Перспективы селекции высокобелковых сортов сои: моделирование механизмов увеличения белка в семенах (сообщение 1)

Введение. Перерабатывающая, комбикормовая и животноводческая отрасли во всём мире крайне заинтересованы в непрерывном увеличении объёмов производства растительного белка. Поэтому соя, накапливающая в семенах до 36– 40 % высококачественного белка, приобрела статус одной из главных культур мирового земледелия [1; 2; 3; 4; 6; 14; 15].

Обеспечить непрерывно растущие потребности в соевом белке можно несколькими путями: а ) повышением урожайности вновь создаваемых сортов при сохранении типичного для культуры (36 –40 %) содержания белка в семенах; б ) повышением содержания белка в семенах до 43–45 % при сохранении уровня урожайности; в ) совместным повышением как урожайности сортов, так и содержания белка в их семенах. При этом наиболее перспективными представляются пути селекционного увеличения белка при одновременном росте урожайности или, как минимум, при сохранении её достигнутых уровней [3; 6; 8; 9; 14; 15].

Изучению вопросов селекции высокоурожайных сортов сои с повышенным содержанием белка в семенах было посвящено большое количество работ в России и мире. Однако в большинстве случаев между этими признаками обнаруживалась отрицательная корреляция. В то же время периодически появляются исследования, свидетельствующие об ос- лабевании или полном отсутствии отрицательной связи между этими признаками, открывающие вероятность создания высокобелковых сортов сои с уровнями урожайности, вполне сравнимыми с продуктивностью обычных сортов [3; 4; 6; 8; 14; 15].

Теоретические исследования и практическая селекция высокобелковых сортов сои во ВНИИМК ведутся с 70 - х годов ХХ века. В результате в разные годы были выведены такие высокобелковые сорта, как Фора, Веста и Валента, с содержанием белка 43– 47 % [5; 6; 7; 8; 10; 11; 12; 13]. Однако из - за пониженной урожайности и отсутствия дифференцированных закупочных цен на высокобелковое сырье эти сорта у отечественных сельхозтоваропроизводителей признания не получили. В связи с этим для повышения результативности селекции высокобелковых сортов сои необходимо понимание механизмов увеличения относительной доли белка в семенах, а также выделение типов таких механизмов, не оказывающих негативного влияния на формирование урожайности.

Материал и методы. Исследования проводили в период 2013–2015 гг. на полях селекционного севооборота ВНИИМК с соблюдением принятой в Краснодарском крае технологии возделывания сои. Предшественник – озимая пшеница. Из-за наличия в пахотном слое всех полей ВНИИМК естественного фона резидентных азотфиксирующих бактерий дополнительное внесение инокулянтов Bradyrhizobium japonicum (Kirch.) Jord. не проводили. Сев сои осуществляли в оптимальные (конец апреля) сроки. Густота стояния 300–350 тыс. раст./га. Для данных исследований были отобраны сорта и линии сои с повышенным содержанием белка селекции ВНИИМК. Среднебелковыми (обычными) контролями служили очень ранний сорт Лира и ранний сорт Славия. Все сорта и линии сои оценивали в питомниках предварительного и конкурсного сортоиспытания. Оценку со- держания белка и масла в семенах проводили в лаборатории биохимии ВНИИМК на инфракрасном анализаторе. Для оценки различных типов взаимного варьирования содержания белка и масла в семенах введены расчётные коэффициенты: коэффициент К1 (сумма белка и масла), коэффициент К2 (частное отношение белок/масло).

Результаты и обсуждение . Анализ урожайности изучаемых сортообразцов сои и содержания белка в их семенах за период 2013–2014 гг. в первом приближении подтверждает хорошо известную в литературе отрицательную зависимость между этими признаками. Формальное применение алгоритма прямолинейной корреляции Пирсона даёт значения r = - 0,493 при р = 0,0036 (рис. 1).

0,0     0,5     1,0     1,5     2,0     2,5     3,0

У рожай ность, т/га

Рисунок 1 – Общая взаимосвязь между урожайностью и содержанием белка у сортообразцов сои за период 2013 –2014 гг., r = - 0,493 при р = 0,0036

Однако даже беглый визуальный анализ данных экспериментальной выборки по урожайности и содержанию белка в семенах свидетельствует о неоднородности выборки и ненормальности распределения дат (см. рис. 1). Кластерный анализ экспериментальной выборки данных с использованием простых связей и оценки Эвклидовых расстояний подтверждает неоднородность изучаемой выборки дат. Так, на уровне 1,5 ед. Эвкл. расст. экспе- риментальная выборка отчётливо разделяется на два кластера. На уровне 1,35 ед. – уже на три кластера, на уровне 1,0 ед. – на четыре кластера, на уровне около 0,7 ед. – на пять кластеров и т.д. (рис. 2).

