Оценка урожайности, технологических и пищевых свойств зерна линий «цветной» пшеницы

Автор: Вернер А.О., Потоцкая И.В., Безукладов И.В., Марчевский А.В., Шаманин В.П.

Журнал: Вестник Омского государственного аграрного университета @vestnik-omgau

Рубрика: Агрономия

Статья в выпуске: 1 (49), 2023 года.

Бесплатный доступ

Исследования проведены на опытном поле Омского ГАУ в 2021-2022 гг. Материалом для исследований служили 30 линий яровой мягкой пшеницы с разной окраской зерна: светло-коричневой (1 шт.), фиолетовой (25 шт.), темно-фиолетовой (2 шт.) и черной (2 шт.) из коллекционного питомника качества (КПК), полученных в ИЦиГ СО РАН (г. Новосибирск). Линии с фиолетовой окраской зерна созданы путем скрещивания рекуррентного родительского сорта Элемент 22 с донорной фиолетовозерной линией на основе сорта Саратовская 29 (i:S29Pp3Pp-D1PF / PurplePF), содержащей участки хромосом 2А и 7D от сорта Purple Feed c доминантными аллелями регуляторных генов биосинтеза антоцианов в перикарпе Pp-D1 и Pp3. Для улучшения хлебопекарного качества и производства зерновых продуктов с функциональными свойствами интерес представляют линии с фиолетовой окраской зерна, сочетающие высокую урожайность (≥ 500 г/м2) с улучшенными технологическими признаками зерна: массой 1000 зерен (≥ 35 г), содержанием белка и клейковины в зерне (> 13% и 40%), числом падения (281-307 с), индексом глютена (83,6-88,5%), седиментацией (37,5-44,6 мл), выходом муки (61,4-62,9%): Element 22-PurplePF (7), Element 22-PurplePF (2-7), Element 22-PurplePF (2-8), Element 22-PurplePF (2-2-1), Element 22-PurplePF(2-4-6). Сорта пшеницы с фиолетовым и черным зерном благодаря повышенному содержанию фитохимических соединений - потенциальные источники природных антиоксидантов и функциональных свойств зерна, рекомендуются в качестве исходного материала в селекции на повышенное содержание фенольных соединений.

Еще

Яровая мягкая пшеница, качество зерна, «цветная» пшеница, антоцианы

Короткий адрес: https://sciup.org/142237269

IDR: 142237269   |   DOI: 10.48136/2222-0364_2023_1_27

Текст научной статьи Оценка урожайности, технологических и пищевых свойств зерна линий «цветной» пшеницы

Пшеница – важнейшая продовольственная культура в России, идущая на экспорт, однако качество производимого зерна для внутреннего потребления и поставки на мировой рынок остаются на низком уровне. Главное назначение зерна пшеницы заключается в получении муки – основного вида сырья для производства большого количества продуктов питания. Повышение качества зерна яровой мягкой пшеницы является одним из приоритетных направлений ее селекции.

Качество – совокупность показателей, которые отвечают требованиям, предъявляемым в соответствии с назначением зерна. Понятие качества зерна необходимо рассматривать в двух аспектах: во-первых, с точки зрения пищевой ценности; во-вторых, как выражение его технологических достоинств – пригодности для производства хлеба и хлебобулочных изделий [1; 2].

Пшеничная мука из зерна с фиолетовой и голубой окраской используется крайне редко. Отличительная особенность таких сортов – синтез антоциановых пигментов в перикарпе и алейроновом слое зерновки. Фиолетовая пигментация определяется генами Pp3 / TaMyc1 и Pp-1/Myb (Purple pericarp) [3; 4], а окраску алейрона контролирует ген Ba (Blue aleurone) [5]. Флавоноидные пигменты, отвечающие за окраску зерна, помогают растениям пшеницы справляться с различными абиотическими и биотическими стрессами, что представляет интерес при создании стрессоустойчивых сортов [6]. Несмотря на возросший в мире интерес к «цветным» пшеницам, в России до настоящего времени среди сортов с фиолетовой окраской зерна зарегистрирован в Госреестре селекционных достижений всего один – сорт Надира (оригинатор ФГБУН «Федеральный исследовательский центр Казанский научный центр РАН»). На сегодняшний день интерес к цветным формам злаков возрастает как к сырью для производства функциональных продуктов питания, поскольку наличие в зерне биофлавоноидов делает эти формы ценными источниками природных антиоксидантов, полезных для здоровья человека [7; 8]. В этой связи одно из актуальных направлений современной селекции – создание сортов «цветной» пшеницы для производства функциональных цельнозерновых продуктов питания.

