CC BY
99
НОВЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ПШЕНИЦЫ
В.П. НЕЦВЕТАЕВ, доктор биологических наук, зав. лабораторией
Л.С. БОНДАРЕНКО, младший научный сотрудник О.В. АКИНШИНА, младший научный сотрудник Т.А. РЫЖКОВА, младший научный сотрудник Белгородский НИИСХ Россельхозакадемии E-mail: [email protected]
Резюме. Для определения количества дисульфидных связей белкового комплекса в муке на основе модифицированных методик седиментации изучены образцы сортов и селекционного материала озимой мягкой пшеницы конкурсного испытания Белгородского НИИСХ Россельхозакадемии урожая 2007-2011 гг. В качестве восстанавливающего агента использовали Na2SO3, количество и физические свойства клейковины определяли на приборе ИДК-1. В зависимости от температурных условий вегетационного периода число дисульфидных связей у экстрасильных пшениц варьировало от 6,0 до 7,7 усл. ед.; образцов с ржаными транслокациями 1BL.1RS и 1AL.1RS - от-0,3 до 6,5 усл. ед. Жаркая погода летом способствует увеличению числа -S-S- связей белкового комплекса и укреплению клейковины. Степень поражения клопом вредная черепашка (Eurygaster integriceps PUT.) не влияет на уровень интермолекулярных дисульфидных связей (r = 0,0736; n = 88; 2011 г.). Определение агрегирующей способности белкового комплекса зерна с помощью -S-S-связей обладает высокой информативностью при уровне климатических факторов близких к средним многолетним для Белгородской области. Вести отбор селекционных образцов на качество зерна в годы с условиями, способствующими формированию высокого качества клейковины, нецелесообразно. Оценка числа дисульфидных интермолекулярных связей позволяет выявлять образцы с наследственно высоким качеством зерна и слабой реакцией на метеоусловия вегетационного периода.
Ключевые слова: мягкая пшеница, дисульфидные связи, качество зерна, клейковина.
Производство зерна пшеницы, обладающего высокими хлебопекарными качествами, задача, которая должна решаться как путем создания новых сортов, так и с помощью агротехнических приемов, повышающих хлебопекарные достоинства [1]. В то же время нельзя не учитывать влияние на качество зерна факторов среды [2]. В связи с этим создание сортов, которые слабо изменяют потребительские свойства под воздействием внешних условий, может стать ведущим направлением решения проблемы качества [3].
Цель нашей работы -оценить новый подход к определению качества мягкой озимой пшеницы в процессе селекции и влияние на его эффективность наследственных и средовых факторов.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили на растительном материале озимой мягкой пшеницы урожая 2007-2011 гг. из конкурсного испытания Белгородского НИИСХ Рос-
УДК 571.167: 633.11«324»
КАЧЕСТВА ЗЕРНА МЯГКОЙ
сельхозакадемии. Клейковину отмывали по прописи [4], ее физические свойства определяли на приборе ИДК-1. Определение межмолекулярных дисульфидных связей проводили на основе оригинальной методики, включающей модифицированные методы седиментации [5, 6] и позволяющей использовать её для массового анализа. Это дало возможность оценить новые, районированные сорта и селекционный материал по указанному показателю в течение ряда лет (табл. 1). Статистическую обработку проводили в программе Б!а!Ыоу, 1991.
Результаты и обсуждение. Ведущий фактор, обусловливающий формирование хлебопекарныхсвойств зерна, это качество клейковины, которая должна обладать повышенной эластичностью. Клейковинные белки формируются путем агрегации отдельных молекул белка с помощью различных связей: водородных, дисульфидных, ионных (электростатических) и др. По сравнению с другими, более слабыми, самые привлекательные в этом отношении дисульфидные интермолекулярные связи, которые обусловлены наличием в белковых молекулах эндосперма цистеина. Следует отметить, что просто увеличение числа ци-стеиновых остатков в расчете на молекулу пептида не гарантирует соответствующего улучшения физических свойств клейковины. Такая ситуация связана с тем, что сульфгидрильная группа -БЫ в результате окисления может образовывать, как интрамолекулярные связи с другими сульфгидрильными группами, так и интермолекулярные ковалентные связи -Б-Б- (см. рисунок). Поэтому, учитывая то, что в формировании макромо-лекулярных высокополимерных белковых агрегатов участвуют только межмолекулярные дисульфидные мостики, простое определение количества цистеина в белке ничего не дает.
В 2008 г. мы обнаружили значительную дифференциацию между изученными образцами по количеству межмолекулярных дисульфидных связей. Наибольшими величинами этого показателя отличались сорт Селянка одесская и образец Уни 1. Характерно, что по данным одесских селекционеров Селянка
Рисунок. Схема образования интра- и интермолекулярных дисульфидных связей при формировании белкового комплекса эндосперма и факторы способствующие направлению реакции.
