Оценка исходного материала для получения риса с высоким содержанием амилозы

Рис — один из основных зерновых культур, имеющих стратегически важное значение. Потребление риса в Казахстане повышается, по сравнению с другими крупами, и достигает более 65 %. На сегодняшний день, в связи с увеличением импорта рисовой крупы, представляется актуальным развитие производства риса, повышение ее конкурентоспособности и создание отечественных сортов риса с улучшенными пищевыми и кулинарными качествами. Ключевым фактором, определяющим качество риса, является процентное содержание амилозы в крахмале зерновки риса. В связи с этим данная работа посвящена поиску доноров признака «высокое содержание амилозы» среди сортов и линий отечественной и зарубежной селекции в коллекции риса РГП на ПХВ «Институт биологии и биотехнологии растений». Скрининг 172 зарубежных и отечественных сортов и линий риса на содержание амилозы позволил идентифицировать 9 высокоамилозных сортообразцов, и среди них обнаружен один отечественный стародавний сорт казахстанской селекции «К3077 Казахи», который может послужить донором признака «высокое содержание амилозы». Однако некоторые зарубежные сортообразцы выпали из списка кандидатов, так как не успевают созреть в климатических условиях Казахстана из-за длинного вегетационного периода, в связи с этим отобраны всего шесть: «Мавр» (26,8 %), «Тайбонет» (25,4 %), «Паритет» (27,0 %), «К3612 Кара-Кылтык» (25,0 %), «К3077 Казахи» (25,1 %) и «Солнечный» (25,4 %). Названные выше сорта и линии риса с высоким содержанием амилозы будут использованы в качестве доноров признака «высокое содержание амилозы» для селекции риса.

Введение

Рис (Oryza sativa L.) — вторая важная зерновая культура, которая уступает только пшенице, и служит основным продуктом питания для большинства людей во многих странах мира [1]. В связи с ростом численности населения на земле спрос на рис продолжает повышаться, и возрастает необходимость создания новых сортов риса с улучшенными пищевыми и вкусовыми качествами, высокой урожайностью и устойчивостью к биотическим и абиотическим факторам [2]. В свою очередь, это требует постоянного обновления и расширения генетического базиса селекции риса [3, 4].

В последнее время исследования по улучшению качества риса привлекает все возрастающий интерес ученых разных стран-производителей риса [5, 6]. Необходимость улучшения качества риса связана с предпочтениями потребителей и получением прибыли производителями. Качество риса, в первую очередь, зависит от состава крахмала [7], которая состоит из двух типов полимеров: амилоза и амилопектин. Наиболее важным биохимическим показателем считается количество амилозы, которая оказывает влияние на качество риса. Сорта риса, в зависимости от содержания амилозы, делятся на глютинозные (0 %) и высокоамилозные (25–30 %). Встречаются некоторые сорта индийского подвида риса, где количество амилозы достигает до 35–37 % [8]. На амилопектин приходится оставшаяся часть крахмала зерновки риса и составляет 65–70 %. Несмотря на то, что содержание амилозы в крахмале зерновки риса ниже по сравнению со вторым полимером, амилопектином, именно амилоза определяет кулинарные свойства риса, такие как способность зерна к набуханию и стабилизации вязкости клейстеров. Амилоза обладает высокой клейстеризацией, чем больше содержание амилозы, тем выше диапазон температур клейстеризации (70–75 °С). Низкое содержание амилозы связано с мягкой текстурой, хорошей клейкостью и нежным и глянцевым внешним видом приготовленного риса. Высокий процент содержания амилозы приводит к жесткой текстуре и низкой вязкости, и после приготовления рис выглядит сухим, твердым, пушистым и рассыпчатым [9].

В зависимости от количества амилозы исследователи сорта риса подразделяют на: глютинозный (от 0 % до 2 %), неглютинозный (˃2 %), очень низкоамилозный (от 2 % до 9 %), низкоамилозный (от 10 % до 19 %), среднеамилозный (от 20 % до 24 %), и высокоамилозный (˃24 %) [8, 10].

