vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2024-1-109-117vir-nw-1869Research ArticleИЗУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ РАСТЕНИЙSTUDYING AND UTILIZATION OF PLANT GENETIC RESOURCESМетодические аспекты использования БИК-спектрометрии для определения биохимических показателей зерна ячменяMethodological aspects of using NIR spectroscopy to assess biochemical indicators in barley grainhttps://orcid.org/0000-0003-3274-7662ПоповВ. С.PopovV. S.

Виталий Сергеевич Попов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник,

190000 Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Vitaliy S. Popov, Cand. Sci. (Engineering), Senior Researcher,

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000

v.popov@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3992-5353ШеленгаТ. В.ShelengaT. V.

Татьяна Васильевна Шеленга, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник,

190000 Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Tatiana V. Shelenga, Cand. Sci. (Biology), Leading Researcher,

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000

tatianashelenga@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3990-6526КовалеваО. Н.KovalevaO. N.

Ольга Николаевна Ковалева, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник,

190000 Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Olga N. Kovaleva, Cand. Sci. (Biology), Leading Researcher, 

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000

o.kovaleva@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2762-2777ХореваВ. И.KhorevaV. I.

Валентина Ивановна Хорева, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник,

190000 Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 42, 44

Valentina I. Khoreva, Cand. Sci. (Biology), Leading Researcher,

42, 44 Bolshaya Morskaya Street, St. Petersburg 190000

horeva43@mail.ruФедеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. ВавиловаРоссияN.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic ResourcesRussian Federation2024020520241851109117Copyright © Попов В.С., Шеленга Т.В., Ковалева О.Н., Хорева В.И., 20242024Попов В.С., Шеленга Т.В., Ковалева О.Н., Хорева В.И.Popov V.S., Shelenga T.V., Kovaleva O.N., Khoreva V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://elpub.vir.nw.ru/jour/article/view/1869Актуальность

Актуальность. В статье обсуждается возможность использования спектроскопии ближнего инфракрасного отражения (БИК) для экспресс-оценки биохимических показателей у различных форм и разновидностей ячменя. На основании данных, полученных в отделе биохимии и молекулярной биологии ВИР, построены калибровочные модели содержания белка, крахмала, масла, бета-глюканов и суммы фенольных веществ (ФВ) в зерне, позволяющие в дальнейшем проводить скрининговые исследования различных образцов ячменя.

Материалы и методы

Материалы и методы. Химический состав зерна изучали в образцах голозерного и пленчатого ярового ячменя (Hordeum vulgare L.), выращенного в 2022 г. на северо-западе РФ. Калибровочные модели для определения белка, масла, крахмала, бета-глюканов и ФВ (80 образцов) разработаны для ИК-анализатора Matrix-I фирмы Bruker Optics (Германия). При их построении использовали показания, полученные общепринятыми химическими методами анализа. Содержание белка/азота определяли по Кьельдалю, масла – по массе сухого обезжиренного остатка в модификации С. В. Рушковского, крахмала – поляриметрическим методом по Эверсу, бета-глюканов – весовым методом, сумму ФВ – по методу Фолина и Чокальтеу в модификации Синглетона и Росси.

Результаты

Результаты. Достоверность построенных калибровочных сопоставляли с результатами определения белка, крахмала, масла, бета-глюканов и ФВ, полученными химическими методами. В результате показано: данные, полученные с помощью калибровочных для определения белка и крахмала, являлись достоверными, остальные модели нуждаются в доработке.

Заключение

Заключение. Предлагаемый метод позволяет сохранить ценный исходный материал, повысить эффективность труда, при этом не нуждается в применении химических реактивов. После сканирования каждого образца можно получить результаты сразу по нескольким показателям с заданной повторностью и стандартным отклонением.

Background

Background. The possibility of applying near-infrared reflectance (NIR) spectroscopy for rapid assessment of various biochemical parameters in barley varieties and forms is discussed. The data obtained by the Biochemistry and Molecular Biology Department of VIR served to construct calibration models for the content of protein, starch, oil, beta-glucans, and total phenolic compounds (PhC) in grain, facilitating further screening of various barley samples.

