Влияние засухи и высоких температур на урожайность и качество зерна фиолетовозерных линий яровой мягкой пшеницы
30.12.2021
Авторы:
Название:
Влияние засухи и высоких температур на урожайность и качество зерна фиолетовозерных линий яровой мягкой пшеницы
Страницы:
254-273
Охарактеризовано влияние засухи и высоких температур (2015-2018 гг.) на прохождение основных фаз вегетации, урожайность, содержание и состав белков зерна, а также содержание фенольных соединений (ФС), антоцианов (АЦ) и антиоксидантную активность (АОА) зерна двух фиолетовозерных линий (163 и 193) и белозерного засухоустойчивого сорта Хазинэ яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.). Показано, что влияние засухи и высоких температур на урожай пшеницы зависит от устойчивости генотипа, от силы и продолжительности действия стрессовых факторов, от фазы репродуктивного развития растений. Чувствительными стадиями были фазы трубкования, колошения, цветения и налива зерна. В 2018 г. длительное воздействие высоких температур и засухи, начиная со стадии трубкования до стадии молочной спелости, привело к снижению урожайности всех генотипов, способствовало увеличению содержания белка по Кьельдалю и фракции неэкстрагируемых белков в зерне. В 2016 г. засуха в репродуктивный период и высокие температуры на стадии молочной спелости зерна, оказались более благоприятными для формирования урожая по сравнению с условиями 2018 г. Засуха 2016 г. не вызвала увеличения содержания белка по Кьельдалю, хотя способствовала увеличению фракции неэкстрагируемых белков в зерне сорта Хазинэ, но уменьшению содержания неэкстрагируемых белков в зерне фиолетовозерных линий. Уменьшение веса 1000 зерен в условиях засухи было отмечено только для линии 163. Показано, что зерно фиолетовозерных линий пшеницы незначительно отличалось по общему содержанию ФС от сорта Хазинэ, но при этом имело более высокую АОА. Засуха вызывала снижение содержания ФС и АЦ в зерне линии 163, но увеличение содержания ФС и АЦ в линии 193, что коррелировало со снижением или увеличением АОА. Изученные фиолетовозерные линии имели разную устойчивость к засухе, которая, отчасти, может объясняться способностью активировать биосинтез ФС и АЦ с высокой АОА в ответ на действие стрессоров.
- Василова Н.З. Асхадуллин Д-л.Ф., Асхадуллин Д-р.Ф., Багавиева Э.З., Тазутдинова М.Р., Хусаинова И.И. Достижения селекции яровой мягкой пшеницы в Татарстане // Зернобобовые и крупяные культуры. 2019. Т. 30(2). С. 124–131. DOI:10.24411/2309-348X-2019-11102 2. Полонский В.И., Лоскутов И.Г., Сумина А.В. Селекция на содержание антиоксидантов в зерне как перспективное направление для получения продуктов здорового питания // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2018. Т. 22(3). С. 343–352. DOI:10.18699/VJ18.370 3. Abdel-Aal E.-S.M., Hucl P., Shipp J., Rabalski I. Compositional differences in anthocyanins from blue- and purple-grained spring wheat grown in four environments in central Saskatchewan // Cereal Chemistry Journal. 2016. V. 93(1). P. 32–38. 4. Balla K., Rakszegi, M., Li, Z., Békés, F., Bencze, S., Veisz, O. Quality of winter wheat in relation to heat and drought shock after anthesis // Czech J. Food Sci. 2011. V. 29(2). P. 117–128. doi:10.17221/227/2010-CJFS 5. Barnabás B., Jäger K., Fehér A. The effect of drought and heat stress on reproductive processes in cereals // Plant Cell Environ. 