Идентификация органических соединений в зерне гибридов кукурузы (Zea mays L. ) сербской селекции с помощью инфракрасной спектроскопии

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2016, том 51, № 5, с. 645-653

УДК 633.15:581.192:58.08:535-1 doi: 10.15389/agrobiology.2016.5.645rus

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В ЗЕРНЕ

ГИБРИДОВ КУКУРУЗЫ (Zea mays L.) СЕРБСКОЙ СЕЛЕКЦИИ С ПОМОЩЬЮ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Ч. РАДЕНОВИЧ1, 2, Г.В. МАКСИМОВ3, Е.В. ТЮТЯЕВ4, В.В. ШУТОВА4, Н. ДЕЛИЧ1, З. ЧАМДЖИЯ1, Й. ПАВЛОВ1, Ж. ЙОВАНОВИЧ1

Современные биофизические методы исследования обеспечили существенный прорыв в молекулярной диагностике состояния и функций интактных растений. Известно, что метод инфракрасной (ИК) спектроскопии позволяет анализировать состав и строение молекул, регистрируя зависимость изменения интенсивности поглощения излучения от частоты (волновое число, см-1). С помощью метода инфракрасной спектроскопии (ИК-спектры с преобразованием Фурье — ИК-Фурье спектрометрия) мы изучили состав зерна у гибридов кукурузы ZP 341, ZP 434 и ZP 505 (оригинатор и собственник — Maize Research Institute, Zemun Polje, г. Белград, Сербия). Установлено, что в ИК-спектрах присутствуют полосы, различающиеся по интенсивности и частоте колебаний определенных молекулярных связей. Полученные спектры характеризуются наличием полос (от 20 до 23) в диапазоне от 400 до 4000 см-1. В ходе исследования для каждого из испытуемых гибридов было проанализировано по пять спектральных полос, имеющих специфические характеристики (интенсивность поглощения, %; экспериментально определенное волновое число, см-1). Анализ пиков и сопоставление с известными базами данных (референтные ИК-спектры) позволили констатировать наличие в составе зерна гибридов некоторых биогенных органических молекул: спиртов, аминов, эфиров, алканов, карбоновых кислот, алке-нов, альдегидов, кетонов. Типичный ИК-спектр зерна у гибрида кукурузы ZP 341 имел три наиболее выраженные спектральные полосы с волновыми числами 3400, 2900 и 1000 см-1. У гибрида ZP 434 в ИК-спектре зерна были наиболее выражены четыре спектральных полосы с волновыми числами 3400, 2950, 1700 и 1000 см-1. Гибрид ZP 505 характеризовался восемью наиболее значимыми спектральными полосами с волновыми числами 3400, 2900, 2850, 1750, 1700, 1450, 1150 и 1000 см-1. Таким образом, у ZP 505 структурные характеристики зерна несколько отличаются от таковых у ZP 341 и ZP 434, тогда как у двух последних они сходны. В целом представляемые гибриды сербской селекции характеризуются высокими показателями качества, урожайности и технологической пригодности к возделыванию. Итак, впервые с помощью ИК-спектроскопия было проведено исследование молекулярной структуры и состава компонентов зерна различных гибридов кукурузы. Разработанная методология регистрации и анализа инфракрасных спектров зерна позволяет исследовать молекулярную структуру биогенных соединений, что важно не только для диагностики и селекции, но и для формирования методологии биотехнологического скрининга или определения сроков при хранении зерна.

Ключевые слова: гибрид кукурузы, зерно, структурные характеристики молекул, инфракрасные спектры, спектральные полосы.

Современные биофизические методы исследования обеспечили существенный прорыв в диагностике состояния и функций интактных растений на молекулярном уровне (1-9). Инфракрасная и рамановская спектроскопия, позволяющая идентифицировать колебательные характеристики молекул, — удобный и эффективный инструмент при изучении органических соединений. Анализ инфракрасных спектров позволяет получить важные данные о структурных особенностях и обусловленных этим свойствах изучаемых систем (2-5, 10).

