Клыков Алексей Григорьевич




старонка1/4
Дата канвертавання19.04.2016
Памер0.64 Mb.
  1   2   3   4


На правах рукописи



Клыков Алексей Григорьевич
Биологические ресурсы видов рода Fagopyrum Mill. (Гречиха) на РОССИЙСКОМ Дальнем Востоке (таксономия, химический состав, Возможности использования, культивирование)

03.02.14 – биологические ресурсы

03.02.08 – экология
Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Владивосток – 2013


Работа выполнена в ГНУ Приморском научно-исследовательском институте сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (РАСХН) и ФГБУН Тихоокеанском институте биоорганической химии им. Г.Б. Елякова Дальневосточного отделения РАН


Научные консультанты:

Горовой Петр Григорьевич 

доктор биологических наук, профессор,

академик РАН
Моисеенко Людмила Михайловна

доктор сельскохозяйственных наук,

старший научный сотрудник


Официальные оппоненты:

Зориков Петр Семенович

доктор биологических наук, профессор, ФГБУН Горнотаежная станция им. В.Л. Комарова Дальневосточного отделения РАН, директор


Ковалев Николай Николаевич

доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой биохимии, микробиологии, биотехнологии ШЕН, Дальневосточный федеральный университет.


Артюков Александр Алексеевич

доктор биологических наук, старший научный сотрудник, ФГБУН Тихоокеанский институт биоорганической химии им. Г.Б. Елякова Дальневосточного отделения РАН, заведующий лабораторией биотехнологии




Ведущая организация:


Дальневосточный государственный аграрный университет (г. Благовещенск)

Защита состоится «26» декабря 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 005.005.02 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Тихоокеанском институте биоорганической химии им. Г.Б. Елякова Дальневосточного отделения РАН по адресу: 690022, г. Владивосток, проспект 100 лет Владивостоку, 159, ТИБОХ ДВО РАН. Тел.: 8(423) 231-14-09, факс 8(423) 231-40-50

С диссертацией можно ознакомиться в филиале Центральной научной библиотеки ДВО РАН (г. Владивосток, проспект 100 лет Владивостоку, 159, ТИБОХ ДВО РАН).


Автореферат разослан « ___» ________ 2013 г.


Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук А.В. Салохин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Виды рода Fagopyrum Mill. обладают ценными пищевыми и лекарственными свойствами. Гречиха съедобная (Fagopyrum esculentum Moench) – важная крупяная и медоносная культура, широко культивируемая во многих странах мира. Основными производителями зерна гречихи в мире являются Китай, Россия, Украина. В ряде стран Юго-Восточной Азии (Китай, Индия) F. tataricum (L.) Gaertn., и F. cymosum Meissn. используются в качестве пищевой и лекарственной культуры. Растения вида F. esculentum широко применяются в народной медицине. В качестве лекарственного сырья используются верхушки цветущих побегов и листья (Шретер, 1970; Синяков, 1999; Hinneburg, Neubert, 2005; Kreft et al., 2006; Yu, Li, 2007). Представители рода Fagopyrum перспективные источники флавоноидов, основным среди которых является 3-О-рутинозид кверцетина (рутин или витамин Р), обладающий антиоксидантными, ангиопротекторными, антибактериальными, гепатопротекторными свойствами (Киселев и др., 1985; Машковский, 1997; Куркин, 2007). В качестве лекарственного средства рутин входит во многие препараты: «Рутин», «Венорутон», «Аскорутин», «Профилактин С», «Компливит».

В России для получения рутина используются бутоны и цветки софоры японской (Sophora japonica L.), которые закупают в Китае (Растения ..., 1996). В ряде стран (Россия, Канада, Украина, Япония) для производства рутина получены специальные сорта гречихи с повышенным его содержанием (Алексеева, 2002; Сабитов, 2007; Черников, Соколов, 2009). В связи с этим вид Fagopyrum esculentum является перспективным отечественным источником получения рутина для фармацевтической промышленности.