Цель исследований – провести оценку урожайности, технологических и пищевых свойств линий яровой мягкой пшеницы с разной окраской зерна в южной лесостепи Западной Сибири.

Объекты и методы

В эксперимент включено 33 сортообразца яровой мягкой пшеницы с разной окраской зерна. В коллекционном питомнике качества (КПК) на опытном поле Омского ГАУ в 2021–2022 гг. изучено 30 линий, полученных в ИЦиГ СО РАН (г. Новосибирск) в лаборатории молекулярной генетики полифенольного метаболизма растений, автор – Е.И. Гордеева: светло-коричневые (1 шт.), фиолетовые (25 шт.), темно-фиолетовые (2 шт.) и черные (2 шт.). Линии с фиолетовой окраской зерна созданы путем скрещивания рекуррентного родительского сорта Элемент 22 с донорной фиолетовозерной ли-

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 1(49) AGRONOMY нией на основе сорта Саратовская 29 (i:S29Pp3Pp-D1PF / PurplePF), содержащей участки хромосом 2А и 7D от сорта Purple Feed c доминантными аллелями регуляторных генов биосинтеза антоцианов в перикарпе Pp-D1 и Pp3 [9; 10]. В качестве стандартов в опыте использованы краснозерные сорта яровой пшеницы: Памяти Азиева – среднеранний, Дуэт – среднеспелый и Элемент 22 – среднепоздний.

Посев проводили 16 мая селекционной навесной сеялкой ССФК-7 по черному пару. Коэффициент высева – 4,5 млн всхожих зерен на гектар. Делянка площадью 1,4 м2, повторность – трехкратная. Уборка питомника проведена в фазу полной спелости комбайном Сампо 130. Показатели содержания в зерне белка определяли методом Кьельдаля, число падения – на приборе Falling Number Device-Y12, индекс глютена – на приборе Gluten Index Device-Y08 («YUCEBAS MACHINERY», Турция). Выход муки определяли как ее количество, выраженное в процентах к массе переработанного зерна. Показатель седиментации – на аппарате седиментации Sedimentation Device-15. Для оценки качества муки применяли стандартные методы (ГОСТ ISO 21415-2-2019, ГОСТ 34702–2020).

Общее содержание свободных и связанных фенольных соединений определяли методом Фолина – Чокальтеу некоторыми модификациями: 100 мкл экстракта в метаноле смешивали с 500 мкл реагента Фолина – Чокальтеу (2 н.), 1,5 мл раствора Na 2 CO 3 (200 г/л) и 7,9 мл дистиллированной воды. Для каждого образца вместо экстракта добавляли 100 мкл метанола. После 120 мин отстаивания в темноте его центрифугировали при 4000 g в течение 5 мин. Затем измеряли оптическую плотность при длине волны 760 нм. Общее содержание фенолов в каждом образце определяли с помощью калибровочной кривой, полученной с использованием стандарта галловой кислоты, выраженного в миллиграммах эквивалента галловой кислоты (GAE) на грамм зерна пшеницы.

Статистическая обработка данных проведена по методике, изложенной в пособии Б.А. Доспехова [11], с помощью прикладных статистических программ Microsoft Excel и SPSS версии PASW Statistics 20.0 («IBM», США). Погодные условия в годы проведения опыта были различными: 2021 г. характеризовался как острозасушливый с высокой среднесуточной температурой воздуха и малым количеством осадков; 2022-й – более благоприятный по влагообеспеченности, но с контрастным распределением осадков. В мае 2022 г. отмечено недостаточное количество осадков (ГТК = 0,45), в июле, напротив, зафиксирована их двойная норма в сравнении со среднемноголетними данными (ГТК = 1,90).

