Пигментный комплекс в листьях ярового ячменя в условиях Волго-Вятского региона

Вве^ение Яровой ячмень – скороспелая и пластичная ведущая кормовая, продовольственная и техническая зерновая культура с большим разнообразием форм, в которой заключен натуральный витаминно-минеральный комплекс, хорошее соотношение белка и крахмала. В сельском хозяйстве Волго-Вятского региона ячмень имеет большое значение, располагает значительными размерами посевных площадей и обеспечивает высокий валовой сбор.

Для обеспечения ^ивотноводства и птицеводства собственными высокоэнергетическими кормами необходима организация получения высокой продуктивности агрофитоценозов, которые характеризуются фотосинтетической деятельностью растений, создающие больший запас ассимилятов для формирования уро^ая. Фотосинтез является основным материально-энергетическим процессом, при котором образуется сухое вещество. В сухом веществе хлоропластов содер^ится до 12% пигментов/ Накопление сухого вещества – результат взаимодействий растений с внешней средой. От насыщенности сухим веществом зависит продуктивность возделываемой культуры [1].

Листовая поверхность является показателем роста всего растения, так как большая часть органического вещества создается в листьях [2, 3]. Рост и развитие листовой поверхности находится под влиянием как агротехнических и климатических, так и биологических факторов, в том числе сортовых особенностей, минерального питания, характера кущения, высоты растений [4]. Пигментный комплекс играет главную роль в процессе фотосинтеза и представлен хлорофиллами а и b и каротиноидами, то есть зелеными и оран^евыми комплексами [5, 6]. Хлорофилл а встречается в коровой части фотосистем, осуществляет первый этап превращений энергий; хлорофилл b находится только в светособирающих комплексах (ССК) фотосистем, увеличивает размер светособирающей антенны при недостатке света [7, 8]. Каротиноиды рассеивают избыточную энергию, предохраняя фотосистему от повре^дения. Некоторые исследователи отмечают возмо^ное участие каротиноидов в различных ^изненных процессах целого растения [9-11].

Установлено, что показатели развития пигментного комплекса могут быть использованы для прогноза развития таких элементов структуры уро^айности как «длина колоса», «масса зерна с колоса» и «масса 1000 зерен», а так^е показана перспективность селекционной работы по повышению содер^ания пигментов в листьях сортов ярового ячменя [12-15].

Цель иссле^ований : выделение коллекционных образцов ярового ячменя ( Hordeum vulgare L.) с высоким содер^анием листовых пигментов при полевых испытаниях генотипов различного эколого-географического происхо^дения.

Услови^, материалы и мето^ы Научно-исследовательская работа проводилась в 2020-2021 гг. в Ф^НЦ Северо-Востока (г. Киров). Объектом исследований являлись 30 коллекционных образов ярового ячменя, предоставленные ФИЦ ВИГРР им. Н.И. Вавилова (ВИР) и другими аграрными научными центрами.

Изучение коллекции проводили в полевых условиях в соответствии с «Методическими рекомендациями…» (2012) на делянках площадью 2,7 м2 в трёхкратной повторности. В качестве стандарта использовали сорт Белгородский 100.

Полевые опыты были зало^ены на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве, сформированной на элювии пермских глин, с содер^анием гумуса 2,27% и рН солевой вытя^ки 5,6. Предшественник – чистый пар. Фоном весной под культивацию вносили минеральные удобрения (нитроаммофоска NPK 16:16:16, ^О «ОХК «УР^ЛХИМ»).

Метеорологические условия различались по количеству осадков и температурному ре^иму в период вегетации. В 2020 году вегетация растений началась на 3-17 дней раньше средних многолетних сроков, в течение всего периода наблюдалось благоприятное для роста и развития растений сочетание тепла и влаги (ГТК=1,56). Повышенной теплообеспеченностью и недостаточной увла^ненностью характеризовался 2021 год (ГТК = 1,23).

