Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

СОДЕРЖАНИЕ И СОСТАВ БЕЛКОВ В ЗЕРНЕ ПШЕНИЧНО-ПЫРЕИНЫХ ГИБРИДОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ АЗОТНОГО ПИТАНИЯ

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Автореферат диссертации по теме "СОДЕРЖАНИЕ И СОСТАВ БЕЛКОВ В ЗЕРНЕ ПШЕНИЧНО-ПЫРЕИНЫХ ГИБРИДОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ АЗОТНОГО ПИТАНИЯ"

МИНИСТЕРСТВО сельского ХОЗЯЙСТВА СССР

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи Тамара Федоровна МИЛЯЕВА

СОДЕРЖАНИЕ И СОСТАВ БЕЛКОВ В ЗЕРНЕ ПШЕНИЧНО-ПЫРЕЙНЫХ ГИБРИДОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ АЗОТНОГО ПИТАНИЯ

(Специальность — 06.01.04 — агрохимия)

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА — 198»

Диссертация выполнена на кафедре агрономической и биологической химии Московокой сельскохозяйственной академии имени К- А. Тимирязева.

Научный руководитель — доктор биологических наук, профессор Б. П. Плешков.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук А. Б. Вакар, кандидат биологических наук В. А. Кожемячко.

Ведущее предприятие — Всесоюзный научно-исследовательский институт удобрений н агропочвоведения им. Д. Н. Прянишникова.

Защита диссертации состоится « > 1930 г.

в « X?» час. на заседании Специализированного совета Д-120.35.02 при Московской сельскохозяйственной академии имени К- А. Тимирязева.

Адрес: 127550, Москва И-550, ул. Тимирязевская! 49, Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан «

Ученый секретарь

Специализированного совета,

Д°ЦеНТ Л* А' Д°Р0ЖКИНа

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Важнейшим источником растительного белка-являются,зерновые культуры, среди которых наибольший удельный вес в нашей стране занимает пшеница, Она дает свыше 70% общего количества белка, получаемого от всех зерновЫх культур.* Количество и качество белка в зерне пшеницы определяется, с одной стороны, генетическими особенностями растений, а с другой—условиями выращивания, « прежде всего применением удобрений, Как показывают опыты, среди, всех элементов питания, оказывающих влияние на белковость зерна, ведущее место принадлежит азоту (Прянишников Д. Н„ 1945; Плешков Б. П., 1964; Павлов А. Н., 1967, 1979; Дарланбаев Т. Б. и др., .1974; Вакар А: Б„ 1975; Минеев В, Г. и Др.> 1975; Созинов А. А„ 1975; Коданев И. М„ 1976; Vallega V., 1977; Johnson V.,et al., 1979).

Особое значение имеет повышение качества урожая пшеницы путем селекции высокобелковых форм с улучшенным аминокислотным составом белков. Отдельные белковые фракции зерна; выделяемые экстракцией или хроматографк-ческими методами, значительно различаются по содержанию незаменимых аминокислот (Перуанский Ю. В., 1974, 1975; Созинов.А. А„. Попереля Ф. А., 1975; Конарев В. Г, и др., 1976, 1977; Конарев В- Г., 1980; Новиков Н. Н. и Плешков Б. П., 1978;.Плешков Б. П. и др., 1978; Shepherd К. W., 1968; 1975; Barer R. J., Bushuk W., 1978).

Большинство сортов мягкой пшеницы имеет невысокое содержание белков в зерне, которые ж тому же плохо сбалансированы по содержанию незаменимых аминокислот, особен* но по содержанию лизина и триптофана. Высокой белковостью зерна отличаются-многие сородичи пшеницы, и, в частности, пырей сизый. Вовлечение этого вида пырея в скрещивания с пшеницей позволило расширить предел биологических возможностей последней (Цицин Н. В., 1937, 1978;, Ва-кар Б, А., 1935, 1937;, 1948; Шибаев П. Н., 1936, 1971; Крето-вич В. Л., 1937; Лапченко Г, Д., 1971). В литературе отсутствуют сведения о влиянии условий, питания на содержание и состав.азотистых и.других веществ в зерне пшеничио-пырей-ных гибридов разного геномного состава. Изучение этих во-

Цзг.р. ва7?агэ GaSfl;om» 1

на, К, А. Гйагрлз;га

просов имеет важное значение для дальнейшего использования новых образцов пшенично-пырейных гибридов в сельскохозяйственном проивзодстве.-

Цель исследований. Исследования- были выполнены с целью изучения влияния условий азотного питания^ на содержание и состав белков в зерне лшенично*пырейных гибридов разного геномного состава в процессе их созревания.

Программой: исследований предусматривалось два основных вопроса:

1. Изучение накопления белка в зерне пшенично-пырей» ных гибридов разного геномного состава в полевых и вегетационных опытах при различных условиях азотного питания.

2. Исследование количественных и -качественных измене* ний белкового комплекса зерна пшенично-пырейных гибридов под влиянием азотных удобрений и в процессе созревания,.

Научная новизна работы. Впервые дается подробная биохимическая характеристика белкового комплекса зерна пше-нично-лырейиых гибридов разного геномного состава при различных условиях азотного питания* и в процессе созревания. У гибридов разного геномного состава, выявлен целый- ряд особенностей по. реакции на азотные удобрения.. Получены новые сведения о составе белков и содержании незаменимых аминокислот в отдельных бел-ковьгх фракциях зерна пшенично-пырейных гибридов промежуточного и пшеничного типа. С использованием 15Ы впервые получены сведения о характере изменений в составе суммарных и легкорастворимых белков зерна пшенично-пырейных гибридов разного геномного состава в процессе созревания.

Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы при разработке рекомендаций по применению удобрений для сельскохозяйственных предприятияб, направленных на увеличение урожая и повышение его качества, так как в программу исследований были включены возделываемые сорта озимой пшеницы и перспективные образцы пшенично-пырейных гибридов, находящиеся в сортоиспытании.

Апробация работы. Результаты исследований были дважды доложены на научной конференции молодых ученых ТСХА в 1978 г. и в 1979 г. и опубликованы в трех научных статьях.

Объем работы,-Диссертация изложена на 191 странице машинописного текста, включая 7 рисунков и 31 таблицу. Вспомогательный материал диссертации представлен в 12 приложениях. Слисок использованной литературы включает 371 наименование, в том числе 123 иностранных.

Объекты и методы исследований. Исследования проводили с пшенично-пырейнымн- гибридами, различающимися по

геномному составу и морфобнологическим признакам и свойствам. Промежуточные пшенично-пырейные гибриды (2п-56) — ПППГ 163, ПППГ 19 н ПППГ 79.

Пшенично-пырейные гибриды пшеничного типа (2п-42) — ППГ 186, ППГ 347, ППГ 75 и ППГ 113. Для сравнения в качестве образца обычной озимой мягкой пшеницы был взяг сорт Мироновская 808. Для изучения влияния условий азотного питания на содержание и состав белков в зерне пшенич-но-пырейных гибридов в 1977—1979 гг. -были заложены полевые и вегетационные опыты. Мелкоделяночные полевые опыты были заложены на Опытной станции полеводства и льновод-водства Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева по следующей схеме: 1-й вариант — РэоКэо; 2-й вариант—N90P90K90; 3-й вариант—NhoPboKso; 4-й вариант— КноРэоКэо+поздняя внекорневая подкормка N3(b Почва на опытном участке . дерново-подзолистая среднесуглнннстая, рН KCi — 5,8; Нг — 5,0, S— 11,5 мгекв на 100 г почвы; содержание Р2О5 и K¡0 в вытяжке по Кирсанову — соответственно 5 и 8 мг на 100 г почвы; содержание гумуса—2,1%. Фосфорные и калийные удобрения в виде суперфосфата и хлористого калия вносили осенью из расчета 90 кг/га Р1О5 и КгО, азотные удобрения,— в виде аммиачной селитры: 40 кг/га азота осенью и весной в подкормку в варианте N|PK — 50 кг/га азота и в варианте N¡PK— 100 кг/га. Площадь делянки— 1м2, учетная площадь — 0,2 м2, повторность опыта для учета урожайных данных 4-кратная. . Вегетационные опыты проводились в сосудах Митчерлн-ха. Почва дерново-подзолистая средиесуглинистая: рН kci — 5.0; Нг — 7,6, S— 11,5 мгакв. на 100 г лочвы; содержание Рг05 и KsO в вытяжке по Кирсанову — соответственно 4,2 и 5,4 -мг на 100 г почвы; содержание гумуса — 2,8%. Все типы гибридов выращивали на пяти уровнях питания: 1-й вариант— контроль; 2-й вариант—РК; 3-й вариант—NjPK;4-ñ вариант— NaPK; 5-й вариант—NjPK+иоздняя внекорневая азотная подкормка. Фосфор и калий вносили осенью в виде одно- и двух-заметенных фосфатов калия из расчета 0,6 г PjOs и К2О на сосуд. В качестве азотного удобрения использовали аммиачную селитру, которую вносили дробно: 0,3 г N на сосуд осенью и весной а виде подкормки в варианте NjPK — 0,5 г и в варианте NaPK— lf0 г азота на сосуд. Внекорневую азотную подкормку проводили в фазе начала формирования зерна 3%-ным раствором мочевины из расчета 0,3 г азота на сосуд. Повторность опыта для учета урожайных данных 4-кратная.

Погодные условия в годы проведения опытов были различными. Осенне-зимний период 1977—1978 гг. характеризовался по сравнению со средними многолетними данными понн-

женными температурами и меньшим количеством выпавший осадков. В летний период 1978 года выпало осадков больше нормы. Вегетационный период 1979 года был сухим и жарким, В процессе созревания семян были отобраны пробы в фазах формирования зерна, молочной и молочно-восковой спелости. Отобранный для анализов- 'Материал фиксировали жидким азотом и лиофильно высушивали. Для изучения количественных и качественных изменений в составе легкорастворимых, и суммарных белков зерна растения обрабатывали мочевиной, меченной 15М,

В зерне определяли содержание сырой золы, фосфора, калия, крахмала, общего, белкового и небелкового азота, фракционный и аминокислотный состав белков, а также были проведены электрофоретические исследования легкорастворимых белков.

Фосфор и калий определяли по Гинзбург, крахмал — по Эверсу, общий азот — мнкрометодом Кьельдаля. белковый и небелковый азот — по Барнштейну. Фракционный состав белков определяли по Осборну (1935) с некоторыми модификациями (Плешков Б. П., 1976). Для изучения состава легкорастворимых белков зерна их разделяли электрофорезом^ в полиакриламидном геле и гель-хроматографией на: сефадек-се- й-100. Легкорастворимые белки экстрагировали 0,005 М фосфатным буфером (рН 7,4). Электрофоретическое разделение белков проводили в щелочной буферной системе. (Плешков Б.. ГЬ, 1976). Разделение белков гель-хроматографией на сефадексе в-100 поводили в холодной комнате при температуре 2—4°С, используя колонки размером 4ХЮ0 см. Скорость элюции составляла 8—10 мл/ч. Изотопный анализ азота выполняли на масс-спектрометре МИ-1305. Статистическую обработку проводили дисперсионным методом, коэффициенты корреляции-рассчитывали по формуле Бравэ (Рокиц-кий П. Ф„ 1973).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Накопление белка в зерне пшенично-пырейных гибридов при различных условиях азотного питания '

Результаты полевых и:вегетационных опытов показывают, что амфиплоиды и гибриды пшеничного .типа заметно различались по их реакции на азотные удобрения. Наиболее отзывчивыми на внесение азотных удобрений оказались амфиплоиды, хотя по сбору зерна они заметно уступали ,пшенице н ППГ пшеничного типа (та'бл. !)•

В условиях острого дефицита влаги, как это было, например, в полевом опыте 197«—1979 гг., данная особенность ам-

Урожай зерна ютеничио-пырейных гибридов

Та блика I

Варианты опытов

Формы контроль PJC N.PK М3РК NjPK+ + под к.

