Генетика, 2020, T. 56, № 12, стр. 1399-1409

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве растительного материала использовали сорта и гибриды озимой мягкой пшеницы, отличающиеся генами, обусловливающими различие по восковидности (вакси) и твердости эндосперма (Мягкозерности). Полевые опыты с источниками указанных наследственных факторов проводили в 2014–2019 гг. С группами сортообразцов, сформированных по твердозерности и мягкозерности, а также с повышенным количеством амилопектина в крахмале эндосперма в сравнении с образцами амилозного типа опыты вели в 2018–2019 гг. Исследования проводились в селекционном севообороте опытного поля отделения № 2 ФГБНУ “Белгородский ФАНЦ РАН”, расположенного в западном агроклиматическом районе Белгородской области (п. Гонки). Площадь делянки 18 м², повторность четырехкратная. Норму высева семян по всем сортам определяли из расчета 4.5 млн/га. Предшественником для озимой пшеницы в исследуемые годы служил черный пар. Весной в начале мая (фаза кущения) проводили прикорневую подкормку посевов озимой пшеницы аммиачной селитрой с помощью рядовой сеялки при норме расхода удобрения 2 ц/га (в туках). Основное удобрение не применялось.

Уборка посевов велась с помощью комбайна Сампо-130. В 2016 г. дата уборки приходилась на 4–5 августа, в 2017 г. – на 27–28 июля, в 2018 г. – с 29 июля и в 2019 г. – с 17 июля. На показатели качества зерна значительное влияние оказывают погодные условия в период созревания и уборки зерновых [18]. В табл. 1 приведены подекадные данные температуры и осадков в июле–августе за исследуемые годы.

В качестве носителей доминантных аллелей Wx и признака твердозерности (рецессив ha) использовали сорта озимой мягкой пшеницы хлебопекарного направления: Ариадна, Альмера, Богданка, Синтетик, Везёлка, Корочанка, Льговская 4, Ермак, Hoff. Сорт Софийка и потомки с его участием (48/19 = 60/18, 49/19 = 64/18, 84/19 = 61/18) имеют восковидный эндосперм и отличаются амилопектиновым типом крахмала, обусловленным гомозиготным состоянием по трем рецессивным генам wx. Родительские формы Волжская 100, 228/12 и их потомства – мягкозерные (Soft), т.е. являются доминантами по локусу Ha. Для установления сопряженности указанных генетических факторов с вариацией показателей качества зерна анализировали сорта c указанными локусами в течение шести лет (2014–2019). Учитывая возможное влияние неидентифицированных наследственных факторов на количественные признаки качества зерна, исследовали группы образцов с указанными признаками, включающие 4–9 генотипов.

Для оценки реологических свойств зерна использовали прибор Миксолаб (Франция), позволяющий охарактеризовать шесть показателей качества. Эти показатели выражаются в баллах и отражают качество, связанное как с белковой, так и углеводной частью эндосперма. СДС седиментацию и количество дисульфидных связей определяли по прописи Нецветаева и др. [19].

