Сравнительный анализ химического состава и размера крахмальных гранул в зерновках между диплоидными и тетраплоидными сортами сахарной кукурузы

Актуальность. Улучшение вкусовых качеств и пищевой ценности сахарной кукурузы селекционно-генетическими методами актуально. Тетраплоидный сорт сахарной кукурузы ‘Баксанская сахарная’ (к-23426) имеет ряд преимуществ по вкусовым и товарным качествам перед традиционными диплоидными сортами.

Цель исследования – определение отличительных биохимических особенностей, влияющих на вкусовые качества этого сорта, в сравнении с диплоидной кукурузой (сорт ‘Ранняя Лакомка’).
Материалы и методы. Проведена оценка различий фенотипических признаков растений диплоидной (2n) и тетраплоидной (4n) кукурузы. Методом инфракрасной спектроскопии изучено различие биохимического состава зерновок по содержанию белка, крахмала, масла. Методом газо-жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией изучено накопление метаболитов в сухой зерновке.
Результаты. Сравнение фенотипических признаков растений диплоидной (2n) и тетраплоидной (4n) кукурузы показало, что структура початка, содержание белка и масла у тетраплоидной лучше. Анализ метаболитов показал, что в зерновках тетраплоидной кукурузы изменяются количественные показатели химических компонентов без изменения качественного состава. Химический состав метаболитов зерна 4n-кукурузы характеризуется усилением синтеза большинства органических кислот и свободных аминокислот, фосфорной кислоты, жирных кислот, некоторых моносахаридов, фенольных соединений и фитостеролов. Наблюдается снижение содержания большинства многоатомных спиртов, дисахаридов, трисахаридов, некоторых моносахаридов и фенольных соединений. Обнаружен ингибирующий эффект дозы гена su2 на размеры крахмальных гранул.
Заключение. Результаты исследований показали, что сорт тетраплоидной сахарной кукурузы ‘Баксанская сахарная’ имеет улучшенную структуру початка и существенные отличия от диплоидной по биохимическому составу, влияющие на вкусовые качества.

1. Abd El-Hamed K.E., Elwan M.W.M., Shaban W.I. Enhanced sweet corn propagation: Studies on transplanting feasibility and seed priming. Vegetable Crops Research Bulletin. 2011;75(1):31-50. DOI: 10.2478/v10032-011-0016-4

2. Boyer C.d., shannon j.c. the use of endosperm genes for sweet corn improvement. plant breeding reviews. 2011;1:139-161. DOI 10.1002/9781118060988.ch5

3. Чесноков Ю.В. Биохимические маркеры в генетических исследованиях культурных растений: применимость и ограничения (обзор). Сельскохозяйственная биология. 2019;54(5):863-874. DOI: 10.15389/agrobiology.2019.5.863rus

4. Cui L. Dong S., Zhang J., Liu P. Starch granule size distribution and morphogenesis in maize (Zea mays L.) grains with different endosperm types. Australian Journal of Crop Science. 2014;8(11):1560-1565.

5. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). 5-е изд. Москва: Альянс; 2014.

6. Гаркушка В.Г., Литвинова Н.В., Фролов А.Н. Сахарная кукуруза – перспективная овощная культура. НПО «КОС-МАИС»; 2010. URL: http://kosmais.ru/maize_sugar.html [дата обращения: 10.06.2020].

7. ГОСТ 26176-91. Межгосударственный стандарт. Корма, комбикорма. Методы определения растворимых и легкогидролизуемых углеводов. Москва; 1993. URL: http://docs.cntd.ru/document/gost-26176-91 [дата обращения: 10.10.2018].

8. Hartings H., Fracassetti M., Motto M. Genetic enhancement of grain quality-related traits in maize. In: Y.O. Çiftçi (ed.). Transgenic plants – advances and limitations: monograph. Rijeka: InTechOpen; 2012. p.191-218. DOI: 10.5772/32758

9. James M.G., Robertson D.S., Myers A.M. Characterization of the maize gene sugary1, a determinant of starch composition in kernels. The Plant Cell. 1995;7(4):417-429. DOI: 10.1105/tpc.7.4.417

10. Jompuk C., Jitlaka C., Jompuk P., Stamp P. Combining three grain mutants for improved-quality sweet corn. Agricultural and Environmental Letters. 2020;5(3):e20010. DOI: 10.1002/ael2.20010

11. Khatefov E.B. Creating tetraploid lines of sweet corn (Zea mays saccharata) and studying biochemical content of their grain. KnE Life Sciences, 2019;4(14):1003-1012. DOI: 10.18502/kls.v4i14.5699

12. Хатефов Э.Б. Хачидогов А.В., Кагермазов А.М., Шомахов Б.Р., Кушхова Р.С. Создание и изучение селекционной ценности восстановленных линий кукурузы из тетраплоидных популяций в условиях Кабардино-Балкарии. Инновации и продовольственная безопасность. 2018;2(20):104-116.

