Климатические условия Сибири часто не соответствуют требованиям зерновых культур в период налива и созревания семян. Континентальный климат, а именно резкие отклонения в температурном режиме и количестве осадков, ведет к изменению химических показателей качества зерна [5]. По мнению А.И. Воейкова [4], «континентальность» является климатической особенностью межгорных котловин, которым присуща орографическая изолированность и образование барьерной тени.
Большая часть Республики Хакасия и Юга Красноярского края географически расположены на территории Минусинского межгорного прогиба, который ограничен Западным, Восточным Саянами и Кузнецким Алатау [6]. Основные черты орографии данного района связаны с её структурно-геологическими особенностями. По характеру рельефа, истории развития, структурному плану в пределах Минусинского межгорного прогиба выделены Назаровская, Северо-, Средне- и Южно-Минусинские котловины, расположенные на разных гипсометрических уровнях (от 400 до 600 м) и имеющие вид овалов, вытянутых в субширотном направлении [10]. Кроме того для них характерны эрозионно-аккумулятивный и эрозионно-денудационный равнинные рельефы озерных котловин [7], что в совокупности выступает ограничивающим фактором при организации и ведении сельского хозяйства.
Как известно, в сельскохозяйственных районах, с резко изменяющимися климатическими условиями в период вегетации, очень важно владеть информацией о влиянии факторов окружающей среды и их взаимодействии на показатели качества зерна. Основные затруднения возникают при определении природы изменчивости признаков, так как они в большой степени подвержены модифицирующему влиянию условий среды. Доля наследуемого или генетического компонента, как и доля компонента, обусловленного средой, различна для любого изучаемого признака [8].
Взаимодействие генотип × среда определяется как доля фенотипической вариации, которая возникает из-за несоответствия генетических и негенетических эффектов. При этом чем ниже доля генотип-средового взаимодействия, тем стабильнее показатели качества зерна [2]. Наряду с этим, низкий вклад взаимодействия факторов дает основание утверждать, что изучаемые факторы в значительной степени не влияют на действие друг друга [8].
На сегодняшний день различные аспекты содержания антиокисдантов в растительном сырье интересуют многих исследователей [3, 11, 14–17]. Объяснить данный факт можно с двух точек зрения. Во-первых, это связано с потребительским интересом к контролю и профилактике хронических заболеваний путем улучшения рациона питания современного человека за счет включения в состав пищевых продуктов растительных антиокислителей [16]. Например, цельные зерна злаков содержат широкий спектр биологически активных компонентов с антиоксидантным действием [3]. Во-вторых, некоторые авторы утверждают о наличии прямой взаимосвязи содержания антиоксидантов в зерне с всхожестью и устойчивостью растений к различным заболеваниям [9, 12, 13, 18, 19]. Так, при изучении 11 сортов мягкой красной озимой пшеницы, выращенной в США, на общее содержание фенольных веществ установлено, что устойчивые к фузариозу сорта пшеницы имели высокую антирадикальную активность [3]. Кроме того, в литературе имеются данные по изучению различных сельскохозяйственных культур, где экспериментально доказано, что от уровня накопления низкомолекулярных антиоксидантов (аскорбиновая кислота и глутатион) зависит устойчивость растений к различным видам стрессоров, таким как загрязнение почвы тяжелыми металлами [15], радиация [13], засуха и засоление [12]. Наряду с этим АО обеспечивают качественность семян в процессе хранения и лучшую всхожесть, даже в условиях недостатка влаги [9]. Данный факт исследователи связывают с тем, что при повышении метаболических процессов в клетках прорастающих семян наблюдается образование активных форм кислорода, защита от которых осуществляется за счет использования высокоактивной системы в составе низко- и высокомолекулярных соединений.
