Влияние метеорологических условий года на биохимический состав зерна сорго
Многочисленные исследования показали, что на урожайность и качественный состав зерна и зеленой массы сельскохозяйственных культур влияют особенности климатических и погодных условий (преимущественно в период формирования и созревания зерна). Поэтому при ведении селекции на увеличение питательных характеристик в зерне сельскохозяйственных культур необходимо учитывать взаимодействие «генотип × окружающая среда».
Известно, что разные типы генотипов у растений неодинаково проявляют свою чувствительность к тому или иному стрессу. Исследования M. Титисаксакула с соавторами свидетельствуют, что в некоторых случаях дефицит влаги в период развития зерна может привести к снижению содержания крахмала в связи с изменениями активности ферментов, ответственных за его биосинтез, а опыт Дж. Така показал, что озимая пшеница проявляет высокую восприимчивость к отрицательным температурам осенью и тепловому стрессу в период созревания зерна.
Содержание белка и крахмала также зависит от генотипа, метеорологических условий, плодородности почвы и других факторов окружающей среды.
Учеными из Республики Татарстан проведен анализ влияния погодных условий на урожайность зерновых культур, который показал, что она увеличивается при выпадении достаточного количества осадков в первой половине вегетации и, наоборот, снижается при высоких температурах воздуха в начале вегетационного периода.
Одна из сельскохозяйственных культур, которая легко адаптируется к аридизации климата и дает высокие урожаи, — сорго зерновое. Изучение влияния факторов окружающей среды на питательную ценность зерна — исключительно важная задача. Она позволяет выявить, какой из изученных гидротермических параметров оказывает наибольшее влияние на качественный состав зерна.
Цель исследований — выявление корреляционных связей между биохимическими показателями зерна сорго в фазе полной спелости и метеоусловиями (сумма температур, сумма осадков, гидротермический коэффициент), а также влияние этих показателей на урожайность зерна.
Материалы и методы исследования
В работе оценивали биохимический состав 15 сортообразцов зернового сорго собственной селекции ФГБНУ РосНИИСК «Россорго» в 2020, 2021 и 2022 гг. (за каждый год) (табл. 1).
Образцы различались между собой по морфометрическим параметрам, продолжительности вегетационного периода, показателям биохимического состава и урожайности зерна.
Изучаемые сортообразцы высевались на опытном поле ФГБНУ РосНИИСК «Россорго» в Саратовской области на Приволжской возвышенности, расположенной в 5 км от г. Саратова, в южной части черноземной зоны. Почва опытного поля представлена слабовыщелоченным южным черноземом, среднесуглинистым по механическому составу. Площадь делянок в питомниках конкурсного сортоиспытания — 30,8 м².
Закладка делянок и учет урожайности зерна проводились согласно методике государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур в заключительной стадии онтогенеза «полная спелость».
Фенологические наблюдения проводились согласно широкому унифицированному классификатору СЭВ и международному классификатору СЭВ возделываемых видов рода Sorghum Moench. Густота стояния растений скорректирована вручную (80 тыс. раст/га). Посев сортообразцов зернового сорго проводили в III декаде мая селекционной кассетной сеялкой СКС-6-10, агротехника выращивания — зональная.
Метеоусловия складывались следующим образом: в 2020 г. средняя температура воздуха по Саратовской области составила 19,6 °С, количество осадков — 19,9 мм. Во II декаде июля и III декаде августа осадков не наблюдалось. В 2021 году за вегетационный период зафиксирована среднедекадная температура по области — 21,8 °С, количество осадков — 14,7 мм. В I декаде августа осадков не наблюдалось. В 2022 году среднее значение температуры составило 16,7 °С, за период вегетации выпало 43,3 мм осадков.
За вегетационный период «всходы — полная спелость» был рассчитан показатель увлажненности территории ГТК (гидротермический коэффициент), который составил: 0,68–0,76 в 2020 г., 0,56–0,68 в 2021 г., 0,60–0,66 в 2022 г. В среднем за три года исследований ГТК находился в пределах 0,64–0,68. Данный показатель свидетельствует о том, что за изученный период вегетации степень увлажненности варьировала от среднезасушливой до недостаточно влажной. Продолжительность вегетационного периода составила 95–116 дней.