Materials and methods

Materials and methods. The chemical composition of grain was studied in naked and covered spring barley (Hordeum vulgare L.) accessions grown in 2022 in the northwest of Russia. Calibration models were developed to measure the content of protein, oil, starch, beta-glucans, and PhC (80 accessions) in barley grain with the Matrix-I IR analyzer (Bruker Optics, Germany). The models were constructed on the basis of the data obtained by conventional techniques of chemical analysis. The protein/ nitrogen content was assessed using the Kjeldahl method, oil according to the method of defatted dry residue modified by S. V. Ruszkovsky, starch by the polarimetric method according to Evers, beta-glucans by gravimetric analysis, and the total PhC content by the Folin–Ciocâlteu method modified by Singleton and Rossi.

Results

Results. Statistical significance of the constructed calibration tests was compared with the results of measuring protein, starch, oil, beta-glucan and PhC levels by chemical methods. It was shown that the data of calibration techniques for protein and starch were significant, while the remaining models required improvement.

Conclusion

Conclusion. The proposed method helps to preserve valuable source material, increases labor efficiency, and does not require chemical reagents. Scanning each sample makes it possible to obtain data for several indicators at once, with a specified replication and standard deviation.

зерновые культурыпленчатый ячменьголозерный ячменькалибровочная модельметод БИК-спектроскопиибелоккрахмалмаслобета-глюканыфенольные соединенияcerealscovered barleynaked barleycalibration modelNIR spectroscopyproteinstarchoilbeta-glucansphenolic compoundsисследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-76-00005, https://rscf.ru/ project/23-76-00005/. Авторы благодарят рецензентов за вклад в экспертную оценку этой работы.the study was supported by the grant from the Russian Science Foundation, No. 23-76-00005, https://rscf.ru/project/23-76-00005/. The authors thank the reviewers for their contribution to the peer review of this work.ReferencesЕфименко С.Г., Ефименко С.К. Определение содержания масла и влаги в семенах горчицы с помощью ИК-спектрометрии. Масличные культуры. Научно-технический бюллетень ВНИИМК. 2019;4(180):36-44. DOI: 10.25230/2412-608Х2019-4-180-36-44Efimenko S.G., Efimenko S.K. Determination of oil and moisture contents in mustard seeds using IR spectrometry. Oil Crops. Scientific and Technical Bulletin of VNIIMK. 2019;4(180):36-44. [in Russian]. DOI: 10.25230/2412-608Х2019-4-180-36-44Ефименко С.Г., Ефименко С.К., Кучеренко Л.А., Нагалевская Я.А. Экспресс-оценка содержания основных жирных кислот в масле семян рапса с помощью ИК-спектрометрии. Масличные культуры. Научно-технический бюллетень ВНИИМК. 2015;4(164):35-40.Efimenko S.G., Efimenko S.K., Kucherenko L.A., Nagalevskaya Ya.A. Quick-assay of the content of the main fatty acids in oil of rapeseed seeds by means of IR-spectrometry. Oil Crops. Scientific and Technical Bulletin of VNIIMK. 2015;4(164):35-40. [in Russian].Ефименко С.Г., Кучеренко Л.А., Ефименко С.К., Нагалевская Я.А. Оценка основных показателей качества семян сои с помощью ИК-спектрометрии. Масличные культуры. Научно-технический бюллетень ВНИИМК. 2016;3(167):33-38.Efimenko S.G., Kucherenko L.A., Efimenko S.K., Nagalevskaya Ya.A. Evaluation of the general qualitative traits of soybean seeds using IR-spectrometry. Oil Crops. Scientific and Technical Bulletin of VNIIMK. 2016;3(167):33-38. [in Russian].Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П., Перуанский Ю.В., Луковникова Г.А., Иконникова М.И. Методы биохимического исследования растений / под ред. А.И. Ермакова. 