СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2008, № 1, с. 33-39

Генетика и селекция

УДК 633.14:631.52

СЕЛЕКЦИОННАЯ ОЦЕНКА ИНБРЕДНЫХ ЛИНИЙ ОЗИМОЙ РЖИ  ПО ВЯЗКОСТИ ВОДНОГО ЭКСТРАКТА

А.А. ГОНЧАРЕНКО, С.А. ЕРМАКОВ, А.В. МАКАРОВ, В.Н. ТОЧИЛИН,
Т.В. СЕМЕНОВА, Н.В. ЦЫГАНКОВА

Провели сравнительную оценку инбредных линий озимой ржи от 8-12-кратного инцухта по вязкости водного экстракта и другим показателям качества. Наибольшие различия между линиями отмечены по вязкости экстракта (в 6,6 раза), а наименьшие — по содержанию белка (в 1,7 раза) и крахмала (в 1,3 раза). Выявлена левосторонняя асимметричность вариационных рядов линий по вязкости экстракта. Относительно низковязкое зерно формировалось во влажные в период созревания зерна годы, а более высоковязкое — в засушливые. Низковязкие генотипы имели меньшую средовую вариансу, чем высоковязкие. Вязкость экстракта отрицательно коррелировала с содержанием белка (r = -0,15…-0,40; p £≤0,05) и положительно — с числом падения (r = 0,14…0,35; p £≤0,05); корреляция с содержанием крахмала была неустойчивой по годам. Показана возможность отбора низковязких линий ржи с повышенным содержанием белка в зерне.

Ключевые слова: озимая рожь, инбредные линии, вязкость водного экстракта, число падения, крахмал, белок.

Key words: winter rye, inbred lines, water extract viscosity, falling number, starch, protein.

Гибридная селекция озимой ржи на основе ЦМС в отличие от популяционной позволяет более эффективно решать задачи улучшения качества зерна ржи в соответствии с запросами потребителя. Достичь этого можно путем создания специализированных гибридов, пригодных не только для пищевого, но также для кормового (1, 2) и технического (3) использования. Проблема в том, что возделываемые сорта и гибриды ржи непригодны для универсального применения (4). Зерно ржи по сравнению с другими зерновыми культурами характеризуется повышенным более чем в 2 раза содержанием водорастворимых некрахмальных полисахаридов (пентозанов), высокая водоудерживающая способность которых снижает переваримость кормов в желудке животных (5-7). Доказано, что высокая вязкость водорастворимых пентозанов в сочетании с низкой амилазной активностью положительно влияет на хлебопекарные качества ржи (8-10). Однако при использовании зерна ржи на корм это свойство пентозанов отрицательно сказывается на приросте живой массы животных (11) вследствие высокой молекулярной массы водорастворимых некрахмальных полисахаридов, обусловливающей снижение переваримости корма (12). Высоковязкое зерно ржи также менее пригодно для технических целей, в частности для производства этанола (13).

