Оценка образцов ячменя по содержанию антиоксидантов в зерне в условиях Восточной Сибири

Одной из важных практических задач, стоящих перед растениеводами, является не только повышение содержания ценных веществ в урожае, но и стабильное их проявление в разных условиях выращивания. Наблюдаемые сегодня изменения климата на планете, а также возделывание сельскохозяйственных культур в регионах с тяжелыми климатическими условиями способствуют целесообразности проведения исследований сортов различных культур на их адаптивность по элементам продуктивности и содержанию биологически активных веществ в урожае. Использование адаптивных к стрессорам сортов, которые способны реализовать свой потенциал в различных условиях выращивания, может сопровождаться повышением стабильности количественных и качественных характеристик урожая [1].

Как известно, наличие неблагоприятных экологических факторов может приводить к изменению химического состава урожая [2]. Особенно это важно для территорий с резко континентальным климатом, к которым относится Восточная Сибирь. Для этого региона приоритетными являются зерновые культуры, в том числе ячмень. Литературные данные подтверждают, что зерно ячменя представляет «нутрицевтическую» ценность и считается функциональным продуктом, который обеспечивает помимо основного питания дополнительную пользу для здоровья человека [3]. В его зерне присутствуют биологически активные вещества, которые входят в состав функциональных продуктов питания [4–6]. Из этих химических соединений наибольший интерес для практики представляют полисахариды бета-глюканы, ненасыщенные жирные кислоты и антиоксиданты. Последние привлекают все больше внимания как потенциальные средства для профилактики и лечения заболеваний, связанных с окислительным стрессом. Как известно, природные антиоксидантные соединения обладают многими важными свойствами, такими как, кардиопро-текторные, противораковые, омолаживающие, противовоспалительные и противомикробные [7].

В настоящее время получены экспериментальные данные об адаптивности различных образцов ячменя по элементам продуктивности [8,9]. При этом о влиянии условий выращивания на содержание в зерне ячменя ценных химических веществ, в частности антиоксидантов опубликовано небольшое количество данных [10].

Информации о возможной связи содержания антиоксидантов в зерне и стабильностью проявления этого признака в различных условиях выращивания ячменя в доступной научной литературе нам встретить не удалось. Для выработки стратегии селекции ячменя важно знать, будет ли сопровождаться отбор на повышенное содержание в зерне ценных веществ, в частности антиоксидантов, закономерным уменьшением величины стабильности образцов по этому признаку.

Цель исследования – определение адаптивного потенциала выращенных в условиях Восточной Сибири образцов ячменя по суммарному содержанию антиоксидантов (ССА) в зерне и массе 1000 зерен, а также анализ связи между этими признаками ячменя с одной стороны и показателями адаптивности образцов по ним с другой.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования использовали 10 образцов ячменя из коллекции Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова, которые выращивали в 2019 году в трех экологических пунктах, расположенных в Восточной Сибири. Такой дизайн эксперимента был выбран на основе имеющихся рекомендаций в литературе для пшеницы [11,12], согласно которым для повышения точности оценок по показателям адаптивности рекомендуется экологическую оценку проводить параллельно в нескольких пунктах или по схеме 1 год x 3 пункта. Экологические пункты представляли собой поля государственных сортовых участков: Краснотуранский ГСУ (Красноярский край), Бейский ГСУ (Республика Хакасия) и Пий-Хемский ГСУ (Республика Тыва). Погодные условия в пунктах исследования были контрастными: в Краснотуранском ГСУ влажные (ГТК 1,50), в Пий-Хемском ГСУ засушливые, ГТК равен 0,93, в Бейском ГСУ близкие к нормальным (ГТК 1,25). Предшественником во всех экологических пунктах являлся черный пар.

После уборки растений у каждого образца ячменя определяли массу 1000 зерен и измеряли суммарное содержание антиоксидантов (ССА) в зерне по известной методике [13], используя прибор Цвет-Яуза 01. В качестве образца сравнения применяли галловую кислоту. Повторность анализов трехкратная. По указанным признакам вычисляли 5 параметров адаптивности образцов ячменя. Они были представлены двумя показателями пластичности и тремя показателями стабильности. Первую группу составляли коэффициент экологической вариации Cv [14] и показатель стрессоустойчивости d [15]. Во вторую группу входили параметр гомеостатичности Hom [16], показатель уровня и стабильности сорта ПУСС [12], показатель селекционной ценности сорта Cs [16]. Выбор показателей адаптивности согласуется с данными литературы, где показано, что из многих методов оценки адаптивных реакций растений среди наиболее информативных оказались «показатель уровня и стабильности сорта (ПУСС)» и «коэффициент вариации генотипа на условия среды (Cv)» [17].

