Введение. Ценнейшая белково-масличная культура соя составляет около 52 % валового сбора на Дальнем Востоке. Амурская область является лидером производства сои в России. На ее территории располагается 38 % посевов сои страны с урожайностью 1,8 т/га [1]. В Российской Федерации этот показатель более скромный, 1,57 т/га [2]. Соя является основным источником масла и растительного белка с полным набором незаменимых аминокислот, углеводов, витаминов, микроэлементов, изофлавонов, фосфолипидов. Соевый белок идеально балансирует пищевые и кормовые рационы при регулярном скармливании соевого шрота скоту [3]. В семенах сои северного Казахстана содержится 39–40 % белка и 19–23 % масла [4]. В эпоху увеличения численности населения на планете, белок сои рассматривается как наиболее высококачественное и дешевое решение белкового дефицита в мире [5].
Содержание масла в семенах сои изменяется в широком диапазоне в зависимости от условий выращивания. По данным Г.С. Посыпанова и др. [6], у сортов южного экотипа, выращиваемых в условиях высокой инсоляции, содержание масла в семенах сои было всегда выше – 24,0–27,0 %, чем у сортов умеренных широт – 18,0–22,0 %, и тем более у сортов сои северного экотипа – 15,5–17,0 %. Соевое масло содержит жизненно необходимые ненасыщенные жирные кислоты, витамины Е, С [7]. Жирные кислоты в соевом масле включают пальмитиновую (11 %), стеариновую (4), олеиновую (23), линолевую (54) и α-линоленовую кислоту (8 %) [8].
Несмотря на то, что соя – масличная культура и в основном используется для производства масла, в последнее время, в результате целенаправленного селекционного отбора с целью повышения потребительских качеств зерна сои, создаются сорта с высоким содержанием белка, тем более, что известно об обратной коррелятивной зависимости между этими признаками [9]. Все это представляет научный интерес для изучения содержания жирных кислот в семенах в зависимости от белковости и масличности культурной и дикой сои Дальневосточного региона. В доступной литературе такие закономерности отмечены фрагментарно и в сравнительном аспекте не исследованы [10–12].
Цель исследования – провести анализ семян культурной и дикой сои Дальневосточного региона по ряду показателей биохимического состава.
Объекты и методы. Объектом исследования были семена 18 сортов сои дальневосточной селекции Алена, Китросса, Соната, Гармония, Лидия (сорта амурской селекции (Федеральный научный центр «Всероссийский научно-исследовательский институт сои»)), Марината, Батя, ВАЗ-100, Иван Караманов, Салтус (сорт хабаровской селекции (Дальневосточный научно-исследовательский институт сельского хозяйства, Хабаровский Федеральный исследовательский центр Дальневосточного отделения РАН)), Приморская-96, Муссон, Приморская-4, Приморская-86, Сфера (сорт приморской селекции (Федеральный научный центр агробиотехнологий Дальнего Востока им. А. К. Чайки)), черные, желтые, зеленые семена (КНДР) и четыре формы дикой сои КЗ-6337, КБл-29, КА-1413 (Амурская область), дикая соя ХК (Хабаровский край).
Для обнаружения ГМО исследования проводили с применением двух наборов готовых реагентов. Набор реагентов «АмплиСенс ГМ Плант-1-FL» (ФГУН ЦНИИ эпидемиологии Роспотребнадзора, Россия) использовали для выявления фрагментов ДНК. С помощью флуорофора FAM регистрировали сигнал, свидетельствующего о накоплении продукта амплификации ДНК 35S-промотора, флуорофора ROX – NOS-терминатора. Набор реагентов «Соя/35S+FMV/NOS скрининг» (ООО Синтол, Россия) с использованием флуорофора HEX позволяет определить ген ААТ1, кодирующий аспартатаминотрансферазу сои. Концентрацию белка, масла и ВЖК определяли в лаборатории переработки сельскохозяйственной продукции ФГНБУ ФНЦ ВНИИ сои методом диффузного отражения в ближней инфракрасной области с использованием анализатора «FOSS NIRSystems 5000» (Швеция) [13].
Все биохимические исследования проводили в двух биологических и трех аналитических повторностях. Полученные экспериментальные данные были обработаны с помощью программного обеспечения Statistica 10, графическое представление данных – MS Excel. Результаты выражали как среднее (n = 6) ± стандартное отклонение, различия считали статистически значимыми при р ≤ 0,5.
