Пшеница является одной из важнейших продовольственных культур в мире, формируя основу рациона миллионов людей, прежде всего в виде хлеба. Недавнее совместное исследование ученых из Института биологии пищевых систем Лейбница при Мюнхенском техническом университете и Института генетики растений и растениеводства Лейбница (IPK) пролило свет на то, как генетические модификации, влияющие на рост пшеницы, сказываются на микроскопической структуре белка, отвечающего за ее хлебопекарные свойства.
Исторический контекст улучшения пшеницы связан с «зеленой революцией» 1960-х годов, которая привела к трансформации сельского хозяйства. Внедрение генов карликовости, известных как гены «Rht» (Reduced height), сделало растения короче, устойчивее к полеганию от ветра и дождя и позволило им направлять больше ресурсов на формирование зерна. В результате урожайность резко возросла, что укрепило глобальную продовольственную безопасность. Сегодня более 70% сортов пшеницы во всем мире несут как минимум один из этих генов.
Несмотря на широкое распространение, оставалось неясным, как эти гены влияют на биохимическую природу глютена — сложной белковой сети, определяющей качество выпечки. Глютен состоит из двух классов белков: глиадинов, придающих тесту вязкость и растяжимость, и глютенинов, отвечающих за упругость и прочность. Баланс между ними имеет решающее значение для структуры теста, объема и текстуры хлеба.
Чтобы разобраться в этом вопросе, немецкие исследователи провели масштабный эксперимент, сравнивая высокие дикие линии пшеницы с генетически почти идентичными сортами, отличающимися только наличием и типом генов «Rht». Эксперимент длился три года и показал, что распространенные гены карликовости, такие как «Rht1» и «Rht2», не оказывают заметного влияния на состав глютена. Профили белка в этих полукарликовых и карликовых сортах были очень похожи на профили их высоких «предков». Это снимает опасения, что фундаментальные для «зеленой революции» гены ухудшили хлебопекарные качества пшеницы.
Однако аллели, отвечающие за экстремальную карликовость, в частности «Rht3», привели к существенному снижению содержания глютена и нарушению соотношения глиадина и глютенина. Такой дисбаланс может ухудшить эластичность и прочность теста, что негативно скажется на качестве и объеме хлеба. Таким образом, к использованию этих генов в селекции следует подходить с осторожностью.
Исследование также выявило, что погодные условия оказывают на состав глютена еще более сильное влияние, чем генетика. Например, урожай 2021 года, собранный в условиях теплой и влажной погоды во время созревания зерна, характеризовался особенно неблагоприятным соотношением белков. Это говорит о том, что селекционерам и аграриям необходимо учитывать климатические переменные, особенно в контексте глобального изменения климата, для получения стабильного качества урожая.
Полученные данные имеют большое практическое значение. Они подтверждают безопасность дальнейшего использования проверенных генов карликовости в современной селекции без ущерба для хлебопекарных свойств. В то же время результаты подчеркивают важность комплексного подхода, который учитывает взаимодействие генов и окружающей среды для создания устойчивых сортов пшеницы, способных обеспечить продовольственную безопасность и здоровье населения в быстро меняющемся мире.