Полевой опыт 1977—1978 гг. (г на 1 делянку)

ПППГ 163 . . ПППГ 19 . . . ПППГ 79 . . . ППГ. 18в . . . ППГ 347 . . , Мироновская 808

11СР о.сз (по генотипу) и

21 84 45 Ш 109 106

33 63 91 222 178 1G1

53 83 134 245 204 ЮЗ

5,С;. IICP»,«s (по.влиянию удобрений)

Полевой опыт 1978—1979 гг. (г на 1 делянку)

134 1 147 1 161 179 195 200 149 I 158 I 166

ПППГ 79 .... .

ППГ 347 .....

Мироновская £03 . „

ИСРма (по генотипу) = 12.9; НСР<м& (по влиянию удобрений)

Вегетационный опыт 1977—1978 гг. (г на 1 сосуд)

ПППГ 163 ... .

ПППГ 19 .... .

ПППГ 79 . . . . .

ЕГ 166 . .1 - . , ПГ 347 . . . , ____ронозская 808 , ,

НСР«,« по (генотипу) =• 1.1; НСР*« (по влияшно удоСреиий)

Вегетациоаный опыт 1978—1979 гг. (г на' 1 сосуд)

82 135 247 204 19$

- 7,2

162 203 167

• ИД

1.8 2.8 9.9 23,2 23,2

5.6 6.6 22.4 34.6 34.0

4,2 5.7 23.6 39.3 39.1

9.3 12.6 37.3 48.9 43.3

10.1 .12,1 35.9 47,3 47,3

9,7 32,8 46.1 4G.0

1.2

ПППГ 79...... 10.5 26.0 - 39,3 • Э9,е

ППГ 75...... 154) 37.1 . . 43Л ■ 43,3

ППГ 113...... 18.2 34>6 . 41,3 41,3

ППГ 347 ...... 18.5 39,4 48,0' 48,7

Мироновская 803 . . 18.6 36.4 * * 42,7 42,5

НСРо.и (по гешлизу) =3.5; НС1\мл'<по влияний. удобрений) =3,9

фнплоидов может не проявляться. Из трех амфиплоидов разного геномного состава наибольшей продуктивностью характеризовался гибрид ПППГ 79, который наследует пырейиый

геном О,. ..............^

Сравнение урожаев двух лег в полевых опытах показывает, что в опыте 1978—1979 гг. получен.более! низкий эффект от внесения азотных удобрений. Если в опыте 1977—1978 гг. при внесении М(4о на фоне Р®оКэо сбор зерна увеличивался в 1,7—2,9 разз, то в опыте 1978—1979 гг. от внесения'такой же дозы азота урожай'повышался в 1,1-—1,2 раза. Более слабое действие азотных удобрений в опыте 1978—1979 гг. было, очевидно, вызвано острым дефицитом влаги в почве, так как

лето 1979 г. было крайне засушливым. В вегетационных опытах били получены меньшие различия урожайных данных по годам. В вегетационном опыте 1977—1978 гг. в варианте урожайность промежуточных лшенично-пырейных гибридов была в 5,2—8,3 раза, а у гибридов пшеничного типа и пшеницы в 3,9—1,8 раза выше, чем в варианте РК. В вегетационном опыте 1978—1979 гг. внесение азотных удобрений повышало урожай амфиплоида в 3,7 раза,, а гибридов пшеничного типа и пшеницы — в 2,3—3 раза.

Под действием азотных удобрений не только повышалась, урожайность растений, но и изменялось качество зерна. В большинстве опытов при повышении дозы .азота увеличивалось накопление в зерне белков.

Существенное увеличение сбора белка наблюдалось в вариантах с поздней внекорневой азотной подкормкой. Обработка растений раствором мочевины в фазе начала формиро-

Таблица 2

Содержание белков в зерне пшенкчно-пырейных гибридов / (% от сухой массы)

Варианты опыгоэ

Типы гибридов контроль РК Ы,РК КгРК ¡^РК-Ь +подк.

Полевой опыт 1977—197В гг.

ПППГ 163 , , 4 * 14.0 >14,4 14.6 —

ПППГ 19 . . . 10,6 12.1 12.9 14,6

ПППГ 79 . . . 12,0 13,8 11,9 13,9

ППГ 186 . . . « » 11.8 ЮЛ . Ю.О 13,1

ППГ 317 . - . 12.1 13,0 12,0 13,7

Мироновская 80$ 1<\5 12,1 . 12.6 ■ 14.5

Полевой опыт 1978—1979 гг. .

ПППГ 79 . , , 16,0 16,6 17,0 17-.8

ППГ 347 . , . 14,2 15Л 16,0 16.5

Мироновская 803' . . . 13,7 15.2 15.4 16.1

Вегетационный опыт 1977 —1978 гг.

