Quo vadis, селекціє пшениці на якість зерна?

/ Агрономія Сьогодні / Субота, 15 вересня 2012 15:55
altОлександр РИБАЛКА, завідувач відділом генетичних основ селекції, доктор біолог. наук,
Селекційно-генетичний інститут, м. Одеса
 
Потенціал поки невичерпаний
У відповідності зі статистичними даними, наведеними французькими фахівцями провідної світової компанії Лімагрен (Limagrain), починаючи з 50-х років минулого до початку нинішнього століття, середній щорічний приріст урожаю пшениці у Франції становив близько 1,3 ц/га (рис. 1).
 
Причому генетична складова цього зростання становила 0,5 ц/га, а решта - 0,8 ц/га припала на агротехнічну. Сучасний період характеризується різким сповільненням росту урожаїв зерна пшениці і не лише у Франції, а й у всьому цивілізованому аграрному світі. Разом з тим, чисельність населення світу, яке щорічно споживає 440-450 млн т зерна пшениці, невпинно зростає і становить на сьогодні вже 7 мільярдів (!). Отже, альтернативи зростанню урожаїв зерна пшениці немає, тим паче, що згідно з теоретичними розрахунками ефективності поглинання рослинами пшениці фотосинтетично активної сонячної радіації (ФАР) та ефективності фотосинтезу рослини пшениці С3 типу, гектар посіву здатен накопичувати за вегетаційний період 220 ц/га сухої біомаси, або 110 ц/га сухої маси зерна. Відповідно з цими розрахунками потенціал зростання урожаїв зерна пшениці ще повністю не вичерпано, і є перспектива зростання перш за все за рахунок продовження активного циклу рослини (більш ранні терміни посіву, пролонгація періоду дозрівання), підвищення ефективності фотосинтезу та частки зерна в урожаї біомаси, яка сьогодні вже сягає 50%.

Рис. 1. Зростання урожаїв озимої пшениці у Франції (A. Bonjeanetal., 2001).
alt
Однак підвищення урожаю зерна пшениці, на жаль, не супроводжується поліпшенням його якості, а швидше навпаки. При урожайності пшениці 10-15 ц/га проблема якості не виникає: природна родючість ґрунту спроможна забезпечити такий урожай необхідним вмістом білка та життєво важливих мікронутрієнтів, до яких належать передусім мікроелементи й вітаміни. Рівень якості високих урожаїв утримувати досить складно і що далі, то більш коштовно. І тому сьогодні тема якості високих урожаїв зерна пшениці займає першу позицію у провідних країнах-виробниках зерна пшениці, вирішенню якої науковий світ приділяє велику увагу.

«Рамкова» композиція селекціонера: азотне живлення та клоп-черепашка
Урожай зерна є сьогодні головним критерієм при районуванні нових сортів зернових культур в Україні. Жоден сорт пшениці чи іншої культури не може бути районованим, якщо він не перевищує стандарт за урожаєм зерна. Таким чином, у сучасній селекції та системі сортовипробування створені за урожаєм зерна певні рамки, за межі яких селекціонеру вийти практично не можливо.
 
Звичайно ж, селекціонер прискіпливо контролює у лабораторії хлібопекарську якість зерна і борошна зразків пшениці, що стають сортами. Але природа хлібопекарської якості є доволі складною, і селекція не спроможна однаково ефективно поліпшувати усі її, скажімо, хоча б фізичні, параметри. Так, пшеничне тісто має чотири основні характеристики фізичної якості: еластичність, пружність, розтяжність, в’язкість. Дві останні мають особливе значення при виготовленні якісного хліба, і залежать вони переважно від умісту білка в зерні, на який впливають перш за все умови вирощування та оптимальне азотне живлення.