Возможность расширения спектра хозяйственного использования зерна ржи методом альтернативной селекции по вязкости водного экстракта вызвала определенный оптимизм у селекционеров, так как создание специализированных сортов позволит увеличить рыночный спрос на зерно этой культуры (1). Селекционные работы по выделению различных по вязкости форм ржи на уровне сортов и гибридов широко ведутся в Канаде (14), Германии (15), Польше (16) Австралии (17) и других странах.
Сложность в том, что основные направления селекции по улучшению хлебопекарных и кормовых качеств зерна ржи не совпадают. Это представляет большую проблему для развертывания адресной (целевой) селекции, так как необходимо создавать разнообразный по качеству исходный материал.
В условиях Нечерноземной зоны РФ селекция адаптивных гетерозисных гибридов ржи ставит задачу получения высокопродуктивных, зимостойких, раннеспелых, коротко- и прочностебельных и устойчивых к болезням инбредных линий с сильной экспрессией признаков, определяющих хорошие хлебопекарные и кормовые качества зерна. Наиболее масштабные работы по селекции инбредных линий ржи на содержание водорастворимых пентозанов (арабиноксиланов) развернули польские исследователи (5, 12, 16, 18-20). Изучив более 1000 инбредных линий, они установили широкую генотипическую вариацию этого признака (от 35 до 88 мг/г) и определили степень зависимости его от погодных условий в период налива зерна. Оказалось, что только 2 % линий имеют низкое (менее 45 мг/г) содержание водорастворимых пентозанов. Было сделано предположение о возможности создания низкопентозанных (порядка 50 мг/г) гибридов с повышенным (на 1-2 %) содержанием белка, что очень важно для кормовой ржи. В последующие годы было показано, что в качестве косвенного критерия качества зерна можно использовать величину вязкости водного экстракта зернового шрота ржи, которая тесно коррелирует   (r = 0,97) с содержанием водоэкстрагируемых пентозанов (21). Проверка на бройлерах подтвердила (22), что вязкость экстракта может служить надежным индикатором пригодности зерна ржи для кормовых целей. Позднее удалось отобрать две группы линий ржи с разной вязкостью водного экстракта (9). На их основе предполагается создать экспериментальные гибриды для целевого использования, а также включать их как доноры качества в программы по рекуррентной селекции новых инбредных линий.
Целью наших исследований было сравнительное изучение инбредных линий озимой ржи с различной вязкостью водного экстракта и степени зависимости этого признака от других факторов.

Методика. Исходным материалом послужили инбредные линии озимой ржи от 8-12-кратного инцухта, проходившие полевые испытания в 2003-2006 годах. От каждой линии высевали по 120 зерен на 3-рядковые делянки длиной 1,5 м с междурядьями 15 см. Стандартом для сравнения служил сорт Валдай. Для лабораторного анализа от каждой инбредной формы в фазу полной спелости отбирали пробы по 10 растений. Учитывали высоту растений, число зерен в колосе, массу 1000 зерен, массу зерна с колоса. Вязкость водного экстракта зернового шрота определяли на вискозиметре VT5L (Германия) с набором специальных роторов и адаптера для малого объема. От каждой линии брали пробу зерна массой 5 г, размалывали на лабораторной мельнице в течение 1,5 мин и получали водно-мучную суспензию смешиванием 2,3 г шрота с дистиллированной водой (из расчета 80 мг сухой массы на 1 мл воды). Экстрагирование водорастворимых пентозанов проводили при постоянном перемешивании при температуре 30 °С в течение 60 мин, после чего суспензию центрифугировали (8000 об/мин, 10 мин). Вязкость измеряли в сантипуазах (сП) на двух пробах экстракта при температуре 25 °С. Содержание сырого протеина и крахмала в зерне определяли на инфракрасном спектрофотометре ИК-6250 (Россия), число падения — на приборе Хагберга-Пертена. Погодные условия в период вегетации значительно различались: в 2003 и 2004 годы в фазу налива зерна преобладала влажная погода с частыми дождями, а в 2005 и особенно в 2006 в период созревания зерна — жаркая и сухая. Это позволило выявить широту размаха варьирования изучаемых признаков и степень их зависимости от погодных условий. Статистическую обработку полученных данных проводили методами вариационного, дисперсионного и корреляционного анализов.

Результаты. По основным показателям качества инбредные линии сильно варьировали под влиянием генотипических факторов и условий среды (табл. 1). Наибольшую межлинейную изменчивость отмечали

1. Статистические параметры изученных инбредных линий озимой ржи по разным показателям качества зерна

Год

Число
линий, n

Х±sх

Хmin

Хmax

СV, %

Медиана, Ме

Коэффициент
асимметрии

В я з к о с т ь   в о д н о г о  э к с т р а к т а   з е р н о в о г о   ш р о т а,  сПа