Результаты и их обсуждение. Для продовольственного обеспечения быстрорастущего населения планеты необходимы высокоурожайные сорта сельскохозяйственных культур, которые были бы обогащены питательными веществами и устойчивы к различным экологическим и биотическим стрессам. Чтобы получить новый сорт с интересующими характеристиками используют генетическую инженерию, для создания трансгенных растений [14]. Обязательным компонентом генома трансгенных растений присутствующих на мировом рынке, независимо от того, какие гены встраиваются в растение, являются 35S промотор и NOS терминатор, которые представляют собой универсальные маркеры, позволяющие выявить генетические вставки для любых сортов или видов сельскохозяйственных растений. ПЦР анализ позволяет открыть, например, вставку гена ср-4 (глифосата), трансгенной сои, устойчивой к гербициду Raundap.
На рисунке 1 представлены графики кривых плавления относительно выбранного флуорофора, полученные в ходе амплификации заданных фрагментов: 35S-промотора и NOS-терминатора, а также выделенных фрагментов ДНК из исследуемых шести сортов сои. Положительный контроль ROX (NOS) и FAM (35S) устремлены вверх. Выделенные фрагменты ДНК не превышали пороговых значений – 0,1 % от общего количества ДНК и представлены на графике в виде горизонтальных линий.
Посредством применения тест-систем, было установлено, что проанализированные ДНК сортов сои не дали положительной реакции на генетически модифицированные конструкции. При амплификации образцов ДНК сои с применением тест-систем «Соя/35S+FMV/NOS скрининг» по каналу HEX (соя) определена положительная динамика, что свидетельствует о наличии ДНК сои во всех исследуемых образцах.
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
Рис. 1. Графики после амплификации выделенных фрагментов ДНК сортов сои дальневосточной коллекции, полученные с использованием набора реагентов «АмплиСенс® ГМ Плант-1-FL»
(ООО «АмплиСенс»): Флуорофор FAM – 35S (а), Флуорофор ROX – NOS (б) и «Сорб-ГМО-А»
(ООО «Синтол»), Флуорофор HEX – Соя (в)
Наиболее важными биохимическими показателями семян сои можно считать массовую долю белка и масла [15]. Проанализировав биохимический состав исследуемых образцов, было выявлено высокое содержание белка в семенах дикой сои: КА-1413, КБл-29, КЗ-6337 и дикой сое Хабаровского края (46,96 ± 0,02 %; 46,34 ± 0,00 %; 50,06 ± 0,10 и 46,63 ± 0,01 % соответственно) (табл. 1). Известно, что почти половина аннотированных генов, связанных с устойчивостью к патогенам и абиотическим стрессам, у дикой сои теряется в культурных сортах [16].
Таблица 1
Содержание белка, масла и высших жирных кислот в семенах сои
|
Белок, % |
Масло, % |
ВЖК, % |
Соотношение ПНЖК ω-6/ω-3, ед. |
|||||||||||
|
Пальмитиновая |
Стеариновая |
Олеиновая ω-9 |