Полученные результаты подвергали однофакторному и двухфакторному дисперсионным анализaм с помощью программы Statnov. Различия между средними оценивали по критерию Стьюдента [20].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты анализа реологических свойств шрота зерна сортов, различающихся локусами Ha/ha (Мягкозерность vs. твердозерность) и генами wx: Wx-A1, Wx-B1, Wx-D1, представлены в табл. 2. Сорт Ариадна является твердозерной формой, несущей крахмал амилозного типа. Сорт Волжская 100 обладает мягкозерностью [21] и является гетерогенным по генам Wx. Отдельные растения Волжской 100 несут один, два или три доминантных гена Wx [18]. Эти генотипы формируют амилозный тип крахмала. Сорт Софийка имеет восковидный эндосперм и формирует крахмал амилопектинового типа, обусловленного рецессивностью по трем генам Wx. Он создан в Селекционно-генетическом институте, Одесса [18, 22]. В табл. 2 представлены результаты анализа реологических свойств зерна перечисленных сортов за последние 6 лет. Как видно, амилопектиновый сорт пшеницы (Софийка) по водопоглотительной способности (ВПС) существенно превосходит остальные формы. Это свидетельствует о том, что при одинаковой навеске муки выход массы конечного продукта будет значительно выше по сравнению с мягкозерным и твердозерным сортами с амилозным типом крахмала. В то же время наименьшим индексом ВПС обладал мягкозерный сорт Волжская 100. В связи с этим он наиболее пригоден для использования при приготовлении печенья. Характерно, что формирование данного свойства в наибольшей степени связано с наследственностью, а не с факторами среды (табл. 2). Некоторое влияние среды на этот индекс обнаружено у мягкозерного генотипа Волжская 100. Так, в 2017 г., отличавшемся наименьшим количеством осадков в июле, ВПС у этого образца был наибольшим (5 баллов). Что касается амилопектинового сорта, то в данном случае вариация средового фактора вообще никак не сказалась на показателе ВПС. Следует отметить, что наибольшее снижение ВПС у тведозерных и мягкозерных генотипов наблюдалось в 2018 г. Он отличался наибольшим количеством выпавших осадков в период налива и созревания зерна пшеницы (табл. 2). В 2016 и 2019 гг. в третьей декаде июля выпало соответственно на 77 и 67% влаги больше по сравнению со среднемноголетними данными для этого периода вегетации. Это также повлияло на снижение значений индексов ВПС у сортов Ариадна и Волжская 100 (табл. 2). Таким образом, в отличие от амилопектиновой формы (Софийка) мягкозерный и твердозерный образцы значимо реагируют на условия влагообеспеченности в период созревания зерна. Наследственные различия, связанные с признаком “твердозерность/мягкозерность”, определяли 73.2% изменчивости этого индекса, условия года обеспечивали 22.8% вариации и случайные отклонения составили 4.0%. В целом оценка влияния наследственности и среды при сравнении трех сортов по данному показателю представлена в табл. 2. Следующим показателем качества зерна является индекс “замес”. Он определяется, в первую очередь, белковой частью зерна [18]. Как видно, взятые сорта существенно не различались по этому показателю (табл. 2). Наследственность, связанная с твердозерностью/мягкозерностью (Ариадна/Волжская 100), обнаружила лишь 23.2% изменчивости данного индекса. Условия года оказали значимое влияние на вариацию исследуемого признака между сортами Ариадна и Волжская 100 – 43.5% (случайные отклонения – 33.3%). Волжская 100 по данному индексу наиболее сильно реагировала на изменчивость внешней среды (табл. 2).

Индекс “глютен” отражает число водородных связей между органическими молекулами зерна. Как видно, твердозерный сорт Ариадна имеет существенно более высокий показатель глютена по сравнению с сортами Волжская 100 и Софийка. Софийка характеризуется наименьшим индексом глютена, но несущественно отличается от Волжской 100. В целом условия внешней среды не оказывали значимого влияния на вариацию этого количественного признака. Основное варьирование по нему было обусловлено генотипом – 56.0% (случайные отклонения – 25.3%) (табл. 2).

Следующие индексы характеризуют особенности углеводной части зерна. Так, наименьшей вязкостью теста (0 баллов) при нагревании обладал амилопектиновый сорт Софийка, который значимо отличался от мягкозерного и твердозерного сортов. Волжская 100 уступала по этому показателю Ариадне, но различия находились в пределах ошибки опыта (табл. 2). В целом генотип имел доминирующее влияние на этот признак (42.3%), но влияние среды тоже было значимо – 34.0% (случайные отклонения – 23.7%). Так, в годы с повышенной влажностью в период созревания (2016, 2018) твердозерный и мягкозерный образцы показали наименьшую вязкость теста (1–0 баллов) (табл. 2).

Различия по амилазной активности (индекс “амилаза”) в исследуемые годы между представленными сортами находились в пределах ошибки опыта (табл. 2). В данном случае основное влияние на данный показатель оказывали факторы среды (62.2%), генотип определял 10.0% изменчивости (случайные отклонения – 27.8%). Это связано с тем, что избыточное увлажнение во время созревания зерна приводит к повышению амилазной активности и прорастанию зерна (табл. 3, 4). Это, в свою очередь, сказывается на индексе вязкости теста. Так, в табл. 3 приводятся данные по количеству проросших семян в 2018 и 2019 гг. Как видно, в год с высоким количеством осадков в период созревания (2018) значительно увеличивается число проросших зерен. Характерно, что признак “твердозерность/мягкозерность” не влиял на способность семени к прорастанию.

