Биохимические изменения состава зерна видов и сортов пшеницы в зависимости от поврежденности трипсом (Haplothrips tritici Kurd.) и погодных условий в лесостепи Заволжья

Актуальность работы. В зерновом хозяйстве Среднего Поволжья наибольший удельный вес занимает пшеница, высококачественное зерно которой находит самое широкое применение как продукт питания. Наряду с увеличением производства зерна актуальное значение имеет улучшение его качественных показателей. Это связано с тем, что реальная ценность зерна пшеницы во многом определяется его качественными показателями: технологическими и хлебопекарными, которые в первую очередь связанны с белковыми и ферментными комплексами.

Поскольку погодные условия Поволжского региона не повторяются по годам и носят неустойчивый характер, то трудно ожидать закономерностей в получении высококачественного зерна на основании изучения качества и количества белка (А.П. Головоченко, 1997). В связи с этим, актуален вопрос о необходимости изучения комплекса биохимических показателей, определяющих качество зерна и количество урожая пшеницы.

В районах с засушливыми условиями обычно получают сравнительно невысокие урожаи зерна, но оно имеет повышенное содержание белка. Это связано с тем, что наблюдается обратная зависимость между величиной урожая и содержанием белка в зерне. Однако такая зависимость проявляется далеко не всегда (А.Н. Павлов, 1984). Поэтому, для разработки приемов, направленных на получение высококачественного зерна, необходимо знать сущность такой зависимости.

Кроме того, при сложившихся рыночных отношениях чрезвычайно актуальным является вопрос о сроках хранения зерна, которые обеспечивали бы высокое качество продукции и позволили бы товаропроизводителю реализовывать зерно по выгодным ценам.

Действенным средством повышения качественных характеристик зерна является борьба с вредителями и болезнями растений. Наиболее многочисленный и слабоизученный в Самарской области фитофаг пшеницы — это пшеничный трипе (Haplothrips tritici Kurd.). Малые размеры и скрытый образ жизни на всех стадиях развития являются причинами недостаточной изученности его биологии и экологии. Ранее проводимые в Поволжском регионе исследования, как правило, были направлены на изучение состава, структуры, сезонной и многолетней динамики популяций пшеничного трипса, пищевых связей, взаимоотношений с кормовыми растениями и влиянию на него агротехнических приемов возделывания культуры. ' Исследований по изучению вредоносности трипса проводилось недостаточно. Не изучен вопрос изменения биохимического качества зерна районированных сортов, а также различных видов пшеницы в зависимости от степени повреждения зерна пшеничным трипсом.

В связи с этим, для решения важной проблемы повышения качества зерна имеет большое значение выяснение внутренних, физиолого-биохимических изменений, происходящих в зерне и в различные сроки его храненияизменение содержания белка и всего биохимического состава в зерне, хлебопекарных достоинств пшеницы под влиянием как условий выращивания и хранения, так и генотипических особенностей растений. При этом необходимы исследования влияния вредоносности трипса для выявления механизмов биохимической устойчивости зерна и создания сортов, обладающих высокой устойчивостью к повреждению полевыми вредителями.

Цель исследований. Основной целью работы являлось выявление изменений биохимических показателей качества зерна различных видов, сортов пшеницы в зависимости от погодных условий, при различных сроках хранения пшеницы и под воздействием повреждений пшеничного трипса.

В связи с этим ставились следующие задачи:

1) Изучить распределение белка и крахмала в зерне яровой пшеницы в зависимости от сорта и погодных условий;

2) Исследовать влияние различных сроков хранения на изменение содержания белка и его состава в зерне яровой пшеницы;

3) Определить содержание белка и его фракционный состав в зависимости от сорта, вида пшеницы, условий произрастания и от степени повреждения зерна пшеничным трипсом;

4) Определить изменения количественного содержания крахмала и общего количества монои дисахаридов, а также содержания редуцирующих Сахаров в зерне пшеницы в зависимости от сорта, вида, погодных условий года и от различной степени повреждения зерна пшеничным трипсом;

5) Определить суммарную активность ферментов протеаз и амилаз в зерне пшеницы в зависимости от сорта, вида, условий произрастания и от различной степени повреждения зерна пшеничным трипсом;

6) Дать сравнительную хлебопекарную оценку зерна сортов и видов пшеницы и зерна пшеницы, поврежденной пшеничным трипсом;

7) Выявить устойчивость сортов и видов пшеницы к трипсу по величине потерь основных питательных веществ зерна.

