В мировом земледелии кукуруза занимает третье место и возделывается в основном как зерновая культура на нужды животноводства и продовольствия. Зерно кукурузы характеризуется высоким содержанием крахмала в зерне и может использоваться в том числе и как сырье для крахмальной промышленности. Так, с 2007 г. более 50 % всех продаж крахмала в мире приходилось на кукурузный крахмал, опережая продажи маниокового (тапиокового) крахмала, который занимает на мировом рынке чуть более 30 % и картофельного крахмала, чья доля превышает 7 % общемирового. В России производство крахмала в основном происходит за счет кукурузного зерна и составляет 80 % [1–3]. При этом используются высокоурожайные гибриды кукурузы зубовидных или полузубовидных подвидов. Крахмал обычной кукурузы состоит примерно на 72 % из амилопектина и на 28 % из амилозы. Содержание амилозы контролируется рецессивными генами ae, а амилопектинового крахмала, который имеет разветвленную структуру полимерной цепи крахмала, генами wx. В генотипах кукурузы с гомозиготным состоянием генов waxy (wxwx) при созревании зерновки формируется 100 % амилопектина. Эта особенность восковидной кукурузы и характеризует ценность физико-химических качеств зерна и крахмала, а также то, что товаропроизводителям нет необходимости в проведении дополнительных технологических операций и финансовых затрат на разделение амилопектинового и амилозного крахмалов. Кроме того, гидролизованный оксиэтилированный амилопектиновый крахмал, служит сырьем для получения противошокового кровезаменителя, предназначенного в качестве плазмозамещающего средства при травмах, ожогах, острой потере крови при операциях и в других случаях. Этот препарат может быть использован как плазмозаменитель в искусственной крови [4]. Мука из восковидной кукурузы используется в смесях для быстрого приготовления пудингов, производства клея и других промышленных продуктов, для которых требуется крахмал с разветвленной цепью. Амилопектиновый крахмал превосходит по своим качествам обычные крахмалы. Особенностью амилопектинового крахмала являются чистота и прозрачность клейстера, высокая вязкость и устойчивость при хранении. Он входит в состав пищевых продуктов, детского и лечебного питания, в качестве отличного загустителя и стабилизатора.
Отметим, что в настоящее время зерно восковидной кукурузы завозится из-за рубежа, поскольку отечественная селекция не создает гибридов восковидной кукурузы. В Государственном Реестре селекционных достижений, допущенных к использованию в 2017 г., нет отечественных гибридов, которые могли бы обеспечить крахмальные заводы России высококачественным сырьем для производства амилопектина. Более того, генофонд восковидной кукурузы РФ, хранящийся в коллекции ВИР, насчитывает незначительное количество (около 100 образцов) восковидной кукурузы, которые представлены лишь местными сортами, полученными из стран Юго-Восточной Азии еще в середине прошлого столетия [5]. Зерно восковидной кукурузы чаще всего уступает по размеру зерну обычной кукурузы и гибриды и сорта менее урожайны, но по качеству и стоимости крахмала – значительно опережает их. В связи с вышеизложенным создание отечественных высокоурожайных гибридов восковидной кукурузы с повышенным содержанием амилопектинового крахмала в зерне актуально и является практически не разработанным, новым направлением отечественной селекции.
Цель исследований: оценка селекционной ценности линий восковидной кукурузы из коллекции ВИР в гибридных комбинациях для определения их ресурсного потенциала в производстве амилопектина.
Материалы и методы исследования
В качестве исходного материала для исследований служили 11 линий восковидной кукурузы коллекции ВИР, гомозиготных по гену wx. Агротехника заключалась в проведении осенней обработки почвы в виде лущения стерни озимой пшеницы в двух направлениях, внесения удобрений (N170P170K120 кг д.в. на 1 га), вспашки на глубину 25–27 см с последующим ее дискованием. Весной до всходов кукурузы внесен почвенный гербицид Мерлин в дозе 0,13 кг/га. Посев проводили вручную с шириной междурядий 0,7 м. Густоту стояния формировали в фазе 4–5 листьев из расчета 60 тыс. раст/га. Гибридизацию проводили по диаллельной схеме. Полученные гибриды испытывали по типу контрольного питомника в трехкратной повторности на двухрядковых делянках площадью 7,84 м2. Гибриды были разделены на блоки по 17–19 номеров. Внутри блоков номера размещали рендомизированно. В качестве стандарта был использован среднеспелый гибрид РИК 340 МВ (ФАО 350), который был наиболее близок по группе спелости к испытанным экспериментальным гибридам восковидной кукурузы.
