Научные основы технологий создания сортов мягкой пшеницы, устойчивых к агроэкологическим условиям Сибири
Сорт выполняет базовую функцию в системе земледелия (Голубовский, 2000; Ладонин, 2002; Гусакова, Лыкова, 2004; Добротворская и др., 2004; Захаров и др., 2005; Pomeroy et al., 1975; Guo et al., 1983; Sugawara and Takahashi, 1987), так как усилиями селекционеров в нем заложен генетический потенциал продуктивности растений, адаптированных к конкретной среде обитания (Жученко, 2003; Алексейчук, Ламан, 2005; Драгавцев, 2006, 2008; Desai et al., 1997; Bethke et al., 2000; Robert, Hay, 2000). Высокопродуктивная стабильность сорта в среде обитания – это экономически непременное условие земледелия в современных мировых рыночных отношениях (Жученко, 2006).
При разработке научных основ биотехнологий создания сорта мы исходили из общеизвестного физиологического факта о том, что, как и все живое, растения представляют собой не закрытую, а открытую систему по отношению к внешней среде. С ней они обмениваются веществами и энергией. Доступность к внешней среде это непременное условие существования живого.
Так как растения, по способу питания и трансформации энергии, относятся к литофототрофным организмам, то для них среда обитания – это не простое пребывания организма в пространстве, а непосредственное условие жизни, то есть получения из среды питательных веществ и энергии. И если рассматривать организм и внешнюю среду как единую систему для живого, то для царства растений это определение имеет не относительное, а буквальное смысловое значение. Последнее обусловлено тем, что животные организмы питаются в своей жизни периодически. Растения же в одной части годового цикла находятся в состоянии покоя, а в другой части – в состоянии активного роста и развития. В этот период они питаются постоянно, то есть контакт со средой как источник питания должен быть непрерывным. В противном случае растение погибает.
|
|
|
Исходя из изложенного, по нашему мнению, при селекции нового сорта необходимо разрабатывать такие технологии, которые направлены на создание физиологического соответствия между генетическими ресурсами вида (генома) растения и ресурсами среды обитания как базовая основа природопользования в системе земледелия.
Иными словами, в системе земледелия сорт выполняет функцию базовой основы этого процесса (Драгавцев, 2006, 2008), а базовую основу при создании сорта обеспечивают технологии природопользования генетическими ресурсами вида растения, приведя их в физиологическое соответствие с ресурсами среды обитания (Илли, Полномочнов, 2005).
Исходя из вышеизложенного, при разработке научных основ технологий создания сортов яровой формы мягкой пшеницы Сибири мы исходили из генетических ресурсов вида мягкой пшеницы (Lersten, 1996; Fenner, Thompson, 2006), приведя их в физиологическое соответствие с агроэкологическими условиями Иркутской области: дефицит тепла в период формирования семян (эмбриональный этап онтогенеза) и дефицит почвенной влаги в период их весеннего прорастания (ювенильный этап онтогенеза), который прекращается лишь с началом выпадения летних осадков, когда растения находятся уже в фазе кущения.
|
|
|
В настоящее время селекционеры Сибири, в том числе и Иркутской области, уже успешно использовали основной биологический ресурс повышения продуктивности сортов пшеницы. Это означает, что такие показатели сорта как крупность зерна, длина колоса, число колосков в колосе, число зерен в колоске и т.д. в Сибири во многом решены. Дальнейшее повышение продуктивности новых сортов по сравнению с предшествующими, возможно лишь за счет повышения устойчивости сорта к неблагоприятным условиям среды.
