Фенологические особенности развития красноокрашенных сортов амаранта в условиях открытого грунта Московской области с высоким содержанием натурального пигмента амарантина

Полный текст

Введение

Растения рода Amaranthus L. привлекают к себе внимание исследователей и практиков сельского хозяйства высокой урожайностью, особенностями приспособления к условиям среды, сбалансированностью белка, минеральных солей, содержанием ценных биологически активных веществ (БАВ), применимостью в лекарственной и пищевой сферах промышленности [1]. Первые цивилизации (майя, ацтеки и инки) выращивали его как культурное растение с высокой урожайностью. Археологические данные показывают, что Мексика является одним из центров происхождения амаранта. Кивича, известная сегодня как амарант в Андах, была одним из основных продуктов питания инков и ацтеков, считается, что до 80 % потребления калорий у ацтеков приходилось именно на амарант [2, 3].

Фенологические наблюдения, по мнению многих ученых [3—5], являются составной частью процесса изучения растений, вводимых в культуру. Различные факторы: фенологические особенности, технология выращивания, происхождение растений влияют на изменчивость разнообразных веществ амаранта.

Амарантин как водорастворимый антиоксидант перспективен для использования в медицине, а также для восстановления природной окраски в пищевой промышленности [5, 6]. Накопление пигмента амарантина зависит, таким образом, как от генотипа, так и от условий выращивания.

Знание динамики сезонного развития растений амаранта необходимо при подборе сортов амаранта, в листьях и соцветиях которых содержится повышенное количество амарантина и других биологически активных веществ, а также для совершенствования технологии выращивания с целью увеличения продуктивности растений и получения сырья для пищевой промышленности независимо от условий выращивания [7].

Цель исследования — изучение фенологических особенностей амаранта и отбор перспективных растений амаранта разных видов и сортов, изучение динамики накопления амарантина и оптимальной фазы для получения натуральных красителей в неоптимальных климатических условиях Нечерноземной зоны РФ.

Материалы и методы исследования

Объектами исследований для изучения роста и развития растений, выделения пигмента амарантина являлись листья и соцветия амаранта (Amaranthus L.) краснолистных сортообразцов: Валентина, Дон Педро, Факел, а также сортообразцы с красноокрашенными соцветиями: Памяти Коваса, оригинатор ФГБНУ ФНЦО, образец Эквадорской селекции Ecu-17020, оригинатор INIAP [8].

Посев растений проводили в конце мая в открытом грунте Московской области (2013—2017 гг.). В соответствии с указаниями по изучению зеленных культур [9] в процессе онтогенеза были отмечены наиболее значимые стадии развития амаранта, рассчитаны продолжительности межфазных периодов. Биохимические исследования проводили в лаборатории физиологии и биохимии растений, интродукции и функциональных продуктов ФГБНУ ФНЦО (Федеральный научный центр овощеводства).

Содержание пигментов амарантина (в листьях и соцветиях амаранта) определяли спектрофотометрическим методом. Количество амарантина в водных экстрактах определяли с учетом молярного коэффициента экстинкции 15,66·104 л·моль^-1·см^-1 и молярного веса 726,6 г·моль^-1 [10].

Полученные данные обрабатывали статистически с использованием пакета электронных таблиц MSExcel. Для анализа полученных данных использовали метод дисперсионного анализа по Б.А. Доспехову [11]. Для обработки данных использовали схему двухфакторного опыта: доля влияния сортового фактора — Фактор А (сорт) и условии выращивания — Фактор Б (год) на изменчивость исследуемых признаков.

Результаты исследования и обсуждение

За период 2013—2016 гг. при выращивании в Московской области среди представленных красноокрашенных образцов к более раннеспелым относили сорт Валентина (до 118 суток), к среднеспелым — сорт Факел (до 128 суток) и сорт Дон Педро (от 135…155 суток) соответственно более ранним фенологическим наблюдениям [6, 12]. Среди зеленолистных растений с красными соцветиями выделяли два образца: среднеспелый сорт Памяти Коваса (от 125 до 133 суток) и позднеспелый образец Эку 17020 (около 165 суток) из Эквадора [13] (рис. 1).