ПППГ 163 12.7 12.6 14.1 1Я6 16,2

ПППГ 19 . 10,3 11,2 12.5 14.0 15.2

ПППГ 79 . . ". 9.7 12,5 12,0 12,5 13,1

ППГ 186 .. . П.4 11.1 10,2 К1 14^6

ППГ 347 . . . , » * 11,4 12.2 11,0 13,1 - 14.5

Мироновская 808 . . . 12,1 11.7 10,0 14.4 14,8

Вегетационный опыт 1978 —1979 ГГ.

ПППГ 79 . , . * » 13,0 13.4 ке 16^1

ППГ 347 .. . 11,4 11,1 14,4 152

ППГ 7& . . - * 11.3 11,6 13,7 14.9

ППГ 113 . . 12,3 13,0 14.9 15^3

Мнроиовская 6 * * * 10,0 10,9 13,4 15,6

вания зерна не оказывала влияния на урожайность пшеннч-но-пырейных гибридов, но повышала накопление а зерне белков на 1—3% (табл. 2) .

Результаты наших опытов по влиянию поздней вискорие- . вой азотной подкормки на накопление белка в зерне пшеннч-но-пырейных гибридов полностью согласуются с даниыми других исследователей, полученными в опытах с различным» сортами озимой и яровой мягкой пшеницы (Павлов Л. Н., 1967, 1070; Воллейдт Л. П. и др., 1974, 1977; Минеев В. Г. и др., 1975; Макарова А. Я- и др.; 1977; Dokic D., 1979).

Изучение, химического состава зерна пшеничио-пырейных гибридов показало, что под действием возрастающих доз азотиых удобрений, как правило, увеличивалось содержание в зерне азота, фосфора и сырой золы. Между этими показателями обнаружена заметная положительная связь, которая обнаруживалась при воздействии самых различных факторов, оказывающих влияние на белковость зерна, — генетических, климатических и условий питания растений.

В результате определения .фракционного состава белков было установлено, что в зерне промежуточных пшепичио-пы-рейных гибридов содержится несколько больше альбуминов и глобулинов и меньше глюгелинов, чем у пшеницы и гибридов пшеничного типа (табл. 3). Во влажных условиях вегетации (1978 г.) при увеличении дозы азота в зерне гибридов повышалась концентрация спирторастворимых белков и снижалось содержание альбуминов и глобулинов, а также нсэк-страгируемых белков. Наиболее заметно изменялось соотношение белковых фракций в вариантах с внекорневой азотной подкормкой, которая вызывала, прежде всего, увеличение в зерновках доли проламинов. В более засушливых условиях вегетации (1979 г.) повышение содержания белков в зерне под действием азогних удобрений у каждого генотипа происходило по-разному, У амфиплонда ПППГ 79 содержание белков в зерне при увеличении дозы азота повышалось практически без изменения соотношения белковых фракций. У гибрида пшеничного типа ППГ 347 наблюдалось в основном изменение соотношения клейковинных белков— проламинов и глютслинов. У пшеницы Мироновская 808 при увеличении дозы азота несколько снижалось содержание легкорастворимых белков и увеличивалась доля глютелинов и незкетрагируе-мых белков.

В результате электрофоретнческих исследований установлено, что пшенично-пырейные гибриды различаются по составу легкорастворимых белков. У промежуточных гибридов ПППГ 1оЗ и ПППГ 19 обнаружен заметно выраженный полиморфизм белков, обусловленный, по-видимому, тем, что данные гибриды унаследовали от пырея способность к перекрест-

Таблица 3

Фракционный состав белков зеряа поенично-лыреДных гибридов (М фракций в % от Ослкоэого). Полевой опыт 1977—1978 гг.

Формы

Белковые фракции Вар найти опита 8-и. с с с С1 С П С Й I- С с: с § и. £ -1» о (-1 С С '83 X но 8.*- к я £ с-

Альбумины и легкораствори; мые глобулины РК К1РК К5РК+подкормка 22,2 21.1 19,8 20,7 23,1 19.4 1Я.7 19.6 19,3 18,3 1Й.О 15,9 1М 17,6 16,1 17.5 17.5 17,1 15.4 19,5 19.0 16,4 14.9

- Глобулины РК М)РК МаРК .Ч'гРК+год-кормка 21,1 17,8 16,3 20.7 20.8 21,1 18.3 17,6 16,2 15.4 16.4 13,5 14.4 13,1 II«1 14.2 13.2 12,4 12.9 18.8 19,0 12,5 12.9

Пролаыины РК Г^РК ^РК Ы)РК+под-корчка 23,8 31,7 35,0. 2Эа7 27,4 30,0 34.6 31.2 33.3 34,1 36,1 34.4 33,7 37.5 39.2 33.2 ЗЗД 34.8 35.9 32,2 32.2 36.0 35.1

Глю телины РК МзРК МаРК+подкормка 19,9 21,1 21,0 20.7 19.8 22,0 20.6 23.6 24.1 25,0. 21.7 28.0 2л* 23,0 2аг> 28,0 2&Л 27,1 28.3 22,0 23,223,0 30,6

Остаток РК К,РК К4РК ,\*2РК+ подкормка 8,0 8,3 7,9 9.2 9.0 7.5 7,8 8.0 7.1 7.2 7.8 8.2 7.2 6,8 6.5 7,1 7.9 8,6 7.5 7.5 6.6 7,1 5.5

ному опылению, поэтому у них врезультате свободной пере-комбинашш наследственных факторов создается значительное разнообразие генотипов. У амфиплонда ПППГ 79 так же, как и у гибридов пшеничного типа и пшеницы, не било обнаружено каких-либо заметных различий в электрофоретиче-скнх спектрах легкорастворимых белков отдельных зерновок. Все исследованные образцы пшенично-пырейных гибридов имели характерные спектры легкорастворимых белков, которые практически не изменялись при различных: условиях литания растений. В наших исследованиях не было обнаружено заметных измсненийв электрофоретическом спектре легкорастворимых белков даже при резко различных условиях

s.

