Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние синтетического регулятора роста растений фуролан на формирование белково-углеводного комплекса зерна озимой мягкой пшеницы

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Влияние синтетического регулятора роста растений фуролан на формирование белково-углеводного комплекса зерна озимой мягкой пшеницы"

На правах рукоЖси

ГАРАЖА Валентина Владимировна ^ /"" ^

щ

ВЛИЯНИЕ СИНТЕТИЧЕСКОГО РЕГУЛЯТОРА РОСТА РАСТЕНИЙ ФУРОЛАН ИА ФОРМИРОВАНИЕ БЕЛКОВО-УГЛЕВОДНОГО КОМПЛЕКСА ЗЕРНА ОЗИМОЙ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ

Специальность: 03.00.23 - биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических паук

Краснодар 2006

Работа выполнена п ГОУ В ПО «Кубанский государственный технологический университет»

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук.

Нснько Наталия Ивановна

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор,

Пстепко Александр Иванович

кандидат биологических наук Топчнм Мария Владимировна

Ведущая организация: Краснодарский научно-исследовательский институт хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россел ьх оза к а дем и и

Защита состоится 24 ноября 2006 года в 13 часов на заседании диссертационного сонета Д 220.038.09 нри Кубанском государственном аграрном университете по адресу: 350042, г. Краснодар, ул. Калинина, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан 24 октября 2006 г-.

УЧСИЫЙ ССКрСТарЬ

диссертационного совета

кап л. »шоп ПОПИИТ

1 Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одним из перспективных направлений прикладной биотехнологии является применение биологически активных веществ, позволяющих наиболее полно реализовать генетический потенциал сортов сельскохозяйственных культур, в том числе и озимой пшеницы.

Пшеница занимает лидирующее ■ место в мировом производстве зерна, ее культивируют более чем в 80 странах земного шара, Зерно пшеницы используется для выработки наиболее массовых продуктов повседневного гшгания населения, которые являются основным поставщиком усвояемых углеводов - главного энергетического компонента пищи и белков.

Продуктивность и качество зерна контролируется разнонаправленными генетическими системами. Одновременное повышение урожайности и качества зерна является актуальной задачей.

Одним из путей решения этого вопроса является использование биологически активных веществ.

В КубГТУ создан регулятор росла растений, содержащий в своей структуре фура новый цикл - препарат фуролап - (2-фурил-2)-1,3-диоксо-лйп, высокоэффективный, малого ксич и ый, используемый в микродозах, разрешенный к применению на территории России.

Фуролан проявляет свойства ретарданта, повышает урожайность сельскохозяйственных культур, в том числе и озимой пшеницы, и устойчивость растений к часухс и поражению грибковыми заболевания лги.

Ранее было установлено, что фуролап положительно влияет па физиолого-биохнмичеекие процессы, увеличивает продуктивность растений пшеницы, способствует получению Солее выровненного по размерам зерна в колосс, синхронизирует его согревание, повышает содержание

крупной фракции, крахмала, белка, клейковины и ее качество, сгскловидность, и снижает зольность зерна на различных уровнях агрофона и при внесении системы минеральных удобрений. Однако молекулярные механизмы воздействия регулятора роста растений препарата фуролан на формирование белково-углеводного комплекса зерна ранне- и среднеспелых сортов озимой пшеницы при созревании не изучены. Таковы теоретические и практические предпосылки, которые определили цель и задачи настоящих исследований.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематикой ПИР кафедры Пищевой инженерии и высоких технологий КубГТУ в рамках госбюджетной темы: «Теоретическое обоснование и разработка прогрессивных технологий хранения и получения продуктов питания из растительного сырья», № госрегистрации 01200305556.

Цель работы. Цель настоящей работы - изучить влияние препарата фуролан на формирование белково-углеводного комплекса зерна озимой мягкой пшеницы при созревании.

Основные задачи исследовании. В задачи исследований входило изучить влияние препарата фуролан при созревании зерна ранне- и среднеспелых сортов озимой пшеницы на:

- содержание нуклеиновых кислот, степень полиадеиилирования и стабильность мРПК;

- динамику накопления общего белка, белкового и небелкового азота;

- локализацию запасного белка и формирование микроструктуры зндосперма зерна озимой пшеницы;

- фракционный и компонентный состав белка;

- динамику накопления аминокислот;

- динамику накопления крахмала, амилозы и амилопектипа;

- хлебопекарные свойства муки (физико-химические показатели

качества, реологические свойства);

- физико-хим и чтение свойства хлеба.

Научная новизна. Впервые изучено шшяпис препарата фуролан на формирование бел ково-угле водного комплекса созревающего зерна ранне- и среднеспелых сортов озимой пшеницы.

Впервые установлено, что препарат фуролаи в созревающем -зерне ранне - и среднеспелых сортов озимой пшеницы:

- повышает стабильность мРНК, увеличивает длину поли(Л)-последовательноеги па 3' конце мРНК, у раннеспелого сорта в фазы молочной и восковой спелости зерна, у среднеспелых сортов - в фазу восковой спелости;

- активирует накопление белка, увеличивая чистую продуктивность фотосинтеза;

- оказывает влияние на фракционный состав белков, увеличивая содержание запасных белков и а- и со-ком по центов в глиадииовой фракции, улучшая реологические свойства клейковины;

- повышает содержание амилозы в крахмале, уменьшает содержание мелких крахмальных гранул в эндосперме;

- улучшает физико-химические показатели качества (содержание и качество клейковины, содержание белка и крахмала, число падсиия), )>сологические свойства муки;

- улучшает физико-химические и оргаиолеш ичсские сгюйсгва хлеба.

Практическая значимость работы состоит в том, что применение

препарата фуролаи при возделывании озимой пшеницы позволяет улучшить:

- качество зерна (повысить содержание белка, клейковины и ее качество);

- хлебопекарные свойства муки и реологические свойства теста;

- оргаполепгические и структурно- механические свойства хлеба.

