Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 8
1.1. Создание, морфобиологические особенности и селекционная ценность морщинистого гороха и линии Амиус 8
1.2. Биохимические особенности белково-углеводного комплекса семян гороха 14
1.3. Физико-химические свойства крахмала семян гороха 22
1.4. Гликемические и резистентные крахмалы и их пищевые достоинства 27
2. Место, условия, материал и методика проведения исследований 36
2.1. Место, условия и материал исследований 36
2.2. Методы исследований 42
3. Биохимические особенности накопления углеводов и белка в семенах гороха 49
3.1. Изменчивость содержания крахмала в семенах гороха 49
3.2. Изменчивость содержания амилозы в семенах гороха 52
3.3. Изменчивость содержания общих Сахаров в семенах гороха 55
3.4. Изменчивость содержания белка в семенах гороха 56
3.5. Взаимосвязь между биохимическими показателями гороха 59
3.6. Динамика накопления крахмала, амилозы и водосолерастворимого белка в процессе созревания семян гороха 61
3.6.1. Динамика накопления крахмала в процессе созревания семян гороха 61
3.6.2. Динамика накопления амилозы в процессе созревания семян гороха 64
3.6.3. Динамика накопления водосолерастворимого белка и его фракций семян гороха в процессе созревания 67
4. Характеристика образцов гороха по хозяйственно ценным признакам 73
5. Физико-химические свойства крахмала семян гороха 82
5.1. Структурная характеристика крахмальных гранул различных мор-фотипов гороха 82
5.2. Термодинамические свойства крахмала гороха высокоамилозных образцов 86
5.3. Исследование высокоамилозного крахмала гороха безлисточкового морфотипа на проявление им энзимрезистентных свойств 90
6. Сравнительная экономическая эффективность гороха по белково-углеводному комплексу 94
Выводы 99
Практические рекомендации 100
Список литературы 101
Приложение 118
- Биохимические особенности белково-углеводного комплекса семян гороха
- Изменчивость содержания амилозы в семенах гороха
- Характеристика образцов гороха по хозяйственно ценным признакам
- Термодинамические свойства крахмала гороха высокоамилозных образцов
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время производство крахмала и крахмалопродуктов в мире непрерывно возрастает и занимает одно из ведущих мест в экономике развитых стран. В отличие от полимеров, получаемых из природного не возобновляемого сырья - нефти и газа, крахмал является ежегодно возобновляемым биоразрушающимся полимером, который широко используется для производства упаковочных материалов и посуды разового использования (Юрьев В.П. и др., 1991; Жушман А.И., Андреев Н.Р. и др., 1999).
Мировое производство крахмала неуклонно растет за счет переработки традиционных видов крахмалосодержащего сырья: кукурузы, кассавы, пшеницы, тапиоки, картофеля. Из зернобобовых видов крахмалсодержащих культур наиболее распространен горох. В последние годы интерес к гороховому крахмалу, особенно генотипов с морщинистыми семенами, объясняется высоким содержанием в нем линейного полимера - амилозы. Возможность образования энзимрезистентных крахмалов зависит от содержания амилозы в нативных крахмалах. Другими словами, a priori можно прогнозировать, что чем больше содержание амилозы в нативных крахмалах, тем выше будет доля резистентных крахмалов, содержащихся в них, или полученных при обработке. Таким образом, резистентные крахмалы главным образом образуются из высокоамилозных крахмалов. Резистентный крахмал определяется как «крахмал и продукты его деградации, не абсорбируемые в тонком кишечнике здоровых людей». Из самого определения резистентного крахмала следует, что такой крахмал недоступен для ферментации в тонком кишечнике. Однако, попадая в толстый кишечник и прямую кишку, он становятся доступным для ферментации присутствующими здесь бактериями и переваривается с образованием короткоцепных жирных кислот, углекислоты, водорода и метана. Таким образом, его физиологическая функциональность подобна функциональности пищевых волокон из различных источников. Кроме того, резистентные крахмалы оказывают влияние на липидный и глюкозный метабо 5 лизмы, снижая уровень глюкозы в крови и, соответственно, понижая глике-мическую нагрузку на организм и способствуют снижению веса. В целом резистентные крахмалы относятся к классу пребиотиков, являясь субстратом для микрофлоры желудочно-кишечного тракта (Юрьев В.П. и др., 2005).