roti и

al

3i<t

t

<»

D

X с

S t*

S

о

Д

о

M f

о

О"

о

ы

с • .. ,-J С/I о M о

1

el"

хо

tí (Л

»а »

К Щ

я

' о О Я

œ s: « «

Z я s о et« и «

а.В t»

¡Sfi I—I»'' О >3

5" Ляno

X .J.J.Q о

jaoj«н

CoS bp o«S po >ii çy о

»►q о

t» h ï H

«wco к S

О О EU >U (*

я f« Si Of

о о M л en zt . sit-«

oto - .

s к<

гио *

KHiH о

liniMIUllinilllllllJi

i'

i i^Mmifiïïïirrmrm

i ;mi тышнлтш

)

i t

11«ШШ111Н.М1Ш1№П

II!! ilHIilllim В; i i II

"■«■ГГ-КЩ»

kl «i 41

Jul -

üiaiiBinss

1 II» IUI IIIIII НШИЙН

с

ияшпшииштп

1 II » 'Hllillíl SffîffîTïï)

пег ¡а

ИГ ш

тгн

КшреШелЫ Ш

Рис. 2. Изменение содертсния форм азота в процессе ^ормарогания эериа /в сухой мао-сы/

Г-контродь^-РК; 3-Л4РК: РК; 5-Ж-РК-под.. . кормна; за орми£о?ания эерна;1Г-6олочная слелос.ть; Ш-молочно-роокороя спелость; 1У--полная спелость.

Таблица 4

Аминокислотный состав суммарных белков зерна птенячно-пырейвых гибридов (мо.1Ь%). Полевой опит 1977—1978 гг.

[ШПГ 103 ПППГ 19 ПППГ 79 1111Г 180 ППГ 347 Мироновская 808

Аминокислоты

I 1 • И I И I Н I * 1 1 .

Лкзян , . . ,, . ... 3,61 3,60 3.47 3,55 3,43 3,32 3,28 3,30 ' 3.20 3,23 3.18 -

6,01 6,06 6,10 6,01 0,07 5.03 5,65 6,04 е.сю 5,79 5,80

Гистндии....... 1,75 1,76 1,60 1,81) 1,96 1,96 1,80 1(83 2.03 1,99

ш 3,97 4.02 3.6« 3,91 4,02 4,04 3,97 3,97 3,68 3,70

7,00 7.ГО 7.01 7,09 6,92 6,93 6,81 6,88 6,88 6,95

ш 1,27 1.23 1,40 1,32 1,03 1,09 1,04 1,07 1,19 1,16

Треонин......... , 4.26 4,25 4,20 4Л) 4,20 4,41 4,43 . 4,49 4,40 4,«' 4,43

4,27 4,21 4,28 4.27 ЬМ 4,21 4,21 44!2 4,20 4,1$ 4,17 4.16

Аспараишовая кислота . . 6,43 5,93 5,89 6,88 0,66 6,71 6,76 1 680 6,71 С,64

Серая.....; . , . 6.01 «,12 ММ 5,03 5,93 5,73 5,80 ■ 5,73 5,74 5,41 5,49

ГлутаминоваЯ кислота . . 2120 23,72 23,87 24,15 24,22 25,16 25^28 25,14 25.28 25,38 25,47

11.60 11,77 11,33 12,07 12.16 12,28 12,36 12,26 12,37 1231 12,39

7,48 У,44 7,18 7,14 6.Й0 6,76 7,15 7.20 7Л ' ' 7,21

Алания........ 6.16 6.14 6,17 6,10 5,61 Г,,67 5,85 5,аз 6.58 5,63

Тирозин' ;...... . „ 3.00 3.14 3,15 2,99 2,93 3,03 3.01 3,19 3.24 3,10 3,09

Аргинин........ 5.13 5,32 5.20 5,17 32,12 5,10 5,14 5,07 5,15 5,17 5,32 5,27

Сумма незаменимых аминокислот 32,;>5 12.3» 32.13 32,03 31,48 31,50 31,65 , 31,63 31,39 31,37

* I —РК. Н —^РК+подкормка.

азотного пита н и я растений. Следовательно, электрофорети-ческие спектры дегхорастворимых белков зерна можно использовать в качестве генетической характеристики при ис-/ следовании различных биологических особенностей пшеннч-но'пырейных гибридов. Рис. 1. . /

Важнейший показатель пищевой и кормовой ценности-белкоа— их аминокислотный состав, главным образом содержание it соотношение в них незаменимых аминокислот. Для некоторых аминокислот установлена отрицательная корреляция с белковостью зерна (Плешков Б. П., 1964; Павлов Л. Н„ 1967, Макарова Л. Я. и др., 1977; Мннеев В. Г. и др., 1979;:. Trocme Л., 1975; Völker Т., 1975). При изучении аминокислотного состава белков зерна пшенично-пырейних гибридов было установлено, что амфиплонды по сравнению с гибридами пшеничного типа содержали в суммарных белках больше'лизина и некоторых других, незаменимых аминокислот — вали-на, лейцина и метионина (табл. 4). Поэтому данные гибриды можно использовать ие только о селекции на повышение белковости зерна мягкой пшеницы, но и для улучшения качества белка. Повышенное содержание лизина в суммарных белках зерна гибридов промежуточного типа определяется особенностями фракционного и аминокислотного состава белков. В зерне амфиплондов содержится больше хорошо сбалансированных по составу незаменимых аминокислот белков — альбуминов и глобулинов. В то же время у этих гибридов белки всех фракций, различающихся по растворимости, характеризовались повышенной концентрацией лизина. Даже в проламинах у этих гибридов содержалось 1,1—1,3 моль% лизина. (табл. 5). Данные особенности амфиплондов проявлялись при различных условиях азотного питания растений. Под дейстписм азотных удобрений были установлены некото-рце изменения в концентрации как заменимых, так и незаменимых аминокислот.

