Содержание к диссертации
Введение
1.Обзор литературы
1.1. Питательная ценность зерна пшеницы 8
1.2. Селекция пшеницы на качество 10
1.3. Полиморфизм пшеницы по белковым и ДНК - маркерам 17
1.4. Токсичные вещества белкового комплекса пшеницы 22
1.5. Влияние фитогормонов иа продуктивность зерновых культур 28
Глава 2 Объект и методы исследований
2.1. Материал исследований 32
2.2. Место и условия выращивания 3 5
2.3. Биохимические методы исследований
3.4. Результаты исследований
Глава 3. Особенности белкового комплекса семян хемомутантов озимой пшеницы 43
3.1. Идентификация и регистрация сортов озимой пшеницы по белковым маркерам 43
3.2. ДНК- маркеры пшеницы 46
3.3. Содержание сырого протеина в семенах хемомутантов озимой
пшеницы 48
3.4. Фракционный состав белков зерна хемомутантов 51
3.5. Скрининг сортов пшеницы на наличие антипитательных и токсичных веществ белкового комплекса 65
Глава 4. Углеводный комплекс семян хемомутантных сортов озимой пшеницы 76
4.1. Содержание крахмала в семенах хемомутантов озимой пшеницы 76
4.2. Содержание амилозы в крахмале у хемомутантных сортов озимой пшеницы 78
4.3. Содержание Сахаров в зерне пшеницы 84
4.4. Соотношение углеводов и белков в зерне пшеницы 89
Глава 5. Влияние фитогормонов на белково-углеводньга комплекс и качество зерна озимой пшеницы 92
Глава 6. Испытание белковых компонентов из семян пшеницы на биологическую активность 97
6.1. Влияние лектинов на активность ферментов антиоксидантно и системы пшеницы
6.2. Действие токсичных веществ белкового комплекса на жизненную активность взрослых особей Bruchus pisomm L. 100
6.3. Действие лектинов зародыша пшеницы на урожай и устойчивость гороха к биоте 103
Теоретические и экспериментальные предпосылки к использованию химического мутагенеза в биотехнологии пшеницы 105
Выводы 107
Предложения производству 108
Экономическая эффективность 109
Список литературных источников 110
Приложение 130
- Питательная ценность зерна пшеницы
- Идентификация и регистрация сортов озимой пшеницы по белковым маркерам
- Содержание крахмала в семенах хемомутантов озимой пшеницы
- Влияние фитогормонов на белково-углеводньга комплекс и качество зерна озимой пшеницы
- Влияние лектинов на активность ферментов антиоксидантно и системы пшеницы
Введение к работе
Пшеница в Центральных районах России, прежде всего озимая, является основной зерновой культурой. Зерно пшеницы содержит большое количество крайне необходимых для жизни человека высококалорийных веществ, основными из которых являются белки и углеводы.
Технологические свойства зерна пшеницы в значительной степени определяются составом и свойствами запасных белков (характером взаимодействия между полипептидами, образующими клейковину, соотношения в зерновках различных белковых фракций), а также функциональными свойствами крахмала. Основными полисахаридами крахмала являются амилоза и амилопектин. Сорта с высоким содержанием амилозы в крахмале можно рассматривать как сырье для получения пшеничной муки, обеспечиваю идеи производство хлебобулочных изделий с высоким содержанием энзимрезистент-ных крахмалов без использования специальных добавок. Под воздействием ферментов в процессе брожения теста из крахмала образуются сахара и выделяется углекислый газ, что обуславливает пористость и другие характеристики качества хлеба. Без наличия Сахаров в зерне пшеницы и продуктах его переработки, в частности, в муке, невозможно было бы развитие дрожжей и мол очно-кислых бактерий при тестоведении. Поэтому любые воздействия на растения, связанные с изменением синтеза в зерне белков и углеводов, оказывают существенное влияние на технологические свойства зерна.
Достигнутый уровень производства зерна пшеницы не удовлетворяет растущие потребности населения. Важнейшим резервом повышения урожайности и качества зерна пшеницы является создание и внедрение в производство сортов, устойчивых к заболеваниям и неблагоприятным условиям среды. Этого можно достигнуть, используя биотехнологические методы улучшения растений в сочетании с усовершенствованными методами классической селекции.
Одним из эффективных методов биотехнологии, увеличивающих ресурсы селекции сельскохозяйственных растений, является метод индуцирован- ного мутагенеза, позволяющий сдвинуть синтез запасных веществ в нужную для потребителя сторону. Особенно важно при этом установить последействие мутагенеза на стабильность признака в поздних репродукциях.
