Г., Костеневич А.А., Сапунова Л.И., Лобанок А.Г., Леонтьевский А.А. Ксиланаза и целлюлаза гриба Cerrena unicolor ВКМ F 3196: получение, свойства, применение для осахаривания растительного сырья // Прикладная биохимия и микробиология. 2014. Т. 50. № 2, С. 171–176. 3. Бушук В. Рожь: производство, химия и технология / В. Бушук, У. Кэмбел, Э. Древс. - М.: Колос, 1980. 247 с. 4. Голомолзин В.Д., Гридин В.Ф., Лебедева И.А. Корма и комбикорма для сельскохозяйственных животных. Екатеринбург. 2006. С. 142. 5. Гончаренко А.А., Исмагилов Р.Р., Беркутова Н.С., Ванюшина Т. Н., Аюпов Д. С. Оценка хлебопекарных качеств зерна озимой ржи по вязкости водного экстракта // Доклады РАСХН. 2005. №1. С. 6-13. 6. Гончаренко А.А., Ермаков С.А., Макаров А.В., Семенова Т.В., Точилин В.Н., Цыганкова Н.В. Использование дивергентного отбора по вязкости водного экстракта в селекции озимой ржи // Зерновое хозяйство России. 2011. № 5. С. 11–19. 7. Гридин В.Ф., Гафаров Ш.С. Организация полноценного кормления дойных коров в условиях Среднего Урала. Екатеринбург: Уральское аграрное издательство. 2012. С. 76. 8. Денисенко Ю.А. Белковая инженерия грибных ксиланаз 10-й семьи гликозидгидролаз // Диссертация на соискание степени кандидата химических наук. 2018. Москва. 138 с. 9. Зверкова З.Н. Зоотехническая оценка использования консервирования зерна озимой ржи в рационах лактирующих коров // Кормопроизводство. М. 2010. Декабрь. С. 40–43. 10. Исмагилов Р.Р., Нурлыгаянов Р.Б., Ванюшина Т.Н. Качество и технология производства продовольственного зерна озимой ржи. Академия Наук Республики Башкортостан. Москва. 2001. 11. Исмагилов Р.Р., Ванюшина Т.Н., Аюпов Д.С. Пентозаны ржи. Уфа: Изд-во БГАУ, 2006. 113 с. 12. Исмагилов Р.Р., Ахиярова Л.М. Кормовые качества зерна различных сортов озимой ржи // Достижения науки и техники АПК. 2007. № 11. С. 16–17. 13. Исмагилов, Р.Р. Изменчивость содержания водорастворимых пентозанов в зерне озимой ржи // Достижения науки и техники АПК. 2012. №6. С.35–36. 14. Исмагилов Р.Р., Назаров М.Р., Гайсина Л.Ф. Изменение качества зерна озимой ржи в зависимости от его размера // Российский электронный научный журнал. 2013. №6. С. 161–168. 15. Исмагилов Р.Р., Гайсина Л.Ф. Зависимость формоустойчивости ржаного хлеба от содержания в зерне пентозанов // Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2014. №2. С. 21–24. 16. Исмагилов Р.Р., Гайсина Л.Ф. Хлебопекарные качества зерна гибридов F1 озимой ржи // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т. 29. №1. С. 24–26. 17. Кобылянский Д.В. Рожь. Генетические основы селекции. М., 1982. 18. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В. Основы селекции малопентозановой ржи // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. СПб: ВИР. 2009а. Т. 166. С. 112–118 19. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В. Перспективы селекции малопентозановой зернофуражной озимой ржи // Озимая рожь: селекция, семеноводство, технология и переработка. Материалы Всероссийской научно-практической конференции; 1-3 июля. – г. Уфа: ГНУ БашНИИСХ. 2009б. 248 с. 20. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В. Теоретические основы селекции зернофуражной ржи с низким содержанием водорастворимых пентозанов // Сельскохозяйственная биология. 2013. №2. C. 31–39. 21. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В., Потапова Г.Н., Ткаченко И.В., Галимов К.А. Изучение инновационной зернофуражной низкопентозановой озимой ржи // Пермский вестник. 2014. № 1. С. 10–16. 22. Кобылянский Д.