Как уже упоминалось, для Иркутской области наиболее неблагоприятными агрометеорологическими факторами среды являются: недостаток во влагообеспеченности в первой половине вегетации (весенне-летняя засуха) и избыток влаги во второй половине вегетации. В последнем случае накладывается еще один негативный фактор – физиологически низкая температура (Титов и др., 2006). К тому же, этот негативный фактор в Иркутской области особенно выражен, так как здесь агрометеорологические условия формируют самый короткий период вегетации для растений пшеницы в Сибири. Однако количественная величина этих факторов не стабильна по годам, что существенно затрудняет селекционеру проводить целенаправленный отбор исходного селекционного материала по показателям устойчивости к среде обитания. Следует отметить, что эти трудности для селекционеров все же преодолимы: необходимо лишь время, то есть годы испытаний вновь создаваемых сортов. Однако имеется и другая проблема. С нею сталкиваются лишь селекционеры Сибири. Растениям пшеницы в Сибири необходимо сочетать в одном сорте устойчивость к диаметрально противоположным факторам: засухе и переувлажнению почвы. Эту проблему сибирским селекционерам до сих пор не удалось решить. Достаточно сказать, что за всю столетнюю историю работы иркутских селекционеров им не удалось создать ни одного засухоустойчивого сорта пшеницы (Илли, Полномочнов, 2005).
|
|
|
Обычно при создании засухоустойчивого сорта селекционеры проводят отбор тех гибридно-мутационных линий, у которых листостеблевая часть растения обладает ярко выраженными ксерофитными признаками (Темирбекова, 2000). Однако это приносит успех лишь селекционерам европейской части России. Яркий пример такого успеха – это сорта пшеницы Саратовской селекционной станции.
|
|
|
В физиолого-генетическом аспекте такой селекционный подход логически правомерен, так как период засухи в европейской части России совпадает с фазами выхода растений пшеницы в трубку и колошения, то есть в период, когда листостеблевая часть растения данной культуры уже находится в состоянии активного роста и развития и, следовательно, ксероморфные признаки их органов обеспечивают им надлежащую устойчивость к дефициту влаги.
В Сибири и, в частности, в Иркутской области такой вековой подход к решению проблемы засухоустойчивости растений оказался неприемлемым.
Причина вековой неудачи в работе сибирских селекционеров при селекции сортов пшеницы на засухоустойчивость заключается в том, что они стремятся в агроэкологических условиях Сибири сохранить и воспроизвести технологические подходы европейских селекционеров, то есть придать листостеблевой части растений признаки засухоустойчивости. Для условий Сибири такой селекционный подход ошибочен, а отсюда и хронические неудачи. Дело в том, что в Сибири, когда растения пшеницы находятся в фазе активного роста стебля и формирования листьев (июль-август) выпадает основное количество (от 50 до 70%) летних осадков и растения в этот период «страдают» не от недостатка, а от избытка влаги.
В Сибири, по сравнению с европейской частью России, период засухи календарно смещен к более раннему периоду развития растений пшеницы. Засуха в Сибири функционирует в мае и июне, когда растения находятся последовательно в фазах: набухания и прорастания семян, появления всходов и кущения.
Отсюда следует, что в условиях Сибири физиолого-генетическими признаками засухоустойчивости должны обладать семена материнских растений как завершенный этап эмбриогенеза у дочерних растений. Ниже дается физиологическое обоснование тому, что феномен засухоустойчивости уже эволюционно заложен в семенах дикорастущих видов мягкой пшеницы. Сибирским селекционерам необходимо лишь им целенаправленно воспользоваться.
На основе результатов исследований физиологов, выполненных в прошлом столетии (Яковлев, 1939; Пашков, 1951; Sauegs, 1924) стало общеизвестно, что растения дикого вида мягкой пшеницы – это типичные мезофиты (Эзау, 1980), но произрастая в континентальных условиях Передней Азии и Закавказья (Вавилов, 1961; Гуляев, 1984) они эволюционно приобрели признаки ксероморфности на уровне на структуры зародышасемян (Nischiyama, 1975). В частности, зародыш зерновки пшеницы приобрел способность формировать не один, а несколько эмбриональных корней (5 и более). Параллельно с этим у корневой части зародыша эволюционно возникли дополнительные специализированные ткани: колеориза и эпибласт, выполняющие активацию функции водопоглощения у прорастающих семян (Соколовская, 1968; Brown, 1960, 1965; Guignard, 1970). Таким образом, в корневой части зародыша пшеницы эволюционно сформированы морфологические структуры, как единый физиологический комплекс регулирующий водообмен, а в условиях дефицита почвенной влаги, обеспечивающий сохранность активности физиологических процессов на этапах набухания и прорастания семян, развития проростка и перехода растения в фазу кущения (Илли, 1989). Разумеется, что для агроэкологических условий Сибири – это важный природный ресурс, которым, несомненно, необходимо воспользоваться при разработке технологий создания сортов пшеницы, устойчивых к сибирской засухе.