Флавоноиды играют важную роль в устойчивости растений к изменяющимся экологическим условиям, процессах роста, развитии, репродукции, энергетическом обмене, защите от болезней, вирусов и в других жизненно важных функциях растительного организма (Harborne, 1972; Минаева, 1978; Запрометов, 1993; Высочина, 2004; Загоскина и др., 2005; Храмова, 2010; Волынец, 2010).

На территории Дальнего Востока гречиха выращивается в различных экологических условиях, поэтому необходимы сорта адаптированные к абиотическим и биотическим факторам среды. Сложность селекции при работе с гречихой состоит в том, что вид F. esculentum, имеет узкий генетический потенциал устойчивости к действию стрессовых факторов. Поэтому улучшение существующих сортов F. esculentum и создание новых с высоким содержанием рутина, адаптированных к условиям произрастания, болезням и вредителям, делают необходимым вовлечение в селекционный процесс разнообразного генофонда культурных и дикорастущих видов.

При производстве гречихи образуются значительные объемы отходов (вторичные ресурсы) в виде соломы и плодовых оболочек (шелуха), которые до сих пор не находят эффективного применения. Доля соломы в общей надземной массе растения зависит от сорта и составляет 40–60 %, шелуха – 20–30 % (от массы зерна). Солома, как правило, измельчается и остается на полях или сжигается. Шелуха используется крупозаводами как топливо, а в последнее время применяется в качестве наполнителя для подушек. Наиболее перспективным, нам представляется, вовлечение вторичных ресурсов в качестве дополнительного источника сырья для фармацевтической промышленности с целью получения рутина и микроудобрений, а также для решения проблемы защиты окружающей среды от загрязнения отходами.

Это обуславливает необходимость разработки технологии культивирования гречихи с целью получения в промышленных масштабах растительного сырья с максимальным содержанием рутина. Актуальность проведения комплексных исследований биологических ресурсов, представителей рода Fagopyrum, как пищевых, медоносных и лекарственных растений на Дальнем Востоке России несомненна.



Цель работы. Разработка технологии культивирования гречихи на Дальнем Востоке для получения сырья с высоким содержанием рутина и обоснование возможностей её использования.

Задачи исследований:

  1. исследовать биологические особенности трех видов рода Fagopyrum: Fagopyrum esculentum Moench (гречиха съедобная), F. tataricum (L.) Gaertn. (гречиха татарская), F. cymosum Meissn. (гречиха полузонтичная) различного эколого-географического происхождения;

  2. выявить влияние экологических условий выращивания на содержание рутина в надземной массе районированных сортов F. esculentum;

  3. изучить динамику накопления рутина в различных органах растений трех видов рода Fagopyrum Mill. в процессе онтогенеза и выявить наиболее перспективные виды и сорта гречихи для селекции и промышленного получения рутина;

  4. определить возможность использования окраски органов растений как диагностического признака в селекционных исследованиях для отбора адаптированных форм гречихи с высоким содержанием рутина;

  5. изучить влияние различных условий культивирования (срок посева, норма высева, дозы удобрений, микроэлементов, биологически активных веществ) на накопление рутина в растениях гречихи;

  6. исследовать возможности использования вторичных ресурсов (солома, плодовые оболочки) в качестве сырья для получения продуктов различного назначения и оценить экономическую эффективность производства рутина из зеленой массы и соломы гречихи.