2008. V. 31(1). P. 11-38. doi:10.1111/j.1365-3040.2007.01727.x 6. Beta T., Qiu Y., Liu Q., Borgen A. Extracts from purple wheat (Triticum spp.) and their antioxidant effects // Nuts and seeds in health and disease prevention / ed. Preedy V.R., Watson R.R., Patel V.B. London, Burlington, San Diego: Elsevier, 2011. P. 959–966. doi:10.1016/B978-0-12-375688-6.10113-6 7. Brand-Williams W., Cuvelier M.-E., Berset C. Use of free radical method to evaluate antioxidant activity // LWT Food Sci Technol. 1995. V. 28(1). P. 25–30. doi:10.1016/S0023-6438(95)80008-5 8. Dupont F. M., Altenbach S. B. Molecular and biochemical impacts of environmental factors on wheat grain development and protein synthesis // Journal of Cereal Science. 2003. V. 38(2). P. 133–146. doi:10.1016/S0733-5210(03)00030-4 9. Fardet A. New hypotheses for the health-protective mechanisms of whole-grain cereals: what is beyond fibre? // Nutr. Res. Rev. 2010. V. 23(1). P. 65–134. doi:10.1017/S0954422410000041 10. Fernandez-Orozco R., Li L., Harflett C., Shewry P.R., Ward J.L. Effects of environment and genotype on phenolic acids in wheat in the HEALTHGRAIN diversity screen // J. Agric. Food Chem. 2010. V. 58(17). P. 9341–9352. doi:10.1021/jf102017s 11. Folin O., Ciocalteu V. On tyrosine and tryptophane determinations in proteins // Journal of Biological Chemistry. 1927. V. 73(2). P. 627–650. doi:10.1016/S0021-9258(18)84277-6 12. Gu A., Hao P., Lv D., Zhen S., Bian Y., Ma C., Xu Y., Zhang W., Yan Y. Integrated proteome analysis of the wheat embryo and endosperm reveals central metabolic changes involved in the water deficit response during grain development // J. Agric. Food Chem. 2015. V. 63(38). P. 8478–8487. doi:10.1021/acs.jafc.5b00575 13. Heimler D., Vignolini P., Isolani L., Arfaioli P., Ghiselli L., Romani A. Polyphenol content of modern and old varieties of Triticum aestivum L. and T. durum Desf. grains in two years of production. J. Agric. Food Chem. 2010. V. 58(12). P. 7329–7334. doi:10.1021/jf1010534 14. Hosseinian F. S., Li W., Beta T. Measurement of anthocyanins and other phytochemicals in purple wheat // Food Chemistry. 2008. V. 109(4). P. 916–924. doi:10.1016/j.foodchem.2007.12.083 15. Kaur V., Behl R. Grain yield in wheat as affected by short periods of high temperature, drought and their interaction during pre- and post-anthesis stages // Cereal Research Communications. 2010. V. 38(4). P. 514–520. doi:10.1556/CRC.38.2010.4.8 16. Kim K., Tsao R., Yang R., Cui S. Phenolic acid profiles and antioxidant activities of wheat bran extracts and the effect of hydrolysis conditions // Food Chemistry. 2006. V. 95(3). P. 466–473. doi:10.1016/j.foodchem.2005.01.032 17. Kim S., Hwang G., Lee S., Zhu J.-Y., Paik I., Nguyen T.T., Kim J., Oh E. High ambient temperature represses anthocyanin biosynthesis through degradation of HY5 // Front. Plant Sci. 2017. V. 8. P. 1787-1798. doi:10.3389/fpls.2017.01787 18. Kino R.I., Pellny T.K., Mitchell R.A.C., Gonzalez-Uriarte A., Tosi P. High post-anthesis temperature effects on bread wheat (Triticum aestivum L.) grain transcriptome during early grain-filling // BMC Plant Biol. 2020. V. 20(1). P. 170-186. doi:10.1186/s12870-020-02375-7 19. Kumar R., Singh V., Pawar S.K., Singh P.K., Kaur A., Sharma D. Abiotic stress and wheat grain quality: A comprehensive review // Wheat production in changing environments / ed. Hasanuzzaman M., Nahar K., Hossain Md. A. Singapore: Springer Singapore, 2019. P. 63–87. doi:0.1007/978-981-13-6883-7_3 20. Lachman J., Martinek P., Kotíková Z., Orsák M., Šulc M. Genetics and chemistry of pigments in wheat grain – A review // Journal of Cereal Science. 