Высококаротиноидные тритикале - селекция и использование
Впервые термин каротин был предложен H.W.F. Wackenroder[l], Berzeliuz J.J. [2] ввел понятие «ксантофилл». Известно, что каротиноиды - обязательный компонент пигментной системы всех фотосинтезирующих растений [3], обладают антиоксидантными функциями, предотвращающими повреждение хлорофилла [4]. В зрелых семенах они выполняют функцию защиты от свободных радикалов, которые образуются при старении семян [5]. Их количество в семенах различается в зависимости от вида растения, сорта, условий выращивания. В тритикале оно может варьировать от 0,1 до 5 мг/г муки [6].
Употребляемое в литературе понятие «каротин» включает несколько веществ, собственно каротина, источника провитамина А, очень мало. У пшеницы durum в цельном зерне его содержится только 7,8%, 84,8% приходится на ксантофилл и 7,6% - на эфиры ксантофилла [7]. Примерно такой же состав отмечен и у тритикале. Желтый цвет муки может быть усилен флавоноидами - природными красителями, пищевыми антиоксидантами. Повышенное содержание каротиноидов делает продукты из тритикале перспективными для использования в качестве компонента функционального, детского и специального питания, макаронных изделий и др. Если принять за суточную норму витамина А для мужчин 1000 мкг, то порция из 50 г зернопродуктов из В К тритикале обеспечивает до 20% нормы, а для некоторых других категорий потребителей и больше. Особенности создания новых генотипов тритикале (озимых и яровых) в России с потенциалом продуктивности 10 т/га и высоким содержанием каротиноидов освещены ранее [8]. За прошедшее время появились новые разработки по селекции, технологии использования зерна высококаротиноидных (ВК) тритикале, что и стало целью их презентации в настоящей работе.
Методика.
Исследования выполнены в 2002-2018 гг. на Дону (черноземная степь с резко континентальным климатом). Исходный материал создавали путем различного рода скрещиваний (внутривидовых, межвидовых, с октоплоидами, использованием генотипов мутантного происхождения и др.). Основным принципом была проработка большого объема созданного материала на ранних этапах селекции (в селекционном питомнике высевали 30-40 тыс. необмолоченных колосьев). Остальные этапы селекции были общепринятым и.
Количество общего каротина в зерне определяли на всех этапах селекционного процесса экспресс-методом по отражению [9] или извлечением при помощи N-бутанола. Изготовление спагетти выполняли на лабораторном прессе собственной конструкции. Помол зерна на муку, манную крупу, изготовление цельной крупы проводили общепринятыми методами. При определении цветовых характеристик зерна использовали спектрофотометр CM 2300d (Япония).
Результаты и обсуждение.
В 2002-2009 гг. при создании ВК озимых тритикале использовали гибридизацию. Были привлечены сортообразцы различного происхождения со средним содержанием этих пигментов [8]. В основу создания генетической изменчивости признаков яровых форм был положен химический мутагенез (мутаген - 1-4 бис диазоацетилбутан), у озимых тритикале в 2009 г. выделены трансгрессивные ВК кроссоверы 3174/09 (Дои/озимая пшеница) и 2811/04 (Союз/Дон// Корнет). Под названиями Рамзес и Рамзай они прошли Государственное испытание и включены в Государственный реестр России. Их изучение в последующие годы подтвердило потенциал урожайности на уровне 6,3-10,7 т/га с содержанием каротиноидов даже во влажный год около 333-421 мкг/%. У яровых тритикале были выделены муташные линии с содержанием каротиноидов 361-450 мкг/%. СортСаур включен в Госреестр России, сорт Хайкар на стадии изучения.
С целью дальнейшего совершенствования программы по ВК тритикале исследовали характер наследования этого признака. Однако проявление гетерозиса по ВК в F, (признака возможной трансгрессии в дальнейшем при рекомбинации) было очень редким по годам от 0 до 4%. Причем усиление выраженности этого признака не было скачкообразным. При полимерии выраженность ВК усиливалась постепенно. Приведем данные по линии 3412/14 Рамзай/3434/09. У родителей количество каротиноидов оказалось на уровне 324 и 244 мкг/%, у гибрида F, 373 мкг/%. У основного числа комбинаций преобладало промежуточное наследование ВК между родителями и депрессия (табл. 1).
