Boghvedemel

Genomressourcer

Der er blevet udført en betydelig mængde forskning om funktionaliteterne og egenskaberne af boghvedeproteiner, flavonoider, flavoner, phytosteroler, thiaminbindende proteiner og andre sjældne forbindelser (Li og Zhang, 2001; Tomotake et al., 2002; Kreft et al., 2006; Zielinski et al., 2009). Tilgængeligheden af genomressourcer som f.eks. et godt linkage map, forskellige klasser af molekylære markører, EST-biblioteker, store indsatte DNA-biblioteker osv. er imidlertid begrænset. Der er fragmentariske rapporter om forståelse af artsforholdet ved hjælp af molekylære markører som f.eks. polymerkædereaktion (PCR)-baseret DNA-fingeraftryk, som er blevet brugt til at påvise artsforhold i indisk Fagopyrum. Ud af de 75 tilfældige 10-mer primere, der blev testet på 14 accessioner og to underarter af Fagopyrum, genererede kun 19 reproducerbare bånd (Sharma og Jana, 2002a). Der blev i alt observeret 364 bånd med et gennemsnit på 19,15 bånd pr. primer, hvoraf 99,45 % var polymorfe, hvilket bidrog til at klarlægge forholdet mellem arterne i Fagopyrum (Sharma og Jana, 2002b). Vi karakteriserede også 51 accessioner af F. esculentum (29), F. tataricum (20) og F. cymosum (2) ved hjælp af random amplified polymorphic DNA (RAPD) (Sethilkumarn et al., 2007). Populationsdataene på artsniveau viste, at F. tataricum var relativt mere polymorf end F. esculentum-accessioner. Den forventede heterozygositet var større for F. esculentum på grund af dens karakter af udkrydsning. Den estimerede værdi af fikseringsindekset (FST) indikerede en lav differentiering mellem populationer af en art i forskellige zoner. Populationsstrukturen på artsniveau viste større diversitet mellem arter end diversitet mellem zoner. Differentieringen mellem arterne er stærk, hvilket fremgår af den beregnede FST-værdi, der ligger over den øvre 95%-grænse. RAPD-analysen viste også, at F. cymosum var relativt tættere på F. esculentum end F. tataricum. Der er blevet udviklet et genetisk kort for F. esculentum og F. homotropicum på grundlag af henholdsvis 223 og 211 AFLP-markører (Yasui et al., 2004). Kortet over F. homotropicum har otte linkage-grupper med 211 AFLP-markører, der dækker 548,9 cM. Der er udviklet mikrosatellitmarkører i almindelig boghvede ved at sekventere 2785 kloner fra bibliotekerne, og det blev vist, at 1483 kloner indeholdt mikrosatellitter, der var beriget for (CT)n og (GT)n gentagelser. Der blev designet primerpar til 237 af mikrosatellitlocine, hvoraf 180 primerpar blev amplificeret. Heraf blev 44 primerpar evalueret for deres evne til at påvise variationer i almindelige boghvedepopulationer og anvendt i syv beslægtede Fagopyrum-arter, herunder F. tataricum (Konishi et al., 2006). Der er blevet konstrueret et bakterielt kunstigt kromosomalt (BAC) bibliotek fra en vild boghvedeart, F. homotropicum (Nagano et al., 2001). Anvendeligheden af 17 EST-primere udviklet fra almindelig boghvede blev testet i andre vilde og dyrkede Fagopyrum-arter (Joshi et al., 2006). Amplifikationsprodukterne var forskellige i båndintensitet. Resultaterne viste, at overførbarheden af EST-markører udviklet til almindelig boghvede faldt med en forøgelse af den genetiske afstand mellem arterne.

SSR’erne blev identificeret i EST’er ved hjælp af PGG Bioinformatics på (http://hornbill.cspp.latrobe.edu.au/cgi-binpub/autosnip/index_autosnip.pl), og der blev designet primere til deres amplifikation. Der blev designet og syntetiseret primerpar til 141 SSR’er baseret på gentagelseslængde, hvoraf 13 SSR’er blev amplificeret med succes på F. tataricum-genotyper, hvilket indikerer dårlig overførbarhed af SSR’er. Fireoghalvtreds SSR’er, som blev identificeret af Konishi et al. (2006) i F. esculentum, blev også testet på udvalgte accessioner af F. tataricum, men der blev ikke fundet nogen polymorfi på de udvalgte accessioner.

