Buchweizenmehl

Genom-Ressourcen

Eine beträchtliche Menge an Forschung wurde über die Funktionalitäten und Eigenschaften von Buchweizenproteinen, Flavonoiden, Flavonen, Phytosterolen, Thiamin-bindenden Proteinen und anderen seltenen Verbindungen durchgeführt (Li und Zhang, 2001; Tomotake et al., 2002; Kreft et al., 2006; Zielinski et al., 2009). Die Verfügbarkeit von Genomressourcen, wie z. B. eine gute Verknüpfungskarte, verschiedene Klassen von molekularen Markern, EST-Bibliotheken, große DNA-Bibliotheken usw., ist jedoch begrenzt. Es gibt nur vereinzelte Berichte über das Verständnis der Artverwandtschaft durch die Verwendung molekularer Marker, wie z. B. DNA-Fingerprinting auf Basis der Polymerkettenreaktion (PCR), die zum Nachweis der Artverwandtschaft im indischen Fagopyrum verwendet wurde. Von den 75 zufälligen 10-mer Primern, die an 14 Akzessionen und zwei Unterarten von Fagopyrum getestet wurden, erzeugten nur 19 reproduzierbare Banden (Sharma und Jana, 2002a). Insgesamt wurden 364 Banden mit durchschnittlich 19,15 Banden pro Primer beobachtet, von denen 99,45 % polymorph waren, was dazu beitrug, die Verwandtschaft zwischen den Arten bei Fagopyrum zu klären (Sharma und Jana, 2002b). Wir charakterisierten auch 51 Akzessionen von F. esculentum (29), F. tataricum (20) und F. cymosum (2) unter Verwendung von zufällig amplifizierter polymorpher DNA (RAPD) (Sethilkumarn et al., 2007). Die artenbezogenen Populationsdaten zeigten, dass F. tataricum relativ polymorpher war als die F. esculentum-Akzessionen. Die erwartete Heterozygotie war bei F. esculentum höher, da es sich um eine Auskreuzung handelt. Der geschätzte Wert des Fixationsindex (FST) deutet auf eine geringe Differenzierung zwischen den Populationen einer Art in einer bestimmten Zone hin. Die artenspezifische Populationsstruktur zeigte eine größere Vielfalt zwischen den Arten als zwischen den Zonen. Die Differenzierung zwischen den Arten ist stark, wie der berechnete FST-Wert zeigt, der über der oberen 95 %-Grenze liegt. Die RAPD-Analyse ergab auch, dass F. cymosum relativ näher an F. esculentum als an F. tataricum ist. Es wurde eine genetische Karte für F. esculentum und F. homotropicum auf der Grundlage von 223 bzw. 211 AFLP-Markern erstellt (Yasui et al., 2004). Die Karte von F. homotropicum umfasst acht Kopplungsgruppen mit 211 AFLP-Markern, die 548,9 cM abdecken. Mikrosatellitenmarker wurden für Buchweizen entwickelt, indem 2785 Klone aus den Bibliotheken sequenziert wurden. Es zeigte sich, dass 1483 Klone Mikrosatelliten enthielten, die mit (CT)n und (GT)n-Wiederholungen angereichert waren. Primerpaare wurden für 237 der Mikrosatelliten-Loci entworfen, von denen 180 Primerpaare amplifiziert wurden. Davon wurden 44 Primerpaare auf ihre Fähigkeit hin untersucht, Variationen in gewöhnlichen Buchweizenpopulationen zu erkennen, und bei sieben verwandten Fagopyrum-Arten einschließlich F. tataricum eingesetzt (Konishi et al., 2006). Eine bakterielle künstliche Chromosomenbibliothek (BAC) wurde aus einer wilden Buchweizenart, F. homotropicum, erstellt (Nagano et al., 2001). Die Anwendbarkeit von 17 EST-Primern, die aus gewöhnlichem Buchweizen entwickelt wurden, wurde bei anderen wilden und kultivierten Fagopyrum-Arten getestet (Joshi et al., 2006). Die Amplifikationsprodukte unterschieden sich in der Bandenintensität. Die Ergebnisse zeigten, dass die Übertragbarkeit von EST-Markern, die für gewöhnlichen Buchweizen entwickelt wurden, mit zunehmender genetischer Distanz zwischen den Arten abnahm.