В работе использовали прием ранжирования образцов по уровню их адаптивности. Для определения последнего вычисляли суммы рангов в соответствии с применяемым критерием оценки адаптивности генотипов ячменя, заключающемся в минимальной изменчивости уровня изучаемых характеристик зерна по пунктам выращивания, соответственно высшие ранги присваивали образцам с минимальными значениями Cv, d и наибольшими значениями Hom, ПУСС, Cs.

Статистическую обработку данных проводили с помощью стандартных компьютерных программ Microsoft Excel. Достоверность результатов оценивали по t-критерию при р ≤ 0,05.

Результаты и обсуждение

Средние данные по результатам выполненных измерений величины ССА в зерне образцов ячменя, выращенных в трех экологических пунктах, приведены в таблице 1. Можно видеть генотипические различия в исследуемой химической характеристике зерна ячменя. Наибольшие уровни ССА в зерне наблюдались у образцов Уватский и Ача. Полученные результаты подтвердили имеющиеся в литературе данные, в которых показана сортоспецифичность ячменя по содержанию антиоксидантов в зерне [18–19].

Таблица 1.

Показатели адаптивности и результаты ранжирования по суммарному содержанию антиоксидантов (ССА) в зерне различных образцов ячменя, выращиваемых в условиях Восточной Сибири

Table 1.

Adaptability indicators and results of ranking by the total content of antioxidants (TAC) in the grain of various barley accessions grown in Eastern Siberia

Образец Sample	№ по Каталогу ВИР VIR Catalog No.	Среднее ССА, мг/100 г. Average TAC, mg/100	Показатели адаптивности и ранги Adaptability scores and ranks					Сумма рангов Sum ranks
			Cv, %	d	Hom	ПУСС, % Variety stability indicator, %	Cs
Буян| Buyan	31198	55,8± 3,9 а**	13,1 6	-13,1 6	0,3 6	7,3 6	43,9 8	32
Красноярский 91 Krasnoyarsk 91	31308	74,8± 1,2 б	2,2 3,5	-3,8 3	9,8 3	84,9 3	71,1 3	15,5
Ача (стандарт) Acha (standard)	30243	81,2± 1,2 в	2,1 2	-3,9 4	10,4 2	100,0 2	77,4 2	12
Биом | Biome	30984	58,7± 0,8 а	1,2 1	-2,5 1	23,5 1	104,5 1	56,3 4	8
Емеля | Emelya	31586	68,6± 6,9 аб	16,3 8	-23,8 9	0,2 8	0,1 10	48,3 6	39
Танай | Tanay	31604	62,8± 6,2 а	18,0 9	-21,1 8	0,2 8	6,6 7	44,5 7	39
Такмак | Takmak	-	68,3± 11,3 аб	28,1 10	-38,4 10	0,1 10	5,1 9	38,4 10	49
Уватский | Uvatsky	31378	86,3± 1,8 г	3,1 5	-6,0 5	4,8 5	75,3 4	80,5 1	20
Абалак | Abalak	31201	53,3± 4,8 а	14,1 7	-16,1 7	0,2 8	6,2 8	39,3 9	39
Оленек | Olenyok	31199	59,2± 1,0 а	2,2 3,5	-3,4 2	8,7 4	53,1 5	55,9 5	19,5
Коэффициент ранговой корреляции | Спирмена Sреаrmаn's rank correlation coefficient			0,959*	0,915*	0,976*	0,927*	0,896*	-

Примечание: числитель – величины показателей адаптивности; знаменатель – ранги образцов; • значения коэффициентов ранговой корреляции Спирмена являются существенными по t-критерию при р ≤ 0,05; ** значения в строках с разными буквами различаются между собой существенно по t-критерию при р ≤ 0,05

Note: the numerator is the value of adaptability indicators; the denominator is the ranks of the samples; • Sреаrmаn's rank correlation coefficients are significant according to the t-test at p ≤ 0.05; ** values in strings with different letters differ significantly from each other by the t-test at p ≤ 0.05

Таблица 2.

