CC BY
18
DOI 10.31588/2413-4201-1883-241-1-58-61
УДК 581.1(470.41)
ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА БИОЛОГИЧЕСКУЮ ЦЕННОСТЬ
БЕЛКОВ АМАРАНТА
Гасимова Г.А. - к.б.н., доцент, Дегтярева И.А.1 - д.б.н., главный
научный сотрудник
ФГБОУ ВО «Казанская государственная академия ветеринарной медицины
имени Н.Э. Баумана» 1 Татарский НИИАХП ОСП ФИЦ КазНЦ РАН
Ключевые слова: амарант, интродукция, фитомасса, белки, фракции Keywords: amaranth, introduction, phytomass, proteins, fractions
Проблема недостатка протеина в кормах была и остается одной из главных в животноводстве. В то же время интродукция новых видов растений увеличивает биологическое разнообразие агрофитоце-нозов и способствует повышению обеспеченности кормовой базы АПК полноценным белком. Большинство амарантов обладают способностью повышать продуктивность сложных агрофитоценозов. Эта культура развивают биомассу, по количеству и качеству значительно превосходящую таковую у многих традиционных культур. Культурные представители амаранта в местах естественного произрастания и традиционного возделывания накапливают много белка с высоким уровнем незаменимых аминокислот, прежде всего лизина и метионина, который превосходит по качеству белок сои и других бобовых. Поскольку, ответная реакция растительного организма к различным факторам внешней среды в значительной мере реализуется через изменения в белковом комплексе, исследования адаптации амарантовых в новых почвенно-климатических условиях с сохранением хозяйственно значимых признаков являются актуальными
[3, 4].
Цель настоящей работы - изучение степени воздействия основных экологических факторов на биологическую ценность растворимых белков фитомассы хозяйственно важных видов амаранта, интроду-цируемых в Среднем Поволжье (Республика Татарстан).
Материал и методы исследова-
ний. В процессе исследований изучали два вида растений рода Amarantus L.: A. cru-entus L. и A. Mantеgazzianus Passerini. Растения выращивали на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве (делянки площадью 10,5 м2). Фенологические наблюдения проводили, используя методику Бейдеман [1]. Получение белко-во-аминокислотного концентрата (БАК) осуществляли двумя способами: термокоагуляцией и химической коагуляцией. Выделение белковых фракций - из растений и БАК. Для выделения белковых фракций использовали модифицированный метод Осборна. Определение белкового азота проводили по Кьельдалю. Содержание белка во фракциях определяли по методу Лоури [4]. Для экспресс-анализа проб использовали метод Брэдфорда. Аминокислотный анализ белков проводили на аминокислотном анализаторе ААА-339. Содержание триптофана определяли спек-трофотометрически. Биологическую ценность белков оценивали, вычисляя аминокислотный скор. Электрофорез белков фи-томассы амаранта проводили по Лемли (Остерман, 1981), гели документировались путем сканирования на планшетном сканере «Mustec». Обеспеченность влагой вегетационных периодов определяли по показателю гидротермического коэффициента (ГТК) [2].
Опыты проводили в 5-ти повторно-стях. Анализ полученных данных осуществляли с использованием программы Origin 4.1 (Германия), принимая критерий Р<0,05 достаточным для достоверной раз-
ницы.
Результаты исследований. Вегетационный период у амаранта в естественных местах произрастания составляет 4-5 месяцев. В результате исследований выявлено, что в природно-климатических условиях Республики Татарстан продолжительность вегетационного периода у изучаемых видов амаранта различна. Так, у A. Mantegazzianus Passerini он более продолжителен. Установлено, что независимо от степени воздействия экологических факторов в сообществе интродуцируемого вида A. Mantegazzianus Passerini не более 25 % растений проходят основные фазы онтогенеза. Основная часть (70-75 %) особей этого вида проходит вегетационный период, находясь в вегетативной фазе. В силу различий биологии развития исследуемые виды при выращивании в равных погодных условиях испытывают неодинаковое воздействие абиогенных факторов.
Важной характеристикой растительных белков является соотношение составляющих фракций, во многом определяющее их свойства. Анализ фракционного состава белковых комплексов различных органов амаранта показал, что качественный состав белков листьев и бутонов представлен большим количеством легкорастворимых фракций, сумма которых составляет 80 %. В корнях этот показатель несколько ниже - 63 %, а в стеблях - 58 %.