Между тем, показано (Илли, 1989), что в условиях Сибири формирование зерновки пшеницы происходит в условиях дефицита тепла, что существенно угнетает процессы развития морфологических структур корневой системы зародыша и снижает их функциональную роль в процессе водопоглощения. Из этих данных упомянутым автором была высказана идея о том, что в Сибири для селекционных целей на засухоустойчивость из сорта необходимо использовать лишь особи тех генотипических популяций, которые прошли этап адаптации к низкой температуре на уровне микроэволюции.
Как у любого вида растения, геном вида мягкой пшеницы гетерогенен (Цвелев, 2005а, 2005б), то есть он представлен в природе в форме популяций (Алтухов, 2003). Это эволюционно отработанный способ генетической адаптации вида к изменяющейся среде обитания (Дубинин, 1976; Гуляев, 1984; Льюин, 1987). Отсюда следует, что популяции – это биологические ресурсы вида, а внутрисортовые биотипы – это биологические ресурсы сорта.
В современной традиционной селекции на основе высоких технологий (high tech) особи биотипов сорта отбирают как новый сорт после искусственной гибридизации на уровне взрослого растения (Евдокимова и др., 2000; Лутова, 2000; Сюков и др., 2002; Малецкий, 2005; Малышев и др., 2005; Пивоваров, Добруцкая, 2005; Полуэктов и др., 2005; Патрушев, Минкевич, 2007; Чесноков и др., 2008). В отличие от этой методологии, исходя из изложенного выше, мы сочли целесообразным провести отбор особей не на уровне целого растения, а на уровне семян (Такаландзе, Илли, 2012). Так как дефицит тепла в Сибири наблюдается в период формирования семян, то низкотемпературная адаптация особей растений пшеницы происходит не на уровне целого материнского растения, а в период эмбриогенеза – дочерних растений (Илли, 1989).
Исходя из этого, коллективом кафедр «Физиологии растений, микробиологии и агрохимии» и «Растениеводства, селекции и семеноводства» ИрГСХА разработана принципиально новая физиолого-генетическая технология разделения сорта на составляющие генотипические популяции как неизбежная ключевая основа селекционных работ в Сибири. Разработка закреплена 3 патентами ( Илли и др., 2006; Илли и др., 2007; Илли и др., 2011), так как она не имеет аналогов в мире не только по научному замыслу, но и по замыслу техники исполнения.
| Рис. 23. Процесс разделения семян любого сорта на биотипы. На рисунке зафиксирована граница разделения семян на две группы: утонувшие и всплывшие. (Половинкина, 2010; Клименко, 2012) |
Обычно селекционер, скрещивая сорта, из гибридного материала проводит отбор популяций (линий) непосредственно в поле, по морфологическим признакам растений. При этом он не располагает данными о том, какова генетическая природа селектируемого признака. Последний либо наследуется в потомстве, либо нет. Такая неясность зачастую приводит к бесполезно затраченному времени, измеряемого годами. В отличие от этой технологии, предлагается делить сорт на генетические популяции не в поле, а в лабораторных условиях и на более раннем этапе онтогенеза, а именно в период завершения этапа эмбриогенеза, то есть на уровне зрелых семян.