В дальнейшем при рекомбинации в старших поколениях также отмечен низкий процент выщеп-ления ВК генотипов, причем чаще при использовании в качестве одного из родителей ВК Рамзая и Рамзеса: комбинации Рамзай/ 3434/09 и Рамзай/ Рамзес. У ярового тритикале также был получен трансгрессивный ВК рекомби-нант 6393/17 (341-420 мкг/%) гибридного происхождения, но без этих сортов. В его родословной участвуют сорта Соловей харьковский и 3657/09, созданный с привлечением ПРАГ 45/1, АД 206, озимых Мально и Дона.
Следует отметить одну особенность. Сорт Дон с транслокацией хромосомы 6D имеется и в генеалогии Рамзая и Рамзеса. Выяснению случайности такого явления посвящено специальное направление наших исследований.
Таким образом, доказано, что выведенные ВК сорта тритикале не эпизодическое явление, их можно создавать. За основу при гибридизации в качестве одного из родителей результативней использовать ВК сорт. По озимым тритикале была развернута программа (2013-2017гг.), связанная с использованием многократного беккросса с целью отработки методики стабильного создания ВК генотипов (табл.2), работа по которой будет продолжена.
Ежегодно изучали до 50 таких популяций. У перспективных гибридов (табл.2) с использованием сорта Рамзай и Рамзес выявлен положительный эффект беккросса. Доминирование (особенно Рамзая) по степени выраженности содержания каротиноидов проявлялось достоверно, хотя и с разной степенью усиления. Проанализируем данные по комбинации 8 -Рамзай/Раритет (Украина, F, 259,7 мкг/%), где для первого беккросса привлекали разные сорта. При использовании Раритета в ВС,количество каротиноидов в F, даже уменьшилось, при ВС,, но с Рамзаем возросло до 286,4 мкг/%. Аналогичные данные получены и по другим комбинациям (табл.2). Таким образом, можно выделить ВК генотипы тритикале из популяций с продолжительной рекомбинацией, усилить выраженность ВК путем беккроссов донорами ВК, а также при помощи химического мутагенеза.
Для разработки технологических аспектов ВК зерна важно было знать особенности депонирования каротиноидов в зерне при его наливе и созревании. Совместно с учеными ВНИИ зерна и его переработки (ВНИИЗ) такие исследования были выполнены. Путем различного времени шлифования у эндосперма был снят слой за слоем (табл.3). Выяснилось, что как у всех злаков [10], каротиноиды накапливаются от периферии к середине эндосперма, то есть находятся в тех же пластидах, где хранятся другие запасные питательные вещества. На рис.1 представлена зависимость содержания каротиноидов от выхода цельной крупы по мере шлифования поверхностного слоя.
Для расширения ассортимента зернопродуктов во ВНИИЗ разработана технология переработки ВК тритикале в крупу и хлопья [11]. При производстве целой крупы содержание каротиноидов возрастало с 340 до 380 мкг/%, что больше, чем в зерне желтой кукурузы (320 мкг/%). Для производства целой и дробленой крупы можно использовать сорта Рамзай, Рамзес, Хайкар. Из тритикале сорта Рамзай получается красивая с розоватым опенком крупа. Для производства макаронной муки и крупы типа манной можно рекомендовать сорта Рамзай и Хайкар.
К важным потребительским показателям качества крупы относится ее белизна. Для определения цветовых характеристик цельной крупы в цветовой системе XYZ использовали спектрофотометр CM-2300d (Konica Minolta, Япония). Спектральный диапазон измерений составлял 360-740 нм, дискретность -10 нм, диаметр площади образца (измеряемой/освещаемой) -8 мм, заданный источник освещения D65 (стандартный дневной свет), угол наблюдения - 2°. Рост коэффициента отражения по мере удаления поверхностного слоя наблюдали в диапазоне всех выделенных длин волн. Наиболее информативной оказалась синяя область спектра Z (пиковая длина волны - 540 нм), тем более что она совпадает с диапазоном длин волн, принятым в отечественных белизномерах, например РЗ-БПЛ-Ц. Белизна крупы 32-37 у/е (рис.2) в промышленно значимом диапазоне выхода 60-70 % у ВК тритикале была несколько ниже, чем, например, у перловой (37-41 у/е.) в этом же диапазоне, что связано, вероятно, с наличием именно каротиноидов.