Реализации результатов исследований. В 2003-2005 фуролан внедрен в СИК «Пипа», Белоглинекого района, ОАО Агрофирме «Нина» Тимашевского района Краснодарского края.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на: шестой региональной научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса».-Краснодар, 9-10 декабря 2004; Всероссийской иаучно-rexiш-чсской конференции «Коршуиовские чтения», Тольятти, 1 марта 2005; International Wheat Conference, Nov, 27 — Dec. 2, 2005, Mar del Plata -Argentina; международной научно-практической конференции Наука па рубеже тысячелетий «Science on boundary of millennia», Тамбов, 21-22 октября 2005 г.; 10-й Путинской международной школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века», 17-21 апреля 2006г.

Публикация результатов исследований. Основные положения диссертационной работы изложены в 9 научных публикациях.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, ipex глав, выводов, списка использованных литературных источников, приложений.

Диссертация изложена на 182 страницах основного печатного текста, содержит: 35 таблиц, 19 рисунков. Список литературных источников включает 209 наименования, в том числе 34 - зарубежных авторов.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1 Объекты, материалы и методы исследовании.

Обт>скты исследований - зерно отмой пшеницы, районированных сортов Краснодарской селекции - Ватько, Дея, Краснодарская 99. Препарат фуролан синтезирован в 1ШИЛ КубГТУ, по показателям качества eooniei er пуст ТУ 2449 - 006 - 02067862 - 2000. Т)кеиеримеп1'ал1.ные исследования проводили в многофакторном опито на опытном иоле КубГ'ЛУ па выщелоченном черноземе па естественном

уровне почвенного плодородия с использованием системы минеральных удобрений (N50 РроК^о - основное удобрение, + Ыб0 - рано весной и + N30 -в колошение) и в про извод сто енны х условиях в СПК «Нива» Белоглинского района, ОАО агрофирма «Нива» Тимашевского района Краснодарского края. Качество зерна определяли о соответствии с требованиями действующа стандартов. Выделение суммарного препарата РНК из зерна озимой пшеницы проводили фенольно-дстергеишым методом. Содержание РНК определяли ' спектрофо-тометрически, ДНК - дифениламиновым методом Дище в модификации Картона, полиодешшированной мРНК - методом аффинной хроматографии на поли(У)- сефарозе, соотношение молекул мРНК с длинными и короткими поли(А)- последовательностями на У конце — методом ступенчатой элюции поли(А)+м-РНК с поли(у)-сефарош при 35°С и 65 °С; общего, белкового и небелкового азота - по методу Къельдаля, аминокислот - методом капиллярного электрофореза; фракционный состав белкового комплекса - методом Осборпа, компонентный состав белков -методами гель-проникающей и ионообменной хроматографии, глиадиповой фракции - электрофорезом в крахмальном геле, микроструктуру эндосперма и локализацию запасного белка - с помощью световой микроскопии. Качество муки и хлебобулочных изделий определяли в отделе технологии и биохимии зерна КИИИСХ им. П.П. Лукьяненко. Экспериментальные данные обрабатывали с использованием методов математической статистики, корреляционного и регрессионного анализов.

2.2 Влнянме препарата на формирование белкового комплекса созревающего зерна шпмой ншешщм биологически активные вещеепш, как известно, могут влиять на псе этапы реализации генетической информации и наиболее оперативными компонентами в проявлении эффекта взаимодействия "генотип-среда" являются посг/ралскргшщюшше молекулярные механизмы регуляции

экспрессии генов. Па отмой пшенице сорта Краснодарская 99 установлено, что препарат фуролан способствует увеличению отношения содержания РНК/ДНК в зерне в фазу молочной спелости - щ 4 %, а в фазу восковой спелости снижению его - иа 28,5 % в сравнении с контролем. Это, очевидно, связано с ускорением созревания зерна озимой пшеницы.

Важную роль в регуляции экспрессии генов играет соотношение содержания коротко- и долгоживущих в цитоплазме клетки мРНК, что во многом определяет особенности роста и развития растений, и варьирует в зависимости от их физиологического состояния. Известно, что степень нолиаденилировапия определяет стабильность и трансляционную активность мРИК. Результаты определения влияние регулятора роста фуролан на содержание мРНК в созревающем зерне озимой пшеницы и степень ее полиадепилирования приведены в таблице 1.

Фуролан оказывает сортосиенифическое воздействие на содержание РНК и мРИК в созревающем зерне. В фазу восковой спелости под воздействием препарата отмечено увеличение степени полиадепилирования у всех изучаемых сортов и наиболее отзывчив сорт Батько.

При использовании препарата повышается стабильность мРНК у среднеспелого сорта Краснодарская 99 в фазу формирования зерна и у раннеспелого сорта Батысо - в фазу молочной спелости, активируются молекулярные механизмы стабилизации мРНК и регуляции роста растений.

Следовательно, фуролан способствует увеличению числа молекул, имеющих относительно длинную поли(А)-послсдоватслыюсть на 3'-копце мРПК, у раннеспелого сорта Клтысо в фазу формирования зерна и у среднеспелого сорта Краснодарская 99 - в фазы формирования зерна и молочной спелости, что евндотельетует о более высокой трансляционной активности, большем времени жизни мРНК, и более полной реализации белокс и ¡позирующей активности.

Таблица I- Содержание РНК, мР1Ж и степень нолиадепилирования мРНК

в созревающем зерне озимой пшеницы

Фаза развития Сорт Содержание РНК, мкг/г мРНК, % от общего количества РНК степень полиаденилиро-вания, мРНК Щи65°С (Аи5аС

контроль фуро-лан контроль фуро-лаи ...... К01ГГ-_роль 0,45 фуро-лан ~ 0,41......