Ранее (9, 11-16) у гибридов и инбредных линий кукурузы (Zea mays L.) с высокой эффективностью фотосинтеза, обогащенным пигментным составом и повышенной питательной ценностью мы сравнили структуру каротиноидов в зерне и показали, что она может служить молекулярным маркером для оценки агрономической эффективности у изученных форм. Известно, что метод ИК-спектроскопии позволяет анализировать состав и строение молекул, регистрируя интенсивность поглощения инфракрасного излучения в зависимости от частоты (волновое число, см-1) валентных и деформационных колебаний химических связей (3, 4).

В настоящей работе впервые представлены результаты использования метода инфракрасной (ИК) спектроскопии для молекулярной диагностики качества и функциональных характеристик зерна у гибридов кукурузы сербской селекции.

Цель исследования — разработать методологию регистрации и анализа инфракрасных спектров зерна, позволяющую выявить структуру биогенных соединений.

Методика. Биологическим материалом послужило зерно трех высокоурожайных гибридов кукурузы ZP 341, ZP 434 и ZP 505 (оригинатор и собственник — Maize Research Institute, Zemun Polje, г. Белград, Сербия).

ИК-спектры в диапазоне 400-4000 см-1 с преобразованием Фурье (ИК-Фурье спектрометрия) получали на спектрометре IR Prestige-21 («Shi-madzu Corp.», Япония). При подготовке проб зерно гомогенизировали и закатывали в таблетку с бромидом калия (KBr). Все ИК-спектры, отражающие зависимость поглощения инфракрасного излучения (absorbance, абс. ед.) от волнового числа, были получены не менее чем в 3 последовательных опытах с 3-5 повторностями в каждом.

Для изучения химического состава зерна применяли стандартные методы, которые ранее были более детально описаны в классических работах и нами (10, 17).

Урожайность, качество и технологическую пригодность гибридов для выращивания на зерно и силос (селекционные, семеноводческие свойства, характеристики и параметры) оценивали в эколого-географических испытаниях в течение 2008-2011 годов в большинстве районов Сербии (Лоз-ница, западная Сербия; Сакуле, Южный Банат; Смедерево, Подунавье; Змаево, Южная Бачка; Жарковац, Восточный Срем; Батош, Средний Банат; Дивош, Северный Срем; Бечей, Восточная Бачка и др.), используя стандартную агротехнику (11-13, 18).

Для статистического анализа применяли программные средства.

Результаты. Возделываемые в Сербии гибриды ZP 341, ZP 434 и ZP 505 используются как в Сербии, так и в России. В Сербии ежегодно засевается свыше 1 млн га. Изучаемые ZP гибриды кукурузы также успешно выращиваются в Румынии, Боснии и Герцеговине, Хорватии, Черногории, Македонии, Болгарии и частично в Венгрии.

Представленные результаты изучения ZP 341, ZP 434 и ZP 505 получены с помощью как стандартных общепринятых, так и современных инструментальных методов.

И н ф р а к р а с н ы е с п е к т р ы з е р н а у и с п ы т у е м ы х г и б р и д о в. Использованная нами инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (рис. 1) (4-6, 19) известна как технология идентификации химических веществ и анализа их свойств по молекулярным спектрам поглощения инфракрасного света. Такой спектр уникален для химического вещества и служит его «молекулярным отпечатком», по которому осуществляется поиск в соответствующих базах данных. Поскольку интенсивность поглощения прямо пропорциональна количеству вещества, по спектрам также можно рассчитать содержание компонента в образце.

Спектрофотометры, используемые в инфракрасной области спектра, в принципе не отличаются от таковых для видимой и ультрафиолетовой областей, однако некоторые различия все же есть. Они обусловлены спецификой ИК-излучения, особенно в средне- и длинноволновой части спектра (1, 3, 20) и связаны с природой и энергией ИК-излучения, особенностями источников излучения, с применением детекторов температуры и пр.