Как известно, качество блюд из риса зависит от содержания амилозы в зерновке риса. Так, глю- тинозный рис, содержащий почти нулевой процент амилозы, используется в приготовлении таких блюд, как ризотто, паэлья и блюд детского и диетического питания, как десерты и закуски. Отмечено, что сорта риса с низкой амилозой (15–19 %) после варки становятся мягкими и липкими, к нему относятся все умеренные сорта риса japonica [9], которые подходят в основном для приготовления суши, ролл и т.д. [11]. Среднеамилозные сорта риса (20–24 %) характеризуются мягкой, но не клейкой текстурой [5], и применяются для приготовления каши, предпочитаемой большинством потребителей. Высокоамилозные сорта риса, где процент содержания амилозы составляет >24 %, используются в основном для приготовления таких блюд, как плов. Высокое содержание амилозы повышает качество риса, благодаря которому рис получается не липкий и сохраняет свою рассыпчатость и пушистость после приготовления, охлаждения и последующего разогревания плова, что является очень выгодным при приготовлении блюд из риса в кулинарии и ресторанах. Как видно из этого описания, чтобы удовлетворить кулинарные потребности разных потребителей, необходимы сорта риса с различными качествами.

Климатические условия в период формирования зерновки риса играют ключевую роль в накоплении и колебании содержания амилозы в сортах. Так, выявлено, что погодные условия при возделывании риса оказывают влияние на процент содержания амилозы, и последнее может варьировать в разные годы до 6 % для каждого определенного сорта [12, 13]. Низкая температура во время созревания зерна приводит к увеличению количества амилозы, а высокотемпературные климатические условия — к ее снижению [14–16].

Таким образом, одним из ключевых факторов, определяющих качество риса, является процент содержания амилозы. Так, высокое ее содержание приводит к улучшению кулинарных качеств риса. Данная работа посвящена поиску доноров признака «высокое содержание амилозы» среди сортов и линий отечественной и зарубежной селекции в коллекции риса ИББР для селекции риса с высоким содержанием амилозы.

Материалы и методы

Объектами исследования служили 172 сорта и линии риса отечественной и зарубежной селекции из коллекции риса РГП на ПХВ «Институт биологии и биотехнологии растений» (РГП на ПХВ «ИББР»).

Количество амилозы в зерновке риса определяли общеизвестным методом Джулиано [17]. Для этого к 100 мг измельченной муки риса добавляли 1 мл этанола (96 %) и 9 мл 1N NaOH. Затем смесь нагревали на водяной бане (100 °С, 10 мин) и путем постоянного перемешивания доводили объем дистиллированной водой до 100 мл. Далее к 5 мл смеси каждого образца, тщательно перемешивая, добавляли 1 мл 1N уксусной кислоты и 2 мл йодного реагента (KI+J2), и объем образцов доводили дистиллированной водой до 100 мл. После образцы оставляли на 20 мин в темноте. Содержание амилозы измеряли при λ = 620 нм на спектрофотометре GENESYS10 uv (ThermoSpectronic, USA).

Согласно методу Джулиано, крахмал при взаимодействии с йодом окрашивается в синий цвет в присутствии амилозы [18], а амилопектина — в красно-фиолетовый цвет, что позволяет отличить фракции амилопектина от фракции амилозы и выявить высокоамилозные и низкоамилозные сорта. Следует отметить низкое влияние амилопектина в эксперименте, так как максимум пропускания амилопектина λ = 520–550 нм) [19].

Результаты исследований и их обсуждение

В нашем эксперименте в результате реакции крахмала с йодом получены цветные растворы, характеризующие разное процентное содержание амилозы в зависимости от сорта (см. рис.). Различные цвета окрашенных растворов указывают на разницу в процентном содержании амилозы в зависимости от сорта и линий риса.

На присутствие амилозы указывают различные оттенки синего, от светло-синего до синего цвета, которые приобретают растворы. При отсутствии и низком содержании амилозы раствор окрашивается от красноватого до коричнево-фиолетового цвета, что указывает на преобладание в растворе амилопектина, который обычно при реакции с йодом приобретает красно-фиолетовую окраску.

В данной работе, основываясь на классификации риса по содержанию амилозы, предложенной в работе Э.Ю. Папуловой [8], проводили разделение сортов и линий.

В результате первого этапа скрининга 88 сортов и линий риса было установлено, что в коллекции риса РГП на ПХВ «ИББР» преобладают низкоамилозные, и наиболее малочисленны глютиноз- ные и высокоамилозные сорта и линии [13].