Фенологические наблюдения, измерения и учеты проводили по Методическим указаниям ВИР «Изучение и поддержание образцов коллекции кукурузы» [6]. Химические анализы проводились общепринятыми методами с использованием «Методических рекомендаций по оценке качества зерна» [7]. Изучение поражаемости растений вредителями и болезнями проводили на естественном фоне, без применения искусственного заражения. Дисперсионный анализ проведен по методике Б.А. Доспехова [8].
Результаты исследования и их обсуждение
Коллекция линий восковидной кукурузы ВИР насчитывает не более 100 образцов из которых были выделены 11 образцов гомозиготных по гену wx и характеризующихся высоким содержанием каротиноидов белка и масла в зерне (рис. 1), эректоидным расположением листьев на стебле и склонностью к многопочатковости (рис. 2), высокой комбинационной способностью (рис. 3). В первую очередь для селекционера важно проводить тщательный подбор гибридов, гомозиготных по генам wx, возделывание этих гибридов и их родительских форм в условиях пространственной изоляции от источников доминантных генов Wx, а также включение в геном восковидной кукурузы источников высокого содержания белка и масла с учетом повышенного содержания в них незаменимых аминокислот и жирных кислот соответственно. В комплексе все эти компоненты влияют как на выход амилопектина, так и на качество побочной продукции в виде кормовых добавок [9].
Рис. 1. Поперечные срезы початков восковидной кукурузы с высоким содержанием белка, масла и каротиноидов в зерне
Рис. 2. Линии восковидной кукурузы с эректоидным расположением листьев на стебле и склонностью к многопочатковости
Рис. 3. Початки родительских линий восковидной кукурузы и их гибридов
Таблица 1
Значения урожая зерна и сбор крахмала в гибридах восковидной кукурузы, выделившихся по годам исследований, 2007–2009 гг.
|
№ |
Гибридная комбинация |
Урожай зерна, т/га |
Сбор амилопектина с урожаем зерна, т/га |
Амилоза, (содержание) |
|
|
фактически |
прибавка |
% |
|||
|
1 |
РИК 340 МВ st |
9,22 |
6,29 |
– |
25,0 |
|
2 |
(90-4×90-1) |
10,45 |
7,15 |
0,86 |
0,0 |
|
3 |
(90-4×90-6) |
11,66 |
7,81 |
1,52 |
0,0 |
|
4 |
(90-5×9014) |
10,40 |
7,12 |
0,83 |
0,0 |
|
5 |
(90-8×90-2) |
11,11 |
7,31 |
1,02 |
0,0 |
|
6 |
(320×9019) |
11,47 |
7,51 |
1,22 |
0,0 |
|
НСР0,05 |
0,78 |
0,41 |
|||
В результате изучения экспериментальных гибридов восковидной кукурузы были выделены 13 лучших комбинаций, которые превышали либо приближались по урожаю зерна и сбору крахмала с 1 га к соответствующим значениям у стандарта. При этом учитывалось и качество зерна по содержанию белка и масла. Значения урожая зерна 13 лучших гибридов, превысивших стандарт (9,22 т/га), позволили сделать выборку 5 гибридных комбинаций по признаку «сбор крахмала с урожаем зерна, т/га» (табл. 1), который варьирует от 7,12 до 7,81 т/га при его значении для стандарта 6,29 т/га. Варьирование отклонений от стандарта находится в пределах +0,83 до +1,52 т/га.
При производстве амилопектина из зерна обычной кукурузы разделение фракций двух крахмалов (амилопектина и амилозы) представляет собой достаточно трудоемкий и энергозатратный процесс, за счет чего снижается рентабельность и повышается себестоимость готового продукта. В производстве амилопектина из зерна восковидной кукурузы эта технологическая деталь отсутствует вследствие ее 100 % содержания в зерне [10], т.е. высокое содержание амилопектина в крахмале восковидной кукурузы является одним из главных ее преимуществ по сравнению с другими подвидами кукурузы. Основным условием для сохранения гомозиготности рецессивного гена wx и чистоты конечного является создание условий соблюдения пространственной изоляции посевов восковидной кукурузы от источников доминантных генов Wx в период цветения. Следует отметить, что существенным недостатком некоторых образцов коллекции восковидной кукурузы ВИР, который значительно снижает показатели урожая зерна в гибридах, является мелкосемянность. Многие гибридные комбинации, в геноме которых имеется сочетание генов wx с генами высокого содержания лизина и триптофана (гены fl2 и o2), при высоких значениях питательности и количества крахмала уступали стандартным значениям по урожаю зерна с 1 га из-за низкого значения веса 1000 зерен, поэтому они не вошли в выборку лучших гибридов. Такие зерновки отличались и повышенной восприимчивостью к фузариозу.