Рисунок 2 – Кластерный анализ экспериментальной выборки изучаемых сортообразцов сои по урожайности и содержанию белка за 2013–2014 гг.

Таким образом, выявленное визуальным анализом распределение дат в двухмерном числовом поле (см. рис. 1) и их кластерный анализ (см. рис. 2) свидетельствуют о ненормальности распределения дат в анализируемой выборке и неправомочности применения прямолинейного корреляционного анализа Пирсона для анализа взаимосвязей между урожайностью и содержанием белка.

Нормализация общей выборки за счёт исключения из неё отдельных сортообраз-цов с нетипичным сочетанием признаков урожайности и содержания белка повысила надёжность корреляционной оценки между этими признаками в основной группе дат. В пределах основной нормализованной группы № 2 выявлена более слабая корреляция между урожайностью и содержанием белка, составившая r = -0,329 при р = 0,136. При этом выявленная отрицательная зависимость между урожайностью и содержанием белка распростра няется всего на 10,8 % всех наблюдений – коэффициент детерминации r ² = 0,108.

Ещё одним важным результатом кластеризации общей экспериментальной выборки данных является выделение из неё сортообразцов сои, нетипичных по сочетанию урожайности и содержанию белка в семенах (рис. 3).

Урожайность, т/га

Рисунок 3 - Выделение групп сортообразцов с нетипичным сочетанием урожайности и содержания белка в семенах при нормализации экспериментальной выборки

Так, в анализируемой экспериментальной выборке (см. рис. 3), помимо нескольких высокоурожайных среднебел ковых образцов группы № 1, чаще всего встречающихся в генофонде культурной сои, имеется группа № 2, отличающаяся повышенным ( на 3- 5 %) содержанием белка в сочетании с одинаковой, по отношению к группе № 1, или несколько сниженной урожайностью. Кроме этого , выделены группы № 3 и 4, характеризующиеся повышенным содержанием белка и пониженной, особенно в группе № 4, урожайностью. Кластер № 5 представлен одним образцом (сорт Лира в 2013 г.), в семенах которого накопилось обычное (около 40,5 %) количества белка, но который заметно уступил по урожайности сортообразцам из группы № 1.

В целом, выявленные в экспериментальной выборке сортообразцы с различным сочетанием урожайности и содержания белка позволяют предполо- жить наличие различных путей накопления содержания белка в семенах, в т.ч. не оказывающих негативное влияние на формирование продуктивности.

Компонентный состав семян сои довольно сложен и представлен белками, ферментами, ингибиторами протеиназ, лектинами, липидами, углеводами, изофлавонами, сапонинами, минеральными элементами, витаминами [10; 11], которые можно объединить в три крупных группы соединений:

• -    белковый комплекс, состоящий из протеинов и протеидов различной молекулярной массы и конфигурации;

• -    липидный комплекс триглицеридов и свободных жирных кислот, в совокупности составляющих масло;

• -    простые и сложные углеводы, включая целлюлозу (клетчатку), а также различные минеральные соединения (зола) [10; 11].

Биохимический состав абсолютно сухого семени любого растения, включая сою, представляет собой динамическую систему, в которой любое соотношение компонентов в сумме всегда составляет 100 %. Изменение относительной доли любой из этих фракций ведёт к пропорциональному изменению относительных долей остальных компонентов в семени.

В среднем семена сои содержат около 40 % белка и 20 % масла. Оставшиеся 40 % семени представляют собой углеводы и зольные вещества [2; 11]. Наличие у сои этих трёх крупных фракций позволяет сформулировать четыре динамических модели увеличения содержания белка в семенах: за счёт варьирования экологических условий в период налива семян, за счёт увеличения массовой доли белка, за счёт уменьшения массовой доли масла, а также за счёт уменьшения массовой доли углеводов и золы.

