Селекция яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) для производства экологически чистого зерна с функциональными свойствами в условиях Западной Сибири

Селекция яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) для производства экологически чистого зерна с функциональными свойствами в условиях Западной Сибири

Автор: Шаманин В.П., Потоцкая И.В., Чурсин А.С., Шепелев С.С., Нардин Д.С., Пожерукова В.Е., Kksel H., Моргунов А.И.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Улучшение сортов растений

Статья в выпуске: 3 т.59, 2024 года.

Бесплатный доступ

В связи с изменением климата и экологическими проблемами возникает необходимость создания сортов пшеницы с комплексной и пролонгированной устойчивостью к засухе и болезням. Селекционные программы, направленные на выведение сортов, пригодных для экологического и органического земледелия, позволят снизить производственные затраты и пестицидную нагрузку на агроценозы на ближайшие десятилетия. В настоящей работе впервые в условиях Западной Сибири показана значимость сортов яровой мягкой пшеницы с комплексной устойчивостью к бурой и стеблевой ржавчине при беспестицидной агротехнологии на интенсивном естественном инфекционном фоне для получения экологически чистого зерна, в том числе с функциональными свойствами фиолетовозерной пшеницы. Урожайность созданных сортов в годы исследований составила 3,4-4,4 т/га, определена их экономическая эффективность. Цель работы - оценить сорта пшеницы селекции Омского ГАУ с комплексной устойчивостью к болезням, а также с фиолетовой окраской зерна по урожайности, качеству и эффективности их возделывания при беспестицидной агротехнологии и условиях высокой инфекционной нагрузки в Западной Сибири. Исследования были проведены на опытном поле Омского ГАУ (55°02′′ с.ш., 73°31′′ в.д.) в южной лесостепи Западной Сибири в 2016-2021 годах. Материалом служили лучшие сорта и линии яровой мягкой пшеницы ( Triticum aestivum L.) селекции Омского ГАУ, полученные по программе челночной селекции и изученные в конкурсном сортоиспытании: среднеранние - Столыпинская 2, Нива 55, Агрономическая 5, Лютесценс 128-15; среднеспелые - Силантий, Лютесценс 27-12; среднепоздние - ЭФ 22. В качестве стандартов использовали среднеранний сорт Памяти Азиева, среднеспелый сорт Дуэт и среднепоздний сорт Элемент 22. Предшественник - черный пар. Оценку продолжительности вегетационного периода и анализ урожайности проводили по методике Госсортсети. Содержание белка и клейковины в зерне определяли с помощью прибора Инфралюм ФТ 10М («Люмэкс», Россия) по ГОСТ ISO 12099-2017. Уборку урожая осуществляли однофазным комбайном Sampo-130 («Sampo-Rosenlew», Финляндия). Восприимчивость сортов к бурой и стеблевой ржавчине (возбудители Puccinia triticina Erikss . и P. graminis f. sp. tritici Erikss . et Henn.) оценивали по шкалам, рекомендованным CIMMYT: R - высокая устойчивость, интенсивность поражения 0-5 %; M - гетерогенный тип, пустулы различного размера, окруженные хлоротическими и некротическими пятнами или без них; MR - умеренная устойчивость, 10-25 %; MS - умеренная восприимчивость, 30-50 %; S - восприимчивость, > 50 %. В Кении (г. Njoro) дополнительно оценили сорта Нива 55, Силантий и линию Лютесценс 128-15 на естественном инфекционном фоне P. graminis Ug99 по шкале CIMMYT. Идентификацию генов устойчивости к бурой и стеблевой ржавчине проводили в соответствии с установленным протоколом (http://maswheat.ucdavis.edu). Провели анализ содержания фенольных соединений в зерне фиолетовозерного сорта ЭФ 22 и оценили их антиоксидантные свойства в сравнении с краснозерными стандартами Памяти Азиева и Элемент 22. Экономическая эффективность производства зерна изученных сортов и линий рассчитывалась с учетом применения интенсивных зональных технологий возделывания. Показано, что в годы эпифитотий (2016-2020 годы) сорта с комплексной устойчивостью в условиях Западной Сибири в среднем имели достоверную прибавку урожайности: в зависимости от генотипа сорта от 0,3 до 1,1 т/га. Содержание белка и клейковины в зерне этих сортов соответствовало требованиям, предъявляемым к сильной пшенице (16 % и > 28 %). PCA (principal component analysis) анализ данных за 2017-2019 годы с интенсивным инфекционным фоном выявил отрицательную связь между поражением бурой, стеблевой ржавчиной и урожайностью, признаками качества зерна. Сравнительные испытания рекуррентного сорта Элемент 22 с комплексной устойчивостью к бурой и стеблевой ржавчине ( Lr10 , Lr26 / Sr31, Sr35 ) и его аналога ЭФ 22 с фиолетовой окраской зерна показали статистически значимое преимущество аналога по урожайности, общему содержанию фенолов в зерне, в том числе по количеству связанных фенолов и их антиоксидантной активности (соответственно 565,6 мг-экв. GAE/100 г и 62,7 %). Превышение валовой прибыли при возделывании сортов с комплексной устойчивостью к болезням варьировалось в пределах 25-40 % без учета рыночной премии для сорта ЭФ 22 за функциональные свойства продукта. Снижение фунгицидной нагрузки на посевы пшеницы имеет важное значение для производства экологически чистого зерна и сохранения окружающей среды в условиях Западной Сибири.