Научная новизна. Изучены морфологические признаки и биологические особенности трёх видов рода Fagopyrum различного эколого-географического происхождения и проведена оценка содержания рутина в культурных и дикорастущих растениях семейства Polygonaceae. Изучена динамика накопления рутина и обоснованы оптимальные сроки заготовки сырья. Разработана модель нового сорта F. esculentum, адаптированного к условиям Дальнего Востока, с повышенным содержанием рутина. Исследовано влияние экологических условий на содержание рутина в надземной массе F. esculentum культивируемой в Приморском крае. Обоснована возможность использования окраски цветков и стеблей в качестве диагностического признака в селекции для отбора адаптированных форм гречихи с высоким содержанием рутина. Выявлены условия культивирования (срок посева, норма высева, дозы удобрений, микроэлементов, биологически активных веществ), влияющие на содержание рутина в гречихе. Изучена возможность использования вторичных ресурсов (солома, плодовые оболочки) в качестве источника сырья для получения рутина и микроудобрений. Разработан способ отбора растений гречихи на устойчивость к полеганию. Впервые исследовано влияние виресценозида А и суммы гликозидов из морского гриба Acremonium striatisporum КММ 4401 на содержание рутина в гречихе.

Практическая ценность. Выявлены перспективные виды и сорта гречихи для селекции и промышленного получения рутина. Разработаны рекомендации культивирования F. esculentum с высоким содержанием рутина и выяснена возможность использования вторичных ресурсов (солома, плодовые оболочки) в качестве сырья для получения продуктов различного назначения. Способы отбора высокорутинных растений гречихи, устойчивых к абиотическим и биотическим факторам среды, включены в план НИР Приморского научно-исследовательского института сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук по теме 04.05.05.02 «Выделить селекционный материал для создания среднеспелого сорта гречихи для районов Дальнего Востока» и используется при создании новых сортов, адаптированных к условиям произрастания. Определена экономическая эффективность производства рутина из зеленой массы и соломы F. esculentum. Материалы диссертации использованы для подготовки научных, учебно-методических пособий и рекомендаций для получения рутина в фармацевтической промышленности, в селекционной работе по гречихе, а также для специалистов в области биологических ресурсов, экологии, и студентов сельскохозяйственных и биологических факультетов высших учебных заведений.

Защищаемые положения

1. Накопление рутина в различных органах и фазах развития видов рода Fagopyrum Mill. зависит от генотипа и экологических условий произрастания.

2. Сроки посева, норма высева, удобрения, микроэлементы, биологически активные вещества влияют на накопление рутина в растениях гречихи.

3. Высокое содержание рутина характерно для цветков и листьев гречихи.



4. Селекция F. esculentum проводится для создания адаптированных сортов с высоким содержанием рутина, устойчивых к абиотическим и биотическим факторам среды.

Апробация работы. Материалы исследований доложены и обсуждены: на научной конференции, посвященной 70-летию Дальневосточной опытной станции Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова (Владивосток, 1999); научной конференции молодых ученых Тихоокеанского института биоорганической химии ДВО РАН (Владивосток, 1999); международной научной конференции посвященной 75-летию Дальневосточной опытной станции Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова «Перспективы использования геноресурсов в селекции сельскохозяйственных культур Дальнего Востока» (Владивосток, 2004); Дальневосточной научно-практической конференции молодых ученых (пос. Тимирязевский, Приморский край, 2005); научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 100-летию аграрной науки в Дальневосточном регионе «Биологические и агротехнические исследования – сельскохозяйственному производству Дальнего Востока» (Благовещенск, 2008); III международном симпозиуме «Пищевые биотехнологии: проблемы и перспективы в XXI веке» (Владивосток, 2008); Дальневосточной научно-практической конференции «Актуальные направления исследований молодых учёных в Дальневосточном регионе» (Хабаровск, 2009); региональной научно-методической конференции «Актуальные проблемы защиты растений» (Уссурийск, 2009); III международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы технологии живых систем» (Владивосток, 2009); ХI международном симпозиуме по гречихе (Орел, 2010); на краевой ярмарке научно-технических идей и законченных научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок в сельском хозяйстве, пищевой и перерабатывающей промышленности (пос. Тимирязевский, 2010); международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Новые технологии переработки сельскохозяйственного сырья в производстве продуктов общественного питания» (Владивосток, 2010); Дальневосточной научно-практической конференции молодых ученых «Агротехнические и биологические исследования в сельскохозяйственном производстве Дальнего Востока» (Благовещенск, 2010); I междисциплинарной молодежной научной конференции «Современные методы научных исследований» (Владивосток, 2011); XIV Всероссийской молодежной школе-конференции по актуальным проблемам химии и биологии (Владивосток, 2012); I Всероссийской научной конференции «Современные исследования в биологии» (Владивосток, 2012).