Результаты и их обсуждение

Содержание клейковины в зерне пшеницы и ее качество – важнейшие показатели, характеризующие качество зерна. Так как клейковина пшеницы состоит на 80–90% из белков, то количество и качество белка тесно связано с ее количеством и качеством [12]. Число падения (ЧП) – один из главных показателей качества зерна и муки, косвенно характеризующий активность α-амилазы, определяемой по вязкости клейстери-зованной крахмальной суспензии [13]. Глютен – это белок пшеницы, который отвечает за уникальные хлебопекарные свойства пшеничной муки [14]. Седиментация (набухае-мость) муки определяется двумя факторами – качеством клейковины и ее количеством, т.е. этот показатель характеризует качество муки в целом, являясь критерием и качества зерна.

На рисунке представлена радиальная диаграмма, отражающая максимальное, минимальное и среднее значения признаков качества зерна линий «цветной» пшеницы в среднем за 2021–2022 гг.

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 1(49)

AGRONOMY

Радиальная диаграмма максимальных, минимальных и средних значений показателей качества зерна линий «цветной» пшеницы, отклонение в % от среднего значения признака за 2021–2022 гг.:

2 – 40%, 3 – 60%, 4 – 80%, 5 – 100%, 6 – 120%, 7 – 140%

По основным технологическим показателям качества зерна линии «цветной» пшеницы отнесены к сильной и ценной по качеству, что свидетельствует об удовлетворительном качестве клейковины. Как следует из диаграммы, они имели высокие показатели числа падения и седиментации (+ 40% к среднему значению признака – ≥ 220 с и ≥ 50 мл соответственно). Средний уровень показателей у изученных линий выявлен по признакам: выходу муки (56,7%), содержанию сырой клейковины (35,8%), индексу глютена (89,6%). У всех изученных линий высокая масса 1000 зерен – 40,3 г и средняя урожайность – 395 г/м2 при градации признака от 200 до 510 г/м2. Содержание белка в зерне в 2022 г. составило 14,2% при градации признака от 12,9 до 17,2%. Лучшие линии «цветной» пшеницы, выделенные по урожайности и технологическим свойствам зерна, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Урожайность и технологические показатели зерна лучших образцов «цветной» пшеницы, в среднем за 2021–2022 г.

Сорт, линия

Урожай-ность, г/м2

Число падения, с

Выход муки, %

Белок, %*

Сырая клейковина, %

Индекс глютена, %

Седи-мен-тация, мл

Масса 1000 зерен, г

Среднеранние

Element 22-PurplePF, BC1F2

480

280

60,5

14,0

44,0

84,4

48,5

38,3

Памяти Азиева, St

414

349

62,3

16,7

41,8

94,3

43,0

35,4

Среднеспелые

Element 22-PurplePF(2-2-1), BC 1 F 5

505

295

61,7

13,8

40,5

88,5

44,6

36,2

Дуэт, St

434

329

64,0

16,5

40,8

97,6

49,5

36,7

Среднепоздние

Element 22-PurplePF (7), BC1F8

513

281

62,9

15,2

43,0

84,3

37,5

39,4

Element 22-Black, F 4

476

296

61,4

12,9

41,9

78,7

43,8

35,3

Element 22-PurplePF(2-7), BC 1 F 4

544

307

61,4

13,8

41,3

77,5

40,8

37,3

Element 22-PurplePF (2-8), BC 1 F 4

539

298

61,8

13,9

41,9

83,6

44,1

35,3

Element 22-PurplePF(2-10), BC 1 F 4

497

290

60,7

12,9

40,9

88,0

44,1

38,7

Element 22-PurplePF (2-3-8), BC 1 F 5

509

310

58,9

12,9

41,1

81,8

43,5

39,5

Element 22-PurplePF(2-4-6), BC 1 F 5

504

286

62,6

13,6

40,0

84,1

42,5

38,7

Element 22-PurplePF(2-5-4), BC 1 F 5

473

309

61,7

13,1

42,5

82,3

41,1

38,9

Элемент 22, St

461

306

61,4

16,4

46,7

73,3

31,5

36,0

НСР 05

42,1

18,9

0,53

0,57

0,89

3,78

4,12

0,67

Примечание : *данные представлены за 2022 г.