При производстве крахмала из зерна кукурузы важное экономическое значение имеет качество побочных продуктов в виде зародыша зерновки и воды после замачивания зерна. Основным показателем качества зародыша, как побочного продукта после выделения крахмала, является содержание в нем протеина и жира. Из побочной продукции производители крахмала извлекают дополнительную прибыль в виде кормовых добавок, поэтому высокая питательность зерна восковидной кукурузы имеет немаловажное значение. Анализ биохимического состава зерна экспериментальных гибридов восковидной кукурузы выявил три гибридные комбинации (9015×9011; 90-4×90-7; 320×90-7) которые показали высокое содержание масла и одну комбинацию (9015×9011) с высоким содержанием протеина в зерне (табл. 2).
Таблица 2
Селекционная ценность гибридов восковидной кукурузы, выделившихся по биохимическому составу зерна за годы исследований, 2007–2009 гг.
|
№ п/п |
Гибридная комбинация |
Урожай зерна, т/га |
Содержание в зерне |
|||||
|
Крахмал |
Протеин |
Жир |
||||||
|
% |
т/га |
% |
т/га |
% |
т/га |
|||
|
1 |
РИК 340 МВ st |
9,22 |
68,2 |
6,29 |
7,7 |
0,71 |
5,29 |
0,49 |
|
2 |
(90-4×90-1) |
10,45 |
68,4 |
7,15 |
6,8 |
0,71 |
5,15 |
0,54 |
|
3 |
(90-4×90-7) |
9,62 |
68,1 |
6,55 |
6,2 |
0,60 |
5,80 |
0,56 |
|
4 |
(90-5×9014) |
10,40 |
68,5 |
7,12 |
6,6 |
0,69 |
5,25 |
0,55 |
|
5 |
(9015×9011) |
9,15 |
68,1 |
6,23 |
8,3 |
0,76 |
6,01 |
0,55 |
|
6 |
(320×90-7) |
10,35 |
65,1 |
6,74 |
7,7 |
0,80 |
5,80 |
0,60 |
|
НСР0,05 |
1,2 |
0,7 |
0,05 |
0,11 |
||||
Селекционная ценность изученных в опыте экспериментальных гибридных комбинаций восковидной кукурузы показала, что значение содержания протеина в зерне между 6 и 7 % характерно для 30 гибридных комбинаций, тогда как значения сбора с 1 га – в пределах от 0,6 до 0,7 т/га для 25 гибридов. Значения содержания жира в зерне изученных гибридов варьировало между 5 и 6 % и для 31 гибридной комбинации. По сбору масла с 1 га было выделено 25 гибридных комбинаций, которые показали значения от 0,4 до 0,5 т/га. Эти значения показывают эффективность использования зерна восковидной кукурузы не только для получения амилопектина, но и побочной продукции в виде кукурузного протеина и жира.
Заключение
Результаты исследования экспериментальных гибридных комбинаций восковидной кукурузы, созданных на основе коллекции ВИР, показали ее селекционную ценность. Значение урожая зерна гибрида (90-4×90-1) составляло 10,45 т/га, при 100 % содержании амилопектина в зерне, а максимальный сбор амилопектина 6,01т/га показал гибрид (9015×9011). Для экспериментальных гибридов (9015×9011; 90-4×90-7; 320×90-7) характерны высокое содержание амилопектина и высокое содержание жира (5,8 %) и протеина (8,3 %) в зерне. Внедрение в производство гибридов с такими характеристиками позволит значительно повысить рентабельность производства крахмала за счет реализации побочной продукции. При этом снижается себестоимость сырья, используемого в крахмалопаточном производстве, что существенно снижает себестоимость конечной продукции. Решение проблемы источника сырья для производства амилопектина обеспечит производство ряда товаров в медицине, пищевой и химической промышленности, концентрированных кормов. Создание и внедрение в производство гибридов восковидной кукурузы с высоким содержанием протеина и жира в зерне, которые значительно превосходят по питательности и энергетической ценности другие источники кормов, позволит повысить рентабельность также и животноводства.
Работа выполнена в рамках государственного задания ВИР (№ 0662-2018-0005, № 0662-2018-0010, № 0662-2018-0013).
Библиографическая ссылка
Хатефов Э.Б., Аппаев С.П., Коцева А.Р. СОЗДАНИЕ И ОЦЕНКА НОВЫХ ИСТОЧНИКОВ АМИЛОПЕКТИНОВОГО КРАХМАЛА НА ОСНОВЕ ЛИНИЙ ВОСКОВИДНОЙ КУКУРУЗЫ (ZEA MAYS CERATINA) ИЗ КОЛЛЕКЦИИ ВИР // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 1. – С. 57-62;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37037 (дата обращения: 24.11.2024).