Для анализа отбирали флаговый и подфлаговый лист в фазу начала колошения. Оценку содер^ания пигментов (хлорофилл a , хлорофилл b , каротиноиды) осуществляли в ацетоновых вытя^ках на спектрофотометре UVmini-1240 производства Shimadzu Corporation (Japan) при длинах волн 470 нм, 644,8 нм и 661,6 нм, согласно методике Lichtenthaler, H., Buschmann, C. (2001).

Полученные данные обрабатывали с помощью критерия Стьюдента t st [18], математический анализ осуществляли с использованием селекционногенетической компьютерной программы «AGROS 2.07» и пакетов программ Microsoft Office Excel 2007.

Результаты и обсуждение В ходе изучения коллекционных образцов различного эколого-географического происхо^дения установлены достоверные различия ме^ду генотипами по содер^анию трёх основных пигментов во флаговом листе. Определён вклад наследственности (генотип) и среды в накопление хлорофилла a , хлорофилла b , каротиноидов и их соотношений, представленный в таблице 1.

Таблица 1 – Доля влияния генотипа и условий вегетации на содер^ание фотосинтетических пигментов во флаговом лис те, %

Признак	Генотип (фактор ^)	Годы (фактор В)	Взаимодействие (^ х В)
Хлорофилл a	15,7*	73,5*	8,6*
Хлорофилл b	41,8*	35,9*	17,5*
Каротиноиды	10,9*	72,6*	13,6*
Хлорофилл a/b	66,5*	2,6*	24,7*
Хлорофилл ( a+b )/каротиноиды	73,2*	4,6*	18,0*
Доля хлорофилла в ССК, %	67,6*	2,4*	24,7*

Примечание * – вклад фактора достоверен на уровне ≥0,95.

Выявлено, что содер^ание хлорофилла a и каротиноидов зависит от условий вегетации, тогда как содер^ание хлорофилла b практически в равной степени определяется генотипом и условиями вегетации. Это противополо^но вкладу признаков в пигменты пшеницы, где хлорофилл а и каротиноиды в листьях пшеницы определялись генотипом, а хлорофилл b – условиями среды [19].

Однако, метеоусловия 2021 г. способствовали увеличению содер^ания всех фотосинтетических пигментов во флаговом листе в сравнении с 2020 г. По средним данным всех образцов в 2021 г. содер^ание хлорофилла a выросло на 72%, хлорофилла b – на 58%, каротиноидов – на 56%. Одновременно увеличилось соотношение двух форм хлорофиллов и соотношение зеленых и ^елтых пигментов на 5% и 10% соответственно. Меньше всего от условий вегетации за годы исследований зависел пигментный комплекс образцов Одесский 115 и Рейдер. Содер^ание хлорофилла a практически не изменялось у образца Щедрый, а хлорофилла b у образцов Sultan, Filippa, Landrace, Haxby, Местный (к-2929), Местный (к-2930), Mie, Наран, Казьминский.

В условиях проведения опыта содер^ание фотосинтетических пигментов флагового листа у разных образцов ярового ячменя было качественно однотипным, однако сильная ме^генотипическая изменчивость отмечалась по содер^анию хлорофилла b ( CV =23,5%), которое варьировало от 2,33 до 5,60 мг/г сухой массы. Образцы Новичок (5,30 мг/г), Crusades (5,50 мг/г) и Mentor (5,60 мг/г) характеризовались высоким содер^анием этого пигмента, показанные в таблице 2.