Vi forsøgte også at studere den komparative genomik af gener involveret i rutin biosyntese. Rutinbiosyntesevejen er blevet belyst i forskellige plantearter. Ni gener, der vides at være involveret i rutinbiosyntesevejen, er: phenylalaninammoniaklyase, cinnamat-4-hydroxylase (C4H), 4-coumaryl CoA-ligase (4CL), chalcon-syntase (CHS), chalcon-isomerase, flavonolsyntase, flavanon-3-hydroxylase (F3H), flavanon-3′-hydroxylase og glucosyl/rhamnosyltransferase. Ud af disse er to gener, CHS og glucosyltransferase, blevet identificeret i henholdsvis F. esculentum og F. tataricum (Hrazdina et al., 1986; Suzuki et al., 2005b). Vi brugte komparativ genomforskning til at identificere og klone de resterende rutin biosyntesegener i Tartary boghvede. Da de fleste af generne er til stede i flere kopier i planternes genomer, brugte vi Arabidopsis-genomoplysninger til at identificere den mest betydningsfulde kopi af hvert gen.

Nukleotid- og proteinsekvenserne af gener involveret i rutinbiosyntese blev hentet fra forskellige plantearter, og de multiple sekvensaligneringer blev udført for at finde ud af omfanget af sekvenslighed. Primerpar blev konstrueret ud fra bevarede regioner af gensekvenser hentet fra dicotane planter og derefter testet på Fagopyrum-arter (almindelig boghvede, Tartarisk boghvede og ris-Tartarisk boghvede). Alle generne blev amplificeret i Fagopyrum. Vi opnåede enkeltbåndsamplifikation i CHS, 4CL og glucosyl/rhamnosyltransferaser, mens der for F3H og C4H blev amplificeret flere kopier af generne. F. tataricum-genotyperne, der viser kontrasterende variationer med hensyn til rutinindholdet, anvendes til identifikation af DNA-sekvensvariationer i gener, der er involveret i rutinbiosyntesen. Identificeringen af enkeltnukleotidpolymorfismer i genotyper med højt og lavt rutinindhold vil være af stor betydning for den molekylære avl af boghvede med henblik på et højt rutinindhold. Genotyper med højt rutinindhold anvendes også til at identificere regulerende gener, der styrer rutinbiosyntesen, ved hjælp af differential display-analyse. Vi er også ved at konstruere et BAC-bibliotek fra en genotype med højt rutinindhold, der er let at afskalere, med det endelige mål at klonere nyttige gener. BAC-biblioteket vil være meget nyttigt i forbindelse med genomforskning af F. tataricum.

Gupta et al. (2012) undersøgte differentiel transkriptprofilering gennem cDNA-AFLP i frømodningsstadier (blomsterstand til frømodning) med 32 primerkombinationer, der genererede i alt 509 transkriptfragmenter (TDF’er). Et hundrede og syvogtres syvogtres TDF’er blev derefter elueret, klonet og sekventeret fra F. tataricum og F. esculentum. TDF’erne repræsenterede gener, der kontrollerer forskellige biologiske processer såsom grundlæggende og sekundær metabolisme (33 %), regulering (18 %), signaltransduktion (14 %), transport (13 %), celleorganisering (10 %) og fotosyntese og energi (4 %), og de fleste TDF’er undtagen dem, der hører til cellemetabolisme, viste relativt større transkriptoverflod i F. tataricum end i F. esculentum. De konkluderede, at ud over strukturelle gener er andre klasser af gener såsom regulatorer, modifikatorer og transportører også vigtige for biosyntesen og ophobningen af flavonoidindholdet i planter. cDNA-AFLP-teknologien blev med succes anvendt til at opfange gener, der bidrager til forskelle i rutinindholdet i frømodningsstadier af Fagopyrum-arter. Øget transkriptoverflod af TDF’er under overgangen fra blomster til frømodning tyder på, at de ikke kun er involveret i det højere rutinindhold i F. tataricum over F. esculentum, men også i førstnævntes ernæringsmæssige overlegenhed.