Еще

Пшеница, сорт, гены, устойчивость к болезням, урожайность, фенолы, антиоксиданты, органическое земледелие

Короткий адрес: https://sciup.org/142242457

IDR: 142242457   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2024.3.492rus

Список литературы Селекция яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) для производства экологически чистого зерна с функциональными свойствами в условиях Западной Сибири

  • Fess T.L., Kotcon J.B., Benedito V.A. Crop breeding for low input agriculture: a sustainable response to feed a growing world population. Sustainability, 2011, 3(10): 1742-1772 (doi: 10.3390/su3101742).
  • Mesterházy Á., Oláh J., Popp J. Losses in the grain supply chain: causes and solutions. Sustaina-bility, 2020, 12(6): 2342 (doi: 10.3390/su12062342).
  • Шагайда Н.И., Светлов Н.М., Узун В.Я., Логинова Д.А., Прищепов А.В. Потенциал роста сельскохозяйственного производства России за счет вовлечения в оборот неиспользуемых сельскохозяйственных угодий. М., 2018.
  • Тарасова А.А., Галеев М.М. Производство органической продукции как фактор реализации национальных проектов. Наука и образование, 2020, 3(3): 118-125.
  • Ван Мансвельт Я.Д., Темирбекова С.К. Органическое сельское хозяйство: принципы, опыт и перспективы. Сельскохозяйственная биология [Agricultural Biology], 2017, 52(3): 478-486 (doi: 10.15389/agrobiology.2017.3.478rus).
  • Мистратова Н.А., Ступницкий Д.Н., Яшин С.Е. Органическое земледелие в России (Обзорная статья). Вестник Красноярского ГАУ, 2021, 11(176): 100-107 (doi: 10.36718/1819-4036-2021-11-100-107).
  • Rahmann G., Nieberg H. New insights into organic farming in Germany — empirical results of a survey in 218 farms. Landbauforschung Völkenrode, 2005, 3(55): 193-202.
  • Chable V., Dawson J., Bocci R., Goldringer I. Seeds for organic agriculture: development of participatory plant breeding and farmers’ networks in France. In: Organic farming, prototype for sustainable agricultures /S. Bellon, S. Penvern (eds). Springer, Dordrecht, 2014: 383-400 (doi: 10.1007/978-94-007-7927-3_21).
  • Mäder P., Hahn D., Dubois D., Gunst L., Alföldi T., Bergmann H., Oehme M., Amadò R., Schneider H., Graf U., Velimirov A., Fließbach A., Niggli U. Wheat quality in organic and conventional farming: results of a 21 year field experiment. Science of Food and Agriculture, 2007, 87(10): 1826-1835 (doi: 10.1002/jsfa.2866).
  • Ryan M.H., Derrick J.W., Dann P.R. Grain mineral concentrations and yield of wheat grown under organic and conventional management. Science of Food and Agriculture, 2004, 84(3): 207-216 (doi: 10.1002/jsfa.1634).
  • Стекольников К.Е Органическое земледелие в России — благо или катастрофа? Биосфера, 2020, 12(1-2): 53-62 (doi: 10.24855/BIOSFERA.V12I1.537).
  • Chiriacò M.V., Grossi G., Castaldia S., Valentini R. The contribution to climate change of the organic versus conventional wheat farming: a case study on the carbon footprint of wholemeal bread production in Italy. Journal of Cleaner Production, 2017, 153(1): 309-319 (doi: 10.1016/j.jclepro.2017.03.111).