Таблица 2 –Содер^ание пигментов во флаговом листе, мг/г сухого вещества

Образец (номер каталога ВИР)	Хлорофилл а	Хлорофилл b	Каротиноиды	Хлорофилл a/b	Хлорофилл ( a+b ) / каротиноиды	Доля хлорофилла в ССК, %
Белгородский 100	8,18±0,16	5,34±0,14	1,96±0,03	1,53±0,03	6,87±0,09	87,2±0,7
Новичок (к-30806)	8,26±0,32	5,30±0,22	1,99±0,07	1,55±0,03	6,77±0,14	86,3±0,9
Crusades	8,46±0,11*	5,50±0,08	2,03±0,03	1,53±0,02	6,82±0,08	86,9±0,6
Mentor (к-30873)	8,79±0,31*	5,60±0,20	2,17±0,10*	1,57±0,06	6,61±0,25*	85,8±1,8
Danuta (к-30888)	7,02±0,52	3,48±0,34	2,25±0,09*	2,18±0,15*	4,48±0,26*	70,2±0,9
Filippa (к-30574)	7,78±0,33	3,80±0,27	2,34±0,10*	2,03±0,07*	4,93±0,12*	72,9±1,6
Bonita (к-35415)	6,23±0,17	2,81±0,17	2,07±0,06*	2,22±0,10*	4,33±0,14*	68,5±2,2
NCL 95098 (к-35415)	7,18±0,27	2,86±0,22	2,44±0,08*	2,48±0,14*	4,12±0,16*	63,8±2,6
Местный (к-5983)	7,71±0,36	3,90±0,23	2,54±0,08*	1,93±0,05*	4,57±0,14*	75,3±1,1
Haxby (к-31053)	5,80±0,26	2,33±0,22	2,15±0,05*	2,47±0,05*	3,68±0,18*	63,7±1,3
Mie (к-30379)	7,24±0,36	3,46±0,28	2,52±0,08*	2,07±0,09*	4,31±0,22*	72,1±2,2
Makbo (к-5210)	5,76±0,25	2,96±0,19	2,08±0,04*	2,07±0,05*	3,96±0,15*	72,2±1,3
Rodos (к-30256)	7,29±0,53	3,58±0,34	2,36±0,14*	2,03±0,07*	4,52±0,20*	72,9±1,6
НСР 05	0,27	0,33	0,09	0,07	0,23	1,6

Примечание: * - уровень вероятности Р≥0,95

Значение хлорофилла a возросло от 5,45 до 8,79 мг/г сухой массы ( СV =12,4%). Достоверно превысили контроль образцы Crusades (8,46 мг/г) и Mentor (8,79 мг/г).

Содер^ание каротиноидов колебалось от 1,83 до 2,54 мг/г сухой массы ( CV =8,6%). Все образцы, за исключением Одесский 115, по этому показателю существенно превышали стандарт или находились на его уровне. Наибольшее достоверное хранение каротиноидов во флаговом листе отмечалось у образцов Местный (к-5983) (2,54 мг/г), Mie (2,52 мг/г), NCL 95098 (2,44 мг/г), Rodos (2,36 мг/г), Filippa (2,34 мг/г).

Взаимосвязь двух форм хлорофиллов варьировала от 1,53 до 2,48 мг/г сухой массы ( CV =13,7%). Все изученные генотипы по этому показателю находились на уровне контрольного значения (1,96 мг/г) или достоверно превышали его: NCL 95098 (2,48 мг/г) и Haxby (2,47 мг/г), Bonita (2,22 м) и Danuta (2,18 мг/г).

Соотношение зеленых и ^елтых пигментов изменялось от 3,68 до 6,87 мг/г сухой массы ( CV =19,2%). Эта пропорция является чувствительным индикатором воздействия стрессов окру^ающей среды на растения и чем ни^е этот показатель, тем устойчивее сорт [2]. Наименьшее соотношение зеленых и ^елтых пигментов достоверно отмечалось у образцов Haxby (3,68 мг/г) и Makbo (3,96 мг/г).

Доля хлорофилла в ССК находилась в диапазоне от 63,8 до 87,2% ( CV =8,8%). Высокое наличие хлорофилла в ССК поддер^ивает требующуюся интенсивность фотосинтеза, что гарантирует накопление сухой массы. Образец Белгородский 100 характеризовался наибольшей долей хлорофилла. Образцы Новичок (86,3%), Crusades (86,9%) и Mentor (85,8%), как и по содер^анию зеленых пигментов, показали высокое значение. Низкое содер^ание пигментов в ССК приводит к нарушению упаковки гран хлоропластов [20].

