Принципы селекции ржи с низким содержанием водорастворимых пентозанов в зерне

Озимая рожь – вторая после пшеницы хлебная культура. По питательной ценности белка превосходит другие зерновые культуры за счет высокого содержания лизина, метионина, валина и сбалансированности по другим незаменимым аминокислотам. Прямое использование зерна хлебопекарной ржи на корм животным ограничивают содержащиеся в нем водорастворимые пентозаны (арабиноксиланы). Поэтому создание низкопентозановой ржи с высокопитательным зерном – перспективное направление в селекции зернофуражных сортов. Под руководством и при непосредственном участии В.Д. Кобылянского в ВИР имени Н.И. Вавилова за период 2004-2021 годов разработана технология селекции низкопентозановой ржи универсального использования. Выявлена связь пониженного содержания пентозанов с тонкопокровностью зерен. Предложен эффективный метод идентификации низкопентозановых генотипов по признаку тонкопокровности зерновок. Этим методом исследованы 562 образца из коллекции ВИР, представленные популяциями сортовой, сорно-полевой и дикорастущей ржи. Установлено, что количество тонкопокровных зерен, в зависимости от образца, варьирует от 12 до 70%. Сорта, имеющие наибольшую частоту низкопентозановых генотипов, могут служить исходным материалом для селекции. Установлена зависимость низкого содержания водорастворимых пентозанов в зерне от экспрессии рецессивных аллелей гена/генов, ответственных за проявление признака. Для создания зернофуражных сортов предложено использовать метод накопительных внутрипопуляционных скрещиваний и метод попарного переопыления растений с индикаторными колосьями. Созданы популяционные сорта низкопентозановой ржи универсального использования: ‘Вавиловскаяʼ, ‘Берегиняʼ, ‘Подарокʼ ‘Янтарнаяʼ, ‘Красноярская универсальнаяʼ, ‘Новая Эраʼ и ‘Арга’. Эти сорта характеризуются низким, как у пшеницы, содержанием пентозанов. Они прошли оценку в основных зонах выращивания ржи, испытаны в качестве сырья для кормопроизводства и хлебопечения и не уступают по урожайности ранее районированным (хлебопекарным) сортам. Хлебопекарные свойства новых сортов не выходят за пределы аналогичных показателей у хлебопекарной ржи. Использование низкопентозановых сортов в рационах животных снимает проблему, существующую в случае кормления зерном хлебопекарной ржи.

1. Boros D. Quality aspects of rye for feed purposes. Vortrage fur Pflanzenzuchtung. 2007;71:80-85.

2. Boros D., Lukaszewski A.J., Aniol A., Ochodzki, P. Chromosome location of genes controlling the content of dietary fibre and arabinoxylans in rye. Euphytica. 2002;128:1-8. DOI: 10.1023/A:1020639601959

3. Boros D., Madej L., Jagodzinski J. Perspectives of selection for better nutritive quality of rye. Plant Breeding and Seed Science. 1997;41(2):81-89.

4. Boros D., Marquardt R.R., Slominski B.A., Guenter W. Extract viscosity as an indirect assay for water-soluble pentosans content in rye. Cereal Chemistry. 1993;70(5):575-580. Available from: https://www.cerealsgrains.org/publications/cc/backissues/1993/Documents/70_575.pdf [accessed March 13, 2024].

5. Cyran M.R., Ceglinska A., Kolasinska I. Depolymerization degree of water-extractable arabinoxylans in rye bread: characteristics of inbred lines used for breeding of bread cultivars. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2012;60(35):8720-8730. DOI: 10.1021/jf301573v

6. Cyran M., Rakowska M., Wasilewko J., Buraczewska L. Degradation of dietary fiber polysaccharides of rye in the intestinal tract of growing pigs used as a model animal for studying digestion in humans. Journal of Animal and Feed Sciences. 1995;4(3):217-227. DOI: 10.22358/jafs/69795/1995

7. Delcour J.A., Vanhamel S., De Geest C. Physico-chemical and functional properties of rye nonstarch polysaccharides. I. Colorimetric analysis of pentosans and their relative monosaccharide compositions in fractionated (milled) rye products. Cereal Chemistry. 1989;66(2):107-111. Available from: https://www.cerealsgrains.org/publications/cc/backissues/1989/Documents/66_107.pdf [accessed March 13, 2024].

8. Delcour J.A., Vanhamel S., Hoseney R.S. Physicochemical and functional properties of rye nonstarch polysaccharides. II. Impact of a fraction containing water-soluble pentosans and proteins on gluten-starch loaf volumes. Cereal Chemistry. 1991;68(1):72-76. Available from: https://www.cerealsgrains.org/publications/cc/backissues/1991/Documents/68_72.pdf [accessed March 14, 2024].