В связи с этим основной научной проблемой является селекция крах-малоносов и прогнозирование влияния генетических изменений на функциональные свойства крахмалов. Селекция отдельных сортов крахмалоносов базируется на систематизации знаний в области синтеза полисахаридов и образовании зерен крахмала с заданными параметрами. Однако задачи создания новых форм гороха, приспособленных для современного сельскохозяйственного производства, которые отличаются устойчивостью к полеганию, равномерным созреванием бобов и высоким потенциалом семенной и биологической продуктивности остаются по-прежнему актуальными. В этой связи на базе Государственного научного учреждения Всероссийского научно-исследовательского института зернобобовых и крупяных культур Российской академии сельскохозяйственных наук интенсивно ведется селекция гороха на высокое содержание амилозы в крахмале семян. В настоящее время доктором сельскохозяйственных наук Анатолием Николаевичем Зеленовым получены принципиально новые линии гороха, названные Амиусами (амилозные усатые формы гороха).
Таким образом, широкое использование крахмала как основного углевода в питании человека, как природного возобновляемого полимера для технических целей, вовлечение в промышленную переработку новых видов крахмалосодержащего сырья, получение крахмала с заданными свойствами, требует научного подхода к исследованию составляющих этого производства, в том числе, структуры крахмала, определяющую его функциональные свойства, биохимический анализ крахмалосодержащего сырья (Андреев Н.Р., 2001). А содержание ценного полимера - амилозы в крахмале можно повысить путем целенаправленной селекции. Цель и задачи исследований.
Цель работы — изучить физиологические и биохимические особенности накопления полисахаридов и белков в семенах различных морфотипов гороха с морщинистыми семенами и выявить энзимрезистентные свойства высокоамилозных образцов.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Провести оценку семян сортообразцов гороха листочкового и безлисточкового морфотипа на содержание крахмала и амилозы.
2. Изучить динамику накопления крахмала и амилозы в семенах гороха.
3. Исследовать выделенные образцы на содержание белка и его фракционный состав в процессе созревания семян.
4. Изучить продуктивность различных морфотипов с морщинистыми семенами Pisum sativum L.
5. Исследовать структуру крахмальных гранул и их термодинамические параметры.
6. Выявить энзимрезистентные свойства высокоамилозного крахмала гороха.
7. Дать оценку экономической эффективности возделывания высокоамилозного гороха.
Научная новизна работы. Впервые выделен нативный крахмал из новых высокоамилозных линий безлисточкового морфотипа гороха с морщинистыми семенами Амиус. Установлена закономерность накопления белка и его фракционного состава, крахмала и амилозы в семенах гороха безлисточкового морфотипа в процессе созревания. Впервые исследованы морфология, термодинамические свойства крахмальных гранул высокоамилозных образцов. Установлено, что крахмал, выделенный из семян линии морщинистого гороха Амиус, проявляет энзимрезистентные свойства. Впервые на основе физиологических и биохимических особенностей накопления белков и углеводов безлисточковых и листочковых морфотипов гороха с морщинистыми сменами определены образцы, которые могут служить источником энзимрезистентного крахмала и материалом для селекционной работы, направленной на высокое содержание амилозы в крахмале семян.
Практическая значимость работы. Выявлены физиологические и биохимические особенности накопления белков и углеводов новых линий гороха безлисточкового морфотипа с морщинистыми семенами Амиус. Доказана селекционная ценность данного морфотипа. Установлено, что новые линии гороха Амиус можно использовать в селекции на получение сортов с повышенным содержанием амилозы в крахмале семян. Выделены сортообразцы, крахмал которых обладает энзимрезистентными свойствами и может служить коммерческим препаратом, который используется в диетическом питании, в фармакологии, изготовлении биоразрушагащихся полимеров (пластмассы, одноразовой посуды). Показана экономическая целесообразность возделывания безлисточковых линий Амиус для агропромышленного производства.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены на научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов «Биологические основы современной агрономии» (Орел, 2005), на региональной научно-практической конференции «Вклад молодых ученых в реализацию приоритетных направлений развития АПК» (Орел, 2007), на Международной конференции по крахмалу (Москва, 2007).
Публикация результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе две работы в журналах, рецензируемых ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 127 страницах и состоит из введения, 6 глав, выводов и практических рекомендаций, списка литературы, включившего 157 наименований, в том числе 59 на иностранных языках. Диссертация иллюстрирована 19 таблицами и 11 рисунками. Приложений - 9.