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 1(49) AGRONOMY

По комплексу технологических свойств зерна и урожайности выделены десять линий, девять из них сестринские линии гибридной комбинации Элемент 22 / i:S29PF. Наибольший интерес для улучшения хлебопекарного качества представляют пять из них, имеющие высокие показатели индекса глютена (83,6–88,5%), седиментации (37,5– 44,6 мл), выхода муки (61,4–62,9%) и числа падения (281–307 с): Element 22-PurplePF (7), Element 22-PurplePF (2-7), Element 22-PurplePF (2-8), Element 22-PurplePF (2-2-1), Element 22-PurplePF(2-4-6).

Характеризуя полученные результаты, для селекции на повышение качества зерна можно рекомендовать данные линии фиолетовозерной пшеницы с высокой урожайностью (≥ 500 г/м 2) и массой 1000 зерен (≥ 35 г), имеющие также повышенное содержание белка и клейковины в зерне (13,6–15,2% и 40,0–43,0% соответственно). Наиболее распространенные фенольные соединения (ФС) в злаках относят к химическому классу гидроксикоричных кислот. Феруловая кислота (ФК), затем синаповая, п-кумаровая, кофейная – доминирующие в составе гидроксикоричных кислот. Наружные части зерновки пшеницы – алейроновый слой и околоплодник содержат 98% всех фенольных соединений [15].

Проведен анализ линий с разной окраской зерна, десять из которых представлены в табл. 2, и трех стандартов краснозерной пшеницы на содержание свободных, связанных и общих фенольных соединений.

Таблица 2

Содержание свободных, связанных и общих фенольных соединений в зерне мягкой пшеницы питомника КПК, мг эквивалента галловой кислоты (GAE)/г, в среднем за 2021–2022 г.

Сорт, линия,

Фенолы свободные, мг GAE/г

Фенолы связанные, мг GAE/г

Общее содержание фенолов, мг GAE/г

Среднеранние

Element 22-PurplePF, BC1F2

2,21

3,95

6,18

Памяти Азиева, St

2,15

4,50

6,65

Среднеспелые

Element 22-PurplePF (2-2-1), BC 1 F 5

2,20

4,03

6,24

Дуэт, St

2,24

5,10

7,34

Среднепоздние

Element 22-PurplePF (7), BC1F8

2,13

2,97

5,10

Element 22-Black, F4

2,54ab

5,53abc

8,05abc

Element 22-PurplePF, BC1F2

2,21

3,95

6,18

Element 22-PurplePF (2-7), BC 1 F 4

2,21

3,63

5,80

Element 22-PurplePF (2-8), BC1F4

2,49ab

5,31ac

7,80abc

Element 22 -PurplePF (2-10), BC 1 F 4

2,14

4,75a

6,90

Element 22-PurplePF (2-2-1), BC 1 F 5

2,20

4,03

6,24

Element 22-PurplePF (2-3-8), BC 1 F 5

2,23

5,11ac

7,33a

Element 22-PurplePF (2-4-6), BC1F5

2,37ab

4,44

6,82

Element 22-PurplePF (2-5-4), BC 1 F 5

2,40ab

4,61

7,01

Элемент 22, St

2,55

4,49

7,04

НСР 05

0,10

0,36

0,39

Примечание . Неодинаковыми латинскими буквами отмечены достоверные различия между линиями и стандартами: a – Памяти Азиева, b – Дуэт, с – Элемент 22

Общее содержание фенолов у линий с разной окраской зерна пшеницы варьировало от 5,10 (Element 22-PurplePF(7)) до 8,05 мг/г (Element 22-Black); свободных фенольных соединений – от 2,13 (Element 22-PurplePF (7)) до 2,54 мг/г (Element 22-Black); связанных фенольных соединений – от 2,97 (Element 22-PurplePF (7)) до 5,31 мг/г (Element 22-Black).