Экологическая модель (ЭМ) описывает наиболее распространённый в генофонде культурной сои баланс компонентов семени с зависимым от условий среды варьированием содержания белка. Такой тип варьирования связан с тем, что накопление в семенах сои запасных белков начинается на 10–15 суток раньше, чем накопление жирных кислот [6; 8; 12]. Поэтому в засушливых или в излишне короткодневных условиях, когда период налива семян заметно сокращается, запасающие ткани семядолей, как правило, успевают накопить белок, но не полностью успевают накопить масло, в итоге формируя семена с повышенной относительной долей белка и с пониженной – масла. В условиях избытка осадков или орошения, а также в длиннодневных условиях процессы накопления масла, как правило, завершаются полностью, формируя близкие к обычным для культуры соотношения белка и масла в семенах (40 : 20). Варьирование относительной доли углеводного комплекса и зольных соединений в этой модели предполагается незначительным и не учитывается (табл. 1).

Таблица 1

Моделирование динамических изменений относительных долей масла, золы и углеводов в семени в рамках экологической модели

Параметр	Относительная доля компонентов в семени сои, %
Белок	35,0	36,0	37,0	38,0	39,0	40,0	41,0	42,0	43,0	44,0	45,0
Масло	25,0	24,0	23,0	22,0	21,0	20,0	19,0	18,0	17,0	16,0	15,0
Зола + углеводы	40,0	40,0	40,0	40,0	40,0	40,0	40,0	40,0	40,0	40,0	40,0
К 1 (белок + масло)	60,0	60,0	60,0	60,0	60,0	60,0	60,0	60,0	60,0	60,0	60,0
К 2 (бе-лок/масло)	1,4	1,5	1,6	1,7	1,9	2,0	2,2	2,3	2,5	2,8	3,0

Анализ динамики соотношения фракций белка и масла в семени сои в рамках ЭМ показывает, что при увеличении содержания белка сумма белка и масла в семенах (К 1 ) будет оставаться практически неизменной за счёт пропорционального снижения масличности. Коэффициент К 2 , из - за меньшей изменчивости липидной фракции, по мере накопления белка в интервале от 35 до 45 % увеличивается от 1,4 до 3,0 (рис. 4).

Рисунок 4 – Динамика баланса между содержанием белка и масла в семенах в рамках экологической модели увеличения белка в семенах

Кумулятивно - протеиновая модель (КПМ) предполагает увеличение относительной доли белка в семени сои за счёт накопления белковых фракций при неизменной массовой доле масла, углеводов и золы. Предположительно, такой эффект может определяться дубликацией генных комплексов, кодирующих синтез запасных белков. В этом случае при увеличении белка в семени относительная доля масла и углеводов будет динамически снижаться. Теоретически рассчитанные изменения пропорций основных компонентов семени при прямом накоплении белковых фракций представлены в таблице 2.

Анализ представленных в таблице 2 параметров показывает, что при увеличении содержания белка, например, с 40 до 45 %, относительная доля масла в семени будет уменьшаться с 20 до 18,3 %. Относительная доля зольно - углеводной части также сокращается с 40 до 36,7 %.

При реализации КПМ коэффициент К 1 при увеличении массовой доли белковой фракции в семени линейно возрастает на 1,6667 ед. на каждый процент увеличения относительной доли белка. Коэффициент К 2 в рамках этой модели также линейно увеличивается с приростом 0,2283 ед. на каждый дополнительный процент белка (рис. 5).

Таблица 2

Таблица 3

Моделирование динамических изменений относительных долей масла, золы и углеводов в семени в рамках кумулятивнопротеиновой модели

Параметр	Относительная доля компонентов в семени сои, %
Белок	30,0	32,5	35,0	37,5	40,0	42,5	45,0	47,5	50,0	52,5	55,0
Масло	23,3	22,5	21,7	20,8	20,0	19,2	18,3	17,5	16,7	15,8	15,0
Зола + углеводы	46,7	45,0	43,3	41,7	40,0	38,3	36,7	35,0	33,3	31,7	30,0
К 1 (белок + масло)	53,3	55,0	56,7	58,3	60,0	61,7	63,3	65,0	66,7	68,3	70,0
К 2 (белок/масло)	1,3	1,4	1,6	1,8	2,0	2,2	2,5	2,7	3,0	3,3	3,7

Моделирование накопления в семени относительных долей белка и зольно-углеводной фракции при частичной деградации накопления масла в рамках ЛДМ

Параметр	Относительная доля компонентов в семени сои, %
Белок	22,5	25,0	27,5	30,0	32,5	35,0	37,5	40,0	42,5	45,0	47,5
Масло	55,0	50,0	45,0	40,0	35,0	30,0	25,0	20,0	15,0	10,0	5,0
Зола + углеводы	22,5	25,0	27,5	30,0	32,5	35,0	37,5	40,0	42,5	45,0	47,5
К 1 (белок + масло)	77,5	75,0	72,5	70,0	67,5	65,0	62,5	60,0	57,5	55,0	52,5
К (бе-лок/масло)	0,4	0,5	0,6	0,8	0,9	1,2	1,5	2,0	2,8	4,5	9,5

