Генетические ресурсы растений - естественный исходный материал для селекции. Генофонд культурных растений и их диких родичей, сохраняемый в коллекции ВИР - национального генбанка России, в течение многих десятилетий служит основой для создания отечественных и зарубежных сортов возделываемых растений. Для целенаправленного использования генофонда в селекции осуществляется комплексное изучение биологических и агрономических признаков образцов коллекции, выявляется изменчивость признаков в максимально возможном экологическом градиенте. Соя и люпин, являясь зернобобовыми культурами, наряду с высоким содержанием белка в семенах содержат и высоко качественное масло. Достоинство жиров бобовых - наличие в них полиненасыщенных жирных кислот, в том числе незаменимых. Поэтому они имеют гипохолестериновый эффект, то есть уменьшают концентрацию холестерина в крови и печени как у здоровых людей, так и у тех, кто имеет высокий уровень холестерина. Это уменьшает риск сердечный заболеваний.

Соя - зернобобовая культура номер один в мире: по объемам производства, многофункциональному значению, уникальному составу семян и т.д. По мнению американских экспертов сое суждено быть самым главным источником белка для потребления человеком в 21 веке. Под ней занято 70,7 млн га площадей. Лидер производства сои - США, где находится почти половина мировых посевных площадей сои и 75% производимой в мире продукции.

В 2004 году в мире было произведено 223 млн т соевых бобов - каждая десятая тонна всех производимых в мире зерновых культур приходится на сою. Из них только 15 млн т были употребелены в пищу в виде тофу и различных текстуратов (6,4%), на производство масла - 33 млн т, 4% идет на техгнические цели, а большая часть сои используется в виде кормов.

В РФ в 2005 году было произведено 555 280 тонн соевых бобов. По самым скромным подсчетам специалистов для удовлетворения внутренних нужд нам нужно производить не менее одного миллиона тонн. В 2003 году импорт соевого масла составил 166 152 тонн.

На соевое масло приходится 30% производимого в мире растительного масла, а из применяемых в кулинарии оно составляет около 80%. Из всех растительных масел соевое обладает самой высокой биологической активностью и усваивается организмом на 98%. Оно содержит жизненно необходимые ненасыщенные жирные кислоты, токоферол, являющийся природным антиоксидантом, и лецитин, регулирующий обмен холестерина. Линолевая и линоленовая кислоты, подобно аминокислотам, не синтезируются организмом человека и потому являются незаменимыми.

Создание сортов с повышенным количеством и улучшенным качеством масла в семенах - одно из актуальных направлений селекции сои. Поскольку содержание белка и масла в семенах сои имеет отрицательную взаимосвязь (коэффициент корреляции от r= -0,25 до r= -0,93) (Корсаков и др.,1976), то источники высокого содержания масла в семенах следует искать среди низкобелковых форм. Показано, что максимальный процент масла в крупных желтых семенах (r= 0,52-0,71) (Бенкен, 1959).

Технические возможности применения соевого масла очень широки: производство пластмасс, различных покрытий, красок, мономеров для полимеров, высыхающих агентов и т.д. Хорошо известен пример Генри Форда, мечтающего создать соемобиль и отчасти воплотивший свою мечту: многие части его автомобилей бали созданы из сои. Ведутся работы по производству биотоплива из сои. В некоторых штатах Америки, в частности, Пенсильвании и Айовы масштаб использовая соя-дизеля увеличивается.

Коллекция сои в ВИРе насчитывает около 6500 образцов разного направления использования. Систематически осуществляемая биохимическая оценка семян позволяет выделять источники высокой масличности и рекомендовать их для селекции масличных сортов. Кроме того, в генетической коллекции сои имеются образцы с идентифицированными генами, определяющими различные свойства масла.

Скрининг коллекции по количеству масла выявил изменчивость признака на уровне 13,8…29,7%. Среднее содержание масла в районированных сортах - 20-22%. Показано, что содержание месла зависит от продолжительности вегетационного периода сорта. Наибольшая масличность семян наблюдалась у среднеспелых сортов. В семенах очень раннеспелых и позднеспелых сортов содержание масла было снижено на 2-3%. На масличность также откладывают отпечаток происхождение и степень окультуренности образцов. Формы из маргинальных районов возделывания сои имееют меньшую масличность по сравнению с сортами из районов, благоприятных для производства этой культуры. Образцы с малой степенью окультуренности содержат 16-17% масла, а масличность хорошо отселектированного материала достигает 24-26% (Альберт,1972).