Ретроградация связана с интенсивностью кристаллизации крахмала при охлаждении и отражает степень черствения хлеба [18]. По этому признаку наибольшее значение показал твердозерный сорт Ариадна, который значительно превосходил амилопектиновый – Софийка, но несущественно превышал мягкозерную форму – Волжская 100 (табл. 2). В данном случае доминирующее влияние на формирование индекса ретроградации связано с условиями средового фактора (46.1%). Генотип также оказывал определенное влияние (28.3%). Случайные отклонения составили 25.6%.

Таким образом, условия среды оказывали значительное влияние на формирование признаков качества, связанное с углеводной частью зерна. В то же время генотип доминировал по показателям: ВПС, замес, глютен. В этом случае влияние среды оказалось менее значимым.

Различия между исследуемыми сортами могут быть обусловлены и другими наследственными факторами, которые способны влиять на формирование указанных показателей качества. В связи с этим сформировали группы образцов из случайно отобранных твердозерных, мягкозерных и амилопектиновых форм озимой мягкой пшеницы. Результаты представляют табл. 3 и 4.

Сравнение девяти твердозерных с девятью мягкозерными образцами мягкой пшеницы в течение 2018 и 2019 гг. по ВПС представлены в табл. 3. В обоих случаях – при оценке в процентах и баллах доминирующее влияние оказывал генотип. Влияние года также было значимо. Характерно, что избыточное увлажнение в период созревания, которое привело к прорастанию зерна в колосе (2018 г.), уменьшило показатели ВПС как у твердозерных, так и мягкозерных генотипов. Взаимодействие факторов генотип–среда было несущественно. В целом твердозерные формы обладали лучшими показателями по этому свойству, что важно при хлебопечении. Полученные результаты по ВПС совпадают с данными, представленными в табл. 2.

Следующим важным показателем качества зерна является замес. В данном случае роль твердозерности/мягкозерности была малозначима. В то же время неблагоприятные условия 2018 г. значительно ухудшили этот индекс как в группе твердозерных, так и мягкозерных генотипов (табл. 3). Полученные результаты корректируют данные табл. 2, где роль генотипа и среды была малозначима. Взаимодействие обоих факторов было незначительно.

Твердозерные генотипы показали более высокие индексы глютена по сравнению с мягкозерными (табл. 3). Условия года не оказали существенного влияния на данный признак. Полученные результаты не противоречат данным табл. 2, где основную роль в вариации данного индекса играл генотип.

Вязкость не зависела от генотипа, связанного с признаком “твердозерность/мягкозерность”, но обнаружила значительное влияние среды (табл. 3). Так, в неблагоприятный 2018 г. этот показатель имел существенно более низкие значения по сравнению с 2019 г. В табл. 2 роль генотипа была значима, что обусловлено слабой реакцией амилопектинового сорта на меняющиеся условия среды. Это подтверждается табл. 4, где индекс вязкости амилопектиновых генотипов находился в пределах 0.5–0 и не зависел от влияния как генотипов, так и среды.

Амилазная активность не показала связи с генотипом, но обнаружила значительное влияние среды (табл. 3). Так, в 2018 г. индекс “амилаза” имел низкие значения, что свидетельствует о более высокой активности амилазы в 2018 г. по сравнению с 2019 г. Эти данные совпадают с результатами табл. 2, где роль условий года имела ведущее значение в вариации данного показателя.

Ретроградация – важный показатель качества, отражающий интенсивность черствения хлеба. Признак “твердозерность/мягкозерность” не обнаружил значимого влияния на данный индекс (табл. 3). Основное влияние на ретроградацию оказали условия года. Так, избыточная влажность в период созревания зерна (2018 г.) резко снижала данный показатель. Характерно, что амилопектиновые генотипы по сравнению с амилозными имеют более низкие значения этого индекса во все годы исследований (табл. 2, 3).

Седиментация является одним из экспрессных методов оценки качества зерна пшеницы в процессе селекции. Величина этого показателя зависела от генотипа и факторов среды (табл. 3). Неблагоприятный период созревания зерна (2018 г.) привел к значительному ухудшению этого показателя. Характерно, что на фоне амилопектиновости роль среды становится малозначимой, а роль генотипа занимает лидирующие позиции (табл. 4).

