Межі в галузі рослинництва

Селекція рослин

Ця стаття є частиною Теми дослідження

Білкові культури: Їжа та корми на майбутнє Переглянути всі 29 статей

Редаговано
Дієго Рубіялес

Інститут сталого сільського господарства, Іспанська національна наукова рада, Іспанія

frontiers

  • Завантажити статтю
    • Завантажте PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Додаткові
      Матеріал
  • Експортне посилання
    • EndNote
    • Довідковий менеджер
    • Простий текстовий файл
    • BibTex
ПОДІЛИТИСЯ НА

Редакційна СТАТТЯ

  • 1 Біологія агросистем, Misión Biológica de Galicia, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Понтеведра, Іспанія
  • 2 Інститут сільськогосподарської біології та біотехнологій, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Мілан, Італія
  • 3 Інститут сільськогосподарських наук (ICA), Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Мадрид, Іспанія
  • 4 Генеральний директор, відповідальний за дослідження та стратегію, Французька організація сільськогосподарських досліджень та міжнародного співробітництва (CIRAD), Монпельє, Франція
  • 5 Науково-дослідний підрозділ з управління відновлюваними ресурсами та довкіллям (UPR GREEN) (CIRAD), Монпельє, Франція

У цю тему дослідження (Білкові культури: Їжа та корми на майбутнє) були включені статті, що стосуються різних аспектів білкових культур, таких як селекція та вибір сортів з високою врожайністю або певними ознаками, біорізноманіття, стале вирощування, використання продуктів харчування та кормів, харчова цінність, користь для здоров’я та соціально-економічні чи екологічні проблеми, які можуть вважатися вирішальними для забезпечення рослинних білків майбутнього.

Нові рамки оцінки були розроблені Reckling et al. і застосовується у п’яти регіонах тематичного дослідження в Європі з метою оцінки компромісів між економічними та екологічними наслідками інтеграції бобових культур у системи посівів. Системи посіву зернобобових культур значно зменшили викиди закису азоту та використання азотних добрив в орних та кормових системах. Однак зернобобові зменшили валову рентабельність у 3 з 5 регіонів, тоді як кормові бобові збільшили валову рентабельність у 3 з 3 регіонів. Бобові культури також виявились корисними при сівозміні та взаємодії з зерновими. Correa-Galeote та ін. доповідь про зміну бактеріальних спільнот у ризосфері кукурудзи внаслідок врожаю конюшини.

Тому збільшення вирощування бобових культур може призвести до економічних конкурентних систем посівів та позитивного впливу на навколишнє середовище, але досягнення цієї мети вимагає розробки нових стратегій управління, що базуються на залученні радників та фермерів, і часто необхідно підтримувати фермерів у їхніх зусиллях покращити рівень біорізноманіття на своїх фермах. Оскільки багато бобових культур запилюються, важливість взаємодії рослини-запилювача (ІПП) у бобових культур полягає в поєднанні важливості запилення для виробничої служби та стратегій розведення, а також зростаючої актуальності для пом'якшення зменшення кількості запилювачів через розробка та впровадження природоохоронних заходів. Дослідження Сузо та співавт. Про ІЦВ охоплює цілий ряд оглядів, думок та перспектив, і пропонуються два основні підходи: (а) землеробство з альтернативними запилювачами та (б) система проектування врожаю.

Лукас та ін. зосередитися на майбутньому люпину як білкової культури в Європі і дійти висновку, що люпин може сприяти соціально-економічному зростанню та екологічним вигодам у Європі за умови, що передові методи селекції дають нові продуктивні сорти люпину, а нові процеси оптимізовані для отримання високих -якісні білкові інгредієнти для товарних продуктів харчування, що пропонуються споживачам. Потреба в оптимізації обробки білка люпину для підвищення харчової цінності та безпеки харчових продуктів також розглядається Bartkiene та співавт.