Таблица 1. Характеристика некоторых сортов озимой мягкой пшеницы и селекционных образцов конкурсного испытания БелНИИСХ Россельхоза-
кадемии по годам
Название ИДК, усл.ед (2007-08 гг.) Число межмолекулярных - S - S - связей, усл.ед.
2008 г. 1 2009 г. 1 2010 г. 1 2011 г.
Селянка одесская 80,5 5,96 6,65 6,60 7,67
Белгородская 16 85,5 4,21 7,22 6,98 7,28
Синтетик 92,5 -0,28 5,40 6,47 5,50
Ариадна 82,5 5,91 5,78 6,73 7,33
Волжская 100 71,8 2,78 4,70 6,88 6,82
Богданка 79,3 0,91 5,10 5,70 4,25
Корочанка 67,5 3,42 5,43 7,07 7,68
Донецкая 48 79,3 1,74 7,30 6,68 7,02
Льговская 4 73,0 4,28 6,18 6,27 6,62
Безенчукская 380 77,5 3,48 6,70 6,88 7,35
Крыжинка 94,3 2,16 5,92 5,93 4,97
Уни 1 (Gli 1D0) 61,8 7,38 6,25 6,48 7,47
Харьковская 107 83,0 0,32 4,73 - -
Харус 88,3 2,65 7,50 7,50 -
252/08 (Б12 х Сел.од.) 64,5 7,06 6,28 - -
101/08 (Од.161 х Сел.од.) 47,5 6,35 6,37 - —
84/08 [0д.66(М.808 х...)]Б12 72,0 5,74 7,52 - 6,55
63/08 [0д.66(М.808 х ... 72,8 5,66 6,18 - -
НСР095 X 0 ,9 1,0 0,8 1,1
одесская относиться к супер-сильным пшеницам [7]. Причины высокого качества сортов такого типа известны. Например, сорт Red River несет тандемную дупликацию аллеля Glu-B1al, контролирующего синтез высокомолекулярных глютелинов, которые участвуют в агрегации белковых молекул по дисуль-фидным связям [8, 9].
Образец Уни 1 (Gli 1D0) [10] интересен тем, что у него в эндосперме отсутствуют ю-глиадины, контролируемые хромосомой 1D. Характерно, что эти белки в своем составе вообще не несут цистеина. Соответственно, доля других полипептидов увеличивается, что приводит к повышению качества муки, по сравнению с исходными формами. Отсутствие этой группы глиадинов легко тестируется с помощью электрофореза.
Наименьшим количеством межмолекулярных дисульфидных связей (-0,28) из изученного набора образцов в 2008 г. отличался сорт Синтетик, особенность которого заключается в наличии 1BL.1RS транслокации [11]. Хромосома 1R ржи контролирует синтез запасных белков эндосперма - секалинов. Широко известно, что белки ржи, которые синтезируются пшеницей, обусловливают снижение хлебопекарных качеств муки [12]. В основе этого эффекта лежит неспособность секалинов ржи образовывать с пшеничными белками нерастворимые полимерные комплексы, которые формируют клейковину с высокими физическими показателями качества [13]. Таким образом, присутствие белков ржи в эндосперме пшеницы приводит к уменьшению числа межмолекулярных дисульфидных связей. Другой сорт с наличием ржаной транслокации, но в 1Ахромосоме (1AL.1RS), - Богдан-ка [11]. Характерно, что он также отличался низким количеством изучаемых связей (0,91).
В зерне урожая 2009 г. уровень агрегации полипептидов за счет интермолекулярных связей - S - S - в целом оказался значительно выше, чем в 2008 г. (в среднем 6,30+0,16 усл.ед. и 3,40+0,35 усл.ед., соответственно). Это свидетель-
ствует о том, что условия вегетационного периода 2009 г. были более благоприятными для полимеризации белков с помощью дисульфидных мостиков. Влияние погодных условий на формирование качества зерна известный факт. Например, установлено [2], что основные факторы, влияющие на качество зерна, -температура и количество осадков. Высокие температуры в период «колошение - восковая спелость» способствуют укреплению клейковины, а большое количество осадков в этот период препятствуют ее формированию.
В 2010 г. белковый комплекс мягкой пшеницы также характеризовался высокими показателями агрегационной способности. Средний уровень агрегации белкового комплекса достиг 6,63+0,13 усл.ед. В результате различия между образцами по количеству интермолекулярных -Б-Б- связей белкового комплекса эндосперма в 2009-2010 гг. нивелировались.