Во втором этапе скрининга проанализировано еще 84 новых сортов и линий. Всего, в ходе проведенного двухэтапного скрининга на содержание амилозы, проанализировано 172 сорта и линии риса отечественной и зарубежной селекции, полный список которых приведен в таблице.

Таблица

Содержание амилозы в сортообразцах (сорта, коллекционные образцы и линии) риса отечественной и зарубежной селекции из коллекции ИББР

120

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

Согласно классификации Э.Ю. Папуловой [8], изученные нами 172 сорта и линий риса были разделены по содержанию амилозы на группы. В результате обнаружено, что в коллекции риса глю- тинозные составляют 3,5 %, очень низкоамилозные — 3,5 %, низкоамилозные — 74,4 %, среднеами- лозные — 13,4 % и высокоамилозные — 5,2 %. Как видно из результатов, коллекционный материал риса РГП на ПХВ «ИББР» состоит в основном из низкоамилизных и среднеамилозных сортов и линий. Преобладающее большинство в коллекции составляют низкоамилозные (74,0 %), а высокоами- лозные сорта и линии встречаются в наименьшем количестве (5,2 %). Имеющиеся в коллекции все высокоамилозные сорта и линии принадлежат зарубежной селекции, кроме одного отечественного стародавнего сорта казахстанской селекции «К3077 Казахи», который может служить одним из доноров признака «высокое содержание амилозы».

Всего, в результате двух этапов скрининга сортов и линий из коллекции риса РГП на ПХВ «ИББР» выделены 9 высокоамилозных сортов и линии: «Мавр» (26,8 %) «Тайбонет» (25,4 %) и «Паритет» (27,0 %), «К3612 Кара-Кылтык» (25,0 %), «К3077 Казахи» (25,1 %), «НВ 9093» (25,1 %), «Солнечный» (25,4 %), «Ко293» (27,0 %) и «НВ 9114» (27,0 %).

Однако вегетационный период некоторых зарубежных сортов и линий не соответствует климатическим условиям Казахстана, и не успевают созревать. Так, районы рисосеяния Алматинской области не совсем подходят для созревания риса, здесь поспевают в основном только раннеспелые сорта риса с периодом вегетации 100–105 дней. В связи с этим в качестве доноров признака «высокое содержание амилозы» для селекционных работ из девяти идентифицированных сортов и линий отобраны шесть: «Мавр», «Тайбонет», «Паритет 04059», «К3612 Кара-Кылтык», «К3077 Казахи» и «Солнечный».

Как известно, в своих работах многие известные ученые-селекционеры (Р. Бейкуэлл, В.С. Пу- стовойт и П.П. Лукьяненко) придерживались правила селекции «скрещивайте только лучшее с лучшим...» [20–22], и мы считаем, что целесообразно будет проводить гибридизацию отобранных нами высокоамилозных сортов и линий риса между собой. Однако содержание амилозы — признак поли- генной природы и стабилизируется только в F6–F7 поколениях [23]. Наряду с использованием методов традиционной селекции в целях ускорения селекционного процесса будут применены методы гаплоидной биотехнологии, что позволит стабилизировать линии с интересующим нас признаком «высокое содержание амилозы» в F2–F3 поколениях.

Если рассмотреть по странам, то можно заметить отличие и интенсивность проводимых исследований в зависимости от предпочтений традиционной кухни разных стран. Сорта и линии риса из ВНИИ риса и Приморского НИИСХ, содержащиеся в коллекции риса РГП на ПХВ «ИББР», охватывают все пять групп по содержанию амилозы, что указывает на масштабность проводимых исследований российскими селекционерами по улучшению качества риса. В коллекции встречаются сорта и линий из УзНИИ риса, которые по содержанию амилозы находятся приблизительно на одном уровне 17,4–19,6 % (низкоамилозные сортообразцы), имеются один среднеамилозный сорт «Илгор» (22,8 %) и высокоамилозный сортобразец К3612 Кара-Кылтык» (25,0 %). В коллекции также содержатся глю- тинозные и низкоамилозные сорта и линии из Японии, что характерно для традиционной кухни этой страны. Среди 23 сортов и линий риса казахстанской селекции преобладают низкоамилозные 69,6 %, в небольшом количестве встречаются среднеамилозные — 26,0 % и выявлено отсутствие сортов с высоким содержанием амилозы, кроме одного стародавнего казахского сорта «К3077 Казахи» (25,1 %).