Vi testede også genspecifikke STS-markører mod 91 boghvedeaccessioner for at belyse den alleliske diversitet på disse loci. Ud af de 27 STS-loci, der blev screenet, gav kun 18 amplifikationer, der kunne analyseres. De resterende ni primere forstærkede enten nulallel (mindre sandsynligt) eller krævede udvælgelse af en anden region inden for genet for at opnå et påviseligt PCR-produkt. BW16 forstærkede kun én allel, mens BW10 forstærkede op til fem alleler. Blandt de øvrige markører forstærkede otte markører to alleler, seks markører forstærkede tre alleler, og to markører forstærkede fire alleler. I gennemsnit forstærkede disse STS-primere 2,7 bånd pr. locus. Fire af STS-markørerne, BW10 (Fe2SA1, 8 kD allergenprotein), BW12 (større allergen opbevaringsprotein, FAGAG1), BW22 (aftagende protein under frøudviklingen) og BW27 (proteinasehæmmer, BTIw1), viste betydelig polymorfisme (PIC > 0,5) blandt de 91 boghvedetilgængeligheder. Samlet set viste markørerne imidlertid moderate estimater af det polymorfe informationsindhold (0,268), den observerede heterozygotitet (0,259) og den forventede heterozygotitet (0,318). En mulig årsag til moderate estimater af polymorfisme kunne være, at STS-lokaliteterne var placeret i gener, der er ansvarlige for vigtige funktioner, og at sekvenserne derfor kunne være relativt bevarede.

Markerens fænotypeassociation viste, at ud af 24 morfologiske egenskaber udviste 18 egenskaber absolut ingen sammenhæng med markørprofiler. Testvægt, dage til modenhed, bladlængde, antal primære grene, plantehøjde og frøform viste forskellige grader af markør-egenskabsassociation. De STS-markør-værtsgener, der udviste en sammenhæng, var BW10 (8 kD allergenprotein), BW18 (aspartisk proteinase 9), BW13 (leguminlignende protein), BW17 (chalcon-syntase), BW22 (aftagende protein under frøudviklingen), BW09 (13S-globulin), BW25 (cysperoxiredoxin) og BW24 (fagopyritol-syntase 1). Resultaterne tilskynder til screening af flere kimplasmalinjer og til at anvende de markører, der er identificeret som værende putativt associeret med specifikke egenskaber, til screen-mapping-populationer.

Anvendelser af boghvede

Boghvede er en afgrøde, der har enorme agronomiske og ernæringsmæssige fordele. Boghvedemel har mange anvendelsesmuligheder. Det bruges i pandekageblandinger samt i forskellige brød. Det blandes ofte med hvedemel til brug i brød, pastaprodukter og nogle morgenmadsprodukter (Robinson, 1980). Boghvedemel, der i Indien er populært kendt som kuttu ka atta, spises på brata- eller fastedage, da det er en af de lovlige fødevarer til sådanne lejligheder. Lejlighedsvis bliver melet lavet til en pasta, tilsat grøntsager og salt, og lavet til små kugler, der steges og serveres varme, lokalt kaldet pakoras; andre lignende saltede tilberedninger kaldes chillare og jalebi i Indien eller sil og fulaura i Nepal, eller, når de er tilberedt med sukker, puwa i det østlige Himalaya og halwa i det vestlige Himalaya. Den bliver også stødt og kogt som ris og spises som erstatning for ris. Boghvede er et godt supplement til kornmel og kan anvendes til at forbedre deres ernæringsmæssige kvalitet, da den har et højt indhold af essentielle aminosyrer. Undersøgelser har vist, at op til 60 % boghvedemel blandet med hvedemel kan give et acceptabelt brød (Pomeranz, 1983). Boghvedegryn serveres som en del af soldaterrationer og tilberedes med smør, talg eller hampefrøolie i Rusland.

For nylig er boghvede også blevet introduceret som en nutraceutisk fødevare. Et nutraceutisk lægemiddel defineres som ethvert stof, der er en fødevare eller en del af en fødevare, og som giver medicinske eller sundhedsmæssige fordele, herunder forebyggelse og behandling af sygdomme (DeFelice, 1994). Boghvede indeholder vitamin P, som indeholder flavonoidet rutin. Rutin er kendt for sin effektivitet med hensyn til at reducere kolesteroltallet i blodet. Desuden er boghvede en effektiv forebyggende foranstaltning mod forhøjet blodtryk. Rutin er kendt for at holde kapillærer og arterier stærke og fleksible. Rutinets effektivitet i boghvede forstærkes med tilsætning af C-vitamin. Regelmæssigt indtag af 30 g boghvede har vist sig at sænke blodtrykket uanset andre faktorer som alder og vægt. I en undersøgelse udført i samarbejde med Johns Hopkins Medical Institute rapporterede Jiang et al. (1995), at forsøgspersoner, der indtog den største mængde boghvede, havde det laveste blodtryk. Boghvedemarker i blomstring kan tjene som en værdifuld nektarkilde for bier. Honning produceret af boghvede er typisk mørk og har en stærkere smag end honning produceret af kløver, og foretrækkes af nogle forbrugere.