Связь продуктивности сои с биохимическим составом семян

Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур 2004, вып. 1

ВНИИ масличных культур

кандидат технических наук

Н.В. Шведов,

СВЯЗЬ ПРОДУКТИВНОСТИ СОИ С БИОХИМИЧЕСКИМ СОСТАВОМ СЕМЯН

УДК 633.853.52:581.19

В селекции сои главной задачей остается повышение потенциала продуктивности и технологичности сортов (1). Известны основные факторы, влияющие на продуктивность сои, и способы повышения эффективности производства соевых семян (2, 3,4). Практически во всех исследованиях, направленных на изучение продуктивности сои, приводятся данные варьирования урожайности сортов за период от двух лет до нескольких десятилетий и рассматриваются пределы изменчивости биохимиических показателей семян. Взаимосвязь биохимического состава семян и урожайности, как правило, статистически не обосновывается или учитывается, в лучшем случае, через коэффициенты корреляции. Основными причинами дефицита знаний о функциональной зависимости биохимического состава семян и урожайности сои можно назвать сложность регрессионного метода статистической обработки и дороговизну комплексного анализа биохимического состава семян. Малое число наблюдений и небольшое количество лет экспериментов не позволяют достигнуть желаемых результатов.

Определение взаимосвязи между продуктивностью и биохимическим составом семян представляет большой практический интерес в селекции и промышленной переработке сои. Для производителей соевого зерна, при сложившихся на данное время экономических условиях, первостепенное значение имеет высокая урожайность. Экономическая эффективность в перерабатывающей промышленности определяется уровнем концентрации в зерне масла и белка (5). Обобщенным критерием в комплексе производство - переработка семян сои может использоваться показатель - совокупный сбор масла и белка, как производная величина от урожайности и массовой доли масла и белка в семенах.

В основе наших исследований, направленных на определение зависимости урожайности и биохимических показателей семян сои, лежит статистическая обработка результатов химического анализа: селекционного материала ВНИИМК за период с 1991 по 2003 гг.; образцов сои, выращенной в коллективных хозяйствах Краснодарского и Ставропольского краев; данные анализа испытания сортов сои ГСИ на сортоучастках Краснодарского края в период с 1985 по 2003 гг., а также данные других учреждений, ведущих селекционные работы на Северном Кавказе. При формировании выборки выбраковывались ненадежные наблюдения, имеющие, как правило, неоправданно низшие или высокие значения отдельных показателей, а также аттестованные неизвестными методиками. Отобраны данные анализов более 48 сортов (массив включает около 12 тыс. анализов). Обработка массива аналитических данных и их визуализация проводи-

лись методами математической статистики с использованием пакетов программ Statis-tica (версия 6.0), MathCAD 2002, Excel 2003 (6, 7, 8). Пакет программы Statistica использован для регрессионного анализа и построения трехмерных графиков. С помощью пакета программы MathCAD проведена проверка и корректировка уравнений регрессии, аппроксимирующих зависимости между признаками. Из пакета программы Excel использован раздел «анализ данных» для определения статистических показателей и гистограмм, а также раздел «построение диаграмм».

Наиболее важными биохимическими показателями семян можно считать: массовую долю белка, масла, безазотистоэкстрактивных веществ и клетчатки. Массовую долю белка определяли стандартным методом Къельдаля и на ИК-спектрометре модели UR-4500. Масличность определяли стандартным методом по Сокслету, на анализаторе АМВ-1006М и спектрометре UR-4500. Суммарное количество безазотистоэкстрактивных веществ и клетчатки определяли как остаток после вычитания от 100 % массовой долей белка и масла. Трипсинингибирующую активность определяли на ИК-стпектро-метре UR-4500. Из хозяйственных показателей учитывали урожайность, сбор масла и белка в отдельности и в сумме. Сбор масла и белка с гектара определяли по общепринятой методике.