Рис. 1. Изменчивость вегетационного периода сортов амаранта в условиях открытого грунта Московской области за 2013—2016 гг.

У всех сортов Российской селекции всходы появлялись на 7 сутки, за исключением Дон Педро и Эку 17020 (более 10 суток), образцов происхождения стран Латинской Америки в 2014—2019 гг. Самым изменчивым по продолжительности вегетации можно считать сорт Валентина (102…160 суток), который отличался также по скороспелости в 2014 и 2015 гг. В 2013 и 2016 гг. наиболее скороспелым выделяли зеленолистный сорт Памяти Коваса (см. рис. 1).

В зависимости от сорта и года исследований в реакции изученных сортов в отдельные фазы вегетационного периода были отмечены следующие закономерности (рис. 2). На первой вегетативной стадии в 2013 г. наблюдали самый короткий межфазный период менее 40 суток, тогда как в остальные годы продолжительность данного периода была от 42 до 50 суток. Для позднеспелых образцов Дон Педро и Эку17020 характерно увеличение межфазного периода до 50 суток (рис. 2).

Продолжительность стадии бутонизации в среднем варьировала от 15 до 32 суток, у позднеспелых сортообразцов также, как и на первой стадии наблюдались высокие значения более 30 суток.

Рис. 2. Изменчивость межфазных периодов растений амаранта в зависимости от сорта (а) и года исследований (б) в разные фазы онтогенеза

На третьей стадии заметно отличались показатели 2013 и 2015 гг. в пределах от 30 до 37 суток, что в большей степени характерно для среднеспелых сортов Факел и Памяти Коваса. На четвертой стадии продолжительность межфазных периодов была примерно сравнима в 2013—2015 гг., за исключением 2016 г., характерного неблагоприятными условиями (до 22 суток). Реакция раннеспелого сорта Валентина составляла до 29…30 дней в 2013 и 2016 гг.

Следующие стадии (V—VI фазы созревания) являются короткими у всех сортообразцов ФГБНУ ФНЦО. В неблагоприятных условиях 2015 и 2016 гг. наблюдали 18 и 22 суток у сортообразца Дон Педро, и в 2015 г. — 21 суток у1 сорта Памяти Коваса. Для позднеспелого сортообразца Эку 17020 характерно увеличение стадии созревания, в результате которой в открытом грунте образец эквадорской селекции не формировал зрелых семян.

В среднем у всех сортов наблюдалась высокое влияние фенотипической изменчивости (Сve > 20 %), кроме вегетативной стадии (Сve = 10…18 %). Невысокой степенью генотипической изменчивости (Фактор А (сорт)) отличались показатели у отдельных фенофаз (Сvg < 20 %), за исключением II фазы.

Степень изменчивости Сvg, %, всех фенофаз в отдельные годы была выше, чем в среднем за несколько лет для отдельных сортов. В разные годы самым стабильным был первый период развития, зависимый от условий Фактора Б (год) (рис. 3). Наиболее вариабельными являются второй период и последняя стадия (ДВ > 50 %). Доля влияния погодных условий не превышала 34 %. При этом все сорта амаранта селекции ФГБНУ ФНЦО (кроме сорта Эку 17020) успевали пройти полный цикл развития, что свидетельствует о высокой пластичности сортообразцов.

Суммарный выход амарантина с растения. За период 2014—2016 гг. с целью выявления фазы с максимальным выходом красителя была рассмотрена динамика накопления амарантина, в которой у сорта Валентина выделялись фазы бутонизации и начало цветения (140 и 183 мг/растение) [14, 15]. У сортообразца Дон Педро максимальным выходом амарантина отличалась фаза бутонизации (125 мг/растение) и у сорта Факел — фаза начала цветения (146 мг/растения).