Интересна следующая филогенетическая закономерность: семена дикого вида сои ее возможного предка Glycine soja, как правило, содержат очень высокий процент белка - до 55%, которого не имеют даже самые высокобелковые сорта. В процессе доместикации содержание белка в семенах снизилось. В отношении масличности - наоборот. Дикорастущие предковые виды G. soja и G.gracilis имееют более низкие показатели масличности по сравнению с сортами возделываемого вида. То есть в филогенетически молодых формах происходит увеличение содержания масла в семенах (Зеленцов, 2005). Эта тенденция, по-видимому, будет еще какое-то время сохраняться в создании новых сортов методами традиционной селекции.

Количество масла в семенах должно сочетаться с его качеством. Известно, что вкус, стабильность и питательную ценность масла определяет состав жирных кислот. Поэтому создание форм с определенным соотношением жирных кислот - важное направление в селекции сои, осуществляемое, главным образом, в США.

В соевом масле пять основных жирных кислот. Главная ненасыщенная жирная кислота в семенах сои - олеиновая. Ее содержание составляет 25-32% от их общего количества. Максимально возможное содержание этой ценной мононенасыщенной жирной кислоты должно привести к уменьшению общего содержания насыщенных жирных кислот и улучшить качество масла для пищевого потребления.

В США созданы сорта с повышенным содержанием олеиновой кислоты (до 55%) путем традиционной селекции (Monteros et al., 2002). Затем начались работы по созданию трансгенных форм на основе имеющихся генетических ресурсов сои.

Путем трансгеноза (введением второй копии гена fad2, присутствующего в геноме сои в норме и контролирующего синтез одного из энзимов, вовлеченных в метаболизм жирных кислот), получены сорта с содержанием олеиновой кислоты 80 и более процентов от состава масла - выше, чем в оливковом и рапсовом маслах (Kinney,1997). Одновременно происходит снижение количества полиненасыщенных жирных кислот - линолевой и линоленовой до 2% и 3.5% соответственно. При этом качество масла значительно улучшается, увеличается его окислительная стабильность. Дальнейшее увеличение содержания олеиновой кислоты - до 85% (DuPont) - для пищевых целей - получено путем снижения уровня экспрессии гена GmFad2-1, совместно с генами FATB, регулирующими синтез пальмитиновой кислоты. При этом остальные биохимические составляющие семян у сортов с высоким содержанием олеиновой кислоты, а именно: общее количество белка, масла, углеводородов, волокон, отдельных аминокислот, золы, минералов, витаминов и т.д. не отличаются от обычных сортов. Уровень насыщенных кислот значительно ниже, чем в обычном соевом масле и приближается по этому показателю к маслу канолы.

Всесторонняя проверка этих сортов (G94-1, G94-19 и G168), созданных ДюПонтом совместно с учеными Иллинойского университета, убедительно показала идентичность их агрономических характеристик таковым сортов, созданных методами традиционной селекции.

Высокая окислительная стабильность - это свойство очень важное для смазочных материалов. Недавно эти сорта стали использоваться ДюПонтом для создания биодеградирующих смазок в корпорации «Enviromental Lubricants Manufactoring» в Айове. Таким образом сорта, сои с генетически модифицированным составом масла, а именно - увеличенным содержанием олеиновой кислоты - единственные сорта, используемые для индустриальных целей.

Из двух полиненасыщенных кислот - линолевой и линоленовой, линолевая- ценный компонент жира, определяющий качество масла. Ее содержание в семенах сои - 38,2 - 41,8 % от общего числа жирных кислот. Селекция на повышение количества этой кислоты затруднена тем, что существует положительная зависимость между ее содержанием и количеством в семенах линоленовой кислоты, которая придает маслу специфический «бобовый» запах. Размах изменчивости признака - 0,5-12,5%. В коллекции имеются образцы с рецессивным аллелем гена fan, контролирующим содержание линоленовой кислоты в семенах. В США получены формы с минимальным (1%-ным) содержанием линоленовой кислоты. Работы по созданию такого масла начаты фирмой Пионер в 1994. Используя коллекцию Аграрного Исследовотельского центра Онтарио (ARIO) ученые получили две линии, которые затем усовершеннствовали до сортов с хорошими агрономическими качествами и устойчивостью к раундапу.

Альтернативный вариант, увеличивающий технические возможности соевого масла для производства пластмасс, различных покрытий, лаков, красок, мономеров для полимеров, высыхающих агентов, - создание форм с высоким содержанием линоленовой кислоты, которая обладает низкой окислительной стабильностью. Путем трансгеноза, а именно увеличением уровня экспрессии гена FAD3, кодирующего синтез фермента, который катализирует превращение линолевой кислоты в линоленовую созданы формы с 50% содержанием последней, превышающим по этому показателю льняное масло.

