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

durabilă

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.

Proteine ​​și aminoacizi

Micronutrienți

Fier (Fe)

Deficitul de fier (Fe) din India raportează că 79% dintre copiii preșcolari și 56% dintre femei sunt anemici (Krishnaswamy, 2009). Programul de suplimentare a Fe în India din 1970 nu a reușit să abordeze problema deficitului de fier (Anand și colab., 2014). Recunoscând biofortificarea ca o alternativă fezabilă pentru livrarea Fe, HarvestPlus a dezvoltat un mei cu perle cu conținut ridicat de Fe prin reproducere convențională (HarvestPlus, 2009). Primul pas în creșterea culturilor pentru o nutriție mai bună este evaluarea diversității genetice a germoplasmei disponibile pentru trăsătura nutrițională țintă. ICRISAT, membru al HarvestPlus a întreprins procesul de screening al germoplasmei de mei de perle pentru surse cu densitate mare de Fe. Rapoartele timpurii au relevat o corelație pozitivă a conținutului de boabe de Fe și Zn, fără o corelație semnificativă a randamentului boabelor și a mărimii semințelor (Velu și colab., 2007, 2011; Gupta și colab., 2009; Govindaraj și colab., 2013). Acest lucru a sugerat creșterea conținutului de cereale Zn ca trăsătură asociată în timpul reproducerii pentru mei de perle cu conținut ridicat de Fe.

Perspectivele creșterii mei de perle pentru un conținut ridicat de Fe au început în anul 2004 cu screening-ul accesiunilor de germoplasmă, părinți de semințe, soiuri polenizate deschise (OPV), populații îmbunătățite și progenii populației. Progenii derivate din AIMP 92901, un OPV cu randament ridicat, au prezentat o variabilitate mare între populație, cu cele mai ridicate niveluri de Fe (aproximativ 76 mg/kg) și Zn (aproximativ 65 mg/kg) decât controlul lor parental (Velu și colab., 2007). Toate progeniturile îmbunătățite au fost derivate din germoplasma iniadă. Terenurile Iniadi din subcontinentul african au caracteristicile agronomice ale fermierilor, cum ar fi maturarea timpurie, dimensiunea mare a semințelor, paniculele compacte, rezistența la boli și toleranța la secetă (Andrews și Anand Kumar, 1996; Rai și colab., 2008). Prin urmare, germoplasma iniadi a fost exploatată pentru alte experimente de hibridizare pentru a se reproduce pentru un conținut ridicat de Fe. Velu și colab. (2008) au identificat ICTP 8203, un OPV comercial (Rai și colab., 1990) lansat în India până în 1998 și încă cultivat pentru a deține cel mai ridicat conținut de Fe și Zn. Până în anul 2012, soiul biofortificat cu conținut ridicat de Fe „ICTP 8203 Fe 10-2” dezvoltat prin testarea descendenților a fost lansat comercial în India. ICTP 8203 Fe 10-2 a avut cu 9% mai mult Fe (71 mg/kg) și cu 11% mai mult randament de cereale decât controlul parental (Rai și colab., 2013).

Profitând de polenizarea încrucișată în meiul de perle, crescătorii sunt în căutare continuă de soiuri de elită nutriționale adecvate mediilor locale. Rai și colab. (2014) au testat progenii părinților semințelor și progenii părinților restauratori pentru variabilitatea Fe și Zn utilizând spectroscopia de fluorescență cu raze X Densitatea medie a Fe a acestor descendenți a crescut cu 5-66% față de soiurile martor. Deoarece germoplasma Iniadi este o sursă promițătoare pentru densități mari de Fe și Zn, Rai și colab. (2015) și Upadhyaya și colab. (2016b) au evaluat accesele germoplasmei și cursele terestre folosind spectroscopia de emisie atomică cu plasmă cuplată inductiv. S-a observat o variabilitate semnificativă pentru Fe (51-121 mg/kg) și Zn (46-87 mg/kg) cu corelație pozitivă. Sursele noi pentru dezvoltarea mei de perle bogate în nutrienți includ IP 17521 de Gnali (106,9 mg/kg), IP 11523 de Idiyouwe (106,5 mg/kg) și IP 17518 de Gnali (79,1 mg/kg), IP 11535 de Iniadi (78,4 mg )/kg) pentru conținutul de fier (Fe) și respectiv conținutul de zinc (Zn). Aceste accesiuni de germoplasmă cu densitate mai mare de nutrienți decât cultivarul comercial ICTP 8203 sunt surse valoroase pentru introgresarea Fe și Zn ridicate în liniile de reproducere de elită. Continuarea programului de reproducere cu încrucișări planificate va ajuta la identificarea liniilor parentale dense în nutrienți, potrivite pentru schimbarea rapidă a condițiilor climatice.

Meiul de perle biofortificat cu conținut ridicat de Fe oferă fier de două ori mai mare decât soiurile moderne de grâu. Acest lucru a dus la creșterea absorbției fierului cu 5-10% la aproximativ 35 de milioane de persoane care consumă mei de perle biofortificate (Cercamondi și colab., 2013; Kodkany și colab., 2013). Încercarea de hrănire de Haas și colab. (2013) au dezvăluit că consumul de 232 g de făină de mei de perle biofortificată/zi a rezolvat cu 65% mai multă deficiență de fier la copiii din școala indiană. În mod similar, un studiu randomizat de eficacitate al mei de perle biofortificate cu fier a fost efectuat timp de 6 luni la copiii din liceul din Maharashtra pentru a evalua îmbunătățirea stării Fe. Populația studiată a inclus copii cu risc crescut de deficit de fier, diete cu conținut scăzut de fier și consum regulat de mei de perle. Aportul de fier al copiilor care consumă mei de perle biofortificate a depășit cu mult EAR în decurs de 4 luni. A existat o creștere fenomenală a feritinei serice și a nivelului total de fier al corpului. Doza de fier livrată a fost comparabilă cu cea obținută prin studii de suplimentare (Finklestein și colab., 2015). Rezultatele promițătoare din studiile de bioeficiență sunt dovezi clare pentru utilizarea meilor biofortificați ca intervenție durabilă în populațiile cu risc ridicat pentru a depăși deficiența de fier.

