1. Введение
Важную роль в полноценности семян пшеницы, в их качестве и силе играет химический состав [1]. Наряду с основными веществами, определяющими как питательную, так и технологическую ценность зерна – это белки и крахмал, немаловажное значение имеют ферменты, которые участвуют практически во всех биологических процессах. Значительное влияние представляет фермент – амилаза, который катализирует гидролиз крахмала, гликогена и других полисахаридов с образованием олиго ‒ и моносахаридов. В ходе этого каталитического процесса в качестве промежуточного продукта образуются коллоидные вещества разного молекулярного веса, называемые декстринами [2].
В распаде главного запасного вещества в зерне участвуют изоферменты α- и β- формы амилазы, которые существенно различаются между собой по характеру их действия на компоненты крахмала: β-амилаза разжижает и декстринирует крахмал, а α-амилаза приводит его к осахариванию [3], [4].
Под действием изофермента β-амилазы, основным продуктом расщепления крахмала является мальтоза (восстанавливающий дисахарид, который называют еще солодовым сахаром) и незначительное количество высокомолекулярных декстринов. При действии α-амилазы на крахмал образуются незначительное количество мальтозы и промежуточный продукт – декстрины меньшего молекулярного веса [2].
При рассмотрении технологического значения изоферменты амилазы действуют на биохимический состав зерна по-разному. β-амилаза катализирует процесс гидролиза полисахаридов с образованием олигосахаридов, при этом способствует накоплению сахаров, необходимых для спиртового брожения в тесте. α-амилаза, превращая крахмал в декстрины, ухудшает при этом качество хлебных изделий. Мякиш с большим количеством декстринов становится липким и влажным даже при нормальной влажности хлеба. β-амилаза содержится в муке всех видов и сортов, а α-амилаза в муке из несозревшего или подвергшегося прорастанию зерна [5], [6], [7].
Прорастание зерна связано со сложными физиолого-биохимическими процессами и зависит от многих причин, например от периода покоя или активности амилазных ферментов. Для установления повреждений зерна в результате прорастания разработаны различные критерии и методы оценки активности амилазы зерна пшеницы. В селекции на устойчивость к прорастанию зерна в колосе перспективным является метод электрофореза, который позволяет выявить функционально и физико-химическую неоднородность ферментов амилазного комплекса [6], [8].
В период созревания зерна β-амилаза связывается с помощью дисульфидных связей в белковые агрегаты, при этом она теряет ферментативную активность. В связи с этим β-амилаза может влиять на формирование показателей качества зерна [6], [9].
Используя коллекцию сортов озимой мягкой пшеницы, районированных в европейской части России, В.П. Нецветаев, О.В. Акиншина, Л.С. Бондаренко, И.П. Моторина (2012) оценили частоты встречаемости отдельных вариантов β-амилазы и привели оценку распространённости вариантов данного изофермента [10].
Высокой устойчивостью к прорастанию на корню и в валках, способностью созревать при пониженных температурах характеризуется тетраплоидный вид пшеницы Triticum carthlicum Nevski. (=T. persicum Vav.) с геномом BB AuAu [11].
Применение метода электрофореза позволит определить зимотипы β-амилазы зерна карталинской пшеницы сформированного в разные по погодным условиям годы.
Цель исследований: выявление генетически обусловленного полиморфизма β-амилазы зерна тетраплоидного вида карталинской пшеницы.
2. Методы и принципы исследования
Полевые опыты проведены в зоне северной лесостепи Тюменской области на выщелоченном черноземе в 2007–2009 гг.на базе Агротехнологического института ГАУ Северного Зауралья. Почва опытного участка – чернозем выщелоченный маломощный, средне гумусовый, тяжелосуглинистый, сформировавшийся на покровных суглинках с проявлением незначительной слоистости. Региональной особенностью черноземов, выщелоченных Северного Зауралья является неустойчивый азотный режим. Наличие предшественника первой группы (чистый пар) не обеспечивало устойчивого повышения азотом последующих культур.