С целью изучения влияния генотипа и условий выращивания на суммарное содержание антиоксидантов в зерне овса и ячменя были проведены исследования на территории Северо-Минусинской (Ширинский район Республики Хакасия), Южно-Минусинской (Бейский район Республики Хакасия) и Средне-Минусинской (Краснотуранский район Красноярского края) котловин.
Материалы и методы исследования
В качестве объекта исследования использовали 5 образцов ярового пленчатого и голозерного (Ача, Биом, Буян, Красноярский 91, Омский голозерный 1) ячменя (Hordeumvulgare L.) и 5 образцов (Аргумент, Голец, Саян, Сельма, Тубинский) овса (Avenasativa L.). Растения были выращены в 2015 году по паровому предшественнику на «Бейском» и «Ширинском» ГСУ Республики Хакасия и Краснотуранском ГСУ (Красноярский край). Семенной материал был любезно предоставлен сотрудниками учреждений.
Исходя из картографических данных, предоставленных Комитетом по земельным ресурсам и землеустройству Республики Хакасия, почва в районах исследования представлена черноземом обыкновенным.
Метеорологические условия пунктов исследования имели как общие черты, так и различия по обеспеченности осадками и режимам среднесуточных температур (рис. 1, 2).
Можно видеть, что значения средней температуры воздуха за вегетационный период 2015 года на территории Краснотуранского ГСУ были существенно выше, чем в других пунктах исследования. В Бейском и Ширинском районах вышеуказанный параметр имел практически равные значения.
Осадки в мае 2015 года равномерно распределились между II и III декадами по всем пунктам изучения. В Бейском и Ширинском ГСУ более половины июньских месячных осадков пришлось на I декаду, а Краснотуранском – вторую. Самым увлажненным месяцем во всех пунктах исследования был июль, при этом наибольшее количество осадков зарегистрировано на территории Бейского ГСУ. В августе основная часть осадков пришлась на II и III декаду.
Рис. 1. Средняя температура воздуха за вегетационный период 2015 года по пунктам исследования (°С)
Рис. 2. Сумма осадков за вегетационный период 2015 года по пунктам исследования (мм)
Определение суммарного содержания антиоксидантов (ССА) в пробах ячменя и овса проводилось с помощью прибора «Цвет Яуза-01-АА», который фиксирует изменение электрического тока, возникающего при окислении исследуемого вещества (или смеси веществ) на поверхности рабочего электрода при постоянном потенциале 1,3 В. При этом происходит окисление только –ОН природных антиоксидантов фенольного типа. Экстрагирование проб производили двумя элюентами – горячей бидистилированной водой и этиловым спиртом в концентрации 70 %.
Статистическая обработка результатов была выполнена с помощью программы обработки данных полевого опыта Field Expertv l.3 Pro[1] и Microsoft Excel 2003.
Результаты исследования и их обсуждение
При изучении суммарного содержания антиоксидантов (ССА) в зерне ячменя, выращенного в трех пунктах в 2015 году, было установлено, что значения данного показателя находились в интервале от 35,2 (Ача, Краснотуранский ГСУ) до 77,5 (Ача, Бейский ГСУ) мг/100 г. Средние значения ССА зерна ячменя при использовании в качестве растворителя бидистилированной воды для Бейского, Ширинского и Краснотуранского ГСУ имели значения 61,6; 65,3; 49,7 мг/100 г соответственно. При использовании элюентом 70 % этиловый спирт для вышеуказанных участков значения соответсвовали 57,7; 62,1; 47,8 мг/100 г. Можно видеть, что максимальное содержание антиоксидантов в зерне ячменя (независимо от элюента) зарегистрировано в Ширинском районе, минимальное – Краснотуранском. Кроме того, средние значения ССА при экстрагировании бидистилированной горячей водой значительно выше, чем при использовании 70 % этилового спирта (58,8 и 55,8 мг/100 г), что свидетельсвует о водорастворимой природе содержащихся антиоксидантов.