Сорта, полученные в результате мутагенеза, различаются не только по устойчивости к стрессовым воздействиям, реакции на уровень питания, но и содержанию фитогормонов, чувствительности к экзогенным регуляторам роста (Кефели, 1991). Экзогенные регуляторы роста влияют на физиологические процессы не прямо, а опосредованно, через гормональную систему, изменяя концентрацию отдельных гормонов и их соотношение (Бахтенко и др., 2004). Известно, что в эндогенной регуляции физиолого-биохимических процессов у растений, в частности белково-углеводного обмена, важное место занимают фитогормоны. Как правило, действие гормонов высокоспецифично и поэтому данный процесс можно регулировать путем применения их синтетических аналогов.
Вместе с тем приоритетной задачей биотехнологии является также разработка приемов, повышающих устойчивость растений к вредителям, грибным, бактериальным и вирусным инфекциям. Белковый комплекс зерна пшеницы содержит ряд токсичных и антиалиментарных факторов (ингибиторы гидролаз, лектин зародыша), блокирующих активность пищеварительных ферментов, снижающих питательную ценность зерна, но которые, видимо, принимают участие в защитных механизмах растений. Поэтому препараты, созданные на основе данного класса веществ, могут оказаться полезными в качестве средств защиты растений. Исследование, выделение, очистка и испытание биологической активности новых препаратов является одной из приоритетных задач биотехнологии.
Для разработки технологий получения в промышленных масштабах ингибиторов гидролаз, лектинов зародыша пшеницы необходимо не только выявить перспективные сорта, но и изучить химический состав сопутствующих веществ, рассчитать выход и дать конкретные рекомендации по их использованию. Решение этих проблем позволит дополнить знания в области биохи-
6мий, селекции пшеницы, и будет способствовать дальнейшему повышению * рентабельности сельскохозяйственного производства.
Цель исследований: выявить полиморфизм хемомутантных сортов пшеницы по составу белков и углеводов и установить влияние индуцированного химического мутагенеза на качество зерна пшеницы.
Для выполнения поставленной цели предусматривалось решить следующие задачи;
Провести идентификацию и паспортизацию хемомутантных сортов пшеницы по белковым и ДНК-маркерам.
Провести скрининг хемомутантов пшеницы на фракционный состав белка и связать его с качеством клейковины зерна.
Исследовать углеводный комплекс хемомутантов пшеницы.
4. Выявить антипитательные компоненты белка в зерне хемомутантов пшеницы.
Установить гормональный статус хемомутантов пшеницы и его влияние на бе л ково-углеводный комплекс зерна.
Сформулировать теоретические и экспериментальные предпосылки использования химического мутагенеза в биотехнологии пшеницы,
Научная новизна работы. Впервые проведен скрининг хемомутантных и районированных сортов пшеницы на содержание сырого протеина и фрак-
4f-. ционный состав белков зерна, осуществлена регистрация сортов по белковым и ДНК - маркерам, изучен углеводный комплекс в семенах и проростках, установлены изменения в гормональном балансе растений. Выделены лектины зародыша, ингибиторы протеиназ и амилаз из семян пшеницы, установлен их полипептидный и углеводный состав; испытана их биологическая активность к биоте.
Практическая значимость работы. Составлен электронный каталог хемомутантных сортов озимой пшеницы по белковым и ДНК - маркерам. Дана характеристика питательной ценности зерна пшеницы, выявлены хемому- %' тантные сорта с лучшими показателями качества: Булава, Сибирская нива,
Ботовская 1. Установлено инсектицидное и фунгицидное действие лектина *tv зародыша пшеницы (ЛЗП).
Питательная ценность зерна пшеницы
Пшеница на протяжении тысячелетий является основным продуктом питания многих народов и по валовым сборам занимает первое место в мире среди зерновых культур. В нашей стране пшеница составляет около 50% урожая всех зерновых, зернобобовых и крупяных культур. Ежегодный валовый сбор пищевого белка этой культуры около 12 млн.т, в то время как все продукты животноводства дают только около 6 млн.т.
Многочисленными исследованиями было установлено, что зерно пшеницы содержит большое количество крайне необходимых для жизни человека высококалорийных веществ, основными из которых являются белки и углеводы. Кроме того, в состав зерна входят жиры, витамины, ферменты, клетчатка и минеральные вещества. По данным Б.В.Плешкова (1975), в целом зерне пшеницы содержится 16,1%о белка, 63,1%) крахмала, 2,2% жира, 2,8%о клетчатки, 4,3% сахара, 8,1 % пентозанов и других углеводов , 2,2%о золы.
