Классическая органика
Поскольку современные высокопродуктивные сорта пшеницы сегодня на полях везде, и от них уже некуда деться, наиболее рациональной технологии выращивания этих сортов, без существенного снижения биологической ценности зерна, является технология органического земледелия. Речь идет о классическом органическое земледелие, уже широко внедряется цивилизованными странами мира, а не так называемое «экологическое земледелие», идею которого пропагандируют некоторые специалисты в Украине. Органическое земледелие, как известно, полностью исключает использование любой «химии» при выращивании урожаев в специально сертифицированных угодьях. Тогда как так называемое «экологическое земледелие» допускает минимальное использование «химии», четко не регламентируя, что означает «минимальное», и каким образом его контролировать.
По данным нескольких исследовательских учреждений США содержание микронутриентов (витаминов и минералов) в зерне современных сортов пшеницы, выращенных по технологии органического земледелия, в целом выше, чем у тех же сортов, выращиваемых по традиционным промышленным технологиям. При этом снижение урожая зерна в условиях органического земледелия по сравнению с традиционной системой выращивания составило 20-25%. Однако не все современные сорта пшеницы одинаково адаптированы к технологии органического земледелия, и скорее необходима селекция специальных сортов для органических систем земледелия.

Полезные сорта
Генетическая вариабельность по содержанию в зерне микронутриентов среди современных сортов пшеницы, к сожалению, слишком узкие, а следовательно, и возможности их селекционного улучшения путем традиционных межсортовых скрещиваний мизерны. Поэтому важно в скрещиваниях использовать дикорастущие пшеницы, особенно дикие Эммерих, имеющих существенно выше содержание в зерне микронутриентов по сравнению с современными сортами. Особенно интересным источником микронутриентов по результатам многочисленных исследований оказалась дикорастущая пшеница эммер — дикорастущий сородичей современной культуры твердой и мягкой хлебопекарной пшеницы.

Одна из самых многочисленных мировых коллекций Triticum dicoccoides сосредоточена в Израиле, где и была исследована с содержанием в зерне витаминов и минералов. Сорта культурного твердой пшеницы дурум содержали в зерне, например, цинка 49-55 мг / кг, тогда как у дикорастущих образцов эти значения были на уровне 90-140 мг / кг. Аналогичная диспропорция между дикорастущей Triticum dicoccoides и культурными сортами дурум наблюдалась по содержанию в зерне железа: 29-33 мг / кг в культуре, и 65-80 мг / кг в дикаря и других микроэлементов и витаминов.

Одним из самых интересных среди израильской коллекции Triticum dicoccoides оказался образец № FA-15-3. На его основе были созданы хромосомной-замещенные линии яровой твердой пшеницы durum сорта Langdon. Исследование хромосомного-замещенных линий показало, что замещение хромосомы 6В T.dicoccoides существенно повышало содержание микроэлементов цинка, железа и марганца в зерне по сравнению с другими линиями. Кроме того, 6В хромосомной-замещена линия отличалась от других существенно повышенным содержанием белка в зерне. B дальнейших исследованиях в коротком плече хромосомы 6В T.dicoccoides в хромосомном сегменте 2,7-см рекомбинации было идентифицировано QTL (quantitative trait locus), обозначенный как Gpc-B1, что, собственно, и предопределяет эффект повышенной концентрации в зерне пшеницы время важных микроэлементов и белка. Позже было выполнено более тонкое картирование локуса Gpc-B1 и делимитация соответствующего ему хромосомного сегмента в пределах 0,3-см рекомбинации (или физически 250 kb) с помощью новых молекулярных маркеров Xuhw89 и Xucw71 (рис. 1).

Рис. 1. Графический размер региона Gpc-B1 0,3-cM рекомбинации (250kb), на хромосоме 6В T.dicoccoides, ограниченный маркерами Xuhw89 и Xucw71. Размер региона представлен двумя клонами (409D13 и 916017) искусственной бактериальной хромосомы, перекрываются.