В табл. 1 приведены результаты статистической обработки массива аналитических данных. Из этой таблицы следует, что в группе биохимических показателей (по коэффициенту и интервалу вариации) наибольшая изменчивость характерна для трипсинингибирующей активности семян. Суммарное количество масла и белка в семенах - наиболее консервативный показатель и достигает максимального значения на уровне 67,6 %. Коэффициент и интервал вариации урожайности, сравнительно высокие 29,7 % и 3,96 т/га соответственно. Близкие коэффициенты вариации, но сильно различающиеся интервалы вариации, имеют производные показатели - сбор масла и белка. Средний уровень урожайности за учетный период 1985-2003 гг. составил 2,1 т/га при интервале варьирования 0,08-0,47 т/га. С максимальной частотой встречаются семена с массовой долей масла 21,0-22,0 %, белка - 41,0-44,0 % и трипсинингибирующей активностью 22,0 мг/г, о чем говорит мода признаков и гистограммы распределения частот признаков (рис. 1). Полученные нами результаты статистической обработки имели широкие диапазоны, но несмотря на значительную изменчивость признаков, коэффициенты асимметрии и эксцессы выборок биохимических и хозяйственных признаков по абсолютной величине не превышают значения 0,8, поэтому можно утверждать о нормальном распределении аналитических данных и применить методы параметрической статистики.

Общая статистическая характеристика 48 сортов сои позволяет установить лишь пределы варьирования биохимических и хозяйственных признаков, но не дает информации о сортовых особенностях культуры. В последнее время селекционерами создан широкий набор сортов специального назначения, имеющих специфический биохимический состав семян (9). В связи с этим, для выявления сортовой особенности, представляет практический интерес изучение статистических характеристик отдельных сортов. Из данных табл. 2 видны основные различия в статистических параметрах сортов. При средней урожайности сортов 1,63-2,26 т/га урожайность сортов Вилана и Лань превышает урожайность других сортов и достигает 4,2 т/га. Наиболее стабильную урожайность

Таблица 1. Статистические показатели биохимических анализов семян и хозяйственных признаков сои в условиях Краснодарского и Ставропольского краев

Показатели Белок, % Маслич-ность, %. Суммарное количество масла и белка, % Безазотисто-экстрактивные вещества и клетчатка, % ГИА, мг/г Урожайность, ц/га Сбор масла, ц/га Сбор белка, ц/га Сбор масла и белка, ц/га

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Среднее 39,139 21,306 60,445 39,555 23.040 21,194 3,880 7,128 11,009

Стандартная ошибка 0,124 0,085 0,079 0,079 0,164 0,254 0,048 0,089 0,133

Мода 39,800 20,000 62,500 37,500 19,031 21,000 3,070 6,859 10,263

Стандартное отклонение 3,082 2,110 1,959 1,959 4,062 6,300 1,187 2,202 3,286

Дисперсия выборки 9,498 4,450 3,837 3,837 16,502 39,693 1,409 4,848 10,798

Эксцесс -0,248 -0,263 0,143 0,143 -0,061 0,462 -0,080 0,773 0,578

Асимметричность -0,227 0,244 -0,187 0,187 0,193 0,404 0,253 0,583 0,483

Интервал вариации 17,100 10,500 14,100 14,100 22,276 39,600 7,099 14,145 20,683

Минимум 31,200 16,600 53,500 32,400 14,010 7,700 1,159 2,492 4,212

Максимум 48,300 27,100 67,600 46,500 36,286 47,300 8,258 16,637 24,895

Коэффициент вариации, % 7,874 9,904 3,241 4,952 17,630 29,725 30,593 30,892 29,848

Таблица 2. Статистические показатели аналитических данных некоторых сортов сои

Показатели Вилана Веста Быстрица Ходсон Лакь

Урож*. Бел". Масл*" Урож. Бел. Масл. Урож. Бел. Масл. Урож Бел. Масл. Урож. Бел. Масл

Среднее 21,95 38,72 21,72 16,32 40,68 21,38 17,84 39,23 22,55 22,37 38,20 22,03 21,54 37,89 22,95

Стандартная ошибка 2,23 0,53 0,23 1,98 1,17 0,78 1,52 0,53 0,23 0,95 0,49 0,30 2,19 0.53 0,31

Медиана 22,90 38,60 21,30 14,40 40,10 21,50 14,60 39,20 22,80 22,40 39,60 21,50 20,70 37,55 22,60

