М.К. Ахтариева, Л.С. Бондаренко, О.В. Акиншина, В.П. Нецветаев
Тюменская ГСХА, Белгородский научноисследовательский институт сельского хозяйства, Белгородский государственный национальный исследовательский университет
Введение
Белок зерна - один из основных факторов обуславливающих хлебопекарные свойства пшеницы. Качество белкового комплекса эндосперма мягких пшениц - это его способность образовывать клейковину с повышенной эластичностью. Клейковина формируется путем агрегации отдельных молекул белка при помощи различных связей: водородных, дисульфидных, ионных (электростатических) и других. Водородные связи слабые и при нагревании разрываются, поэтому играют незначительную роль в формировании хлебопекарных свойств муки. Это справедливо для физических связей, участвующих в агрегации полипептидов. В то же время, химическая связь, в виде -S-S- связи, отличается высокой стабильностью и не разрывается под температурным воздействием. Дисульфидные связи обусловлены наличием цистеина в белковых молекулах эндосперма. Следует отметить, что просто увеличение числа цистеиновых остатков на молекулу пептида не гарантирует соответствующего улучшения физических свойств клейковины. Это связано с тем, что сульфгидрильная группа - SH, которая в результате окисления с другими сульфгидрильными группами может образовывать как интрамолекулярные, так и интермолекулярные ковалентные связи -S-S- (рис.).
Соответственно, в формировании макромолекулярных высокополимерных белковых агрегатах участвуют только межмолекулярные дисульфидные мостики. В связи с этим, просто определение числа цистеина в белке может ничего не дать. Подтверждением этому могут быть результаты исследования качества трансгенной пшеницы на основе сорта «Bobwhite», несущей белки большим числом остатков цистеина, по сравнению с обычной пшеницей. В данном случае, наличие ржано-пшеничной транслокации 1RS-1BL даже ухудшало физические свойства клейковины по сравнению с обычной пшеницей [2]. Это связано с тем, что плечо 1RS обуславливает синтез ржаных белков эндосперма снижающих хлебопекарные качества зерна. В основе этого эффекта лежит неспособность секалинов ржи образовывать с пшеничными белками нерастворимые высокополимерные белковые комплексы, которые формируют клейковину с высокими физическими показателями качества [2].
Рис. Схема образования интра- и интермолекулярных дисульфидных связей при формировании белкового комплекса эндосперма и факторы способствующие направлению реакции (по [1])
Лабораторией селекции и семеноводства пшеницы ГНУ Белгородского НИИСХ Рос- сельхозакадемии на основе методов седиментации разработана методика определения числа дисульфидных связей белкового комплекса в муке [4]. Она прошла апробацию в течение ряда лет на сортах озимой мягкой пшеницы в условиях Белгородской области [1, 2, 4, 5].
Целью исследования являлась оценка агрегирующей способности белков муки за счет образования дисульфидных связей у разных сортов яровой мягкой пшеницы Сибири, урожая 2011 и 2012 годов, выращенного на территории Тюмени.
Материал и методы исследований
В качестве растительного материала использовалось зерно 41 сорта яровой мягкой пшеницы, районированной в Западносибирском регионе РФ. Зерно урожая 2011 и 2012 годов этих сортов, выращенное в Тюмени, размалывалось на вальцовой мельнице Квадрумат-юниор с 30-35%-ным выходом муки. Полученная мука использовалась для определения количества дисульфидных связей белкового комплекса в соответствии с методикой, изложенной В.П. Нецветаевым и др. [4-5]. Отличия заключались в том, что полученные величины после двухэтапной седиментации не пересчитывались на процент белка или сухую клейковину. Полученные значения отражают реальные связи т. к. коэффициент корреляции между такими значениями и величинами, отнесенными на процент сухой клейковины, равен 0.9847±0.0214 (N=68; t=45.96). Коэффициент детерминации между данными показателями соответственно составляет 96.97%. Следовательно, для массового анализа достаточно исследовать у образцов величины SDS1 и SDS2, чтобы сделать заключение об их качестве [4]. Для статистической обработки полученных данных использовали программу StatNov, 1991.