С помощью пакета анализа программ Field Expert v1.3 Pro, который служит для статистической обработки данных методами дисперсионного анализа, были проведены расчеты по выяснению доли влияния факторов среды и генотипа на ССА в зерне ячменя и овса (табл. 1).
Табл. 1 иллюстрирует данные генотип-средового влияния на значения ССА (элюент горячая бидистилированная вода) зерен ячменя, выращенного в течение исследуемого периода в трех пунктах. Можно отметить, что этот параметр практически равнозначно зависит от пункта (43,6 %) и генотипа (41,3 %). Взаимодействие вышеуказанных факторов составляет 15,2 %.
Таблица 1
Результаты двухфакторного дисперсионного анализа влияния факторов (пункт×генотип) на показатель ССА (элюент горячая бидистиллированная вода) в зерне ячменя
|
Дисперсия |
Сумма квадрат. |
Степени свободы |
Средний квадрат |
Вклад факторов в % |
Fф |
F0,5 |
|
Общая |
9172,2 |
59 |
– |
– |
– |
– |
|
Повторений |
1,2 |
3 |
– |
– |
– |
– |
|
Пункт |
2133,2 |
2 |
1066,6 |
43,6 |
1501,4 |
3,22 |
|
Генотип |
4040,7 |
4 |
1010,2 |
41,3 |
1421,17 |
2,6 |
|
Пункт и Генотип |
2967,3 |
8 |
370,9 |
15,2 |
522,1 |
2,17 |
|
Остатка (ошибки) |
29,8 |
42 |
0,7 |
– |
– |
– |
Таблица 2
Результаты двухфакторного дисперсионного анализа влияния факторов (пункт×генотип) на показатель ССА (элюент 70 % этиловый спирт) в зерне ячменя
|
Дисперсия |
Сумма квадрат. |
Степени свободы |
Средний квадрат |
Вклад факторов в % |
Fф |
F0,5 |
|
Общая |
8323,9 |
59 |
– |
– |
– |
– |
|
Повторений |
0,7 |
3 |
– |
– |
– |
– |
|
Пункт |
1629,8 |
2 |
814,9 |
40,6 |
1517,1 |
3,22 |
|
Генотип |
2880,9 |
4 |
720,2 |
35,9 |
1340,8 |
2,6 |
|
Пункт и Генотип |
3789,9 |
8 |
473,7 |
23,6 |
881,9 |
2,17 |
|
Остатка (ошибки) |
22,6 |
42 |
0,5 |
С помощью двухфакторного дисперсионного анализа, было установлено (табл. 2), что содержание антиоксидантов в зерне ячменя (элюент 70 % этиловый спирт), выращенного в 2015 году, в большей степени (40,6 %) определяется пунктом выращивания, далее по степени влияния располагаются «генотип» и взаимодействие «пункт × генотип», на долю которых приходится 35,9 и 23,6 % соответственно. Из этого можно заключить, что при сопоставлении влияния факторов «генотип» и «пункт» на ССА в зерне оказывают практически равнозначное влияние.
Суммарное содержание антиоксидантов в зерне овса при употреблении в качестве растворителя горячей бидистиллированной воды имело среднее значение 41,6 мг/100 г, а при элюенте этиловом спирте – 40,8 мг/100 г. При этом средние значения ССА зерна овса при использовании первого элюента для Бейского, Ширинского и Краснотуранского ГСУ имели значения 41,3; 40,8; 42,7 мг/100 г соответственно. При применении 70 % этилового спирта для вышеуказанных участков значения соответсвовали 41,1; 40,4; 40,8 мг/100 г. По всем образцам зерна овса значения данного показателя находились в интервале от 29,9 (Тубинский, Бейский ГСУ) до 52,8 (Саян, Ширинский ГСУ) мг/100 г. Можно видеть, что максимальное содержание антиоксидантов в зерне овса (в зависимости от элюента) зарегистрировано в Краснотуранском и Бейском районе, минимальное – в Ширинском. Кроме того, средние значения ССА при экстрагировании бидистиллированной горячей водой были немного выше, чем при использовании 70 % этилового спирта.