Биохимические особенности белково-углеводного комплекса семян гороха
Бобовые культуры возделываются с давних пор благодаря высокому содержанию в них белка и углеводов. Основной зернобобовой культурой в России был, есть и остается горох. В его зерне в зависимости от сорта и условий выращивания содержится 9...15%) воды, 18...35% белка, 46...60% без азотистых экстрактивных веществ, в том числе 20-50%) крахмала, 4...10%) Сахаров, 0,6...1,5%) жира, 2-10%) клетчатки, 2...4% золы. Сравнительно много в зерне минеральных веществ (особенно железа), микроэлементов и витаминов - А, В], В2, РР, Вб, в зародышах семян - Е, в прорастающих семенах - С, богаты витаминами незрелые семена (зеленый горошек) (Павловская Н.Е. и др., 2003).
В белковый комплекс семян гороха входят запасные, структурные и функциональные белки, включая ферменты, их ингибиторы, сложные протеиды и другие компоненты.
Когда речь идет об управлении качеством белка в семенах гороха, то фактически говорят об управлении образованием и накоплением запасных белков. Содержание протеина в семенах подвержено большой изменчивости как под влиянием условий выращивания (модификационная изменчивость), так и в зависимости от сортовых, т. е. наследственных особенностей (геноти-пическая изменчивость). Знание физиолого-биохимических механизмов реализации изменчивости признаков качества белка позволит оценить возможности не только повышения содержания белка в семенах, но и изменения его состава как с помощью регулирования условий выращивания, так и селекционным путем.
Генофонд гороха по содержанию белка изучен как в видовом, так и в сортовом разрезе (Бенкен И.И., Воскресенская В.В., 1976; Зеленская Н.Н., 1978; Макашева Р.Х., 1979; Груздев Л.Г. и др., 1981; Rapi J., Zlamal P., 1982 и др.). По мнению различных авторов, содержание белка в семенах гороха, колеблется в пределах от 20,0 до 35,7%. По данным Госкомиссии по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур количество белка в семенах гороха колеблется от 15,6 до 33,9%. В исследованиях В.Г. Конарева (1981) размах по количеству белка между образцами составил 19,2...29,6%. В работах J. Rapi, P. Zlamal (1982) указывается на изменения содержания белка в семенах гороха в пределах от 25,2 до 36,2%). Также упоминается о существовании форм гороха с содержанием белка в семенах до 36,0% (Павловская Н.Е. и др., 2003). По мнению Л.И. Мусориной (1987), такое варьирование показателей зависит, прежде всего, от генетических особенностей сортов, которые определяют белковость семян на 46% . Оставшиеся 54% приходятся на долю других факторов.
По мнению одних авторов, засушливые условия приводят к резкому снижению уровня протеина (Антонова Г.А., 1974; Неклюдов Б.М., Антонова Г.А., 1976), обусловленного нарушением синтеза белка (Долгополова Л.Н., 1978). Другие авторы отмечают, что повышенная температура и пониженная влажность способствуют увеличению содержания белка (Смирнова-Иконникова М.И., 1962; Хангильдин В.Х. и др., 1989). Таким образом, в значительной степени выраженность признака зависит от метеорологических условий в период вегетации растений, температуры воздуха и влажности почвы (Тарыца И.В., 1976, Путинцев А.Ф. и др., 1977; Канадаков Н.В., 1983; Matthews P., Arthur Е., 1985).
Несмотря на довольно большие сортовые различия по реакции на сезонные изменения в отдельные годы выращивания, наибольший диапазон изменчивости в накоплении белка у сортов гороха наблюдается под влиянием географического фактора. Исследованиями А.Ф. Путинцева с соавторами (1978) установлено, что географические условия возделывания растений позволяют выявить реакцию генотипа на условия окружающей среды и степень пластичности отдельных биохимических свойств. Под действием условий места репродукции количество белка в семенах одного и того же сорта может колебаться в пределах от 19,4 до 31,4%. Одним из основных внешних факторов, от которого зависит содержание белка в зерне, по мнению некоторых исследователей, является обеспеченность растений азотом, калием и фосфором. Л.Н. Гнетиева (1975) и Л.К. Шевелева (1976) в своих работах приходят к выводу о том, что наиболее высокое накопление протеина происходит при внесении полного минерального удобрения.