13. Хатефов Э.Б. Щербак В.С. Цитогенетические исследования семенной продуктивности тетраплоидной кукурузы. Вестник Кабардино-Балкарского государственного университета. Серия: Биологические науки. 2002;5:83-88.

14. Хатефов Э.Б., Щербак В.С. Кукуруза сахарная (Zea mays L. convar. saccharata Korn). Сорт ‘Баксанская cахарная’. Российская Федерация; патент на селекционное достижение № 6335; 2012.

15. Хлесткина Е.К., Пшеничникова Т.А., Усенко Н.И., Отмахова Ю.С. Перспективные возможности использования молекулярно-генетических подходов для управления технологическими свойствами зерна пшеницы в контексте цепочки «зерно – мука – хлеб». Вавиловский журнал генетики и селекции. 2016;20(4):511-527. DOI: 10.18699/VJ15.140

16. Широкий унифицированный классификатор СЭВ и международный классификатор СЭВ видов Zea mays L. / сост. В.Г. Кукеков. Ленинград: ВИР; 1977.

17. Лоскутов И.Г., Шеленга Т.И., Конарев А.В., Шаварда А.Л., Блинова Е.В., Дзюбенко Н.И. Метаболомный подход к сравнительному анализу диких и культурных видов овса (Avena L.). Вавиловский журнал генетики и селекции. 2016;20(5):636-642. DOI: 10.18699/VJ16.185

18. Mahato A., Shahi J.P., Singh P.K., Kumar M. Genetic diversity of sweet corn inbreds using agro-morphological traits and microsatellite markers. 3 Biotech. 2018;8(8):332. DOI: 10.1007/s13205-018-1353-5

19. Motto M., Balconi C., Hartings H., Rossi V. Gene discovery for improvement of kernel quality-related traits in maize. Genetika. 2010;42(1):23-56. DOI: 10.2298/GENSR1001023M

20. Myers A.M., Morell M.K., James M.G., Ball S.G. Recent progress toward understanding biosynthesis of the amylopectin crystal. Plant Physiology. 2000;122(4):989-997. DOI: 10.1104/pp.122.4.989

21. Nerling D., Coelho C.M.M., Brümmer A. Biochemical profiling and its role in physiological quality of maize seeds. Journal of Seed Science. 2018;40(1):7-15. DOI: 10.1590/2317-1545v40n1172734

22. Новоселов С.Н., Хатефов Э.Б. Биохимический состав зерна тетраплоидной сахарной кукурузы. Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 2011;4:40-42.

23. Pairochteerakul P., Jothityangkoon D., Ketthaisong D., Simla S., Lertrat K., Suriharn B. Seed germination in relation to total sugar and starch in endosperm mutant of sweet corn genotypes. Agronomy. 2018;8(12):299. DOI: 10.3390/agronomy8120299

24. Палий А.Ф. Генетические аспекты улучшения качества зерна кукурузы. Кишинев: Штиинца; 1989.

25. Shahbandeh M. Global corn consumption 2018/2019 by country. Statista; 2019. Available from: https://www.statista.com/statistics/691175/consumption-corn-worldwide-bycountry/ [accessed June 10, 2020].

26. Изучение и поддержание образцов коллекции кукурузы: методические указания / под ред. Г.Е. Шмараева. Ленинград: ВИР; 1985.

27. Сотченко В.С., Горбачева А.Г., Багринцева В.Н, Сотченко Е.Ф., Лавренчук Н.Ф., Супрунов А.И., Толорая Т.Р., Жуков Н.И., Смирнова Л.А. Методические указания по производству гибридных семян кукурузы. Пятигорск: Колос; 2019.

28. Сотченко В.С., Новоселов С.Н. Применение модифицированного рекуррентного реципрокного отбора в селекции сахарной кукурузы. Кукуруза и сорго. 1995;4:2-5.

29. Wang X., Larkins B.A. Genetic analysis of amino acid accumulation in opaque-2 maize endosperm. Plant Physiology. 2001;125(4):1766-1777. DOI: 10.1104/pp.125.4.1766

30. Wilson D.O. Jr., Mohan S.K. Unique seed quality problems of sh2 sweet corn. Seed Technology. 1998;20(2):176-186. Available from: https://www.jstor.org/stable/23433021 [accessed Aug. 13, 2020 ].

31. Zhang H.Y., Dong S.T., Gao R.Q., Li Y.Q. Comparison of starch synthesis and related enzyme activities in developing grains among different types of maize. Journal of Plant Physiology and Molecular Biology. 2007;33(1):25-32.

32. Zhang X., von Mogel K.J.H., Lor V.S., Hirsch C.N., De Vries B., Kaeppler H.F. et al. Maize sugary enhancer1 (se1) is a gene affecting endosperm starch metabolism. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2019;116(41):20776-20785. DOI: 10.1073/pnas.1902747116

33. Žilić S., Milašinović-Šeremešić M., Terzić D., Barać M., Ignjatović-Micić D. Grain characteristics and composition of maize specialty hybrids. Spanish Journal of Agricultural Research. 2011;9(1):230-241. DOI: 10.5424/sjar/20110901-053-10