Опытный участок характеризовался средней обеспеченностью подвижным фосфором (50-100 мг/кг почвы по Чирикову). Фактическое содержание доступных растениям фосфатов в пахотном слое опытного участка в среднем было равно 82 мг/кг почвы, что обеспечивало на 75-85% планируемую урожайность карталинской пшеницы [12], [13].
Погодные условия в годы изучения были разными: достаточно увлажненным был 2007 г. (ГТК=1,81), среднесуточная температура воздуха в августе составила 14,40С, что ниже средней многолетней, температура августа превысила средние многолетние значения. Более благоприятными по температурному режиму и ГТК были 2008 и 2009 гг.
Объектом исследований послужили зерновки пяти образцов карталинской пшеницы. Исследования проводили в лаборатории селекции и семеноводства пшеницы ФГБНУ «Белгородский федеральный аграрный научный центр Российской академии наук» по методике В.П. Нецветаева (2012). Для выявления полиморфизма использовали метод электрофореза β-амилаз в трис-глициновой системе ПААГ (рН 8,3).
В качестве стандартов использовали сорта яровой мягкой пшеницы Новосибирская 15 и Омская 38.
3. Основные результаты
В исследовании было проведено изучение разнообразия зимотипов β-амилазы, трех образцов карталинской пшеницы разновидности var. fuliginosum, одного образца var. rubiginosum,одного образцаvar. stramineum и двух образцов мягкой пшеницы var. lutescens. Картлинская пшеница (Triticum carthlicum Nevski. = Triticum persicum Vav.) относится к тетраплоидным видам и является эндемиком для Закавказья [14].
Анализ полученных зимограмм показал, что образцы карталинской пшеницы имели разные зимотипы (таблица 1).
Зимотипы β-амилазы образцов карталинской пшеницы, 2007-2009 гг.
| № п/п | Образцы, сорта | Зимотипы β-амилазы | ||
| 2007 | 2008 | 2009 | ||
| 1. | ) | Н | Н | Н |
| 2. | ) | Н | Н | Н |
| 3. | ) | С | С | С |
| 4. | ) | Н+I | Н | Н |
| 5. | ) | I+Н | I | Н |
| 6. | ) | С+А | С+А | С+А |
| 7. | ) | С | С | С |
В результате проведенных исследований образцов карталинской пшеницы обнаружено 3 зимотипа β-амилазы Н, С, I. Образцы К-7881 и К-7887 в течение трех лет по локусу β-амилазы были идентичными, у них был идентифицирован зимотип Н (рисунок 1).
Изозимы β-амилазы зимотипа Н образца К-7887 карталинской пшеницы
Зерновки образца К-32484 также были однотипными и имели зимотип С. Такой же зимотип имели зерновки сорта мягкой яровой пшеницы Новосибирская 15 (рисунок 2). По данным Ахтариевой М.К. (2021) зимотип С, встречался у 19,5% сортов мягкой пшеницы Тюменской области.
Изозимы β-амилазы зимотипа С сорта Новосибирская 15
Стандартный сорт мягкой пшеницы Омская 38 оказался гетерогенным и имел два зимотипа С+А. Среди образцов карталинской пшеницы гетерогенными оказался К-17555, у которого в 2007 году был идентифицирован зимотип I. Самую высокую гетерогенность показал образец К-17581. Зерновки урожая 2007 года имели зимотип I, урожая 2009 года ‒ зимотип Н, а в 2007 году ‒ оба зимотипа встречались одновременно.
4. Заключение
Таким образом, образцы карталинской пшеницы имели отличные от мягкой пшеницы зимотипы β-амилазы. У исследованных образцов преобладал зимотип Н. Совпадение с мягкой пшеницей Новосибирская 15 обнаружено у образца К-32484 по зимограмме С.