Погодные условия вегетационных периодов 20082010 гг. отличались дефицитом влаги, по сравнению со средними многолетними данными. В то же время, 2008 г. по температурным условиям был близок среднемноголетнему уровню, а в 2009 г. и, особенно, 2010 г. они были более жесткими. Так, среднемесячная температура июня - июля в 2009 г. превысила средне многолетнюю за этот период приблизительно на 3 градуса, в 2010 г. - почти на 5 градусов.
Таким образом, условия 2009 и 2010 гг. способствовали агрегации белковых молекул и соответственно большему укреплению клейковины, по сравнению с 2008 г. Кроме того, например, сорт Синтетик, отличавшийся слабой клейковиной в 2007-08 гг. и низкой величиной полимеризации белков в 2008 г., в 2009 г. показал достаточно высокий уровень наличия дисульфидных связей (5,40) и соответственно сформировал клейковину первой группы качества (75,0 усл. ед. ИДК). Это, на наш взгляд, свидетельствует о том, что ведущим фактором, способствующим укреплению клейковины в результате полимеризации полипептидов белкового комплекса, - температура.
Оценка влияния вегетационных условий показала, что в 2009-10 гг., по сравнению с 2008 г., наблюдалось увеличение агрегирующей способности белкового комплекса пшеницы в обеих группах, сформированных по данным 2008 г. В то же время если в группе с
Таблица 2. Влияние условий года (метеорологических факторов) на формирование межмолекулярных дисульфидных связей белкового комплекса эндосперма озимой мягкой пшеницы (среднее по группе)
Образцы сгру-пированные по данным 2008 г., усл.ед Вы- борка Число межмолекулярных дисульфидных связей, усл.ед. НСР0,95 Доля вклада фактора, %
2008 г. 12009 г. 12010 г. год 1 сорт 1случайный
> 2 13 3,86 6,28 6,80 0,68 71,2 9,8 19,0 < 2 6 1,18 6,44 6,53 0,79 90,6 6,4 3,0
уровнем дисульфидных связей > 2 усл. ед. повышение наследственно разный уровень качества образцов,
составило 2,42...2,94 усл. ед., то в группе с уровнем под действием слюны вредителя, разрушающей
< 2 усл. ед. - в 5,26.5,35 усл.ед. Следовательно, об- пептидные связи, формировалось зерно с низким
разцы пшеницы с наследственно более высокой агре- качеством клейковины.
гирующей способностью белков меньше реагируют на При этом следует отметить, что корреляционный
внешние условия среды. Более того, например, фор- анализ не выявил сопряженности между степенью
мы с количеством дисульфидных связей белкового поражения зерна клопом вредная черепашка и количе-
комплекса в 2008 г. > 5,5 усл. ед., в 2009 г. изменили ством -S-S- связей белкового комплекса эндосперма
агрегирующую способность несущественно. Доля зерновки (г = 0,0736; n = 88).
влияния года на величину изучаемого показателя в Выводы. Таким образом, информативность по-этой группе составила всего 10,5 %. казателя, отражающего степень полимеризации
Вегетационный период 2011 г. отличался повы- белков с помощью дисульфидных мостиков, с целью
шенными температурами (на 2,5о, по сравнению со оценки селекционного материала наиболее высока
средними многолетними) и большим количеством при среднем уровне климатических факторов, влияю-
осадков в период налива и созревания зерновых щих на формирование качества клейковины. По его
(июнь - июль). В результате сформировалось зерно величине можно прогнозировать уровень качества
с более высоким количеством дисульфидных связей зерна, складывающейся в тот или иной год. В годы,
белкового комплекса, по сравнению с 2008 г. В то способствующие формированию высокого качества
же время такие условия способствовали лучшей клейковины, вести отбор сортообразцов на качество
дифференциации образцов по агрегирующей спо- зерна нецелесообразно. Предложенный подход
собности белков с помощью -S-S- связей, по срав- можно использовать для определения года урожая
нению с двумя предыдущими годами. Характерно, партии зерна того или иного сорта с ограничениями
что физические свойства клейковины в этом году для супер-сильных сортов. Оценка числа дисульфид-
не отвечали требованиям на продовольственную ных интермолекулярных связей позволяет выявлять
пшеницу, что было связано с сильным поражением образцы с наследственно высоким качеством зерна
посевов клопом вредной черепашкой (23.53 %). и слабой реакцией на метеоусловия вегетационного
Соответственно индекс деформации клейковины периода. Поражение зерна пшеницы клопом вредная
экстрасильных образцов был равен 111,8+1,9 усл. черепашка не оказывает существенного влияния
ед. (n=5), а форм с наличием ржаных транслокаций - на число -S-S- связей белкового комплекса эндо-
116,3+2,6 усл. ед (n=4). Следовательно, несмотря на сперма.
Литература.
1. Созинов А.А. Количество и качество зерна // Наука и жизнь. - 1975. - № 11. - С. 63-69.