Хангильдиным В.В. и Хангильдиной И.С. (1966) установлено, что на накопление протеина в семенах гороха негативно влияет ген-ингибитор /, который блокирует хлорофилловую пигментацию семядолей. У круглосемян-ных сортов процент белка ниже (27,5%), чем у мозговых (29,9%) (Cousin R., 1983). В работах некоторых авторов выявлена положительная связь между накоплением в листьях хлорофилла и повышенным содержанием протеина (ФединП.Е., Святова Л.Н., 1971; Singh Sudagara, Ghai B.S., 1984).
Работа селекционеров не ограничивается только созданием высокобелковых сортов гороха. Не менее важным является изучение фракционного состава белка, поскольку эти исследования дают представление об аминокислотном составе белкового комплекса.
Питательную ценность белка предопределяет не столько его количественное содержание, сколько соотношение белковых фракций и аминокислот, а также степень этого соотношения со стандартом — белком куриного яйца или стандарта ФАО. В 1 г стандартного белка содержится 55 мг лизина, 40 мг треонина, 35 мг метионина+цистина, 70 мг изолейцина, 50 мг валина, 60 мг фенилаланина+тирозина, 10 мг триптофана (Шевелуха B.C. и др., 1998).
Аминокислоты входят в состав белков органов и тканей, оказывают влияние на гормональную и ферментативную деятельность, содействуют нормализации водного режима, входят в состав антител и антитоксинов. Нарушение соотношения аминокислот - инбаланс, приводит к нарушению определенных физиологических функций и рост животных организмов замедляется. Поэтому качество растительных белков определяется соотношением белковых фракций и сбалансированностью их по аминокислотному составу. Белки семян гороха состоят из водорастворимой (76-83%), щелочераствори-мой (8-10%) и остаточных фракций. Наибольшее количество незаменимых аминокислот сосредоточено в водосолерастворимой фракции (Павловская Н.Е. и др., 2003). Первые представлены альбуминами и являются энзимами, вторые относятся к запасным белкам типа глобулинов (вицилины и легуми-ны). В белках третьей фракции преобладают конституционные белки.
По данным, приведенным Н.Е. Павловской и соавторов (2003), содержание фракций белка у различных сортов и мутантов гороха колеблется по альбумину от 8 до 21,5%), по глобулину - от 58,6 до 76,6%, глютелину - от 10,0 до 19,8%. По мнению многих авторов (Конарев В.Г., 1975; Володин В.И., 1981; Конарев В.Г. и др., 1993; Muntz К., 1984), на долю глобулинов приходится до 80,0% от общего белка. Содержание легуминов колеблется от 25 до 75% (Thomson J.А., 1975), тогда как вицилины встречаются в значительно меньших количествах - в среднем 8% от общего количества белка (Смирнова О.Г. и др., 1985).
Установлено, что компоненты белковых фракций идентичны по аминокислотному составу, т. е. в каждой из них присутствуют заменимые и незаменимые аминокислоты (Вайнтрауб И.А., Шварц B.C., 1969; Володин В.И. и др., 1983; Конарев В.Г. и др., 1993). Однако по количественному содержанию отдельных аминокислот они различаются. Для альбуминов характерно более высокое содержание метионина и цистеина, а также треонина, глицина, ала-нина, валина и лизина, при меньшем содержании глутаминовой кислоты, лейцина и аргинина (Черненькая Р.Ф., 1981; Hurich J. et al., 1977; Murray D.R., 1979). Глобулины содержат больше незаменимых аминокислот. Согласно исследованиям О.С. Королевой с соавторами (1991), их количество колеблется от 24,15 до 31,19%. Вместе с тем уровень содержания триптофана и метионина в этой фракции значительно ниже, чем в альбуминах (Вайнтрауб И.А., Шварц B.C., 1969; Темина А.В., 1978).
Изменчивость содержания амилозы в семенах гороха
Большое внимание, уделяемое в последнее время крахмалу из гороха в Европе, связано с высоким содержанием амилозы в некоторых сортах, особенно с морщинистыми семенами. Однако исследованиям ее содержания в сортах гороха до сих пор уделяется недостаточно внимания. Важнейшим показателем качества крахмала является количество амилозы, данные которой представлены в таблице 3.