Таблица 5

Сояерж аниелязи на в отдельных белковых фракциях зерна пшеницы

и птеничио-лыреВкых гибридов. (моль%). Вариант NjPK-f подкормка.

Полевой опыт 1977—1978 гг.

Формы Альбу- Глобу- Прола- Гл юте-

мины лины минц ля ни

Амфиплонды:

ПППГ 1(3 .... ■...... 7.24 5,1 Г 1,38 5.1S

ПППГ 19 . . '...... . 7,23 5.01 ' 1,20 4,99

ПППГ 79 ... ,..... Гибриды глспичного шла: 7.00 5.03 1,15 5.Û2

ппг tso......... 6.7S 4.63 1.00 А,8Э

ППГ 347 -- - . "...... 6.80 4.76 0,96 4.86

Пшеница Мнроновскач S03 . . 6,73 4,73 0,53 4,03

10

тг гя

£S3Í ШЗ<Г 03/, ШШ«' i—\í

Рис*3. Изменение фраг^сннсго состаса белков в провесе соэгегания sepia /Уфрам$1й s ' or белкового/, а-'альбунины и легкораст?ор.1кые глсйулины; . <J- глобулины; в- проланины; г- гдптелины; а- неэкстрагируемье белки; I- $аза ¿оршрогания зерна; П-молочная ene», лость; Ill-Колочно-Еоскорая спелость; ХУ-полная сг.елссть.

И: Количественные и качественные * изменения белкового -комплекса зерна пшенично-пырейиых гибридов; • в,процессе созревания

При исследовании гибридов разного геномного состава было важно установить не только общий уровень белковости зерна при различных условиях азотного питания, но и выявить некоторые их биохимические особенности накопления белков в процессе созревания зерна.

Как показали наши: опыты, биологические особенности пшенично-пырейных гибридов по накоплению в зерне белков при различных условиях питания, как правило, обнаруживались в ранние фазы развития зерновок. Гибриды разного геномного состава различались между собой по интенсивности накопления белков.

В вегетационном опыте 1977—<1978 гг. у змфиллоида ПППГ 163 наблюдалось -постепенное увеличение содержания белкового азота1 от фазы формирования зерна до полной спелости. У другихлшенично-пырейных гибридов и пшеницы отмечалось снижение концентрации белкового азота от фазы формирования зерна до молочно-восковой спелости, а затем-интенсивность синтеза белков в. их зерне резко возрастала. Содержание небелковых азотистых-веществ постепенно сни-. жалось от фазы, формирования зерна до полной спелости. При внесении разных доз азота было установлено, что в большинстве случаев содержанке Сел ко »о го' и небелкового азота на всех этапах, формирования зерна в основном отражало концентрацию азота в почве. Рис. 2. • ■

Накопление белка во время налива зерна представляет собой довольно сложный интегрированный процесс, который складывается из множества отдельных звеньев синтеза индивидуальных, белков. А поскольку различные группы белков синтезируются в зерновке с неодинаковой скоростью, то общее накопление белкового азота обычно сопровождается изменением соотношения белковых фракций на разных этапах созревания зерна. ; *

В фазу формирования зерна у всех- исследованных'форм суммарные белки на 55—65% были представлены альбуминами и: глобулинами, , количество глютелинов составляло 15— 20% общего количества белков, содержание неэкстрагиро-ванных белков достигало 12—15%. В этот период в зерновках содержалось мало проламинов, их ■кошхентрзцня не превышала 5—12% от общего количества белков. В последующие фазы, созревания в зерновках уменьшалась доля легкорастворимых белков, а также белков остатка и увеличивалось содержание клейковинных белков. Рис. 3.

ИзотопныЙанализ азота.в фазе формирования зерна noil

казал, что азот внекорневой подкормки быстро включался как во фракийка небелковых азотистых веществ, так н в белки, причем обогащение белкового азота-^М-было более значительным, чем небелкового азота (табл. 6), .

Таблица 6

Включение ■ 'Ж внекорневой' подкормки,■ в отдельные фракции азотистых соедвнедай зерна пшеннчио-пырснных гибридов и.пшеницы. ' Вегетационный опыт 1978—1979 гг.

Включение. в суммарные азотистые вещества зерна Распределение меченого азота. по фракциям азотистых соеди-

Фазы созревания зерна 5:2 » - -X к ¡Га 2 а _ ОСЬ 13 Ч Я « ЭЙ нений (в % от поступившего азота)

3*! п М к « ио о ё Е * белковый небелковый

• ПППГ 79 * (

Формирование зерна . . Молочная спелость , . , Молочно-восковая спелость . . • 11.33 7.77 8.57' 52,4 87,4 9<\4 126,3 1Я9 13,6 Г 4,3 13^6 74,3 82.9 85.0 •95,4" 25,7 17.1 15,0 4.6

ППГ 347

Формирование зерна . . Молочная спелость . . . Молочно-восковая спелость Полная спелость . . . . - - 9,10 8.57 6.84 5.58 42.4 76.9 93,1 500.5 16.0 15,1 12.0 9,8 74.4 83.7 эао' 94.9 ~ 25.6 16.3 10,0 ' ~ 5,1.

