Учените в селскостопанските изследвания са най-вече на заден план, въпреки че се фокусират върху една от най-важните части от живота ни - храната. Именно храната е отговорна за нашето здраве или заболяване. По време на обучението си в Прага, освен други растения, изследвах и амарант. Това е изключително растение, което няма нищо общо със зърнените култури, но семената му могат да бъдат преработени в брашно, което е много по-здравословно от класическата пшеница. Култивирахме различни сортове амарант на експериментални полета и подобрихме метода за идентифициране на различните му хибриди, който накрая публикувахме в Journal of Cereal Science. Обикновено човек дори не може да си представи колко наука е необходима, за да може нов сорт от всяка култура да попадне в полето и от полето до нашата плоча.
Още преди нямах представа какво означава да нося зърно на полето и приемах за даденост, че всеки ден закусвах с хляб. В края на краищата мисленето за това как се произвежда или отглежда храна е малко под нивото на съвременното напреднало общество, зависимо само от смартфоните.
От храната зависи дали имаме високо кръвно налягане, затлъстяване, диабет, рак, храносмилателни проблеми, алергии, обриви или, напротив, красива здрава кожа. Вероятно сте чували за това X пъти, защото статиите за здравословно хранене са невероятни. Много пъти обаче е много просто, просто заменете нездравословната храна с по-здравословна алтернатива. Достатъчно би било да заменим бялото пшенично брашно с амарант и веднага бихме закусили по-питателно.
Но здравословната храна трябва да бъде достъпна за нас, но също така и печеливша за производителите и преработвателите. И това е мястото, където изследователският институт по растително производство, Прага - Рузине, влиза в играта (за Чешката република), където различни сортове зърнени и бобови култури от цял свят се съхраняват и тестват в генна банка. Освен най-новите сортове пшеница или овес, те имат и споменатия амарант или все по-добре познатата елда или киноа, но понякога опитват и пълна екзотика. В крайна сметка в други части на света те не са зависими само от пшеница, ориз и царевица, но традиционните им зърнени култури са например Pennisetum americanum (дочан), Eleusine coracana, Sorghum bicolor (сорго), Coix lacryma-jobi, Eragrostis tef (tef), Echinochloa frumentacea, Digitaria exilis .
Много от тях са много хранително интересни, със сигурност по-здравословни от пшеницата, ориза или картофите. Необходимо е обаче да се установи дали те запазват свойствата си дори в условия на Централна Европа и особено дали са способни да покълнат у нас дори след последните пролетни студове и дали са в състояние в крайна сметка да дадат достатъчно семена. Може да ви се струва, че най-големият проблем при екзотичните зърнени култури е липсата на топлина през лятото и след това есенните студове, които ще унищожат реколтата. Да, може да има една опасност. Но на растенията липсва равноденствието, което е в тропиците, което означава, че денят и нощта продължават едни и същи 12 часа през цялата година. А едно екзотично растение се нуждае точно от дължината на деня, за да цъфти. У нас дните са твърде дълги през лятото и едва през есента дължината им започва да наподобява тази на тропическите. Така растението най-накрая ще го види - ще започне да цъфти, но за съжаление веднага ще стане много студено и сланата веднага ще унищожи първите плодове. И това е след прибирането на реколтата. Следователно целта на животновъдите е да създадат сортове, които биха могли да се отглеждат в региона с дълги дни.
Друго нещо, което трябва да бъде тествано, е хранителната стойност на семената на тези незначителни култури в нашите крайници. Съдържанието на протеини и по този начин аминокиселинният състав зависи, наред с други фактори, от храненето на растенията и климатичните условия. В Централна Европа има различен тип почва, отколкото в Африка или Южна Америка. Важно е също как го оплождаме и също колко вали през дадена година. Когато вали прекалено много, азотът може да се изхвърли от почвата и за растението не остава много, така че съдържанието на протеин се намалява. Това е много сложно и може да се променя дори всяка година на едно и също поле. Следователно тестваните сортове трябва да бъдат наблюдавани в продължение на няколко години.
Генната банка в Прага има страшно много разновидности, които те получават от генни банки от цял свят. Те се съхраняват в огромни фризери - по-добре в складовете за фризери. Когато на експерименталното поле се засява нов сорт, ние записваме колко дни му отнема да поникне, колко дни му бяха необходими, за да има първите цветя и накрая да узреят плодовете му. Също така броим колко листа е имало, колко е било високо, какъв е бил диаметърът на стъблото. Записваме цвета и дължината на листата и цветята (съцветия). Когато семената узреят, се описват техният цвят и размер и се изчисляват добивите. Претеглете 1000 семена. За целта те имат специално устройство, което брои семена (нещо подобно на монетни компютърни банки).
Но това са всички морфологични особености. Един сорт всъщност може да е много подобен на друг, но през следващата година, например, може да вали повече и един от тях ще расте повече и те ще бъдат малко по-различни. Следователно е необходимо да ги познаваме генетично.