Мода 11,70 38,60 23,40 10,00 . 17,70 13,80 39,20 22,80 11,00 33,70 20,40 12,10 40,40 22,50

Стандартное отклонение 10,20 2,44 1,05 7,12 4,23 2,83 7,27 2,52 1,12 6,59 3,43 2,06 9,30 2,26 1,31

Дисперсия выборки 104,08 5,97 1,11 50,74 17,90 7,99 52,89 6,35 1,27 43,38 11,75 4,26 86,42 5,11 1,71

Эксцесс -1,70 -1,04 -0,92 2,00 -1,09 -1,35 -0,42 -0,66 -0,89 -0,39 -0,87 0,20 -0,37 -0,78 -0,26

Асимметричность 0,18 -0,28 0,40 1,32 0,47 -0,21 0,65 -0,57 -0,35 0,02 -0,74 0,80 0,64 0,35 0,21

Интервал 28,00 8,00 3,40 26,00 12,80 8,20 26,50 8,50 3,90 25,40 11,50 8,00 31,90 7,50 5,00

Минимум 10,20 34,00 20,00 8,00 35,50 17,60 8,50 34,20 20,40 10,00 31,40 19,00 10,00 34,60 20,40

Максимум 42,20 42,00 23,40 34,00 48,30 25,80 35,00 42,70 24,30 35,40 42,90 27,00 41,90 42,10 25,40

Коэффициент вариации 46,47 6,30 4,83 43,68 10,40 13,24 40,75 6,42 5,00 29,46 8,98 9,35 43,24 5,96 5,71

Уровень надежности (95,0%) 4,64 1,11 0,48 4,30 2,56 1,71 3,14 1,09 0,49 1,91 1,00 0,60 4,62 1,12 0,65

* - урожайность, ц/га ** - массовая доля белка, % *** - массовая доля масла, %

400

350

300

Я) 250

н

о

1-о 200

го

т 150

100

50

0

л

300

Масличность, %

Белок, %

а)

б)

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 О

лД

12.5 20,0 27,6 35,0 42,5 Урожайность, ц/га.

ТИА, иг/г

В)

Г)

Рисунок 1. Частоты распределения образцов семян сои по уровню: а - масличности; б - белка; в - ТИА; г - урожайности.

проявил сорт Ходсои, хотя для всех сортов значение коэффициента вариации урожайности сравнительно высокое: 29,5-46,5 %. Рассмотренные сорта существенно различаются по среднему уровню концентрации в семенах масла и белка. Максимальная концентрация белка (48,3 %) накапливалась в некоторых образцах семян сорта Веста, а масла (27,0 %) в образцах семян сорта Ходсон.

После определения статистических показателей признаков изучили характер их изменения. На рисунках 2 и 3 показано изменение биохимических и хозяйственных показателей сои. По оси ординат графиков расположены порядковые номера образцов семян, ранжированные по нарастанию концентрации масла. Кривые зависимостей на графиках монотонные или имеют один экстремум, поэтому хорошо аппроксимируются полиномами второй и третей степени. Графическая интерпретация регрессионной обработки аналитических данных свидетельствует о сложной нелинейной зависимости между биохимическими и хозяйственными показателями. В таком случае использовать коэффициенты корреляции для определения направления и силы связи между признаками не правомерно, в связи с чем, нами в дальнейшем использован регрессионный метод. Из графиков видно, что совокупное содержание масла и белка в семенах, сбор масла и белка в отдельности и в сумме изменяются симбатно урожайности, в то время, как концентрация белка, масла, безазотистоэкстрактивных веществ в семенах и трипсинингибирую-щая активность семян изменяются по другим закономерностям. Отсюда следует, что определяющим фактором, формирующим продуктивность сои по белку и маслу, является урожайность, а биохимические показатели имеют второстепенное значение.

70,0

35

60,0 --

10,0

10

1 201 401 601 801 1001120114011601

Порядковый номер образца семян

Попж)миалыьш

Полиномиальный (Суммарное голтестао масла и балка, К) Полиномиальный (Беэазотисто-

— Полиномиальный

экстрактивные вещества и клетчатка, %)

Пол^юмиапьпый

Рисунок 2. Изменение биохимических показателей семян сои.