Результаты исследований показали, что накопление амилозы в семенах морщинистого гороха колебалось в довольно широких пределах в зависимости от погодно-климатических условий в период вегетации (таблица 3). Проведенный в 2004...2006 гг. анализ сортообразцов морщинистого гороха на содержание амилозы в крахмале показал, что в благоприятных погодных условиях выращивания они способны накапливать в семенах от 64,5 до 74,5% амилозы. В 2004 году варьирование по образцам составило от 64,5 до 74,5%, в 2005 году - от 65,0 до 71,9% и в 2006 году - от 62,5 до 72,5%. Максимальные различия по количеству амилозы в крахмале между образцами в 2004...2006 гг. составили 10,0, 6,9, 10,0%, соответственно. Представленные данные показывают, что накопление амилозы в крахмале семян морщинистого гороха относительно устойчиво проходило в условиях выращивания 2005 года.
Анализ полученных результатов показывает, что содержание амилозы в 2004 году в крахмале изучаемых сортов и линий морщинистого гороха колеблется в пределах 64,5...74,5%. Наибольшим количеством амилозы отличилась линия Амиус 1241 (74,5%).
В условиях 2005 года линии Амиус 99-1245, Амиус 98-891, сорта Вега, Эрика, Изумруд накопили больше амилозы, чем в условиях выращивания предыдущего года. На уровне стандартного сорта Изумруд (65,6%) находятся сорта Вера (65,5%), Альфа (65,5%), линии Амиус 1241 (65,5%), Амиус 99-1245 (65,0%). Линия Амиус 98-891 содержит наибольшее количество амилозы в крахмале семян равное 71,9%, что на 6,3% выше стандарта. Выявлено, что сорт Глориоза обладает меньшим количеством амилозы и уступает стандарту на 3,1%.
В 2006 году содержание полисахарида находилось в пределах 62,5...72,5%. Стандартный сорт Изумруд отличился самым низким накоплением амилозы - 62,5%. Такое же количество амилозы (62,5%) содержит сорт Вера. Выявлены образцы, существенно превышающие по данному показателю стандарт. Линии Амиус 1241, Амиус 99-1245, Амиус 98-891, сорта Вега, Эрика, Альфа, Глориоза превзошли стандарт на 6,1, 5,0, 10, 5,7, 3,0, 4,0, 5,5%, соответственно. В 2006 году по содержанию амилозы в крахмале, как и в 2005 году можно выделить линию Амиус 98-891 (72,5 %). В среднем за три года стандартный сорт Изумруд оказался ниже по количеству линейного полимера всех изучаемых сортообразцов морщинистого гороха.
Линия Амиус 1241 в условиях 2005 года накопила 74,5% амилозы, что является наибольшим показателем за изучаемый период. Однако линия Амиус 98-891 стабильно по трем годам накапливала амилозу и в среднем оказалась выше данных сортов и линий гороха с морщинистыми семенами.
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что среди исследованных образцов морщинистого гороха можно выделить те, в семенах которых накопление амилозы сохраняется на достаточно высоком уровне по отношению к стандартному сорту в различные по погодным условиям периоды выращивания. По содержанию амилозы в крахмале семян существенно превышала стандарт на протяжении трех лет линия Амиус 98-891.
Можно отметить, что линии Амиус не уступают районированным сортам морщинистого гороха по содержанию крахмала в семенах и амилозы в крахмале и являются ценным селекционным материалом. Сахара являются продуктами фотосинтеза, поэтому важно учитывать при селекции на амилозу способность растений накапливать углеводы. Нами исследовано содержание простых углеводов (моносахаридов и дисахаридов) в условиях 2005 и 2006 гг. выращивания. Исследованиями установлено, что за период вегетации (2005-2006 гг.) морщинистого гороха содержание Сахаров колеблется в пределах от 5,0 до 8,2 мг/г (таблица 4). В 2005 году варьирование по образцам составило от 5,0 до 8,2мг/г и в 2006 году - от 6,0 до 7,8 мг/г. Максимальные различия по содержанию белка между образцами в 2005-2006 гг. составили 3,2 и 1,8 мг/г, соответственно. Представленные данные показывают, что накопление моно и дисахаридов в семенах морщинистого гороха относительно устойчиво проходило в условиях выращивания 2006 года.