Результаты двухфакторного дисперсионного анализа влияния пункта выращивания и генотипа на характеристики зерна образцов ячменя

Table 2.

The results of a two-way ANOVA analysis of the effect of growing point and genotype on the grain characteristics of barley samples

Характеристика Characteristic	Источник варьирования Source of variation	Степени свободы Degrees of freedom	Средний квадрат Medium square	Вклад факторов,% Contribution of factors,%	F ф	F 0,5
Суммарное содержание антиоксидантов Total content of antioxidant	Пункт | Item	2	1748,37	52,09	2339,70	3,11
	Генотип | Genotype	9	1466,14	43,68	1962,01	1,99
	Пункт и генотип | Item and genotype	18	142,06	4,23	190,11	1,87
Масса 1000 зерен Weight 1000 grains	Пункт| Item	2	610,86	77,64	1497,70	3,11
	Генотип | Genotype	9	133,89	17,02	328,28	1,99
	Пункт и генотип | Item and genotype	18	42,04	5,34	103,08	1,87

Таблица 3.

Показатели адаптивности и результаты ранжирования по массе 1000 зерен различных образцов ячменя, выращиваемых в условиях Восточной Сибири

Table 3.

Adaptability indicators and results of ranking by weight of 1000 grains of various barley accessions grown in Eastern Siberia

Образец Sample	№ по Каталогу ВИР VIR Catalog No.	Среднее ССА, мг/100 г. Average TAC, mg/100	Показатели адаптивности и ранги Adaptability scores and ranks					Сумма рангов Sum ranks
			Cv, %	d	Hom	ПУСС, % | Variety stability indicator, %	Cs
Буян | Buyan	31198	45,8± 3,0 а**	11,4 6	-10,0 7	0,4 7,5	180,4 5	38,5 3	28,5
Красноярский 91 Krasnoyarsk 91	31308	38,2± 2,6 б	11,5 7	-8,0 6	0,4 7,5	124,4 9	30,9 8,5	38
Ача (стандарт) Acha (standard)	30243	44,8± 5,2 а	19,6 10	-15,3 10	0,2 10	100,0 10	30,9 8,5	48,5
Биом | Biome	30984	46,6± 2,4 а	8,8 3	-7,9 5	0,7 3,5	241,9 2	39,6 1	14,5
Емеля | Emelya	31586	37,6± 2,2 б	10,1 5	-7,6 4	0,5 5	137,2 8	30,8 10	32
Танай | Tanay	31604	44,8± 3,3 а	12,5 9	-10,3 8	0,4 7,5	157,4 7	36,3 5	36,5
Такмак| Takmak	–	43,7± 1,6 а	6,4 1	-5,0 1	1,4 1	292,5 1	38,9 2	6
Уватский Uvatsky	31378	40,6± 2,2 аб	9,1 4	-6,7 3	0,7 3,5	177,6 6	34,1 7	23,5
Абалак | Abalak	31201	46,4± 3,2 а	11,6 8	-10,7 9	0,4 7,5	182,0 4	37,1 4	32,5
Оленек | Olenyok	31199	41,2± 1,8 аб	7,3 2	-5,9 2	1,0 2	228,0 3	35,8 6	15
Коэффициент ранговой корреляции Спирмена Spearman's rank correlation coefficient			0,944*	0,847*	0,944*	0,915*	0,681	-

Примечание: числитель – величины показателей адаптивности; знаменатель – ранги образцов; • значения коэффициентов ранговой корреляции Спирмена являются существенными по t-критерию при р ≤ 0,05; ** значения в строках с разными буквами различаются между собой существенно по t-критерию при р ≤ 0,05|

Note: the numerator is the value of adaptability indicators; the denominator is the ranks of the samples; • Spearman's rank correlation coefficients are significant according to the t-test at p ≤ 0.05; ** values in strings with different letters differ significantly from each other by the t-test at p ≤ 0.05

Таблица 4.

Корреляционная связь между одноименными показателями адаптивности по содержанию антиоксидантов в зерне и величине массы 1000 зерен образцов ячменя

Table 4.