Личный вклад автора. Экспериментальные исследования и теоретические обобщения выполнялись лично автором и совместно с другими исследователями. Диссертант принимал непосредственное участие в постановке цели и задач исследования, выполнении экспериментальной части, проведении полевых исследований, обобщении и интерпретации полученных результатов, подготовке научных публикаций. Отдельные фрагменты работы выполнялись совместно: с Тихоокеанским институтом биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН (г. Владивосток), Институтом химии ДВО РАН (г. Владивосток), Дальневосточным федеральным университетом (г. Владивосток), Дальневосточным научно-исследовательским институтом защиты растений (пос. Камень-Рыболов, Приморский край).

Публикации результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 88 работ, из них 24 в российских научных журналах, включённых в список ВАК Минобрнауки РФ, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, 4 статьи в зарубежных журналах, монография (в соавторстве) «Гречиха на Дальнем Востоке», получены 2 патента.

Структура и объем диссертации. Общий объем диссертационной работы составляет 403 страницы машинописного текста, состоит из введения, 9 глав, выводов, предложений и практических рекомендаций, библиографического списка, включающего 805 цитируемых работ, в том числе 338 – иностранных авторов, 16 приложений. Работа содержит 76 таблиц, 81 рисунок.

Автор выражает искреннюю благодарность научным консультантам – академику РАН, доктору биологических наук, профессору П.Г. Горовому и доктору сельскохозяйственных наук Л.М. Моисеенко за ценные консультации и постоянное внимание к работе. Особую признательность автор выражает заслуженному деятелю науки РФ, академику РАСХН, доктору сельскохозяйственных наук, профессору А.К. Чайка, доктору сельскохозяйственных наук, профессору А.А. Моисеенко, доктору биологических наук, профессору М.М. Анисимову, а также кандидату сельскохозяйственных наук, доценту В.А. Чувилиной, старшему научному сотруднику Ю.С. Капустину, сотрудникам лаборатории селекции зерновых и крупяных культур Приморского научно-исследовательского института сельского хозяйства, лаборатории хемотаксономии и лаборатории биоиспытаний и механизма действия биологически активных веществ Тихоокеанского института биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН за помощь при выполнении данной работы.


ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Биоресурсный потенциал видов рода Fagopyrum Mill. в России
1.1. История изучения, возделывания и распространения гречихи на Дальнем Востоке России
В разделе приводится обзор работ современных отечественных и зарубежных исследователей о происхождении, распространении и истории изучения гречихи на Дальнем Востоке России. Археологические исследования на территории Дальневосточного региона показывают, что население, проживающее в этих местах в VII–VIII веке, выращивало F. esculentum.
1.2. Таксономический обзор рода Fagopyrum
В работах В.Л. Комарова, Е.Н. Клобуковой-Алисовой (1931), В.Н. Ворошилова (1966, 1982, 1985), в «Определителе растений Приморья и Приамурья» (Воробьев и др., 1966), сводке «Сосудистые растения советского Дальнего Востока» (Цвелев, 1989) приводится два вида рода Fagopyrum для территории Дальнего Востока – F. esculentum Moench (гречиха съедобная) и F. tataricum (L.) Gaertn. (гречиха татарская).