Зростає усвідомлення необхідності врахування ознак якості насіння в селекційних програмах білкових культур. Беллалуї та ін. обговорити агрономічне дослідження, яке мало на меті проаналізувати вплив практики управління (дата посадки та норма висіву) на склад насіння сої. Білки для зберігання насіння є цінним джерелом незамінних амінокислот для дієти; однак у багатьох насінах бобових вони часто мають біологічну активність, яка може бути або корисною, або згубною для споживача. Спарволі та ін. показати, як генетичне видалення лектинів у звичайній квасолі та утримання інгібітора α-амілази разом із зменшенням накопичення фітату може виявитися корисним для виробництва борошняних композиційних борошнів для приготування нових продуктів харчування, печива з поліпшеними харчовими властивостями. Герман та Шмідт обговорюють потенціал для розробки сої для корму для аквакультури шляхом видалення білків, що не піддаються харчуванню, та збільшення корисних сполук.

Майже 50% світового запасу харчових білків надходить із насіння злаків (faostat.fao.org). Більшість цих білків (проламінів) накопичуються в білкових тілах (РВ), великих полімерах, що утворюються в ендоплазматичній сітці (ЕР). Навпаки, найпоширеніші класи білків для зберігання насіння, 2S альбуміни та глобуліни 7S/11S накопичуються у вакуолях для зберігання білків (PSV), які є першим субклітинним відділом, який еволюціонував для зберігання білків насіння. Оскільки ER в основному є транзитним відділом, постійне перебування ER білків, які не відіграють ролі в типових функціях ER, здається особливістю, властивою лише проламінам. На основі присутності специфічних доменів у різних класах білків, що зберігаються, а також філогенетичних досліджень еволюції білків, що зберігаються, Pedrazzini et al. сформулюйте гіпотезу про те, як PB еволюціонував із PSV, як просте рішення для розміщення білків, що зберігають проламін. Лі та ін. проаналізувати зміну вмісту альбуміну, глобуліну та глютеніну в зернах пшениці у залежності від швидкості внесення азоту на різних стадіях росту, що може бути ефективним підходом для модуляції розподілу білкових фракцій для конкретного кінцевого використання.

Рамалінгам та ін. переглянути декілька протеомічних та метаболомічних досліджень модельних та посівів бобових культур та обговорити, як інтеграція «оміки» сприятиме виявленню точних біомаркерів у програмах інтелектуального розведення бобових культур. Вони обговорюють різні методологічні підходи разом із біоінформатикою та показують, як їх можна використовувати для вирішення біологічних питань для розуміння механізмів реагування на стрес, клітинних процесів та процесів розвитку та симбіозу.

Інші білкові культури також заслуговують на увагу. Конопля - старовинна культура, яку культивували у всьому світі до початку ХХ століття, після чого її вирощування занепало. Нещодавно інтерес до цієї багатоцільової культури, що доставляє волокна, шпильки та насіння, поновився через зростаючий попит не лише на природні волокна, а й на високий вміст та якість насіннєвого білка та олії. Галассо та ін. вивчав склад колекції генотипів конопель різного географічного походження з метою виявлення потенційних генотипів для вдосконалення сортів конопель. Їх результати виявляють помітні відмінності між генотипами насіння конопель щодо антинутриційних компонентів, вмісту олії та білка. У сукупності це дослідження припускає, що насіння конопель є цікавим продуктом з точки зору білків, олії та молекул антиоксидантів, але зменшення фітинової кислоти було б бажаним як для людей, так і для моношлункових тварин. Беллалуї та ін. та Ян та ін. досліджували харчову цінність бавовни щодо вмісту білка в насінні та ембріонах відповідно.

Ріст сільськогосподарських культур стикається з різними патогенами. Залишатися здоровими залежить від їх здатності розпізнавати патогени та активувати захисні механізми проти них. Захисні реакції заводу регулюються широкою кількістю сигнальних шляхів. Фактори транскрипції (TF) контролюють передачу генетичної інформації від ДНК до РНК шляхом активації або репресії транскрипції, відіграючи важливу роль у розвитку та захисті рослин шляхом регулювання різних сигнальних шляхів (Singh et al., 2002; Udvardi et al., 2007).

Курто Рубіо та ін. використовував високопродуктивну кількісну технологію ПЛР у реальному часі (qPCR) для скринінгу понад 1000 Труборіз медикаго ТФ у чутливих та стійких генотипах M. truncatula після зараження збудником грибка Erysiphe pisi (борошниста роса). Сімдесят дев'ять генів TF, що належать до 33 сімей, продемонстрували значні транскрипційні зміни у відповідь на E. pisi інфекція. Сорок вісім генів TF диференційовано експресувались у стійких генотипах порівняно із чутливим у відповідь на E. pisi інфекція, включаючи фактори транскрипції, пов’язані з патогенезом. Результати свідчать про те, що ці гени TF належать до числа E. pisi чуйні гени у стійких M. truncatula що може становити регуляторну мережу, яка контролює транскрипційні зміни в захисних генах, що беруть участь у стійкості до E. pisi.