Результаты исследований и их обсуждение
Результаты оценки числа дисульфидных связей белкового комплекса в муке пшеницы яровых сортов, выращенных в Тюмене в течение 2011 и 2012 годов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Количество дисульфидных связей белкового комплекса муки по сортам яровой мягкой пшеницы в разные годы (Тюмень)
| № п/п |
Название сорта |
Количество дисульфидных связей в муке, усл. ед. |
НСР0.95 |
|
| 2011 |
2012 |
|||
| 1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
| 1 |
Памяти Леонтьева |
4.0 |
75.5 |
20.5 |
| 2 |
Красноуфимская 100 |
28.5 |
77.1 |
|
| 3 |
Тюменская 30 |
23.8 |
69.8 |
|
| 4 |
Новосибирская 18 |
21.0 |
75.1 |
|
| 5 |
Чернява 13 |
19.5 |
69.3 |
|
| 6 |
Сибирская 17 |
22.3 |
64.8 |
|
| 7 |
Челяба степная |
34.8 |
76.3 |
|
| 8 |
Омская 38 |
17.0 |
71.0 |
|
Окончание табл. 1
| 1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
| 9 |
Сударушка |
25.0 |
66.1 |
|
| 10 |
Ирень |
52.3 |
72.3 |
|
| 11 |
Тюменская 31 |
49.3 |
71.8 |
|
| 12 |
Ильинская |
51.0 |
75.5 |
|
| 13 |
Радуга |
22.5 |
67.1 |
|
| 14 |
Икар |
44.0 |
71.8 |
|
| 15 |
ШТРУ-062272 |
41.5 |
70.8 |
|
| 16 |
Сертори |
53.3 |
78.3 |
|
| 17 |
Новосибирская 15 |
56.5 |
76.8 |
|
| 18 |
Новосибирская 29 |
47.8 |
76.8 |
|
| 19 |
Новосибирская 31 |
48.8 |
77.5 |
|
| 20 |
Мелодия |
21.3 |
70.6 |
|
| 21 |
Серебристая |
20.0 |
69.0 |
|
| 22 |
Свирель |
24.0 |
72.5 |
|
| 23 |
Авиада |
24.0 |
69.8 |
|
| 24 |
Геракл |
24.8 |
61.0 |
|
| 25 |
Маргарита |
52.3 |
50.5 |
(20.5) |
| 26 |
Тюменская 29 |
46.8 |
75.3 |
|
| 27 |
ОмГАУ 90 |
1.8 |
75.5 |
|
| 28 |
ШТРУ-051911 |
32.5 |
79.8 |
|
| 29 |
Тюменская 25 |
45.8 |
65.5 |
|
| 30 |
ЛП-588-1-06 |
30.5 |
75.6 |
|
| 31 |
Черносемноуральская |
22.0 |
72.3 |
|
| 32 |
Омская 36 |
23.3 |
75.5 |
|
| 33 |
Тюменская 28 |
27.0 |
76.5 |
|
| 34 |
Тюменская 27 |
28.5 |
68.3 |
|
| 35 |
Боганская 51 |
31.5 |
70.5 |
|
| 36 |
Тепсей |
31.3 |
79.8 |
|
| 37 |
СКЭНТ 3 |
40.0 |
74.5 |
|
| 38 |
Кампании |
31.8 |
62.6 |
|
| 39 |
Диоблон |
42.5 |
69.3 |
|
| 40 |
Лютесценс 70 |
36.3 |
68.3 |
|
| 41 |
Казахстанская 10 |
26.5 |
75.0 |
|
| НСР0.95 |
7.3 |
7.6 |
Х |
|
| Доля вклада по двум годам, %: сорта - 10.4; года - |
79.1; ошибка - 10.5 |
|||
Следует отметить, что обычный метод седиментации (Зелени или Пумпянского- Созинова) [6], используемый для оценки качества муки, характеризует общую агрегационную способность белкового комплекса зерновки. Учитывая, влияние на агрегацию белков слабых, в частности, физических связей, которые не оказывают существенного влияния на качество, он не применим для характеристики числа -S-S- между пептидами муки. Подтверждением этому являются данные В.П. Нецветаева и др. [4, 5]. Так, корреляция между показателем седиментации по Пумпянскому-Созинову и числом дисульфидных связей в 2008 г. составляла лишь
22 (n=74).
Как видно, в 2011 году уровень числа дисульфидных связей между пептидами муки в целом был значительно ниже по сравнению с 2012 годом, но показал значительную дифференциацию между сортами. С другой стороны, несмотря на боле высокие значения числа -S-S- связей белкового комплекса изученных образцов, различия между сортами по этому показателю в 2012 году нивелировались. Таким образом, обобщая данные по этим годам, проведена оценка влияния наследственности и средового фактора на проявление данного показателя за эти вегетационные периоды (см. табл. 1). В целом, ведущая роль в формировании изменчивости по агрегационной способности белкового комплекса зерна, связанная с -S-S- связями, за эти годы была обусловлена средовым фактором, который составил 79.1%. Учитывая это, оценили метеорологические компоненты теплого периода этих лет урожая. Погодные условия, характеризующие вегетационные периоды 2011 и 2012 годов представлены в таблице 2.
Анализируя особенности метеорологических условий вегетации 2011 года, можно отметить, что в этот период вегетации температурные показатели были близки к средним многолетним. Количество осадков выпадало сравнительно равномерно по летним месяцам и несколько превысило за лето (на 36.1 мм) средне многолетние величины. 2012 год отличался повышенными температурами летнего периода. В целом превышение средних температур этого периода вегетации над средними многолетними температурами составило 2.3°. Осадки выпадали неравномерно по месяцам. Наибольшее их количество пришлось на первый месяц вегетации. Следующие месяцы немного отличались от средних многолетних показателей. В результате за вегетационный период выпало на 56.8 мм осадков выше нормы.