Линолевая ω-6 |
Линоленовая ω-3 |
||||||||||
|
Амурская область |
||||||||||||||
|
Алена |
41,83±0,01 |
18,27±0,01 |
9,48±0,00 |
3,71±0,00 |
25,68±0,00 |
51,63±0,00 |
9,93±0,01 |
5,20 |
||||||
|
Лидия |
43,63±0,00 |
16,85±0,01 |
9,43±0,00 |
3,70±0,00 |
23,28±0,02 |
50,96±0,00 |
11,87±0,02 |
4,29 |
||||||
|
Китросса |
46,80±0,02 |
17,32±0,01 |
9,19±0,01 |
3,57±0,00 |
27,53±0,01 |
51,57±0,00 |
11,79±0,01 |
4,37 |
||||||
|
Соната |
34,08±0,01 |
20,43±0,01 |
9,62±0,01 |
3,86±0,00 |
17,73±0,00 |
51,64±0,00 |
6,52±0,02 |
7,92 |
||||||
|
Гармония |
36,52±0,02 |
20,44±0,01 |
9,56±0,00 |
3,83±0,00 |
18,78±0,02 |
52,05±0,00 |
6,68±0,01 |
7,79 |
||||||
|
КБл-29 |
46,34±0,00 |
11,04±0,01 |
9,55±0,00 |
3,49±0,00 |
16,24±0,00 |
52,48±0,01 |
7,65±0,01 |
6,86 |
||||||
|
КА-1413 |
46,96±0,02 |
10,04±0,00 |
9,57±0,00 |
3,54±0,00 |
16,99±0,01 |
51,56±0,00 |
8,94±0,02 |
5,77 |
||||||
|
КЗ-6337 |
50,06±0,10 |
7,48±0,01 |
9,48±0,01 |
3,70±0,00 |
16,43±0,06 |
51,43±0,00 |
9,96±0,02 |
5,16 |
||||||
|
Хабаровский край |
||||||||||||||
|
Марината |
38,11±0,00 |
20,50±0,00 |
9,53±0,00 |
3,71±0,00 |
19,55±0,08 |
52,36±0,01 |
8,11±0,05 |
6,46 |
||||||
|
Батя |
39,03±0.01 |
19,26±0,01 |
9,55±0,00 |
3,64±0,00 |
20,38±0,06 |
51,77±0,00 |
9,95±0,01 |
5,20 |
||||||
|
ВАЗ-100 |
38,28±0,02 |
20,03±0,00 |
9,76±0,00 |
3,77±0,00 |
12,69±0,06 |
52,34±0,00 |
8,08±0,01 |
6,48 |
||||||
|
Иван Караманов |
37,63±0,02 |
19,79±0,01 |
9,79±0,00 |
3,80±0,00 |
17,64±0,02 |
52,22±0,00 |
7,76±0,05 |
6,73 |
||||||
|
Салтус |
35,86±0,03 |
20,83±0,01 |
9,87±0,00 |
3,85±0,00 |
16,65±0,02 |
52,66±0,00 |
6,19±0,02 |
8,51 |
||||||
|
Дикая соя (ХК) |
46,63±0,01 |
11,04±0,01 |
9,54±0,00 |
3,49±0,00 |
16,24±0,11 |
52,48±0,01 |
7,65±0,02 |
6,86 |
||||||
|
Приморский край |
||||||||||||||
|
Муссон |
36,10±0,00 |
20,26±0,01 |
9,61±0,00 |
3,83±0,00 |
17,95±0,04 |
52,71±0,00 |
7,14±0,01 |
7,38 |
||||||
|
Приморская-96 |
35,72±0,01 |
20,31 ±0,00 |
9,55±0,00 |
3,87±0,00 |
19,10±0,06 |
51,47±0,00 |
6,79±0,01 |
7,58 |
||||||
|
Приморская-4 |
34,94±0,03 |
20,10±0,05 |
9,65±0,02 |
3,96±0,01 |
15,64±0,04 |
51,26±0,01 |
6,26±0,05 |
8,19 |
||||||
|
Приморская-86 |
42,08±0,00 |
18,02±0,01 |
9,44±0,00 |
3,68±0,00 |
22,01±0,01 |
51,14±0,01 |
11,19±0,02 |
4,57 |
||||||
|
Сфера |
41,45±0,01 |
17,78±0,01 |
9,63±0,01 |
3,71±0,00 |
18,58±0,02 |
51,38±0,01 |
10,91±0,01 |
4,71 |
||||||
|
КНДР |
||||||||||||||
|
КНДРч |
43,46±0,01 |
18,03±0,01 |
9,47±0,01 |
3,66±0,00 |
22,20±0,01 |
51,16±0,01 |
11,24±0,02 |
4,55 |
||||||
|
КНДРж |
42,52±0,00 |
18,10±0,01 |
9,53±0,00 |
3,68±0,00 |
17,38±0,05 |
51,24±0,00 |
11,10±0,03 |
4,62 |
||||||
|
КНДРз |
41,43±0,03 |
19,08±0,00 |
9.48±0,00 |
3,70±0,00 |
16,43±0,07 |
51,43±0,00 |
9,96±0,03 |
5,16 |
||||||
* Различия статистической достоверности (р ≤ 0,5).