Звичайна квасоля чутлива до низьких температур. Швидке і рівномірне проростання насіння та поява сходів в різних умовах навколишнього середовища є бажаною характеристикою сільськогосподарських культур. Звичайні генотипи квасолі відрізняються низькою толерантністю до температур щодо росту та врожайності. Для успіху врожаю квасолі потрібні сорти, стійкі до низьких температур на етапах проростання та сходів, а також носії стандартів якості зерна, які вимагають споживачі. Де Рон та ін. вивчали ефективність 28 генотипів сухих бобів у відкритому грунті та в ростовій камері при низькій, помірній та теплій температурі. Скринінг появи сходів і фенотипової реакції зародкової плазми бобів при діапазоні температур в контрольованих камерах росту та в польових умовах показав кілька генотипів з низькою температурною стійкістю до стресів при появі та високим потенціалом урожайності, що може бути цінним генетичним матеріалом для селекційних програм.

Капуста - теплий сезон бобових культур, на який припадає величезна частина харчових білків жителів Африки на південь від Сахари; однак на нього страждають багато вірусні хвороби, що знижують урожай. Nsa та ін. вивчав ефекти у трьох сортах вигни одиночних інфекцій та супутніх інфекцій трьох неспоріднених вірусів: вірус мозаїки, що переноситься попелицею корови (CABMV), рід Потивірус, вірус плямистої вигни (CMeV), рід Кармовірус, і вірус мозаїки південних бобів (SBMV), рід Собемовірус. Оброблені рослини оцінювали на сприйнятливість до вірусів, зростання та урожайність. У всіх випадках раннє щеплення призвело до вищої тяжкості захворювання порівняно з пізньою інфекцією. Поодинокі, подвійні та потрійні інфекції CABMV, CMeV та SBMV призвели до повної втрати насіння у трьох сортах вигни; тільки сорт Білий дав деякі насіння при 30 DAP.

Сочевиця - третя за значимістю зернова бобова культура у прохолодний сезон у світі після нуту та гороху. Хазай та ін. вивчав генетичне різноманіття та структуру популяції колекції зародкової плазми сочевиці з 352 приєднань з 54 країн, щоб оцінити генетичне різноманіття та генетичну структуру, використовуючи 1194 маркери поліморфного однонуклеотидного поліморфізму (SNP), які охоплюють геном сочевиці. Використовуючи основний координатний аналіз, аналіз структури населення та кластерний аналіз UPGMA, приєднання було розділено на три великі групи: (а) Південна Азія (субтропічна савана), (б) Середземномор'я та (в) північна помірність. На підставі результатів цього дослідження також ясно, що селекційні програми все ще мають значне генетичне різноманіття для видобутку в культивованій сочевиці.

Ряд статей зосереджує увагу на важливості кіноа як кліматично стійкого варіанту зерна для зміни клімату (Ruiz et al., 2014). Це нещодавнє міжнародне визнання для недостатньо використаної культури з Андських нагір’я значною мірою пов’язано з високою харчовою цінністю, але підкреслює важливість високого генетичного різноманіття для адаптації до нових середовищ (Bazile et al., 2015).

Базиле та ін. висловити критику тенденцій щодо глобальної експансії лободи. Після багатовікової занедбаності потенціал лободи був знову відкритий протягом другої половини ХХ століття, і зараз понад 100 країн випробовують або вирощують лободу у всьому світі. Завдяки високому рівню генетичного різноманіття, сільськогосподарська культура дуже стійка до агроекологічних крайнощів, толерантна до морозів, посухи та засолення. Географічне збільшення поширення лободи наголосило на труднощі доступу до якісного насіння, яке є ключовим фактором для тестування врожаю за межами Анд. У цьому контексті дослідницькі партнерства дозволили проводити випробування в нетрадиційних районах вирощування.

