Введение к работе
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, энергетическоом 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 (вторичных ресурсов) 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. Обоснование возможностей комплексного использования гречихи и разработка технологии её культивирования на Дальнем Востоке для получения сырья с высоким содержанием рутина.
Задачи исследований:
-
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;
-
выявить влияние экологических условий выращивания на содержание рутина в надземной массе районированных сортов F. esculentum;
-
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;
-
определить возможность использования окраски органов растений как диагностического признака в селекционных исследованиях для отбора адаптированных форм гречихи с высоким содержанием рутина;
-
изучить влияние различных условий культивирования (срок посева, норма высева, дозы удобрений, микроэлементов, биологически активных веществ) на накопление рутина в растениях гречихи;
-
исследовать возможности использования вторичных ресурсов (солома, плодовые оболочки семян) 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. Теоретически обоснована и подтверждена практическими результатами 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 семян) 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.
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 семян) 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.
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 опубликованы 82 работы, из них 23 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, 2 статьи в зарубежных журналах, монография (в соавторстве) «Гречиха на Дальнем Востоке», получены 2 патента.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 372 страницах машинописного текста, состоит из введения, 9 глав, выводов, предложений и практических рекомендаций, библиографического списка, включающего 805 цитируемых работ, в том числе 338 – иностранных авторов. 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.