Таблица 2
Погодные условия вегетационного периода 2011 и 2012 гг. в Тюмени [7]
| Месяцы |
Средние многолетние |
2011 |
± к ср. многолетним |
2012 |
± к ср. многолетним |
| температура, °С |
|||||
| Июнь |
16.6 |
18.2 |
+1.6 |
19.6 |
+3.0 |
| Июль |
18.9 |
17.4 |
-1.5 |
21.1 |
+ 2.2 |
| Август |
15.5 |
14.5 |
-1.0 |
17.2 |
+1.7 |
| Среднее |
17.0 |
16.7 |
-0.3 |
19.3 |
+ 2.3 |
| осадки, мм |
|||||
| Июнь |
58 |
85.5 |
+27.5 |
128.7 |
+ 70.7 |
| Июль |
69 |
55 |
-14 |
45.7 |
-9.3 |
| Август |
57 |
79.6 |
+ 22.6 |
52.4 |
-4.6 |
| Сумма |
184 |
220.1 |
+36.1 |
226.8 |
+56.8 |
Таким образом, 2011 год по температурным условиям был близок средним многолетним для Тюмени. Судя по данным, представленным в таблице 1, такие условия способствовали наибольшей дифференциации изученных сортов по степени агрегации белкового комплекса зерновки с помощью дисульфидных связей. Это совпадает с данными, полученными на озимой мягкой пшеницы в условиях Белгородской области [2]. Более того, было показано, что в год наибольшей дифференциации по этому показателю наименьшей агрегацией за счет дисульфидных связей обладали формы с ржаными транслокациями 1BL.1RS и 1AL.1RS. В нашем случае, наименьшее число -S-S- связей было у сортов Памяти Леонтьева (4.0), ОмГАУ 90 (1.8) и Омская 38 (17.0) (см. табл. 1). Характерно, что сорт Омская 38 несет ржаную транслокацию 1BL.1RS [8]. В связи с этим, можно ожидать, что сорта Памяти Леонтьева и ОмГАУ 90 также являются носителями ржаной транслокации, ответственной за синтез запасных белков ржи в геноме пшеницы.
Характерно, что в 2012 году эти три сорта по числу дисульфидных связей не уступали сортам, показавшим высокие значения по данному показателю в предшествующий год. Это совпадает с результатами, полученными ранее на озимой пшенице [2] и не противоречит данным, представленным на рисунке, где температура является одним из факторов, способствующих формированию дисульфидных связей.
Выводы
Показатель числа дисульфидных связей белкового комплекса муки яровой мягкой пшеницы является наиболее информативным в годы, близкие по погодным условиям вегетационного периода к средним многолетним для Тюменской области.
В годы с температурами в период вегетации выше среднемноголетних наследственные различия по числу дисульфидных связей у яровой пшеницы нивелируются.
По числу дисульфидных связей между пептидами муки и данных по погодным условиям летнего периода можно идентифицировать год урожая исследуемого образца.
На основе более низкой реакции на условия среды возможно выделять формы с повышенным качеством, обусловленным наследственностью.
Список литературы
Новый подход к оценке качества зерна мягкой пшеницы // В.П. Нецветаев, Л.С. Бондаренко, О.В. Акиншина, Т.А. Рыжкова // Достижения науки и техники АПК. - 2012. - №9. - С. 24-26.
Новые подходы к оценке качества зерна озимой мягкой пшеницы / В.П. Нецветаев, О.В Лю- тенко., Л.С. Пащенко, И.И. Попкова / / Белгородский Агромир. - 2010. - №1(54). - С. 27-29.
Рыбалка А.И., Казарда Д.Д., Созинов А.А. R-глиадины - проламины ржи, синтезирующиеся в эндосперме пшеницы // Сельскохозяйственная биология. - 1985. - №2. - С. 34-42.
Методы седиментации и оценка качества клейковины мягкой пшеницы / В.П. Нецветаев,
О.В. Лютенко, Л.С. Пащенко, И.И. Попкова // Научные ведомости БелГУ. Сер. «Естественные науки». - Белгород, 2009. - №11(66). Вып. 9/1. - С. 56-64.
Оценка качества зерна мягкой пшеницы SDS-седиментацией / В.П. Нецветаев, О.В. Лютенко, Л.С. Пащенко, И.И. Попкова / / Сельскохозяйственная биология. - 2010. - №3. - С. 63-70.
Созинов А.А. Определение показателя седиментации (набухаемости) муки в уксусной кислоте / А.А. Созинов, Н.И. Блохин, И.И. Василенко и др. // Методические рекомендации по оценке качества зерна. - М., 1977. - С. 118-120.
Обзор фитосанитарного состояния посевов сельскохозяйственных культур в Тюменской области в 2012 году и прогноз развития вредных объектов в 2013 году. ФГБУ «Российский сельскохозяйственный центр». Филиал ФГБУ «Россельхозцентр» по Тюменской области. - Тюмень, 2012 г. - 140 с.
Особенности сортов яровой мягкой пшеницы западной Сибири, несущих пшенично-ржаную транслокацию 1RS.1BL / Н.В. Трубачеева, Л.П. Россеева, И.А. Белан и др. // Генетика. - 2011. - Т. 47. - №1. - С. 18-24.