Рис. 2. Альвеограми борошна пшениці з низьким (зліва) вмістом білка в зерні (9-10%) і високим індексом P/L (2,6) та оптимальним (справа) вмістом білка в зерні (11,5-12%) й оптимальним індексом P/L (0,8).
 alt

На рис. 2 наведено приклади альвеограм борошна різних зразків пшениці з низьким вмістом білка в зерні і відповідно високим індексом P/L та оптимальним вмістом білка в зерні й оптимальним індексом P/L.
 
При порівнянні цих альвеограм привертає увагу суттєва різниця між ними за показником розтяжності (L) тіста (лінійний розмір альвеограми по горизонталі). Підвищена розтяжність тіста критично важлива для формування пористого та еластичного м’якуша хліба. В той час як із «тугого» тіста з низькою розтяжністю формується щільний м’якуш із незадовільною пористістю, еластичністю, низькими органолептичними та харчо-смаковими характеристиками хліба. Хоча, якщо говорити більш коректно, для виробника хліба чи інших виробів із борошна критично важливе значення має, власне, не сама розтяжність тіста як така, а радше співвідношення (P/L) між пружністю тіста (Р) та його розтяжністю (L). Співвідношення P/L ще називають коефіцієнтом конфігурації альвеограми, і вимоги до його значення доволі різняться залежно від виду кінцевого продукту та технології його виготовлення. Слід наголосити, що в процесі селекції селекціонер може ефективно впливати на величину (Р), оскільки вона має високий коефіцієнт успадковування. З іншого боку, показник розтяжності тіста (L) має дуже низьке успадкування, і кількість важелів впливу на показник розтяжності тіста в арсеналі селекціонера вельми обмежена. Певні надії покладаються на окремі алелі локусів Glu-1 та Glu-3, що кодують деякі субодиниці високомолекулярних та низькомолекулярних глютенінів.
 
altПрактично ж основним засобом поліпшення розтяжності тіста є підвищення вмісту білка в зерні шляхом внесення оптимальних та високих доз азотних добрив при вирощуванні пшениці.
 
Аналіз альвеограм (як основної характеристики хлібопекарської якості борошна) сучасних високоякісних та екстра-високоякісних сортів пшениці показує, що ці сорти (Селянка, Куяльник, Ніконія, Вікторія, Вдала та ін.) характеризуються доволі високими показниками індексу пружності тіста (Р >100), який залишається високим навіть за умов низького вмісту білка в зерні (<10%). Разом з тим, за низького рівня вмісту білка навіть у так званих екстра-сильних сортів індекс розтяжності тіста набуває значень, близьких до критичних (L < 40-50), а індекс P/L зростає до 2,3 і більше одиниць, що є несумісним із можливістю випікання якісного хліба. А це означає, що сучасний високоврожайний та високоякісний сорт пшениці є таким лише потенційно. Він не може реалізувати свій високий генетичний потенціал якості при низькому рівні азотного живлення. І лише при високих дозах азотного живлення, при щонайменше дворазовому внесенні азотних добрив (раннє весняне та в період виходу в трубку-колосіння) в період вегетації сучасні високоврожайні сорти здатні забезпечити високий урожай зерна з високою хлібопекарською якістю.
 
Але, звичайно ж, за умов достатнього зволоження та дотримання всіх інших вимог технології вирощування (якісне насіння, оптимальні строки сівби, густота стеблостою, захист проти хвороб і шкідників, своєчасне збирання тощо), та забезпечення оптимального співвідношення між іншими елементами мінерального живлення (фосфор, калій, сірка тощо). Низькі дози азотних добрив (до 50 кг/га), особливо на збіднених за вмістом азоту ґрунтах, «працюють» винятково на урожай зерна і проти його якості (рис. 3).І це правило стосується передусім сучасних високопродуктивних сортів пшениці.
 
Ця обставина стала приводом для деяких «фахівців» з якості зерна, щоб безпідставно стверджувати, що сучасні урожайні сорти пшениці мають низьку хлібопекарську якість. От, мовляв, старі сорти мали вміст клейковини в зерні 40-45%. Це дійсно так. Але при цьому забувають, що такий рівень якості був притаманний урожаю зерна у 100 пудів, або 16 ц/га. А за такого рівня урожаю, як наголошувалося вище, проблем із якістю не виникає.