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 1(49)                                                                     AGRONOMY

Достоверно превзошли стандарт Дуэт (7,34 мг/г) по содержанию фенольных соединений две линии с фиолетовым и черным зерном – Element 22-PurplePF (2-8) (7,80 мг/г) и Element 22-Black (8,05 мг/г). Таким образом, линии пшеницы с фиолетовым и черным зерном являются потенциальными источниками фенольных соединений и природных антиоксидантов. Это обусловливает дополнительный потенциал «цветной» пшеницы для производства пшеничной муки и зерновых продуктов с добавленной стоимостью.

Проведен двухфакторный дисперсионный анализ по изученным показателям качества и урожайности зерна за два года исследований (табл. 3). Влияние генотипических различий между линиями на варьирование признаков качества зерна, числа падения и урожайности достоверно на 5%-ном уровне значимости (p < 0,05). Доля генотипа в общей фенотипической изменчивости числа падения, сырой клейковины, седиментации, индекса глютена и урожайности составила 63–93,5%, значительно меньше вклад генотипа в изменчивость таких признаков, как масса 1000 зерен и выход муки (9,0– 20%).

Таблица 3

Доля влияния факторов «генотип» и «год» на изменчивость признаков качества зерна и урожайности

Фактор

Число падения

Выход муки

Сырая клейковина

Индекс глютена

Седиментация

Масса 1000 зерен

Урожайность

Генотип

63%***

9%*

66%***

93,5%***

70%**

20%***

80%***

Год

7%**

82%***

24%***

0,5%

1%

61%***

12%***

Генотип × Год

30%

9%

10%

6%

29%

19%

8%

*Достоверно при: *p < 0,05; ** p < 0,01; ***p < 0,001

Условия года оказывали наименьшее влияние на изменчивость индекса глютена (0,5%), показателя седиментации (1%) и числа падения (7%). Эти признаки можно использовать при отборе селекционного материала цветных линий пшеницы в селекции на улучшение хлебопекарных свойств зерна в качестве менее вариабельных от гидротермических условий года.

Заключение

По основным технологическим показателям качества зерна линии с различной окраской отнесены к сильной и ценной пшенице. Содержание белка в зерне в среднем за годы изучения составило 14,2%, содержание сырой клейковины – 35,8%, выход муки – 56,7%, индекс глютена – 89,6%, число падения ≥ 220 с, показатель седиментации ≥ 50 мл, свидетельствуя об удовлетворительном качестве клейковины. Изученные линии имели также высокую массу 1000 зерен – 40,3 г и среднюю урожайность – 395 г/м2.

Для улучшения хлебопекарного качества и производства зерновых продуктов с функциональными свойствами представляют интерес линии с фиолетовой окраской зерна среднепоздней группы спелости, сочетающие высокую урожайность (≥ 500 г/м2) с улучшенными технологическими признаками зерна: массой 1000 зерен (≥ 35 г), содержанием белка и клейковины в зерне (> 13% и 40%), числом падения (281–307 с), индексом глютена (83,6–88,5%), седиментацией (37,5–44,6 мл), выходом муки (61,4– 62,9%): Element 22-PurplePF (7), Element 22-PurplePF (2-7), Element 22-PurplePF (2-8), Element 22-PurplePF (2-4-6). Сорта пшеницы с фиолетовым и черным зерном благодаря повышенному содержанию фитохимических соединений, в сравнении с обычной (красно-или белозерной пшеницей), являются потенциальными источниками природных антиоксидантов и функциональных свойств зерна. Рекомендуются в качестве исходного ма-

Vestnik of Omsk SAU, 2023, no. 1(49) AGRONOMY териала в селекции на повышенное содержание фенольных соединений линия с фиолетовым зерном Element 22-PurplePF и черным зерном – Element 22-Black.

Доля генотипа в общей фенотипической изменчивости числа падения, сырой клейковины, седиментации, индекса глютена и урожайности составила 63–93,5%, отмечен незначительный вклад генотипа в изменчивость массы 1000 зерен и выхода муки (9,0–20%).