формирование зерна Батько 900 1018 1,8

Дея 387 329 2,0 1,3 3,6 0,54 1,90 0,50 2,10

Краснодарская 99 400 330 2,0

молочная спелость Батько 600 510 2,8 2,6 0,59 0,91

Дея Краснодарская 99 673 580 699 720 2,0 2,7 1,9 2,6 1,2 0,54 0,47 1,00

1,02

восковая спелость Батько Дея"...... 84 50 2,5 1,59 4,00

397 343 436 1,7 1,3 1,1 1,32 1,42

Краснодарская 99 362 1,2 0,93 1,20

Отклонения от контроля достоверны при Р= 0,05

Как в засушливый 2004, так и в более благоприятный но климатическим условиям 2005 годы, у всех изучаемых сортов препарат способствует достоверному увеличению содержания белкового азота при созревании и в большой мери - и фазу формирования зерновки.

Содержание небелкового азот в опытных образцах зерна при созревании значительно превышало контроль и в большей мере и 2004 шду. '>ю позволяет предположить, что применение фуролаиа способствует более интенсивному оттоку азотсодержащих соединений из вегетативных органов растений в генеративные и создает дополнительный потенциал увеличения накопления бачка в зерне.

Результаты определения влияния препарата фуролаи иа содержание общего белка в созревающем зерне озимой пшеницы представлены на рисунке 1.

1 - контроль, 2 - фуролаи и - фаза формирования зерна, я - молочная спелость, а - восковая спелость, о - полная спелость Рисунок 1 - Динамика накопления общего белка в зерне озимой пшеницы

Установлено, что под действием препарата у всех сортов увеличивается содержание общего белка на 0,18-2,39% и в большей степени в условиях неблагоприятного для роста и развития 2004 года, наиболее о'пывчив по изучаемому показателю раннеспелый сорт Батько. Таким образом, у всех изучаемых сортов увеличивается содержание общего белка в зерне при созревании.

"Известно, что 2/3 белка синтезируется в результате опока пластических веществ, из вегетативных органов, запасенных до двоения и только 1/3 - за счет утилизации зерновкой минерального азота. Результаты определения зависимости между величиной фотосшпсшчеекого потенциала растений, чистой продуктивности

2004год

2005 год

Батько " 1 Дея

Краснодарская 99

Дея -

Краснодарская 99

фотосинтеза и содержанием общего белка в созревающем зерне приведены п таблице 2.

Таблица 2 - Корреляционная зависимость между содержанием общего белка в зерне, фотоси тетическим потенциалом и чистой продуктивностью растений озимой пшеницы

Сорт Фотосинтетический потенциал, млн.м2 сутки/га Чистая продуктивность фотосинтеза, г/м2 сутки

контроль фуролан контроль фуролан

Батько -0,58 -0,59 0,81 0,91

. Лея -0,85 -0,95 0,92 0,89

Краснодарская 99 -0,90 -0,84 0,95 0,94

Установлено, что как в контрольном, так и в опытном вариантах, содержание общего белка в зерне уменьшается с увеличением площади листовой поверхности, а с повышением чистой продуктивности фотосинтеза - увеличивается. Использование препарата изменяет донорно-акцепторные отношения в растениях в сторону генеративной части, что позволяет растениям более полно использовать продукты фотосинтеза на накопление белков в созревающем зерне. Исследовано влияние препарата на фракционный состав белков созревающего зерна озимой пшеницы. Результаты исследований приведен].! па рисунке 2. В 2004 и в 2005 годах у всех изучаемых сортов в фазу молочной спелости в зерне опытных образцов преобладают альбумины и глобулины, состоящие из белков протоплазмы, большинство из которых являют ферментами, а в более поздние стадии - глиадипы и плоте дины, но сравнению с контролем. Таким образом, у исследованных сортов озимой пшеницы иод влиянием препарата фуролап активируются синтетические процессы в созревающем зерне, увеличивается содержание запасных белков, которые имеют большое значение и, прежде всего,

Ьатъко

120-fßj--':-...... • : v -

1'.' ".■if-.: . «"я.i

Лея

120.

Краснодарская W

100-»7

'Л ' / b'Av^ е

K!

как структурная ослопа клей копи ни, определяющая реологические характеристики тоста и в целом хлебопекарные качества муки.

С помощью гель-проникающей хромаго) рафии были выделены высокомолекулярные фракции, которые затем были подвергнуты дальнейшему изучению методом ионообменной хроматографии. Установлено, что в процессе созревания в зерне озимой пшеницы меняется соотношение общего пула положительно и отрицательно заряженных белков. И зерне пшеницы опытного варианта у всех изученных сортов увеличивается содержание отрицательно заряженных белков, что очевидно связано с ускорением процесса созревания зерна. Наиболее отзывчивым на влияние препарата был сорт Краснодарская 99, затем Дея и замыкал ряд сорт Батысо. Таким образом, фуролан сортоепецифичсски ускоряет биохимические процессы, происходящие в созревающем зерне пшеницы.

Результаты шсктрофоретического разделения глиадииовой фракции, как основополагающей в генетическом контроле белков, приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Формулы глиадшш изучаемых образцов пшениц).! по данным '»лектрофореза в крахмальном юле

Сорт

Ьатыш

Д«г

Номер блока компонентов, кодируемых

1 *6В

1.....10

I

| __

1 i 1Л ш из 6Л

1 ........! , конфоль i 10 .....3..... <4 1

фуролаи | Ю 3 4 1

контроль! 1 I 3+1 * 1

фуролан | .......1..... ! Ун*' ....

контроль ' 7)-5* 2

! фуролан 1 715* 3 •> ■л* 1

61) 1

Г~

т

А* 2

2 ■у

- чепгч знак и:шч: тчм'чт'.лямггя токи \г п* тпшчмшиу гоптп»

При сопоставлении полученных генетических формул установлена их идентичность, следовательно фуролап не вызывает изменений в блоках компонентов глиадииа, не влияет не генетику растений и не обладает мутагенными свойствами. По ширине и интенсивности окраски полос электрофорстических спектров были получены денсигограммы, позволяющие определить в абсолютных единицах количество каждого компонента глиадииа.

Установлено, что у ранне- и среднеспелых сортов фуролап способствует увеличению содержания « и а-»- фракций глиадинов.