Рис. 3. Вплив різних доз азотних добрив на якість зерна озимої пшениці
alt

Є ще одна важлива обставина, що ставить селекціонера «в рамки» утримування високого індексу Р при селекції пшениці на якість борошна – це клоп-черепашка. У сортів пшениці з низьким індексом Р клейковина менш толерантна до ушкодження зерна цим небезпечним для якості борошна шкідником, і навпаки. Ось чому для українських сортів пшениці, що вирощуються за умов хронічного ушкодження зерна клопом-черепашкою, індекс P/L має бути «із запасом» на ушкодження зерна клопом у межах 1-1,1. Тоді як його оптимальне значення для випікання більшості сортів хліба - 0,7-0,8. У роки з низькою чисельністю клопа значення індексу P/Lу межах 1-1,1 є дещо зависоким.
 
Отже, індекс Р, або пружність та еластичність тіста під контролем селекціонера. Ці фізичні властивості тіста визначаються перш за все фракцією високомолекулярних та низькомолекулярних білків клейковини глютенінів – практично нерозчинних у воді та сольових розчинах гігантських високополімерних протеїнових агрегатів зерна з молекулярною масою до 15 млн дальтон. Сорти пшениці з високими показниками хлібопекарської якості відрізняються від посередніх і низькоякісних сортів передусім високим вмістом глютенінів, і відповідно високим співвідношенням гліадини/глютеніни (Gli/Glu). Наприклад, співвідношення Gli/Glu у сортів пшениці високої якості становить 1,6-1,8, у сортів посередньої якості - 2,2-2,4, низької якості – 2,7-2,8. Тоді як у зразків примітивної дикорослої пшениці, обійдених селекцією, спельти та полби співвідношення Gli/Glu становить 5,7-6,5. 
 
Роль Gli/Gluщодо хлібопекарської якості суттєва, тому що функції гліадинів та глютенінів за впливом на якість тіста вельми різняться. Глютеніни як високополімерні білки формують основну молекулярну сітку, яка забезпечує пружність та еластичність тіста. Гліадини ж як білки головним чином мономерні, виступають у якості таких собі «пластифікаторів», забезпечуючи розтяжність та в’язкість тіста. Відповідно, оптимальні функціональні властивості клейковини потребують балансу між в’язкістю та еластичністю, а отже, між гліадинами та глютенінами.
 
Молекулярна маса білків є також критичним параметром, що впливає на функціональність тіста і клейковини. Найбільші макромолекулярні комплекси глютенінів клейковини отримали назву глютенін макрополімер (glluteninmacropolymer, скорочено - GMP), або гель-протеїн, або нерозчинні полімерні протеїни (unextractablepolymericprotein, скорочено - UPP). Більшість авторитетних експертів сходяться на тому, що GMP безпосередньо впливає на хлібопекарські властивості борошна пшениці. Вміст GMP варіює у борошні сучасних сортів пшениці у межах 20-40 мг/г, і має високу кореляційну залежність (r=+0,85-0,9) із «силою» борошна та об’ємом хліба. Отже, що вище вміст високополімерних, нерозчинних і стійких до протеолізу комплексу білків GMP, то краще хлібопекарська якість борошна на поліпшення якої спрямована сучасна селекція.