За счет продуктов из зерна пшеницы человек получает около половины необходимых организму белков и углеводов, 70-80%) витамина Вь значительную часть витаминов РР, Е, В? и Bg, минеральных и других веществ. В белках в небольших количествах содержатся фосфор, железо, цинк, медь. В золе зерна содержится 75-80% фосфора и калия, 11-13%о магния, остальные -кальций, сера, кремний, натрий и другие. Ценность пшеничных продуктов состоит еще и в том, что они хорошо усваиваются организмом (белок на 85%о, углеводы на 96%). Полезны продукты из обойной муки (целого зерна), так как в него переходят зародыш и оболочка зерна, содержащие больше белков, витаминов и минеральных веществ, что улучшает пищеварение.
Качество зерна пшеницы зависит главным образом от содержания и качества белка, его аминокислотного состава и физико-химических свойств. Белки представляют собой высокомолекулярные соединения, в состав которых входят 22 аминокислоты, 9 из которых являются незаменимыми для организма человека и животных. Особенно важны из них лизин, триптофан, метионин (Суднов, 1986).
Отдельные анатомические части зерновки неодинаковы по количественному составу белка. Белок в зерне пшеницы распределяется таким образом: эндосперм - 72%, алейроновый слой - 15%, щиток - 4,5%, оболочка - 4%, зародыш - 3,5% (Shuey, 1960; Wheat: Chemistry and technology, 1971).
Основную часть белковых веществ составляют протеины: альбумины (10-12%), глиадины (40-50%), глобулины (8-10%), глютенины (30-40%). Альбумины и глобулины включают легкорастворимые низкомолекулярные, как правило, функционально активные белки: ферменты, ингибиторы, гликопро-теины, пуротионины, лектины, тионины и др. Наибольший удельный вес среди ферментов имеют амилазы (3-амилаза до 0,5%), расщепляющие крахмал. Аминокислотный состав альбуминов и глобулинов колеблется в сравнительно небольших пределах, Среди легкорастворимых белков особое внимание уделяется так называемому главному альбумину (альбумин А, альбумин В), который беден фенилаланином, гистидином и лишен свободных SH-групп, но очень богат дисульфидными связями (Созинов, 1985).
Основная масса запасных белков накапливается в эндосперме и семядолях и служит источником питательных веществ для прорастающих семян. У пшеницы запасные белки представлены в основном глиадинами и глютени-нами (Конарев, 1980), Их доля в зерне превышает 80%. Они получили название клейковиниых белков, т.к. способны образовывать в воде эластичный нерастворимый «студень» - клейковину, состоящую из сложного комплекса высокомолекулярных белков. Пшеница обладает этим уникальным свойством белкового комплекса в отличие от других культур. Обычно высокобелковые пшеницы содержат 35-40% сырой клейковины, а низкобелковые - 15-20%. Сырая клейковина содержит примерно 2/3 воды и 1/3 сухого вещества (Труфанов, 1994). Распределение клейковины в отдельных частях пшеничного зерна неравномерно. В зародыше, покровных оболочках и алейроновом слое зерна клейковины нет. Вся клейковина находится в эндосперме, причем ее содержание увеличивается от центра эндосперма к периферическим частям. Клейковина является ведущим фактором, определяющим технологические, пищевые и вкусовые достоинства пшеничного хлеба (Bush.uk, 1963; Bloksma, 1975). Глиадин характеризуется очень высоким содержанием глу-тамина и пролина (отсюда и название спирторастворимых белков - пролами-ны), что вместе с наличием в его составе большого числа гидрофобных групп за счет остатков лейцина, изолейцина, валика, фенилаланина и других аминокислот и обуславливает его растворимость в спирте. Глутамин является одним из непременных элементов во многих метаболических процессах, где осуществляется биосинтез аминокислот (Кретович, 1973, 1987). ГТролин также выполняет аналогичную роль (Hertel, 1974). Такой тип белковой молекулы сформировался в процессе эволюции и оказался прекрасно адаптированным для обеспечения азотом и энергией прорастающего зародыша. Глиадины отличаются низким содержанием лизина, аргинина, гистидина, что определяет их низкую пищевую и кормовую ценность (Рядчиков, 1978).
class2 Особенности белкового комплекса семян хемомутантов озимой
пшеницы class2
Идентификация и регистрация сортов озимой пшеницы по белковым маркерам
В семенах зерновых культур содержится примерно 10-26 % пищевого растительного белка. Изучение белков семян имеет особую значимость для решения многих вопросов обеспечения населения полноценными продуктами питания. Качество зерна пшеницы зависит главным образом от содержания и качества белка, его аминокислотного состава и физико-химических свойств. Белки представляют собой высокомолекулярные соединения, в состав которых входят 22 аминокислоты, 9 из которых являются незаменимыми для организма человека и животных. Особенно важны из них лизин, триптофан, метионин (Суднов, 1986).
Основную часть белковых веществ составляют протеины: альбумины (10-12%), глиадины (30-40%), глобулины (8-10%), глютенины (30-40%). Технологические качества зависят, прежде всего, от содержания глиадина и глю-тенина. Ценность их состоит в том, что с участием жиров, углеводов и зольных элементов образуется клейковина, в составе которой они занимают 85-88% (Губанов, Иванов, 1988).
Содержание крахмала в семенах хемомутантов озимой пшеницы
Основную массу (70-78%) зерна пшеницы составляют углеводы. Они являются главным продуктом фотосинтеза, служат основным двгхательным субстратом, формой запасания и транспорта углерода, обуславливают устой-чивоств растений к низким температурам и другим неблагоприятным условиям существования,
В зерне пшеницы углеводы в основном представлены крахмалом, который составляет в зерне пшеницы в среднем 54%, при колебаниях от 48 до 63%. Направленность процесса отложения крахмала у всех злаковых одинакова - неуклонное повышение содержания крахмала с момента образования и до полного созревания семян. Особенно интенсивно накопление крахмала в период созревания семян. Одновременно с накоплением крахмала у большинства злаков происходит уменьшение содержания всех форм Сахаров, часть которых тратится на дыхание, а большая превращается в крахмал (Иванов, 1948). Количество же сахарозы может оставаться высоким на всех стадиях созревания зерна (у кукурузы).
Функциональные свойства крахмала и качество продуктов, получаемых на их основе, зависят от соотношения основных полисахаридов крахмала (амилозы и амилопектина), так как именно оно наряду с другими характеристиками крахмала определяет пути его использования в различных отраслях хозяйства (Zobel, 1988).
Влияние фитогормонов на белково-углеводньга комплекс и качество зерна озимой пшеницы
Известно, что в эндогенной регуляции физиолога-биохимических процессов у растений, в частности белково-углеводного обмена, важное место занимают фитогормоны. Как правило, действие гормонов высокоспецифично и поэтому данный процесс можно регулировать путем применения синтетических регуляторов роста - аналогов фитогормонов.
Результаты твердофазного иммуноферментного анализа показали, что сорта пшеницы Московская 39, Булава, Крестьянка существенно различаются по содержанию эндогенных фитогормонов (ИУК, зеатин, АБК). Так, уровень ауксина у сорта озимой пшеницы Московская 39 превышал таковой у сорта пшеницы Булава и яровой пшеницы Крестьянка (в 15,8; 35,5 раз, соответственно). Количество эндогенных цитокининов (зеатин) и АБК у сорта Крестьянка в 6-7 раз превышало уровень гормонов у сорта Булава.
Обработка ИУК сортов озимой и яровой пшеницы вызвала разную физиологическую реакцию в содержание эндогенных гормонов (табл.5).
Влияние лектинов на активность ферментов антиоксидантно и системы пшеницы
В лабораторных условиях нами были проведены испытания лектинов зародыша пшеницы на тест- систему растений. Семена пшеницы сорта Ми-роиовская 808 обработаны лектинами в концентрации 10" и 10" %. Контрольные семена замачивались в дистиллированной воде. В качестве второго контроля использовался промышленный препарат эиин. Оценку влияния лектинов на ростовые процессы пшеницы проводили визуально. Измерения активности окислительных ферментов пероксидазы и каталазы проводили в корнях и наземной части растений пшеницы - с 4-х по 6-е сутки (до фазы выхода в трубки).
При визуальном наблюдении за ростом проростков пшеницы установлено, что промышленный препарат эпин и лектин зародыша пшеницы (с концентрацией белка 10" и 10" %) одинаково активно усиливали ростовые процессы в растениях пшеницы (рис.49). Это проявлялось в усиленном росте наземной части проростков и более развитой корневой системе. При этом контрольные растения (вода) отставали в росте и развитии корней от описанных выше вариантов.
Похожие диссертации на Белково-углеводный комплекс хемомутантов и формирование качества зерна пшеницы