  • Шаманин В.П., Потоцкая И.В., Кузьмин О.Г. Скрининг сортов яровой мягкой пшеницы питомника КАСИБ к бурой и стеблевой ржавчине в условиях Западной Сибири. Вестник Казанского ГАУ, 2017, 12 (2-44): 58-63.
  • Singh R.P., Huerta-Espino J., Bhavani S., Herrera-Foessel S.A., Singh D., Singh P.K., Velu G., Mason R.E., Jin Y., Njau P., Crossa J. Race non-specific resistance to rust diseases in CIMMYT spring wheats: breeding and advances. Euphytica, 2011, 179: 175-186 (doi: 10.1007/s10681-010-0322-9).
  • Lapochkina I.F., Baranova O.A., Shamanin V.P., Volkova G.V., Gainullin N.R., Anisimova A.V., Galinger D.N., Lazareva E.N., Gladkova E.V., Vaganova O.F. The development of the initial material of spring common wheat for breeding for resistance to stem rust (Puccinia graminis Pers. f. sp. tritici), including the Ug99 race, in Russia. Russian Journal of Genetics: Applied Research, 2017, 7(3): 308-317 (doi: 10.1134/S207905971703008X).
  • Гультяева Е.И., Шайдаюк Е.Л., Шаманин В.П., Ахметова А.К., Тюнин В.А., Шрей-дер Е.Р., Кашина И.В., Ерошенко Л.А., Середа Г.А., Моргунов А.И. Генетическая струк-тура российских и казахстанских популяций возбудителя бурой ржавчины Puccinia triticina Еrikss. по вирулентности и SSR маркерам. Сельскохозяйственная биология [Agricultural Biol-ogy], 2018, 53(1): 85-95 (doi: 10.15389/agrobiology.2018.1.85rus).
  • Сколотнева Е.С., Кельбин В.Н., Шаманин В.П., Бойко Н.И., Апарина В.А., Салина Е.А. Ген Sr38: значение для селекции мягкой пшеницы в условиях Западной Сибири. Вавилов-ский журнал генетики и селекции, 2021, 25(7): 740-745 (doi: 10.18699/VJ21.084).
  • Гончарова Ю.К., Гончаров С.В., Харитонов Е.М., Фотев Ю.В., Симонова В.В., Очкас Н.А. Антиоксиданты растительного происхождения и их нетрадиционные источники (обзор). Сельскохозяйственная биология [Agricultural Biology], 2024, 59(1): 39-53 (doi: 10.15389/agrobiology.2024.1.39rus).
  • Gordeeva E., Badaeva E., Yudina R., Shchukina L., Shoeva O., Khlestkina E. Marker-assisted development of a blue-grained substitution line carrying the Thinopyrum ponticum chromosome 4Th (4D) in the spring bread wheat Saratovskaya 29 background. Agronomy, 2019, 9(11): 723 (doi: 10.3390/agronomy9110723).
  • Койшыбаев М., Шаманин В.П., Моргунов А.И. Скрининг пшеницы на устойчивость к основным болезням. Анкара, 2014.
  • Гультяева Е.И. Методы идентификации генов устойчивости пшеницы к бурой ржавчине с использованием ДНК-маркеров и характеристика эффективности Lr-генов: метод. указ. СПб, 2012.
  • Gultyaeva E., Shaydayuk E., Gannibal Ph. Leaf rust resistance genes in wheat cultivars registered in Russia and their influence on adaptation processes in pathogen populations. Agriculture, 2021, 11: 319 (doi: 10.3390/agriculture11040319).
  • Гультяева Е.И., Шайдаюк Е.Л., Рсалиев А. Идентификация генов устойчивости к бурой ржавчине у образцов яровой мягкой пшеницы российской и казахстанской селекции. Вестник защиты растений, 2019, 3(101): 41-49 (doi: 10.31993/2308-6459-2019-3(101)-41-49).
  • Morgunov A., Pozherukova V., Kolmer J., Gultyaeva E., Abugalieva A., Chudinov V., Kuzmin O., Rasheed A., Rsymbetov A., Shepelev S., Ydyrys A., Yessimbekova M., Shamanin V. Genetic basis of spring wheat resistance to leaf rust in Kazakhstan and Russia. Euphytica, 2020, 216(11): Article 170 (doi: 10.1007/s10681-020-02701-y).