Після Міжнародного року кіноа в 2013 році Продовольча та сільськогосподарська організація ООН (ФАО) ініціювала різні випробування на глобальному рівні. Базиле та ін. представити оцінки на місцях, які проводились в Азії та країнах Близького Сходу та Північної Африки. У кожній з дев'яти країн, що брали участь, випробування проводились у різних місцях, які в усьому світі представляють різноманітність 19 аграрних систем для порівняння 21 генотипу лободи з використанням одного і того ж експериментального протоколу в різних місцях. Деякі генотипи демонстрували більш високі врожаї для деяких конкретних місць, коли інші генотипи оцінювались зі стабільними та задовільними рівнями врожайності в кожному з різних дослідних місць. Ця стабільність виробництва має значне значення, особливо в умовах невизначеності кліматичних змін.

Чоукр-Аллах та ін. враховують високу толерантність та стійкість кіноа до багатьох стресів, і різні сорти були перевірені на толерантність до солоності, ефективності використання води та харчових якостей. Автори підсумували 15-річні дослідження з оцінки потенціалу впровадження врожаю в країнах Близького Сходу та Північної Африки та Центральної Азії та описують ключові обмеження для збільшення виробництва в граничних умовах вирощування. Кіноа підтримує продуктивність у бідних ґрунтах та в умовах водної напруги та високої солоності. Тим не менше, більш високі врожаї не гарантують успіху кіноа в регіоні, і, щоб бути успішним, вона повинна відповідати сучасним моделям посівів, системам землеробства, маргінальним землям, що зазнають впливу солоності та лужності, а також у районах, де більшість продовольчих культур не може бути виробляється економічно.

Також пов'язаний із стресовим стресом, Aloisi et al. повідомляли про зміни в протеомному та амінокислотному профілях, вмісті фенолів та антиоксидантній активності в різних сортах лободи під впливом стресу солоності. Ву та ін. розглянути питання про те, як рівень запліднення впливає на толерантність солоності кіноа та як солоність та родючість ґрунту впливають на ознаки якості насіння, з особливою увагою до вмісту білка та твердості насіння та щільності насіння.

Benlhabib et al. представити аналіз генетичного різноманіття 72 рекомбінантно-інбредних ліній та батьків, розроблених шляхом гібридизації між нагірними та прибережними групами зародкової плазми кіноа та оцінених щодо кількісних та якісних ознак. Дослідження висвітлило розширене різноманіття, відроджене серед 72 ліній, та допомогло виявити потенційно пристосовані генотипи кіноа для виробництва в прибережному середовищі Марокко, зокрема деяких ліній, стійких до пероноспорозу. Стеттер та ін. представити додаткове дослідження до Benlhabib et al. орієнтований на амарант. Здається, докази того, що для поліпшення дрібних культур ефективні методи схрещування є основою селекційних програм. Автори розробили три різні методи схрещування та порівняли їх ефективність, підтверджену генетичними маркерами. Швидке виробництво сегрегуючих популяцій робить амарант привабливою моделлю для вдосконалення селекцією рослин.

Мерфі та ін. висвітлити методи, що використовуються для розведення рослин, та їх вплив на біорізноманіття в сільськогосподарських системах. Збереження та збільшення біорізноманіття кіноа є обов’язковим, оскільки динаміка глобального розширення лободи може становити загрозу для фермерів, якщо поширення генерується на вузькій генетичній основі. Еволюційне селекційне розведення (EPB) представляється корисним інструментом для розробки нового генетичного матеріалу кіноа у співпраці з фермерами. Глобальна мережа спільної роботи з лободою (GCN-Quinoa) може стати базовим для програм розведення рослин за участю всіх, щоб задовольнити потреби фермерів у різноманітних агросистемах.

Хоча ці результати досліджень лободи свідчать про те, що ця андська культура може рости в багатьох різних середовищах, соціальні та культурні міркування залишаються вирішальними щодо можливого впровадження її в нові системи посівів у всьому світі.

Внески автора

AD, FS, JP та DB: складання та перегляд роботи та затвердження версії, яка буде опублікована.

Заява про конфлікт інтересів

Автори заявляють, що дослідження проводилось за відсутності будь-яких комерційних або фінансових відносин, які можна трактувати як потенційний конфлікт інтересів.