Научная новизна. Впервые в условиях лесостепи Среднего Поволжья проведены комплексные биохимические исследования по изучению содержания белка и его фракционного состава, а также содержания крахмала и Сахаров, ферментативной активности белково-протеазного и углеводно-амилазного комплексов в зерне различных сортов, видов пшеницы и изучено влияние повреждений, наносимых пшеничным трипсом, на биохимический состав зерна. Установлена углеводная направленность в питании пшеничного трипса. При изучении биохимических показателей качества и вредоносности пшеничного трипса выявлено наличие внекишечного переваривания у данного вредителя. Определено влияние повреждений, наносимых пшеничным трипсом, на хлебопекарные свойства зерна пшеницы. Выявлено влияние биохимических показателей (содержание белка и его отдельных фракций, крахмала и Сахаров, ферментативной активности зерна) в качестве критерия устойчивости сортов и видов пшеницы к повреждениям пшеничного трипса.

Установлено влияние продолжительности хранения на изменение содержания белка и состава белковых фракций зерна яровой пшеницы.

Впервые был проведен сравнительный анализ методов выделения белков и определено качество извлечения белкового комплекса.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Распределение основных веществ зерна (белок, крахмал) зависит от погодных условий года, сорта, массы 1000 зерен и крупности зерна. При благоприятных условиях вегетации масса 1000 зерен прямо коррелирует с содержанием крахмала и обратно с содержанием белка в зерне. В мелком зерне отмечено повышение содержания белка (в среднем в пределах 1%) и понижение содержания крахмала (в среднем в пределах 3%).

2. Хранение семян пшеницы в течение трех лет является оптимальным сроком, т.к. способствует максимальному повышению содержанию белка, а также наибольшему количеству наиболее ценных по незаменимым аминокислотам фракций альбуминов и глобулинов относительно зерна других сроков хранения.

3. При повреждении зерна пшеницы пшеничным трипсом содержание белка снижается до 7% с наибольшими потерями в его составе фракций альбуминов (до 8%) и глиадинов (до 9%), а еще в большей степени снижается содержание крахмала (до 14−18%) и различных групп Сахаров (до 15−18%), что превышает потери белкового комплекса в среднем в 2,3 раза и, свидетельствует, об углеводной направленности питания данного вредителя. Максимальным изменением состояния белкового комплекса при повреждении зерна пшеничным трипсом отличаются сильные сорта и высокобелковые виды пшеницы.

4. При повреждении зерна пшеничным трипсом происходит значительное повышение ферментативной активности протеаз (в среднем в 1,7 раза) и амилаз (в среднем в 2,5−3 раза) и, поскольку, изменение величины активности амилаз в 1,5 раза выше величины активности протеаз, особенно, в сильно поврежденном зерне изучаемых форм пшениц, то это подтверждает углеводную направленность питания Ц пшеничного трипса и свидетельствует о наличи^ 1внекишечного переваривания у данного вредителя.

5. Хлебопекарная оценка различных сортов и видов пшеницы в связи с протеолитической и амилолитической активностью зерна выявила обратную зависимость между объемным выходом хлеба и активностью амилаз и прямую зависимость между объемным выходом хлеба и активностью протеаз. Повреждение зерна пшеничным трипсом вызывает изменение хлебопекарных достоинств изучаемых образцов пшеницы.

Степень поврежденности растений и изменения биохимических показателей качества зерна пшеницы от вредоносности трипса выявили наиболее устойчивые сорта (Кинельская 60 и Кинельская 61) и виды пшеницы (ТгШсшп сИсоссит, ТгШсит ярека), использование которых наиболее значимо как для целей селекции (повышение качества зерна), так и для хлебопекарной промышленности.

Практическая ценность работы. Полученные результаты исследований, научные положения и выводы могут быть использованы в селекционной работе с целью повышения генетического потенциала существующих форм пшеницы и для создания сортов, обладающих устойчивостью к полевым вредителям и, в частности, к трипсу. Это позволит повысить эффективность использования наиболее качественных и устойчивых сортов в производственных условиях, что в свою очередь, приведет к снижению потерь количества и качества зерна как в полевых условиях, так при хранении.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международной научно-практической конференции «Современные методы адаптивной селекции зерновых и кормовых культур» (Самара, 2002) — на первой региональной научно-практической конференции «Проблемы защиты растений в Поволжье» (Самара, 2002) — на 4-й международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2003) — на заседаниях кафедры химии и биохимии СГСХА (2001, 2002, 2003 и 2004) — на международной межвузовской конференции профессорско-преподавательского состава в Самарской ГСХА «Актуальные проблемы АПК в XXI веке» (Кинель, 2004).

Публикации материалов исследований. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 1 в центральной печати.

