Біохімічна дія мутації регуляторного гена opaque-2 у зерні високолізинової кукурудзи: 50 років досліджень

В обзоре обобщены результаты 50-летнего периода биохимических и молекулярно-биологических исследований особенностей метаболизма созревающего зерна высоколизинового мутанта кукурузы opaque-2.

Ключевые слова: кукуруза, зерно, ген, opaque-2, мутация, лизин, триптофан Одна из сложившихся экологических систем в природе — пищевая: солнечная энергия — растение — животное — человек. Человек питается мясом животных, которые едят растения, последние используют солнечную энергию. Эффективность этой естественной кормовой цепи очень мала. По расчётам Несмеянова А. Н. и Беликова В. М обширное поле — четыре гектара, засеянные люцерной, может прокормить 4−5 телят, которые нужны для питания в течение года одного человека весом 50 килограмм и обладающего нормальным аппетитом. Из всей солнечной энергии, падаюшей на поле, люцерна использует для своего роста всего около 0,24%. Из энергии, накопленной люцерной, телята используют для своего роста 8%. Из энергии, накопленной телятами, человек использует для своего жизнеобеспечения 0,7%. В итоге в теле человека остаётся около миллионной доли от энергии солнечных лучей, падающих на поле. Миллионная доля человеку, 999 999 долей — потери на движение, на испарение, на несъедобные растительные остатки, копыта, рога, шкуру, обеспечивающие сохранение вида растений или животных [6].

КПД — одна миллионная! И это ещё без учёта потерь в пути! И это ещё на относительно прекрасном корме, которым является люцерна. На практике же животные и птицы в основном питаются зерном злаков — пшеницы, ячменя и кукурузы, питательность которого значительно уступает зелёной массе люцерны, из-за несбалансированности белка по аминокислотам. В значительной мере эта несбалансированность определяет белковый голод, всемирную нехватку белков. Источники энергии — жиры и углеводы можно заменить друг другом или даже белками. Но белки не заменишь ничем.

Вот почему так остро стоит проблема повышения питательных свойств белков злаков. Вот почему уже на протяжении около 50 лет в ведущих странах мира важнейшим объектом исследований молекулярных биологов является созревающее зерно злаковых, зернобобовых и масличных культур. Важным стимулом развития этих исследований было открытие в 1964 году биохимического действия мутации регуляторного гена opaque-2, определяющей существенное повышение питательных свойств зерна кукурузы [41]. Основным биохимическим проявлением этой мутации является нарушение превращения свободного лизина в созревающем эндосперме кукурузы в глутамин [8, 10, 24], т. е. синтез белка в зерне мутантной кукурузы происходит в условиях аминокислотного имбаланса. Бедные лизином запасные белки злаков не могут связать лизин, токсичный для клетки в высокой концентрации, и поэтому возрастает количество богатых лизином альбуминов и глобулинов. Однако в состав этих белковых фракций входят ферменты, ответственные за различные стороны метаболизма, поэтому увеличение их количества, а соответственно, и активности приводит к дисгармонии метаболизма созревающего зерна кукурузы, выражающейся в нарушении дифференциации тканей эндосперма зерна и изменению физических свойств зерна [10].

В настоящей статье авторы попытались проанализировать многолетние мировые и собственные экспериментальные данные по исследованию молекулярных основ действия мутантного гена opaque-2 по изменению белкового и аминокислотного составов зерна кукурузы и показать перспективы применения этих новых знаний на практике, в ходе создания высоколизиновой кукурузы.