Список литературы Оценка урожайности, технологических и пищевых свойств зерна линий «цветной» пшеницы

  • Мелешкина Е.П. Современные требования, предъявляемые к качеству зерна пшеницы и пшеничной муки // Хлебопродукты. 2018. № 10. С. 14–15.
  • Пoтoцкaя И.В., Кузьмин О.Г., Кошкин М.Н., Шаманин В.П. Идентификация локусов, контролирующих качество зерна, сортов мягкой пшеницы питомника КАСИБ // Вестник Омского ГАУ. 2021. № 4(4). С. 45–52. DOI 10.48136/2222-0364_2021_4_45.
  • Martinek P., Jirsa O., Vaculová K., Chrpová J., Watanabe N., Burešová V., Kopecký D., Štiasna K., Vyhnánek T., Trojan V. Use of wheat gene resources with different grain colour in breeding. Conference: Tagungsband der 64. Jahrestagung der Vereinigung der Pflanzenzüchter und Saatgutkaufleute Österreichs. 25–26 November 2013, Raumberg-Gumpenstein. Austria; 1: 75-78.
  • Morgounov A., Karaduman Y., Akin B., Aydogan S., Baenziger S., Bhatta M., Chudinov V., Dreisigacker S., Govindan V., Güler S., Guzman C., Nehe A., Poudel R., Rose D., Gordeeva E., Shamanin V., Subasi K., Zelenskiy Y., Khlestkina E. Yield and quality in purple-grained wheat isogenic lines. Agronomy. 2020;10(1):86. DOI 10.3390/agronomy10010086.
  • Zeven A.C. Wheats with purple and blue grains: a review. Euphytica. 1991;56(9):243-258.
  • Adzhieva V.F., Babak O.G., Shoeva O.Y., Kilchevsky A.V., Khlestkina E.K. Molecular-genetic mechanisms underlying fruit and seed coloration in plants. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2015;19(5):561-573. DOI 10.18699/VJ15.073.
  • Sharma S., Kapoor P., Kaur S., Kumari A., Sharma N., Kumar A., Chunduri V., Gard M. Changing nutrition scenario: colored wheat – a new perspective. In: Physiological, molecular, and genetic perspectives of wheat improvement. Springer Nature Switzerland AG. 2020; 71-88. DOI10.1007/978-3-030-59577-7.
  • Shamanin V.P., Tekin-Cakmak Z.H., Gordeeva E.I., Karasu S., Pоtоtskaya I.V., Chursin A.S., Pozherukova V.E., Ozulku G., Morgounov A.I., Sagdic O., Koksel H. Total Antioxidant capacity and profiles of phenolic acids in various genotypes of purple wheat. Foods. 2022;11(16):2515. DOI 10.3390/foods11162515.
  • Gordeeva E., Shamanin V., Shoeva O., Kukoeva T., Morgounov A., Khlestkina E. The strategy for marker-assisted breeding of anthocyanin-rich spring bread wheat (Triticum aestivum L.) cultivars in Western Siberia. Agronomy. 2020;10:1603. DOI 10.3390/agronomy10101603.
  • Khlestkina E.K., Shoeva O.Y., Gordeeva E.I., Otmakhova Y.S., Usenko N.I., Tikhonova M.A., Tenditnik M.V., Amstislavskaya T.G. Anthocyanins in wheat grain: genetic control, health benefit and breadmaking quality. Current Challenges in Plant Genetics, Genomics, Bioinformatics, and Biotechnology. 2019; 5-18. DOI10.18699/ICG-PlantGen2019-02.
  • Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М., 1983. 338 с.
  • Абрамова И.Н., Абрамов А.Г., Большешапова Н.И. Количество и качество клейковины у сортов, гибридов и мутантов яровой пшеницы // Научно-исследовательские публикации. 2014. № 8(12). С. 30–35.
  • Шарапов Э.М., Козлов В.А., Апаева Н.Н., Свечников А.К. Активность альфа-амилазы зерна и зависимость показателя числа падения от высоты растения яровой пшеницы // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2010. № 2(64). С. 22–27.
  • Tilley M., Miller R.A. Wheat breeding and quality evaluation in the US. In: Breadmaking (Second Edition), 2012.
  • Rosa N.N., Dufour C., Lullien-Pellerin V., Micard V. Exposure or release of ferulic acid from wheat aleurone: Impact on its antioxidant capacity. Food Chemistry. 2013;141(3, 1):2355-2362. DOI 10.1016/j.foodchem.2013.04.132.
Еще
Статья научная