В условиях 2005 года количество Сахаров в сортах и линиях гороха колеблется от 5,0 до 8,2 мг/г. Наибольшее содержание моно- и дисахаридов наблюдалось в сортах Эрика (8,2 мг/г) Глориоза (8,0 мг/г), Вера (7,7 мг/г). Они превзошли стандартный сорт Изумруд (6,5 мг/г) на 1,7, 1,5 и 1,2 мг/г соответственно. Линии Амиус 1241, Амиус 99-1245, накопившие 6,8, 6,7 мг/г ди- и моносахаридов выше стандарта на 0,3, 0,2 мг/г. Линия Амиус 98-891 (5,0 мг/г) отличается наименьшим содержанием углеводов. В вегетационных условиях 2006 года количество моно- и дисахаридов находится в пределах 6,0...7,8 мг/г. Линии Амиус 1241, Амиус 99-1245 и Амиус 98-891 накопили больше простых Сахаров, чем в условиях вегетации 2005 года, что составило 6,0, 7,2 и 6,8 мг/г соответственно. Стандартный сорт Изумруд (6,4 мг/г) превзошли линии Амиус 99-1245 и Амиус 98-891 на 0,8 и 0,4 мг/г. Линия Амиус 1241 (6,0 мг/г) по данному показателю уступает стандарту на 0,4 мг/г. Сорта Вера (7,7 мг/г) и Глориоза (7,8 мг/г), как и в 2005 году, выделяются наибольшим количеством моно- и дисахаридов, превышая стандарт на 1,3, 1,4 мг/г соответственно. Таким образом, морщинистые сорта гороха листочкового морфотипа накапливают большее количество моно- и дисахаридов, чем линии с усатым типом листа.
Характеристика образцов гороха по хозяйственно ценным признакам
Успех селекции гороха и других культур на высокое содержание амилозы во многом зависит от исходного материала для скрещивания. Это могут быть местные сорта, линии, образцы и формы различного происхождения.
Создание новых сортов морщинистого гороха, обладающих комплексом хозяйственно полезных признаков, требует изучения исходного материала, в данном случае новых линий Амиус (рис. 9, 10), созданных во ВНИИ зернобобовых и крупяных культур, и сравнение их с районированными сортами гороха. Продуктивность данной культуры складывается из отдельных элементов структуры урожая: числа бобов, семян на растении; числа семян в бобе; массы 1000 семян. Степень их проявления зависит в значительной мере от метеорологических условий.
В 2005...2006 гг. проведено изучение сортов и линий морщинистого гороха по основным хозяйственно полезным признакам и выделены перспективные для селекции сортообразцы. Одними из основных элементов структуры урожая гороха является число продуктивных узлов и бобов на продуктивный узел. В 2005 году по числу продуктивных узлов выделяются линии Амиус 1241 и Амиус 98-891, которые превысили стандарт на 1,1 и 0,6 узел, а также сорта Вега и Глориоза, превышающие стандартный сорт Изумруд на 0,6 и 2 продуктивный узел (таблица 7). В 2006 году среди изученных образцов наибольшим количеством продуктивных узлов на растении отличаются Глориоза и Вера (6,8) и Амиус 1241 (6,2). Минимальное значение было у линии Амиус 99-1245 (5,0) и сорта Изумруд (4,9). Причем, в 2006 году все сортообразцы превысили стандартный сорт Изумруд на 0,1... 1,9 продуктивных узлов.
Выраженность признака число бобов на продуктивный узел в 2005 году была ниже, чем в 2006 году (таблица 7). Стандарт в 2005 году превышают по числу семян в бобе линии Амиус 1241, Амиус 99-1245, Амиус 98-891 на ОД. Остальные сорта находятся практически на одном уровне со стандартом. В 2006 году число бобов на продуктивный узел находится в пределах 1,19...1,86. По данному признаку отличились линии Амиус 1241 (1,65) и Амиус 98-891 (1,60), но сорт Изумруд (1,86) данные линии не превзошли. Наименьшим числом продуктивных узлов обладает сорт Эрика (1,19).
При разработке модели сорта важно учитывать число семян в бобе. Установлено, что признак слабо коррелирует с продуктивностью и является генетически стабильным. Однако с увеличением озерненности бобов продуктивность растений снижается из-за невыполненности и низкой массы 1000 семян.