Соrrеlаtiоn between the same indicators of adaptability according to the content of antioxidants in the grain and the weight of 1000 grains of barley samples

Значения коэффициентов корреляции | Correlation coefficient value
Cv	d	Hom	ПУСС | Variety stability indicator	Cs
-0,271	-0,288	-0,022	-0,192	-0,613

Таблица 5.

Корреляционная связь между средним суммарным содержанием антиоксидантов в зерне, величиной массы 1000 зерен образцов ячменя и показателями их адаптивности по этим признакам

Table 5.

Correlation between the average total content of antioxidants in the grain, the weight of 1000 grains of barley samples and indicators of their adaptability for these traits

Характеристика Characteristic	Значения коэффициентов корреляции Correlation coefficient value
	Cv, %	d	Hom	ПУСС,% Variety stability indicator,%	Cs
Величина ССА в зерне TAC value in grain	-0,286	0,171	0,070	0,486	0,814*
Масса 1000 зерен Weight of 1000 grains	0,216	-0,435	-0,110	0,310	0,718*

*значения коэффициентов корреляции существенны при р ≤ 0,05 *values of correlation coefficients are significant at p ≤ 0.05

Как правило, перед выполнением оценки адаптивности образцов по хозяйственно-ценным признакам целесообразно провести дисперсионный анализ влияния внешних («пункт») и внутренних («генотип») факторов, а также их взаимодействия на изменчивость исследуемых признаков с целью установления их существенности. Результаты проделанных вычислений представлены в таблице 2. Можно видеть статистически значимую долю влияния условий выращивания и генотипа на изучаемые признаки ячменя (Fфакт > F05). При этом варьирование обоих признаков находится, главным образом, под контролем внешних факторов. В литературе на образцах ячменя одними авторами показано, что основной вклад в содержание фенольных соединений в зерне, которые играют значимую роль в его антиоксидантной активности, вносят условия окружающей среды [20], другие авторы указывают на существенное влияние генотипа на содержание токолов и витамина Е, проявляющих антиоксидантные свойства [21].

Результаты найденных показателей адаптивности образцов ячменя по уровню ССА в зерне приведены в таблице 1. Из них следует, что минимальные значения параметров пластичности принадлежат образцу ячменя Биом, а максимальные величины показателей стабильности – соответственно образцу ячменя Ача.

На основании зарегистрированной наименьшей суммы рангов можно заключить, что по уровню адаптивности лидируют образцы Биом и Ача (таблица 1).

Средние данные по результатам выполненных измерений массы 1000 зерен образцов ячменя, выращенных в трех экологических пунктах, приведены в таблице 3. Можно видеть генотипические различия в исследуемой физической характеристике зерна ячменя. Наибольшие значения массы 1000 зерен наблюдались у образцов Биом и Абалак. Минимальные значения параметров пластичности были отмечены у образцов ячменя Такмак и Оленек, максимальные показатели стабильности были характерны для образца Такмак. В итоге образцу Такмак практически по всем рассматриваемым параметрам адаптивности были присвоены высшие ранги по признаку «масса 1000 зерен» (таблица 3).

По результатам ранжирования ячменя по адаптивности в прикладном плане интерес представляют следующие 3 образца: 1) Биом (повышенная стабильность по обоим исследуемым признакам); 2) Оленек (повышенная стабильность по массе 1000 зерен и средний ее уровень по ССА); 3) Буян (средние значения стабильности по обоим признакам). Подчеркнем, что образцы Ача и Красноярский 91 одновременно характеризовались повышенной стабильностью по уровню ССА и пониженной стабильностью по массе 1000 зерен, а образец Такмак наоборот проявил минимальную стабильность по уровню ССА и максимальную стабильность по массе 1000 зерен, для образца Танай была зарегистрирована пониженная стабильность по обоим изучаемым признакам ячменя.

Отметим почти полное совпадение результатов ранжирования образцов по их адаптивности, вычисленных на базе разных показателей пластичности и стабильности. Это подтверждается существенными значениями коэффициентов корреляции Спирмена между рангами по отдельным параметрам адаптивности и суммой рангов (таблицы 1 и 3) за исключением показателя селекционной ценности сорта Cs для признака «масса 1000 зерен». Полученный эффект дает основание предположить, что абсолютное большинство используемых в работе параметров адаптивности по химическому и физическому признакам зерна оценивают один и тот же образец ячменя практически одинаково. Иначе говоря, повышенный уровень пластичности образца однозначно предполагает пониженную величину его стабильности и наоборот. Этот вывод подтверждают зарегистрированные в литературе результаты для овса [22], согласно которым показатель стабильности (Hom) отрицательно коррелируют с параметрами пластичности (Cv).