Біологічна цінність хліба
Хліб є повсякденною їжею мільйонів людей, а білки пшениці, крім впливу на фізичні властивості тіста і хліба, несуть ще й важливе навантаження біологічної цінності. Є кілька параметрів біологічної цінності білків:
  1. Перетравлюваність та засвоюваність,
  2. Вміст незамінних амінокислот,
  3. Алергенність.
Рис. 4. Співвідношення фракцій білків зерна пшениці залежно від загального вмісту білка в зерні (HoseneyR., 2006).
alt
 
Прийнято вважати, що чим вищий вміст білка в зерні, то вища його біологічна цінність. Однак підвищення вмісту білка в зерні пшениці, що позитивно впливає на хлібопекарську якість борошна, водночас не є наслідком поліпшення харчової цінності білків зерна пшениці. Швидше навпаки. На рис. 4 бачимо, що з підвищенням вмісту білка в зерні сучасних сортів пшениці зростає частка клейковинних білків (гліадинів та глютенінів). У той же час частка альбуміни+глобуліни відносно загального умісту білка знижується. Харчова цінність фракції альбуміни+глобуліни суттєво вища, ніж фракції гліадини+глютеніни. Отже, частка біологічно повноцінних білків при низькому загальному вмісті білка в зерні вища, ніж при високому. Звідси невтішний висновок: із підвищенням вмісту білка в зерні сучасних сортів пшениці його біологічна (харчова) цінність знижується.

Для порівняльної оцінки білків різних харчових продуктів за перетравлюваністю та засвоюваністю у світовій практиці використовують відомий індекс PDCAAS (proteindigestibility-correctedaminoacidscore), або перетравлюваність білка корегована за індексом амінокислотного складу. Згідно з оцінкою різних білків за індексом PDCAAS показник 100% мають білки таких продуктів, як куряче яйце, яловичина, курятина, молоко, 94% мають білки сої, 67% гороху, 52% сочевиці, 40% білки зерна пшениці загалом, і на останньому місці з показником 25% білки клейковини.

Клейковинні білки гліадини та глютеніни саме через високий вміст амінокислот проліну та глютаміну характеризуються значно нижчою біологічною цінністю у порівнянні з двома іншими фракціями розчинних білків зерна - альбумінами та глобулінами. Це, в свою чергу, є причиною високої стійкості білків клейковини до гастроінтестинального протеолізу. До того ж, постпроліновий протеоліз у шлунково-кишковому тракті людини взагалі відсутній. Це означає, що пептиди, похідні від попереднього протеолізу клейковини, з високим вмістом проліну в процесі травлення взагалі не розщеплюються. У той час як пептиди з високим вмістом глютаміну є відмінним субстратом для ферменту трансглутамінази (tTG).

Фермент tTG каталізує перехід глютаміну в деамідовану форму -негативно заряджену глютамінову кислоту. В результаті підвищується гістологічна сумісність пептидів клейковини з молекулами антигену лейкоцитів (HLA). Як результат, Т-клітини, що продукують прозапальний цитокінін, активуються через взаємодію пептидів клейковини та HLA. Це типова картина розвитку алергенності або токсичності білків клейковини у найбільш поширених груп HLADQ2 та HLADQ8 людей, що хворіють на целіакію (celiacdisease, CD), або залежну від клейковини ентеропатію – доволі поширену і досліджену у європейському суспільстві хворобу.І головною причиною CD токсичності клейковинних білків пшениці є їх висока резистентність до ферментів шлунково-кишкового тракту, яка посилюється із підвищенням хлібопекарської якості.

Технологія «мовчазних генів» проти алергії на пшеницю
Світові експерти стверджують, що сучасна селекція сортів пшениці на хлібопекарську якість борошна цілковито спрямована на підвищення CD-токсичності (захворювання целіакія (celiacdisease, CD), або залежну від клейковини ентеропатію) білків пшениці. Вірогідно, що ця обставина є причиною чотирикратного зростання чисельності серед населення Європи CD-чутливих індивідуумів за останні кілька десятиліть разом із прогресом сучасної селекції.
 
Алергія на продукти з пшениці настільки поширена, що навіть отримала спеціальну назву: foodallergytowheat, або скорочено FAW.
 