Количество дисульфидных связей (–S–S–) в зерне отражает качество и количество белка в эндосперме [19]. Как видно (табл. 3), число этих связей зависело от генотипа пшеницы, связанного с признаком “твердозерность/мягкозерность”. Твердозерные формы обладали лучшими значениями этого индекса. Факторы среды оказали малозначимое влияние на данный показатель. Характерно, что в группе амилопектиновых форм не прослеживалась связь числа –S–S– с генотипом. Неблагоприятные условия (2018 г.) способствовали меньшей агрегации белков, но различия между годами по этому показателю находились в пределах ошибки опыта.

Анализируя реакцию показателей качества в группе генотипов с крахмалом амилопектинового типа (табл. 4), следует отметить, что индексы реологии, связанные с углеводной частью зерна (ВПС-балл, вязкость, амилаза, ретроградация), не изменялись под влиянием средового фактора за исследуемый период. Это совпадает с результатами табл. 2. Генотипических различий, не связанных с генами вакси, также не обнаружено. В то же время влияние наследственности проявилось на показателях: ВПС (%), замес, седиментация. Замес и седиментация зависят от количества и качества белковой части зерна [9]. На ВПС белковая часть также оказывает определенное влияние.

В целом, сравнивая амилозные и амилопектиновые генотипы мягкой пшеницы, следует отметить, что носители рецессивных гомозигот вакси по показателю “вязкость” не реагировали на условия среды (табл. 2, 4, 5). В то же время доминанты по этим генам сильно реагировали по индексу “вязкость” на внешнюю среду (табл. 2, 3, 5). Так, при благоприятных условиях погоды в период созревания (2019 г.) дифференциация по вязкости между амилозными и амилопектиновыми формами была значительная (табл. 5). В условиях повышенной влажности в этот период различия нивелируются и по этому показателю нельзя различить рассматриваемые генотипы. Таким образом, данный индекс можно использовать для идентификации генотипов, определяющих признак “амилоза/ амилопектин”, только в годы благоприятные в период созревания зерна. В неблагоприятные годы (2018) показатель вязкости неприменим для тестирования генотипического состава пшеницы по генам вакси. Более стабильный количественный признак, позволяющий различать эти генотипы в разные годы, – ВПС. Он имеет ограничения, когда сравниваются твердозерные амилозные и амилопектиновые формы. В этом случае различия менее значимые и возможны ошибки в их идентификации (табл. 2). В годы с повышенной влажностью целесообразнее такие генотипы тестировать по окраске пыльцы цветущих растений на раствор йода [23]. Таким образом, мягкозерность по сравнению с твердозерностью и амилопектиновыми формами у пшеницы приводит к значительному уменьшению водопоглотительной способности зерна. Среда также влияет на вариацию этого признака у амилозных генотипов, но не оказывает влияния на ВПС у амилопектиновых генотипов. Индекс “замес” не связан с различиями генотипов по твердозерности зерна, но показал влияние внешней среды. На фоне амилопектиновых форм проявляется влияние наследственности на этот показатель и отсутствие средового компонента. Различия по твердозерности связаны с индексом “глютен”, но продемонстрировали отсутствие реакции его на внешнюю среду. Не обнаружено наследственного влияния по этому индексу между генотипами, различающимися генами Вакси. Характерно, что в данном случае на формирование этого индекса обнаружено действие внешней среды.

Вязкость и ретроградация имеют существенно более низкие показатели у амилопектиновых форм по сравнению с амилoзными в годы благоприятные в период созревания зерна пшеницы. В случае повышенной влажности в этот период различия между данными группами генотипов нивелируются и имеют очень низкие индексы вязкости и ретроградации. Различия в твердости зерна не оказывают влияния на данные показатели качества, в отличие от действия факторов среды.

Индекс “амилаза” у амилопектиновых форм был стабильным по годам и генотипам, а также не отличался от амилозных генотипов. Группы сортов амилозного типа, отличающиеся твердозерностью, реагировали на условия среды. Повышенное количество осадков в период созревания приводило у них к повышению активности амилазы (низкий индекс амилазы).

Седиментация и число дисульфидных связей несущественно варьировали по годам в группе амилопектиновых генотипов. В то же время эти показатели проявили генотипическую вариацию в группах, отличающихся твердостью зерна, а по седиментации обнаружили также воздействие среды.

Для идентификации амилопектиновых генотипов целесообразно использовать индекс “вязкость” в годы, когда период созревания благоприятен для формирования урожая. Для выявления мягкозерных форм можно использовать показатель ВПС.

Работа выполнена по госзаданию: № 007-00489-18-00.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с использованием в качестве объекта животных.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием в качестве объекта людей.

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.