Мироновская 808

Формирование зерна . . Молочная спелость . . . Мол очно-восковая спелость Полная спелость .... . . • 9.01 7,69 6.29 5.00 39,8 66.4 72,7 £6,6 15,8 13-.5 11.0 8,3 75.1 85.4 90.0 94,7 21,9 13.6 10,0 5.3

Амфиплоид ПППГ 79 отличался от ППГ 347 и обычной пшеницы: Йолее эффективным использованием внекорневой подкормки. В процессе созревания зерна происходило более интенсивное включение меченого азота подкормки в белки, поэтому л фазе полной спелости лочти весь азот подкормки, поступивший в зерно (в среднем 95%), обнаруживался в составе белков и только 5% оставалось в небелковой фракции. В фазе формирования.зериа нанбольшее количество меченого азота поступило во фракцию альбуминов и легкорастворимых глобулинов, в 2—4 раза меньше азота включалось во фракции глобулинов, глютелинов и неэкстрагируемых белков: На первых этапах созревания зерна наименее интенсивно азот подкормки включался в сплрторастворнмые белки—

проламины. В дальнейшем в процессе налива зерна синтез проламнноз у всех образцов усиливался.

Синтез альбуминов и легкорастворимых глобулинов наиболее интенсивно протекал в ранние фазы формирования зерна до фазы молочной спелости, а в последующие фазы приток азота в эту фракцию прекращался.

В процессе созревания зерна у всех образцов наблюдалось поступление меченого азота внекорневой подкормки во фракцию глобулинов, однако синтез этих белков у различных ' гибридов протекал с неодинаковой скоростью. Интенсивность синтеза глобулинов в зерне амфиплонда увеличивалась от фазы формирования зерна и до полной спелости. Синтез глобулинов у гибрида ППГ 347 протекал примерно с одинаковой скоростью во все фазы созревания зернат а у пшеницы Миро» новская 808 синтез этих белков снижался после наступления -фазы молочной спелости.

* Синтез глютелинов у всех образцов наиболее интенсивно протекал до фазьг молочной спелости » от фазы молочно-восковой до полной спелости. Включение меченого азота подкормки в неэкстр а гиру ем ые белки происходило менее интенсивно на всех этапах созревания зерна.

Гель-хроматографией на сефадексе G-IOO лсгкораствори-мие белки зерна ПППГ 79 и ПГ1Г 347 были разделены на несколько фракций, которые заметно различались по молекулярным массам. На полученных хроматограммах можно вы-; делить три главные фракции» обозначенные нами как Л, В и С. Фракция А представлена высокомолекулярными белками с молекулярными массами 80—120 тыс. и состоит как минимум из двух подфракиий ai и а2.

Фракция В представлена белками со средними молекулярными массами (20—60 тыс.) и включала две подфракцин - В( и ва. .

Фракция С включала низкомолскулярные белки (5— 10 тыс.), а также небелковые азотистые вещества и другие ннзкомолекулярные соединения.

В, процессе созревания зерна соотношение фракций легкорастворимых белков, различавшихся по молекулярным мае--сам, заметно изменялось. У гибрида ППГ 347 в фазе молочной спелости 75% легкорастворимого азота приходилось на иизкомол скуля риые белки и небелковые азотистые вещества и только 25%—на высокомолекулярные белки и белки со сроднен молекулярной массой. Затем от фазы молочной до полной спелости в зерне этого гибрида снижалось содержание низкомолекулярных соединений азота и увеличивалось количество высокомолекулярных белков и белков со средней молекулярной массой. .

У амфиплонда ПППГ 79 эти изменения были выражены

менее четко, однако направленность указанных процессов была такой же, как н у гибрида пшеничного типа.

Изменения в составе легкорастворнмых белков в процессе созревания зерна, полученные путем количественного сопоставления белковых фракций, полностью подтверждаются данными, полученнымпс использованием 15К После разделения легкорастворимых белков на сефадексе й-МО-до изотопного анализа были выделены следующие белковые фракции: аь аг. В1, В2, с, а также смешанная белковая фракция в2—с.

.Таблица 7

Включение 'ЗД внекорневой подкормки в отдельные подфракцин легкорастворнмых белков зерна птеннчно-пырейных гибридов (в % от поступившего азота), вегетационный• опыт 1978—1979 гг.

Типы гнОридов Фааьг созревания зерна Фракции л с гкор а створи мо го азота

а2 В1 вл в;-с с

ПППГ 79 Молочная еле-- лост ь Молочно-воско-вая сгтслость Полная спелость 13,0 14,4 16 5 23.2 22,9 30.4 Н.4 12.0 18,2 7.9 5.9 8.8 5.6 5.7 6,1 35.9 39.1 20.51

ППГ 317 Молочная спелость Модочло -вое ко' пая спелость Полная спелость 4,8 10,5 18,» 6,4 26,2 29,1 5,6 10.4 21,0 4,3 -63 8,9 4.0 6,3 7.1 74; 41 ^ 15,1

Изотопный анализ азота указанных белковых фракций показал, что в фазе молочной спелости азот внекорневой подкормки наиболее интенсивно включался в небелковые азотистые вещества н ннзкомолекулярнис белки, а у промежуточного гибрида ПППГ 79 еще » во фракцию высокомолекулярных белков а2. В зерне амфиплоида от молочной до мо-лочно-восковой спелости были отмечены небольшие изменения по распределению меченого азота подкормки во фракциях легкорастворимых белков, тогда как у гибрида пшеничного типа увеличивалось количество меченого азота во фракциях высокомолекулярных белков и белков со средней молекулярной массой. От фазымолочно-восковой до полной спелости в зерне пшенично-пырейных гибридов усиливалось накопление высокомолекулярных белков -н белков со средней молекулярной массой (табл. 7).