В последние годы японскими исследователями (Ohnishi, 1991, 1995, 1998; Ohnishi, Matsuoka, 1996; Yasui, Ohnishi, 1998; Ohsako, Ohnishi, 2000; Ohsako, Yamane, Ohnishi, 2002) в районах восточного Тибета и юго-западного Китая найдено, описано и изучено шесть новых видов Fagopyrum, в том числе предковый подвид F. esculentum ssp. ancestrale гречихи съедобной (F. esculentum).

O. Ohnishi (1995, 1998) предложил новый видовой состав (16 видов) рода Fagopyrum: F. esculentum Moench, F. tataricum (L.) Gaertn., F. homotropicum Ohnishi, F. gilesii (Hemsl.) Hedberg, F. callianthum Ohnishi, F. capillatum Ohnishi, F. gracilipes Hemsl., F. leptopodum Diels, F. lineare Sam., F. macrocarpum Ohnishi, F. pleioramosum Ohnishi, F. rubifolium Ohsako et Ohnishi, F. giganteum Krotov, F. cymosum Meissn., F. statice (Levi) Gross, F. urophyllum (Bur. et Franch) Gross.
1.3. Химический состав и пищевая ценность гречихи
В разделе дана характеристика химического состава зерна, ростков и муки гречихи. Показана возможность применения гречихи для разработки функционально новых продуктов питания.
1.4. Фенольные соединения (распространение, биосинтез, функции в растениях) и экологические факторы, влияющие на их накопление в растениях видов рода Fagopyrum
Основные сведения, содержащие характеристику фенольных соединений и, в частности, самой обширной группы – флавоноидов (классификация, биогенез, распространение и функции в растениях) приведены в работах зарубежных и отечественных исследователей (Geissman, 1962; Harborne, 1967; Harborne et al., 1975; Минаева, 1978; Запрометов, 1977, 1993; Высочина, 2004).

Проведенный нами анализ отечественных и зарубежных литературных источников показал, что к настоящему времени выявлено более 730 видов растений, содержащих рутин (Растительные..., 1984, 1986–1988, 1990, 1991, 1993, 1994, 1996; Geissman, 1962; Hegnauer, 1962–1964, 1969, 1973, 1986, 1990; Gibbs, 1974; Клышев, Бандюкова, Алюкина, 1978; Максимов, Кулеш, Горовой, 2002).

Изучены многие факторы, влияющие на содержание рутина в гречихе. K. Blaim, H. Maliszewska-Blaim (1963) установили, что с увеличением длины дня в гречихе возрастает содержание рутина. J. Naghski, B. Brice, C. Krewson (1952), D. Wagenbreth, H. Hagels, H. Schilcher (1996), S. Kreft, M. Knapp, I. Kreft, (1999) P. Jiang et al. (2007) отмечают, что содержание рутина в гречихе зависит от эколого-географических и почвенных условий.
1.5. Возможности использования гречихи в различных отраслях промышленности (фармацевтической, химической, пищевой)
В разделе приведены сведения о комплексной переработке гречихи: цветки, листья (для получения рутина), зерно (крупа, мука), солома, плодовые оболочки (рутин, пищевой краситель, микроудобрения).


1.6. Сортовые ресурсы и продуктивность Fagopyrum esculentum в некоторых районах Дальневосточного экорегионального комплекса
Проанализировано производство гречихи в мире. Основными производителями зерна гречихи являются Китай, Россия, Украина. Ежегодно в этих странах производится 75–80 % от мирового валового сбора гречихи. Показано, что в настоящее время в России допущено к возделыванию 45 сортов гречихи F. esculentum. Одной из важных задач является обеспечение населения страны гречневой крупой собственного производства. Проведен анализ продуктивности F. esculentum за 1988–2011 годы в некоторых районах Дальневосточного экорегионального комплекса.
Глава 2. Климатические и почвенные условия района исследования
2.1 Климат
Среди многочисленных факторов, влияющих на продуктивность надземной массы и содержание рутина, важная роль принадлежит метеорологическим условиям в период вегетации гречихи.