Краткая суть метода заключается в следующем. Предварительно физиологически подготовленные семена опускают сначала в самый насыщенный раствор сахарозы с плотностью 1,300 г/см3 и сразу размешивают. При этом семена делятся на две группы: одна из них всплывает на поверхность, а другая опускается на дно (рис. 23). Группа утонувших семян считается разделенной, а группа всплывших подвергается последующим этапам разделения, погружая их в менее концентрированные растворы.
| Рис. 24 Количественный спектр плотности распределения особей у биотипов мягкой пшеницы, на примере сорта Тулунская-12. Цифры 1,2,…7 – номера биотипов. (Половинкина, 2010; Клименко, 2012) |
Метод позволяет предварительно физиологически подготовленные семена любого сорта пшеницы разделить на 7-8 самостоятельных генотипических биотипов (рис. 24), а сорта ячменя и овса – на 8-10 биотипов.
Были изучены биотипы у 12 сортов мягкой пшеницы, выведенные оригинаторами в экологически различных условиях Сибири, в частности: в Западной Сибири, в Восточной Сибири и Западном Забайкалье (Бурятия). Результаты исследований (Половинкина, 2010) позволили выявить две общие тенденции у сортов мягкой пшеницы. Во-первых, у всех сибирских сортов предложенный метод позволил получить по 7 биотипов. Сходное количество биотипов, по-видимому, обусловлено тем, что эти сорта являются представителями одного и того же вида – Tr. aestivum (рис. 25).
Разделенные семена сорта на биотипы при высеве в поле позволяют определить потенциальную продуктивность растений биотипов. Те биотипы сорта, которые по этому показателю существенно превосходят исходный сорт, можно использовать как самостоятельный высокоурожайный сорт. Как показали результаты исследований (Половинкина, 2010; Парыгин, 2011; Клименко, 2012), их урожайность была на 35-40% выше, чем у сорта. Таких биотипов у сорта оказывается не много (1-2), но их особи при последующем отборе можно использовать как улучшенный сорт, либо вовлечь в селекционный процесс.
Таким образом, новый сорт можно создать в течение одного года. Для первичного размножения семян необходимо еще 1-2 года. Следовательно, по предлагаемой технологии на создание нового сорта и внедрение его в практику необходимо не 15-25 лет, а всего лишь 3-5 лет.
Важно отметить, что этот прием всего лишь один из новых вариантов селекции. Он не отрицает традиционный гибридный прием создания нового сорта. Более того, он предполагает и широкое использование особей сортовых биотипов при гибридизации.
| Рис. 25. Плотность распределения биотипов у сортов Сибирских популяций Tr. aestivum (Половинкина, 2010) |
Многовековой мировой опыт в селекционной практике показал, что гибридизация – это один из наиболее надежных способов получения нового генотипа, который после искусственного отбора доводят до статуса сорта. Для создания сорта в селекции обычно используют в качестве родительских пар либо сорта, либо гибридные линии. Однако они, наряду с хозяйственно ценными признаками, содержат в генотипе большое количество генов с хозяйственно нежелательными признаками, что существенно снижает эффективность селекции.
Эта селекционная проблема может быть успешно решена при использовании в качестве родительских пар биотипы сортов.При этом возможности в подборе родительских пар у селекционера становятся значительно шире и целенаправленнее по ряду причин.
Во-первых, предлагаемые хозяйственно ценные биотипы на 35-40% продуктивнее, чем сорта, из которых они были извлечены. В результате можно достоверно ожидать, что новые сорта, полученные при скрещивании особей биотипов, будут намного продуктивнее ныне существующих сортов. Общеизвестно, что основная цель селекционера – вывести сорт, продуктивнее ныне существующих. На практике обычно новый сорт продуктивнее существующих на 15-20%. Использование не сортов, а биотипов позволит селекционеру успешно решить эту проблему и повысить продуктивность новых сортов не на 15-20%, а на 35-40%.
Во-вторых, возможности селекционера значительно расширяются и становятся более эффективными за счет увеличения набора родительских пар, так как скрещивать можно как внутрисортовые, так и межсортовые биотипы.