Die SSRs wurden in ESTs mit Hilfe von PGG Bioinformatics (http://hornbill.cspp.latrobe.edu.au/cgi-binpub/autosnip/index_autosnip.pl) identifiziert und Primer für ihre Amplifikation entworfen. Primerpaare wurden für 141 SSRs auf der Grundlage der Wiederholungslänge entworfen und synthetisiert, von denen 13 SSRs erfolgreich auf F. tataricum-Genotypen amplifiziert wurden, was auf eine schlechte Übertragbarkeit der SSRs hinweist. Vierundfünfzig SSRs, die von Konishi et al. (2006) in F. esculentum identifiziert wurden, wurden auch an ausgewählten Akzessionen von F. tataricum getestet, aber es wurde kein Polymorphismus an den ausgewählten Akzessionen gefunden.

Wir haben auch versucht, die vergleichende Genomik von Genen zu untersuchen, die an der Rutin-Biosynthese beteiligt sind. Der Rutin-Biosyntheseweg wurde in verschiedenen Pflanzenarten aufgeklärt. Neun Gene, von denen bekannt ist, dass sie am Rutin-Biosyntheseweg beteiligt sind, sind: Phenylalanin-Ammoniak-Lyase, Cinnamat-4-Hydroxylase (C4H), 4-Coumaryl-CoA-Ligase (4CL), Chalcon-Synthase (CHS), Chalcon-Isomerase, Flavonol-Synthase, Flavanon-3-Hydroxylase (F3H), Flavanon-3′-Hydroxylase und Glucosyl/Rhamnosyl-Transferase. Von diesen Genen wurden zwei, CHS und Glucosyltransferase, in F. esculentum bzw. F. tataricum identifiziert (Hrazdina et al., 1986; Suzuki et al., 2005b). Wir nutzten die vergleichende Genomik, um die verbleibenden Rutin-Biosynthesegene im Tatarischen Buchweizen zu identifizieren und zu klonen. Da die meisten Gene in mehreren Kopien in den Genomen der Pflanzen vorkommen, haben wir die Genominformationen von Arabidopsis verwendet, um die bedeutendste Kopie jedes Gens zu identifizieren.

Die Nukleotid- und Proteinsequenzen der an der Rutinbiosynthese beteiligten Gene wurden aus verschiedenen Pflanzenarten entnommen, und die multiplen Sequenzalignments wurden durchgeführt, um das Ausmaß der Sequenzähnlichkeit zu ermitteln. Primerpaare wurden aus konservierten Regionen von Gensequenzen aus zweikeimblättrigen Pflanzen entwickelt und dann an Fagopyrum-Arten (Gewöhnlicher Buchweizen, Tartarischer Buchweizen und Reis-Tartarischer Buchweizen) getestet. Alle Gene wurden in Fagopyrum amplifiziert. Bei CHS, 4CL und den Glucosyl-/Rhamnosyltransferasen erreichten wir eine Einband-Amplifikation, während bei F3H und C4H mehrere Kopien von Genen amplifiziert wurden. Die Genotypen von F. tataricum, die unterschiedliche Variationen des Rutingehalts aufweisen, werden für die Identifizierung von DNA-Sequenzvariationen in Genen verwendet, die an der Rutinbiosynthese beteiligt sind. Die Identifizierung von Einzelnukleotid-Polymorphismen in Genotypen mit hohem bzw. niedrigem Rutingehalt wird für die molekulare Züchtung von Buchweizen auf hohen Rutingehalt von großer Bedeutung sein. Die Genotypen mit hohem Rutingehalt werden auch zur Identifizierung von regulatorischen Genen verwendet, die die Rutinbiosynthese durch Differential-Display-Analyse kontrollieren. Außerdem bauen wir eine BAC-Bibliothek aus einem Genotyp mit hohem Rutingehalt auf, der sich leicht schälen lässt, mit dem Ziel, nützliche Gene zu klonen. Die BAC-Bibliothek wäre sehr nützlich, um die Genomik von F. tataricum weiterzuverfolgen.