Создание высоко олеинового и высоко линоленового соевого масла - примеры получения новых его свойств современными методами так называемой «зеленой химии». Насыщенные жирные кислоты - пальмитиновая и стеариновая - также определяют качество масла для пищевых целей. Снижение уровня пальмитиновой кислоты (ген fар1) уменьшает общее количество насыщенных жирных кислот и способствует улучшению качества масла. Созданы линии с низким содержанием пальмитиновой кислоты, и ведется трансгрессивная селекция на снижение ее уровня в семенах (Burton et al., 1994; Wilcox et al., 1994). В Японии, напротив, получены линии с высоким содержанием насыщенных ЖК путем традиционной селекции - методами химического мутагенеза и ренгеновского облучения. Если в норме суммарное содержание пальмитиновой и стеариновой к-т 15%, то в экспериментальных линях -38%. Такие семена также нужны в пищевой промышленности для получения твердых и полутвердых растительных жиров.

Липоксигеназы - коферменты Q растений и животных - катализируют метаболизм ненасыщенных жирных кислот, в первую очередь линоленовой, с образованием перекисных продуктов (гексанала и др.), которые обуславливают “бобовый” привкус сырой сои. Семена сои считают самым богатым природным источником липоксигеназы (Hildebrand, 2000). Описано три изофермента липоксигеназы, из них основной вклад в формирование привкуса вносит липоксигеназа 2. Низкое содержание или отсутствие липоксигеназы способствует улучшению вкуса соевых продуктов. Наличие фракций липоксигеназ контролируется доминантным геном L, а низкое их содержание или отсутствие - рецессивным геном lx. Предполагают, что включение аллелей lx1 и lx3 в генотипы коммерческих сортов сои будет способствовать снижению липоксигеназной активности и созданию продуктов, в меньшей степени подверженных нежелательным окислительным эффектам.

Значительный прогресс достигнут в химических методах расширения применения соевого масла. Один из наиболее значимых примеров - это открытие метода получения полиолов из соевого масла. Они могут применяться в целом ряде технологических процессов, в частности, для производства полиуретанов.

Методы генной инженерии, как известно, позволяют перенос генов от вида к виду. Известно, что целый ряд видов растений продуцируют так называемые «новые» жирные кислоты с потенциалом для использования в технических целях. Такие виды, как правило, имеют весьма ограниченный агрономичский потенциал. Однако они служат для поисков генов. Участвующих в синтезе этих жирных кислот для того, чтобы передать их сое. Так в геноме ноготков (Calendula officinalis) найден ген, кодирующий энзим, создающий двойные конъюгатные связи в полиненасыщенных жирных кислотах. Экспрессия этого гена в семенах сои приводит к накоплению в них календуловой кислоты - новой конъюгированной полиненасыщенной кислоты в количестве 20-25% от общего количества масла. Масла богатые такими кислотами, имеют большое значение для технических целей - для быстро высыхающих покрытий. Они обладают даже более низкой окислительной стабильностью, чем масла с повышенным количеством линоленовой кислоты.

Другое растение, используемое для улучшения соевого масла, - лемнантес, содержащее 65% эйкозановой кислоты. Достигнут прогресс в передаче сое генов, контролирующих пути синтеза этой мононенасыщенной кислоты с 20 атомами углерода, очень ценной для получения высоко качественных смазочных материалов. Важным аспектом при проведении трансгенных манипуляций является получение сортов, не влияющих негативно на их агрономические качества. Поэтому пока содержание этих жирных кислот в трансгенных растениях раза в 2-3 ниже, чем в тех, из которых осуществляется перенос генов. Например, в масле семян ноготков календуловой кислоты до 55%, а в семенах трансгенной сои не более 25%.

Если масло сои традиционный продукт потребления, то люпин как масличная культура еще мало изучен и селекция масличных сортов пока не ведется. Пищевые достоинства некоторых видов люпина, в частности, белого и изменчивого широко известны. Муку белого люпина широко используют как добавку в хлебобулочные и кондитерские изделия во многих странах Европы, в Австралии. У аборигенов Южной Америки семена люпина используют для приготовления первых и вторых блюд. В приготовлении таких традиционных азиатских продуктов как мисо, тофу и соевый соус в Японии и Индонезии используют и люпин. В истории известен интересный случай. В 1917 году в Гамбурге немецкий профессор Томас для демонстрации многофункциональности люпина устроил «люпиновый банкет». Стол был накрыт скатертью, сделанной из волокон люпина (одна из перспектив использования люпина в текстильной и целлюлозной промышленности). Гостям подавли суп из люпина, люпиновые бифштексы с люпиновым соусом, жареные на люпиновом масле, хлеб с 20% добавкой люпина, маргарин и сыр, сделанные из люпина белого и завершалось все люпиновыми кофе и ликером. Руки мыли мылом из люпина. Предлагались также бумага и конверты из люпина.