3-е изд. Ленинград: Агропромиздат; 1987.Ermakov A.I., Arasimovich V.V., Yarosh N.P., Peruanskiy Yu.V., Lukovnikova G.A., Ikonnikova M.I. Methods of biochemical research in plants (Metody biokhimicheskogo issledovaniya rasteniy). A.I. Ermakov (ed.). 3rd ed. Leningrad: Agropromizdat; 1987. [in Russian].Гаркавый П.Ф., Пыльнева П.Н. Аминокислотный состав зерна обычных и высоколизиновых форм ячменя. Вестник сельскохозяйственной науки. 1980;7:71-73.Garkavy P.F., Pylneva P.N. Amino acid composition of grain in common and high-lysine forms of barley (Aminokislotny sostav zerna obychnykh i vysokolizinovykh form yachmenya). Vestnik selskokhozyaystvennoy nauki = Bulletin of Agricultural Science. 1980;7;71-73. [in Russian].ГОСТ 32749-2014. Межгосударственный стандарт. Семена масличные, жмыхи и шроты. Определение влаги, жира, протеина и клетчатки методом спектроскопии в ближней инфракрасной области. Москва: Стандартинформ; 2019. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200111470 [дата обращения: 21.07.2023].GOST 32749-2014. Interstate standard. Oilseeds, oilcakes and oilmeals. Determination of moisture, oil, protein and fiber by Near-Infrared Reflectance. Moscow: Standartinform; 2019. [in Russian]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200111470 [дата обращения: 21.07.2023].Khoreva V.I., Popov V.S., Kon’kova N.G. Application of the IR spectrometry method in the screening study of various oat species. Ecological Genetics. 2022;20(4):349-357. DOI: 10.17816/ecogen108503Khoreva V.I., Popov V.S., Kon’kova N.G. Application of the IR spectrometry method in the screening study of various oat species. Ecological Genetics. 2022;20(4):349-357. DOI: 10.17816/ecogen108503Ковалева О.Н., Иванова Н.Н., Хорева В.И., Теплякова С.Б., Потокина Е.К. Каталог мировой коллекции ВИР. Выпуск 851. Ячмень. Агробиологическая характеристика образцов ячменя и результаты молекулярного тестирования аллелей генов фотопериодической реакции PPD и генов яровизации VRN / под ред. И.Г. Лоскутова. Санкт-Петербург: ВИР; 2017.Kovaleva O.N., Ivanova N.N., Khoreva V.I., Teplyakova S.B., Potokina E.K. Catalogue of the VIR global collection. Issue 851. Barley. Agrobiological characterization of barley accessions and results of molecular testing of alleles of PPD photoperiodic reaction genes and VRN vernalization genes. I.G. Loskutov (ed.). St. Petersburg: VIR; 2017. [in Russian].Козьмина Н.П. Биохимия зерна и продуктов его переработки. Москва: Колос; 1976.Kozmina N.P. Biochemistry of grain and products of its processing (Biokhimiya zerna i produktov ego pererabotki). Moscow: Kolos; 1976. [in Russian].Красильников В.Н., Барсукова Н.В., Попов В.С. Бета-глюканы овса в функциональном и лечебном питании. Проблемы экономики и управления в торговле и промышленности. 2014;2(6):78-83.Krasilnikov V.N., Barsukova N.V., Popov V.S. Roles of oat beta-glucan in functional and dietetic food. Problemy ekonomiki i upravleniya v torgovle i promyshlennosti = Problems of Economics and Management in Trade and Industry. 2014;2(6):78-83. [in Russian].Методические указания по изучению и сохранению мировой коллекции ячменя и овса / сост. И.Г. Лоскутов, О.Н. Ковалева, Е.В. Блинова; под ред. И.Г. Лоскутова. Санкт-Петербург: ВИР; 2012.Loskutov I.G., Kovaleva O.N., Blinova E.V. (comp.). Methodological guidelines for the study and preservation of the world collection of barley and oats (Metodicheskiye ukazaniya po izucheniyu i sokhraneniyu mirovoy kollektsii yachmenya i ovsa). I.G. Loskutov (ed.). St. Petersburg: VIR; 2012. [in Russian].Peng X.R., Liu J.Q., Wang C.F., Han Z.H., Shu Y., Li X.Y. et al. Unusual prenylated phenols with antioxidant activities from Ganoderma cochlear. Food Chemistry. 2015;171:251- 257. DOI: 10.1016/j.foodchem.2014.08.127Peng X.R., Liu J.Q., Wang C.F., Han Z.H., Shu Y., Li X.Y. et al. Unusual prenylated phenols with antioxidant activities from Ganoderma cochlear. Food Chemistry. 