Изучение динамики белковых фракций амаранта в онтогенезе в разные по погодным условиям годы возделывания имеет общие закономерности. У исследуемых видов основная часть растворимых белков на все фазы развития представлена фракцией водорастворимых белков. Доля белков солерастворимой фракции максимальна в вегетативной фазе и значительно уменьшается в период цветение - плодоношение. Доля белков спирторастворимой фракции к концу вегетационного периода увеличивается почти вдвое. Доля белков щелочерастворимой фракции в онтогенезе меняется незначительно.
При сравнении динамики содержания белковых фракций выявлено, что снижение температуры окружающей среды и количества солнечного сияния, в совокуп-
ности с повышенной влажностью способствуют снижению у A. cruentus доли легкорастворимых белков на всех фазах развития за счет увеличения доли спирто- и щелочерастворимых белков. Аналогичные изменения фракционного состава белков A. Mantegazzianus Passerini незначительны. Причины такого различия в результатах, по-видимому, в том, что эти виды имеют разные места происхождения, относятся к разным группам по характеру фотосинтеза [7].
Сопоставление полипептидных спектров растворимых белков не выявило значительных различий в наборе суммарных белков и белков водорастворимой фракции. Однако сравнение профилей оптической плотности треков отдельных проб позволило обнаружить, что у A. Man-tegazzianus Passerini синтезируется видо-специфичный полипептид с молекулярной массой около 95 kDa.
Биологическая ценность белка зависит от соотношения в белковом комплексе незаменимых и заменимых аминокислот. У анализируемых образцов наблюдается следующая картина: относительное содержание всех незаменимых аминокислот (НАК) выше у A. Mantegazzianus Passerini по сравнению с A. cruentus. Наибольшие различия отмечали в отношении метиони-на, аргинина и лизина. Содержание других аминокислот практически не отличается у обоих видов, либо незначительно выше у A. cruentus. Сравнение относительного содержания аминокислот позволяет сделать вывод о хорошей сбалансированности всех белковых фракций амаранта.
Примечательно, что при снижении температуры окружающей среды более заметное перераспределение происходит в общем комплексе заменимых аминокислот. Так, доля аспарагиновой кислоты, се-рина, глутаминовой кислоты, пролина, аланина повышается на 20, 10, 19, 20 и 14 % соответственно. Повышение температуры возделывания вызывает значительное накопление пролина (на 73 %), глута-миновой кислоты (на 40 %) и аргинина (на 30 %). Большое количество пролина рассматривается как энергетический резерв клеток в условиях стресса [8].
Учитывая, что вегетация амаранта протекает в разные годы в различных условиях, связанных с особенностями климата, представляло интерес изучить влияние погодных условий на выход белков фракции 1 и 2 [6]. Показано, что значение температуры массовой коагуляции белков фракций 1 и 2 амаранта сдвигается. Так, у растений, выращенных в погодных условиях, близких к средним климатическим, основная масса белков коагулирует в интервале 50-55 °С. При возделывании в сухую и жаркую погоду (с ГТК 0,5) экстракт необходимо нагревать до 62-65 °С.
Сопоставление полипептидных спектров растений, выращенных в разных температурных режимах, показало, что на повышение температуры окружающей среды исследуемые виды реагируют синтезом низкомолекулярных белков. У A. cruentus отмечено появление новых полос в диапазоне 12-30 kDa, у A. Mantegazzianus Passerini этот спектр шире - от 12 до 50 kDa.
На основании результатов собственных исследований можно заключить, что конформационные изменения белковых молекул, перераспределения, происходящие в комплексе растворимых белков и в фонде аминокислот, позволяют амаранту менять уровень теплоустойчивости своих белков, поддерживая соответствие между ним и температурой существования вида.
Заключение. При возделывании амаранта в природно-климатических условиях севера Среднего Поволжья выявлено, что в белках фитомассы A. cruentus и A. Mantegazzianus Passerini преимущественно происходит накопление легкорастворимых фракций (от 60 до 80 %) с высоким содержанием незаменимых аминокислот. Видо-специфичность реакции белоксинтезиру-ющей системы листьев амаранта на воздействие экологических факторов у A. cru-entus проявляется в заметном снижении доли легкорастворимых фракций белков в онтогенезе и повышении доли легкорастворимых белков при ГТК 0,5. Эколого-физиологические изменения фракционного
состава белков у A. Mantegazzianus Passerini менее значительны. Перераспределения, происходящие в комплексе растворимых белков и фонде аминокислот в разные по метеорологическим условиям годы, не оказывают существенного влияния на биологическую ценность белков амаранта, но являются частью его адаптивных механизмов экологической устойчивости.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Бейдеман, И.Н. Методика изучения фенологии растений и растительных сообществ. Новосибирск: Наука, 1974. -155 с.