Проанализируем возможную корреляционную связь между одноименными показателями адаптивности образцов ячменя по уровню ССА в зерне с одной стороны и таковыми по величине массы 1000 зерен с другой. Данные вычислений приведены в таблице 4. Для всех указанных параметров пластичности и стабильности можно видеть наличие слабой и средней отрицательной корреляции, которая ни в одном случае статистически доказана не была. Полученный результат может говорить о наличии тенденции снижения стабильности образцов ячменя по уровню ССА в зерне при повышении их стабильности по крупности зерна и наоборот.

Далее рассмотрим возможную связь между абсолютными значениями (средние по трем пунктам исследования) химического и физического признаков зерна образцов ячменя с одной стороны и показателями их адаптивности, определенными по этим признакам, с другой. Результаты приведены в таблице 5. Можно видеть, что корреляционная связь между значениями ССА в зерне образцов ячменя и показателями их пластичности по данному признаку была слабой. В случае учета параметров стабильности указанная связь была положительной от слабой до сильной и существенной для показателя селекционной ценности сорта Cs. Что касается признака ячменя «масса 1000 зерен», то в работе статистически удалось доказать наличие положительной связи между средней величиной указанного признака и параметром стабильности Cs образцов ячменя. Продемонстрированный в таблице 5 результат может свидетельствовать о том, что при отборе ячменя на повышенные значения ССА в зерне и массы 1000 зерен стабильность проявления этих признаков в разных условиях выращивания, вероятно, снижаться не будет. Более того, она может иметь тенденцию к увеличению.

Заключение

В условиях Восточной Сибири по максимальной величине ССА в зерне выделились образцы ячменя Уватский и Ача а по массе 1000 зерен всех превзошли образцы Биом и Абалак. Найдено, что изменчивость этих хозяйственно-ценных признаков ячменя обусловлена в большей степени внешними условиями выращивания.

Показано, что оптимальные значения параметров адаптивности и их наименьшая сумма рангов по величине ССА в зерне были характерны для образцов Ача и Биом, а таковые по массе 1000 зерен были отмечены у одного и того же образца ячменя Такмак. По результатам ранжирования ячменя по адаптивности в прикладном плане интерес представляют следующие 3 образца: Биом (повышенная стабильность по обоим исследуемым признакам), Оленек (повышенная стабильность по массе 1000 зерен и средний ее уровень по ССА), Буян (средние значения стабильности по обоим признакам).

Установлено почти полное совпадение результатов ранжирования образцов по их адаптивности, вычисленных на базе разных показателей пластичности и стабильности. Это подтверждается существенными значениями коэффициентов корреляции Спирмена между рангами по отдельным параметрам адаптивности и суммой рангов за исключением показателя селекционной ценности сорта Cs для признака «масса 1000 зерен». Полученный эффект дает основание предположить, что абсолютное большинство используемых в работе параметров адаптивности по химическому и физическому признакам зерна оценивают один и тот же образец ячменя практически одинаково.

Между одноименными показателями адаптивности образцов ячменя по уровню ССА в зерне с одной стороны и таковыми по величине массы 1000 зерен с другой зафиксировано наличие слабой и средней отрицательной корреляции, которая ни в одном случае статистически доказана не была. Полученный результат может говорить о наличии тенденции снижения стабильности образцов ячменя по уровню ССА в зерне при повышении их стабильности по крупности зерна и наоборот.

Найдено, что корреляционная связь между средними значениями ССА в зерне, а также массы 1000 зерен образцов ячменя и показателем их стабильности Cs по данным признакам была положительной и существенной. Продемонстрированный результат может свидетельствовать о том, что при отборе образцов ячменя на повышенное значение ССА в зерне и массы 1000 зерен стабильность проявления этих признаков в разных условиях выращивания, вероятно, снижаться не будет. Более того, она может иметь тенденцию к увеличению.