Эффекты локуса Gpc-B1 были тщательно изучены в полевых опытах, расположенных в пяти различных почвенно-климатических условиях Израиля. Рекомбинантные линии твердой пшеницы сорта Langdon с локусом Gpc-B1 показали существенное превышение над исходным образцом этого сорта по содержанию в зерне цинка (60 мг / кг против 47,5 мг / кг), железа (44,2 мг / кг против 35,9 мг / кг), марганца (53,9 мг / кг против 40,9 мг / кг) и белка (14,4% против 10,8%). Авторы исследования делают оптимистический вывод относительно перспектив использования локуса Gpc-B1 с целью улучшения зерна коммерческих сортов пшеницы по содержанию важных минералов и белка. А использование маркера Xuhw89 позволит надежно контролировать наследования локуса Gpc-B1 и осуществлять отбор в гибридных популяциях целевых генотипов с повышенным содержанием в зерне ценных для здоровья человека ингредиентов.

Древний злак
За последние 10 лет особенно среди потребителей хлеба и хлебопродуктов ЕС и других цивилизованных стран приобретает популярность пшеница спельта (полба), которую выращивают в условиях органического земледелия. Это древний злак, до которого не коснулась современная селекция, устойчивый к жестким абиотических условий выращивания, имеет высокое содержание и высокую пищевую ценность белка, пониженную токсичность клейковины для положительных целиакией индивидуумов, высокие вкусовые характеристики хлеба и высокую перевариваемость белков и высокое содержание витаминов и микроэлементов . И что интересно, хлеб из полбы среди поклонников собственного здоровья уверенно вытесняет хлеб, изготовленный из муки современных сортов пшеницы. Более того, технология производства хлеба из муки полбы тщательно следит за тем, чтобы в нем не присутствовали хотя примеси муки современных сортов пшеницы (!). Для такого контроля разработаны даже специальные высоко чувствительны лабораторные процедуры жидкостной RP-HPLC хроматографии и SDS-электрофореза.

Рис. 2. Чорнозерна пшеница сорта Черноброва и показатели пищевой ценности ее зерна

Значительная часть пшеницы как в Украине, так и мире перерабатывается на крупы и хлопья. Для круп и хлопьев показатели высокого хлебопекарной качества зерна, из которого они производятся, вообще ни к чему. Они не нужны, и даже вредны, ибо снижают биологическую ценность продуктов. Хотя этот вопрос именно в таком аспекте в Украине никогда не ставился. Итак, для производства натуральных круп и хлопьев необходимо иметь специальные сорта пшеницы с возможно более низкими показателями хлебопекарной качества.

В Селекционно-генетическом институте создан первый сорт чорнозернои пшеницы Черноброва (рис. 2) с низкой хлебопекарной качеством, но с повышенным содержанием в зерне белка, витаминов и микроэлементов.

Генная биофортификация создает витаминизированные культуры
Но наиболее радикальным путем улучшения пшеницы (и не только пшеницы) по содержанию биологически ценных ингредиентов зерна является современная генная инженерия, отдельный раздел которой направлен на улучшение биологической ценности зерна и получил название генная биофортификация. Генная инженерия позволяет интегрировать в геном пшеницы гены, кодирующие гомологичные (пшеничные) ценные по аминокислотному составу белки, многократно повышая их содержание в зерне (экстра-экспрессия). Интегрировать гены, кодирующие ценные по аминокислотному составу гетерологичных белков (не пшеничные), например, от псевдо-злака амаранта (Amaranthus hypohondriacus). Конструировать и интегрировать в геном пшеницы синтетические генные конструкции, кодирующие белки с повышенным содержанием ценных аминокислот, модифицировать последовательность пшеничных генов, повышая долю кодонов для незаменимых аминокислот. Блокировать экспрессию «нежелательных» генов, кодирующих, например, биосинтез клейковинного белков и т.д..

