Структура семенной продуктивности бобов овощных в условиях юга Центральной зоны Черноземья

С емена, зеленые плоды и молодые листья бобов овощных ( Vicia faba L. var. major Harz) используют в пищу в свежем, вареном, сухом, замороженном, консервированном виде благодаря высокому содержанию белка (27-35%), углеводов, витаминов А, В₁, В₂, С, РР, органических кислот, минеральных солей калия, фосфора, кальция и магния. Кроме того, культура бобов является одним из лучших предшественников и, накапливая в почве до 50-80 кг/га азота, может стать неотъемлемым звеном в биологизации земледелия и растениеводства [1-4].

В Белгородской области посевы бобов овощных возделываются как садово-огородная культура. Нет выве- денных в области сортов бобов, а известно, что перенесение популяции в новые экологические условия приводит к изменению ее структуры путем элиминации одних биотопов и предпочтительного развития других. Существование такой изменчивости необходимо учитывать при создании генофондов и проведении генетических исследований, связанных с привлечением инорайонного материала.

В рамках Доктрины продовольственной безопасности России и Стратегии развития селекции и семеноводства сельскохозяйственных культур в РФ на период до 2020 года [5], изучение вопросов семенной продуктивности разных сортов бобов овощных считаем своевременным.

Целью данной работы было изучение структуры семенной продуктивности разных сортов бобов овощных в условиях юга Центральной зоны Черноземья.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи :

• 1.    Исследовать морфогенетический потенциал семенной продуктивности разных сортов бобов овощных.

• 2.    Определить биохимический состав семян бобов овощных.

Материалы и методы

Изучение трех сортов селекции ВНИ-ИССОК (Белорусские, Велена, Русские черные) и сорта Аквадул из Нидерландов проводили в 2014-2016

годах на территории Ботанического сада НИУ БелГУ (г. Белгород) в условиях мелкоделяночных опытов на естественном инфекционном фоне. Оценку семенной продуктивности растений проводили по методике И.В. Вайнагий (1974) путем определения потенциальной (ПСП) и реальной (фактической) семенной продуктивности (РСП) в расчете на 1 цветок и на растение [6]. Расчеты вели по 100 цветкам и плодам каждого образца. Цветки и плоды собрали в 5-6-ом до 11-12-ого узла главного побега и боковых побегов во время массового цветения. Для оценки эффективности завязывания использовали коэффициент семенификации. Для определения семенной продуктивности в расчете на растение перемножали ее значения в расчете на цветок на количество цветков и бобов на растении. Определяли коэффициент продуктивности (Кпр) как отношение РСП к ПСП, выраженное в процентах в расчете на растение. В фазе полного созревания проводили структурный анализ продуктивности растений по методике С.А. Степанова (2013) с модификацией для образцов овощных бобов (по 20 растений из каждой повторности) [7]. Массу 1000 семян определяли по методике ГОСТ 12042-80 (2011).

Биохимический состав семян исследовали в Центре коллективного пользования НИУ «БелГУ». Определение белка в зерне проводили в соответствии с ГОСТ 10846-91 биуретовым методом, с использованием цветных реакций на белки. Определили элементный состав в семядолях и семенной кожуре здоровых семян методом энергодисперсионного анализа с использованием электронного ионно-растрового сканирующего микроскопа «Quanta 200 3D». Для определения структуры антоцианов кожуры семян использовали метод обращенно-фазовой ВЭЖХ на хроматографе Agilent 1200 с диодноматричным (DAD) и масс-спектрометрическим (MSD) детекторами [8].

Статистический анализ результатов, полученных в полевых и лабораторных опытах, включал расчеты средней арифметической, ошибки среднего, коэффициентов вариации (V) и корреляции (r) с использованием методов вариационной статистики в компьютерной программе Exel. Для оценки достоверности различий использовали критерий Стьюдента.