По данным ряда авторов [6, 14] оценка содер^ания пигментов в подфлаговом листе мо^ет быть более эффективной для прогноза развития отдельных селекционно-ценных признаков и потенциальной уро^айности генотипов ярового ячменя. ^нализ фотосинтетических пигментов подфлагового листа показал аналогичную с флаговым картину вклада наследственности (генотип) и среды в их формирование, предло^енную в таблице 3.

Таблица 3 – Доля влияния генотипа и условий вегетации на содер^ание фотосинтетических пигментов в подфлаговом листе, %

Признак	Генотип (фактор ^)	Годы (фактор В)	Взаимодействие (^ х В)
Хлорофилл a	31,0*	59,6*	8,2*
Хлорофилл b	49,1*	40,8*	8,9*
Каротиноиды	12,8*	70,1*	15,2*
Хлорофилл a/b	51,8*	7,2*	26,2*
Хлорофилл ( a+b )/каротиноиды	72,7*	7,7*	17,2*
Доля хлорофилла в ССК, %	69,2*	7,3*	18,3*

Примечание * – вклад фактора достоверен на уровне ≥0,95.

В отличие от исследований листьев овса, где повышенная температура и засуха негативно повлияли на содер^ание зеленых пигментов [6], засушливые погодные условия 2021 г. оказали благоприятное влияние на содер^ание и соотношение всех фотосинтетических пигментов в подфлаговом листе. В сравнении с 2020 г. содер^ание хлорофилла a в 2021 г. выросло на 111%, хлорофилла b – на 128%, каротиноидов – на 91%, что привело к увеличению соотношения зеленых и ^елтых пигментов во флаговом листе на 19%. Однако соотношение двух форм хлорофиллов в подфалаговых листьях снизилось на 21% с 2,61 до 2,07 мг/г сухой массы.

Наименьшая зависимость от условий вегетации пигментного комплекса в подфлаговом листе была выявлена у генотипа Landrace. Содер^ание хлорофилла a у образцов NCL 95098, Казьминский, содер^ание хлорофилла b – Orthega, Filippa, Местный (к-5983), Makbo, Сябра и Рейдер, каротиноидов – Cooper и Щедрый.

В целом, среднее по сортам содер^ание хлорофиллов a и b , в подфлаговом листе ни^е, чем во флаговом, в то время как количество каротиноидов в этих листьях отличалось незначительно (рис.).

^ Флаговый лист Подфлаговый лист

Рисунок – Содер^ание фотосинтетических пигментов в листьях ячменя, мг/г сухой массы

В подфлаговом листе наблюдался более высокий уровень генотипической изменчивости содер^ания пигментов, чем во флаговом. Содер^ание хлорофилла a находилось в пределах от 4,05 до 9,46 мг/г сухой массы ( СV =26,2%), показано в таблице 4, выделялись образцы Новичок (8,51 мг/г), Crusades (8,30 мг/г), Sultan (8,80 мг/г) и Mentor (9,46 г/мг).

Значение хлорофилла b в листе изменялось от 1,60 до 6,06 мг/г сухой массы ( CV =43,6%), выделялись генотипы Новичок (4,90 мг/г), Crusades (5,08 мг/г) и Mentor (6,06 мг/г).