По числу семян в бобе у гороха в изученных сортообразцах больших различий не выявлено (таблица 7). У большинства растений встречаются пяти-, шестисемянные бобы. Бобы с тремя, четырьмя семенами встречаются редко. Признак масса тысячи семян является важным компонентом продуктивности и характеризует продовольственное достоинство сорта (таблица 8). В 2005 году среди линий и сортов морщинистого гороха по массе тысячи семян отличились линии Амиус 1241, Амиус 99-1245. Они превзошли стандартный сорт Изумруд на 2,76 г и 12,25 г. В 2006 году масса тысячи семян у растений гороха была более высокой, чем в 2005 году. Это можно объяснить тем, что условия 2006 года были более благоприятны для растений гороха. В 2006 году масса 1000 семян колебалась от 146,84 до 223,66 г. Наиболее крупносеменными среди изученных сортообразцов и линий оказались Альфа (223,66 г), Эрика (206,23 г) и Амиус 1241 (211,78 г), они превзошли стандарт соответственно на 24,91 г, 7,48 г и 13,03 г; мелкосеменными Вера (151,84 г), Амиус 99-1245 (146,84 г).
Одной из результирующих величин, определяющих урожайность сорта, является признак масса семян с растения (таблица 8). Именно на него селекционер чаще всего обращает внимание при отборе элитных растений. В 2005 году стандартный сорт превзошли сорта Глориоза и Вега на 1,58 г и 1,98 г соответственно. Линии Амиус по семенной продуктивности ниже стандарта (4,58 г). Наибольшей семенной продуктивностью в 2006 году отличились сорта Вега (10,60 г), Изумруд (10,55 г), Глориоза (10,50 г); наименьшей линии Амиус 99-1245 (5,39 г), Амиус 98-891 (6,27 г). Значение признака у стандартного сорта Изумруд составило в среднем 10,55 г. Лишь сорт Вега превзошел стандарт.
В 2005 году показатель уборочного индекса колеблется от 25,59% до 49,43% (таблица 9). Стандартный сорт Изумруд (37,5%) превзошли сорта Глориоза (49,43%), Вега (48,73%), Вера (47,81%), Альфа (45,83%). Линии Амиус находятся на уровне со стандартом, уступая Изумруду на 2...3%. Показатель уборочного индекса в 2006 году колеблется от 37,75% до 54,28%. Листочковые морфотипы Эрика, Изумруд (рис. 11), Глориоза обладают долей семян в общей биомассе растений свыше 48%), а безлисточковые линии Амиусы (рис. 10) имеют наименьшую величину (37,5...44,75%) уборочного индекса. Стандарт Изумруд в 2006 году превзошел только сорт Альфа на 5,5%, остальные сорта и линии морщинистого гороха находятся на уровне стандартного сорта.
Известно, что функциональные свойства крахмалов зависят от крах-малсодержащих культур и определяют использование его в различных отраслях промышленности (Kerr R.W., 1950). Технологические же свойства таких сортов в значительной мере определяются их анатомическим строением и химическим составом. В связи с этим основной научной проблемой является селекция крахмалсодержащих культур и прогнозирование влияния генетических изменений на функциональные свойства крахмалов. Oscarson М. и др. (1997) считают, что селекция отдельных сортов базируется на систематизации знаний в области синтеза полисахаридов и образовании зерен крахмала с заданными свойствами.
В настоящее время, еще недостаточно изучены механизмы, регулирующие образование крахмала, генетические и биохимические факторы, контролирующие число, размер, форму и состав крахмальных гранул. Вместе с тем выявление взаимосвязей между формированием крахмальных гранул и их физико-химическими свойствами даст возможность развивать биотехнологические приемы манипулирования синтезом крахмала и экспрессией генов, отвечающих за его синтез.
Термодинамические свойства крахмала гороха высокоамилозных образцов
С физико-химической точки зрения, не все крахмалы, содержащие более 33% амилозы можно отнести к классу высокоамилозных. При увеличении содержания амилозы, только крахмал, у которого произошли значительные структурные и (или) термодинамические изменения можно считать новым классом химических веществ. С этой точки зрения, только крахмал гороха и кукурузы, содержащий больше 50% амилозы можно отнести к высо-коамилозному, так как у этого крахмала наблюдается значительные изменения в кристаллической полиморфной структуре, в размерах кристаллической пластинки, температурах плавления порядковых крахмальных структур, а также асимметрия калориметрических пиков (Zobel H.F., 1988; Jenkins P.J., Donald A.M., 1995; Gerard G. et al., 1999; Kozhevnikov G.O. et al., 2001; Mat-veev Yu.L. et al., 2001; Yuryev V. P., Wasserman, L. A., 2003). С другой стороны, для пшеницы и ячменя, содержащих приблизительно 40...45% амилозы, собирание макромолекул крахмала в кристаллическую клеточную единицу, размеры кристаллической ламели, симметрия дифференциальной сканирующей калориметрии остаются без изменений по сравнению с нормальными крахмалами и можно наблюдать только незначительные изменения в температурах плавления.