В-третьих, следует всегда помнить, что селекционер скрещивает не сорта, а особи этого сорта. При этом чаще всего особи являются представителями не одной, а разных популяций, так как сорт – это группа популяций. По этой причине селекционер невольно получает не одну гибридную популяцию, а набор гибридных линий, и в течение ряда лет вынужден эти многочисленные линейные популяции пересевать, не зная, каким из них отдать предпочтение. Использование в селекции биотипов сорта дает селекционеру возможность резко сократить количество неперспективных гибридных линий и, стало быть, в соответствующем объеме увеличить производительность селекционной работы.
Результаты многолетних исследований показали (Половинкина, 2010; Клименко, 2012), что у сортов культурных злаков Сибири генетические признаки засухоустойчивости нужно формировать не в стеблевой, а в эмбриональной корневой части растения, то есть в период формирования семян, полностью сохраняя у стебля и листьев генетические признаки устойчивости к переувлажнению. Всю генетическую нагрузку, связанную с устойчивостью к неблагоприятной физиологически низкой температуре воздуха (вторая половина сезона), необходимо сохранить и сосредоточить у генеративной части стебля, то есть у формирующихся семян.
Один из таких вариантов гибридизации представлен на рисунке 26, где в качестве материнского растения можно использовать первый биотип сорта Ангара-86, а отцовского – шестой биотип сорта Тулунская-12. Из данных этого рисунка видно, что у материнских растений недостаточно полно реализован физиолого-генетический потенциал устойчивости к засухе. На это указывает относительно слабое развитие колеоризной ткани.
К тому же, у материнских растений качество клейковины зерна имеет низкий показатель. Для исключения упомянутых нежелательных наследственных признаков можно использовать в качестве отцовской пары растения шестого биотипа сорта Тулунская-12. Показатель засухоустойчивости у отцовских растений несколько ниже, чем у материнских. Однако достаточно хорошо развитая колеориза может существенно исправить этот показатель у материнских растений с целью сохранения параметров засухоустойчивости. Низкое качество клейковины зерна материнского растения можно повысить качеством клейковины зерна отцовских растений, сохранив при этом высокую семенную продуктивность.
| B1♀ х ♂A6 ↓ ↓ | ||
| 
| признаки спелости колеоптиль проводящая ткань колеоптиля лист признаки засухоутойчивости корень количество корней колеориза эпибласт щиток проводящая ткань щитка признаки продуктивности длина стебля продуктивная кустистость длина колоса количество колосков количество зерновок в колоске количество зерновок в колосе количество продуктивных стеблей качество клейковины зерна семенная продуктивность |
| Отклонение от контроля, % В1 | Отклонение от контроля, % А6 |
| Рис. 26 Получение раннеспелого гибрида при скрещивании биотипов сортов мягкой пшеницы. А – сорт Тулунская-12, В – сорт Ангара-86; А6, В1 – номер биотипа сорта; * – различия достоверны при уровне значимости р≤0,05. (Клименко, 2012) |
Следовательно, результаты многолетних исследований (Половинкина, 2010; Парыгин, 2011; Клименко, 2012) позволили предложить научно обоснованную технологию создания сортов, при которой в одном сорте можно принципиально сочетать несколько генетических программ, обеспечивающих возможности в онтогенезе перехода растений пшеницы из программы засухоустойчивости к программе почвенного переувлажнения с одновременной реализацией генетической программы устойчивости к физиологически низкой температуре воздуха.
Таким образом, у сибирских сортов пшеницы генетические программы устойчивости к упомянутым трем неблагоприятным факторам среды разобщены в пространстве в пределах растения и, соответственно, период реализации каждой из них разобщен во времени.
Исходя из этих положений, разработана и предложена технология создания и отбора селекционного материала, устойчивого к сибирской среде обитания.