Результаты и их обсуждение

По морфометрическим признакам семян сорт Аквадул отличается крупными, плоско-округлыми семенами (2,7 см длиной и 1,6 см шириной). Вальковатоугловатые, среднего размера семена (1,4х2,0 см) характерны для сорта Белорусские и сравнительно мелкие (1,2х1,6 см) – для сортов Велена и Русские черные.

Число плодов в узле варьировало по сортам незначительно, от 1,1 до 1,5 шт., тогда как коэффициент вариации числа бобов с растения был в 2 раза выше (34% против 16%). Наибольшими значениями признака отличался сорт Русские черные (табл.). Известно, что генетическими вариациями числа плодов на растении и количества семян в бобе объясняется высокая изменчивость числа семян на растении [9].

Как видно из таблицы, оптимальная для механизированной уборки высота прикрепления первого плода (20-25 см) характерна для растений всех изучаемых сортов.

Учет массы бобов проводили в фазу технической спелости, когда створки были блестящими, мясистыми, а семена – зелеными, мягкими. Этот признак, судя по коэффициенту вариации, равному 45%, отличался сильной изменчивостью по сортам (см. табл.).

Наибольшая масса боба характерна для растений сорта Велена, наименьшая – для сорта Аквадул. Длина боба варьировала в пределах 9-13 см и характеризовалась средней степенью изменчивости (V=20%). В таких же пределах варьировали значения признака «число семян в бобе» (V=19%). Масса 1000 семян изменялась в пределах от 928 до 1414 г и наиболее тяжелыми семенами отличались сорта Белорусские и Велена.

У сортов Аквадул, Белорусские и Велена выявлена высокая эффективность семяобразования (82-81%). Следует отметить, что потенциальная семенная продуктивность боковых побегов овощных бобов почти в 2 раза меньше, чем главного. Реальная семенная продуктивность растений изученных сортов овощных бобов намного меньше потенциальной (в среднем на 94%) и находится в диапазоне от 20,65 (Аквадул) до 47,83 г/раст. (Велена). Известно, что одним из основных факторов, снижающих семенную продуктивность, является чрезмерная абор-тивность цветков [10]. Коэффициент продуктивности (Кпр) изменяется от 4 до 13%, наибольший отмечен у сорта Русские черные.

Корреляции признаков зачастую определяют направление отбора. Наиболее интересны с селекционной точки зрения количественные признаки, взаимосвязи которых могут быть обусловлены генетически или физиологически [11, 12].

Анализ корреляций между РСП бобов овощных и ее компонентами показал, что она сильно зависит от массы и длины боба, а также от числа семян в нем (r=+0,71, r=+0,42 и r=+0,64 соответственно). Следует отметить высокую корреляцию РСП с ПСП боковых побегов (r=+0,57). Наши результаты согласуются с данными исследований структуры продуктивности, в том числе люпи-

Таблица. Показатели семенной продуктивности бобов овощных (среднее за 2014-2016 годы) Table. Indicators of seed productivity of broad beans (2014-2016)

Показатели продуктивности Аквадул Белорусские Велена Русские черные Среднее по сортам (V, %) Число бобов в одном узле, шт. 1,2±0,07 1,5±0,11 1,1±0,08 1,5±0,05 1,3±0,1 (16) Число бобов с растения, шт. 9,45±1,33 8,55±1,15 9,08±1,77 16,40±4,36 10,9±1,8 (34) Высота прикрепления первого боба, см 22,90±1,55 26,03±2,19 23,05±1,44 19,10±1,83 22,8±1,4 (12) Масса боба, г 6,30±0,76 14,00±2,20 17,70±1,41 8,10±1,59 11,5±2,6 (45) Длина боба, см 9,06±0,54 13,31±0,71 12,27±0,49 9,13±0,76 10,9±1,1 (20) Число семян в бобе, шт. 2,46±0,30 3,66±0,42 3,55±0,27 2,82±0,28 3,1±0,3 (19) Масса 1000 семян, г 992±17 1414±48 1391±35 928±22 1181±129 (22) Семяобразование,% 82 82 81 68 78,3±3,4 (9) ПСП на главном побеге, г/ раст. 284,57±24,76 625,81±180,54 391,27±49,32 218,23±43,67 379,9±89,3 (47) ПСП на боковых побегах, г/раст. 130,19±29,57 191,28±50,92 303,01±63,84 104,19±53,82 182,1±44,2 (49) РСП, г/раст. 20,65±2,54 34,84±3,08 47,83±2,83 41,62±4,99 36,2±5,8 (32) Кпр, % 5 4 7 13 7,3±2,0 (56) Содержание белка в семенах, % 24 30,3 25,1 28,6 27±5 (11) на [13-15].