Оценка биохимического состава зерна сорго проведена на инфракрасном анализаторе Spectra Star XT модификации 2600XT-1 (Unity Scientific, США) методом спектроскопирования в трехкратной повторности. Результаты экспериментов обрабатывали с помощью пакета программ Agros 2.09 методом корреляционного анализа.
Результаты и обсуждение
Биохимический состав зерна сорго показал значительную вариабельность изучаемых признаков в зависимости от года исследования. Представленные данные (рис. 1) характеризуют среднее значение биохимического состава за три года исследований, которые показали, что содержание белка находилось в пределах 9,38–11,48%, количество жира составило 3,04–4,09%, золы — 1,22–1,84%, клетчатки — 1,64–2,37%. Количество крахмала и БЭВ составило 70,23–72,52% и 81,29–83,55% соответственно.
Важным показателем продуктивности сорта является урожайность зерна. В данных исследованиях урожайность в среднем за три года изменялась от 3,03 до 5,02 т/га.
Полученные данные биохимического состава зерна сорго были использованы в корреляционном анализе. В результате анализа выявлены сильные взаимосвязи изучаемых признаков в среднем за 2020–2022 г.
Установлено, что содержание белка в зерне сорго отрицательно коррелировало с количеством безазотистых экстрактивных веществ (r = -0,91) (табл. 2).
Сильная корреляция также проявлялась в 2021 г. (-0,93) и 2022 г. (-0,96). Отмечалась отрицательная корреляционная зависимость белка и крахмала в 2021 г. (r = -0,76) и положительная между белком и жиром в этот же год исследования (r = -0,62).
Следует отметить, что синтез белка зависит от складываемых погодных условий. Выявлена средняя и сильная отрицательная корреляция между содержанием белка и суммой активных температур, а также количеством осадков — -0,62 и -0,64 соответственно. Причем значимые зависимости этих показателей обнаружены только в условиях 2021 г. (r = -0,62 и -0,51).
В исследованиях Е.А. Семеновой на посевах сои были выявлены аналогичные проявления признака: на основе корреляционного анализа выявлена сильная отрицательная связь между содержанием белка и количеством осадков в Амурской области в период «цветение — созревание» (r = -0,749, р < 0,01), а также между содержанием белка и среднесуточной температурой воздуха за период «цветение — созревание» — в Саратовской и Оренбургской областях.
Примечательно, что средняя отрицательная корреляционная зависимость выявлена между белком и урожайностью в среднем за три года исследований (r = -0,60), в то время как в каждый из сезонов исследования значимые связи отсутствовали. Эти данные подтверждают тот факт, что сорго — засухоустойчивая культура, у которой содержание и накопление белка зависят от климатических условий.
Накопление крахмала и безазотистых экстрактивных веществ (БЭВ) также зависело от суммы активных температур и количества осадков за вегетационный период: в среднем за три года изучения r = 0,62–0,63 и r = 0,58–0,69 соответственно.
Вместе с тем сопряженность содержания крахмала и метеорологических условий наблюдалась еще в условиях 2021–2022 гг. (r = 0,52–0,59), тогда как в 2020 г. существенно значимая зависимость отсутствовала. В то же время содержание БЭВ коррелировало от погодных условий в среднем за три года и составило 0,63 при взаимодействии с суммой температур, 0,69 — при взаимодействии с количеством осадков. Положительная корреляционная зависимость между этими параметрами выявлена в условиях 2021 г. (r = 0,58–0,52 соответственно). Установлено, что содержание крахмала положительно коррелирует с содержанием БЭВ в среднем за 2020–2022 гг. (r = 0,56) и в 2020–2021 гг. (r = 0,60-0,74).
В работе F. DuPont и S. Altenbach представлено существенное влияние условий окружающей среды на накопление белка и крахмала в зерне пшеницы.
Количество золы обратно коррелировало с накоплением крахмала, что подтверждается выявленными корреляционными связями как за весь период исследований (r = -0,66), так и в 2020 г. и 2022-м (коэффициент корреляции составил -0,76 и -0,56 соответственно).
