73856-1 (Сравнительный анализ внутрипопуляционной изменчивости люцерны посевной и козлятника восточного)

Сравнительный анализ внутрипопуляционной изменчивости люцерны посевной (Medicago sativa L.) и козлятника восточного (Galega orientalis L.) по биохимическим признакам качества

СА.Стрельцина, М.А.Жукова, Е.В.Чачко, Н.И.Дзюбенко, А.В.Конарев.

У двух селекционных популяций люцерны посевной, сортовой и дикорастущей популяций козлятника восточного анализировали содержание сухих веществ, белка, сапонинов, танинов, изофлавонов, флавонов, флавонолов и фенолкарбоновых кислот, а также показатель пенообразования. Показана высокая внутрипопуля-ционная изменчивость по всем изучаемым признакам. Таким образом, при селекции на качество необходимо работать с индивидуальными растениями, а не с популяцией в целом. Эффективный отбор лучших растений возможен лишь по данным нескольких лет их изучения, так как биохимический состав изменяется по годам неодинаково у разных особей.

Люцерна является одной из ведущих кормовых бобовых культур умеренных климатических зон Российской Федерации. По количеству и качеству белка она превосходит многие кормовые травы, в том числе бобовые. В одной кормовой единице люцерны содержится 160 - 175 г перевариваемого белка. Однако зеленая масса люцерны содержит ряд вредных химических соединений (так называемых антипитательных или антиметаболических веществ), которые приводят к нарушению нормального функционирования организма животных. К таким веществам относятся сапонины, эстрогенные вещества, различные фенольные соединения (1).

Козлятник восточный является перспективной многолетней кормовой культурой, имеющей ряд преимуществ по сравнению с люцерной и клевером. Эта культура обладает повышенной холодостойкостью и зимостойкостью, высокой облиственностью и значительной кормовой массой. По содержанию белка она не уступает люцерне или даже превосходит ее (2, 3). Особенности биохимического состава козлятника, в том числе содержание антипитательных веществ, изучены недостаточно.

Люцерна и козлятник являются перекрестноопыляемыми растениями, для которых показана высокая внутрипопуляционная изменчивость по многим морфобиологическим, физиологическим, хозяйственным и другим признакам.

Таким образом, для повышения эффективности селекции люцерны и козлятника, в том числе и по признакам качества, необходимо работать на уровне индивидуальных растений, для чего нужны сведения о внутрипопуляционной изменчивости биохимических признаков качества.

Материал и методы. Объектами исследования служили два сорта люцерны посевной или синей: селекционной популяции д-2, несущей мутацию многолисточковости (mf) и селекционной популяции д-6. В 1996 году в каждой из популяций были изучены по 120 растений. В 1997 году количество изученных растений люцерны было несколько меньшим из-за гибели в зимний период части растений. В популяции д-2 погибли 17,5% растений, а в популяции д-6 -23,5% растений.

Были изучены также: популяция козлятника восточного сорт "Надежда" (репродукции 1996,1997,1999 годов) и его исходная родительская дикорастущая популяция (сбор 1999 года). В 1996 и 1997 годах исследовали по 120 растений из каждой популяции козлятника, а в 1999 по 70 растений. Козлятник в отличие от люцерны обладает способностью к вегетативному размножению с помощью корневых отпрысков, образуя через 3-4 года после посадки сплошные заросли. Поэтому у популяций козлятника начиная с этого возраста невозможно проследить судьбу индивидуальных растений, так как место слабых и погибших особей могут занять отростки от более жизнеспособных соседних растений.

Образцы были репродуцированы на Павловской опытной станции ВИР им. Н.И Вавилова. Исследовались растения 1-го укоса, равномерно распределенные по всей делянке. В 1996 и 1997 годах суммы температур и количество выпавших осадков были близки к средним многолетним показателям. 1997 год был более теплым и менее дождливым. Зима 1996 - 1997 годов отличалась частыми оттепелями и невысоким снежным покровом. 1999 год выделялся необычайно жарким и сухим летом. Дефицит влаги в почве был значительно выше средних значений за многие годы.

Были изучены следующие биохимические показатели: содержание сухих веществ, белка, сапонинов, изофлавонов, танинов, флавонов и флавонолов, фенолкарбоновых кислот, а также уровень пенообразования.