В основі алергічної реакції є індуковане продуктами з зерна пшениці утворення антитіл IgE. Цей різновид алергії зустрічається рідше за целіакію, однак у Франції, наприклад, вона становить близько 6% від усіх відомих алергій на харчі як у дорослих, так і дітей. У дітей FAW проявляється у вигляді поверхневої екземи чи синдрому дерматиту, інколи анафілактичної реакції. У дорослих спостерігаються значно важчі анафілактичні реакції, гострі хронічні алергії аж до анафілактичного шоку. Томуне випадково на полицях харчових продуктів у цивілізованих країнах поширюється частка так званих glutenfree продуктів, або таких, що не містять пшеничної клейковини. А світовою біотехнологією розроблено ефективні методи блокування експресії генів, що кодують біосинтез клейковинних білків шляхом використання технології RNAi - технології «мовчазних генів» (genesilencing), або РНК інтерференції. Система РНК інтерференції (RNAi), або деградації РНК за принципом розпізнавання специфічних послідовностей РНК дозволяє блокувати гени, що кодують біосинтез клейковинних білків, суттєво знижуючи частку клейковинних білків у білковому комплексі зерна пшениці, поліпшуючи таким чином біологічну цінність зерна і знижуючи токсичність та алергенність продуктів із зерна пшениці.
 
Можна навести ще кілька фактів, що опосередковано свідчать про те, що з поліпшенням хлібопекарської якості зерна сучасних сортів пшениці підвищується їх стійкість до протеолізу, навіть такого активного, яким характеризується слина шкідника пшеничної якості клопа-черепашки EurygasterintegricepsPut. (Heteroptera: Scutelleridae).

Рис. 5. Об’єм хліба різних сортів пшениці залежно від ушкодження зерна клопом-черепашкою
alt
 
Наприклад, рис. 5 демонструє стійкість сучасного високоякісного сорту пшениці Куяльник(верхня полиця) та низькоякісного сорту (нижня полиця) проти ушкодження зерна клопом-черепашкою. Можна бачити, що високоякісний сорт витримує ушкодження зерна до 7% без суттєвого зниження об’єму хліба. А ще два-три десятки років тому критичним для хлібопекарської якості зерна вважали 2% ушкоджених зерен. Отже, селекція підняла «планку» до 7%. Здавалося б, радіти треба з такого досягнення. Але що це означає? Клоп-черепашка має надзвичайно активну протеолітичну систему слини: всього кілька ушкоджених зерен із залишками слини клопа зводять нанівець фізичні властивості тіста, вщент руйнуючи білковий комплекс клейковини. Клейковина ж сучасних високоякісних сортів стала значно більш толерантною до протеолізу. Для виробника зерна це позитив, а от для споживача - навряд чи. Адже така клейковина ще гірше перетравлюється у шлунково-кишковому тракті людини, знижується засвоюваність і біологічна цінність білка зерна.
 
Рис. 6. Залежність між вмістом нерозчинного у 50% 1-пропанолі азоту зерна і «силою» борошна
alt
 
У нашій лабораторії було проведено дослід із вивчення залежності між вмістом у зерні нерозчинного у 50% 1-пропанолі азоту та хлібопекарською якістю борошна різних сортів пшениці на фоні 4% ушкодження зерна клопом-черепашкою. Залишок нерозчинного у 50% 1-пропанолі азоту зерна тісно корелює з вмістом у зерні GMP. На рис. 6 зліва по вертикалі на графіку наведено вміст нерозчинного у 50% 1-пропанолі азоту. Справа по вертикалі – «сила» борошна (W). Ламана лінія по горизонталі – рівень «сили» борошна у різних сортів пшениці.
 
Можна бачити, що найвищий рівень нерозчинного у 50% 1-пропанолі азоту знайдено у таких високоякісних сортів, як Куяльник, Селянка, Ніконія, Пошана. Тоді як низькоякісні сорти Золотоколоса і Береш показали найнижчий вміст нерозчинного у 50% 1-пропанолі азоту. Результати цього досліду також вказують на те, що толерантність клейковини високоякісних сортів до протеолізу, а отже і їх перетравлюваність та засвоюваність нижча, ніж у сортів пшениці низькоякісних.