2. Головченко А.П., Глуховцев В.В., Головченко Н.А. Оценка сортовых реакций яровой пшеницы по качеству зерна на условия внешней среды в лесостепи среднего Поволжья. // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. - Санкт-Петербург, 2009. - Т.166. - С. 505-512.
3. Нецветаев В.П., Лютенко О.В., Пащенко Л.С., Попкова И.И. Новые подходы к оценке качества зерна озимой мягкой пшеницы // Белгородский Агромир. - 2010. - № 1. - С. 27-29.
4. Нецветаев В.П., Моторина И.П., Петренко А.В. Сравнение методов определения качества клейковины зерна мягкой пшеницы на приборе ИДК-1 //Доклады РАСХН. - 2005. - № 4. - С. 14-16.
5. Нецветаев В.П., Лютенко О.В., Пащенко Л.С., Попкова И.И. Методы седиментации и оценка качества клейковины мягкой пшеницы//Научные ведомости БелГУ. Серия. Естественные науки. - Белгород: БГУ, 2009. - № 11. - Вып. 9/1. - С. 56-64.
6. Нецветаев В.П., Лютенко О.В., Пащенко Л.С., Попкова И.И. Оценка качества зерна мягкой пшеницы SDS-седиментацией // Сельскохозяйственная биология. - 2010. - № 3. - С.63-70.
7. Литвиненко М.А., Лифенко С.П., Лнчевськкий А.А. и др. Каталог нових сорт1в зернових колосових культур Селекцйно-генетичного iнституту. - Одесса, 2000. - 88 с.
8. D’Ovidio R., Masci S., Porceddu E., Kasarda D. Duplication of the Bx7 high-molecular-weight glutenin subunit gene in bread wheat (Triticum aestivum L.) cultivar Red River 68// Plant Breeding. - 1997. - Vol. 116. - P. 525-531.
9. Butow B., Gale K., Ikea J., Juhasz A., Bedo Z., Tanas L., Gianibelli M. Dissemination of the highly expressed Bx7 glutenin subunit (Glu-B1al allele) in wheat as revealed by novel PCR markers and RP-HPLC// Theor. Appl. Genet. - 2004. - Vol. 109. - P. 15251535.
10. Копусь М.М. Полиморфизм белков зерна и селекция озимой пшеницы//Автореф. дисс... докт. биол. наук. - Краснодар, 1998. - 48 с.
11. Козуб Н.А., Созинов И.А., Собко Т.А., Дедкова О.С., Бадаева Е.Д., Нецветаев В.П. Ржаные транслокации у некоторых сортов озимой мягкой пшеницы// Сельскохозяйственная биология. - 2012. - № 3. - С. 68-74.
12. Zeller F., Gunzel G., Fischbeck G., Gersternkorn P., Weipert D. Veranderung der Backeigenschaften der Weizen-Roggen Chromosomen-Translocation 1B/1R//Getreide Mchl. Brot. - 1982. - Vol. 36. - P. 141-143.
13. Рыбалка А.И., Казарда Д.Д., Созинов А.А. R-глиадины - проламины ржи, синтезирующиеся в эндосперме пшеницы // Сельскохозяйственная биология. - 1985. - № 2. - С. 34-42.
INNOVATIVE APPROACH TO THE ASSESSMENT OF WHEAT GRAIN QUALITY V.P. Netsvetaev, L.S. Bondarenko, O.V. Akinshina, T.A. Ryzhkova
Summary. Studied samples of varieties and breeding material of winter wheat competitive test of the Belgorod State Agricultural Research Institute harvest 2007-2011. We investigated the number of disulfide bonds in flour protein complex based on modified methods of sedimentation. As a reducing agent used Na2SO3. We determined the quantity and physical properties of gluten on the apparatus IDK-1. It is established that depending on the temperature conditions of the growing season in high quality wheat had indicator of disulfide bonds from 6.0 to 7.7 conv. units.; samples with rye translocations 1BL.1RSand 1AL.1RS - from -0.3 to 6.5 conv. units. Hot summer helps to increase the number of -S-S- bonds in protein complex and to strengthen the gluten. The degree of damage Eurygaster integriceps PUT. did not affect on the level of intermolecular disulfide bonds (r = 0,0736; n = 88, 2011). It is shown that the definition of aggregation ability in a protein complex of wheat grain with the - S - S - bonds have high information content at a level close to the summer climatic factors of long-term average for the Belgorod region. It is not appropriate to the selection of breeding stocks on the quality of grain in the years to promote the formation of high quality gluten. Estimating the number of intermolecular disulfide bonds can detect samples with genetically high-quality grains and weak response to the growing season weather conditions.
Key word: common wheat, disulfide bonds, grain quality, gluten.