Этот пример показывает, что возможность пищевого и технического применения масла люпина была известна уже век назад. Пока же масло люпина находит широкое применение только в косметологии при создании средств по уходу за кожей. Оно обладает антиоксидантными свойствами и тем самым защищает от свободных радикалов, предотвращая увядание кожи. Другие применения масла из семян люпина нам пока не известны, хотя по мнению ряда ученых его пищевая ценность несомненна (Romanna et al., 1983).

Коллекция люпина в ВИРе насчитывает почти 3500 образцов, принадлежащих к 59 видам. В РФ производят 4 вида люпина, а в мире культивируют не более десяти из множества существующих в природе (по классификации разных авторов от десятков до нескольких сотен). Многолетняя биохимическая оценка образцов выявила размах изменчивости содержания масла в семенах в следующих пределах: люпин узколистный - 6,5-8,4%, л. желтый - 6,2-12,0%, л. изменчивый - 10,5-16,3% (Каталоги ВИР №№ 496, 568, 637). Известно, что масличность люпина в большой степени зависит от почвенно-климатических условий. Так, при выращивании образцов в средней полосе РФ масличность, как правило, была большей, чем в южных районах. Из видов, возделываемых за рубежом, наиболее богаты маслом люпин элегантный (L. elegans H.B.K.). и л.изменчивый (L. mutabilis) (местное название - tarwi). Семена последнего содержат 40% белка и 20% жира - столько же, сколько соя и могут быть хорошим источником растительного белка и масла для пищевых и технических целей. У аборигенного населения Эквадора, Перу, Боливии он наряду с картофелем, кукурузой и quinoa является одним из главных продуктов и используется главным образом в супах.

Сырое масло люпина коричнево-красной окраски, без запаха, чуть горьковатое на вкус, средне жидкой консистенции (Барбацкий, 1959). Изучение состава масла показало, что в него входят пять жирных кислот - пальмитиновая, линоленовая, линолевая, олеиновая, стеариновая. Наблюдается большая изменчивость по видам и между сортами по содержанию в маслах этих кислот. Так, по данным K.Taufel и C.Franzke (1950) содержание олеиновой кислоты в масле белого люпина превышает соевое - 55,16%, линолевой в среднем 32,86% и линоленовой 2,36%. У узколистного люпина эти показатели: 42,70; 37,94 и 1,58% соответственно. У люпина желтого - 30,61; 56,11 и 1,85%, что очень близко к соответствующим показателям соевого масла.

По суммарному содержанию биологически ценных полиненасыщенных кислот (линоленовой + линолевой) наибольший интерес представляет люпин белый (с.Гамма), в котором их содержание составляет в среднем 67-76 %. По этому показателю люпиновое масло близко к биологически ценным маслам - льняному и амарантовому, используемым в лекарственных целях. Поэтому дальнейшее исследование его биологической активности может представлять интерес (Карасева и др.,2001).

Селекционной особенностью люпина белого является то, что количество масла в его семенах не находится в непосредственной зависимости от содержания белка и размера семян. Следовательно, можно вести селекцию на масличность, не уменьшая содержания белка, при этом увеличивая или уменьшая величину семян (Барбацкий, 1959). Анализ данных, приведенных в работе В. Kurlovich (2002), выявляет интересную закономерность: у видов люпина американского происхождения содержание масла в семенах выше, чем у средиземноморских видов.

Большое внимание возделыванию люпина уделяют в Австралии. Эта страна - современный мировой лидер в производстве люпина (90% от мировых площадей). Мечта австралийских фермеров - поднять уровень содержания масла в узколистном люпине в три-четыре раза (до 18-20%), поскольку его цена на мировом рынке вдвое меньше сои, а условия для ее возделывания на большей части Австралии не столь благоприятны, как для люпина. Австралийские ученые работают над этой проблемой, используя генетические ресурсы окультуренных видов, в частности, люпина изменчивого, а также видов, недавно доместицированных.

В заключение хочется подчеркнуть, что привлечение нового перспективного материала в коллекцию ВИР, раскрытие и использование генетического потенциала уже имеющихся в коллекции образцов - задачи равного уровня приоритетности. Это касается и генетических ресурсов сои и люпина, необходимых для селекции высокомасличных сортов с качеством масла, соответствующим запросам современного потребителя.