Однако здесь возникает самый важный вопрос: какой фактор является ключевым, по которому необходимо проводить отбор селекционного материала для того, чтобы у растений были сохранены и реализованы все три вышеупомянутые генетические программы устойчивости к неблагоприятным факторам среды.
Результаты исследований показали (Половинкина, 2010; Клименко, 2012), что в этом процессе ключевым фактором является ни засуха, ни переувлажнение почвы, а неблагоприятно низкая температура воздуха в период формирования семян. В этой связи и предлагается технология отбора семян, устойчивых к низкой, физиологически неблагоприятной температуре воздуха.
На первом этапе этой работы проводится разделение сорта на популяции по методике, изложенной в данном разделе.
На втором этапе у биотипов методом микроскопии проводится оценка физиологического статуса семян по морфологическому состоянию зародыша. Показатели этой оценки и позволяют дифференцировать популяции на устойчивые (первая группа) и неустойчивые (вторая группа) к низкой температуре.
На основе результатов многолетних исследований показано, что биотипы первой группы не только устойчивы к низкой сибирской летне-осенней температуре, но и одновременно обладают генетической программой устойчивости к весенне-летней засухе, а биотипы второй группы такой генетической программой не обладают, и их не следует включать в селекционный процесс.
Общеизвестно, что генотип у сортов культурных растений в силу искусственного отбора существенно утратил устойчивость к различным болезням (Стефанова, Алексеева, 2001). По этой причине в отдельные годы у сортов пшеницы потенциальная урожайность может уменьшаться на 30% и более (Сандухадзе и др., 2006б).
Создать сорт, устойчивый к той или иной болезни, для селекционера технически сложно. Обычно в селекции применяется технология создания искусственного провокационного фона, на котором проводится отбор гибридных линий или сорта. Однако микроорганизмы усиленно размножаются и поражают растения лишь при определенной летней погоде (температуре и влажности среды). Так как агрометеорологические условия по годам не идентичны, то селекционер вынужден тратить несколько лет для испытания селекционных линий сорта на соответствующую устойчивость. При этом конечные результаты обычно не приносят желаемого успеха. Исключительно по этой причине селекционеры вынуждены были согласиться с предложением ученых использовать технологию создания трансгенных растений. Сейчас учеными доказано, что пищевые продукты трансгенных растений экологически опасны для человека и животных, а потому такая технология крайне нежелательна.
Упомянутая выше трансгенная технология основана на введении в генотип растения чужеродного гена устойчивости к биотическим факторам взамен утраченного собственного гена. В отличие от этой технологии нами предлагается радикально иная технология. Она основана не на принципе введения чужеродных генов, а направлена на восстановление в геноме растений своих утраченных генов устойчивости к болезням (Архипов и др., 2005).
Общеизвестно, что культурные растения прошли большой исторический период гибридного скрещивания и однонаправленного искусственного отбора. Это привело к тому, что ген, контролирующий признак устойчивости к той или иной болезни в геноме организма культурных растений, может либо присутствовать, либо отсутствовать: третьего не дано. Таковы законы генетики. Следовательно, устойчивостью к болезням (иммунитетом) обладает не сорт как таковой, а ею обладают лишь те особи сорта, у которых в генотипе ген, контролирующий признаки устойчивости, присутствует.
На этой основе мы предлагаем сорт пшеницы разделить на биотипы по нашей технологии, изложенной в данном разделе. Так как эти биотипы генотипичны, то это означает, что все особи в каждом биотипе либо устойчивы, либо неустойчивы к интересующей селекционера болезни растения.
После идентификации устойчивые к болезни биотипы предлагается использовать как исходный селекционный материал для создания сортов пшеницы, устойчивых к конкретной болезни либо к группе болезней.
Сорта мягкой пшеницы, формирующие в зерне клейковину высокого качества, называют сильными сортами. При выпечке из этой муки хлеба и хлебобулочных изделий получают продукцию самого высокого качества. Выпечь хлеб из муки слабых сортов пшеницы возможно лишь при условии добавления в муку различного рода «улучшителей», то есть различного рода добавок, которые далеко не всегда экологически безопасны. Однако и они не в состоянии придать хлебу те пищевые качества, которыми обладает мука, полученная от сортов сильной пшеницы.