2015;171:251- 257. DOI: 10.1016/j.foodchem.2014.08.127Плешков Б.П. Биохимия сельскохозяйственных растений. Москва: Агропромиздат; 1987.Pleshkov B.P. Biochemistry of agricultural plants (Biokhimiya selskokhozyaystvennykh rasteniy). Moscow: Agropromizdat; 1987. [in Russian].Popov V.S., Konarev A.V., Kovaleva O.N., Konkova N.G., Khoreva V.I. Weight method for determination of soluble β-glucans in barley grain. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2023;184(4):45-52. DOI: 10.30901/2227-8834-2023-4-45-52Popov V.S., Konarev A.V., Kovaleva O.N., Konkova N.G., Khoreva V.I. Weight method for determination of soluble β-glucans in barley grain. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2023;184(4):45-52. DOI: 10.30901/2227-8834-2023-4-45-52Итоги за 2023 год. Посевные площади зерновых и зернобобовых культур в России. Интернет-портал Агровестник; 16.08.2023. URL: https://agrovesti.net/lib/industries/cereals/itogi-za-2023-god-posevnye-ploshchadi-zernovykhi-zernobobovykh-kultur-v-rossii.html [дата обращения 21.01.2024].Results for 2023. Sown areas of cereals and grain legumes in Russia (Itogi za 2023 god. Posevnye ploshchadi zernovykh i zernobobovykh kultur v Rossii). Agrovestnik Internet Portal; Aug. 16, 2023. [in Russian]. URL: https://agrovesti.net/lib/industries/cereals/itogi-za-2023-god-posevnye-ploshchadi-zernovykhi-zernobobovykh-kultur-v-rossii.html [дата обращения 21.01.2024].Рибалка О.І., Поліщук С.С., Кірдогло Є.К., Моргун Б.В. Генетичні та селекційні критерії створення сортів голозерного ячменю харчового напряму. Физиология и биохимия культурных растений. 2013;45(3):187-205.Ribalka O.I., Polishchuk S.S., Kirdoglo E.K., Morgun B.V. Genetic and breeding criteria for the direct development of naked food barley cultivars (Genetichnі ta selekcіjnі kriterіi stvorennya sortіv golozernogo yachmenyu harchovogo napryamu). Physiology and Biochemistry of Cultivated Plants. 2013;45(3):187-205. [in Ukrainian].Shvachko N.A., Loskutov I.G., Semilet T.V., Popov V.S., Kovaleva O.N., Konarev A.V. Bioactive components in oat and barley grain as a promising breeding trend for functional food production. Molecules. 2021;26(8):2260. DOI: 10.3390/molecules26082260Shvachko N.A., Loskutov I.G., Semilet T.V., Popov V.S., Kovaleva O.N., Konarev A.V. Bioactive components in oat and barley grain as a promising breeding trend for functional food production. Molecules. 2021;26(8):2260. DOI: 10.3390/molecules26082260Singleton V.L., Rossi J.A. Colorimetry of total phenolics with phosphomolybdic-phosphotungstic acid reagents. American Journal of Enology and Viticulture. 1965;16(3):144-158. DOI: 10.5344/ajev.1965.16.3.144Singleton V.L., Rossi J.A. Colorimetry of total phenolics with phosphomolybdic-phosphotungstic acid reagents. American Journal of Enology and Viticulture. 1965;16(3):144-158. DOI: 10.5344/ajev.1965.16.3.144Wiegmann M., Maurer A., Pham A., March T.J., Al-Abdallat A., Thomas W.T.B. et al. Barley yield formation under abiotic stress depends on the interplay between flowering time genes and environmental cues. Scientific Reports. 2019;9(1):6397. DOI: 10.1038/s41598-019-42673-1Wiegmann M., Maurer A., Pham A., March T.J., Al-Abdallat A., Thomas W.T.B. et al. Barley yield formation under abiotic stress depends on the interplay between flowering time genes and environmental cues. Scientific Reports. 2019;9(1):6397. DOI: 10.1038/s41598-019-42673-1Wood P.J., Paton D., Siddiqui I.R. Determination of beta-glucan in oats and barley. Cereal Chemistry. 1977;54:524-533.Wood P.J., Paton D., Siddiqui I.R. Determination of beta-glucan in oats and barley. Cereal Chemistry. 1977;54:524-533.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.