2017. V. 74. P. 145–154. doi:10.1016/j.jcs.2017.02.007 21. Li X., Lü, X., Wang X., Peng Q., Zhang M., Ren M. Biotic and abiotic stress-responsive genes are stimulated to resist drought stress in purple wheat // Journal of Integrative Agriculture. 2020. V. 19(1). P. 33–50. doi:10.1016/S2095-3119(19)62659-6 22. Li X., Lv X., Wang X., Wang L., Zhang M., Ren M. Effects of abiotic stress on anthocyanin accumulation and grain weight in purple wheat // Crop Pasture Sci. 2018a. V. 69(12). P. 1208–1214. doi:10.1071/CP18341 23. Li X., Qian X., Lǚ X., Wang X., Ji N., Zhang M., Ren M. Upregulated structural and regulatory genes involved in anthocyanin biosynthesis for coloration of purple grains during the middle and late grain-filling stages // Plant Physiology and Biochemistry. 2018b. V. 130. P. 235–247. doi:10.1016/j.plaphy.2018.07.011 24. Liu Q., Qiu Y., Beta T. Comparison of antioxidant activities of different colored wheat grains and analysis of phenolic compounds // J. Agric. Food Chem. 2010. V. 58(16). P. 9235–9241. doi:10.1021/jf101700s 25. Lowry O.H., Rosebrough N.J., Farr A.L., Randall R.J. Protein measurement with the Folin phenol reagent // J. Biol. Chem. 1951. V. 193(1). P. 265–275. doi:10.1016/S0021-9258(19)52451-6 26. Lu H., Hu, Y., Wang, C., Liu, W., Ma, G., Han, Q., Ma, D. Effects of high temperature and drought stress on the expression of gene encoding enzymes and the activity of key enzymes involved in starch biosynthesis in wheat grains // Front. Plant Sci. 2019. V. 10. P. 1414-1431. doi:10.3389/fpls.2019.01414 27. Ma D., Sun D., Wang C., Li Y., Guo T. Expression of flavonoid biosynthesis genes and accumulation of flavonoid in wheat leaves in response to drought stress // Plant Physiology and Biochemistry. 2014. V. 80. P. 60–66. doi:10.1016/j.plaphy.2014.03.024 28. Nakabayashi R., Yonekura‐Sakakibara K., Urano K., Suzuki M., Yamada Y., Nishizawa T., Matsuda F., Kojima M., Sakakibara H., Shinozaki K., Michael A.J., Tohge T., Yamazaki M., Saito K. Enhancement of oxidative and drought tolerance in Arabidopsis by overaccumulation of antioxidant flavonoids // Plant J. 2014. V. 77(3). P. 367–379. doi:10.1111/tpj.12388 29. Parent B., Bonneau J., Maphosa L., Kovalchuk A., Langridge P., Fleury D. Quantifying wheat sensitivities to environmental constraints to dissect genotype × environment interactions in the field // Plant Physiol. 2017. V. 174(3). P. 1669–1682. doi:10.1104/pp.17.00372 30. Pradhan G.P., Prasad P.V.V., Fritz A.K., Kirkham M.B., Gill B.S. Effects of drought and high temperature stress on synthetic hexaploid wheat // Functional Plant Biol. 2012. V. 39(3). P. 190-198. doi:10.1071/FP11245 31. Rangan P., Furtado A., Henry R. Transcriptome profiling of wheat genotypes under heat stress during grain-filling // Journal of Cereal Science. 2020. V. 91. P. 102895-102903. doi:10.1016/j.jcs.2019.102895 32. Saini H. S., Aspinall D. Abnormal sporogenesis in wheat (Triticum aestivum L.) induced by short periods of high temperature // Annals of Botany. 