Тъй като растителните геноми са склонни да бъдат изключително големи, не е изключено да се подреди всеки нов сорт, както е при бактериите. Има начини да получите определен "пръстов отпечатък" за всеки сорт на всяка култура. Ние извличаме ДНК на нашите сортове и я подлагаме на RFLP, AFLP или RAPD методи. Не искам да ги анализирам подробно тук, но въпросът е, че не подлагаме на генетичен анализ целия огромен геном на растението, а само определени части от него. Всеки от тези методи използва различен начин за получаване на тези парчета. Например има ензими за нарязване, които могат да разцепват ДНК точно след определена последователност. Например, ензим, наречен EcoRI, отрязва ДНК последователността на GAATTC точно след буквата G, ако е последвана от AATTC. Сега измислям един пример тук. Последователност от Х
Когато ДНК се изрязва след първия и втория специфичен G-AATTC, получаваме последователност от 26 букви.
Ако сортът Y има последователност:
така че след лечение със същия ензим получаваме парче, което ще бъде дълго 51 букви.
По този начин установяваме, че има разлика между сортовете X и Y, дори без да се налага да ги подреждаме последователно.
Друг подход, който обясних малко в предишния блог, е методът PCR. Определени праймери са прикрепени към растителна ДНК, т.е. къси участъци от ДНК (около 10 букви), които в този случай имат такива общи последователности, така че можем да бъдем сигурни, че те ще се придържат към някаква част от генома и дори нямаме нужда за да се знае точната последователност на генома. PCR се основава на факта, че благодарение на многократните цикли на повишаване и понижаване на температурата се умножава само участъкът от ДНК, който се намира точно между праймерната двойка. Така че отново получаваме информация само за определени парчета от генома, но това е достатъчно, за да получим картина като пръстов отпечатък от даден сорт.
Какъвто и метод да използваме, той все пак завършва чрез прилагане на ДНК към агарозен гел в така наречената тава за електрофореза, където отрицателно заредената ДНК се измества от отрицателния към положителния полюс чрез действието на електрически ток. В същото време по-късите парчета ДНК се движат по-бързо. Ако добавим специална флуоресцентна боя към ДНК, можем да видим под UV светлина как се е получило всичко. Ще видим кой сорт има по-дълго или по-кратко парче и кое парче липсва. Ето един пример, който намерих в интернет.
Учените винаги се досещат кой от методите RFLP, AFLP или RAPD е най-подходящ за идентифициране на сортове. Бъдещето със сигурност е последователността на цели растителни геноми. Би било идеално, ако можем да го направим толкова бързо и ефективно в бъдеще, колкото сега можем да съберем геномите на бактериите. Например, такъв пшеничен геном има около 17 000 000 000 букви, което е 5 пъти повече от човешкия. Някои често срещани бактерии имат само 4 милиона букви.
Лично аз наистина не обичам да гледам генетичния състав на растенията под формата на парчета ДНК, но предпочитам глобален поглед. Тъй като не е възможно да се получи целият геном на даден сорт, можем да работим и с протеини. Тук бих искал само да ви напомня, че ДНК е модел за производство на РНК и РНК е модел за производство на аминокиселините, които изграждат протеини. Разбира се, по време на живота на растението и във всяка част от растението се използва различна част от ДНК. Но когато започнем да работим със семена, теоретично целият ни генетичен материал е намален до размера на семето. Тъй като семената могат да бъдат описани като точка 0 от живота на растението, където растението всъщност все още не прави нищо и това може да се приложи към всички изследвани сортове, можем да ги сравним задоволително.
Действа подобно на ДНК. Протеините също могат да се изместват в електрическо поле и да се разделят по размер. Гелът, в който се движат обаче, не е направен от агар, а от доста опасни химикали. Когато експериментът приключи, трябва да оцветим целия гел със синя боя, което отнема няколко часа и след това да обезцветим. Накрая получаваме ленти, които са нашите протеини, разделени по размер, и можем да сравним кой сорт има определена лента и кой не и каква е дебелината. Понякога има много от тези ленти, което влошава идентификацията. Протеините, които сме получили от цели семена, имат различни свойства. Някои се разтварят във вода, други в определен алкохолен разтвор. Ако ги разделим според разтворимостта и след това ги приложим отделно върху гела, получаваме по-малък брой ленти и по този начин по-добър преглед на разликите между сортовете. На следващата снимка забележете сами, че в дясната част на гела е ясно, че някои дебели ленти са по-ниски от други.
Днешната техника напредва, така че целият процес на приготвяне на опасен гел (снимка вляво) и неговото оцветяване и обезцветяване, което отнема около 2-3 дни, може да се извърши за половин час на един малък чип (снимка в средата). Този чип е като малка електрофореза и пробите се прилагат върху него през малки дупки. И получаваме целия резултат в цифров вид (вдясно). Това ще ни позволи да знаем размера на протеина и дори неговата концентрация.
Комбинирах тези две данни в математическо изчисление на сходство и такава идентификация на амарант най-накрая беше публикувана в гореспоменатия Journal of Cereal Science. Въпреки това, само резюме е достъпно за обществеността, но ако искате да научите повече за колекциите амарант в Прага, кликнете върху електронната книга Генетично разнообразие в растенията, където имаме една глава.