Это способствует улучшению реологических свойств клейковины вследствие увеличения способности белков к агрегации, обусловленной водородными, гидрофобными и ковалентными (дисульфидными) связями.

Установлено, что в процессе созревания у всех сортов препарат способствует увеличению содержания суммы аминокислот в зерне на 8,45 -20,11 %, в том числе и незаменимых на 10,19 — 20,87 %, что повышает его биологическую ценность. Изучаемые сорта можно расположить в следующий рЯд и порядке увеличения содержания суммы незаменимых аминокислот в зерне опытных образцов:

Краснодарская 99 < Дея < Цатько.

Следовательно, по аминокислотному составу зерна раннеспелый сорт наиболее отзывчив к воздействию препарата. Фуролап способствует достоверному увеличению содержания как незаменимых аминокислот, так и аминокислот, входящих, преимущественно, в состав запасных белков, обусловливающих реологические свойства клейковины у всех исследованных сортов озимой пшеницы и, в большей степени, у раннеспелого сорта Батько.

При анализе фотографий окрашенных срезов зерновок установлено, что в опытных образцах бел к оные вещеетна распределяются более

увеличивается. У всех сортов содержание запасных белков в фазы молочной и восковой спелости в опытных вариантах превышает контрольные образцы на 5 % - 32 %, что приводит к образованию более прочной системы крахмал - белок, способствует повышению стек лов иди ости, улучшает технологические свойства зерна. 2.3 Влияние препарата на формирование углеводного комплекса зерна озимой пшеницы при созревании Известно, что под действием фуролана в зерне озимой пшеницы в фазу полной спелости увеличивается содержание крахмала, однако влияние препарата на динамику его накопления не было исследовано. Результаты определения содержания крахмала в созревающем зерне озимой пшеницы приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Содержание крахмала в зерне пшеницы.

Сорт Фаза развития Крахмал а.с.в.,%

контроль фуролаи ± к контролю

Формирование зерна 21,07 23,43 2,43

Патько Молочная спелость 35,81 4784

Восковая спелость 37,08 40,44 3,36

Полная спелость 56,71 61,48 4,77

Формирование зерна 19,86 21,43 1,57

Дея Молочная спелость 27,41 32,84 5,43

Восковая спелость " 36^92 39,97 3,05"

Полная спелость ......62,60 " 64,75 ..........2,15

Формирование зерна 22,08..... ' ~ 22,46..... " ......о,зк

Краснодарс- Молочная спелость 29,15 31,09 1,94

кая 99 Носковая спелость 38,22 40,Ш 1,88

11олная спелость 61,94 63,13 1,19

1,08

Установлено, что использование фуролапа способствует более интенсивному накоплению крахмала в эндосперме зерна. У раннеспелого сорта Батько его содержание в зерне опытных образцов увеличивается процессе созревания на 2,4 - 4,7 %, по сравнению с контролем, что, возможно, связано с более высоким потенциалом сорта. Изучаемые сорта можно расположить в следующий ряд в порядке увеличения содержания крахмала в зерне под влиянием препарата фуролаи:

Краснодарская 99 < Дея < Батько.

Результаты определения содержание амилозы и амилоиектина в созревающем зерне озимой пшеницы, представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Содержание амилозы и амилопекгина в зерне пшеницы

Сор г ■ Фаза Амилоза, % в Амилопектип , %в

развития крахмале крахмале

1 конт- фуро- ± к конт- фуро- г~±кЧ

I г роль лан К0Г1Т- роль лаи конт-

------ - ■ ■■ - ■ 1 ! Молочная | спелость 21,5 23,6 _рояю_ 2,10 78,5 76,4 ролю -2,1

Батько ; Восковая спелость 23,0 24,2 1,2 77,0 75,8 -1,2

Полная смелость 23,7 24,9 1,2 76,3 75,1 -1,2

^ Молочная спелость 21,9 23,2 1,3 78,1 76,8 -1,3

Дея Восковая : спелость 22,6 23,8 1,2 77,4 76,2 -1,2

I Полная ; спелость 23,5 24,3 0,8 76,5 75,7 -0,8

! Молочная ; спелость 22,0 22,2 1,2 78,0 77,8 -1,2

Краснодарская 99 ; Восковая ! спелость 22,3 22,7 0,4 77,7 77,3 -0,4

; Полная ->->« 23,5 0.7 77,2 76,5 -0,7

Использование регулятора роста способствовало увеличению содержания амилозы в изучаемых образцах зерна озимой пшеницы. В фазу молочной спелости у сортов Ватько и Дся под действием препарата содержание амилозы увеличивалось на 26,88% и 27,00% соответственно, в сравнении с контролем. В фазы восковой и полной спелости наиболее отзывчивым к воздействию препарата оказался сорт Натько. Содержание амилозы в опытных образцах пот сорта прев unía ло контрольные па 14,77%. Таким образом, наибольшее влияние на накопление амилозы фуролап оказал у озимой пшеницы сорта Батыю.

Известно, что н мелких крахмальных гранулах содержание амилозы ниже, чем в средних и крупных. Установлено, что как в благоприятный, так н в неблагоприятный для роста и развития растений годы при созревании у всех сортов в эндосперме зерновок уменьшается количество мелких крахмальных гранул (размер от 0 до 18 мкм) и увеличивается содержание средних и у среднеспелых сортов - крупных (размер от 9 до 18 мкм и более). У всех изучаемых сортов в фазы молочной и восковой спелости препарат фуролап способствовал увели четно содержания крупных крахмальных гранул и снижению - мелких в зпдосперме зерновок, улучшая технологические свойства зерна. Наиболее огшпчивмм по изучаемому показателю па воздействие регуляi opa роста оказался раннеспелый сорт Патько, что подтверждает результаты, полученные ранее в условиях засушливого года.

Таким образом, применение препарат фуролап способствует: увеличении! содержания крахмала, амилозы, крупных и средних по размеру крахмальных гран уз в созревающем черпе ранне- и среднеспелых сортов, что способствует повышению етекловидиоети зерна.

