CC BY
102
МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ. Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. Вып. 1 (140), 2009
Н. В. Моторин,
аспирант;
A. А. Тихомиров,
доктор биологических наук, зав. лабораторией
С. А. Ушакова,
кандидат биологических наук, с.н.с.
Институт биофизики Сибирское Отделение РАН,
Академгородок, Красноярск, 660036 Тел. (391) 249-44-13, E-mail: ubflab@ibp.ru
B. А. Гаврилова,
доктор биологических наук, зав. отделом
Н. Г. Конькова,
кандидат биологических наук, рук. группы
ГНУ ГНЦ Всероссийский институт растениеводства,
ул. Морская, 42 - 44, г. Санкт-Петербург, 190000.
ИСПЫТАНИЯ СОРТОВ ЧУФЫ (СУРЕЯШ ESCULENTUS Ь.) ПРИМЕНИТЕЛЬНО К БИОРЕГЕНЕРАТИВНОЙ СИСТЕМЕ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ БИОС-3
Ключевые слова: чуфа, клубеньки, протеин, биохимические показатели, витамин Е
УДК 665.112.014
Введение. Современные представления о строении биорегенеративных систем жизнеобеспечения (БСЖО) предполагают использование высших растений в качестве основного звена, регенерирующего пищу, воду и воздушную среду. Наиболее прогрессивный вариант данной системы (БИОС-3), получивший мировое признание, был создан и испытан в Институте биофизики Сибирского Отделения Российской академии наук (ИБФ СО РАН), г. Красноярск [1, 2]. Оптимизация и совершенствование различных технических и технологических компонентов данной системы продолжается до сих пор [3]. Одним из путей повышения эффективности работы системы является подбор оптимальных для регенерации атмосферы и производства пищи для экипажа видов и сортов растений. Наибольшие площади в системе БИОС-3 занимали две культуры: пшеница и чуфа. Последняя является источником растительных жиров для питания экипажа и составляет около трети всей площади, занимаемой фототрофным звеном. К сожалению, использовавшийся в БИОС-3 образец чуфы был выбран случайным образом, а систематических исследований по выбору, обоснованию и использованию сортов растений чуфы не проводилось.
В связи с этим целью данной работы явились сравнительные испытания различных сортов чуфы для установления наиболее удовлетворяющего требованиям систем жизнеобеспечения по продуктивности и биохимическому составу.
Материалы и методы. Для экспериментов по подбору наиболее перспективных по продуктивности и биохимическим характеристикам растений чуфы Всероссийским институтом растениеводства (ГНУ ГНЦ ВИР) были предоставлены клубеньки чуфы следующих сортов: «К-1» ВНИИМК (урожай, 2003), «К-2» Отрада-Кубанская КОС/ВИР (урожай, 1999) и «К-14» (урожай, 2004). Совместно с ними был протестирован образец чуфы, длительное время (начиная с середины 70-х годов ХХ века и до настоящего времени) культивировавшийся применительно к использованию в системе БИОС-3. Далее по тексту этот образец будет называться «Ч-УБФ»).
Растения выращивали методом интенсивной светокультуры гидропонным способом в вегетационных сосудах из нержавеющей стали размерами 300*500*140 мм или 150*225*175 мм, заполненных керамзитом. Полив - периодическое подтопление раствором Кнопа. Освещение круглосуточное, интенсивность фотосинтетически активной радиации поддерживали в пределах 220-250 Вт/м2. Источники света - лампы ДРИ-2000-6. Температура воздуха была в пределах 25 °С.
Биохимический анализ липидов и жирных кислот подробно изложен в работах Кейтс и Калачевой с соавт. [4, 5]. Анализ жирных кислот проводили на газовом хроматографе с масс-спектрометрическим детектором (GCD Plus, "Hewlett-Packard", США). Содержание сырого протеина в растительном материале вычисляли, умножая количество азота на общепринятый для зеленой биомассы коэффициент 6,25 [6]. Анализ углеводов был проведен с помощью методик, изложенных в работе Починок [7].
Результаты и обсуждения. Продуктивности ценозов чуфы указанных сортов представлены в таблице. Коэффициент хозяйственной эффективности между исследуемыми вариантами не имел достоверных различий и составил около 30 %. Наиболее низкие значения продуктивности зарегистрированы для сорта «К-14»: биомасса растений и клубеньков уменьшилась по сравнению с аналогичными показателями чуфы сорта «Ч-УБФ» на 31и 26 % соответственно. Сорта «К-1» и «К-2» незначительно уступали по продуктивности образцу «Ч-УБФ»: биомасса растений уменьшилась соответственно на 12 и 14 %, клубеньков - на 9 и 5 %.
Таблица — Продукционные и биохимические характеристики чуфы, выращенной в искусственных условиях, применительно к системам жизнеобеспечения Относительная ошибка в пределах 10-15 %
Сорт, образец Биомасса сухого вещества, кг/м2 Биохимические показатели, % на сухое вещество Витамин Е, мг%
растений клубень-ков сырой протеин водорастворимые углеводы крахмал липи- ды лино-левая кислота
Сорт "К-1" (ВНИИМК) 2,92 0,84 10,6 20,5 31,3 17,8 1,8 1,3
Сорт "К-2" (Отрада-Кубанская КОС/ВИР) 2,87 0,87 9,5 25,2 26,3 13,9 1,4 3,1
Сорт "К-14" 2,29 0,70 11,3 21,7 36,3 14,8 1,5 1,7
Образец "Ч-УБФ" 3,32 0,92 9,0 16,5 33,5 15,7 2,0 4,3
Биохимический состав клубеньков растений чуфы представлен в таблице, из которой видно, что наиболее высокое относительное содержание подвижных форм углеводов в целом было в клубеньках сорта «К-14» и составляло 58 % от массы сухого вещества. При этом доля крахмала в общем содержании углеводов составляла 62 %. В клубеньках сортов «К-1» и «К-2» относительное содержание углеводов было практически одинаковым, но у сорта «К-1» доля крахмала в общем содержании углеводов составляла 60 %, а у сорта «К-2» - 51 %. Наименьшее содержание подвижных форм углеводов было в клубеньках сорта «Ч-УБФ» (50 % в расчете на сухое вещество), а доля крахмала составляла 67 % от общего содержания подвижных форм углеводов.