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что сорта с высоким содержанием амилозы отсутствуют в отечественном селекционном материале. В Казахстане проживает много национальностей, и поскольку традиционная кухня разных национальностей отличается, требуется создание сортов риса с различными вкусовыми и кулинарными качествами. Потребление риса в нашей стране выше по сравнению с другими зерновыми культурами. На сегодняшний день импорт риса разных качеств увеличивается, в основном, завозят глютинозный рис для детского и диетического питания и высокоамилозный рис, который используется для приготовления плова. Необходимость проведения исследований по выведению линий для создания казахстанских сортов риса с улучшенными пищевыми и кулинарными качествами продиктована отсутствием сортов с высоким содержанием амилозы. Развитие производства риса, повышение его конкурентоспособности являются актуальными для отечественной селекции риса.

Заключение

В целом, в ходе проведенного двухэтапного скрининга на содержание амилозы проанализировано 172 сортов и линий риса отечественной и зарубежной селекции из коллекции риса РГП на ПХВ «ИББР». Согласно классификации по содержанию амилозы среди коллекционного материала риса преобладают низкоамилозные (74,4 %), затем следуют среднеамилозные (13,4 %), и в незначительном количестве высокоамилозные (5,2 %), глютинозные (3,5 %) и очень низкоамилозные (3,5 %) сортооб- разцы.

Всего, в результате идентифицировано 9 высокоамилозных сортов и линии: «Мавр» (26,8 %), «Тайбонет» (25,4 %), «Паритет» (27,0 %), «К3612 Кара-Кылтык» (25,0 %), «К3077 Казахи» (25,1 %), «НВ 9093» (25,1 %), «Солнечный» (25,4 %), «Ко293» (27,0 %), «НВ 9114» (27,0 %). Из-за того, что не все зарубежные сорта созревают в климатических условиях Казахстана для селекционных работ в качестве доноров признака «высокое содержание амилозы» из девяти идентифицированных отобраны шесть: «Мавр», «Тайбонет», «Паритет 04059», «К3612 Кара-Кылтык», «К3077 Казахи» и «Солнечный». Один из них стародавний сорт казахстанской селекции «К3077 Казахи».

Статья выполнена в рамках проекта ГФ5/АР 05132714 «Физиолого-биохимические и молекулярно-генетические основы получения отечественных сортов риса с окрашенным перикарпом» (МОН РК).