2003

430

2,9±0,08

2,2

11,2

46,6

2,4

3,73

2004

250

4,0±0,10

2,1

17,6

39,2

3,5

4,56

2005

242

4,2±0,08

2,2

9,5

33,6

3,8

1,20

2006

278

6,2±0,15

2,2

20,5

41,3

5,7

1,37

С о д е р ж а н и е   б е л к а   в   з е р н е,  %

2003

430

16,9±0,19

12,9

21,5

11,2

17,0

0,06

2004

250

17,0±0,11

12,8

21,4

10,6

17,0

0,15

2005

242

15,0±0,11

10,8

19,8

11,9

14,9

0,23

2006

278

14,9±0,12

11,2

20,7

12,4

14,7

0,61

С о д е р ж а н и е   к р а х м а л а   в   з е р н е,   %

2003

430

53,3±0,60

46,6

58,6

5,3

53,0

-0,34

2004

250

49,9±0,20

40,6

57,8

6,9

50,0

-0,28

2005

242

56,1±0,20

48,6

61,1

4,2

56,6

-0,69

2006

278

55,2±0,20

47,0

61,4

5,0

55,6

-0,58

Ч и с л о   п а д е н и я,   с

2003

430

151±5

62

272

35,6

160

-0,02

2004

250

134±4

63

330

27,5

244

-0,70

2005

242

158±4

62

325

38,7

160

0,13

2006

278

177±5

62

388

38,1

174

0,36

по вязкости водного экстракта (СV = 30,2…48,4 %) и числу падения (СV = 27,5…38,7 %). По содержанию крахмала варьирование было относительно слабым (СV = 4,2…6,9 %), белка — также слабым, но в 2 раза выше, чем по содержанию крахмала. Средние различия между контрастными линиями составляли: по вязкости — в 6,6 раза, по содержанию белка — в 1,7 раза, крахмала — в 1,3 раза, по числу падения — в 5,3 раза. Значительное варьирование этих признаков позволило сгруппировать их в направлениях по возрастанию и убыванию для выявления возможных коррелятивных связей.

Обращает на себя внимание левосторонняя асимметричность вариационных рядов линий по признаку вязкости экстракта (среднее значение Х стабильно превышало медиану Ме). По другим признакам (содержание белка, крахмала, число падения) асимметрия отсутствовала и распределение линий было близким к нормальному. Вероятной причиной асимметрии по вязкости могла быть качественная неоднородность инбредных линий, обусловленная генетической дифференциацией при инцухте, различиями в происхождении, а также неодинаковой нормой реакции разных линий на условия произрастания. Асимметричное распределение полусибсовых потомств по вязкости экстракта обнаружено при изучении внутренней структуры сортов-популяций (11).
Асимметричность по вязкости обусловила крайне малые различия между выборочной средней (Х±sх) и нижним пределом вязкости (Хmin), который за годы испытания линий не опускался ниже 2,1 сП. По этой причине частота встречаемости линий с низкой вязкостью всегда была ниже частоты встречаемости высоковязких генотипов. Такое распределение вносит определенные трудности в селекцию. Например, если применить интенсивность отбора линий на уровне Х±1,5s, то доля высоковязких (6,5 сП и более) форм в изучаемом наборе составит 8,0-8,2 %, а доля низковязких (2,4 сП и менее) — всего 1,2-1,5 %. Сходные результаты получил L. Madej с соавт. (16), в опытах которых доля инбредных линий с низким содержанием некрахмальных полисахаридов не превышала 2 %.

Что касается погодных условий в период вегетации, то по силе их влияние на показатели качества зерна ржи заметно превышало влияние генотипа сорта (за исключением содержания белка) (рис. 1). По вязкости водного экстракта доля влияния среды была более чем в 2 раза выше доли влияния генотипа линий (соответственно 46,8 и 21,6 %). Однако по содержанию белка межлинейное варьирование составило 36,5 % от общего варьирования признака и превысило влияние среды почти в 3 раза (13,1 %). Вероятно, это можно объяснить инбредной депрессией показателя массы 1000 зерен, следствием которой явилась сильная дифференциация линий по крупности зерна, усиление мелкозерности и высокобелковости зерна в целом.

Доля влияния, %

 

Рис. 1. Доля влияния (%) генотипа инбредных линий озимой ржи (а) и погодных условий (б) в общем варьировании признаков качества зерна.