2.4 Bv(нипне препарат» фуролап n¡t x.icíhhií'карпмс свойств» •муки

И ОАО «Пива» Тимшпевского района был проведен производет-

зерна озимой пшеницы сортов Батько, Дея и Краснодарская 99. При изучении физико-химических показателей качества муки, выработанной из зерна пшеницы, выращенной с применением фуролана, установлено, что оиа отличается от контрольных образцов лучшими технологическими свойствами и химическим составом. Препарат способствует укреплению структурно-механических свойств клейковины, увеличению содержания крахмала и снижению зольности муки у всех сортов.

Реологические свойства геста, полученного из муки озимой пшеницы изучаемых сортов были изучены с помощью фаринографа и аль-веографа. Результаты исследований представлены в таблицах 6 и 7. При анализе фаринограмм, установлено, что препарат фуролан способствует увеличению силы пшеничной муки. У сорта Батько устойчивость теста в опытных образцах повышалась па 18-122%, а разжижение понижалось па 5 единиц фаринографа, а у сортов Дея и Краснодарская 99 на 40 единиц фаринографа. Изучение показателей, полученных при помощи альвеографа, показало, что тесто из муки пшеницы, опытных образцов, обладает более упругими свойствами. Значение ординаты альвеограммы (Ралье)в опытных образцах увеличивалось на 11 -22%, но сравнению с контролем у всех изучаемых соргов. Сила муки в образцах с

применением регулятора роста повышалась па 17-76%. Использование фуролана способствовало увеличению показателя энергии деформации теста у сортов Батько и Дея, что харак-теризует силу пшеницы не ниже уровня ценной, сорт Краснодарская 99 - как «филлер». Таким образом, мука, полученная из пшеницы выращенной с использованием препарата, обладает лучшими реологическими свойствами.

Влияние фуролана на качество пшеничного хлеба оценивали путем проведения лабораторной выпечки безопарным способом. Выпеченный хлеб был правильной формы, без больших подрывов и с сухим на ощупь мякишем, как в контрольных, так и в опытных образцах. Хлеб, выпе-

Таблица 6 - Изучение реологических свойства теста с помощью фаринографа

Батько Дея Краснодарская 99 \

Показатели конт- ФУР° ±к контр., % конт- фуро ±к контр., % конт- фуро ± к контр., % ! Рсда ' | :

роль -лан роль -лан роль -лан | )

Водопоглотительная способность муки, % 64,0 62,6 -2,19 59,8 61,8 3,44 59,7 61,7 3,35 ! 2,58 |

Время образования теста, мин 3,0 3,0 2,5 4,5 80 1,5 3,0 100 ; 32,0 ;

Стабильность теста, мин 5,5 6,5 18,18 4,5 10,0 122,22 4,5 7,0 ■ 55,56 Г 31,4 2 :

Разжижение, ед.фар. 100 95 -5 105 65 -38,10 120 80 ! 19,79:

Валориметркческая оценка, % 48 48 - 42 56 33,3 38 48 26,32 ; 12,7 ;

Таблица 7 - Изучение реологических свойства теста с помощью альвеографа

1 Батько Дея Краснодарская 99 |

Показатели контроль фуро -лан ±к контр., % контроль фуро -лан ±к контр., % контроль фуро ; -лан 1 ■ ±к контр., % : Рф ; I ; [

Ральв 139 162 16,55 127 156 22,83 114 127 ; 11,40 ; 12,98:

^альв 26 39 50 37 35 -5,4 34 37 \ 8,82 ! 12,75;

Ч ^аяьв 23,5 41,0 74,47 29,5 36,5 23,73 25,0 1 29,5 ( 18,0 ; 21,0 ;

"ал» 154 272 76,62 | 1 193 239 23,83 164 193 1 17,68 1 21.46

гелями органолептической оценки. Результаты физико-химического анализа хлеба опытных и контрольных образцов приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Физико-химические свойства хлеба

[ Показатели Батько Дея Краснодарская 99 Ро.95, %

контроль фуро-лан контроль фуро -лан контроль фуро -лан

Объемный выход хлеба, мл 530 555 550 580 590 580 3,90

Расплывчатость, усл. ед 0,51 0,49 0,53 0,52 0,52 0,53 2,80

Влажность,% 45,4 39,1 46,6 41,2 43,2 37,3 8,25

[ Кислотность, град * 1,4 1,7 1,5 1,7 1,3 1,6 10,26

ЛИ общ 73 86 70 95 75 88 11,76

АН пл 57 64 53 78 50 62 15,87

ЛН унр 16 22 17 17 25 26 20,75

Установлено, что хлеб, выпеченный из муки озимой пшеницы сорта Батько и Дся опытных образцов, имеет больший объемный выход. У всех сортов в опыте достоверно уменьшается влажность хлеба, что позволяет ликвидировать такой недостаток как «сыропеклость». В опытных образцах отмечено улучшение структурно-механических свойств мякиша.

С помощью метода статистического анализа исследовано влияние физико-химических свойств муки различных сортов на объемный выход хлеба. Результаты исследований приведены в таблице 9.

13 контрольных вариантах наибольшее влияние на объемный выход хлеба оказывают такие показатели качества муки, как число падения, содержание крахмала и белка, количество и качество клейковины, а в

опытом варианте - число падения, содержание крахмала, белка и количество клейковины.

Таблица 9 - Зависимость объемного выхода хлеба от технологических показателей качества муки.

№ п/п Показатели Уравнение регрессии

контроль фуролан

1 Влажность Y=i 8,029-0,011х Y'=18,060-0,012x Yr=X5ÏÔ^,ti02x

2 Кислотность Y=0,971+0,001х

3 Количество клейковины Y=29,289-0,014x '""у=2б,964+0,089х Y'=47,200-0,040x Y'=0,561-0,001x

4 Качество клейковины

5 Зольность Y=0,709-0,430x

6 Число падения Y-714,210-0,636x Y'=1383,200-l,840x

7 ~ 8 Содержание крахмала Содержание белка Y=71,436-0,009x Y=29,66-0,033x Y'=58,820+0,016x Y '=48,920-0,064x

Таким образом, препарат фуролан при возделывании озимой пшеницы способствовал улучшению технологических, физико-химических показателей качест/ta муки и ее хлебопекарных свойств.