В., Солодухина О.В. Использование доноров ценных признаков растений в селекции новых сортов озимой ржи // Достижение науки и техники АПК. 2015. Т. 29. №7. С. 7–12. 23. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В., Лунегова И.В., Новикова С.П., Хлопюк М.С., Макаров В.И. Создание низкопентозановой ржи и возможности ее использования на корм животным // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2017. Т. 178. №1. С. 31–40. 24. Кунакбаев С.А. Гарантийная культура (озимая рожь) // Сельское хозяйство Башкирии. 1961. № 2. С. 8–10. 25. Кулуев Б.Р., Сафиуллина М.Г. Регуляция роста клеток растяжением в растениях // Успехи современной биологии. 2015. Т. 135. №2. С. 148–163. 26. Марков А.В., Гусаков А.В., Дзедзюля Е.И., Устинов Б.Б., Антонов А.А., Окунев О.Н., Беккаревич А.О., Синицын А.П. Свойства гемицеллюлаз ферментного комплекса Trichoderma longibrachiatum // Прикладная биохимия и микробиология. 2006. Т. 42. №46. С. 654–664. 27. Морозова Ю.А., Скворцов Е.В., Алимова Ф.К. Ксиланазы Trichoderma reesei- биосинтез и применение для гидролиза зерновых кормов // Ученые записки Казанского университета. 2013. Т. 55, кн. 2. С. 126–137. 28. Пичугин А.Б. Бортничество и земледелие Волжской Булгарии: к истории заимствований в материальной культуре // Вестник Костромского государственного университета. 2016. Т. 22. №3. С. 65–67. 29. Пономарева М.Л., Пономарев С.Н., Гильмуллина Л.Ф., Маннапова Г.С. Фенотипическая оценка содержания пентозанов в ржаном шроте методом определения вязкости водного экстракта // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т. 29. № 11. С. 32–35. 30. Пономарева М.Л., Пономарев С.Н., Тагиров М.Ш., Гильмуллина Л.Ф., Маннапова Г.С. Генотипическая изменчивость содержания пентозанов в зерне озимой ржи // Сельскохозяйственная биология. 2017. Т. 52. №5. С. 1041–1048. 31. Потапова Г.В., Ткаченко И.В, Галимов К.А. Новый зернофуражный сорт озимой ржи Янтарная // Теория и практика мировой науки. 2017. № 10. С. 66–69. 32. Солодухина О.В., Кобылянский В.Д., Кузнецова Л.И., Лавреньтева Н.С., Тимина М.А. Перспективы использования низкопентозановой ржи для хлебопекарных целей // Российская сельскохозяйственная наука. 2018. №6. С. 3–5. 33. Сухарева А.С., Кулуев Б.Р. ДНК-маркеры для генетического анализа сортов культурных растений // Biomics. 2018. Т. 10. №1. С. 69–84. DOI:10.31301/2221-6197.bmcs.2018-15 34. Уткина Е.И. Селекция озимой ржи в условиях Волго-Вятского региона // Диссертация на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук. 2017. Киров. 343 с. 35. Феоктистова Н.В., Марданова А.М., Лутфуллин М.Т., Богомольная Л.М., Шарипова М.Р. Биопрепараты микробного происхождения в птицеводстве // Ученые записки Казанского университета. Серия: Естественные науки. 2018. Т. 160. №3. С. 395–418. 36. Amerah A.M., Mathis G., Hofacre C.L. Effect of xylanase and a blend of essential oils on performance and Salmonella colonization of broiler chickens challenged with Salmonella Heidelberg // Poult. Sci. 2012. V. 91. No 4. P. 943–947. doi:10.3382/ps.2011- 01922 37. Anders N., Wilkinson M.D., Lovegrove A., Freeman J., Tryfona T., Pellny T.K., Weimar T., Mortimer J.C., Stott K., Baker J.M. Glycosyl transferases in family 61 mediate arabinofuranosyl transfer onto xylan in grasses // Proc Natl Acad Sci USA. 2012. V. 109. P. 989–993. doi:10.1073/pnas.1115858109 38. Bach Knudsen K.E., Lærke H.N. Rye arabinoxylans: Molecular structure, physicochemical properties and physiological effects in the gastrointestinal tract // Cereal Chem. 2010. V. 87. P. 353–362. doi:10.1094/CCHEM-87-4-0353 39. Balakshin M., Capanema E., Gracz H., Chang H., Jameel H. Quantification of lignin–carbohydrate linkages with high- resolution NMR spectroscopy // Planta 2011. V. 233. P. 1097–1110. 