В наших опытах относительно низковязкое зерно у инбредных линий формировалось во влажные в период налива годы, а более высоковязкое — в засушливые. Сходную реакцию изучаемые линии проявили по содержанию крахмала, но по содержанию белка и числу падения такой реакции не наблюдалось. Характерно также, что линии с высокой вязкостью экстракта имели более высокую средовую вариансу, чем низковязкие. Особый интерес в этом отношении представляют линии H-606 и H-619, у которых вязкость экстракта за годы изучения варьировала в пределах 2,0-2,6 сП; у высоковязкой линии Н-720 размах по годам был почти 2-кратным и составил 6,5-12,0 сП.
Отмеченное выше различие по экологической стабильности подтверждают также результаты дисперсионного анализа двух контрастных групп линий (n = 20 в каждой), которые показывают, что у низковязких генотипов проявление признака меньше зависит от условий года, чем у высоковязких — доля влияния соответственно 22,1 и 45,8 %. Высокая достоверность эффектов взаимодействия генотип½годы  позволяет заключить, что отбор линий по вязкости будет более эффективным при их оценке по результатам не одного, а нескольких лет испытаний.

Важнейшая задача селекции — отбор линий с высокой и низкой вязкостью экстракта зерна. Такие контрастные группы представляют особый интерес для гетерозисной селекции. Сравнительная оценка генотипов, выделенных по результатам 4-летнего изучения, представлена в таблице 2. В результате проведенного отбора альтернативные группы линий по признаку вязкости различались довольно значительно — на 4,1 сП, или в 2,5 раза. Характерно также, что проведенный отбор коррелятивно затронул другие признаки, в наибольшей степени — содержание белка и крахмала. Линии с низкой вязкостью характеризовались повышенным содержанием белка в зерне (у растений линии Н-614 оно составило 22,0 %), но меньшим содержанием крахмала, у линий с высокой вязкостью соотношение было противоположным. В сравнении с сортом-стандартом Валдай у обеих групп линий снижалось содержание крахмала (на 7,9…11,8 %) и число падения (на 44-50 с).

Динамика корреляционной зависимости между вязкостью водного экстракта и другими показателями качества зерна ржи за годы изучения свидетельствует, что наиболее стабильно по годам вязкость экстракта зерна коррелировала с содержанием белка (r = -0,15…-0,40; p £ 0,05) и числом падения (r = 0,14…0,35; p≤£ 0,05) (рис. 2). Связь вязкости с содержанием крахмала сильно варьировала по годам и не во все годы была достоверной. Полученные нами данные подтверждают результаты других авторов: в опытах польских исследователей (23) вязкость экстракта также отрицательно коррелировала с содержанием белка (r = -0,54…-0,58).

Рис. 2. Зависимость (r) между вязкостью водного экстракта и другими показателями качества зерна инбредных линий озимой ржи в разные годы исследования: а, б, в — соответственно содержание белка, крахмала, число падения.

Большая трудоемкость метода определения вязкости водного экстракта вынуждает искать косвенные критерии отбора по этому признаку. Наши данные показывают, что непрямой отбор по содержанию белка из-за слабой корреляции показателей вряд ли можно считать эквивалентным прямому отбору по вязкости, а отбор на высокое число падения не совпадает с целями селекции ржи на кормовую ценность. Тем не менее, то, что низковязкие линии ржи имеют повышенное содержание белка в зерне, облегчает селекцию на кормовое использование. Что касается селекции на продуктивность, то здесь могут быть дополнительные трудности, так как растения выделенных нами линий с низкой вязкостью водного экстракта зерна обладали более длинным стеблем, менее озерненным колосом и относительно мелким зерном.

 2. Сравнительная оценка изученных инбредных линий озимой ржи с высокой и низкой вязкостью водного экстракта зерна по другим показателям качества (2003-2006 годы)

Линия

Вязкость, сПа

Содержание, %

Число падения, с

белок

крахмал

Низковязкая:

Н-515

2,8

17,0

49,9

207

Н-606

2,3

18,5

44,6

184

Н-614

2,9

22,0

40,0

115

Н-619

2,4

14,6

48,6

203

Н-696

3,0

15,0

42,9

216

Среднее

2,7±0,1

17,4±1,3

45,2±1,8

185±18

Высоковязкая:

Н-367

5,9

13,4

55,5

225

Н-649

6,5

15,1

42,7

126

Н-720

8,8

14,8

49,0

194

Н-841

6,1

13,8

49,4

253

Н-903

6,7

15,1

48,9

158

Среднее

6,8±0,5

14,4±0,4

49,1±2,0

191±21

Сорт Валдай (стандарт)

5,0

13,4

57,0

235

Таким образом, выявлена высокая степень дифференциации изученных инбредных линий озимой ржи по вязкости водного экстракта зерна, что может служить хорошей базой для эффективной селекции межлинейных гибридов, пригодных для разных целей использования. Полученные нами данные показывают возможность отбора селекционно ценных  инбредных форм. Отрицательная связь признаков вязкости экстракта и содержания белка в зерне облегчает синтез низковязких гибридов, что очень важно при повышении кормовой ценности зерна ржи, а селекция на высокую вязкость экстракта позволяет существенно улучшить хлебопекарные качества. Мы полагаем, что на базе низковязких линий удастся получить высокопродуктивные гибриды ржи, близкие по показателю вязкости водного экстракта зерна к озимой тритикале и расширить кормовое использование зерна ржи. Кроме того, контрастные по вязкости линии представляют большой интерес для различных вариантов периодического отбора с целью получения улучшенных синтетиков и селекции новых инбредных линий.