ВЫВОДЫ

1. Впервые изучено влияние препарата фуролан на формирование белково-углеводного комплекса созревающего зерна panne- и среднеспелых сортов озимой пшеницы.

2. Применение фуролаиа оказывает сортоспецифичное воздействие на содержание ДШС РНК и мРШС в созревающем зерне, способствует увеличению стабильности и степени г юл на д см и л и ров а пи я цитоплазм а-тичеекой мРПК, что свидетельствует о или я ими препарата па интенсив-

иость синтеза белка и адаптации растений к условиям окружающей среды

3. Использование регулятора роста фуролан изменяет донорно-ак-цепторные отношения в растениях, что способствует преимущественному поступлению пластических веществ в генеративную часть, и создает дополнительный потенциал увеличения накопления белка в зерне, и в большей степени запасного.

4. Под действием препарата увеличивается содержание белковых ве-ществ и они распределяются более равномерно по всему эндосперму, образуя более прочную систему крахмал - белок, улучшая технологические свойства зерна.

5. Под действием препарата увеличивается содержание запасных белков в созревающем зерне, а и со- фракций глиадинов. Фуролан не вызывет • изменений в блоках компонентов глиадина, не оказывая влияния па гепе-тику сорта и не проявляет мутагенных свойств.

6.Фуролан способствует повышению содержания аминокислот, в том числе незаменимых, а также аминокислот входящих в состав запасных белков, обусловливающих реологические свойства клейковины, не снижая их питательной ценности.

7. Под действием фуролана повышается содержание амилозы в крахмале, уменьшается содержание мелких крахмальных гранул в эндосперме.

8. Фуролан способствует улучшению физико-химических показателей качества (содержание и качество клейковины, содержание белка и крахмала, число падения), реологических свойств муки, физико-химических и оргаиолептических свойства хлеба.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

Рекомендуется обрабатывать посевы озимой пшеницы ранне- и сред-нсспелых сортов препаратом фуролан в фазу начала выхода в трубку для:

- увеличения содержания белка, клейковины, улучшения ее качества'.

- повышения питательной ценности черна;

- улучшения хлебопекарных свойств муки и реологических свойств теста;

- улучшение opt аиолеитичсских и структурно- механических свойств хлеба.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих научных работах:

1. Биохимические основы действия фуролапа на качество черна озимой пшеницы / Н И. Неиько, Е.В. Суркова, В.В. Гаража, В.К.Плотников Н.Л. Кузембаева, Л.И. Насонов // Эволюция научных технологий в растениеводстве. Сборник научных трудов в честь 90-летия со дня образования Краснодарского НИИСХ им. ГШ. Лукъянспко // Сб. науч. тр., Краснодар. - 2004.- т.З. - С. 48-52.

2. Влияние регулятора роста фуролаи на фракционный состав белка озимой пшеницы сорта Краснодарская 99 / II.И. Неиько, RB. Суркова, В.В. Гаража, Н.Г, Мал юга И Материалы шестой региональной научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса»: Тез. докл. региональной, научно-практической коиф., Краснодар. 9-10 декабря 2004 г. -Краснодар. 2003. -С. 12-13.

3. Пенько П.И. Влияние препарата фуролаи на качество зерна озимой пшеницы / П.И. Пенько, КВ. Суркова, B.Li. Гаража // Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции «КОРШУПОНСКИГ; ЧТННИЯ» // Сб. науч. ]р./ Тольятш. - 2005. - С. 164-166.

4. Hie effect of «1'urolan» on Ihe quality of winter wheat grain / N.I. Ncnko, 1-;.V. Surkova, V.V. Garaja, H.A. Okon, V.K. Plotnicov // International Wheat Conference. Nov. 27 - Dee. 2. 2005, Mar del Plata - Argentina.

5. Эффект действия фуролапа па качество зерна шнеппцы / П.П.

Ненько, E.B. Суркова, B.B. Гаража, Е.А.Окон // Сборник материалов международной научно-практической конференции Наука на рубеже тысячелетий «Science on boundary of millennia» // Сб. науч. тр./ Тамбов. 21-22 октября 2005 г.-С. 134-135.

6. Влияние регулятора роста фуролаи на формирование белкового комплекса зерна озимой пшеницы / Н.И. Ненько, Е.В.Суркова, В.В. Гаража, Ю.С.Поспелова, В.К.Плотников, H.A. Кузембаева // Известия вузов. Пищевая технология. - 2006. № 2-3 - С. 87-91.

7. Взаимоотношения стабильности матричной и рибосомной РНК в созревающем зерне озимой пшеницы / А.И. Насонов, В.В. Гаража, H.A. Кузембаева» В.К, Плотников, H.H. Ненько // Материалы 10-й Пущинской международной школы-конференции молодых ученых «Биология- наука XXI века» // Сб. науч. тр., Пушино. 17-21 апреля 2006т,-С.386,

8. Влияние препарата фуролаи на качество зерна озимой пшеницы / ПИ. Ненько, В.В. Гаража, Е.В.Суркова // Материалы 10-й Пущинской международной школы-конференции молодых ученых «Биология- наука XXI века» // CG. науч. тр., Пушино. 17-21 апреля 2006г, - С.71,

9. Технологические свойства зерна пшеницы обработанной фуролапом / П.И. Ненько, В,В. Гаража, Г.И. Букреева И Известия в у ад в. Пищевая технология. - 2006. № 4 - С. 13-15.

Подписано в печать Бумага офсетная Печ. л. 1 Тираж 100 экз.