Наиболее низкое относительное содержание белка наблюдалось в клубеньках чуфы образца «Ч-УБФ». Наиболее высокое относительное содержание белка было в клубеньках чуфы сорта «К-14».
Из таблицы также видно, что лучшими показателями по содержанию липидов обладают клубеньки сорта чуфы «К-1». Меньше всего липидов содержалось в сортах «К-2» и «К-14». Сравнительная оценка общего количества липидов, которое можно получить с единицы посевной площади, показывает, что с учетом более высокой продуктивности растений образца чуфы «Ч-УБФ» сорта «К-1» и «Ч-УБФ» по такому показателю, как коэффициент хозяйственной эффективности в расчете на получение липидов, фактически не отличаются.
Отдельное внимание заслуживает анализ содержания в чуфе линолевой кислоты, как незаменимой жирной кислоты. Этот показатель является одним из основных критериев отбора сорта для системы жизнеобеспечения, поскольку линолевая кислота не может синтезироваться в человеческом организме, а поступает только с пищей, и иных источников ее поступления человеку в БСЖО не предусмотрено. Из таблицы следует, что по этому параметру образец чуфы «Ч-УБФ» имеет явное преимущество по сравнению с остальными испытанными сортами для дальнейшего использования в биорегенеративной системе жизнеобеспечения БИОС-3.
В системе БИОС-3 основными поставщиками витамина Е являются салатные, а также овощные культуры. Тем не менее, поскольку этот антиоксидант весьма важен для человеческого организма, учет высокого содержания данного витамина в растениях чуфы также не маловажен. Клубеньки чуфы образца «Ч-УБФ» содержат на 28 % больше витамина Е, чем клубеньки сорта «К-2», на 61 % больше, чем клубеньки сорта «К-14» и на 70 % больше, чем клубеньки сорта «К-1» (см. таблицу).
Обобщенный анализ комплекса исследованных продукционных и биохимических показателей позволяет сделать заключение о том, что образец «Ч-УБФ» наиболее перспективен для культивирования в БСЖО.
Выводы. Результаты испытания сорта чуфы «К-1» дают основания считать данный сорт средним по продукционным характеристикам. У этого сорта в расчете на массу сухого вещества клубеньков отмечено, по сравнению с остальными испытанными сортами, высокое содержание жира - 17,8 %, более высокое содержание крахмала и достаточно высокое содержание линолевой кислоты - 1,8 %. Однако в связи с низкими значениями продуктивности съедобной биомассы указанные биохимические показатели не обеспечивают сорту «К-1» решающих преимуществ.
Сорт чуфы «К-2» показал в ходе сравнительных испытаний достаточно высокую продуктивность по съедобной биомассе (0,87 кг/м2 абсолютно сухого вещества клубеньков), однако имел наиболее низкие значения по исследованным биохимическим показателям, за исключением содержания водорастворимых углеводов, которые составили 25,2 % от сухой массы клубеньков.
Сорт чуфы «К-14» показал самую низкую продуктивность съедобной биомассы и низкое содержание линолевой кислоты на фоне наиболее высокого содержания белков и углеводов (соответственно 11,3 и 58 % в расчете на сухую массу).
Образец «Ч-УБФ» можно охарактеризовать как имеющий наиболее оптимальное сочетание высоких продукционных и биохимических показателей, требуемых для БСЖО: 0,92 кг/м2 абсолютно сухой съедобной биомассы, содержащей 2 % линолевой кислоты, 4,3 мг% витамина Е. Остальные биохимические показатели оказались средними по сравнению с испытанными сортами. В целом следует сделать заключение о том, что по совокупности исследуемых физиологических характеристик данный образец чуфы является наиболее подходящим для использования в биорегенеративной системе типа БИОС-3.
Литература
1. Замкнутая система: человек-высшие растения / Под ред. Г. М. Лисовского. - Новосибирск: Наука, 1979. - 160 с.
2. Salisbury, F. BIOS-3: Siberian experiments in bioregenerative life-support for space exploration / F. Salisbury, J. I. Gitelson, G. M. Lisovsky // BioScience. - 1997. - V. 47. - Р.575-585.
3. Тихомиров, А. А. «Биос-3» - как возможная модель биорегенеративной системы СЖО на стационарной космической станции на Марсе / А. А. Тихомиров // Космонавтика и культура / Под ред. Н.С. Кирдо-ды. - М.: Изд-во «Ителекон Экспо», 2008. - С. 39-44.
4. Кейтс, М. Техника липидологии / М. Кейтс // Выделение, анализ и идентификация липидов. - М.: Мир, 1975. - 305 с.
5. Калачева, Г. С. Липиды зеленой водоросли Botryococcus в ходе стадийного развития в периодической культуре / Г. С. Калачева, Н. О. Жила, Т. Г. Волова // Микробиология. - 2001. - Т. 70. - С. 305-312.
6. Плешков, Б. П. Практикум по биохимии растений / Б. П. Плешков. - М.: Колос, 1976. - 256 с.
7. Починок, Х. Н. Методы биохимического анализа растений / Х. Н. Починок. - Киев: Наукова думка, 1976. - 334 с.