40. Bedford M.R., Cowieson A.J. Exogenous enzymes and their effects on intestinal microbiology // Anim. Feed Sci. Technol. 2012. V. 173. P. 76–85. doi:10.1016/j.anifeedsci.2011.12.018 41. Boros D., Marquardt R.R., Slominski B.A., Guenter W. Extract viscosity as an indirect assay for water-soluble pentosans content in rye // Cereal Chem. 1993. V. 70. Р. 575–580. 42. Boros D. Quality aspects of winter rye for feed purpose // Proceedings of International Symposium on Rye Breeding and Genetics. 28-30 June 2006. Vort. Pflanzenucht. 2007. P. 80–85. 43. Bromley J.R., Busse-Wicher M., Tryfona T., Mortimer J.C., Zhang Z., Brown D.M., Dupree P. GUX1 and GUX2 glucuronyltransferases decorate distinct domains of glucuronoxylan with different substitution patterns // Plant J. 2013. V. 74. P. 423–434. 44. Brown D., Wightman R., Zhang Z.N., Gomez L.D., Atanassov I., Bukowski J.P., Tryfona T., McQueen-Mason S.J., Dupree P., Turner S. Arabidopsis genes IRREGULAR XYLEM (IRX15) and IRX15L encode DUF579-containing proteins that are essential for normal xylan deposition in the secondary cell wall // Plant J. 2011. V. 66. P. 401–413. doi:10.1111/j.1365-313X.2011.04501.x 45. Brown D.M., Goubet F., Wong V.W., Goodacre R., Stephens E., Dupree P., Turner S.R. Comparison of five xylan synthesis mutants reveals new insight into the mechanisms of xylan synthesis // Plant J. 2007. V. 52. P. 1154–1168. doi:10.1111/j.1365-313X.2007.03307.x 46. Brown D.M., Zhang Z.N., Stephens E., Dupree P., Turner S.R. Characterization of IRX10 and IRX10-like reveals an essential role in glucuronoxylan biosynthesis in Arabidopsis // Plant J. 2009. V. 57. P. 732–746. 47. Burton R.A., Fincher G.B. Evolution and development of cell walls in cereal grains // Front Plant Sci. 2014. 5:456. doi:10.3389/fpls.2014.00456 48. Chiniquy D., Sharma V., Schultink A., Baidoo E.E., Rautengarten C., Cheng K., Carroll A., Ulvskov P., Harholt J., Keasling J.D. XAX1 from glycosyltransferase family 61 mediates xylosyltransfer to rice xylan // Proc Natl Acad Sci USA. 2012. V. 109. P. 17117–17122. doi:10.1073/pnas.1202079109 49. Cyran M., Cygankiewicz J. Content and composition of non-starch polysaccharide of rye flour in relation to its baking quality // Proceeding of the Eucarpia Rye Meeting. Radzikow. 2001. P. 291–298. 50. Ebringerova’ A, Heinze T. Xylan and xylan derivatives – biopolymers with valuable properties, 1. Naturally occurring xylans structures, isolation procedures and properties // Macromol Rapid Commun. 2000. V. 21. P. 542–556. doi:10.1002/1521-3927(20000601)21:9<542::AID-MARC542>3.0.CO;2-7 51. Gan Y.T., McLeod J.G., Scoles G.L., Campbell G.L. Extract viscosity of winter rye: variation with temperature and precipitation // Canad. J. Plant Sc. 1997. V. 77. № 4. P. 555–560. 52. Imamura T., Watanabe T., Kuwahara M., Koshijima T. Ester linkages between lignin and glucuronic acid in lignin–carbohydrate complexes from Fagus crenata // Phytochemistry. 1994. V. 37. P. 1165–1173. 53. Izydorczyk M., Biliaderis C.G., Bushuk W. Physical properties of water-soluble pentosans from different wheat varieties // Cereal Chem. 1991. V. 68:145. 54. Izydorczyk M.S., Biliaderis C.G. Cereal arabinoxylans advances in structure and physicochemical properties // Carbohyd. Polym. 