«Приховане голодування» населення світу
У зв’язку з селекцією сучасних високопродуктивних сортів виникла інша ще більш значна проблема – зниження із підвищенням урожаю вмісту в зерні життєво важливих вітамінів та мікроелементів.
 
altДля нормального функціонування організм людини потребує близько 60 мінералів, 15 вітамінів, 12 основних амінокислот і 3 основних жирних кислоти.Згідно з даними FAO (OOH) сьогодні у світі через дефіцит у їжі мікронутрієнтів (особливо Fe, Zn та вітамінів) потерпає три мільярди осіб (більш ніж 40% населення світу). Дефіцит мікронутрієнтів світові експерти з харчування називають «прихованим голодуванням».

Посилаючись на результати власних досліджень, фахівці Департаменту рослинництва та ґрунтознавства Державного Університету Вашингтон (США) акцентують на тому, що проблема зниження вмісту життєво важливих мінералів та вітамінів у зерні сучасних сортів пшениці набула ознак чітко вираженої загрозливої негативної тенденції. Ця тенденція особливо загострюється на збіднених мінералами ґрунтах, на яких вирощуються високоврожайні сучасні сорти пшениці.

 
З таблиці 1 можна бачити, що за вмістом у зерні усіх життєво важливих мінералів у сучасних сортів спостерігається достовірне зниження порівняно зі старими сортами. Точно така ж тенденція спостерігається і за вмістом у зерні життєво важливих вітамінів та фітохімічних сполук. Слід наголосити, що згадані вище результати були отримані у дослідах при середньому рівні урожаю зерна старих сортів ярої пшениці на рівні 10,9 ц/га, а сучасних – 19,2 ц/га. Можна лише уявити, яке катастрофічне зниження життєво важливих нутрієнтів у зерні сучасних сортів озимої пшениці можна очікувати при урожаях 7-8, а то й 10 т/га (!). А такі цифри є сьогодні цілком реальними для країн ЄС, та й для кращих господарств України.
 
Із викладеного вище далеко не повного опису негативних тенденцій з якістю зерна, пов’язаних із сучасною селекцією на урожай, випливають щонайменше два логічні запитання: де вихід і в якому напрямі має бути орієнтована сучасна селекція на урожай зерна, щоб не зашкодити його якості? І який вибір сьогодні має споживач продуктів із зерна сучасних сортів пшениці, аби мінімізувати ризики для власного здоров’я?

1

 20 серпня 2018
Цього року бджолярі продали солодкого товару на 30 мільйонів доларів.
Цього року бджолярі продали солодкого товару на 30 мільйонів доларів.
20 серпня 2018
 20 серпня 2018
З початку року в Україні невиліковна хвороба свиней вирувала майже 100 разів.
З початку року в Україні невиліковна хвороба свиней вирувала майже 100 разів.
20 серпня 2018
 20 серпня 2018
Стало відомо, скільки запасів зерна зберігають аграрії.
Стало відомо, скільки запасів зерна зберігають аграрії.
20 серпня 2018
 19 серпня 2018
Лише в липні 2018-го до Саудівської Аравії продали на 55% більше зернової супроти липня 2017-го.
Лише в липні 2018-го до Саудівської Аравії продали на 55% більше зернової супроти липня 2017-го.
19 серпня 2018
 19 серпня 2018
У червні 2018 року нарахування понад 15 000 грн мали 7,4% штатних працівників в сфері «Сільське господарство, лісове господарство та рибне господарство».
У червні 2018 року нарахування понад 15 000 грн мали 7,4% штатних працівників в сфері «Сільське господарство, лісове господарство та рибне господарство».
19 серпня 2018

Найближча подія

Нема подій

Наші видання

Please publish modules in offcanvas position.