1982. V. 49(6). P. 835–846. doi:10.1093/oxfordjournals.aob.a086310 33. Sanad M.N.M.E., Campbell K.G., Gill K.S. Developmental program impacts phenological plasticity of spring wheat under drought // Bot Stud. 2016. V. 57(1). P. 35-47. doi:10.1186/s40529-016-0149-3 34. Savin R., Calderini D.F., Slafer G.A., Abeledo L.G. Final grain weight in wheat as affected by short periods of high temperature during pre- and post-anthesis under field conditions // Functional Plant Biol. 1999. V. 26(5). P. 453-458. doi:10.1071/PP99015 35. Savin R., Nicolas M. Effects of short periods of drought and high temperature on grain growth and starch accumulation of two malting barley cultivars // Functional Plant Biol. 1996. V. 23(2). P. 201-210. doi:10.1071/PP9960201 36. Sehgal A., Sita K., Siddique K.H.M., Kumar R., Bhogireddy S., Varshney R.K., HanumanthaRao B., Nair R.M., Prasad P.V.V., Nayyar H. Drought or/and heat-stress effects on seed filling in food crops: impacts on functional biochemistry, seed yields, and nutritional quality // Front. Plant Sci. 2018. V. 9. P. 1705-1724. doi:10.3389/fpls.2018.01705 37. Shamloo M., Babawale E.A., Furtado A., Henry R.J., Eck P.K., Jones P.J.H. Effects of genotype and temperature on accumulation of plant secondary metabolites in Canadian and Australian wheat grown under controlled environments // Sci Rep. 2017. V. 7(1). P. 9133–9145. doi:10.1038/s41598-017-09681-5 38. Sharma A., Shahzad B., Rehman A., Bhardwaj R., Landi M., Zheng B. Response of phenylpropanoid pathway and the role of polyphenols in plants under abiotic stress // Molecules. 2019. V. 24(13). P. 2452-2474. doi:10.3390/molecules24132452 39. Shewry P.R., D’Ovidio R., Lafiandra D., Jenkins J.A., Mills E.N.C., Békés F. Wheat grain proteins // Wheat: chemistry and technology / ed. Khan K., Shewry P.R. St. Paul, Minn., USA: AACC International, 2009. 4th ed. P. 223–298. 40. Talukder A.S.M.H.M., McDonald G.K., Gill G.S. Effect of short-term heat stress prior to flowering and early grain set on the grain yield of wheat // Field Crops Research. 2014. V. 160. P. 54–63. doi:10.1016/j.fcr.2014.01.013 41. Yang F., Jørgensen A.D., Li H., Søndergaard I., Finnie C., Svensson B., Jiang D., Wollenweber B., Jacobsen S. Implications of high-temperature events and water deficits on protein profiles in wheat (Triticum aestivum L. cv. Vinjett) grain // Proteomics. 2011. V. 11(9). P. 1684–1695. doi:0.1002/pmic.201000654 42. Zaidi S.H.R., Zakari S.A., Zhao Q., Khan A.R., Shah J.M., Cheng F. Anthocyanin accumulation in black kernel mutant rice and its contribution to ROS detoxification in response to high temperature at the filling stage // Antioxidants. 2019. V. 8(11). P. 510-523. doi:10.3390/antiox8110510 43. Zhang Y., Huang X., Wang L., Wei L., Wu Z., You M., Li B. Proteomic analysis of wheat seed in response to drought stress // Journal of Integrative Agriculture. 2014. V. 13(5). P. 919–925. doi:10.1016/S2095-3119(13)60601-2 44. Zhu J., Khan K. Effects of genotype and environment on glutenin polymers and breadmaking quality // Cereal Chemistry Journal. 2001. V. 78(2). P. 125–130. doi:10.1094/CCHEM.2001.78.2.125 45. Žilić S. Phenolic compounds of wheat. Their content, antioxidant capacity and bioaccessibility // MOJFPT. 2016. V. 2(3). P. 652–658. doi:10.15406/mojfpt.2016.02.00037