Создать сорт сильной пшеницы по ряду физиолого-генетических причин – задача весьма сложная. Достаточно сказать, что всего лишь 20% из всего объема муки, поступающей на мировой рынок, состоит из сортов сильной пшеницы.
Второй пример. За последние 30 лет селекционерам Московской области удалось создать только один сорт сильной пшеницы (Сандухадзе и др., 2006а). А ведь это регион, где сосредоточен основной научный потенциал России.
И, наконец, третий пример. В Иркутской области за всю столетнюю историю селекционных работ селекционерам удалось получить всего лишь один сорт сильной пшеницы (Тулунская-12).
Таким образом, сорта сильной пшеницы – это крайняя редкость, которая и является объективным препятствием для селекционеров, так как возможность широкого вовлечения сильных сортов в селекционный процесс проблематична.
По причине крайнего дефицита сильных сортов пшеницы, основным показателем мирового стандарта качества коммерческого зерна мягкой пшеницы является не качество, а количество клейковины в зерне. Однако представителям хлебопекарной промышленности хорошо известно, что при выпечке хлеба главным показателем является не количество, а качество клейковины в муке, которое количеством никак нельзя компенсировать. По этой причине они и вынуждены использовать различного рода «улучшители».
Для того чтобы более ясно понять суть нашей технологии создания сильных сортов пшеницы, считаем целесообразным вначале кратко изложить биохимические процессы, происходящие при выпечке хлеба. Они сводятся к следующему. Хлебопекарная мука в среднем на 80% состоит из углеводных молекул – крахмала и на 20% - из молекул белка. При выпечке хлеба муку замешивают водой и к тесту добавляют дрожжи. Последние при определенной температуре усиленно размножаются, питаясь крахмалом. Этот процесс у дрожжей сопровождается усиленным выделением углекислого газа (СО2) в окружающее пространство. На этом этапе белки, обусловливая своим присутствием эластичные свойства тесту, временно удерживают газ в тесте в виде пузырьков, придавая тем самым хлебу особый аромат, а тесту пористую консистенцию, необходимую для выпечки качественного хлеба. Отсюда следует, что качество клейковинных белков (клейковины) – это их способность придавать тесту свойства эластичности.
Клейковина – это группа запасных белков в зерновке пшеницы, среди которых основная роль в выпечке хлеба принадлежит белкам глиадиновой природы. Последние в свою очередь состоят из четырех индивидуальных групп (α, β, γ и ω), которые отличаются друг от друга по массе и химической структуре. В этой связи ученые делят белки глиадинов на две группы: низкомолекулярные (α+β) и высокомолекулярные (γ+ω).
У низкомолекулярных белков клейковины, благодаря большому количеству дисульфидных (-S-S-)-связей, химическая структура жестко ориентирована в пространстве. При их чрезмерно высоком содержании в клейковине тесто становится упругим. Выделяемый дрожжами газ встречает сильное сопротивление, что не позволят ему временно скапливаться в виде пузырьков. По этой причине тесто не приобретает свойство пористости и, соответственно, выпеченный хлеб становится нежелательно плотным.
У высокомолекулярных белков клейковины содержание дисульфидных (-S-S-)-связей низкое, то есть химическая структура белков не закреплена жестко в пространстве, и в нем она может быть свободно изменена под действием молекул CO2 в тесте. По этой причине при их чрезмерно высоком содержании в клейковине тесто становится разжиженным. Выделяемый дрожжами газ не встречает со стороны теста сопротивления и свободно уходит в окружающую среду. В тесте не образуется пузырьков и оно не становится пористым, а выпеченный хлеб становится нежелательно плотным.
Следовательно, лишь только оптимальное количественное соотношение высоко- и низкомолекулярных белков в муке придает тесту оптимальную эластичность, необходимую для формирования пористого теста.