1 101 201 301 401 501 601 Порядковый номер образца

-Полиномиальный

----Полиномиальный

— - - — • Полиониалышй

Рисунок 3. Изменение хозяйственных показателей сои.

В априори известно, что интенсивность накопления семенами сои белка или масла зависит от условий выращивания. В условиях благоприятных для получения высоких урожаев получают семена с более высокой концентрацией белка (4). Для проверки этой закономерности на большом массиве данных построили трехмерный график зависимости показателей: урожайность, концентрация белка и масла в семенах (рис. 4).

Урожайность, ц/га = -168,7253+7,4695*х+4,0153*у-0,0646*х*х-0,0915*х*у-0,0111*у*У Рисунок 4. Зависимость урожайности сои и концентрации масла и белка в семенах.

Трехмерный график построен методом квадратичного сглаживания и аппроксимируется полиномом второго порядка. Из графика и анализа регрессионного уравнения видно, что с ростом урожайности концентрация белка в семенах повышается, а масла падет. Сопоставляя коэффициенты при переменных «X» и «У» первой степени, обозначающих скорость изменения концентрации белка и масла при увеличении урожайности, видим, что интенсивность накопления белка в 1,85 раз выше, чем масла.

Рисунок 5. Зависимость сбора суммарного количества масла и белка от концентрации масла и белка в семенах

Для рассмотрения вопроса о влиянии концентрации масла и белка в семенах на суммарный сбор масла и белка в широком диапазоне урожайности построили трехмерный график зависимости сбора масла и белка от концентрации масла и белка в семенах (см. рис. 5). Как следует из рисунка, высокий суммарный сбор масла и белка можно получить практически во всем диапазоне изменения концентрации масла и белка, но при условии: большей концентрации масла должна соответствовать большая концентрация белка (проявляется принцип компенсации потери урожайности семян преимущественным накоплением в них высокоэнергетических компонентов).

Таким образом, статистическая обработка результатов анализа биохимического состава семян и хозяйственных показателей 48 сортов сои, выращенной в условиях Краснодарского и Ставропольского краев в период с 1985 по 2003 г., позволила определить:

- пределы варьирования и изменчивость биохимических и хозяйственных признаков;

- сортовую особенность статистических показателей;

- характер зависимости между продуктивностью и биохимическим составом семян.

Литература

1. Бражник В.П. Основные задачи совершенствования научного обеспечения отрасли соеводства в России // Сб.: Повышение продуктивности сои; ВНИИМК,- Краснодар, 2000. - С. 3-5.

2. Кочегура A.B. Селекционный прогресс в повышении продуктивности сои // Сб.: Повышение продуктивности сои.-Краснодар, ВНИИМК, 2000.-С. 20-22.

3. Петибская B.C., Назаренко, В.Ф.Баранов В.Ф. и др. Влияние биологических особенностей сорта и условий выращивания сои на биохимический состав семян // Изв. вузов. Пищевая технология,- 2000 - № 4.- С. 14-18.

4. .Альберт В.Э., Красшьииков В Н., Кюз Э.П. и др. Химический состав семян некоторых сортов сои и его изменение под влиянием погодных и почвенно-климатических условий // Прикладная биохимия и микробиология,- 1976.- Вып. 2 - С. 186-191.

5. Лисицын А.Н. Современные требования масложировой отрасли к составу, технологическим и биологическим свойствам маслосодержащего сырья И Сб. докл. международной научно-практической конференции, ВНИИМК,- 2003 - С. 11-18.

6. Боровиков B.C. STATISTICA - искусство анализа данных на компьютере -СПб.: Питер, 2003.-688 с.

7. ГурскийД.А. Вычисления в Mathcad. - Мн.: Новое знание, 2003. - 814 с.

8. Гельман В.Я. Решение математических задач средствами Excel. - СПб.: Питер, 2003.-240 с.

9. Уго Торо Корреа , Махонин B.J1. Биологические особенности новых селекционных линий сои пищевого назначения; ВНИИМК // Сб.: Повышение продуктивности сои.- ?000. - С. 80-85.