N. Muñoz и другими продемонстрировано, что Glycine soja Sieb. и Zucc. имеет значительно более широкую генетическую вариабельность по многим признакам, чем культурная соя [17]. Использование дикой сои в селекции может принести новые элитные гены, обеспечивающие защиту от патогенов и высокую продуктивность в неблагоприятных климатических условиях [18]. Вышеуказанные данные и исследования, проведенные нами, предполагают, что дикая соя может служить важным генетическим ресурсом для селекции сои, в т. ч. и использоваться в качестве доминантных генов для создания новых высокобелковых сортов сои.
Также установлено, что сорт сои Китросса имеет максимальное содержание белка из исследуемых сортов сои Дальневосточного региона. Данный сорт является результатом совместных исследований России и КНР, включен в Государственный реестр селекционных достижений в 2016 г. [19]. Анализ результатов по содержанию белка в семенах культурной сои показал, что все исследуемые сорта КНДР, сорта амурской селекции (Алена и Лидия), сорта приморской селекции (Приморская-86 и Сфера) относятся к высокобелковым, где показатель варьировал от 41,43 ± 0,03 до 43,63 ± 0,00 %. Сорт сои приморской селекции Сфера не только является высокобелковым, но и, как показано Г.Н. Веремейчик с соавт., содержит большое количество изофлавонов [12]. Остальные изученные сорта Дальневосточного региона имели среднее содержание белка, которое колебалось в пределах от 34,08 ± 0,01 (сорт Соната) до 39,03±0,01 % (сорт Батя). Стоит отметить об обратной зависимости между накоплением протеина и масла [20]. Так, среднебелковые сорта в большинстве случаев имели высокую масличность (от 20,03 ± 0,00 до 20,50 ± 0,00 %), за исключением сортов Батя и Иван Караманов, где содержание масла составило 19,26 ± 0,01 и 19,79 ± 0,01 % соответственно. Интересно отметить, форму дикой сои Амурской области КЗ-6337, которая характеризовалась максимальным содержанием белка (50,06 ± 0,10 %), но минимальным содержанием масла (7,48 ± 0,01 %). И наоборот, среди культурных сортов сои Дальневосточного региона сорт сои Салтус хабаровской селекции имеет высокое содержание масла (20,83 ± 0,01 %) при низком белке (35,86 ± 0,03 %), что соотносится с литературными данными [11].
Межсортовое варьирование масла составило 3,98 %, белка – 9,38 %. Между дикими формами разница в содержании масла составила 13,35 %, белка – 3,72 %. Минимальный суммарный показатель основных компонентов (белка и масла) для культурных сортов сои составил 54,51 ± 0,01 (сорт Соната), максимальный – 60,62 ± 0,01 (сорт КНДРж), а для дикой сои минимальный – 57,00 ± 0,02 (форма КА-1413), максимальный – 57,67 ± 0,01 % (дикая соя ХК). О.В. Литвиненко и другими показано, что содержание белка и жира в семенах сои в Нечерноземной зоне Российской Федерации может также варьировать и в зависимости от условий вегетационного периода [21].
Сегодня приоритетом селекционных программ сои становится выведение сортов, обладающих не только высокой продуктивностью, но и высокими пищевыми и функциональными качествами, которые основаны на хорошем и благоприятном для потребления балансе не только аминокислот в белках, но и жирных кислот в составе масел. По содержанию насыщенных жирных кислот (пальмитиновой и стеариновой) значительных различий между изученными сортами амурской селекции не наблюдали. Количество пальмитиновой кислоты в соевом масле варьировало в пределах 9,19–9,87 %, стеариновой – в пределах 3,49–3,96 % при статистическом достоверном диапазоне различий 0,01 %. Отличий по количеству насыщенных кислот не было выявлено и в зависимости от зоны произрастания сои, и в зависимости от филогенетического происхождения.