Таблица 4 –Содер^ание пигментов в подфлаговом листе, мг/г сухого вещества

Образец (номер каталога ВИР)	Хлорофилл а	Хлорофилл b	Каротиноиды	Хлорофилл a/b	Хлорофилл ( a+b )/ каротиноиды	Доля хлорофилла в ССК, %
Белгородский 100	9,32±0,29	6,01±0,25	2,27±0,05	1,58±0,04	6,58±0,20	85,6±1,1
Новичок (к-30806)	8,51±0,31	4,90±0,24	2,11±0,06	1,73±0,04	6,24±0,18*	80,8±1,3
Crusades	8,30±0,21	5,08±0,125	2,05±0,08	1,68±0,03	6,39±0,31	82,3±0,9
Sultan (к-19798)	8,80±0,28	5,46±0,23	2,19±0,05	1,64±0,04	6,36±0,20	83,5±1,2
Mentor (к-30873)	9,46±0,22	6,06±0,19	2,26±0,07	1,56±0,04	6,84±0,19	86,1±1,4
752A	7,03±0,28	2,94±0,19	2,58±0,07*	2,68±0,10*	3,57±0,11*	60,9±1,6
Filippa (к-30574)	5,76±0,50	1,99±0,42	2,27±0,14	4,46±1,68*	3,27±0,41*	50,6±9,1
Bonita (к-35415)	4,99±0,21	1,60±0,09	2,23±0,08	4,24±0,17*	2,87±0,03*	46,3±1,4
Rodos (к-30256)	6,31±0,37	2,88±0,11	2,71±0,14*	2,27±0,10*	3,38±0,11*	67,5±2,0
НСР 05	0,22	0,14	0,08	0,50	0,23	2,7

Присутствие каротиноидов варьировало от 1,57 до 2,71 мг/г сухой массы ( CV =13,5%). На уровне стандарта (2,27 мг/г) находились образцы Filippa (2,27 мг/г), Mentor (2,26 мг/г) и Bonita (2,23 мг/г), достоверно превышали его – Rodos на 19% и 752A на 13%.

Взаимодействие двух форм хлорофиллов изменялось от 1,56 до 4,46 мг/г сухой массы ( CV =31,5%). Все изученные образцы по этому показателю находились на уровне контроля (1,58 мг/г) или достоверно превышали его в несколько раз: Filippa (4,46 мг/г), Bonita (4,24 мг/г), 752A (2,68 мг/г), Rodos (2,27 мг/г).

Отношение зеленых и ^елтых пигментов варьировало от 2,87 до 6,84 мг/г сухой массы ( CV =19,2%), достоверно выделились образцы: Bonita (2,87 мг/г), Новичок (6,24 мг/г), 752A (3,57 мг/г), Filippa (3,27 мг/г), Rodos (3,38 мг/г).

Доля хлорофилла в ССК колебалась от 46,3 до 86,1% ( CV =14,1%). Превысил стандарт только образец Mentor на 0,5%.

Выво^ы Выявлено, что содер^ание хлорофилла а и каротиноидов зависит от условий вегетации. Преобладающая роль генотипа проявилась при соотношении пигментов и доле хлорофилла в ССК. На количественную выра^енность хлорофилла b оказало сочетание факторов «генотип» и «годы».

Для дальнейшей селекционной работы по созданию нового материала с высоким содер^анием листовых пигментов выделены образцы Новичок, Crusades и Mentor.

Отмечено, что в засушливом году больше фотосинтетических пигментов в листьях, чем при относительно благоприятных погодных условиях первого года исследования. Наиболее стабильные по содер^анию всех пигментов во флаговом листе образцы Рейдер и Одесский 115, в подфлаговом листе – Landrace.

По содер^анию хлорофилла b отмечалась сильная вариабельность, слабая – по наличию каротиноидов. Это позволяет использовать содер^ание фотосинтетических пигментов в качестве компонента при отборе образцов ячменя.

Благо^арности ^вторы выра^ают глубокую благодарность заведующей лаборатории селекции и первичного семеноводства ячменя Щенниковой И.Н., заведующему лаборатории эдафической устойчивости растений Лисицыну Е.М. за ценные советы при планировании исследования и рекомендации по оформлению статьи, признательность коллегам Коряковой ^.В. и Дягилевой Е.В. за оказанную помощь при проведении данного исследования.

fotosinteticheskikh pigmentov   v rasteniyakh yachmenya sorta Brovar //

Eksperimentalnaya biologiya i biotekhnologiya. 2020. № 3. S. 46-53.