Исследования подтвердили возможность использования крупки из ВК тритикале для изготовления спагетти, макарон, хлебобулочных изделий и др. (табл.4). Спагетти ВК тритикале ничем не отличались от пшеничных (durum), кроме линии 3412/14. Другие ВК сорта тритикале по макаронным свойствам были одинаковыми, однако существенно различались но количеству каротиноидов, белка. Некоторые различия отмечены и по выходу хлеба из 100 г муки. У первых трех сортов в табл. 4 выход хлеба был существенно выше принятого стандарта (550 см3).
Погодные условия 2016-2017 гг. с обилием осадков негативно влияли на качестве спагетти и все технологические свойства яровой твердой пшеницы и ВК тритикале. Отличную оценку не получил ни один сорт. В годы со средним количеством осадков или дефицитом влаги стекловидность зерна и количество белка были существенно выше, что сказалось на отличном качестве спагетти.
Таким образом, можно выделить ВК генотипы тритикале из популяций с продолжительной рекомбинацией, усилить выраженность ВК путем беккроссов донорами ВК, при помощи химического мутагенеза. Каротиноиды зерна тритикале в основном сосредоточены в эндосперме зерна, что позволяет в процентном содержании увеличивать их количество в зернопродуктах. Разработаны технологии по производству крупы, макаронной крупки, манной крупы, хлопьев и др. Качество спагетти у основного числа изученных сортов было одинаковым с пшеничными.
Литература.
1. Wackenroder H.W.F.. Ober das oleum radices Dauciaetherum, das carotin, den carotenzuckerund den ojjiciuensuccus Dauci; so wieauchtiberdasmannit, welches in demmohrensaftedurcheinebesonder e art der gahrunggebildetwird // Geigers Magazine Pharm. - 1831. - V.33. - P.144-172.
2. Berzelius J.J. Uber de gethefarbe der blaetterimherbste // Annual Pharm. - 1838. - V.21. - P.257-262.
3. Cazzonelli C.I. Carotenoids in nature; insights from plants and beyond // Functional Plant Biology. - 2011. - V.38. - P.833-847.
4. Edge R. Truscott G. Properties of carotenoid radicals and their potential role in biological systems // Carotenoids: physical, chemical and biological functions and properties.-Edition Landrum J. T. Dordresht: KhmerAcaaI Published, 2010. P. 283-307.
5.Namhara E., Okamoto M., Tatematsu A., Yano R., Seo M., Kamiya Y. Abscisic acid and the control of seed dormancy and germination // SeedScience Results.— 2010. - V.20. - P.675-689.
6. Шевченко Н.Л., Грабовец А.И. Характеристика сортообразцов тритикале с повышенны» содержанием каротиноидов // Материалы международной научно-практической конференции. Тритикале. Генетика, селекция, агротехника, использование зерна и кормов. Ростов-на-Дону. - Донской ЗНИИСХ, 2014. - С.185-188.
7. Chen K.T., Geddes W.F. Studies of the wheat pigments // Thesis University Minnesota. St. Paul, Minnesota, 1945. - 8 p.
8. Grabovets A.L, Krokhmal A. V. Prospects of breeding triticale for increased grain carotenoid content//Russian agricultural sciences. - 2012. - V.38. - No 5-6. - P. 345-347.
9. Малько В.И., Грабовец А.И. Экспресс-метод определения содержания каротиноидных пигментов в зерне селекционного материала яровой твердой пшеницы // Селекция и семеноводствою. - 1986. - №3. - С. 63-68.
10. Britton G., Liaaen-Jensen S., Pfander H. Carotenoids biosynthesis and metabolism //Basel: Birkhciuser Veriag.1980.-P. 13-147.
11. Панкратьева И.А., Чиркова Л.В., Зверев С.В., Политуха О.В. Технология выработки крупы из тритикале // Хранение и переработка зерна. -2017. - №1 (209). - С.38-40.
А.И.Грабовец1, член-корреспондент РАН,
А.В. Крохмаль1, кандидат сельскохозяйственных наук,
С.В.Зверев2, доктор технических наук
1Федеральный ростовский аграрный научный центр, 346735, Ростовская область
2Всероссийский научно-исследовательский институт зерна и продуктов его переработки - филиал ФНЦ Пищевых систем им. B.M. Горбатова
Статья опубликована в журнале:
Российская сельскохозяйственная наука. – 2018. - №4. – С.9-13.