Gupta et al. (2012) untersuchten das differentielle Transkript-Profiling durch cDNA-AFLP in den Stadien der Samenreife (Blütenstand bis Samenreife) mit 32 Primerkombinationen, die insgesamt 509 Transkriptfragmente (TDFs) erzeugten. Einhundertsiebenundsechzig TDFs wurden dann aus F. tataricum und F. esculentum eluiert, kloniert und sequenziert. Die TDFs repräsentierten Gene, die verschiedene biologische Prozesse steuern, wie Grund- und Sekundärstoffwechsel (33 %), Regulierung (18 %), Signaltransduktion (14 %), Transport (13 %), Zellorganisation (10 %) sowie Photosynthese und Energie (4 %), und die meisten TDFs mit Ausnahme derjenigen, die zum Zellstoffwechsel gehören, wiesen eine relativ höhere Transkriptionshäufigkeit in F. tataricum als in F. esculentum auf. Sie kamen zu dem Schluss, dass neben den Strukturgenen auch andere Genklassen wie Regulatoren, Modifikatoren und Transporter für die Biosynthese und Akkumulation des Flavonoidgehalts in Pflanzen wichtig sind. Die cDNA-AFLP-Technologie wurde erfolgreich eingesetzt, um Gene zu erfassen, die zu den Unterschieden im Rutingehalt in den Samenreifephasen von Fagopyrum-Arten beitragen. Die erhöhte Transkriptionshäufigkeit von TDFs während des Übergangs von der Blüte zur Samenreife deutet darauf hin, dass sie nicht nur für den höheren Rutingehalt von F. tataricum gegenüber F. esculentum verantwortlich sind, sondern auch für die ernährungsphysiologische Überlegenheit von F. tataricum.

Wir testeten auch genspezifische STS-Marker an 91 Buchweizen-Akzessionen, um die allelische Vielfalt an diesen Loci zu ermitteln. Von den 27 untersuchten STS-Loci ergaben nur 18 eine nachweisbare Amplifikation. Die übrigen neun Primer amplifizierten entweder ein Null-Allel (weniger wahrscheinlich) oder erforderten die Selektion einer anderen Region innerhalb des Gens, um ein nachweisbares PCR-Produkt zu erhalten. BW16 amplifizierte nur ein Allel, während BW10 bis zu fünf Allele amplifizierte. Von den übrigen Markern amplifizierten acht Marker zwei Allele, sechs Marker drei Allele und zwei Marker vier Allele. Im Durchschnitt amplifizierten diese STS-Primer 2,7 Banden pro Locus. Vier der STS-Marker, BW10 (Fe2SA1, 8 kD-Allergenprotein), BW12 (Hauptallergen-Speicherprotein, FAGAG1), BW22 (zurückgehendes Protein während der Samenentwicklung) und BW27 (Proteinase-Inhibitor, BTIw1), wiesen unter den 91 Buchweizen-Akzessionen einen erheblichen Polymorphismus auf (PIC > 0,5). Insgesamt zeigten die Marker jedoch mäßige Schätzungen des polymorphen Informationsgehalts (0,268), der beobachteten Heterozygosität (0,259) und der erwarteten Heterozygosität (0,318). Ein möglicher Grund für die mäßigen Schätzungen des Polymorphismus könnte sein, dass die STS-Loci in Genen liegen, die für wichtige Funktionen verantwortlich sind, und die Sequenzen daher relativ konserviert sein könnten.

