Biofortificarea în mei O abordare durabilă pentru securitatea nutrițională
Abstract
Introducere
Securitatea nutrițională este cheia pentru îmbunătățirea stării de sănătate a populației lumii, întrucât omenirea este în primul rând dependentă de dietele pe bază de plante. Plantele sunt principala sursă de nutrienți esențiali pentru creșterea și dezvoltarea normală. Cu toate acestea, jumătate din populația globală, în special persoanele din Asia și Africa, suferă de deficiență nutrițională, deoarece se bazează pe culturile de cereale pentru hrană (White și Broadley, 2005; Hirschi, 2009; Zhao și McGrath, 2009). Biofortificarea este o abordare bazată pe alimente pentru a depăși foamea nutrienților prin livrarea de culturi dense în nutrienți la pașii ușii populațiilor sărace (Bouis și colab., 2011). Programul de provocare a biofortificării (BCP) în cadrul proiectului Micronutrienți HarvestPlus-Grup consultativ pentru cercetare agricolă internațională (CGIAR) s-a concentrat în principal pe șapte culturi principale de bază (orez, fasole, manioc, porumb, cartof dulce, mei de perle și grâu) care vizează trei micronutrienți importanți (Fe, Zn și vitamina A) (Welch și Graham, 2004). În țările asiatice și africane sărace în resurse, meii furnizează 75% din aportul total de calorii lângă boabele de cereale, cu o producție medie anuală de 14,2 și 12,4 milioane de tone (Belton și Taylor, 2004; O’Kennedy și colab., 2006). India este principalul producător de mei care reprezintă aproximativ 80% din producția mondială de mei (Organizația pentru Alimentație și Agricultură [FAO], 2015).
Mei sunt nutrițional superiori orezului și grâului deoarece conțin o cantitate mare de proteine, fibre dietetice, fier, zinc, calciu, fosfor, potasiu, vitamina B și aminoacizi esențiali (Hegde și colab., 2005; Saleh și colab., 2013). Dar prezența antinutrienților precum fitații, polifenolii și taninurile reduc biodisponibilitatea mineralelor prin chelarea cationilor multivalenți precum Fe 2+, Zn 2+, Ca 2+, Mg 2+ și K + (Oberleas, 1973; Gupta, 1980; Kumar și Chauhan, 1993; Abdalla și colab., 1998; Abdel Rahman și colab., 2005). În plus, cantități mari de inhibitori de protează și amilază afectează digestibilitatea boabelor de mei (Shivaraj și Pattabiraman, 1981; Pattabiraman, 1986; Joshi și colab., 1999). Predominanța factorilor antinutriționali a redat astfel statutul de orfan meilor în ceea ce privește importanța economică globală.
Semnificația nutrițională
Caracterizarea germoplasmei de mei pentru nutrienți din cereale
Colecția de germoplasmă a acceselor de mei în banca de gen ICRISAT. Cercul concentric exterior reprezintă întreaga colecție de mei urmată de subseturi reduse de colecții de miez și minicore în cercurile interioare.
Colecții Core și Minicore
Caracterizarea întregii germoplasme pentru trăsături importante din punct de vedere economic este o sarcină descurajantă pentru crescători. În ultimele două decenii, caracterizarea germoplasmei la ICRISAT a condus la înființarea colecțiilor de bază și minicore pentru meiul de perle (Bhattacharjee și colab., 2007; Upadhyaya și colab., 2009, 2011a), meiul deget (Upadhyaya și colab., 2006 ).) și mei de coadă de vulpe (Upadhyaya și colab., 2008, 2011b), în timp ce numai alte colecții de bază au fost stabilite pentru alte mei mici (Upadhyaya și colab., 2014)Figura Figura 1 1 ).
Macronutrienți
Amidon
Structura moleculară a genei de amidon sintază 1 legată de granule (GBSS 1) în Setaria italica și Panicum miliaceum asociată cu fenotipuri de ceară. Două polimorfisme apar în alela wx a Setariei: inserția elementelor transpozabile, TSI-2 (5.250 bp - Tip IV) în intronul 1 și TSI-7 (7.674 bp - Tip V) în exonul 3. Trei SNP apar în secvența exonului Panicum ceros: ștergere de 15 bp [GCGCTGAACAAGGA GGCGCTG] în exonul 10 (tip S), inserarea unui reziduu de adenină în exonul 9 care duce la citirea mutației framehift (tip L) și substituția G/A în exonul 7 care transformă reziduul de cisteină la tirozină (tip L). Exonii și intronii sunt notați prin casete și, respectiv, bare.
Meiul de grâu japonez este un alohexaploid și se consideră că mutațiile din trei alele conferă natură cerată. Probabilitatea unor mutații spontane în toate cele trei alele de a obține soiuri cerate este dificilă. Grâul, de asemenea un alohexaploid, sa dovedit a avea mutații spontane la unul sau doi loci cerosi (Nakamura și colab., 1993a, b). Mutageneza prin tratament chimic pe un soi de grâu cu conținut scăzut de amiloză cu gene nefuncționale Wx-A1 și Wx-B1 a produs un mutant ceros (Yasui și colab., 1997). Cu grâul ca sistem model, Hoshino și colab. (2010) au încercat să mutagenizeze rasa de mei de grâu (Noge-Hie) în fenotipuri de ceară prin tratament cu iradiere cu raze gamma Co 60. Una dintre plantele mutante a prezentat o reducere semnificativă a conținutului de amiloză. Analiza PCR a genelor de ceară din această linie scăzută de amiloză utilizând grunduri concepute din secvențele consens de mei de coadă de vulpe, mei de perle, sorg și grâu a detectat absența unei secvențe genetice specifice fenotipurilor cerate. Spre deosebire de grâul ceros cu mai multe alele Wx nefuncționale, s-a constatat că mutația pierderii funcției într-o singură alelă produce soiuri cerate în meiul de grădină (Hoshino și colab., 2010).
Creșterea tradițională în mei pentru trăsătură cerată este un proces care necesită multă muncă și consumă mult timp. A fost nevoie de aproape 15 ani pentru a transforma trăsăturile de ceară în cultivarul de mei de coadă de vulpe de elită non-ceară Yugu1 prin reproducere încrucișată (Quan și colab., 2010). Selecția asistată de marker accelerează procesul de reproducere convențională. Dar informațiile despre markerii moleculari legați de trăsăturile de ceară din mei rămân cu mult în urma cerealelor. De acum înainte, genotiparea diverselor germoplasme de mei prin re-secvențiere cu un randament ridicat va facilita dezvoltarea de noi markeri moleculari pentru a mapa trăsăturile cerate. Analiza moleculară a genei ceroase din mei de coadă de vulpe, mei de mei și mei de curte a identificat mutații la una sau mai multe alele. Odată cu progresele recente în editarea genomului, aplicarea nucleazelor programabile specifice site-ului este o abordare simplă de a induce mutații genetice în soiurile de elită non-ceară pentru a le transforma în fenotipuri de ceară. Astfel, abordările genomice vor accelera îmbunătățirea genetică a meilor într-un mod rentabil pentru a produce soiuri biofortificate.