Подходы к высокоамилозному крахмалу, описывающие структурную организацию амилопектиновых узлов, строение макромолекулярных цепочек в кристаллах и их термодинамическое поведение при плавлении, являются очень противоречивыми. Вследствие комплексной организации таких типов крахмала следует, что прямое применение существующей информации для описания структуры и характеристик новых полученных крахмалов не всегда является правильным.
Структурные и термодинамические свойства крахмала высокоамилоз-ного морщинистого гороха (Изумруд, Эрика) сравнивали со свойствами крахмала зернового гороха Орловчанин (таблица 13). Процесс плавления вы-сокоамилозного крахмала рассматривали как независимое плавление различных кристаллических полиморфных структур.
В исследуемых крахмалах с уменьшением содержания амилозы наблюдается уменьшение температуры плавления кристаллической ламели, а значение энтальпии плавления кристаллической ламели увеличивается. Так у Орловчанина при содержании амилозы 27,5%, у Эрики 65,5% и у Изумруда 62,5% значение температуры плавления (Тт, К) - 340,5, 344,3, 343,4; интервал плавления (АТт, К) - 13,3, 42,0, 39,2 соответственно; энтальпия плавления кристаллической ламели (ДНтсхр) - 2,9, 0,59, 1,0. Снижение энтальпии плавления для изученных крахмалов могло происходить из-за снижения кристалличности крахмала. Увеличение Тт температуры плавления кристаллической ламели могло быть связано с трансформацией кристаллического строения С-типа (А+В) у крахмала обыкновенного гладкозерного гороха в строение В- и Vf, - типа у крахмалов высокоамилозного морщинистого гороха. Повышенные температуры плавления для высокоамилозного крахмала могут быть не только из-за формирования кристаллов амилозы внутри кристаллической ламели, с увеличенной толщиной, но и с идентичным образцом рассеяния, как полиморф кристалла В-типа (обозначено как В -тип), кроме обычных кристаллов амилопектина (обозначенных как В-тип). В соответствии с предыдущими исследованиями, в этом случае обычно наблюдаются широкие и асимметричные калориметрические пики для высокоамилозных крахмалов (Приложение 9).
Принимая во внимание ярко выраженную асимметрию калориметрических пиков и допуская, что процесс плавления для различных структур, содержащихся в высокоамилозном крахмале (В-, В - и V-типов) является независимым, для описания процесса плавления изучаемого высокоамилозного крахмала может быть использована процедура деконволюции для асимметричных калориметрических пиков. Следующее было обсуждено во время анализа: - температуры плавления амилопектиновых кристаллов у обычных крахмалов и кристаллы амилопектина В-типа у высокоамилозных крахмалов похожи, - средняя температура плавления амилопектиновых кристаллов для гладкозерного гороха, ( включая изучаемый генотип) равна 336,1 К, - средняя температура плавления у кристаллов Vh - типа у высокоамилозного крахмала гороха равна 368 К. Применение процедуры деконволюции показало, что процесс плавления изучаемого крахмала из высокоамилозного морщинистого гороха можно представить как плавление трех независимых структур В-, В - и V-типов. Температуры плавления и энтальпия плавления структур В-, В - и V-типов показаны на таблице 14. Относительное содержание структур В-, В - и V-типов равно 46,6, 46,4 и 7% для сорта Эрика и 13,7, 83,4 и 2,9% для сорта Изумруд, соответственно.
В результате исследований, полученная толщина кристаллической ламели для крахмалов обычного гладкозерного гороха (Lcrimpea=4,4 нм) находится в тесном соответствии со значениями для других крахмалов гладкозерного гороха, изученных ранее. Для крахмалов высокоамилозного морщинистого гороха определение параметров LCI-IB дает среднюю величину 10,0±0,7 нм, что также соответствует данным для других крахмалов морщинистого гороха. Кристаллы с такой толщиной могут быть составлены из двойных ами-лозных спиралей, формируемых амилозными цепочками, в то время как их содержание в амилопектиновых узлах достигает критического значения.