Отбор проб, определение сухих веществ и белка осуществляли по методикам принятым в отделе биохимии ВИР(4). Сапонины определяли с помощью метода инфракрасной спектрофотометрии на приборе Инфраматик - 8620. Калибровочная кривая была построена по 80 образцам люцерны (по 40 растений каждой из 2 популяций). Содержание сапонинов определяли с использованием гемолитического индекса (5). Характеристики полученной кривой - К - 0,987, F - 480.

Содержание изофлавонов определяли с помощью тонкослойной хроматографии на пластинах селикагеля (4, 6). Количество танинов определяли с ванилиновым реактивом, а их фракционный состав с помощью хроматографии на полиамиде (5). Содержание флавонов, флавонолов, а также фенолкарбоновых кислот определяли с помощью бумажной хроматографии.

Способность вегетативной массы вызывать тимпанию оценивают по количеству образуемой в модельных условиях пены (7). Для придания этому показателю универсального характера введен стандарт - количество образуемой пены у нетимпанийного растения, лядвенца рогатого. Показатель пенообразования, таким образом указывает во сколько раз исследуемое растение образует больше устойчивой пены, чем лядвенец рогатый.

Статистическая обработка полученных результатов осуществлялась с использованием стандартного программного обеспечения Microsoft Excel (2000).

Результаты. Содержание сухих веществ и белка. Популяции люцерны накапливали примерно одинаковые количества сухих веществ. В зеленой массе популяции д-2 в 1996 году содержалось в среднем по популяции 22,3% сухих веществ, а в популяции д-6 - 22,55%. В 1997 году эти показатели составляли 21,55% и 21, 67% соответственно.

В козлятнике сорта "Надежда" в эти же годы накапливалось несколько меньше сухих веществ - 19,10% (в 1996 году) и 18,47% (в 1997 году). В очень засушливом и жарком 1999 году количество сухих веществ увеличилось до 29,1%. В тоже время по содержанию белка изученные сортовые популяции достаточно четко различались. В 1996 году в популяции д-2 содержалось в среднем 3,42% белка на сырой вес или 15,39% на сухой вес, в популяции д-6 несколько больше - 3,84% и 17,10% соответственно. В 1997 году среднее содержание белка снизилось, причем у популяции д-6 в большей степени, чем у д-2. В этом году популяция д-2 содержала в среднем 3,28% белка на сырой вес или 15,64% на сухой вес, а популяция д-6 - 3,51% и 16,28% соответственно. Таким образом, различие между популяциями стало несколько меньшим, но все же сохранились.

Более существенно различия между сортами проявились при анализе внутрипопуляционной изменчивости этих показателей (рис.1). В 1996 году 65% растений популяции д-2 содержали от 3,0 до 3,5% белка на сырой вес, а в 1997 количество таких растений осталось почти прежним и составило 62,2%.

У популяции д-6 самой многочисленной (61%) была группа растений с содержанием белка от 3,5 до 4,0%. В 1997 году число таких растений сократилось до 42,2%, но почти в пять раз (с 11 до 51%) возросло число растений с более низким содержанием белка (3,0 - 3,5%). Таким образом, наибольшие изменения в характере распределения содержания белка у растений были обнаружены в популяции д-6. Однако, не смотря на значительное уменьшение числа высокобелковых растений в популяции д-6 в 1997 году и увеличение таковых в д-2, различия между популяциями сохранились.

Рис. 1. Внутрипопуляционная изменчивость люцерны и козлятника по содержанию белка. По вертикали дано количество растений в %. По горизонтали - содержание белка в %.

А - 1996 год, Б - 1997 год, В - 1996 год, приведены растения люцерны, у которых содержание белка не изменилось в 1997 году по сравнению с 1996 годом.

-1—ф---- люцерна Д-2

-3- -И- - люцерна Д-6

-3—4 козлятник "Надежда"

Популяции каждого из изученных образцов люцерны во все годы отличались своим специфическим характером распределением показателя «содержание белка» у отдельных растений.

Так, не смотря на внешнее сходство кривых распределения белка, соответствующих 1996-му и 1997-му годам изучения, анализ данных по отдельным растениям показал, что внутри популяций произошли существенные изменения.

Большинство растений поменяло свое место на графике. Были выделены растения, у которых содержание белка в 1997 году снизилось в гораздо большей степени, чем в среднем по популяции. Обнаружены и такие растения, у которых содержание белка не только не снизилось, но возросло, причем у некоторых довольно значительно.