Установлена отрицательная значимая взаимосвязь между содержанием минеральных элементов и суммы активных температур: в среднем за 2020–2022 гг. r = -0,53, в 2021-м r = -0,59. Отмечена средняя отрицательная корреляция между золой и урожайностью исключительно в 2020 г., которая составила -0,56.
Следует отметить, что в условиях 2022 г. выявлена сильная сопряженность признаков содержания жира и золы: коэффициент корреляции составил -0,76. Сильные корреляционные связи обнаружены между жиром и БЭВ в 2021 г. — 0,73.
Известно, что сумма активных температур находится в прямой зависимости от суммы осадкой и обратной зависимости от гидротермического коэффициента (ГТК) и, соответственно, влияет на урожайность.
Выявлена сильная положительная корреляционная связь температуры от осадков в среднем за три года и в 2021 г. (r = 0,94-0,80), а также средняя в 2020 г. (r = 0,51). При этом следует отметить, что в зависимости от сезона исследований взаимодействие сопряженных признаков может проявляться по-разному. Так, наблюдается отрицательная корреляция между температурой и ГТК в 2020 г. (r = -1,00) и положительная корреляционная связь в 2021-м (r = 0,53). Высокая корреляционная зависимость выявлена по показателям урожайности зерна, которая составила 0,78 в среднем за 2020–2023 гг., 0,68 — в 2020 г. исследования.
Отмечаются положительные корреляционные связи между признаками сумма осадков и ГТК в среднем за три года (r = 0,54), в 2021 и 2022 гг., которые составили 0,93 и 0,91 соответственно. Одним из важных параметров, влияющих на урожайность зерна сорго, является количество осадков за вегетационный период.
В данных исследованиях выявлена положительная корреляция между этими признаками, которая составила 0,75 в 2020–2022 гг. и 0,68 в 2020-м.
В исследованиях Н.А. Ковтуновой с коллегами выявлена аналогичная зависимость при корреляции урожайности зеленой массы суданской травы с количеством осадков (r = 0,79), при этом авторы отмечают среднюю отрицательную корреляционную связь со средней температурой воздуха за вегетацию (r = -0,59).
Сильная отрицательная корреляционная зависимость выявлена по показателям ГТК и урожайности только в 2020 г. (r = -0,67), что свидетельствует о высокой засухоустойчивости растений сорго.
Известны аналогичные результаты исследований по другим сельскохозяйственным культурам. Например, данные В.Ю. Селивановой показали, что при проведении корреляционно-регрессивного анализа была выявлена существенная зависимость урожайности зерна пшеницы от количества осадков в сухостепной зоне Нижнего Поволжья. Другим примером является тесная положительная корреляционная связь между урожайностью и показателями влагообеспеченности (суммой осадков и ГТК) посевов сои, возделываемых в Нечерноземье.
Выводы
В результате полученных результатов выявлены как отрицательные, так и положительные связи между признаками биохимического состава зерна сорго и условиями окружающей среды. Обнаружены значимые отрицательные корреляционные связи между показателями белка, жира, золы и клетчатки между собой, а также в зависимости от показателей крахмала, БЭВ и метеоусловиями.
В свою очередь, отмечена средняя и высокая положительная корреляция между признаками крахмала и БЭВ от суммы температур и осадков.
Урожайность зерна находится в тесной положительной корреляционной зависимости от суммы активных температур и суммы осадков за вегетационный период. Установлено, что в условиях с недостаточным увлажнением (ГТК 0,56–0,76) сорго способно давать высокие урожаи зерна (до 5,02 т/га).
Об авторах
Вера Валерьевна Бычкова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник
bychkova_vv@list.ru; https://orcid.org/0000-0002-0288-663X
Оксана Павловна Кибальник, кандидат биологических наук, главный научный сотрудник;
kibalnik79@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0002-1808-8974
Ирина Александровна Сазонова, доктор биологических наук, главный научный сотрудник;
iasazonova@mail.ru; https://orcid.org/0000-0001-9844-5339
Ольга Борисовна Каменева, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник
kamenewa.olga2012@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0003-1583-7711
Российский научно-исследовательский и проектно-технологический институт сорго и кукурузы, 1-й Институтский проезд, 4, Саратов, 410050, Россия
УДК: 633.174: 551.588.6 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-377-12-102-107
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