Die Assoziation von Marker-Phänotypen zeigte, dass von 24 morphologischen Merkmalen 18 Merkmale absolut keine Verknüpfung mit Markerprofilen aufwiesen. Das Testgewicht, die Tage bis zur Reife, die Blattlänge, die Anzahl der Primärzweige, die Pflanzenhöhe und die Samenform wiesen unterschiedliche Grade der Marker-Trait-Assoziation auf. Die STS-Marker-tragenden Gene, die eine Assoziation aufwiesen, waren BW10 (8 kD Allergenprotein), BW18 (Asparaginproteinase 9), BW13 (leguminosenähnliches Protein), BW17 (Chalkonsynthase), BW22 (während der Samenentwicklung abfallendes Protein), BW09 (13S-Globulin), BW25 (Cysperoxiredoxin) und BW24 (Fagopyritolsynthase 1). Die Ergebnisse ermutigen zum Screening weiterer Keimplasma-Linien und zum Einsatz der identifizierten Marker, die vermutlich mit spezifischen Merkmalen assoziiert sind, in Screening-Populationen.

Verwendung von Buchweizen

Buchweizen ist eine Kulturpflanze, die enorme agronomische und ernährungsphysiologische Vorteile bietet. Buchweizenmehl hat zahlreiche Verwendungsmöglichkeiten. Es wird in Pfannkuchenmischungen und in verschiedenen Brotsorten verwendet. Oft wird es mit Weizenmehl gemischt und in Brot, Nudelprodukten und einigen Frühstücksflocken verwendet (Robinson, 1980). Buchweizenmehl, das in Indien unter dem Namen kuttu ka atta bekannt ist, wird an Brata- oder Fastentagen gegessen, da es zu den erlaubten Nahrungsmitteln für solche Anlässe gehört. Gelegentlich wird das Mehl mit Gemüse und Salz zu einer Paste verarbeitet und zu kleinen Bällchen geformt, die frittiert und heiß serviert werden und lokal Pakoras genannt werden; andere ähnliche gesalzene Zubereitungen heißen Chillare und Jalebi in Indien oder Sil und Fulaura in Nepal, oder, wenn sie mit Zucker zubereitet werden, Puwa im östlichen und Halwa im westlichen Himalaya. Er wird auch zerstoßen und wie Reis gekocht und als Ersatz für Reis verzehrt. Buchweizen ist eine gute Ergänzung zu Getreidemehl und kann dessen Nährwert verbessern, da er reich an essenziellen Aminosäuren ist. Studien haben gezeigt, dass bis zu 60 % Buchweizenmehl mit Weizenmehl gemischt ein akzeptables Brot ergeben kann (Pomeranz, 1983). In Russland wird Buchweizengrütze als Teil der Soldatenverpflegung serviert und mit Butter, Talg oder Hanfsamenöl gekocht.

In jüngster Zeit wurde Buchweizen auch als nutrazeutisches Lebensmittel eingeführt. Ein Nutrazeutikum ist definiert als eine Substanz, die ein Lebensmittel oder ein Teil eines Lebensmittels ist und medizinische oder gesundheitliche Vorteile bietet, einschließlich der Prävention und Behandlung von Krankheiten (DeFelice, 1994). Buchweizen enthält Vitamin P, das das Flavonoid Rutin enthält. Rutin ist für seine Wirksamkeit bei der Senkung des Cholesterinspiegels im Blut bekannt. Außerdem ist Buchweizen eine wirksame Vorbeugungsmaßnahme gegen Bluthochdruck. Rutin ist dafür bekannt, dass es die Kapillaren und Arterien stark und flexibel hält. Die Wirksamkeit des Rutins im Buchweizen wird durch den Zusatz von Vitamin C verstärkt. Der regelmäßige Verzehr von 30 g Buchweizen senkt nachweislich den Blutdruck, unabhängig von anderen Faktoren wie Alter und Gewicht. In einer Studie, die in Zusammenarbeit mit dem Johns Hopkins Medical Institute durchgeführt wurde, berichteten Jiang et al. (1995), dass Probanden, die die größte Menge Buchweizen verzehrten, den niedrigsten Blutdruck aufwiesen. Blühende Buchweizenfelder können eine wertvolle Nektarquelle für Bienen sein. Aus Buchweizen gewonnener Honig ist in der Regel dunkel und hat einen kräftigeren Geschmack als Honig aus Klee und wird von einigen Verbrauchern bevorzugt.