Genetické řízení tvorby hrachového škrobu

Svraštělá semena jsou výsledkem mutací v lokusu rugosus (rugosus = vrásčitý), který se označuje jako r a o kterém je známo, že se podílí na syntéze škrobu.

WHITE (1917) symbolizoval gen „tvaru semene“ znakem R. Kulatý = RR, vrásčitý = rr. KAPPERT (1914) udává, že tento gen neurčuje pouze tvar semene, nýbrž také tvar škrobových jader (oválná nebo kulatá) a rozdíly v obsahu cukru u hrachu se svraštělými semeny a u hrachu se semeny kulatými.

KELLENBERGER (1951) zjistil genetickými metodami, že gen R ovlivňuje vedle znaků uvedených KAPPERTEM (1914) také obsah škrobu i obsah amylózy v něm obsažené. Přítomnost genu r snižuje obsah škrobu asi na 35 % a zvyšuje obsah N-látek asi na 26 % a tuků na 3,5 %. Přítomnost genu nazývaného rb umožňuje sekundární svraštění a je také příčinou změny složení škrobu suchých semen. Vyvolává snížení podílu škrobu asi na 36 % a růst obsahu N-látek na 27 % a tuků na 4,5 %. Dále mutace v rb lokusu mění složení škrobu, v tomto případě je zastoupení amylózy ve škrobu sníženo asi na 23 % a obsah amylopektinu se zvýší asi na 77 %. Suché zralé semeno hrachu, které obsahuje obě mutace lokusů r a rb, je také svraštělé a obsah škrobu je snížen asi na 24 % a obsah N-látek a tuků se zvyšuje asi na 28 % a 5 % (WANG a HEDLEY, 1991).

KOOISTRA (1962), který pojednával ve svém genetickém výzkumu o již výše zmiňovaném třetím, intermediárním typu hrachu (tzv. americkém hrachu), předpokládal na základě výsledků svých prací účinek dvou genů (Ra a Rb) na utváření škrobu (viz tab. 4).
Obsah škrobu je ovlivňován počtem přítomných dominantních genů (Ra. Rb. = vysoký obsah škrobu, cca. 45 – 55 %, hrách s kulatými semeny). Pokud se vyskytuje jeden z genů v dominantním nebo recesivním postavení (raraRb. nebo Ra.rbrb), jsou semena hrachu svraštělá a mají střední obsah škrobu (cca. 30 – 35%). Při zdvojené recesivitě (rararbrb) klesá obsah škrobu na minimum (cca. 20 – 25%) a semena mají svraštělý povrch.

Při sledování znaku obsah amylózy připisuje KOOISTRA (1962) genům Ra a Rb následný vliv. Ra snižuje obsah amylózy o koeficient 0,57. Rb zvyšuje obsah amylózy o koeficient 1,53. Pokud budeme předpokládat u výchozího typu se dvěma homozygotně recesivními geny (rararbrb) obsah amylózy 60 %, potom by dosahoval genotyp typu RaRarbrb jen 34,2 % amylózy, zatímco genotyp typu raraRbRb by mohl potencionálně dosáhnout 91,8 % amylózy. Celkový obsah škrobu by ovšem nepřesáhl 35 %. Na základě těchto genetických analýz se zdá nemožné vyšlechtit odrůdu hrachu s kulatými semeny, s vysokým obsahem škrobu a současně s vysokým obsahem amylózy (SCHRÖDER, 1987).

Na podkladě sekvenčních analýz (BHATTACHARYYA et. al. 1990) bylo prokázáno, že u Mendelem zkoumaného genotypu hrachu se svraštělými semeny došlo k mutaci genové lokalizace pro alelu RR (typ kulatých semen), případně rr (typ svraštělých semen) transpozonově podobnou inzercí („Ips – r“ = Insertion pisum sativum na genové lokalizaci r), čímž došlo k výpadku osmi set párů bazí (0,8 Kb) případně 61 aminokyselin, které „kódují“ větvící enzym SBEI. Transpozon typu DS je alespoň na svých křídlech podobný transpozonu AC, který již byl izolován z kukuřice jako „skákající gen“. Výpadek aktivních substancí je právě příčinou nehybnosti DS transpozonu, takže spontánní mutace, která je předpokladem zvýšené tvorby amylózy u hrachu se svraštělým povrchem semen, musí být posuzována jako relativně stabilní.