1995. V. 28: P. 33–48. doi:10.1016/0144-8617(95)00077-1 55. Jensen J.K., Kim H., Cocuron J.C., Orler R., Ralph J., Wilkerson C.G. The DUF579 domain containing proteins IRX15 and IRX15-L affect xylan synthesis in Arabidopsis // Plant J. 2011. V. 66. P. 387–400. doi:10.1111/j.1365-313X.2010.04475.x 56. Khadem A., Lourenzo M., Delezie E., Maertens L., Goderis A., Mombaerts R., Höfte M., Eeckhaut V., Van Immerseel F., Janssens G.P. Does release of encapsulated nutrients have an important role in the efficacy of xylanase in broilers? // Poult. Sci. 2016. V. 95. P. 1066–1076. doi:10.3382/ps/pew002 57. Kiarie E., Romero L.F., Nyachoti C.M. The role of added feed enzymes in promoting gut health in swine and poultry // Nutr. Res. Rev. 2013. V. 26. P. 71–88. doi:10.1017/S0954422413000048 58. Lee C., O’Neill M.A., Tsumuraya Y., Darvill A.G., Ye Z-H. The irregular xylem9 mutant is deficient in xylan xylosyltransferase activity // Plant Cell Physiol. 2007. V. 48. P. 1624–1634. 59. Lee C., Zhong R., Richardson E.A., Himmelsbach D.S., McPhail B.T., Ye Z.H. The PARVUS gene is expressed in cells undergoing secondary wall thickening and is essential for glucuronoxylan biosynthesis // Plant Cell Physiol. 2007. V. 48. P. 1659–1672. doi:10.1093/pcp/pcm155 60. Lee C., Teng Q., Huang W., Zhong R., Ye Z.H. The F8H glycosyltransferase is a functional paralog of FRA8 involved in glucuronoxylan biosynthesis in Arabidopsis // Plant Cell Physiol. 2009. V. 50. P. 812–827. doi:10.1093/pcp/pcp025 61. Lee C., Teng Q., Huang W., Zhong R., Ye Z.H. The Arabidopsis family GT43 glycosyltransferases form two functionally nonredundant groups essential for the elongation of glucuronoxylan backbone // Plant Physiol. 2010. V. 153. P. 526–541. doi:10.1104/pp.110.155309 62. Lee C., Teng Q., Zhong R., Ye Z.H. Arabidopsis GUX proteins are glucuronyltransferases responsible for the addition of glucuronic acid side chains onto xylan // Plant Cell Physiol. 2012. V. 53. P. 1204–1216. doi:10.1093/pcp/pcs064 63. Lovegrove A., Wilkinson M.D., Freeman J., Pellny T.K., Tosi P., Saulnier L., Shewry P.R., Mitchell R.A. RNA interference suppression of genes in glycosyl transferase families 43 and 47 in wheat starchy endosperm causes large decreases in arabinoxylan content // Plant Physiol. 2013. V. 163. P. 95–107. doi:10.1104/pp.113.222653 64. Lynd L.R., Weimer P.J., van Zyl W.H., Pretorius I.S. Microbial cellulose utilization: Fundamentals and biotechnology // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2002. V. 66. P. 506–577. 65. Marquardt R., Brenes A., Zhang Z., Boros D. Use of enzyme to improve nutrient availability in poultry feedstuffs // Animal Feed Science and Technology. 1996. August. Bd. 60. P. 321-330. 66. Matsumoto T., Tanaka T., Sakai H., Amano N., Kanamori H., Kurita K., Kikuta A., Kamiya K., Yamamoto M., Ikawa H., Fujii N., Hori K., Itoh T., Sato K. Comprehensive sequence analysis of 24,783 barley full-length cDNAs derived from 12 clone libraries // Plant Physiol. 2011. V. 156(1). P. 20–28. doi:10.1104/pp.110.171579 67. Mortimer J.C., Faria-Blanc N., Yu X., Tryfona T., Sorieul M., Ng Y.Z., Zhang Z., Stott K., Anders N., Dupree P. An unusual xylan in Arabidopsis primary cell walls is synthesised by GUX3, IRX9L, IRX10L and IRX14 // Plant J. 2015. V. 83. P. 413–426. doi:10.1111/tpj.12898 68. Park Y.H., Hamidon F., Rajangan Ch., Soh K.P., Gan Ch.Yu., Lim Th.S., Abdullah W.N.W., Liong M.T. Application of probiotics for the production of safe and high-quality poultry meat // Korean J. Food Sci. Anim. Resour. 