Таблица 3
Результаты двухфакторного дисперсионного анализа влияния факторов (пункт×генотип) на показатель ССА (элюент горячая бидистиллированная вода) в зерне овса
|
Дисперсия |
Сумма квадрат. |
Степени свободы |
Средний квадрат |
Вклад факторов в % |
Fф |
F0,5 |
|
Общая |
2564,9 |
59 |
– |
– |
– |
– |
|
Повторений |
1 |
3 |
– |
– |
– |
– |
|
Пункт |
40,1 |
2 |
20,0 |
3,8 |
31,2 |
3,22 |
|
Генотип |
1508,1 |
4 |
377,0 |
72,4 |
587,7 |
2,6 |
|
Пункт и Генотип |
988,8 |
8 |
123,6 |
23,7 |
192,6 |
2,17 |
|
Остатка (ошибки) |
26,9 |
42 |
0,6 |
Таблица 4
Результаты двухфакторного дисперсионного анализа влияния факторов (пункт×генотип) на показатель ССА (элюент 70 % этиловый спирт) в зерне овса
|
Дисперсия |
Сумма квадрат. |
Степени свободы |
Средний квадрат |
Вклад факторов в % |
Fф |
F0,5 |
|
Общая |
2484,2 |
59 |
– |
– |
– |
– |
|
Повторений |
4,5 |
3 |
– |
– |
– |
– |
|
Пункт |
7,4 |
2 |
3,7 |
0,7 |
7,1 |
3,22 |
|
Генотип |
1689,3 |
4 |
422,3 |
81 |
817,3 |
2,6 |
|
Пункт и Генотип |
761,3 |
8 |
95,2 |
18,3 |
184,2 |
2,17 |
|
Остатка (ошибки) |
21,7 |
42 |
0,5 |
– |
– |
– |
При использовании двухфакторного дисперсионного анализа было установлено (табл. 3), что содержание антиоксидантов в зерне овса (элюент горячая бидистиллированная вода), выращенного в 2015 году, в большей степени (72,4 %) определяется генотипом, далее по степени влияния располагаются взаимодействие «пункт × генотип» и «пункт», на долю которых приходится 23,7 и 3,8 % соответственно. Из чего можно заключить, что для исследуемых образцов большое значение при определении образцов с высоким содержанием антиоксидантов в зерне имеет генотип.
Практически схожие результаты были получены при использовании в качестве растворителя 70 % этилового спирта (табл. 4). Основной вклад в формирование ССА внес генотип, что численно составляет 72,4 %. В наименьшей степени данный параметр зависел от территории выращивания (3,8 %). На долю взаимодействия «пункт × генотип» приходилось 23,7 %. Исходя из полученных данных, можно заключить, что основной вклад в формирование исследуемого показателя оказывает генотип овса.
Таким образом, можно заключить, что на суммарное содержание антиоксидантов в зерне овса и ячменя, выращенного в трех географических пунктах, объединенных расположенностью в межгорных котловинах, в большой степени оказывает влияние сорт, особенно для овса. В случае с ячменем вклад фактора «генотип» имеет практически равные значения с «пунктом». Величина признака ССА у исследуемых сортов овса имела значения от 29,9 до 52,8, ячменя от 35,2 до 77,5 мг/100 г, то есть генотипы различались более чем в 2 раза. Оценка сортов изученных нами сельскохозяйственных культур по признаку ССА позволяет выделить популяции, существенно различающиеся по антиоксидантной активности, а целенаправленная селекция по этому показателю – усилить антиокислительный потенциал у овса и ячменя и сделать данные зерновые культуры более стрессоустойчивыми и полезными для питания людей.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Министерства образования и науки Республики Хакасия (грант № 6-44-190763).