Причем если еще несколько лет назад с помощью генных трансформаций удавалось улучшить зерно злаков по содержанию лишь отдельных витаминов или микроэлементов, то сегодня уже разработаны генные технологии, которые позволяют повысить содержание в зерне сразу нескольких биологически ценных ингредиентов. Как пример такого типа генной биофортификации можно привести результаты совместных исследований ученых из Испании и Германии по созданию трансгенной кукурузы с одновременно повышенным содержанием трех витаминов: аскорбиновой кислоты (витамин С), ?-каротина (витамин А) и фолиевой кислоты (витимин В9), что представляют три различные метаболические пути биосинтеза. В этом уникальном опыте использовали метод биолистичного бомбардировки незрелых 10-14 суточных зиготных зародышей линии белозерных кукурузы WT M37W с использованием 5 генных конструктов: селективный маркер bar и четыре кДНК, кодируя последовательности для ключевых ферментов, катализирующих метаболические пути биосинтеза ?-каротина, фолата и аскорбата.

Рис. 3. Образцы начал (С) и профили зерен нетрансформованои WT M37W (В) и трансгенной (А) кукурузы с повышенным содержанием каротиноидов (Naqvi Shaista et all., 2009).

Индукция биосинтеза ?-каротина осуществлялась путем трансформации двух генных конструктов кДНК, кодирующих синтез фермента фитоенсинтазы кукурузы (ген psy1) под контролем промотора для низкомолекулярных (LMW) глютенин пшеницы и кДНК кодирующей последовательности для фермента каротин десатуразы (ген crt1) под контролем промотора для D -гордеинов ячменя. Для индукции содержания аскорбата использовали кДНК кодирующей последовательность для фермента дегидроаскорбат редуктазы риса (ген dhar). А содержание в зерне фолата индуцировало путем интеграции в геном кукурузы кДНК кодирующей синтез фермента GTP циклогидролазы от E. coli (ген folE). Обе последние кДНК последовательности под контролем промотора D-гордеинов ячменя. В результате этой работы получены уникальную трансгенную кукурузу, содержание в зерне которой ?-каротина вырос в 169 раз (!), Аскорбиновой кислоты в шесть раз, а содержание фолиевой кислоты удвоился по сравнению с контрольной нетрансформованою белозерных кукурузой (рис 3). Осуществление изложенных выше генно-инженерных манипуляций принципиально возможно и на пшенице и других злаках.

Одним из реальных путей улучшения биологической ценности зерна пшеницы и других злаков генная инженерия рассматривает вмешательство в метаболические пути, ведущие к повышению содержания в зерне не отдельных белков, а скорее свободных (не связанных белками) незаменимых аминокислот, таких, скажем, как лизин (Lys) и триптофан (Trp). Например, ключевыми ферментами биосинтеза лизина является аспартокиназа (АК) и дигидродипиколинат синтаза (DHPS), ингибитором которых конечный продукт лизин. Полученные трансгенные линии кукурузы, ферменты АК и DHPS которых нечувствительными к ингибитора лизина и соответственно содержание этой аминокислоты в зерне возрастает во много раз. Однако эти опыты столкнулись с негативными последствиями экстра-высокой концентрации лизина в вегетативных органах, что привело к снижению урожая зерна. Использование же специфических промоторов при трансформации позволило устранить и это препятствие. Таким образом, получены трансгенные линии кукурузы с экстра-высоким содержанием в зерне свободного лизина. Аналогично, ключевым ферментом метаболизма триптофана являются антранилат синтаза (AS), ингибитором которого является конечный продукт триптофан. Путем клонирования и трансгенной модификации генных последовательностей для AS был сделан этот фермент нечувствительным к ингибитора и получены трансгенные линии риса с экстра-экспрессией свободного триптофана в 35-180 раз выше по нетрансформованого контроля.