Л И Т Е Р А Т У Р А

  1. B o r o s  D. Quality aspects of rye for feed purposes. In: Proc. Intern. Symp. on Rye Breeding and Genetics. Gross-Lusewitz, Germany, 2006: 24.
  2. B o r o s  D.,  M a d e j  L.,  J a g o d z i n s k i  J. Perspectives of selection for better nutritive quality of rye. I. Viscosity of grain water extract as an index of nutritive quality of rye for broiler chicks. Plant Breed. Seed Sci., 1997, 41: 81-89.
  3. F l a m m e  W.,  D i l l  P.,  J a n s e n  G. e.a. Developing rye germplasm for alternative uses. Vortr. Pflanzenzucht, 1996, 35: 129-138.
  4. R a k o w s k a  M.  Antinutritive compounds in rye grain. Hodow. Rosl., Aklimat. i Nasienn., 1994, 38(5): 21-42.
  5. М а д е й  Л.,  Р а ч и н с к а - Б о я н о в с к а  М.,  С и т а р с к и   Й. и др. Изменчивость содержания неусвояемых некрахмальных полисахаридов у инбредных линий ржи. В сб.: Селекция ржи. Мат. симп. ЕУКАРПИА. Л., 1990: 126-132.
  6. Р а к о в с к а  М.,  К у п е ц  Р.,  М а д е й  Л. Полисахаридный белковый комплекс зерна ржи: переваривание и усвоение животными с однокамерным желудком. В сб.: Селекция ржи. Мат. симп. ЕУКАРПИА. Л., 1990: 143-150.
  7. R a k o w s k a  M. The nutritive quality of rye. Vortr. Pflanzenzucht., 1996, 35: 85-95.
  8. Г о н ч а р е н к о  А.А.,  И с м а г и л о в  Р.Р.,  Б е р к у т о в а  Н.С. и др. Оценка хлебопекарных качеств зерна озимой ржи по вязкости водного экстракта. Докл. РАСХН, 2005, 1: 6-9.
  9. K o l a s i n s k a  I.,  B o r o s  D.,  M a d e j  L. Qualitative characteristics of rye inbred lines. Plant Breed. Seed Sci., 2003, 48(2): 127-131.
  10. W e i p e r t  D. Pentosans as selection traits in rye breeding. Vortr. Pflanzenzucht., 1996, 35: 109-119.
  11. M c L e o d  J.G.,  G a n  Y.,  S c o l e s  G.J. e.a. Extract viscosity and feeding quality of rye. Vortr. Pflanzenzucht., 1996, 35: 97-108.
  12. R a g a e e  S.M.,  C a m p b e l l  G.L.,  S c o l e s  G.J. e.a. Studies in rye (Secale cereale L.). lines exhibiting a range of extract viscosities. 1. Composition, molecular weight distribution of water extract and biochemical characteristics of purified water-extractable arabinoxilan. J. Agric. Food Chem., 2001, 49(5): 2437-2445.
  13. I n g l e d e w  W.M.,  T h o m a s  K.S.,  H y n e s  S.H. e.a. Viscosity concerns with rye mashes used for ethanol production. Cereal Chem., 1999, 76(3): 459-464.
  14. V o t h  W.D.,  S c o l e s  G.J.,  N i u  Z.G. e.a. Development of a low viscosity rye. Crop Dev. Center Res. Rep., 1992-1994 (Saskatoon), 1994: 62.
  15. R o d e  J.,  S c h u m a n n  E.,  W i l d e  P. e.a. Rye breeding for bio ethanol production. In: Proc. Intern. Symp. on rye breeding and genetics. Gross-Lusewitz, Germany, 2006: 25.
  16. M a d e j  L. Breeding approarch to the improvement of feeding quality of rye grain. Hod. Rosl., Aklimat. i Nasienn., 1994, 38(5): 91-94.
  17. D a r v e y  N.L.,  M o h a m m a d k h a n i  A.,  B i c a r  E. e.a. Rye developments in Australia. Vortr. Pflanzenzucht., 1996, 35: 62-63.
  18. J a g o d z i n s k i J.,  R a k o w s k a  M. Wartosc zywieniowa ziarna linii wsobnych i mieszancow zyta. Biul. Inst. Hod. i Aklimat. Rosl., 1996, 200: 119-124.
  19. K o l a s i n s k a  I.,  O s i n s k i  R.,  O s i n s k a  A. Zmiennosc cech zwiazanych z wartoscia zywieniowa w liniach wsobnych zyta. Biul. Inst. Hod. i Aklimat. Rosl., 1998, 205-206: 59-69.
  20. M a d e j  L.,  R a c z y n s k a - B o j a n o w s k a  K.,  R y b k a  K. Variability of the content of soluble non-digestible polysaccharides in rye inbred lines. Plant Breed., 1990, 104: 334-339.
  21. B o r o s  D.,  M a r q u a r d t  R.R.,  S l o m i n s k y  B.A. e.a. Extract viscosity as an indirect assay for water-soluble pentosan content in rye. Cereal Chem., 1993, 70(5): 575-580.
  22. B o r o s  D.,  M a d e j  L. The nutritional approarch in rye hybrid breeding. Vortr. Pflanzenzucht., 1996, 35: 140-141.
  23. S m u l i k o w s k a  S.,  N g u y e n  V.S. A note on variability of water extract viscosity of rye grain from north-east regions of Poland. J. Anim. Feed Sci., 2001, 10: 687-693

ГНУ НИИ сельского хозяйства центральных районов Нечерноземной зоны РФ
143026 Московская обл., Одинцовский р-н, рп. Новоивановское,
e-mail: goncharenko05@mail.ru

Поступила в редакцию
7 мая 2007 года

SELECTIVE ESTIMATION OF WINTER RYE INBRED LINES
ON VISCOSITY OF A WATER EXTRACT

A.A. Goncharenko, S.A. Ermakov, A.V. Makarov, V.N. Tochilin,
T.V. Semenova, N.V. Tsygankova

S u m m a r y

The authors have made a comparative estimation of winter rye inbred lines from 8-12-times inbreeding on viscosity of their water extract and other parameters of quality. The greatest distinctions between lines was noted on viscosity of water extract (6,6 times), and the least - on protein (1,7 times) and starch (1,3 times). The link sided asymmetry of variational series in lines on viscosity of extract was revealed.  The relatively low viscosity grain formed in damp during maturing grain years, and more high viscosity - in droughty. The low viscosity genotypes had smaller environmental variance than high viscosity ones. The viscosity of an extract negatively correlated with the contents of protein (r = -0,15…-0,40; p £ 0,05) and  positive — with number of falling (r = 0,14… 0,35; p £ 0,05). Correlation with starch was unstable on years. The opportunity of selection low viscosity lines of a rye with the increased contents of protein in grain was shown.