Рисунок 5 - Динамика баланса между содержанием белка и масла в семенах в рамках экологической модели увеличения белка в семенах

Липидно-деградационная модель

(ЛДМ) предполагает увеличение относительной доли белка в семени сои за счёт частичной деградации процесса накопления липидных фракций в период налива семян, предположительно вследствие негативных мутаций генных комплексов, кодирующих синтез жирных кислот. Согласно этой модели, при сокращении массовой доли масла в семени относительные доли белка и зольно-углеводной фракции, не затронутые процессами деградации, будут в семени пропорционально повышаться (табл. 3).

Согласно ЛДМ, при сокращении массовой доли масла с 20 до 15 % относительная доля белка в семени с 40 % будет возрастать до 42,5 %. Относительная доля зольно-углеводной части семени при этом также увеличится на 2,5 %. При этом сумма белка и масла (К₁) при частичной деградации процессов накопления в семени липидной фракции не возрастает, как в моделях ЭМ и КПМ, а линейно уменьшается на 2,5 ед. при последовательном увеличении относительной доли белка на 1 %. При этом коэффициент К₂ при динамическом уменьшении массовой доли масла в семенах возрастает. В диапазоне относительного увеличения содержания белка от 37,5 до 47,5 % изменение значений коэффициента К 2 описывается полиномом третьей степени (рис. 6).

Рисунок 6 - Динамика баланса между содержанием белка и масла в семенах в рамках липидно-деградационной модели увеличения белка в семенах

Углеводно - деградационная модель (УДМ) предполагает увеличение относительной доли белка за счёт частичного ингибирования процессов накопления в семени простых и сложных углеводов, включая уменьшение относительной доли клетчатки. Согласно этой модели, при уменьшении накопления в семени углеводов относительные доли белка и масла, не затрагиваемые в рамках этой модели процессами ингибирования и деградации, будут пропорционально повышаться (табл. 4).

Таблица 4

Моделирование динамических изменений относительных долей белка и масла в семени при изменении массовой доли золы и углеводов

Параметр	Относительная доля компонентов в семени сои, %
Белок	20,0	23,3	26,7	30,0	33,3	36,7	40,0	43,3	46,7	50,0	53,3
Масло	10,0	11,7	13,3	15,0	16,7	18,3	20,0	21,7	23,3	25,0	26,7
Зола + углеводы	70,0	65,0	60,0	55,0	50,0	45,0	40,0	35,0	30,0	25,0	20,0
К 1 (белок + масло)	30,0	35,0	40,0	45,0	50,0	55,0	60,0	65,0	70,0	75,0	80,0
К 2 (бе-лок/масло)	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0	2,0

В рамках УДМ при снижении массовой доли зольно - углеводной фракции, например, с 40 до 35 % относительная доля белка в семени с 40 % возрастает до 43,3 %. Одновременно на 1,7 % увеличится относительная доля масла.

При реализации УДМ, предполагающей последовательное уменьшении массовой доли зольно - углеводной фракции, коэффициент К 1 линейно возрастает с интенсивным приростом в 5 ед. на каждый процент белка. При этом коэффициент К 2 останется неизменным независимо от степени ингибирования процессов накопления углеводов (рис. 7).

Рисунок 7 – Динамика баланса между содержанием белка и масла в семенах в рамках углеводно - деградационной модели увеличения белка в семенах

Выводы . Анализ взаимосвязи между урожайностью и содержанием белка в семенах в пределах экспериментальной группы высокобелковых сортообразцов сои позволил выявить неоднородность анализируемой выборки.

Кластеризация и нормализация экспериментальной выборки позволили выделить нетипичные по сочетанию урожайности и содержания белка в семенах сортообразцы, которые позволяют предположить различные механизмы накопления белка в семенах, в т . ч . не вызывающие негативное влияние на семенную продуктивность.

Сформулированы четыре динамических модели увеличения содержания белка в семенах: зависимой от условий среды (ЭМ), за счёт увеличения запасных белков (КПМ), за счёт уменьшения массовой доли масла (ЛДМ), а также за счёт уменьшения массовой доли углеводов и золы (УДМ).

При анализе содержания белка и масла в семенах селекционных сортообразцов предложенные модели позволят выявить предполагаемые механизмы увеличения относительной доли белка.