9. Дименштейн Ф.И., Ермаков А.И., Княгиничев М.И., Гончаренко Ф.И. Биохимия ржи. В кн.: Биохимия культурных растений. 2-е изд., перераб. и доп. Москва; Ленинград; 1958. Т. 1. С.165-233.

10. Flamme W., Dill P., Jansen G., Roux S. Developing rye germplasm for alternative use: Quality assessment methods and progress from selection. Beiträge zur Züchtungsforschung. 1996;35:129-138.

11. Гильмуллина Л.Ф., Пономарева М.Л, Пономарев С.Н., Маннапова Г.С. Методы качественного и количественного определения арабиноксиланов в зерне злаков (обзор). Химия растительного сырья. 2021;(1):27-43. DOI: 10.14258/jcprm.2021017713

12. Гончаренко А.А., Ермаков С.А., Макаров А.В., Семенова Т.В., Точилин В.Н, Осипова А.В., Лазарева Е.Н., Крахмалева О.А. Селекция озимой ржи на высокую и низкую вязкость водного экстракта. Зерновое хозяйство России. 2015;(4):21-27.

13. Goncharenko A.A., Ermakov S.A., Makarov A.V., Semenova T.V., Tochilin V.N., Osipova A.V., Lazareva E.N., Krahmaleva O.A., Jashina N.A. Multiple divergent selection on viscosity of water extract of winter rye. Russian agricultural sciences.2016;42(5):289-294). DOI: 10.3103/S1068367416050074

14. Гончаренко А.А., Осипова А.В., Яшина Н.А., Кондратьева О.П., Щербакова З.Н. Оценка признаков качества зерна озимой ржи с различной вязкостью водного экстракта. Хлебопродукты. 2017;(11):54-57.

15. Гончаренко А.А., Тимощенко А.С., Беркутова Н.С. Вязкость водного экстракта зерна озимой ржи как универсальный признак при селекции на целевое использование. Сельскохозяйственная биология. 2007;42(3):44-49.

16. Ibragimova Z.A., Kuluev B.R. Molecular basis of food and feed qualities of rye (Secale sereale) grain. Biomics. 2020;12(1):8-26. [in Russian] (Ибрагимова З.А., Кулуев Б.Р. Молекулярные основы пищевых и кормовых качеств зерна ржи (Secale sereale). Биомика. 2020;12(1):8-26). DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2020-2

17. Исмагилов P.P. Ахиярова Л.M. Кормовые качества зерна озимой ржи Уфа: Гилем; 2012.

18. Исмагилов Р.Р., Гайсина Л.Ф. Хлебопекарные качества зерна гибридов F1 озимой ржи. Достижения науки и техники АПК. 2015;29(1):24-26.

19. Исмагилов Р.Р., Алимгафаров Р.Р., Савина А.А. Применение ферментных препаратов – эффективный приём снижения содержания пентозанов в зерне озимой ржи. Достижения науки и техники АПК. 2023a;37(1):46-50. DOI: 10.53859/02352451_2023_37_1_46

20. Исмагилов Р.Р., Малютина К.В., Алимгафаров Р.Р., Каюмова Р.Р. Перспективы использования и приемы снижения арабиноксиланов кормового зерна. Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2023б;1(65):26-32. DOI: 10.31563/1684-7628-2023-65-1-26-32

21. Исмагилов Р.Р., Ванюшина Т.Н., Аюпов Д.С. Пентозаны ржи / под ред. Р.Р. Исмагилова. Уфа: Башкирский ГАУ; 2006.

22. Jürgens H.-U., Jansen G., Wegener C.B. Characterization of several rye cultivars with respect to arabinoxylans and extract viscosity. Journal of Agricultural Science. 2012;4(5):1-12. DOI: 10.5539/jas.v4n5p1

23. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В. Использование доноров ценных признаков растений в селекции новых сортов озимой ржи. Достижение науки и техники АПК. 2015;29(7):7-12.

24. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В., Лунегова И.В., Новикова С.П., Хлопюк М.С., Макаров В.И. Создание низкопентозановой ржи и возможности ее использования на корм животным. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2017;178(1):31-40. DOI: 10.30901/2227-8834-2017-1-31-40

25. Кобылянский В.Д. Рожь. Генетические основы селекции. Москва: Колос; 1982.

26. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В. Основы селекции малопентозановой ржи. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2009;166:112-118.

27. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В. Теоретические основы селекции зернофуражной ржи с низким содержанием водорастворимых пентозанов. Сельскохозяйственная биология. 2013;48(2):31-39.

28. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В.; под научной редакцией И.Г. Лоскутова. Технология селекции и семеноводства ржи универсального использования с низким содержанием водорастворимых пентозанов в зерне. Санкт-Петербург: ВИР; 2023. DOI: 10.30901/978-5-907145-57-3

29. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В., Кузнецова Л.И., Лавреньтева Н.С., Тимина М.А. Перспективы использования низкопентозановой ржи для хлебопекарных целей. Российская сельскохозяйственная наука. 2018;(6):3-5. DOI: 10.31857/S250026270001823-0

30. Кобылянский В.Д., Солодухина О.В., Никонорова И.М. Морфологические особенности низкопентозанового зерна ржи. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2021;182(2):123-130. DOI: 10.30901/2227-8834-2021-2-123-130

31. Kolasińska I., Boros D., Madej L., Cygankiewich A. Quantitative characteristic of rye inbred lines. Plant Breeding and Seed Science. 2003;48(2-2):127-131. Available from: https://www.researchgate.net/publication/308723143_QUALITATIVE_CHARACTERISTICS_OF_RYE_INBRED_LINES [accessed March 14, 2024].

32. Korzun V., Börner A., Melz G. RFLP mapping of the dwarfing (Ddw1) and hairy peduncle (Hp) genes on chromosome 5 of rye (Secale cereale L.). Theoretical and Applied Genetics. 1996;92(8):1073-1077. DOI: 10.1007/BF00224051

33. Kozlova L.V., Nazipova A.R., Gorshkov O.V., Gilmullina L.F., Sautkina O.V., Petrova N.V. Identification of genes involved in the formation of soluble dietary fiber in winter rye grain and their expression in cultivars with different viscosities of wholemeal water extract. The Crop Journal. 2022;10(2):532-549. DOI: 10.1016/j.cj.2021.05.008

34. Кретович В.Л., Петрова И.С. Слизи ржаного зерна и их технологическое значение. Биохимия зерна. 1951;13(1):145-159.

35. Лаврентьева Н.С., Кузнецова Л.И., Кобылянский В.Д., Жирнова Е.В. Хлебопекарные свойства муки из зерна ржи с низким содержанием водорастворимых пентозанов. Хлебопечение России. 2016;6:32-34.

36. Madej L., Raczynska-Bojanowska K., Rybka K. Variability of the content of soluble noningestible polysaccharides in rye inbred lines. Plant Breeding. 1990;104:334-339. DOI: 10.1111/j.1439-0523.1990.tb00444.x

37. Пономарева М.Л., Пономарев С.Н. Оптимизация параметров качества зерна для селекции озимой ржи. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2019;23(3):320-327. DOI:10.18699/VJ19.496

38. Пономарева М.Л., Пономарев С.Н., Гильмуллина Л.Ф., Маннапова Г.С. Фенотипическая оценка содержания пентозанов в ржаном шроте методом определения вязкости водного экстракта. Достижения науки и техники АПК. 2015;29(11):32-35.

39. Пономарева М.Л., Пономарев С.Н., Тагиров М.Ш., Гильмуллина Л.Ф., Маннапова Г.С. Генотипическая изменчивость содержания пентозанов в зерне озимой ржи. Сельскохозяйственная биология. 2017;52(5):1041-1048. DOI: 10.15389/agrobiology.2017.5.1041eng

40. Потапова Г.В., Ткаченко И.В., Галимов К.А. Новый зернофуражный сорт озимой ржи Янтарная. Теория и практика мировой науки. 2017;10: 66-69.

41. Ситников В.А., Попов А.Н., Морозков Н.А., Николаев С.Ю. Изменения состава зерна ржи в результате влаготепловых обработок. Пермский аграрный вестник. 2013;2(2):43-45.

42. Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию. Т. 1 «Сорта растений» (официальное издание). Москва: Министерство сельского хозяйства России; ФГБНУ «Госсорткомиссия»; 2023.

43. Заикина Е.А., Каюмова Р.Р., Кулуев А.Р., Исмагилов Р.Р., Кулуев Б.Р. Анализ нуклеотидных последовательностей гена гликозилтрансферазы GT47 у сортов ржи, различающихся по содержанию водорастворимых пентозанов в зерне. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2023;184(2):112-119. DOI :10.30901/2227-8834-2023-2-112-119

44. Волынкина М. Эффективность использования ферментных препаратов в рационах молочных коров. Главный зоотехник. 2011;(9):30-33.

45. Озимая рожь. Возделывание, использование на пищевые, кормовые и технические цели. Проблемы и решения. Москва: Росинформагротех; 2007.