Genotyp    Fenotyp
Forma semen    Škrobová zrna    Obsah škrobu    Obsah amylózy
Ra= s kulatým
povrchem semen    Ra.Rb.= kulatá    Ra..= složení
jednoduché,    Ra.Rb.= vysoký    rararbrb= např.60%
rara..= se
svraštělým
povrchem semen    rara..= vrásčitá    oválné s podélnou
rýhou    Ra.rbrb= střední    Ra...= 34,2%
koef.: (-0,57)
 ..rbrb= vrásčitá    rara..= složení
jednoduché    raraRb.= střední    raraRb.= 91,8%
koef. : (+1,53)
 kulaté, paprsčitě
rozštěp    rararbrb= malý    
RaRaRbRb    kulatá    oválná, podél.
rýha    vysoký (40-50%)    malý(34,4%)
RaRaRbrb    kulatá    oválná, podél.
rýha    vysoký    malý(34,4%)
RaraRbRb    kulatá    oválná, podél.
rýha    vysoký    malý(34,4%)
RaraRbrb    kulatá    oválná, podél.
rýha    vysoký    malý(34,4%)
RaRarbrb (amer.typ)    vrásčitá    oválná, podél.
rýha    střední (30-35%)    malý(34,4%)
Rararbrb (amer.typ)    vrásčitá    oválná, podél.
rýha    střední     malý(34,4%)
raraRbRb (evr.typ)    vrásčitá    kulatá, papr.
rozštěp.    střední     vysoký (91,8%)
raraRbrb (evr.typ)    vrásčitá    kulatá, papr.
rozštěp.    střední     vysoký (91,8%)
rararbrb    vrásčitá    kulatá, papr.
rozštěp.    malý (25-30%)    vztažná velikost
např. 60%

Protože je výstavba amylopektinu nejefektivnějším způsobem tvorby škrobu zrnin, nemůže hrách se svraštělým povrchem semen, bohatý na amylózu, díky výpadku jedné nebo obou potřebných SBEI – Isoforem (SMITH, 1988) poskytovat stejné množství celkového škrobu (cca 30 – 35%) jako hrách s kulatými semeny (cca 50 – 55%).

Nové studie molekulární biologie a biochemie genů r a rb ukazují, jak produkty těchto genů hrají důležitou úlohu při biosyntéze škrobu. Předpokládá se, že cesta tvorby škrobu v semeni hrachu je tvořena třemi kroky, které katalyzují tři enzymy:

  1. ADP–glukózodifosforyláza
  2. škrobová syntáza
  3. starch branching enzym – SBE

SBE a škrobová syntáza existují v rozmanitých formách, kdežto ADP–glukózodifosforyláza má dva páry podjednotek vyžadujících produkci více než jednoho polypeptidu a je kódována více než jedním genem umožňujícím indukci velkého počtu rozdílných mutantů přímo blokovaných v biosyntéze škrobu.
 

Reference:

BHATTACHARYYA, M., K., SMITH, A., M., NOEL ELLIS, T., H., HEDLEY, C. a MARTIN C.: The wrinkled – seed character of pea described by Mendel is caused by a transpozon – like insertion in a gene encoding starch – branching enzyme. Cell, Vol. 60, 1990, 115 – 122.
KAPPERT, H.: Untersuchungen an Mark – und Zuckererbsen und ihren Bastarden. Diss. Universität Münster, 1914.
KELLENBERGER, S.: Inheritance of starch content and amylose content of the starch in peas (Pisum sat.) Agron. J. 43, 1951, 337 – 340.
KOOISTRA, E.: On the differences between smooth and three types of wrinkled peas. Euphytica 11, 1962, 357 – 373.
SCHRÖDER, G.: Aufbau von basispopulationen mit hohen amylosegehalt bei erbsen. GFP – Forschungsauftrag öe 37/87 NR, 1. Zwischenbericht, 1987.
SMITH, A. M.: Major differences in isoforms of starch – branching enzyme between developping embryos of round– and wrinkled– seeded peas (Pisum sat. L.) Planta 175, 1988, 270 – 279.
WANG, T. L. a HEDLEY, C. L.: Seed development in peas: knowing your three ‘r’s’ (or four or five). Seed Science Research, 1, 1991, 3 – 14.
WHITE, O. E.: Studies of inheritance in Pisum. II. Proc. Amer. Philos. Sci. 56, 1917, 487 – 588.