2. Габдрашитов, З.А., Реутов С.П. Климат и урожай / З.А. Габдрашитов, С.П. Реутов. - Казань: «Тат. кн. изд-во», 1986. -112 с.
3. Дегтярева, И.А. Амарант - источник новых пищевых продуктов и кормовых добавок / И.А. Дегтярева, Г.А. Га-симова // Ученые записки Казанской государственной академии ветеринарной медицины им. Н.Э. Баумана. - Казань. -2015. - Том 223. - № 3. - С. 58-61.
4. Маликов, М.М. Задачи по увеличению производства кормов и продуктов животноводства в Республике Татарстан в условиях санкций и необходимости им-портозамещения / М.М. Маликов, М.К. Гайнуллина // Ученые записки Казанской государственной академии ветеринарной медицины им. Н.Э. Баумана. -2015. - Т. 222. - № 2. - С. 9-13.
5. Скоупс Р. Методы очистки белков: пер. с англ / Р. Скопус. - Москва: «Мир», 1985. - 358 с.
6. Gasimova, G.A. Amarant introduction under less than favorable ecological conditions with the purpose of high lysine protein production/ G.A. Gasimova [et all.]// Enviro-mental Radioecology and Applied Ecology. -2002. - Vol.8. - № 1. - P. 21-30.
7. Larher, F. The proline syndrome in higher plants: new ideas for an old problem/ F. Larher, L. Leport, P. Hervochon // Physiol. Plant. - 1990. - V.79. - P.109-137.
8. Paredes-Lopez, O. Amaranth: biology, chemistry, and technology / O. Paredes-Lopez. - Mexico. - 1994. - P. 223.
ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФИТОМАССЫ АМАРАНТА ПРИ ИНТРОДУКЦИИ В РЕСПУБЛИКЕ ТАТАРСТАН
Гасимова Г.А., Дегтярева И.А.
Резюме
Изучена динамика распределения растворимых форм белка зеленой массы двух видов амаранта в онтогенезе. Проанализировано влияние погодных условий в вегетационные периоды при интродукции в Республике Татарстан на фракционную и аминокислотную структуру белка зеленой массы амаранта. При возделывании амаранта в новых условиях выявлено, что в белках фитомассы A. cruentus и A. Mantegazzianus Passerini преимущественно происходит накопление легкорастворимых фракций (от 60 до 80 %) с высоким содержанием незаменимых аминокислот. Видоспецифичность реакции белоксинтезирующей системы листьев амаранта на воздействие экологических факторов у A. cruentus проявляется в заметном снижении доли легкорастворимых фракций белков в онтогенезе и повышении доли легкорастворимых белков при ГТК 0,5. Эколого-физиологические изменения фракционного состава белков у A. Mantegazzianus Passerini менее значительны. Перераспределения, происходящие в комплексе растворимых белков и фонде аминокислот в разные по метеорологическим условиям годы, не оказывают существенного влияния на биологическую ценность белков амаранта, но являются частью его адаптивных механизмов экологической устойчивости.
ECOLOGICAL AND PHYSIOLOGICAL FEATURES OF THE PHYTOMASS OF AMARANTH IN INTRODUCTION IN THE REPUBLIC OF TATARSTAN
Gasimova G.A., Degtyareva I.A.
Summary
The dynamics of the distribution of soluble forms of the green mass protein of two types of amaranth in ontogenesis was studied. The influence of weather conditions during vegetation periods with the introduction in the Republic of Tatarstan on the fractional and amino acid structure of amaranth green mass protein is analyzed. When amaranth is cultivated under new conditions, it is revealed that the proteins of the phytomass A. cruentus and A. Mantegazzianus Passerini mainly accumulate readily soluble fractions (from 60 to 80%) with a high content of irreplaceable amino acids. The species specificity of the reaction of the protein synthesizing system of amaranth leaves on the influence of environmental factors in A. cruentus is manifested in a noticeable decrease in the proportion of easily soluble protein fractions in ontogenesis and an increase in the proportion of soluble proteins with SCC 0.5. Ecological and physiological changes in the fractional composition of proteins in A. Mantegazzianus Passerini are less significant. The redistributions that occur in the complex of soluble proteins and the amino acid pool at different meteorological conditions do not have a significant effect on the biological value of amaranth proteins, but are part of its adaptive mechanisms of environmental sustainability.