Рис. 3. Изменчивость межфазных периодов растений амаранта в зависимости от генотипа — Фактор А(сорт) и условии выращивания — Фактор Б (год)

Суммарный выход амарантина с растения. За период 2014—2016 гг. с целью выявления фазы с максимальным выходом красителя была рассмотрена динамика накопления амарантина, в которой у сорта Валентина выделялись фазы бутонизации и начало цветения (140 и 183 мг/растение) [14, 15]. У сортообразца Дон Педро максимальным выходом амарантина отличалась фаза бутонизации (125 мг/ растение) и у сорта Факел — фаза начала цветения (146 мг/растения).

В рассмотренном анализе биометрических и биохимических показателей, фенологии растений, а также в расчете выхода красителя с единицы площади максимальным выходом красителя наиболее оптимальными были выделены репродуктивные стадии — III — IV фазы развития растений (1,52…1,82 г/м²) (рис. 4).

Рис. 4. Cодержание амарантина с одного растения (a) и единицы площади (б) сортов амаранта с красноокрашенными листьями и соцветиями в период онтогенеза растений в открытом грунте Московской области (2014—2016 гг.)

Заключение

Фенологические особенности реакции сортов, продолжительность межфазных периодов зависят от скороспелости растений и влияния погодных условий в открытом грунте Московской области. По результатам исследований к раннеспелым отнесли сорт Валентина (до 118 суток), к среднеспелым — сорт Факел (до 128 суток) и сорт Памяти Коваса (от 125 до 133 суток), к позднеспелым — сортообразец Дон Педро (от 135…155 суток) и позднеспелый Эквадорский образец Эку 17020 (около 165 суток).

Вегетативный период развития растений не зависел от группы спелости сортов амаранта, фактор погодных условий в большей степени влиял на продолжительность первого периода (ДВ = 34 %). Наиболее изменчивыми по фактору сорта являлись II и VI фазы репродуктивного развития растений амаранта (ДВ > 50 %). Для позднеспелых образцов Дон Педро и Эку 17020 характерно увеличение стадии созревания. Образец эквадорской селекции не формировал зрелых семян и не достигал биологической спелости ввиду пониженных среднесуточных осенних температур (< 20 °C), что ниже биологического оптимума для теплолюбивых растений амаранта этого сорта.

Анализ фенологических наблюдений, динамики амарантина, перспективного сорта Валентина показал, что оптимальными фазами для получения высокого выхода амарантина с растения при возделывании в открытом грунте Московской области можно считать: начало бутонизации и начало формирования семян, т. е. III и IV фазы (140 и 183 мг/растение); у сорта Дон Педро — III фазу цветения (125 мг/ растение); у сорта Факел — IV фазу начало формирования семян (146 мг/ растение). Нестабильность погодных условий в открытом грунте Московской области на разных этапах развития ведет к необходимости оптимизации условий выращивания для получения стабильных урожаев листовой массы сортов с высоким содержанием пигмента и сокращению продолжительности межфазных периодов, что можно обеспечить в условиях защищенного грунта растений.

Об авторах

Светлана Юрьевна Платонова

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: Svetlana.Platonova.00@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3816-3692

кандидат сельскохозяйственных наук, сотрудник аграрно-технологического института

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8

Карлос Хавьер Торрес Миньо

Технический университет Котопакси

Email: carlosjavier12@yahoo.com

кандидат сельскохозяйственных наук, директор по научным исследованиям

Эквадор, 050101, Латакунга, сектор Сан Фелиппе, Авенида Симон Родригес

Екатерина Муратовна Гинс

Российский университет дружбы народов

Email: katya.888888@yandex.ru

аспирант агробиотехнологического департамента

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8

Мурат Сабирович Гинс

Российский университет дружбы народов; Федеральный научный центр овощеводства, поселок ВНИИССОК

Email: anirr@bk.ru

доктор биологических наук, профессор агробиотехнологического департамента, Российский университет дружбы народов; заведующий лабораторий физиологии и биохимии растений, интродукции и функционального продукта Федеральный научный центр овощеводства

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8; Российская Федерация, 143080, Московская обл., Одинцовский район, поселок ВНИИССОК, ул. Селекционная, д. 14

Елена Валерьевна Романова

Российский университет дружбы народов

Email: evroma2008@yandex.ru

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент агробиотехнологического департамента

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8

Список литературы

Дополнительные файлы