Теоретические основы селекции зернофуражной ржи с низким содержанием водорастворимых пентозанов

Современное производство концентрированных кормов для сельскохозяйственных животных осуществляется при использовании основных зерновых культур: пшеницы, тритикале, ячменя, кукурузы. Проблема использования зерна ржи в кормопроизводстве всегда привлекала внимание производителей. Частичное решение этой проблемы в России достигнуто за счет различных способов обработки зерна или применения ферментных добавок к рационам. Однако все это недостаточно эффективно и приводит к удорожанию кормов, а следовательно, к увеличению стоимости продукции животноводства. На практике в комбикормовой промышленности России использование зерна ржи без добавок не превышает 5 % валового сбора урожая (1).

Рожь по питательной ценности белка превосходит другие зерновые культуры (за исключением овса). Белок ржи на 83 % соответствует молочному казеину, тогда как у пшеницы — лишь на 41 %. Белок ржи содержит 3-4 % лизина и более благоприятно сбалансирован по другим незаменимым аминокислотам (2).

В научной литературе часто ссылаются на устаревшие сведения о наиболее опасных антипитательных веществах, обнаруженных в зерне ржи. К ним, кроме пентозанов, относят пектин, р -глюканы, фитиновую кислоту, 5-алкилрезорцины, ингибиторы трипсина и крахмал. Сведений о вредоносности этих соединений очень мало или вовсе нет, нередко «антипи-тательные» вещества не наносят приписываемого им вреда.

Водорастворимые арабиноксиланы в полимерном состоянии характеризуются высокой гидрофильностью и способны поглощать воду в количестве, которое в 8-10 раз больше их массы, в результате чего образуются вязкие гели (слизи), затрудняющие доступ пищеварительных ферментов к белкам и жирам зерна. Кроме того, ВАК, покрывая слизью стенки кишечника, ограничивают всасывание и усвоение продуктов пищеварения (7, 8).

В отношении возможности селекции зернофуражной ржи с низким содержанием ВАК в зерне существуют две противоположные точки зрения. Западноевропейские и канадские специалисты в результате изучения полученных ранее самоопыленных линий озимой ржи пришли к заключению, что создание малопентозановых популяций возможно на основе использования редко встречающихся линий, отвечающих требованиям селекции зернофуражной ржи, хотя в литературе сведения о создании таких популяций не представлены (9-11). Другие авторы на основе исследований ржи, пшеницы, тритикале с использованием замещенных линий установили, что гены, контролирующие содержание пентозанов в зерне, рассредоточены по всем хромосомам, что исключает возможность манипулировать ими при селекции (12).

Целью наших исследований была разработка технологии для селекции низкопентозановой зернофуражной озимой ржи и создание популяционных сортов, пригодных для использования в комбикормовой промышленности.

Методика . Поиск источников низкого содержания водорастворимых пентозанов в зерне проводили среди образцов коллекции ржи из мирового генофонда Всероссийского НИИ растениеводства (ВИР). Количество пентозанов в зерне определяли в соответствии с описанием (13). Для идентификации низкопентозановых генотипов в период кущения растений использовали оригинальный метод клоновых половинок с последующей биохимической оценкой зерна у каждого генотипа. Параллельно до цветения растений с целью сохранения их в генетической чистоте использовали инбридинг. Степень доминирования низкого содержания водорастворимых пентозанов в зерне определяли по формуле, предложенной P. Petr и K. Frey (14).

Коэффициенты вариации рассчитывали методами вариационной статистики (15).

Водорастворимые пентозаны зерна в зависимости от их локализации и функциональных особенностей можно разделить на две группы — пассивные и активные. Пассивные пентозаны находятся в клеточных стенках покровов зерновок (плодовой и семенной). Плодовая оболочка исполняет функцию защиты плода и семени от неблагоприятных условий внешней среды. Плодовая и семенная оболочки обеспечивают набухание зерновки. Особенность семенной оболочки состоит в том, что она, пропуская воду, непроницаема для других жидкостей (ацетона, спирта и др.). При набухании зерна вода диффузно поступает к зародышу и эндосперму. В процессе хранения зерна и механического перемещения плодовая оболочка может повреждаться, отшелушиваться и осыпаться, что создает возможность уменьшения количества пентозанов за счет утраты части покровов зерна. Некоторое количество пассивных пентозанов растворяется и вымывается при промывке зерна и подготовке к помолу. Активные (функциональные) пентозаны локализуются в клеточных стенках и межклеточниках алейронового слоя и служат первичным строительным материалом для клеточных стенок в период пробуждения прорастающего зародыша и возобновления деления клеток. При набухании зерна пентозаны алейронового слоя под действием собственных ферментов переходят из полимерного состояния в мономерное и принимают участие в обмене веществ и формировании клеток, в которых синтезируются новые молекулы пентоз для образования клеток в растущем зародыше. Этим можно объяснить факт уменьшения вязкости водного раствора при большом содержании пентозанов в прорастающем зерне.

Зерно популяций современной ржи содержит 7-13 % общих пентозанов. Водорастворимые арабиноксиланы в водной вытяжке зерна составляют 20-38 % по отношению к другим сахарам (6, 13, 16).

В результате обследования более 400 образцов озимой и яровой ржи из коллекции ВИР, представленных отечественными и зарубежными сортами и формами различного географического происхождения, готовых источников малого содержания ВАК (0,5-1,0 %) не обнаружили. Единичные малопентозановые формы отмечали в разных популяциях с частотой 0,01-20 % (последнее значение относится только к одному образцу из 400 изученных). В подавляющем большинстве случаев зародыши низкопентозановых зерен были гетерогенными. Признак в потомстве проявляли только гомогенные генотипы (растения). Среди фенотипически низкопентозановых зерновок гомогенные составляли от малых долей процента до нескольких процентов (это фиксировали довольно редко) в зависимости от их первоначальной частоты в популяциях.

Проведенное предварительно анатомо-морфологическое изучение зерновок ржи с низким содержанием ВАК показало уменьшение толщины перикарпия на 40-50 % по сравнению с таковым у высокопентозановых зерновок. Согласно исследованиям Е.Д. Казакова (17) и Л.Н. Любарского (18), средние показатели доли оболочки в составе зерна ржи варьируют от 7,4 до 12,4 % при толщине 60,1-101,4 мкм. Зерно пшеницы с содержанием ВАК в 3 раза ниже, чем у ржи, характеризуется в 2-3 раза меньшей толщиной оболочки.

Исходя из известного факта местонахождения арабиноксиланов в клеточных стенках, в том числе в зерновках, можно полагать, что основным местом локализации арабиноксиланов служат те ткани растений и зерновок, которые состоят из большого числа толстостенных клеток. Наиболее толстыми стенками характеризуются клетки алейронового слоя и покровов зерновки. Классические работы, проанализированные Ф.И. Ди-менштейн, А.И. Ермаковым и др. (6), указывают на накопление основного количества пентозанов в покровах зерновки и алейроновом слое.

Выявленный нами большой размах вариаций биотипов в популяциях ржи по доле оболочек от массы зерновки позволяет распознавать и отбирать формы растений с «тонкопокровным» зерном. Мы обнаружили, что чем тоньше оболочка зерна, тем меньше в нем арабиноксиланов. В результате этот показатель был положен в основу идентификации низкопентозановых зерновок ржи.

При изучении наследования признака содержания ВАК в зерне обнаружили четкое доминирование или сверхдоминирование высокого содержания ВАК над низким у всех гибридов в F 1 и рецессивный характер наследования низкого содержания ВАК (табл. 1).

1. Степень доминирования высокого содержания водорастворимых арабиноксиланов (ВАК, в расчете на сухое вещество) в зерне гибридов F 1 у озимой ржи (г. Санкт-Петербург—Пушкин)

Комбинация скрещивания (сорта и линии)	Содержание ВАК, %			Степень доминирования, S (ha)
	?	F 1	5
Коминакс штамм 37/08 х Дымка	1,20	2,07	2,08	0,99
Минакс штамм 2/05 х Дымка	1,15	2,08	2,08	0,99
Эра Л 32/06 х Фаленская 4	1,32	2,03	2,01	1,00
Иммунная 762 х Дымка	1,43	2,17	2,08	0,97
Волхова 2 х Амило	1,46	2,01	2,00	1,03
Эра Л 74/06 х Дымка	1,20	2,09	2,08	1,03
Минакс штамм 173/06 х Коминакс штамм 37/08	1,20	1,20	1,20	0,00
Коминакс штамм 37/08 х Минакс штамм 2/05	1,20	1,20	1,15	0,01

У сорта озимой ржи Эра анализ структуры популяции по числу ге

ВАК в зерне указывал на их нор нотипов с неодинаковым содержанием мальное распределение (рис.).

Содержание ВАК (в расчете на сухое вещество), %

Распределение генотипов по содержанию водорастворимых арабиноксиланов (ВАК) в зерне в популяции ржи сорта Эра.

Это характерно для по-лигенно контролируемых признаков, что позволяет использовать генотипы с крайними показателями по признаку для селекционных целей. Исходя из того, что содержание ВАК в зерне у растений ржи контролируют гены, размещенные во всех хромосомах (12), можно предположить, что этот признак обусловливают не менее чем семь локусов и большое число аллелей в каждом локусе. Отбор генотипов с нужным проявлением признака возможен при благоприят ном сочетании всех локусов в генотипе и аллелей каждого локуса.

Реципрокные скрещивания контрастных по содержанию ВАК форм ржи продемонстрировали отсутствие влияния отцовских компонентов на качество гибридных семян материнских растений, что свидетельствует о фенотипическом проявлении признака низкопентозановости, которое выражается в сохранении материнского фенотипа и непроявлении отцовского генотипа у гибридных семян (табл. 2.). Это означает, что в товарных посевах качество зерна сохранится при опылении растений пыльцой от форм с высоким содержанием ВАК. Расщепление по признаку будет наблюдаться в потомстве гибридных растений, выращенных из этих семян.

2. Содержание водорастворимых арабиноксиланов (ВАК) в гибридных семенах F 1 ржи при реципрокных скрещиваниях (г. Санкт-Петербург—Пушкин)

Компонент       ВАК в семенах,     „         „ _ „                Реципрокный гибрид скрещивания     %	ВАК в гибридных семенах, %
Клон 289/07                 2,00           Клон 289/07 х Клон 246/07 Клон 246/07                 0,53           Клон 246/07 х Клон 289/07 Клон 74/07                  1,20           Клон 74 /07 х сорт Дымка Сорт Дымка ________ 2,08          Сорт Дымка х Клон 74 /07 Примечание. Клоны получены из сорта Эра.	2,00 0,54 1,20 2,08

Для обеспечения генетической чистоты селекционных низкопентозановых материалов посевы первичного семеноводства, элиты и товарного семеноводства необходимо размещать в местах, исключающих возможность их переопыления чужеродной пыльцой.

Популяции ржи по содержанию ВАК в зерне в течение 5 лет проявили различную реакцию на условия года: у одних популяций она была сильной ( Cv = 10,3-14,1 %), у других — слабой ( Cv = 2,7-3,9 %), что указывает на возможность создания сортов ржи, стабильно сохраняющих низкое содержание ВАК в течение многих лет (19).

Изучение наследования и изменчивости признака низкопентозановости зерна позволило создать исходный материал, не нарушая комплекса других селекционно ценных признаков, и разработать технологии селекции ржи с низким содержанием ВАК в зерне.

По внешнему виду тонкопокровные низкопентозановые зерна заметно отличаются от толстопокровных. Их оболочки более гладкие, прозрачные и выглядят стекловидными. В связи с этим можно проводить визуальный отбор низкопентозановых зерновок, колосьев и растений, не прибегая к биохимической оценке (know haw). Выявление тесной связи между толщиной оболочек зерна и содержанием ВАК в зерне дало нам возможность выдвинуть гипотезу о закономерности и взаимной обусловленности двух указанных факторов и, исходя из такой причинно-следственной связи, сформулировать стратегию селекции малопентозановой ржи: селекция ржи на снижение количества водорастворимых арабиноксиланов в зерне должна осуществляться посредством уменьшения доли оболочек в составе зерновок при улучшении химического состава эндосперма.

Мы предложили несколько вариантов технологий, позволяющих дифференцировать растения популяций изучаемых сортов озимой ржи по содержанию ВАК в зерне.

Метод клоновых половинок предполагает увеличение числа первичных растений, то есть образцов индивидуального генотипа, при многократном расчленении куста каждого растения озимой ржи до получения нескольких десятков кустов (клонов) того же растения. При использовании метода клоновых половинок для каждого первичного растения (генотипа) изучаемой популяции в течение весны—лета (до ухода на зимовку) получают до 25-30 клонов. На следующий год в период выколашивания растений половину (50 колосьев) каждого клонированного генотипа изолируют до цветения с целью получения самоопыленных потомств. Зерно свободно опыленных колосьев второй части клонов этих же генотипов используют для биохимического анализа на содержание ВАК или для визуального отбора тонкопокровных зерен, по результатам которых определяют пригодность зерна самоопыленной части клонов для селекции. Метод клоновых половинок позволил идентифицировать в пределах популяций разных сортов более 90 источников малого содержания ВАК в зерне, которые можно использовать в селекции.

Метод внутрипопуляционных накопительных скрещиваний предполагает последовательный массовый отбор тонкопокровных зерновок с выращиванием полученных из них растений в изолированных условиях для внутрипопуляционного накопительного скрещивания. В каждом последующем поколении (G-генерации) повторяют отбор форм и их внутрипо-пуляционное скрещивание, что способствует накоплению тонкопокровных зерновок и увеличению их частоты, начиная с G2 и G3; процедуру накопления проводят минимум в течение 7-8 генераций. В потомствах G7 частота тонкопокровных гомогенных зерновок достигает 20 % и более. Это соответствует такому же количеству гомогенных генотипов растений с низким содержанием ВАК в зерне.

Метод попарных переопылений может быть использован для отбора растений, гомогенных по признаку низкого содержания ВАК в зерне. Для гарантированного получения положительных результатов исследований сеют не менее 500 тонкопокровных зерновок из урожая последней генерации G7-G8 из накопительного внутрипопуляционного скрещивания. Растения размещают в полевых условиях при густоте посева 10x15 см. После выколашивания и удаления из посева нежелательных форм оставленные растения изолируют попарно для взаимного переопыления (know haw). После созревания зерно каждого растения изолированной пары оценивают визуально. Отбирают те пары, у которых оба растения имеют тонкопокровное зерно. Зерно отобранных пар с учетом других селекционных признаков используют для создания популяции ржи с низким содержанием ВАК в зерне. Общее содержание ВАК в зерне урожая создаваемой популяции определяют биохимическим методом. Предложенный метод попарных переопылений рекомендуется использовать в первичном семеноводстве для отбора элитных пар растений.

На основе полученных материалов завершено создание и предварительное изучение 5 доноров и 7 предсортов озимой ржи с низким (0,310,68 %) содержанием ВАК в зерне. Доноры Минакс штамм 2/05, Коми-накс штамм 37/08, Компус штамм 84/04, Крузероминвак штамм 37-1/10 (штамм — потомство одного клона), Тринодис 4 характеризуются корот-костебельностью, крупнозерностью, устойчивостью к бурой и стеблевой ржавчине, устойчивостью к фузариозной корневой гнили, низким содержанием ВАК (0,5-0,9 %) в зерне.

3. Характеристика предсортов озимой ржи с низким содержанием водорастворимых арабиноксиланов (ВАК) в зерне, полученных во Всероссийском НИИ растениеводства (ВИР, г. Санкт-Петербург—Пушкин)

№ по каталогу ВИР Название Потенциал урожайности зерна, г/м2 Физический показатель качества зерна Содержание в зерне (в расчете на сухое вещество), % Куда переданы масса 1000 зерен, г натура, г/л ВАК белка крахмала к-11814 Новая Эраа         856         37,1      705    0,64   8,8     53,4 ГНУ Псковский НИИ сельского хозяйства (НИИСХ) к-11815  Этеч (Бройлер)3      722         35,8      766    0,68   13,3     50,4   ГНУ Башкирский НИИСХ к-11804  Джин3             763         39,6      749    0,53   9,0     50,1   ГНУ Уральский НИИСХ к-11816  Подарокб           850         36,0      782   0,64   8,6     50,7   ГНУ Татарский НИИСХ к-11817 Фаленская уни-     801        32,6      754   0,68   9,8     48,3   ГНУ НИИСХ Севе- версальнаяб                                                              ро-Востока к-11818  Енисейка 2б        713         34,2      746    0,31   13,9     47,0   ГНУ Красноярский НИИСХ к-11819  Вавиловская        847         35,1      757    0,42   9,9     47,3   ГНУ Тульский ________универсальнаяб                                                    НИИСХ Примечание. Предсорта созданы методом клоновых половинок с использованием отбора — по ре зультатам биохимического анализа зерна (а) и по признаку тонкопокровности зерна (б).

Семена популяций предсортов (Новая Эра, Этеч, Джин, Подарок, Фаленская универсальная, Енисейка 2, Вавиловская универсальная, 3-11 кг) переданы в научно-исследовательские учреждения России для дальнейшего размножения, изучения кормовой ценности и последующего сортоиспытания, а также для развития нового направления в селекции зернофуражной озимой ржи (табл. 3). Предсорта были созданы методом клоновых половинок с использованием разных критериев отбора по признаку ВАК: популяции Новая Эра, Этеч и Джин отбирали по результатам биохимического анализа зерна (содержание ВАК в зерне — в пределах 0,53-0,68 %), Подарок, Фаленская универсальная, Енисейка 2 и Вавиловская универсальная — по признаку тонкопокровности зерна (содержание ВАК — в пределах 0,31-0,68 %), что свидетельствует о возможности отбора низкопентоза-новой ржи без применения биохимического анализа. Предсорта характеризуются высокой урожайностью зерна (713-856 г/м2), повышенной массой 1000 зерен, увеличенным содержанием белка в зерне (8,6-13,9 %).

Первые эксперименты по определению кормовой ценности созданных низкопентозановых сортов ржи показали, что их зерно охотно поедается и эффективно переваривается животными. При скармливании зерна ржи с низким (0,51 %) содержанием водорастворимых пентозанов моло- дым крысам в течение 36 сут полученный прирост живой массы особей был на 20 % выше, чем при кормлении свиным комбикормом. Никаких проявлений отрицательных ощущений у животные не наблюдали. Эти результаты убедительно доказывают правильность выбранного направления в селекции зернофуражной ржи. Исследование хлебопекарных свойств зерна у низкопентозанового сорта Этеч также дало хорошие результаты: низкое содержание (0,68 %) арабиноксиланов в зерне не ухудшило его хлебопекарных качеств.

Таким образом, у сортов ржи нового поколения значительное снижение количества водорастворимых арабиноксиланов в зерне при сохранении хороших хозяйственно ценных качеств и свойств делают эту рожь культурой универсального использования, пригодной как для зернофуражного, так и для пищевого употребления. Она становится экономически привлекательной и конкурентоспособной среди сортов не только ржи, но и других зерновых культур и не исключено, что в перспективе сможет заменить традиционную возделываемую в настоящее время рожь, которая используется преимущественно для хлебопечения.