Zinc (Zn)

Ținte moleculare pentru acumularea de micronutrienți în mei. În orez (Oryza sativa), opt zip-uri facilitează absorbția fierului și zincului. OsZIP1 și OsZIP3 ajută la absorbția zincului din sol; OsZIP4, OsZIP5 ​​și OsZIP8 translocează zincul din rădăcini în lăstari; OsZIP4 și OsZIP8 sunt implicați în umplerea cerealelor. Două transportoare Fe 2+, OsIRT1 și OsIRT2 ajută la absorbția fierului din sol. În meiul degetelor (Eleusine coracana), absorbția de calciu implică trei transportori de Ca2+ și două proteine ​​kinaze dependente de calmodulină (CaMK). TPC1, ATPase, CAX1, CaMK1 și CaMK2 joacă un rol vital în absorbția, translocarea și acumularea de calciu. ATPază, pompă CaM stimulată de tip IIB Ca 2+; Antiportor sau schimbător CAX1, Ca 2+/H +; TPC1, canal cu doi pori; ZIP, transportoare reglementate de Zn și proteine ​​asemănătoare transportorului cu fier (Fe).

Calciu (Ca)

Vitamine

Deficitul de vitamina A reprezintă o amenințare gravă pentru bunăstarea copiilor și a femeilor însărcinate din țările în curs de dezvoltare (Organizația Mondială a Sănătății [OMS], 2011). Biofortificarea culturilor discontinue, cum ar fi cartoful dulce, manioca și porumbul, pentru o creștere convențională a provitaminei A, a obținut un mare succes (Bouis și colab., 2011). Colecțiile de mei, pe de altă parte, nu au o variație genetică suficientă pentru conținutul de beta caroten (Buerkert și colab., 2001; Upadhyaya și colab., 2011a). Prin urmare, reproducerea tradițională a provitaminei A ridicate la mei nu este fezabilă. În astfel de cazuri, abordarea transgenică favorizează ingineria metabolică a biosintezei vitaminelor la plante. Orezul auriu este un exemplu notabil pentru modificarea genetică a provitaminei A din boabe (Paine și colab., 2005). Problemele de reglementare privind culturile modificate genetic (GM) sunt revizuite cu dovezi științifice pentru a facilita producția lor comercială. Prin urmare, cercetările asupra meilor modificate genetic cu vitamine îmbogățite iau avânt.

Antinutrienți

Acidul fitic este mult redus la mutanții cu fitat scăzut (lpa) ai orezului, grâului și porumbului (Larson și colab., 2000; Pilu și colab., 2003; Guttieri și colab., 2004; Kim și colab., 2008). În majoritatea cazurilor, mutanții lpa au avut efecte negative asupra randamentului culturilor și a altor trăsături agronomice. În continuare, ingineria genetică a fost considerată o alternativă mai sigură pentru a genera mutanți lpa (Feng și Yoshida, 2004). Genele care controlează calea biosintetică a acidului fitic au fost bine caracterizate în culturile majore de cereale (Raboy și Bowen, 2006). Trei enzime (MIPS, mio-inozitol-3-fosfat sintază; MIK, mio-inozitol-3-fosfat 5/6-kinază; IPK1, inozitol 1,3,4,5,6-pentakisfosfat 2-kinază) exprimate în diferite nivelurile căii biosintetice sunt țintele moleculare pentru producerea culturilor cu fita scăzută (Stevenson-Paulik și colab., 2002; Shi și colab., 2005; Sweetman și colab., 2006; Kuwano și colab., 2009). Tăcerea cu succes a genei IPK1 prin tehnologia RNAi a produs orez cu nivel scăzut de fitat, fără efect semnificativ asupra parametrilor de randament (Ali și colab., 2009). Recent, mutageneza inserțională a genei IPK1 de către nucleaze specifice site-ului, cum ar fi nucleaze de deget de zinc (ZFN), a dus la porumb cu fitat scăzut (Shukla și colab., 2009). Instrumentele de editare a genomului care apar rapid au astfel un potențial enorm de a dezvolta mei biofortificați prin inginerie precisă a căii biosintetice a acidului fitic.

Concluzie și perspective de viitor

Contribuțiile autorului

AV a conceptualizat și a scris manuscrisul. RR a editat manuscrisul și a revizuit critic manuscrisul pentru publicare.

Declarație privind conflictul de interese

Autorii declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricărei relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretată ca un potențial conflict de interese.

Evaluatorul [TB] și editorul de gestionare și-au declarat afilierea partajată, iar editorul de gestionare afirmă că procesul a îndeplinit totuși standardele unei revizuiri corecte și obiective.

Mulțumiri

Autorii mulțumesc conducerii Colegiului Loyola pentru furnizarea de laborator și facilități de infrastructură pentru desfășurarea activității de cercetare. De asemenea, extindem recunoștința către Dr. G. Ganesan pentru comentariile sale critice asupra manuscrisului.

Note de subsol

Finanțarea. Această lucrare este publicată în cadrul proiectului major de cercetare finanțat de Colegiul Loyola - Times of India, Chennai, India (Cod de aprobare a proiectului: 4LCTOI14PBB001) și Schema de acordare a cercetării UGC (F.30-1/2014/RA-2014-16-GE- TAM-5825 SA-II).