19.10.2006 г. Формат 60x84

Офсетная печать Заказ №564

Отпечатано в типографии КубГАУ 350044» г. Краснодар, ул. Калинина, 13

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Гаража, Валентина Владимировна

ВВЕДЕНИЕ

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Формирование белково-углеводного комплекса зерна пшеницы и его практическая значимость

1.2 Использование биологически активных веществ для повышения урожайности и улучшения качества зерна озимой пшеницы

2 ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Объекты исследований

2.2 Материалы исследований

2.3 Методы исследований

2.3.1 Методы исследования нуклеиновых кислот

2.3.1.1 Выделение и определение количества суммарной РНК

2.3.1.2 Выделение поли(А)-содержащей мРНК методом аффинной хроматографии на поли(У)-сефарозе

2.3.1.3 Определение степени полиаденилирования мРНК при помощи термальной хроматографии

2.3.1.4 Выделение и определение содержания ДНК

2.3.2 Методы исследования белкового комплекса зерна

2.3.2.1 Определение содержания белкового, небелкового азота и общего белка в зерне

2.3.2.2 Определение количества и качества клейковины

2.3.2.3 Определение содержания аминокислот в созревающем зерне

2.3.2.4 Определение фракционного состава белкового комплекса методом Осборна

2.3.2.5 Определение компонентного состава белков в зерне пшеницы методами гель-проникающей и ионообменной хроматографии

2.3.2.6 Методика проведения электрофореза спирторастворимой фракции пшеницы в крахмальном геле

2.3.3 Методы исследования углеводного комплекса созревающего зерна пшеницы

2.3.3.1 Определение содержания крахмала

2.3.3.2 Методика фракционирования и определения полисахаридов крахмала

2.3.4 Методика проведения микроскопических исследований зерновок пшеницы

2.3.4.1 Гистохимическое определение локализации белков методом Бонхега

2.3.4.2 Определение микроструктуры эндосперма

2.3.5 Методы исследования качества муки

2.3.5.1 Методы определения физико-химических показателей качества муки

2.3.5.2 Определение числа падения

2.3.5.3 Методы определения реологических свойств теста

2.3.4.4 Определение хлебопекарных свойств муки по результатам пробной выпечки

2.3.6 Определение показателей качества хлебобулочных изделий

2.3.6.1 Органолептическая оценка качества хлебобулочных изделий

2.3.6.2 Определение физико-химических показателей качества хлебобулочных изделий

2.3.7 Схемы и методика проведения опытов

2.3.7.1 Лабораторно-полевые опыты

2.3.7.2 Производственный опыт 64 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 65 3.1 Влияние препарата фуролан на формирование нуклеиновобелкового комплекса созревающего зерна озимой пшеницы 65 3.1.1. Содержание нуклеиновых кислот, степень полиаденилирования и стабильность мРНК в созревающем зерне ранне- и среднеспелых сортов озимой пшеницы

3.1.2 Динамика накопления общего белка, белкового и небелкового азота ранне- и среднеспелых сортов озимой пшеницы;

3.1.3 Содержание белковых фракций в созревающем зерне

3.1.4 Локализация запасных белков в эндосперме созревающего зерна озимой пшеницы

3.1.5 Компонентный состав суммарного белка в созревающем зерне пшеницы

3.1.6 Компонентный состав глиадиновой фракции зерна озимой пшеницы

3.1.7 Содержание аминокислот в созревающем зерне озимой пшеницы

3.2 Влияние препарата фуролан на формирование углеводного комплекса зерна озимой пшеницы при созревании

3.2.1 Накопление крахмала в созревающем зерне озимой пшеницы

3.2.2 Содержание амилозы и амилопектина в созревающем зерне озимой пшеницы

3.2.3 Формирование микроструктуры эндосперма зерна озимой пшеницы при созревании

3.3 Влияние препарата фуролан на хлебопекарные свойства

3.3.1 Физико-химические показатели качества муки

3.3.2 Реологические свойства и сила муки

3.3.3 Физико-химические свойства хлеба 139 ВЫВОДЫ 146 РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 148 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 149 ПРИЛОЖЕНИЯ А-Ж

Введение Диссертация по биологии, на тему "Влияние синтетического регулятора роста растений фуролан на формирование белково-углеводного комплекса зерна озимой мягкой пшеницы"

Актуальность темы. Одно из перспективных направлений прикладной биотехнологии является применение биологически активных веществ, позволяющих наиболее полно реализовать генетический потенциал сортов сельскохозяйственных культур, в том числе и озимой пшеницы.

Пшеница занимает лидирующее место в мировом производстве зерна, ее культивируют более чем в 80 странах земного шара. Зерно пшеницы используется для выработки наиболее массовых продуктов повседневного питания населения, которые являются основным поставщиком усвояемых углеводов - главного энергетического компонента пищи и белков.

Продуктивность и качество зерна контролируется разнонаправленными генетическими системами. Одновременное повышение урожайности и качества зерна является актуальной задачей.

Одним из путей решения этого вопроса является использование биологически активных веществ.

В КубГТУ создан регулятор роста растений, содержащий в своей структуре фурановый цикл - препарат фуролан - ((2-фурил-2)-1,3-диоксолан), высокоэффективный, малотоксичный, используемый в микродозах, разрешенный к применению на территории России.

Фуролан проявляет свойства ретарданта, увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур, в том числе и озимой пшеницы, повышает устойчивость растений к засухе и поражению грибковыми заболеваниями.

Ранее было установлено, что фуролан положительно влияет на физиолого-биохимические процессы, увеличивает продуктивность растений пшеницы, повышает устойчивость к неблагоприятным условиям произрастания и поражению фитопатогенами. Препарат способствует получению более выровненного по размерам зерна в колосе, синхронизирует его созревание, увеличивает содержание крупной фракции зерна, крахмала, белка, клейковины и ее качество, стекловидность и снижает зольность зерна на различных уровнях агрофона и при внесении системы минеральных удобрений.

Однако молекулярные механизмы воздействия регулятора роста растений препарата фуролан на формирование белково-углеводного комплекса зерна ранне- и среднеспелых сортов озимой пшеницы при созревании не изучены.