2016. V. 36. Р. 567–576. doi:10.5851/kosfa.2016.36.5.567 69. Peña M.J., Zhong R.Q., Zhou G.K., Richardson E.A., O’Neill M.A., Darvill A.G., York W.S., Ye Z.H. Arabidopsis irregular xylem8 and irregular xylem9: implications for the complexity of glucuronoxylan biosynthesis // Plant Cell. 2007. V. 19. P. 549–563. 70. Persson S., Caffall K.H., Freshour G., Hilley M.T., Bauer S., Poindexter P., Hahn M.G., Mohnen D., Somerville C. The Arabidopsis irregular xylem8 mutant is deficient in glucuronoxylan and homogalacturonan, which are essential for secondary cell wall integrity // Plant Cell. 2007. V. 19. P. 237–255. 71. Rennie E.A., Hansen S.F., Baidoo E.E., Hadi M.Z., Keasling J.D., Scheller H.V. Three members of the Arabidopsis glycosyltransferase family 8 are xylan glucuronosyltransferases // Plant Physiol. 2012. V. 159. P. 1408–1417. doi:10.1104/pp.112.200964 72. Sato K., Shin-I T., Seki M., Shinozaki K., Yoshida H., Takeda K., Yamazaki Y., Conte M., Kohara Y. Development of 5006 full-length CDNAs in barley: a tool for accessing cereal genomics resources // DNA Res. 2009. V. 16. P. 81–89. doi:10.1093/dnares/dsn034 73. Sharma A., Tewari R., Rana S.S., Soni R., Soni S.K. Cellulases: Classification, methods of determination and industrial applications // Appl. Biochem. Biotechnol. 2016. V. 179. P. 1346–1380. doi:10.1007/s12010-016-2070-3 74. Urbanowicz B.R., Pena M.J., Moniz H.A., Moremen K.W., York W.S. Two Arabidopsis proteins synthesize acetylated xylan in vitro // Plant J. 2014. V. 80. P. 197–206. doi:10.1111/tpj.12643 75. Vinkx C.J.A., Delcou J.A. Rye (Secale cereale L.) arabinoxylans: A critical review // Journal of Cereal Science. 1996. V. 24. P. 1-14. doi:10.1006/jcrs.1996.0032 76. Weipert D., Zwingelberg H. Quellstoff – Starkeverhaltnis bei unterschiedlichenRoggenqualitat // Getreid, Mehl und Brot. 1980, Bd. 34. No. 4. P. 97–100. 77. Wu A.M., Hornblad E., Voxeur A., Gerber L., Rihouey C., Lerouge P., Marchant A. Analysis of the Arabidopsis IRX9/IRX9-L and IRX14/IRX14-L pairs of glycosyltransferase genes reveals critical contributions to biosynthesis of the hemicellulose glucuronoxylan // Plant Physiol. 2010. V. 153. P. 542–554. doi:10.1104/pp.110.154971 78. Wu A.M., Rihouey C., Seveno M., Hornblad E., Singh S.K., Matsunaga T., Ishii T., Lerouge P., Marchant A. The Arabidopsis IRX10 and IRX10-LIKE glycosyltransferases are critical for glucuronoxylan biosynthesis during secondary cell wall formation // Plant J. 2009. V. 57. P. 718–731. doi:10.1111/j.1365-313X.2008.03724.x 79. Yang P., Habekuß A., Hofinger B.J., Kanyuka K., Kilian B., Graner A., Ordon F., Stein N. Sequence diversification in recessive alleles of two host factor genes suggests adaptive selection for bymovirus resistance in cultivated barley from East Asia // Theor Appl Genet. 2017. V. 130. P. 331–344. doi:10.1007/s00122-016-2814-z 80. Zeng W., Jiang N., Nadella R., Killen T.L., Nadella V., Faik A. A glucurono(arabino)xylan synthase complex from wheat contains members of the GT43, GT47, and GT75 families and functions cooperatively // Plant Physiol. 2010. V. 154. P. 78–97. doi:10.1104/pp.110.159749 81. Zhong R., Pena M.J., Zhou G.K., Nairn C.J., Wood-Jones A., Richardson E.A., Morrison W.H., Darvill A.G., York W.S., Ye Z.H. Arabidopsis fragile fiber8, which encodes a putative glucuronyltransferase, is essential for normal secondary wall synthesis // Plant Cell. 2005. V. 17. P. 3390–3408. doi:10.1105/tpc.105.035501