  • Adom K.K., Liu R.H. Antioxidant activity of grains. J. Agric. Food Chem., 2002, 50(21): 6182-6187 (doi: 10.1021/jf0205099).
  • Brand-Williams W., Cuvelier M.E., Berse C. Use of a free radical method to evaluate antioxidant activity. LWT — Food Science and Technology, 1995, 28(1): 25-30 (doi: 10.1016/S0023-6438(95)80008-5).
  • Кошелев Б.С., Асташова Е.А. Зональная эффективность размещения и специализации зерновых культур в Омской области. Экономические науки, 2021, 12(205): 296-303 (doi: 10.14451/1.205.296).
  • Доспехов Б.A. Методикa полевого опытa (с основaми стaтистической обpaботки pезультaтов исследовaний). М., 1985.
  • 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.) culti-vars in Western Siberia. Agronomy, 2020, 10(10): 1603 (doi: 10.3390/agronomy10101603).
  • Россеева Л.П., Мешкова Л.В., Белан И.А., Поползухин П.В., Василевский В.Д., Гайдар А.А., Паршуткин Ю.Ю. Устойчивость сортов яровой пшеницы к листостебельным патогенам в Западной Сибири. Вестник Алтайского ГАУ, 2019, 5(175): 5-11.
  • Shamanin V., Salina Е., Wanyera R., Zelenskiy Yu., Morgounov A. Genetic diversity of spring wheat from Kazakhstan and Russia for resistance to stem rust Ug99. Euphytica, 2016, 12: 287-296. (doi: 10.1007/s10681-016-1769-0).
  • Кельбин В.Н., Сколотнева Е.С., Салина Е.А. Возможности и перспективы формирования генетической защиты мягкой пшеницы от стеблевой ржавчины в Западной Сибири. Ва-виловский журнал генетики и селекции, 2020, 24(8): 821-828 (doi: 10.18699/VJ20.679).
  • Singh R.P., Hodson D.P., Jin Y., Lagudah E.S., Ayliffe M.A., Bhavani S., Rouse M.N., Preto-rius Z.A., Szabo L.J., Huerta-Espino J., Basnet B.R., Lan C., Hovmøller M.S. Emergence and spread of new races of wheat stem rust fungus: continued threat to food security and prospects of genetic control. Phytopathology, 2015, 105(7) (doi: 10.1094/PHYTO-01-15-0030-FI).
  • Draz I.S., Ashmawy M.A., Shahin A.A., Omar H.A. Hereditary and molecular validity of plei-otropic resistance to rusts and powdery mildew in hexaploid wheat. Archives of Phytopathology and Plant Protection, 2021, 54(19-20): 2110-2129 (doi: 10.1080/03235408.2021.1920312).
  • Шаманин В.П., Потоцкая И.В., Шепелев С.С., Пожерукова В.Е., Салина Е.А., Сколот-нева Е.С., Hodson D., Hovmøller M., Patpour M., Моргунов А.И. Стеблевая ржавчина в Западной Сибири – расовый состав и эффективные гены устойчивости. Вавиловский журнал генетики и селекции, 2020, 24(2): 131-138 (doi: 10.18699/VJ20.608).
  • Лапочкина И.Ф., Баранова О.А., Гайнуллин Н.Р., Волкова Г.В., Гладкова Е.В., Ковалева Е.О., Осипова А.В. Создание линий озимой пшеницы с несколькими генами устойчивости к Puccinia graminis Pers. f. sp. tritici для использования в селекционных программах России. Вавиловский журнал генетики и селекции, 2018, 22(6): 676-684 (doi: 10.18699/VJ18.410).
  • Kota R., Spielmeyer W., McIntosh R.A., Lagudah E.S. Fine genetic mapping fails to dissociate durable stem rust resistance gene Sr2 from pseudo-black chaff in common wheat (Triticum aes-tivum L.). Theor. Appl. Genet., 2006, 112: 492-499 (doi: 10.1007/s00122-005-0151-8).