Таковы теоретические и практические предпосылки, которые определили цель и задачи настоящих исследований.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематикой НИР кафедры Пищевой инженерии и высоких технологий КубГТУ в рамках госбюджетной темы: «Теоретическое обоснование и разработка прогрессивных технологий хранения и получения продуктов питания из растительного сырья», № госрегистрации 01200305556.

Цель и задачи исследований Цель настоящей работы - изучить влияние препарата фуролан на формирование белково-углеводного комплекса зерна озимой мягкой пшеницы при созревании.

В задачи исследований входило изучить влияние препарата фуролан при созревании зерна ранне- и среднеспелых сортов озимой пшеницы на:

- содержание нуклеиновых кислот, степень полиаденилирования и стабильность мРНК;

- динамику накопления общего белка, белкового и небелкового азота;

- локализацию запасного белка и формирование микроструктуры эндосперма зерна озимой пшеницы;

- фракционный и компонентный состав белка;

- динамику накопления аминокислот;

- динамику накопления крахмала, амилозы и амилопектина;

- хлебопекарные свойства муки (физико-химические показатели, реологические свойства);

- физико-химические свойства хлеба.

Научная новизна. Впервые изучено влияние препарата фуролан на формирование белково-углеводного комплекса созревающего зерна ранне- и среднеспелых сортов озимой пшеницы.

Впервые установлено, что препарат фуролан в созревающем зерне ранне - и среднеспелых сортов озимой пшеницы:

- повышает стабильность мРНК, увеличивает длину поли(А)-последовательности на 3' конце мРНК, у раннеспелого сорта в фазы молочной и восковой спелости зерна, и у среднеспелых сортов - в фазу восковой спелости;

- активирует накопление белка, увеличивая чистую продуктивность фотосинтеза;

- оказывает влияние на фракционный состав белков, увеличивая содержание запасных белков и а- и ^компонентов в глиадиновой фракции, улучшая реологические свойства клейковины;

- повышает содержание амилозы в крахмале, уменьшает содержание мелких крахмальных гранул в эндосперме;

- улучшает физико-химические показатели качества (содержание и качество клейковины, содержание белка и крахмала, ЧП), реологические свойства муки;

- улучшает физико-химические и органолептические свойства хлеба.

Основные положения, выносимые на защиту:

Обработка растений озимой пшеницы ранне- и среднеспелых сортов препаратом фуролан оказывает положительное влияние на:

- нуклеиново-белковый обмен;

- динамику накопления белка и крахмала в созревающем зерне:,

- реологические и хлебопекарные свойства муки.

Практическая значимость Применение препарата фуролан при возделывании озимой пшеницы позволяет улучшить:

- качество зерна (повысить содержание белка, клейковины и ее качество);

- хлебопекарные свойства муки и реологические свойства теста;

- органолептические и структурно- механические свойства хлеба.

Реализация результатов исследований. В 2003-2005 фуролан внедрен в СПК «Нива», Белоглинского района, ОАО Агрофирме «Нива» Тимашевского района Краснодарского края.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на:

- шестой региональной научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение агропромышленного комплекса».- Краснодар, 9-10 декабря 2004;

- Всероссийской научно-технической конференции «Коршуновские чтения», Тольятти, 1 марта 2005;

- International Wheat Conference, Nov. 27 - Dec. 2, 2005, Mar del Plata -Argentina;

- международной научно-практической конференции Наука на рубеже тысячелетий «Science on boundary of millennia», Тамбов,21-22 октября 2005 г.

- 10-й Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века», 17-21 апреля 2006г.

Публикация результатов исследований. Основные положения диссертационной работы изложены в 9 научных публикациях.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованных литературных источников, приложений.

Заключение Диссертация по теме "Биотехнология", Гаража, Валентина Владимировна

1. Впервые изз^ено влияние препарата фуролан па формировапие

белково-углеводного комплекса созревающего зерпа раппе- и средпеспелых

сортов озимой пшеницы. 2. Применение фуролана оказывает сортоспецифичпое воздействие на

содержапие ДНК, РНК и мРНК в созревающем зерне, способствует

увеличепию стабильпости и степени полиаденилирования

цитоплазматической мРНК, что свидетельствует о влиянии нрепарата на

интенсивность синтеза белка и адаптации растений к условиям окружающей

среды

3. Использование регулятора роста фуролан изменяет донорно акцепторные отношения в растениях, что способствует преимущественному

поступлению пластических веществ в генеративную часть, и создает

дополнительный потенциал увеличения накопления белка в зерне, и в

большей степени запасного. 4. Нод действием препарата увеличивается содержание белковых

веществ и они распределяются более равномерно по всему эндосперму,

образуя более прочную систему крахмал - белок, улучшая технологические

свойства зерна. 5. Нод действием препарата увеличивается содержание запасных бел-ков

в созревающем зерне, а и со- фракций глиадинов. Фуролан не вызывает

изменений в блоках компонентов глиадина, не оказывая влияния на генетику

сорта и не проявляет мутагенных свойств. б.Фуролан способствует повышению содержания аминокислот, в том

числе незаменимых, а также аминокислот входящих в состав запасных

белков, обусловливающих реологические свойства клейковины, не снижая их

питательной ценности. 7. Нод действием фуролана повышается содержание амилозы в

крахмале, уменьшается содержание мелких крахмальных гранул в

эндосперме. 8.Фуролан способствует улучшению физико-химических показателей

качества (содержание и качество клейковины, содержание белка и крахмала,

число падения), реологических свойств муки, физико-химических и

органолентических свойства хлеба. РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

Рекомендуется обрабатывать посевы озимой пшеницы ранне- и сред неспелых сортов препаратом фуролан в фазу начала выхода в трубку для:

- увеличения содержания белка, клейковины, улучшения ее качества;

- повышения питательной ценности зерна;

- улучшения хлебопекарных свойств муки и реологических свойств

теста;

- улучшение органолентических и структурно- механических свойств

хлеба.