Масса 1000 семян положительно связана с РСП (r=+0,41) и определяется массой и длиной боба (r=+0,92 и r=+0,98 соответственно). Это согласуется с результатами исследований, в которых доказано, что размер семян остается относительно стабильным в пределах одного вида растений [14]. Следует отметить, что чем больше бобов на растении, тем менее полновесными образуются семена (r=-0,72).

Важным показателем ценности бобов является содержание белка в их семенах. Коэффициент вариации по сортам не превышал 11% (табл.), а значения признака изменялись от 24 до 30,3% (Белорусские).

Установлена положительная зависимость содержания белка в семенах от числа семян в плоде и массы семян с растения (r=+0,48 и r=+0,31 соответственно). Значительная положительная корреляция выявлена с ПСП главного побега (r=+0,52) и слабая отрицательная – с ПСП боковых побегов (r=-0,22). Наши результаты согласуются с данными по кормовым бобам и чечевице [16-18].

Анализ элементного состава семян показал, что азота в семядолях (6,27±0,23 Wt%) больше, чем в семенной кожуре (4,28±0,14 Wt%). Доля калия, необходимого для нормальной деятельности мягких тканей организма, в семядолях (2,16±0,19Wt%) в 2-3 раза больше, чем в семенной кожуре (0,64±0,14 Wt%). А вот кальция было выявлено в семенной кожуре (0,27-

1,22 Wt%) почти в 4 раза больше, чем в семядолях(0,24±0,05 Wt%), т.к. кальция обычно больше в старых тканях (0,53±0,05 Wt%). С фосфором установлена обратная закономерность. Известно, что больше фосфора в молодых частях растения. В семенной кожуре (0,05±0,01 Wt%) его почти в 3 раза меньше, чем в семядолях (0,67±0,08 Wt%). У сорта Русские черные весовой процент железа в семядолях составляет 0,18±0,02 Wt%, и в кожуре 0,21 Wt%, у сорта Аквадул соответственно 0,19±0,02 Wt% и 0,22±0,01 Wt%. Магния в наибольшем количестве содержится в кожуре семян (0,22-0,41 Wt%), чем в семядолях (0,16-0,25 Wt%). Подобного рода исследований в литературе мы не обнаружили.

Антоцианы имеют большое значение в пищевой и медицинской промышленности, так как обладают сильными антиоксидантными, спазмолитическими, противовоспалительными, противоаллергическими, бактерицидными, антивирусными свойствами. Они способствуют укреплению и повышению эластичности сосудов, уменьшению ломкости капилляров, повышению остроты зрения, укрепляют иммунитет [19], а в организм человека поступают только с пищей. Не смотря на то, что бобы издавна используются в пищу, но данных об антоцианах в их темной кожуре семян до сих пор немного. Среди изученных образцов были обнаружены антоцианы в кожуре семян с фиолето- вой и темно-фиолетовой окраской. В красноватых экстрактах из семян с черной и розовой окраской кожуры, цвет остался во фракции проантоцанидина, а антоцианы не обнаружены. Установлено, что окраска (от фиолетового до темно-фиолетового цвета) семенной кожуры образцов овощных бобов сорта Русские черные обусловлена биосинтезом в основном «мономерных» антоцианов, представленных 3-мя производными агликона: делфини-дин, петунидин и мальвидин [20].

Выводы

Наши результаты свидетельствуют о том, что размерами плодов определяется не только семенная продуктивность бобов овощных, но и ее важные компоненты, такие как масса 1000 семян. Содержанием белка в семенах на уровне 30% отличаются сорта бобов овощных отечественной селекции. Содержание азота, калия, фосфора, железа выше в семядолях, чем в кожуре. Темно-фиолетовая окраска семян сорта Русские черные обусловлена биосинтезом полезных для организма человека антоцианов в семенной кожуре.

• 1.    Пивоваров В.Ф., Гуркина Л.К.. Состояние и перспективы развития селекции и семеноводства овощных бобовых культур. Сборник научных трудов ГНУ ВНИИССОК.– 2009.–№43.–С.9-27.

• 2.    Балашова И.Т., Греков И.М., Пронина Е.П. Анализ семенного материала бобов овощных Vicia faba L., полученного из образцов с нестандартной полевой всхожестью. Овощи России. 2012. – №2. –С.48-53.

• 3.    Singh A.K., Bharati R.C. An assessment of faba bean (Vicia faba L.) current status and future prospect. Naresh Chandra Manibhushan, Anitha Pedpati. African Journal of Agricultural. 2013;8(50):6634-6641.

• 4.    Kurkina Yu.N., Nguyen H., Lazarev A.V. Micromycetes of some legume crops` rhizosphere. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2015.6(6):1681-1685.

• 5.    Государственная программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы. 2013.–С.28-31.

• 6.    Вайнагий И.В. О методике изучения семенной продуктивности растений. Ботанический журнал. 1974.– №59(6). – С.826-831.

• 7.    Степанов С.А., Сигнаевский В.Д., Касаткин М.Ю., Ивлева М.В. Формирование элементов продуктивности колоса яровой мягкой пшеницы. Известия Саратовского ун-та. Сер. Химия. Биология. Экология. 2013. – №13(1). – С.65-69.

• 8.    Дейнека В.И., Макаревич С.Л., Дейнека Л.А. и др. Антоцианы плодов некоторых видов Боярышника (Crataegus L., Rosaceae). Химия растительного сырья. 2014. – №1.– С.119-124.

• 9.    Li X, Yang Y. A novel perspective on seed yield of broad bean (Vicia faba L.): differences resulting from pod characteristics. Sci. Rep. 2014;4:6859.

• 10.    Kambal AE. Components of Yield in Field Beans Vicia Faba L. J. Agr. Sci. 1969;72:359-363.

• 11.    Lachenaud P. Variations in the number of beans per pod in Theobroma-Cacao L in the Ivorycoast. 3. Nutritional factors, cropping effects and the role of boron. J. Hortic Sci. 1995;70:7-13.

• 12.    De Haan RL, Barnes DK. Inheritance of pod type, stem color, and dwarf growth habit in Medicago polymorpha. Inheritance Crop Sci. 1998;38:1558-1561.

• 13.    Smith CC, Fretwell SD. The optimal balance between size and number of offspring. Amer. Naturalist. 1974;108:499-506.

• 14.    Lloyd DG. Selection of Offspring Size at Independence and Other Size-Versus-Number Strategies. Am Nat. 1987;129:800-817.

• 15.    McGinley MA, Charnov EL. Multiple resources and the optimal balance between size and number of offspring. Evolutionary Ecology. 1988; 2:77-84.

• 16.    Куркина Ю.Н. Биологические особенности образцов кормовых бобов и их селекционная ценность. 2003. – С.25.

• 17.    Стебакова ЕН. Обоснование морфофизиологических параметров перспективного сорта бобов для центрально-черноземного региона России. 2007. –С.22.

• 18.    Амелин А.В., Кондыков И.В., Иконников А.В. Генетические и физиологические аспекты селекции чечевицы. Вестник Орловского государственного аграрного университета. 2013. – №40(1).– С.31-38.

• 19.    Lila M.A. Anthocyanins and human health: an in vitro investigative approach. J. Biomed. Biotechnol. 2004;5:306-313.

• 20.    Deineka V., Yaroslava U., Kurkina Yu.N. Anthocyanins of Phaseolus vulgaris and Vicia faba seed coats. International Journal of Pharmacy and Technology. 2016;8(2):14088-14096.

• 1.    Pivovarov VF, Gurkina LK. Status and prospects for the development of breeding and seed production of vegetable legumes. Collection of scientific papers.- 2009.-№43.-P.9-27.

• 2.    Balashova IT, Grekov IM, Pronina EP Analysis of the seed material of vegetables Vicia faba L., obtained from samples with non-standard field germination. Vegetables crops of Russia. 2012. -№2. -P.48-53.

• 3.    Singh A.K., Bharati R.C. An assessment of faba bean (Vicia faba L.) current status and future prospect. Naresh Chandra Manibhushan, Anitha Pedpati. African Journal of Agricultural. 2013;8(50):6634-6641.

• 4.    Kurkina Yu.N., Nguyen H., Lazarev A.V. Micromycetes of some legume crops` rhizosphere. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2015.6(6):1681-1685.

• 5.    The State Program for the Development of Agriculture and Regulation of Agricultural Markets production, raw materials and food for 2013-2020. 2013.-P.28-31.

• 6.    Vaynagiy I.V. On the method of studying the seed productivity of plants. Botanical Journal. No. 197 (No. 6). - P.826-831.

• 7.    Stepanov S.A., Signaevsky V.D., Kasatkin M.Yu., Ivleva M.V. Forming elements productivity of the ear of spring soft wheat. News of the Saratov University. Ser. Chemistry. Biology. Ecology. 2013. - No. 13 (1). - P.65-69.

• 8.    Deineka VI, Makarevich SL, Deineka LA Anthocyans of some fruits Hawthorn (Crataegus L., Rosaceae). Chemistry of plant raw materials. 2014. - No. 1.-P.119-124.

• 9.    Li X, Yang Y. A novel perspective on seed yield of broad bean (Vicia faba L.): differences resulting from pod characteristics. Sci. Rep. 2014;4:6859.

• 10.    Kambal AE. Components of Yield in Field Beans Vicia Faba L. J. Agr. Sci. 1969;72:359-363.

• 11.    Lachenaud P. Variations in the number of beans per pod in Theobroma-Cacao L in the Ivorycoast. 3. Nutritional factors, cropping effects and the role of boron. J. Hortic Sci. 1995;70:7-13.

• 12.    De Haan RL, Barnes DK. Inheritance of pod type, stem color, and dwarf growth habit in Medicago polymorpha. Inheritance Crop Sci. 1998;38:1558-1561.

• 13.    Smith CC, Fretwell SD. The optimal balance between size and number of offspring. Amer. Naturalist. 1974;108:499-506.

• 14.    Lloyd DG. Selection of Offspring Size at Independence and Other Size-Versus-Number Strategies. Am Nat. 1987;129:800-817.

• 15.    McGinley MA, Charnov EL. Multiple resources and the optimal balance between size and number of offspring. Evolutionary Ecology. 1988; 2:77-84.

• 16.    Kurkina Yu.N. Biological features of samples of forage beans and their selection value. 2003. -P.25.

• 17.    Stebakova EH. Substantiation of morphophysiological parameters of perspective grade beans for the central black earth region of Russia. 2007.-P.22.

• 18.    Amelin AV, Kadykov IV, Ikonnikov AV Genetic and physiological aspects selection of lentils. Bulletin of Orel State Agrarian University. 2013. -

• No. 40 (1).-P.31-38.

• 19.    Lila M.A. Anthocyanins and human health: an in vitro investigative approach. J. Biomed. Biotechnol. 2004;5:306-313.

• 20.    Deineka V., Yaroslava U., Kurkina Yu.N. Anthocyanins of Phaseolus vulgaris and Vicia faba seed coats. International Journal of Pharmacy and Technology. 2016;8(2):14088-14096.