Декларация личного участия автора. Диссертация содержит фактический материал, полученный лично автором в течение 1995;2003 гг. Лабораторные исследования, обработка и анализ собранного материала выполнены автором полностью самостоятельно с 1997 г. В совместных статьях доля личного участия составляет от 30 до 80%.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 169 страницах и состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений. В работе содержится 30 таблиц, 10 рисунков и 18 приложений.

Список литературы

включает 331 источник, в том числе 27 на иностранных языках.

6.5.

Заключение

.

Изучение нормальных зерен пшеницы двух лет урожая (2002 и 2003 гг.), разных по условиям погоды, показало, что между величинами, характеризующими протеолитическую и амилолитическую активность, в данном зерне существует обратная зависимость: нормальные зерна пшеницы имеют или пониженную ^ протеолитическую и повышенную амилолитическую активность (2002 год), или, наоборот, пониженную амилолитическую и повышенную протеолитическую активность (2003 год). Эта зависимость в нашем случае выражается коэффициентом корреляции г = - 0,81 416 на сортах пшеницы и г = - 0,72 707 на видах пшеницы.

В свою очередь понижение или повышение активности тех или иных ферментов в зависимости от условий года обусловлено сочетанием двух процессов — притока в зерно фермента и его инактивирование в результате перехода в зимогенное состояние. Поэтому, в 2002 году первый процесс преобладал над вторым в отношении амилазы, а в отношении протеаз преобладал второй процесс, в результате чего наблюдалась меньшая активность фермента, что объясняется интенсивным уплотнением белковых молекул и переходом большей части протеаз в гидролитическом неактивное состояние. В 2003 году данная тенденция коснулась амилаз, а вот, протеолитическая активность, наоборот, возрастала.

Сортовые и видовые различия зерна в отношении активности рассматриваемых ферментов заключаются в том, что у высокобелковистых (Кинельская — 61, Кинельская — 60, а также Т. эрека и Т. сИсоссит) и крахмалистых (Кинельская — 51 и Т. врЬаегососсиш) форм пшеницы наблюдалась пониженная протеолитическая активность и, соответственно, повышенная амилолитическая активность во все годы исследований.

Это также связано с количественным накоплением веществ. Так, сорта и виды пшеницы, отличающиеся более плотной структурой эндосперма имеют повышенную величину диастатической активности зерна и пониженную активность протеолитического комплекса ферментов. Так как при размоле зерна пшеницы в муку крахмальные зерна получают максимальные повреждения, вплоть до распада на части, в результате они обладают меньшей устойчивостью к амилолитическим ферментам и дают высокие показатели диастатической активности. Кроме того, повышенная или пониженная активность протеаз или амилаз в нормальном зерне зависит от наличия активаторов: в случае протеолитических ферментов — это йодоредуцирующие вещества, а в случае амилолитических ферментов — это амилокиназа или цитаза или комбинация этих ферментов.

При рассмотрении полученных экспериментальных данных по поврежденному трипсом зерна пшеницы прежде всего обращает на себя внимание общая закономерность — неуклонное повышение активности исследуемых групп ферментов относительно нормального зерна в зависимости от степени его повреждения. При чем в зависимости от качества пищевого субстрата, то есть от преобладания в зерне тех или иных основных биополимеров (белки, углеводы), у вредителя проявляется адаптивная диссоциация гидролитических ферментов, то есть изменение активности тех или иных гидролаз, что в свою очередь приводит к большему или меньшему повышению активности протеолитических или амилолитических ферментов.

Различие в динамике повышения активности того или иного вида фермента в разные годы исследования также заключается в особенностях накопления биохимических веществ: при большем содержании белка или крахмала в исходном неповрежденном зерне наблюдалась большая протеолитическая или, соответственно, амилолитическая активность ферментов от питания трипса особенно в сильно поврежденном зерне изучаемых форм пшеницы.

Корреляционный анализ полученных данных показал тесную связь показателя поврежденности зерна с активностью данных ферментов по сортам пшеницы (г= 0,882 для протеолитических ферментов и г= 0,979 для амилолитических ферментов) и по видам пшеницы (г= 0,938 для протеаз и г= 0,940 для амилаз).