Можно было предположить, что в 1997 году в группу высокобелковых попадут растения, которые по результатам анализа 1996 года также отличались повышенным накоплением белка, в группу низко белковых соответственно пониженным накоплением и т. д. Однако, анализ полученных результатов показал, что во многих случаях это не так. В

1996 году нами была выделена группа растений, отличавшихся высоким (свыше 18% на сухой вес и свыше 4% на сырой вес) накоплением белка. Таких растений у популяции д-6 было достаточно много, более четверти от всей популяции. В 1997 году 31% этих растений вымерзло, причем погибли растения с очень высоким содержанием белка (20,0 -21,0% на сухой вес), еще 40% таких высокобелковых растений отставали в развитии и были настолько низкорослыми, что растительного материала не хватило, чтобы провести полный биохимический анализ.

У сорта д-2 высокобелковых растений было немного, и, поэтому, мы присоединили к ним растения с содержанием белка от 3,8% на сырой вес и 17,5% на сухой вес и выше. В 1997 году среди этих растений количество погибших и больных было также значительно больше, чем в среднем по популяции. У оставшихся растений ни одно не попало в число высокобелковых. В 1997 году группы высокобелковых растений составили те представители, которые в 1996 году входили в число средне- и низко белковых. Среднее содержание белка у группы высокобелковых растений в

1997 составило 4,12% на сырой вес и 18,56% на сухой вес (д-6) и 3,94% и 17,98% (д-2), соответственно. В 1996 году эти же растения накапливали белка в количестве близком к среднему по популяции, а именно -3,68% и 16,99% (д-6) и 3,42% и 15,72% (д-2) соответственно.

В каждой популяции были обнаружены растения, у которых содержание белка не менялось по годам (или менялись не более, чем на 5%). У сорта д-2 таких растений было 45%, что в 1,5 раза больше чем у сорта д-6 (28%). У сорта д-2 они располагались на графике в пределах концентраций от 2,9% до 3,7%, причем подавляющее число составляли растения с содержанием белка от 3,2 до 3,4%, что соответствовало количествам, близким к среднему по этой популяции. У сорта д-6, растения со стабильным в течение 2-х лет содержанием белка попадали на графике в диапазон от 3,2% до 4,1%. При этом подавляющее большинство составляли растения с показателями - от 3,6% до 3,8% белка на сухой вес, что также совпадает со средней концентрацией белка у популяции д-6 (рис. 1В).

Козлятник «Надежда» по сравнению с люцерной содержал больше белка как в пересчете на сухой, так и на сырой вес (24,7% и 4,8% в 1996 году и 23,9% и 4,57% в 1997 году соответственно). Большинство растений имело от 4,5% до 5,0% белка. Причем доля этих растений в течение 2-х лет была практически одинаковой (40%). В 1999 году количество белка в пересчете на сухой вес снизилось до 19,1%, а на сырой вес повысилась (5,45%). Следует отметить, что между сортом Надежда и дикорастущей популяцией козлятника существенных различий по накоплению этих веществ и характеру изменчивости внутри популяции не выявлено.

Антипитательные вещества. Сапонины. Сапонины являются одними из основных антипитательных веществ люцерны. Показано, что большинство физиологических эффектов, связанных с сапонинами люцерны, оказались вредными для животных (8). Сапонины обладают поверхностно-активными или детергентными свойствами. Это вызывает пенообразование водных растворов и приводит к заболеванию животных - тимпании или вспучиванию. Сапонины вызывают ингибирование роста организма, снижение деятельности гладкой мускулатуры и всасывания питательных веществ (1,9).

Одни авторы считают высокосапониновыми растения, которые содержат более 1% этих веществ на сухой вес (10,11). Другие полагают, что таковыми являются растения с содержанием сапонинов 0,47% на сухой вес и выше (12).

В 1996 году в популяции д-2 содержалось в среднем 70,2 мгМООг сапонинов на сырой вес (0,25% на сухой вес), а в д-6 - 127мг/100г (0,56%) соответственно. В 1997 в обеих популяциях содержание сапонинов значительно увеличилось: у д-2 в среднем до 122мг/100г на сырой вес (0,49% на сухой вес), а у сорта д-6 до 246мг/100г (0,74%) соответственно. В 1997 году произошло не только увеличение среднего содержания сапонинов, но и изменение распределения содержания этих веществ у растений в популяции.

Как видно из рисунка 2, наибольшие изменения произошли в популяции д-2. Если в 1996 году самой многочисленной была группа растений с содержанием сапонинов от 70 до 90 мг/100 г, то в 1997 году таковой стала группа растений с содержанием сапонинов от 120 до 140 мг/100 г.