  • Vishwakarma G., Sanyal R.P., Shitre A., Gadekar D.A., Saini A., Das B.K.,Validation and Marker-assisted selection of stem rust resistance gene Sr2 in Indian wheat using gel-based and gel-free methods. J. Crop Sci. Biotech., 2019, 22(4): 309-315 (doi: 10.1007/s12892-017-0083-0).
  • Paznocht L., Kotíková Z., Burešová B., Lachman J., Martinek P. Phenolic acids in kernels of different coloured-grain wheat genotypes. Plant Soil Environ., 2020, 66(2): 57-64 (doi: 10.17221/380/2019-PSE).
  • Liu J., Yu L.L., Wu Y. Bioactive components and health beneficial properties of whole wheat foods. J. Agric. Food Chem, 2020, 68(46): 12904-12915 (doi: 10.1021/acs.jafc.0c00705).
  • 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 /S.H. Wani, A. Mohan, G.P. Singh (eds). Springer, Cham, 2020: 71-88 (doi: 10.1007/978-3-030-59577-7_4).
  • Liu J., Zhou H., Song L., Yang Z., Qiu M., Wang J., Shi S. Anthocyanins: promising natural products with diverse pharmacological activities. Molecules, 2021, 26(13): 3807 (doi: 10.3390/molecules26133807).
  • Liu R.H. Whole grain phytochemicals and health. Journal of Cereal Science, 2007, 46: 207-219 (doi: 10.1016/j.jcs.2007.06.010).
  • 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(10): 1603 (doi: 10.3390/agronomy10101603).
  • Garg M., Kaur S., Sharma A., Kumari A., Tiwari V., Sharma S., Kapoor P., Sheoran B., Goyal A., Krishania M. Rising demand for healthy foods-anthocyanin biofortified colored wheat is a new research trend. Front. Nutr, 2022, 9: 878221 (doi: 10.3389/fnut.2022.878221).
  • Loskutov I.G., Khlestkina E.K. Wheat, barley, and oat breeding for health benefit components in grain. Plants, 2021, 10(1): 86 (doi: 10.3390/plants10010086).
  • Nigro D., Grausgruber H., Guzmán C., Laddomada B. Phenolic compounds in wheat kernels: genetic and genomic studies of biosynthesis and regulations. In: Wheat quality for improving processing and human health /G. Igrejas, T. Ikeda, C. Guzmán (eds). Springer, Cham, 2020: 225-253 (doi: 10.1007/978-3-030-34163-3_10).
  • Yu L., Beta T. Identification and antioxidant properties of phenolic compounds during production of bread from purple wheat grains. Molecules, 2015, 20(9): 15525-15549 (doi: 10.3390/molecules200915525).
  • Liu J., Zhou H., Song L., Yang Z., Qiu M., Wang J., Shi S. Anthocyanins: promising natural products with diverse pharmacological activities. Molecules, 2021, 26(13): 3807 (doi: 10.3390/molecules26133807).
  • Ivanišová E., Ondrejovič M., Chmelová D., Maliar T., Havrlentová M., Rückschloss L’. Antioxi-dant activity and polyphenol content in milling fractions of purple wheat. Cereal Research Com-munications, 2014, 42(4): 578-588 (doi: 10.1556/crc.2014.0008).
  • Ficco D.B.M., Borrelli G.M., Giovanniello V., Platani C., De Vitaa P. Production of anthocyanin-enriched flours of durum and soft pigmented wheats by air-classification, as a potential ingredient for functional bread. Journal of Cereal Science, 2018, 79(1): 118-126 (doi: 10.1016/j.jcs.2017.09.007).
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp