Влияние погодных условий на качественный и количественный состав токоферолов рапса озимого

Введение. Благоприятное течение метаболических процессов, а также оптимальное развитие всех органов растения и формирование качества полезной продукции у различных сельскохозяйственных культур гарантировано только при определенном сочетании факторов внешней среды. Любое отклонение от оптимального количества осадков, температурного режима, влажности почвы и воздуха приводит к проявлению компенсаторных процессов у растения [1] и изменению биосинтеза веществ. Это свойственно и достаточно неустойчивым по структуре своего построения веществам: ферментам, витаминам.

Полезные свойства токоферолов, а также их роль в растительном организме достаточно хорошо изучены. Но при этом данные о влиянии метеорологических факторов на накопление и изомерный состав токоферолов носят отрывочный характер. Чаще всего исследования проводились в регулируемых условиях воздействия определенного фактора [6; 9], и в большинстве случаев исследователи фокусировали внимание на нем, а не на регуляторных свойствах растения, которые всецело проявляются только при выращивании в открытом грунте.

Материалы и методы. Исследования проводили в контрастных условиях 2009 и 2013 гг. В целом 2009 г. был благоприятен для роста и развития рапса озимого как по влагообеспечению, так и по температурному режиму. 2013 г. характеризовался резким повышением температуры после возобновления весенней вегетации и нехваткой осадков на фоне высокого температурного режима на протяжении всей вегетации.

В качестве исходного материала использовали 18 сортов рапса озимого селекции Германии, Чехии, Беларуси, России и Украины. По содержанию глю-козинолатов и эруковой кислоты сорта относились к «00» типу. Исследования проводили в полевых и лабораторных условиях Института растениеводства им. В.Я. Юрьева НААН, г. Харьков, Украина.

Анализ изомерного состава и общего содержания токоферолов проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в изократическом режиме нормально-фазового разделения согласно ДСТУ EN 12822:2005 на хроматографической системе Smartline фирмы Knauer (Германия). Колонка Eurospher II 100 – 5 – Si 250 × 4, подвижная фаза: 0,5%-ный раствор изопропилового спирта в н-гек-сане (LiChrosolv, Merck), температура колонки 28 оС. Фотометрирование осуществляли УФ-детектором при 295 нм. Пики на хроматограмме идентифицировали по времени удержания, в качестве стандарта использовали набор стандартов токоферолов фирмы Merck. Навески образцов по 4 г заливали 9 мл петролейного эфира, экстракцию проводили в течение суток в темноте, фильтровали и вводили в колонку (20 мкл). Хроматографирование про- водили в трехкратной повторности. Процентное содержание изоформ токоферола определяли по площадям пиков с помощью программы ClarityChrom.

Оценку влияния погодных факторов на качественный и количественный состав токоферолов у рапса озимого проводили с помощью коэффициента корреляции ( г) . Адаптивность сортов рассчитывали по методике Eberhart S.A., Rassel W.A. [7] на основании вычисления коэффициента регрессии ( b ).

Результаты и обсуждения. У рапса достаточно сложно определить четкие границы периода, во время которого происходит налив семян, по своей сути это беспрерывный процесс, так как на одном растении одновременно протекает несколько этапов органогенеза (IX–XII, согласно классификации Э.Б. Бочкаревой), во время которых происходит накопление и дифференциация токоферолов. Причиной тому является продолжительное цветение растений рапса озимого, которое в зависимости от погодных условий года длится приблизительно 40–50 суток. Поэтому для описания условий, при которых происходит налив семян, был взят период от начала цветения и до полной спелости семян.

Разница по продолжительности периода начало цветения – полная спелость в годы исследований достигала 3,5 суток. В 2009 г. он длился от 70 до 79 суток, в среднем по опыту достигал 75,4 суток. В 2013 г. период начало цветения – полная спелость длился от 69 до 75 суток, в среднем по опыту достигал 71,9 суток (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика периода начало цветения – полная спелость рапса озимого по годам

Год исследования	Количество суток	Количество осадков, мм	Сумма температур, °С
			положительных	эффективных
2009	70–79	87,1–97,4	1383,8–1510,4	693,8–730,4
2013	69–75	79,5–94,8	1523,5–1645,5	861,4–895,5

По количеству осадков за период начало цветения – полная спелость годы исследований отличались на 3,8 мм. В 2009 г. выпало от 78,1 до 97,4 мм осадков, в среднем сорта рапса получили 90,8 мм. В 2013 г. осадков выпало от 79,5 до 94,8 мм, в среднем сорта рапса получили 87,0 мм.

Существенные различия по годам отмечались по температурному режиму. За период начало цветения – полная спелость сумма эффективных температур в 2013 г. по сравнению с другими годами была выше на 165,1 °С, а температурный фон был высоким и равномерным на протяжении всего периода (рис. 1). Среднесуточная температура периода в 2013 г. достигала 22,2 °С, что на 2,8 °С выше среднесуточной температуры периода 2009 г.

Рисунок 1 – Температурный режим периода начало цветения – полное созревание семян рапса озимого в годы исследований

На основании вышеизложенного возник вопрос, как влияют погодные условия на продолжительность периода начало цветения – полная спелость у рапса озимого.

Наши исследования показали, что существует тесная положительная связь между продолжительностью периода начало цветения – полная спелость и количеством выпавших осадков (табл. 2). Коэффициент корреляции (r) в 2009 г. составлял 0,98, в 2013 г. – 0,92. Между продолжительностью этого периода и среднесуточной температурой обнаружена отрицательная связь. Коэффициент корреляции в 2009 г.

составлял -0,98, в 2013 г. – -0,51. Полученные данные показывают, что с повышением «комфортности» года, то есть с улучшением водообеспечения и наличии умеренных температур, влияние погодных факторов на продолжительность периода начало цветения – полная спелость у рапса озимого более ощутимо. При этом коэффициент множественной корреляции в 2009 г. был равен 0,86, в 2013 г. – 0,89, что говорит о значительном влиянии совокупного действия среднесуточной температуры и количества осадков на продолжительность этого периода.

Таблица 2

Содержание a -, ү- и общего количества токоферолов (мг%) в семенах рапса озимого в зависимости (r) от условий года

Показатель	α-токоферол		γ-токоферол		Общее количество токоферолов
	2009	2013	2009	2013	2009	2013
Содержание токоферолов
Min	12,97	12,84	17,17	17,35	30,03	31,70
Max	16,50	17,73	21,42	27,87	38,47	42,63
Среднее	14,73	14,26	21,97	19,20	37,02	33,88
	Корреляция с условиями года
Сумма положительных температур (°С)	0,36	0,31	0,43	0,66	0,49	0,68
Сумма эффективных температур (°С)	0,42	0,29	0,32	0,67	0,53	0,67
Количество осадков (мм)	0,35	0,45	0,25	0,64	0,56	0,63
Среднесуточная температура воздуха (°С)	-0,47	-0,09	-0,35	-0,17	-0,53	-0,16
Корреляция с продолжительностью периода (сутки)	0,34	0,32	0,43	0,62	0,54	0,66

Ухудшение условий для роста и развития растений рапса показало существенное влияние погодных факторов на общее содержание токоферолов (см. табл. 2). Так, в условиях 2013 г. общее содержание токоферолов имело тесную положительную связь с суммой положительных температур r = 0,68, суммой эффективных температур r = 0,67, продолжительностью периода налива r = 0,66, количеством выпавших осадков r = 0,63. Следует отметить, что соответствующие коэффициенты корреляции в 2009 г. были гораздо ниже. Однако влияние среднесуточной температуры воздуха на содержание токоферолов имело отрицательный характер, при этом более тесная связь наблюда- лась в 2009 г. – благоприятном для роста и развития растений рапса (r = -0,53).

Были определены различия в реакции сортов рапса озимого на условия года. В таблице 3 показано, что при повышенном температурном режиме 2013 г., по сравнению с 2009 г., большинство сортов сформировали в семенах меньшее количество токоферолов, исключение составляют сорта Шпак и Северянин, сформировавшие в семенах большее количество токоферолов – на 0,09 и на 3,45 мг% соответственно.

В наших исследованиях коэффициент регрессии признака «количество токоферолов» у большинства сортов оказался в пределах b ≤ 1. То есть, эти сорта являются хорошо адаптированными к различным условиям среды и тем самым наиболее пластичными. У сортов Livius и Света коэффициент регрессии был b = 1,1, то есть данные сорта являются более требовательными к условиям выращивания – для увеличения количества токоферолов им требуется повышенная «комфортность» года.

Литературные данные [4; 5; 12] по изучению изомерного состава токоферолов растительных масел различных сельскохозяйственных культур противоречивы. Это может свидетельствовать о высокой дифференциации признака и его зависимости от ряда факторов, которые сопровождают жизненный цикл растения, а также от генетических особенностей сорта.

В семенах рапса озимого, выращенных в благоприятных условиях 2009 г., нами были идентифицированы α- и γ-токофе-рол – основные изомеры токоферола, свойственные рапсу [3; 15]. В семенах, выращенных в 2013 г., был идентифицирован также и δ-токоферол (см. табл. 3). Содержание δ-токоферола варьировало от 0,38 мг% у сорта Козерог до 0,72 мг% у сорта Атлант. Ссылаясь на литературные данные Надирова (1991), Traber, Atkinson (2007) и экспериментальные данные, полученные на амаранте Umaiyal

Munusamy, Siti Nor Akmar Abdullah and et al. (2013), вероятной причиной таких изменений можно назвать замедление метилирования δ-токоферола.

Наши исследования показали, что влияние погодных факторов на изомерный состав токоферолов имеет неоднозначный характер (см. табл. 2). Количество γ-токоферола в зависимости от погодных условий изменялось так же, как и общее количество токоферолов. То есть с ухудшением условий для роста и развития растений рапса, что было характерным 2013 г., возрастает взаимосвязь содержания γ-токоферола с: суммой положительных температур (r = 0,66), суммой эффективных температур (r = 0,67), продолжительностью периода налива семян (r = 0,62), количеством выпавших осадков (r = 0,64). Однако наши исследования показали, что влияние среднесуточной температуры воздуха на содержание γ-токоферола было негативным. При этом отрицательное влияние увеличивалось с повышением «комфортности» года, в 2009 г. r = -0,47.

Таблица 3

Содержание токоферолов в семенах рапса озимого, 2009 и 2013 гг. (мг %)

Название образца	Страна-оригинатор	Изомеры токоферолов						Σ токоферолов
		α-Т		γ-Т		δ-Т
		2009	2013	2009	2013	2009	2013	2009	2013
Джеспер	Чехия	13,57	13,83	19,08	17,40	-	0,57	32,65	31,79
Slogan	Чехия	15,14	14,26	19,94	17,17	-	0,45	35,08	31,88
Lirajet	Германия	14,90	12,97	25,38	20,90	-	0,48	40,27	34,35
Livius	Германия	14,76	14,34	27,87	19,90	-	0,60	42,83	34,84
Wotan	Германия	12,84	13,87	23,92	19,94	-	0,44	36,76	34,25
Шпак	Беларусь	15,27	13,67	20,33	21,42	-	0,58	35,59	35,68
Козерог	Беларусь	14,35	12,13	17,35	17,52	-	0,38	31,70	30,03
Северянин	Россия	15,98	16,50	19,04	21,47	-	0,51	35,02	38,47
Атлант	Украина	15,31	13,88	21,95	21,07	-	0,72	37,26	35,67
Чемпион Украины	Украина	15,64	15,24	22,50	18,61	-	0,46	38,14	34,31
Света	Украина	15,40	14,17	26,73	20,55	-	0,49	42,13	35,21
Галицкий	Украина	14,51	13,92	23,40	19,47	-	0,56	37,91	33,95
Дембо	Украина	17,45	15,64	26,15	20,03	-	0,41	43,60	36,08

Годы репродукции изучаемых сортов позволили определить особенности влияния метеоусловий на накопление α-токоферола. Тесная положительная взаимосвязь содержания α-токоферола была обнаружена с суммой положительных температур (r = 0,99, r = 0,97) и суммой эффективных температур (r = 0,86, r = 0,9). Влияние продолжительности периода налива семян (r = 0,34, = 0,32), а также количества выпавших осадков (r = 0,35) на содержание α-токоферола было позитивным, а среднесуточной температуры воздуха – негативным (r = -0,35, r = -0,17), но незначительным. Такую тенденцию можно объяснить тремя причинами: 1) Высокая стабильность α-токоферола. На основании общепризнанной современной концепции синтеза изомеров токоферола α-токоферол является конечным звеном, иными словами генетически детерминированным. То есть α-токоферол является более стабильным и пластичным веществом, менее подверженным действию внешних факторов. 2) Независимый генетический контроль изомеров токоферола. Согласно исследованиям Newton, Pennock (1971), утверждающих о различном местонахождении α- и γ-токо-феролов в растительной клетке, и Goffman, Velasco, Becker (1999), свидетельствующих о независимом накоплении α- и γ-токоферолов, можно предположить независимый генетический контроль синтеза изомеров токоферола. Поэтому одни изомеры могут быть менее подвержены изменениям условий окружающей среды, другие, наоборот, сильнее. 3) Биологические ресурсы растения. Растения рапса озимого в отличие от растений рапса ярового проходят достаточно длительный период от момента всходов до цветения. Осенний и весенний периоды вегетации способствуют формированию мощного корня и корневой шейки – основных органов накопления питательных веществ. Благодаря этому в экстремальных условиях роста растения рапса озимого могут использовать внутренние запасы.

Также наши исследования показали, что в благоприятных условиях содержание токоферолов в семенах большинства сортов рапса озимого формируется за счет количества γ-токоферола, а в неблагоприятных условиях – за счет α-токофе-рола. Доля таких форм в наших исследо- ваниях составила 69 %. Коэффициент регрессии в наших опытах показал широкий спектр действия метеоусловий на количественный состав изомеров токоферола в семенах рапса озимого. Коэффициент регрессии b находился в пределах 1,15–0,84.

Наиболее устойчивыми формами, которые при изменении условий произрастания сохранили количественное соотношение α- и γ-токоферолов, оказались сорта Шпак, Дема, Козерог, Северянин, Атлант, коэффициент регрессии α- и γ-изомеров у них был b ≤ 1, что свидетельствует о высокой пластичности. Следует сказать, что данные сорта являются генетически различными, а также отличаются местом своего происхождения. Таким образом, среди разнообразия селекционного материала рапса озимого возможна идентификация тех форм, которые гарантировали бы получение масла с максимальным содержанием определенного изомера токоферола. Это свойство можно использовать при подборе сортового состава и акклиматизации сорта в конкретных почвенно-климатических условиях.

Выводы. На продолжительность периода налива семян рапса озимого существенное влияние оказывает совокупное действие среднесуточной температуры и количества выпавших осадков, коэффициент множественной корреляции 0,86 в 2009 г. и 0,89 – в 2013 г. При этом увеличение выпавших осадков продлевает, а высокие среднесуточные температуры сокращают его продолжительность.

Благоприятные условия для роста и развития растений рапса способствуют накоплению токоферолов. Максимальное количество токоферолов (37,02 мг%) в среднем по опыту было сформировано в 2009 г.

Резкое изменение (ухудшение) факторов внешней среды во время налива семян способствует изменению состава и количества изомеров токоферола. В семенах, выращенных в 2013 г., был идентифицирован δ-токоферол. Вероятной причиной может быть замедление трансме- тилирования δ-токоферола в неблагоприятных условиях налива семян.

Анализ полученного экспериментального материала позволил сделать следующие предположения по различию накопления растениями рапса озимого изомеров токоферола. Это высокая стабильность a-токоферола, независимый генетический контроль изомеров токоферола и биологические особенности растений озимого типа.

Сорта Шпак, Дема, Козерог, Северянин, Атлант сохраняют количественное соотношение α- и γ- токоферолов при различных погодных условиях года, коэффициент регрессии b ≤ 1.