Использование метода спектроскопии поверхностного внутреннего отражения для диагностики зерна кукурузы (Zea mays L.)

Инфракрасная (ИК) спектроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) - современные методы, на основе которых успешно формируются биотехнологические подходы, позволяющие проводить генетический и функциональный анализ отдельных органов и тканей растений на молекулярном уровне. В представленной работе с помощью спектроскопии поверхностного внутреннего отражения (ПВО), которая представляет собой модификацию ИК-спектроскопии, впервые зарегистрированы и выявлены различия в содержании и конформации биомолекул в гомогенатах целого зерна гибридов кукурузы ZP 735 и его компонентов (эндосперм, перикарп, зародыш). Нашей целью была разработка методологии спектроскопии поверхностного внутреннего отражения для идентификации органических молекул, их содержания и конформации в семени кукурузы и его тканях. Объектом исследования служили зерна гибрида кукурузы ( Zea mays L.) ZP 735 (оригинатор - Maize Research Institute, Zemun Polje, г. Белград, Сербия). Методом случайной выборки было отобрано 30 зерен. Для получения ПВО-спектров образцы целых зерен и их частей (эндосперма, перикарпа и зародыша) измельчали, гомогенизировали и помещали в специальную ячейку прибора. Для регистрации ПВО-спектров использовали спектрометр (Nicolet™ iS20 FTIR Spectro-meter, «Thermo Scientific», США) с алмазом (diamond ATR crystal, «Thermo Scientific», США), для анализа спектров - пакет программ («Thermo Scientific», США). ПВО-спектры сопоставляли в библиотеке данных программы Advanced ATR correction Algorithm. Метод ПВО-спектроскопии основан на отражении пучка света на границе раздела двух фаз: фазы кристалла с высоким показателем преломления, входящего в состав прибора ПВО, и фазы исследуемого образца с более низким показателем преломления. В процессе измерения луч света проникает на небольшую глубину в фазу образца, где частично поглощается. При последующих облучениях образца это явление повторяется, и в результате регистрируется ПВО-спектр. Доказано, что в диапазоне от 400 см-1 до 4000 см-1 ПВО-спектры целого зерна, эндосперма, перикарпа и зародыша гибрида ZP 735 были аналогичны полученным ранее ИК-спектрам зерна, что свидетельствует о возможности использования нового метода для технологий молекулярной селекции. Расположение полос ПВО-спектра характеризует различные формы колебаний валентных связей функциональных групп органических молекул семени, что позволяет идентифицировать не только наличие определенных молекул, но и их конформацию. Доказано, что с помощью анализа амплитуды полос ПВО-спектра (максимальная амплитуда интенсивности и высокая амплитуда интенсивности) в тканях семени можно контролировать изменение содержания ряда органических соединений: протеинов, липидов, сахаров, сложных эфиров, амидов, кетонов, альдегидов, карбоновых кислот, простых эфиров, фенолов, спиртов, ароматических углеводородов, ациклических соединений, алкенов, алканов и алкинов. Полученные результаты важны для тестирования наличия в зерне необходимых органических соединений или изменения их конформации в процессе селекции. К важным преимуществам метода ПВО-пектроскопии по сравнению с ИК-спектроскопией относятся, с одной стороны, сохранение нативности объекта (возможность проведения исследования без фиксации или окрашивания) и простая пробоподготовка, с другой - эффективная оценка содержания и конформации молекул с высокой чувствительностью (разрешение порядка 1,0 см-1). Реализация разработанной методики для формирования технологии молекулярной селекции повысит рентабельность культивирования и эффективность селекции не только кукурузы, но и других сельскохозяйственных растений.