Анализ температуры воздуха, проведенный на агрометеостанции «Тимирязевский» (Уссурийский район, Приморский край) с 1911 по 2011 гг., показывает, что в период вегетации гречихи (июнь–сентябрь) произошли изменения среднемноголетней температуры. Рост среднедекадной температуры воздуха на 0,3–0,5оC зафиксирован за 100 лет (1911–2011 гг.) в июне. Отмечено, наибольшее увеличение среднемноголетней температуры воздуха на 0,6–0,9оC в последние годы (1980–2011 гг.) по сравнению с 1911–1980 гг. В июле, наоборот, в третьей декаде произошло снижение среднедекадной температуры воздуха на 0,1оC. Повышение средней температуры воздуха в июне, августе, сентябре и понижение в июле в дальнейшем могут повлиять на сроки посева и период вегетации гречихи.

В Приморском крае сумма активных температур (выше 10оС) в межфазный период гречихи посев-всходы составила 136 (1983 г.) – 221оС (2010 г.), в межфазный период всходы-цветение 542,5 (1986 г.) – 694,4оС (1997 г.), в фазу цветение-созревание 1036,8 (1980 г.) – 1205,1оС (1994 г.). В среднем за 1980–2011 гг. общая сумма активных температур в период вегетации гречихи составила 1764–2086,5оС.

Увлажненность региона определяется количеством выпадающих осадков, расходом влаги на испарение и сток. Важным показателем увлажненности местности и влагообеспеченности является гидротермический коэффициент (отношение суммы осадков к сумме температур воздуха выше 10°С, уменьшенной в 10 раз). Значение гидротермического коэффициента (ГТК) соответствует: 0,4 – сухо; 0,4–0,7 – очень засушливо; 0,7–1,0 – засушливо; 1,0–1,5 – влажно; более 1,5 – избыточно влажно (Селянинов, 1930).

При анализе ГТК (1980–2011 гг.) в период вегетации гречихи установлено, что 17 лет были избыточно влажные, 12 лет влажные, два года (1999 и 2003 гг.) засушливые и только 1997 г. – очень засушливый. Максимальное значение ГТК отмечено в 1987 году – 3,1. Многолетняя динамика ГТК в период вегетации гречихи показывает изменение линии тренда, особенно в последние годы (2006–2011 гг.), что свидетельствует об уменьшении числа лет с избыточно влажными условиями в период вегетации гречихи.

Проведенный нами анализ агрометеорологических показателей подтверждает, что благоприятному прохождению фенофаз гречихи часто препятствуют значительные отклонения их от оптимума.

Неблагоприятные условия отмечаются в годы с избытком влаги (высоким значением ГТК), особенно в периоды посев-всходы и цветение-созревание, что усугубляется в значительной степени нижележащим водонепроницаемым горизонтом почвы, вызывающим сильное переувлажнение, ухудшение водно-воздушного и пищевого режима для роста и развития растений гречихи. В связи с этим необходимо создание сортов, обладающих высокой экологической пластичностью к изменяющимся условиям произрастания.
2.2 Почвы
Опытные участки располагались в Уссурийском районе Приморского края, в окрестностях пос. Тимирязевский (43° 73′ с.ш., 131° 84′ в.д.). Агрохимические свойства лугово-бурой отбеленной почвы характеризовались (в среднем) содержанием гумуса (3,0–4,2 %), фосфора (7,6–18,4 мг/100 г почвы) и калия (8,7–18,8 мг/100 г почвы), общего азота (0,22–0,37 %), нитратного азота – 8,5–18,1 мг/кг почвы, кислотностью (pHKCI 4,5–6,0), гидролитической кислотностью (1,8–6,9 мл-экв./100 г почвы), содержанием магния (4,8–6,9 %), кальция (11,5–17,5 %).

  1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©shkola.of.by 2016
звярнуцца да адміністрацыі

    Галоўная старонка