В настоящее время намного чаще применяют особый вид спектро-

фотометров, основанных на принципе интерферометра. Они регистрируют не сам спектр, а интерферограмму, которая после компьютерной обработки преобразуется в спектр обычного (стандартного) вида. Этот процесс называется преобразованием Фурье, а сам метод — ИК-спектроскопией с преобразованием Фурье (Fourier Transform Spectroscopy — FTS). Такие приборы наиболее пригодны для анализов в дальней ИК-области и обладают высокой разрешающей способностью.

Рис. 1. Оптическая схема ИК-Фурье-спектроскопа IR Prestige-21 («Shimadzu Corp.», Япония): 1-13 — элементы схемы. Пучок от источника излучения (позиция 1) отражается сферическим зеркалом (2), фокусируется на диафрагме (3). Пройдя через диафрагму, отражается коллиматором (4), преобразуясь в параллельный, и попадает в интерферометр Майкельсона с инцидентным (приходящим) углом падения 30° (5). Инфракрасный пучок, поступивший на интерферометр, направляется делителем луча на подвижное зеркало (8) и неподвижное зеркало (9). Каждый полученный пучок становится интерферированным на делителе и направляется на колли-маторное зеркало (10). Посредством коллима-торного зеркала параллельный интерферированный пучок проецирует изображение источника излучения в центр отсека для проб. Пучок, прошедший через образец, отражается кол-лиматорным зеркалом (12) на детектор (13), где регистрируется в виде интерферограммы.

Анализ полученных ИК-спектров (рис. 2) выявил наличие примерно 20-23 спектральных полос в диапазоне волновых чисел от 400 см-1 до 4000 см-1. Спектральные полосы различались по величине пика, кинетике и ширине в основании. Наиболее выраженных полос насчитывалось от трех до пяти, две-три имели среднюю выраженность и четыре-пять были выражены слабо. Несколько слитых полос не удавалось разделить, что свидетельствует о неустойчивом состоянии. Оно может возникать, когда амплитуды колебаний химических связей по каким-то причинам настолько малы, что практически неразличимы. Существуют и другие объяснения этого явления и неустойчивого состояния системы (15, 21).

ИК-спектры отражают зависимость поглощения инфракрасного излучения от частоты валентных и деформационных колебаний химических связей для многочисленных функциональных групп в составе биогенных органических молекул, витаминов, пигментов и диетических волокон. Анализ и сравнение выявленных спектральных профилей сначала с представленными в стандартной библиотеке (получены при эталонных ИК-испытаниях особо чистых органических веществ), а затем с описанными в литературе данными испытания органических, природных и многоатомных соединений (3-6) позволил с определенной вероятностью охарактеризовать химический состав и молекулярную структуру зерна у трех испытуемых гибридов кукурузы. Отметим, что, кроме упомянутых ссылок, ИК-спектры (их около 150 тыс.) описаны в библиотеке The American Society for Testing and Materials (ASTM) (http: //www.hellers.com/steve/resume/p 101 .html).

Типичный ИК-спектр зерна у гибрида кукурузы ZP 341 (см. рис. 2, А) характеризовался тремя выраженными спектральными полосами с волновыми числами 3400, 2900 и 1000 см-1. К явно выраженным здесь также можно отнести полосы с волновыми числами 2850, 1650, 1175 и 1145 см-1. При детальном рассмотрении видны и слабо выраженные полосы, кото-

рые имели волновые числа 3780, 2300, 1550, 1145, 1100, 925, 825, 775, 700 и 600 см-1. В целом в диапазоне волновых чисел 4000-400 см-1 неустойчивое состояние системы отмечалось для волновых чисел 3000, 1900 и 650 см-1.

Рис. 2. Типичные инфракрасные (ИК) спектры зерна у гибридов кукурузы (Zea mays L.) сербской селекции ZP 341 (А), ZP 434 (Б) и ZP 505 (В) (ИК-Фурье-спектроскоп IR Prestige-21, «Shimadzu Corp.», Япония).

У гибрида ZP 434 в ИК-спектре зерна наиболее выделялись четыре спектральных полосы с волновыми числами 3400, 2950, 1700 и 1000 см-1 (см. рис. 2, