Генотипическая изменчивость содержания пентозанов в зерне озимой ржи

Рожь имеет значительные преимущества по сравнению с пшеницей по содержанию полезных минеральных веществ, лизина и диетических волокон (клетчатки) (1, 2). Помимо крахмала, который составляет около 65 % сухого вещества, самый богатый компонент в цельнозерновой ржи — некрахмалистые (non-starch polysaccharides, NSP) полисахариды (17 %). Эти макромолекулы служат основным элементом клеточных стенок. Главные некрахмалистые полисахариды — арабиноксиланы (arabinoxylans, АХ).

Они составляют около 8 % зерна и образуются из двух сахаров — L-арабинозы и D-ксилозы (3-5).

Важным показателем, определяющим диверсификацию применения ржаного зерна, служит содержание и качественный состав пентозанов, а также их состояние (водопоглощение, вязкость, растворимость в воде) (6-8). Формирование комплексов крахмал—арабиноксиланы обусловливает хорошие органолептические и хлебопекарные свойства ржаного хлеба, свежесть и диетические свойства продукта (9-12). В то же время пентозаны, а точнее высокомолекулярные арабиноксиланы, рассматриваются как главный фактор, ограничивающий использование ржи в кормлении животных, особенно моногастричных (13, 14).

Молекулярное строение и структурная организация арабиноксила-нов определяют их физические свойства. Длинные молекулы растворимых пентозанов представляют собой сеть, которая обладает высокой абсорбирующей способностью и образует клейкие гелеобразные растворы. Анти-питательные свойства пентозанов обусловлены способностью связывать воду, количество которой может в 10 раз превышать их собственную массу. У наиболее чувствительных групп сельскохозяйственных животных (птица и свиньи) при поедании корма из зерна ржи в пищеварительном тракте образуется высоковязкая суспензия, обволакивающая гранулы крахмала и протеинов, что ограничивает всасывание уже переваренного белка, крахмала, жира и других питательных веществ. В результате происходят расстройство пищеварения, ослабление и снижение продуктивности. Уменьшение количества пентозанов, в первую очередь водорастворимых, способствует улучшению фуражных свойств зерна ржи (15). По данным D. Boros с соавт. (16), количество пентозанов варьирует в зависимости от генотипа (от 35 до 88 мг/г), что позволяет отбирать формы с высоким и низким содержанием водорастворимой фракции. В работе H.-U. J u rgens с соавт. (17) общее количество пентозанов изменялось от 89 до 103 мг/г, а экстрагируемая вязкость колебалась от 2,6 до 5,1 сантистокс (сСт).

Ряд исследователей предлагают использовать непрямой метод оценки количества пентозанов посредством определения вязкости водного экстракта (ВВЭ) зернового шрота (18-20). Вязкость водно-шротовой суспензии может служить интегральным показателем качества селекционного материала, разграничивая линии ржи хлебопекарного и кормового направления (22). Величина наследуемости этого признака различается при дивергентном отборе и зависит от генотипа (15, 22, 23). При этом величина ВВЭ обусловлена как генотипическими (24, 25), так и средовыми факторами (26, 27). Наибольшая дифференцирующая способность проявляется в годы, когда в период налива складываются оптимальные и среднезасушливые погодные условия, которые наиболее благоприятны для селекции на этот признак (28). В связи с вышесказанным актуально выявление хозяйственной ценности каждого сорта озимой ржи как сырья для переработки.

В настоящем исследовании впервые с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии и определения экстрагируемой вязкости были выявлены контрастные по содержанию пентозанов генотипы озимой ржи, с участием которых впоследствии получены картирующие гибридные популяции для маркер-ориентированной и традиционной селекции.

Целью представленной работы стала оценка изменчивости общего количества пентозанов и содержания водорастворимой фракции арабинокси-ланов у российских и зарубежных популяций, гибридов и линий озимой ржи.

Методика. Исследования зерновых проб озимой ржи ( Secale cereale L.) проводили в 2010-2016 годах в Татарском НИИ сельского хозяйства (Тат-1042

НИИСХ). Изучались популяционные сорта российской и собственной селекции, образцы из коллекции Евросоюза, низкопентозановые и высоко-пентозановые линии, гибриды второго поколения, полученные в Тат-НИИСХ при скрещивании контрастных линий, гибридные сорта селекции «KWS LOCHOW GmBH» (Германия). Всего проанализировали 110 образцов. Материал для исследований выращивали ежегодно в конкурсном сортоиспытании, коллекционном и гибридных питомниках на селекционной базе института. Через 2 нед после уборки урожая зерно размалывали на лабораторной мельнице Laboratory mill 3100 («Perten Instruments», Германия), отбор навесок муки и шрота проводили по ГОСТ 13586.5-85. Содержание пентозанов определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в системе HPLC-RI («JASCO Deutschland GmbH», Германия) с использованием флуоресцентного детектора RF-10AXL и автосамплера 465 («Kontron Instruments», Германия) (17). Качественный состав пентозанов оценивали по общему количеству арабиноксиланов (total arabinoxylans, ТАХ) и фракции водорастворимых арабиноксиланов (soluble arabinoxylans, SАХ).

Экстракцию образцов для определения содержания водорастворимых пентозанов (ВРП) и вязкости водного экстракта (ВВЭ) проводили согласно методике, описанной D. Boros с соавт. (16). Вязкость водного экстракта регистрировалась капиллярным вискозиметром ВПЖ-1 («Лабтех», Россия) с диаметром капилляра 1,52 мм (19). Соотношение шрота и воды — 1:5. Кинематическую вязкость водного экстракта рассчитывали в сантистоксах по формуле V = g/9,807•T•K, где К — постоянная вискозиметра, мм2/с2; V — кинематическая вязкость, мм2/с; Т — время истечения жидкости, с; g — ускорение свободного падения в месте измерения, м/с2. Содержание водорастворимых пентозанов определяли микрометодом с использованием орцин-хлорида (29), модифицированным для зерна ржи (30).

Определение фенотипической и генотипической вариансы, а также расчет коэффициента вариации проводили на основе двухфакторного дис- персионного анализа с использованием множественного рангового критерия Дункана (31). Для оценки генотипической изменчивости и вычисления коэффициента наследуемости применяли соответствующие формулы (31, 32):

э э э э МЕ-Ме ар = ар + ^е , ag = -V-,

R             Й            ст²

PCV = ^ х 100 % , GCV = — х 100 % , H² = -f ,

X                              X                          СТр где ар и ag — соответственно фенотипическая и генотипическая дисперсия; ag — дисперсия остатка, Mg — средний квадрат для вариантов, Ме — средний квадрат для остатка, r — количество повторностей, PCV — фенотипический коэффициент вариации, %, GCV — генотипический коэффициент вариации, %, X — среднее значение признака, H2 — коэффициент наследуемости. Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета программ Exсel 7.0. В таблицах представлены средние значения признака (X) и ошибки средних (±Sx).

Результаты. Среди изученных образцов было выявлено значительное количество хлебопекарных сортов с высоким содержанием SАХ и ВРП, которые оказывают благоприятные воздействия на формирование ржаного теста, его формоустойчивость и качество хлеба в целом (табл. 1). Использование в рекомбинационной селекции европейских сортов и образцов из коллекции ВИР, а также гибридных сортов позволит создать материал для хлебопечения. Отечественные популяционные сорта и высокопентозановые линии селекции ТатНИИСХ выделялись высокими показателями общего содержания пентозанов (ТАХ) и экстрагируемой вязкости (ВВЭ).

Установлено, что ВВЭ зернового шрота имеет более широкий размах изменчивости, чем ВРП. Так, у нескольких низкопентозановых линий нашей селекции ВВЭ составляла 6,4-6,45 сСт. У гибридов F2 было выявлено промежуточное наследование признака. Российские популяционные сорта имели ВВЭ в пределах 15,4-34,5 сСт, тогда как у гибридных сортов немецкой селекции он достигал 47,5 сСт.

1. Вязкость водного экстракта и содержание фракций пентозанов в зерне озимой ржи ( Secale cereale L.) (Татарский НИИ сельского хозяйства, 2010-2016 годы)

Происхождение образцов Число образцов SАХ, % ТАХ, % ВВЭ, cCт ВРП, % Популяционные сорта российской селекции 7 3,82±0,21 12,04±0,41 23,6±2,2 4,55±0,13 Образцы из коллекций Евросоюза 7 3,12-4,66 5,02±0,07 10,53-13,72 11,86±0,43 15,4-34,5 4,03-4,97 Низкопентозановые линии селекции Татарского 10 4,74-5,35 3,76±0,13 10,86-13,8 11,04±0,18 9,5±1,2 3,33±0,39 НИИ сельского хозяйства Высокопентозановые линии селекции Татарского 5 3,03-4,43 3,96±0,16 10,19-11,74 12,30±0,19 6,4-18,2 28,1±2,5 1,90-4,41 5,63±0,59 НИИ сельского хозяйства F2 гибриды селекции Татарского НИИ 10 3,65-4,42 4,30±0,10 11,68-12,82 11,11±0,15 23,5-34,7 12,5±0,8 4,59-7,14 1,78±0,04 Гибридные сорта немецкой селекции 18 3,70-4,90 4,76±0,13 10,60-12,07 11,65±0,21 9,9-18,5 22,6±4,8 1,63-1,97 1,84±0,10 3,93-5,48 П р и м еч а ни е. SАХ — водорастворимые арабиноксиланы, ТАХ — 10,60-12,85 8,0-47,5   1,48-2,41 общие арабиноксиланы, ВВЭ — вязкость водного экстракта (сСт — сантистоксы), ВРП — водорастворимые пентозаны. Над чертой — среднее значение признака и ошибка среднего (x±Sx), под чертой — минимальное и максимальное значения признака (min-max). Прочерки означают отсутствие данных.

2. Параметры генотипической изменчивости и наследуемости вязкости водного экстракта и содержания водорастворимых пентозанов в зерновом шроте озимой ржи ( Secale cereale L.) (Татарский НИИ сельского хозяйства, 2010-2016 годы)

Признак              | GCV, % | PCV, % op |    og

Вязкость водного экстракта                    32,53        38,58      67,068      94,3360,71

Содержание водорастворимых пентозанов     13,02       18,39       0,076       0,1520,50

Прим еч ани е. PCV — фенотипический коэффициент вариации, GCV — генотипический коэффициент вариации, o p — фенотипическая дисперсия, o g — генотипическая дисперсия, H² — коэффициент наследуемости.

Анализ варианс показал значимые генотипические различия (P ≤ 0,05) как по ВВЭ (F ф _акт. = 15,76 > F_теор. = 2,18), так и по содержанию ВРП (F ф _акт. = 7,03 > F_теор. = 2,42) у исследуемого материала (табл. 2). С помощью коэффициента наследуемости мы попытались выявить долю наблюдаемой вариации по изучаемым признакам, обусловленную генотипическими различиями, в общей фенотипической изменчивости. Для вязкости водного экстракта зернового шрота H² = 0,71, что указывает на целесообразность совершенствования этого признака селекционными методами (см. табл. 2). Показано также, что 50 % фенотипической изменчивости количества водорастворимых пентозанов обусловлено наследственными особенностями, то есть результативность отбора по этому показателю будет невысокой. Следует отметить, что наследуемость как мера относительного вклада генетических и средовых различий в фенотипическую изменчивость имеет ряд ограничений. В частности, наследуемость не служит атрибутом признака как такового, а зависит от состава генотипов только той популяции, на которой проведено исследование (33). В другой популяции с другим составом генотипов наследуемость того же самого признака может оказаться иной. Относительные значения GCV и PCV дают представления о величине изменчивости в изученном генном пуле (см. табл. 2). Генотипический коэффициент вариации для ВВЭ оказался высоким (32,53 %), что влияет на выбор метода отбора. Различия, наблюдаемые по генотипическому и фенотипическому коэффициенту вариации обоих показателей, были практически равными.

С использованием корреляционного анализа у группы российских популяционных сортов была установлена высокозначимая положительная взаимосвязь между ТАХ и ВВЭ ( r = 0,736, Р = 0,05), ТАХ и ВРП ( r = 0,639, Р = 0,05). У высокопентозановых линий, созданных в Татарском НИИ сельского хозяйства, для первой пары признаков r = 0,790 (Р = 0,01), для второй — r = 0,812 (Р = 0,01). Коэффициенты корреляции ВВЭ и ВРП приближались к единице, то есть о содержании водорастворимых пентозанов (арабиноксиланов) при отборе селекционного материала для хлебопекарных целей можно судить по величине ВВЭ зернового шрота.

Наиболее дефицитными источниками для селекции остаются ма-лопентозановые формы. В процессе их 10-летнего отбора и изучения в ТатНИИСХ показано, что среднее значение SАХ у таких образцов равнялось 3,76 % с колебаниями от 3,03 до 4,43 % (см. табл. 1), что было значительно ниже, чем у гибридов немецкой селекции и коллекционных форм. Различия по вязкости оказались еще более явными. Следует отметить, что пока мы не можем указать ограничительные параметры по исследуемым показателям для кормовых и хлебопекарных сортов. Наименьшее количество пентозанов содержалось в муке и шроте у сортов Марусенька, Огонек, Чулпан 7, а у сорта Огонек низкое количество растворимых арабиноксила-нов выявили и в отрубях (рис. 1). У всех изученных сортов наибольшим было содержание пентозанов в отрубях. Это объясняется тем, что именно в оболочках зерновки ржи и алейроновом слое находится до 50 % пентозанов, в то время как в зародыше и крахмалистой части эндосперма, из которой получается мука, не более 15 %. Сорта Памяти Кунакбаева и Роксана имели более высокое содержание пентозанов во всех продуктах размола.

4,50-1

Рис. 1. Содержание пентозанов в муке (а) , шроте (б) и отрубях (в) у популяционных сортов ржи ( Secale cereale L.): 1 — Татарская 1, 2 — Огонек, 3 — Тантана, 4 — Память Кунакбае-ва, 5 — Роксана, 6 — Марусенька, 7 — Татьяна, 8 — Чулпан 7 (Татарский НИИ сельского хозяйства, 2013-2014 годы).

Широкий скрининг селекционного материала предполагает использование малозатратной, но объективной методики, позволяющей достаточной быстро дифференцировать создаваемые сорта по цели их дальнейшего использования. Косвенная оценка пентозановой фракции через опре- деление вязкости водного экстракта ржаного шрота дает возможность начать отбор на ранних этапах селекционного процесса и анализировать значительное число образцов за относительно короткое время.

Зависимость между ВВЭ и содержанием водорастворимых пентозанов в изученных количественных пределах с высокой вероятностью (95 %) имела прямолинейный характер и описывалась следующим уравнением регрессии y = 0,0335х + 1,5401, где у — содержание пентозанов в зерне, %, х — вязкость экстракта зернового шрота, сСт.

У малопентозановых линий выявлена значимая корреляция ВВЭ и ВРП (r = 0,754, Р = 0,05). Регрессионный анализ показал наличие нелинейной зависимости между количеством общих арабиноксиланов и их водорастворимой фракции (рис. 2). Большой интерес представляют полу- ченные нами гибриды F2 между контрастными генотипами из российского и зарубежного пулов. Они отличались сравнительно низкими значениями ВВЭ и ВРП. Следовательно, в селекционном плане выявлено небольшое

Рис. 2. Взаимосвязь содержания общих пентозанов и их водорастворимой фракции в зерновом шроте у низкопенто-зановых образцов озимой ржи ( Secale cereale L.) (Татарский НИИ сельского хозяйства, 2013-2014 годы).

количество источников низкого содержания пентозанов, фенотипическая оценка которых только по косвенному показателю ВВЭ затруднена.

Таким образом, наши исследования показали, что мы располагаем достаточным генофондом для селекции хлебопекарной ржи. Выделены российские сорта Марусенька, Огонек, Чулпан 7 с наименьшим количеством водорастворимых пентозанов в муке и шроте. Установлена высокозначимая положительная взаимосвязь между общим содержанием пентоза- нов, вязкостью водного экстракта и фракцией водорастворимых арабинок-силанов. Показано, что о содержании водорастворимых пентозанов (ара-биноксиланов) можно судить по величине ВВЭ зернового шрота. Фенотипическая оценка малопентозановых форм, основанная только на определении косвенного показателя ВВЭ, затруднена. Наследуемость вязкости водного экстракта зернового шрота в наших опытах составила H2 = 0,71, генотипический коэффициент вариации — 32,53 %. По содержанию водорастворимых пентозанов H2 = 0,50, генотипический коэффициент вариации — 13,02 %, поэтому результативность отбора по этому показателю будет невысокой. Представленные параметры генотипической изменчивости применимы только в отношении генотипов, использованных в нашем эксперименте. Помимо количественной оценки содержания пентозанов (высокомолекулярных арабиноксиланов) продуктов размола зерна, необходимы экономичные методы анализа их состояния (водопоглощения, вязкости и растворимости), что позволит более четко дифференцировать образцы.