Однако в науке было неясно, каким должно быть это оптимальное соотношение между количеством низко- и высокомолекулярных белков в клейковине зерна пшеницы (Payne, Lawrence, 1989).
Результаты многолетних (более 15 лет) лабораторных и полевых исследований, выполненных сотрудниками агрофака (Илли и др., 1998; Хвостова и др., 1999; Назарова и др., 1999; Хвостова, 2000), позволили установить, что у зерна сортов сильной пшеницы количественное соотношение между низко- и высокомолекулярными белками клейковины всегда меньше единицы и этот индекс составляет 0,70-0,80. У зерна сортов слабой пшеницы индекс (α+β)/(γ+ω) всегда больше единицы, и он составляет 1,20-1,60. Таким образом, впервые в науке упомянутыми авторами удалось показать, что у высококачественной клейковины количество высокомолекулярных белков (γ+ω)должно быть всегда на 20-30% больше, чем количество низкомолекулярных (α+β).
Научную и практическую значимость работы упомянутых авторов трудно переоценить. Во-первых, ими впервые был научно обоснован биохимический механизм формирования качества клейковины. Во-вторых, в практике лабораторий, определяющих хлебопекарные качества зерна пшеницы, стало возможным использовать всего лишь один, но прямой биохимический показатель – индекс (α+β)/(γ+ω), вместо опосредованного комплекса показателей, определяющих физическое состояние теста. В-третьих, показатель индекса (α+β)/(γ+ω) клейковины зерна стал для селекционеров надежным ориентиром при создании сортов сильной пшеницы.
На основе этих исследований разработан и предлагается (Парыгин, 2011) научно обоснованная технология создания сильных сортов пшеницы, которая в кратком изложении состоит из ряда этапов.
На первом этапе сорт пшеницы делят на генотипические биотипы по технологии, изложенной в данном разделе.
На втором этапе устанавливают те биотипы, которые относятся к статусу сильной пшеницы. Последний определяется по величине вышеизложенного показателя индекса (α+β)/(γ+ω), характерного для сортов сильной пшеницы.
На третьем этапе биотипы, соответствующие статусу сильной пшеницы, используют либо как самостоятельный улучшенный сорт, либо как исходный селекционный материал для создания сортов сильной пшеницы.
Результаты исследований (Парыгин, 2011) свидетельствуют о разнообразии у биотипов величины индекса (α+β)/(γ+ω).
Обычно у высококачественной клейковины это соотношение равно 0,75-1,0, а у низкокачественной – 1,0-1,65. Отсюда следует, что сорт Тулунская-12 относится к сильной пшенице. У полученных биотипов сорта Тулунская-12 (табл. 24) соотношение низко- и высокомолекулярных белков было либо равным единице, либо меньше этой величины, и лишь только у двух биотипов качество клейковины было низкое (индекс 1,01). Среди них важно выделить шестой биотип, у которого этот показатель был наилучшим (индекс 0,88). У сорта Ангара-86 качество клейковины зерна в зависимости от биотипа было чрезвычайно гетерогенным: от высококачественной клейковины (индекс 0,85 у четвертого биотипа) до низкокачественной (индекс 1,42 у первого биотипа). Характерно, что у этого сорта был выделен один биотип с высококачественной клейковиной зерна (индекс 0,85), несмотря на то, что этот сорт относится к слабым пшеницам. Этот феномен был обусловлен тем, что в создании сорта Ангара 86 в качестве родительской пары участвовали особи сорта сильной пшеницы (Безостая 1), и на эмбриональном уровне микроэволюции биотипов сорта Ангара 86 из семи биотипов, лишь у одного из них генные комбинации создали форму с высококачественной клейковиной зерна пшеницы. Обсуждаемый пример во многом объясняет причину редкости сортов мягкой пшеницы с зерном, обладающим высоким качеством клейковины.
Таблица 24
Дата добавления: 2016-01-05; просмотров: 83; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!