Список литературы

1. Khush G.S. What it will take to feed five billion rice consumers by 2030 / G.S. Khush // Plant Mol. Biol. — 2005. — Vol. 59. — P. 1–6.
2. Ansari M. Genetic improvement of rice for biotic and abiotic stress tolerance / M. Ansari, T. Shaheen, S.A. Bukhari, T. Husnain // Turkish Journal of Botany. — 2015. — Vol. 39. — P. 911–919.
3. Lu B.R. Diversity of rice genetic resources and its utilization and conservation / B.R. Lu // Chinese Biodiversity. — 1998. — Vol. 6(1). — P. 63–72.
4. Singh B.P. Genetic diversity and population structure in Indian wild rice accessions / B.P. Singh, B. Singh, S. Mishra, V. Kumar, N.K. Singh // Australian Journal of Crop Science. — 2016. — Vol. 10(2). — P. 144–151.
5. Jin L. Molecular marker assisted selection for improvement of the eating, cooking and sensory quality of rice (Oryza sati- va L.) / L. Jin, Y. Lu, Y. Shao, G. Zhang, P. Xiao, S. Shen, H. Corkeb, J. Bao // Journal of Cereal Science, 2010. — Vol. 51(1). — P. 159–164. https://doi.org/10.1016/j.jcs. 2009.11.007
6. Zhou P.H. Simultaneous improvement for four quality traits of Zhenshan 97, an elite parent of hybrid rice, by molecular marker-assisted selection / P.H. Zhou, Y.F. Tan, Y.Q. He, C.G. Xu, Q. Zhang // Theoretical and Applied Genetics. — 2003. — Vol. 106. — P. 326–331.
7. Umemoto T. Rice starch properties and eating quality of cooked rice affected by starch synthase variations / T. Umemoto, T. Horibata, N. Aoki, M. Hiratsuka, M. Yano, N. Inouchi // Plant Prod. Sci. — 2008. — Vol.11. — P. 472–480.
8. Папулова Э.Ю. Характеристика исходного материала риса в целях создания сортов с высоким содержанием белка и средним содержанием амилозы в зерновке / Э.Ю. Папулова // Науч. журн. КубГАУ. — 2011. — № 70(06). — С. 1–11. http://ej.kubagro.ru/2011/06 /pdf/23.pdf
9. Zhu C.L. Progresses in researches of the application of low-amylose content rice gene for breeding / C.L. Zhu, W.B. Shen, H.Q. Zhai, J.M. Wan // Zhongguo Nongye Kexue (Agricultural Sciences in China). — 2004. — Vol. 3(2). — P. 81–88.
10. Cheng A. Simple and Rapid Molecular Techniques for Identification of Amylose Levels in Rice Varieties / A. Cheng, I. Ismail, M. Osman, H. Hashim // Int. J. Mol. Sci. — 2012. — Vol. 13. — P. 6156–6166. https://doi.org/10.3390/ijms13056156
11. Wang C. Development of a New japonica Rice Variety Nan-jing 46 with Good Eating Quality by Marker Assisted Selection / C. Wang, Y. Zhang, Z. Zhu, T. Chen, L. Zhao, J. Lin, L. Zhou // Rice Genomics and Genetics. — 2010. — Vol. 1(3). http://rgg.sophiapublisher.com
12. Juliano B.O. Quality Characteristics of Milled Rice Grown in Different Countries // In IRRI Research Paper Series, 48th International Rice Research Institute / B.O. Juliano, C.G. Pascual. — Los Baños, Philippines, 1980. — 25 p.
13. Сартбаева И.А. Скрининг сортообразцов риса российской и казахстанской селекции на содержание амилозы / И.А. Сартбаева, Б.Н. Усенбеков, Л.К. Мамонов, Г.Л. Зеленский, К.М. Булатова // Зерновое хозяйство России. Теор. и науч.- практ. журн. — 2013. — № 6 (30). — С. 12–16.
14. Chen M. Waxy gene halotypes: Associations with apparent amylose content and the effect by the environment in an international rice germplasm collection / M. Chen, C. Bergman, S. Pinson, R. Fjellstrom // J. Cereal Sci. — 2008. — Vol. 47. — P. 536– 545.
15. Hirano H.Y. Enhancement of Wx gene expression and the accumulation of amylose in response to cool temperatures during seed development in rice / H.Y. Hirano, Y. Sano // Plant Cell Physiol. — 1998. — Vol. 39. — P. 807–812.
16. Chun A. Effects of ripening temperature on starch structure and gelatinization, pasting, and cooking properties in rice (Oryza sativa) / A. Chun, H.J. Lee, B.R. Hamaker, S. Janaswamy // J. Agric. Food Chem. — 2015. — Vol. 63 (12). — P. 3085–93. https://doi.org/10.1021/jf504870p
17. Juliano B.O. A simplified assay for milled-rice amylase / B.O. Juliano // Cer. Sci. Today. — 1971. — Vol. 16 (10). — P. 334–340.
18. Никольский Б.П. Справочник химика 21. Химия и химическая технология. Т. 1. Раздел: Химия и химическая промышленность / Б.П. Никольский. — М.: ГУУ, 2001. — 248 c.
19. Закирова А.Ш. Применение фотоколориметрического метода для количественного определения амилозы в крахмале / А.Ш. Закирова, Д.Ш. Ягофаров, А.В. Канарский, Ю.Д. Сидоров // Вестн. Казан. технолог. ун-та. — 2011. — Т. 14, № 10. — С. 195–199.
20. Пустовойт В.С. Урожайность подсолнечника и пути ее повышения в процессе селекции / В.С. Пустовойт, А.Б. Дьяков // Селекция и семеноводство. — 1971. — № 1. — С. 25–30.
21. Бейкуэлл Р. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/8b62109b-62da-3119– 30fb-f9fe38f8a561/10002 95A.htm
22. Лукьяненко П.П. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://agro-portal.su/pshenica/2090-podbor-sortov-dlya- kombinacion-noy-i-mutacion noy-selekcii.html; http://www.endic.ru/colier/Selekcija-5970.html
23. Абугалиева А.И. Качество зерна риса в Казахстане и идентификация генотипов по электрофоретическим спектрам оризина и оризенина / А.И. Абугалиева // Генетические ресурсы культурных растений: Материалы конф. — СПб., 2009. — С. 240–243.