Таким образом, на основании вышеизложенного получилось, что в поврежденном трипсом зерне пшеницы величина активности протеолитических ферментов возрастала в среднем в 1,7 раза, а величина активности амилаз увеличивалась в среднем в 2,5 раза, что подтверждает углеводную направленность питания пшеничного трипса. В свою очередь, увеличение активности протеолитических и амилолитических ферментов в поврежденном зерне пшеницы свидетельствует о наличии внекишечного переваривания у пшеничного трипса, и так как величина активности протеаз незначительная и не оказывает существенного дезагрегирующего воздействия на белковые молекулы зерна, то поэтому такое зерно пригодно для выпечки хлеба. При этом следует отметить сортовые и видовые особенности исследуемых пшениц, которые обладают рядом различных морфо-физиологических признаков, позволяющие им по величине биологических показателей качества в большей или меньшей степени повреждаться пшеничным трипсом.

Основная масса исследованных сортов и видов пшеницы, обладая хорошим белково-протеазным комплексом, не может в полной мере проявить свои потенциальные природные возможности в отношении хлебопекарной способности вследствие ряда свойств их углеводно-амилазного комплекса. В зависимости от сложившихся погодных условий в течение вегетации того или иного года урожая мука из этих форм пшеницы характеризуется различной амилолитической активностью и вследствие этого обладает либо достаточной, либо недостаточной газообразующей способностью. Кроме того, зерно пшеницы, поврежденное пшеничным трипсом, также имеет определенно повышенные значения активности ферментов, что отражается качестве выпекаемого хлеба. Чтобы рационально использовать подобную муку, необходимо, прежде всего, воздействовать на углеводно-амилазный комплекс, т. е. привести его в соответствие с требованиями технологии, что в конечном итоге, обеспечит хороший подъем и разрыхление теста и, тем самым, обусловит хорошее качество хлеба. При этом, следует остановиться на значимости проблемы выведения и внедрения устойчивых к вредным организмам форм пшеницы, так как успешное ее решение позволит сохранять высокое качество зерна и выпекаемого из него хлеба независимо от года урожая и численности вредителя, а также позволит резко снизить применение пестицидов.

7.1. Качество пшеничного хлеба в зависимости от протеолитической и амилолитической активности зерна.

Качество получаемого хлеба характеризовалось рядом показателей: объемом хлеба на 100 г муки, его внешним видом, пористостью и состоянием мякиша. При этом, анализы пшеничного хлеба, полученного при пробных лабораторных выпечках, показали, что объемный выход хлеба и его прирост зависят, в основном, от углеводно-амилазного и белково-протеазного комплексов.

Данные по объемному выходу хлеба из муки второго сорта (выход муки 60%), приведенные в таблицах 7.1.1 и 7.1.2, показали, что объемный выход хлеба из нормального зерна урожая 2002 года довольно низок по сравнению с хлебом, полученным из зерна урожая 2003 года. Так, объемный выход хлеба из неповрежденного зерна урожая 2002 года в среднем для всех сортов составлял 523 см³ (из 100 г муки) с большими колебаниями по сортам в пределах 80 см³ и наибольшим значением в 1,1 раза у сортов Кинельская 61 и Кинельская 60, а наименьшим — у сортов Грекум 3152 и Кинельская 59. Для исследуемых видов пшеницы данный показатель в условиях 2002 года был на 18 см³ выше и составил в среднем 541 см при колебании между видами в пределах 100 см с наибольшим значением в 1,2 раза у видов Т. dicoccum и Т. spelta, а наименьшим — у видов Т. persicum и Т. sphaerococcum. Данное зерно, как приведено выше, имело относительно высокую амилолитическую активность и сравнительно низкую протеолитическую активность.

Хлеб более высокого объемного выхода был получен из нормального зерна урожая 2003 года, когда в среднем он составил 564 см³ с небольшими колебаниями о между сортами в пределах 10 см. По видам пшеницы объемный выход хлеба был.

Ч Ч на 34 см выше и в среднем составил 598 см на фоне незначительного варьирования среди видов в пределах 20 см³. Как уже было указано выше, это зерно характеризовалось низкой амилолитической активностью и более высокой протеолитической активностью.

Следует отметить, что наряду с пониженным объемным выходом хлеба наблюдалась меньшая пористость мякишапри увеличении объемного выхода пористость мякиша увеличивалась. Так, в 2002 году данный показатель составил в среднем 62% по исследуемым сортам пшеницы и его варьирование наблюдалось в пределах 17% при наилучшем значении в 1,2 раза также у сортов Кинельская 61 и Кинельская 60 и при минимальном значении указанного признака в 1,3 раза у сорта Кинельская 59. Для видов цшеницы пористость мякиша выпекаемого хлеба составила в среднем 63%- варьировала также в пределах 17% и была в 1,2 раза выше у видов Т. spelta и Т. dicoccum и в 1,3 раза меньше у вида Т. sphaerococcum среди всех исследуемых видов пшеницы.