Наибольший интерес с точки зрения благоприятного влияния на организм человека имеет масло с оптимальным соотношением полиненасыщенных кислот (линолевая (ω-6) и линоленовая (ω-3)). Чем меньше отношение ω-6 : ω-3, тем более благоприятным считается масло для живого организма [22]. Показано, что минимальное линолево-линоленовое соотношение (ω-6 : ω-3) установлено для сортов сои КНДР, значения которых установлены в пределах 4,55–5,16 ед. По значению этого показателя они выгодно отличаются от сортов, выращенных на Дальнем Востоке России, где значения находились в пределах от 4,29 : 1 (сорт Лидия) до 8,51 : 1 (сорт Салтус). У 44,4 % представленных сортов сои соотношение полиненасыщенных жирных кислот соответствует требованиям сбалансированного питания здорового человека
6–10 : 1 [23]. У исследуемых форм дикой сои показатель ω-6 : ω-3 варьировал от 5,16 : 1
(КЗ-6337) до 6,86 : 1 (КБл-29 и дикая соя ХК). Лучшим сортом сои амурской селекции по соотношению полиненасыщенных кислот оказался сорт Лидия (4,29 ед.), хабаровской селекции – сорт Батя (5,2) и приморской селекции – сорт Приморская-86 (4,57 ед.). Анализ высших жирных кислот показывает увеличение концентрации линолевой кислоты по всем исследуемым образцам, что подтверждают ранее проведенные нами исследования [24]. Особенно следует отметить сорт сои Гармония амурской селекции, дикую сою КБл-29, Муссон – приморской селекции и почти все анализируемые сорта сои хабаровской селекции, за исключением сорта Батя, а также дикую сою ХК, где содержание линолевой кислоты составило более 52 %. Линоленовая кислота, которая классифицируется как ω-3, в исследуемых сортах и формах дикой сои Дальневосточного региона содержалась в пределах от 6,19 ± 0,02 (Салтус) до 11,87 ± 0,02 % (Лидия).
Согласно литературным данным, содержание олеиновой мононенасыщенной жирной кислоты в среднем по сортам сои северного экотипа составило 9,51 % [7]. В исследуемых сортах и формах дикой сои Дальневосточного региона содержание олеиновой кислоты составило в 2 и более раз выше показателя европейской части России и колебалось от 15,64 ± 0,04 (сорт Приморская-4) до 27,53 ± 0,01 % (Китросса). Следует отметить невысокое содержание олеиновой кислоты в формах дикой сои, где значение варьировало от 16,24 ± 0,01 (дикая соя ХК, КБл-29) до 16,99 ± 0,01 % (КА-1413). Наибольшим содержанием олеиновой кислоты характеризовались сорта Китросса и Алена, что делает их пригодными при производстве масла для пищевых целей. Выявлено повышенное содержание линоленовой и олеиновой кислот в сорте сои Китросса, что соотносится с повышенным содержанием белка и согласуется с литературными данными [19].
Для улучшения качества масла необходимо, чтобы в семенах сои было больше олеиновой и меньше линоленовой кислоты [25]. В ходе проведенных исследований выявили, что в семенах сорта Китросса содержание олеиновой кислоты значительно повышалось, а линоленовой увеличилось, но в меньшей степени относительно среднего повышения, т. е. качество масла улучшится, если вводить данный сорт в селекционный процесс. Причем заметим, что в данном сорте установлено высокое содержание белка.
Заключение. Графики, полученные в результате амплификации, свидетельствуют о том, что в ходе ПЦР-анализа ни в одном из исследуемых сортов сои генетически модифицированной конструкции (35S-промотора и NOS-терминатора) не было выявлено. Установлено, что исследованные сорта сои Дальневосточного региона не являются трансгенными. По биохимическим показателям следует выделить сорт Китросса амурской селекции, который характеризуется высоким содержанием бека (46,80 ± 0,02 %), олеиновой (27,53 ± 0,01) и линоленовой кислот (11,79 ± 0,01 %), а также сорта сои КНДР, которые имели повышенное содержание белка при оптимальном линолево-линоленовом соотношении (ω-6 : ω-3). Показано, что дикая соя содержит максимальное количество белка (особенно форма КЗ-6337), поэтому ее рекомендовано использовать в качестве источника доминантных генов при выведении высокобелковых сортов сои. Таким образом, результаты исследования биохимического состава сои Дальневосточного региона свидетельствуют о сортовой специфичности района произрастания белково-масличного и жирнокислотного состава.
Известно, что основными белками соевых бобов являются глобулины, глицинин и β-конглицинин в соотношении 75/115, составляющие 80 % от белка сои [26]. Полученные в ходе проведенного исследования данные помогут нам в изучении полиморфизма сортов сои по фракциям запасных белков глицинину и конглицинину. Скрининг по выявлению изменчивости содержания этих фракций в генофонде сои с использованием методов транскриптомики поможет в создании высокобелковых сортов сои.