Полученные данные свидетельствуют о том,- что от фазы молочной до полной спелости в зерне амфиплоида ПППГ 79 наиболее интенсивно протекал синтез белков фракции В1 (со средней молекулярной массой) и высокомолекулярных бсл-и

ков фракции а(. В зерне ППГ 347 интенсивнее синтезировались белки высокомолекулярной фракции аг, а также фракции at и IM. Таким образом, в процессе созревания зерна у пшенично-пырейных гибридов наиболее резко усиливается синтез высокомолекулярных белков и. определенной части белков со средней молекулярной массой. ^

Выводы

t ' * -

1. Пшенично-пырейные гибриды разного геномного соста: ва заметно различались по сбору зерна. Улучшение условий азотного питания во всех вариантах опытов обеспечипало резкое увеличение урожая и сбора белка. Промежуточные пшенично-пырейные гибриды отличались, повышенной способностью к накоплению в зерне белков и высокой отзывчивостью на внесение азотых удобрений.

Обработка растений'раствором ¿мочевины в фазе начала формирования зерна не оказывала влияния на урожайность пшеннчно-пырейных гибридов, но вызывала увеличение содержания в зерне белков на 1—3%. *

2. В результате определения фракционного состава белков было установлено, что в зерне промежуточных пшеннчно-пырейных гибридов содержится несколько больше альбуминов и глобулинов и меньше глютелинов, чем у пшеницы и гибридов пшеничного типа. При увеличении дозы азотных удобрений в зерне пшенично-пырейных гибридов и пшеницы повышалась концентрация проламинов и снижалось содержание альбуминов и глобулинов, а также неэкстрагнруемых белков. Наиболее заметно изменялось соотношение белковых фракций при внесении поздней внекорневой азотной подкормки. В; условиях повышенных температур направленность этих процессов может заметно изменяться.

3. В процессе электрофоретических исследований было; установлено, что каждый гибрид характеризуется определенным составом легкорастворимых белков зерна, который не изменяется при различных условиях питания растений. У некоторых пшеннчно-пырейных гибридов обнаружен внутривидовой полиморфизм по составу легкорастворимых белков,

4. В процессе формирования зерна изменялось соотношение белковых фракций. В зерне гибридов, как правило, снижалась доля легкорастворимых белков и увеличивалось со* держание клейковннных белков. Накопление клейковннных белков происходило в основном за счет увеличения доли проламинов, тогда как синтез глютелинов повышался: менее интенсивно.

5. В опытах с использованием rsN было установлено, что

йзоТ ьнекбрневой подкормки быстро включался-в белки. Анализ зрелого зерна показал, что примерно 95% поступившего. в зерно азота подкормки затрачивалось растениямина синтез белков и только 5% было обнаружено во фракциинебел-кового азота. Пшеиичио-лырейные гибриды более эффективно использовали азот внекорневой подкормки.

. 6. Изотопный анализ азота белковых фракций зерна показал, что на первых этапах формирования зерна происходит интенсивный синтез альбуминов и легкорастворнмых глобулинов, а у промежуточного гибрида ПППГ 79 также и синтез глобулинов. В дальнейшем резко увеличивалось поступление меченого азота подкормки во фракцию проламинов. Синтез глютелннов наиболее интенсивно протекал от фазы формирования зерна до молочной спелости и от молочно-восковой до полной спелости зерна.

7. Разделение легкорастворимых белков зерна- пшенично-пырейных гибридов на сефадексе в-100 показало, что амфи-плоид и гибрид пшеничного типа были близки по содержанию низкомолекулярных белков и белков со средним» молекулярными массами, но имели разное соотношение фракций высокомолекулярных белкоа.

• 8. При исследовании состава легкорастворимых белков с использованием 15М было обнаружено, что на ранних этапах формирования зерна у пшенично-пырейных гибридов происходил интенсивный синтез низкомолекулярных белков, а в дальнейшем увеличивалось накопление белков с большей молекулярной массой.

9. При изучении аминокислотного состава белков зерна пшенично-лырейных гибридов установлено, что амфиплоиды по сравнению с пшеницей и, гибридами пшеничного типа содержат в белках зерна больше лизина, а также взлина, лейцина и метнонина. У амфиплоидов нет обратной зависимости между количеством в зерне белков и концентрацией в белках лизина, как это обнаружено у многих образцов пшеницы. При -увеличении дозы азота отмечалось некоторое снижение в белках концентрации лизина и аргинина и увеличение количества глутаминовой кислоты и пролина.,

10. Исследование аминокислотного состава отдельных белковых фракций, выделяемых . по Осборну, показало, что гибриды пшеничного типа и пшеница довольно близки по содержанию большинства аминокислот. Амфиплоиды характеризовались повышенным содержанием лизина во всех белковых фракциях. Поэтому они могут быть использованы в селекции не только на увеличение содержания белка в зерне пшеницы, но и улучшения качества белка:

Список опубликованных работ по теме диссертации

I. Миляева Т. Ф. Биохимическая характеристика, белков зерна отдаленных гибридов пшеницы. — Доклады- ТСХА,

1979 г., вып. 248, с. 34—39,2. Плешков Б. П., Новиков Н. Н., Миляева Т. Ф. Содержание и состав белков в зерне пшенично-пырейных гибридов-при различных условиях азотного питания.—Известия ТСХА,

1980 г., вып. 2, с. 57—65.

3. Плешков Б. П., Новиков Н, Н„ Миляева Т. Ф.—Накоп-. ление белка в зерне пшенично-пырейных гибридов: разного геномного состава при различных условиях питания.— Известия ТСХА,.1980 г., вып. 4, с. 81—88.

Л 52113 24/1Х—60 г. Объем 1'/» п. л. Заказ 1966. Тираж 100

Типография Московской с.-х. академии им. К. А, Тимирязева 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44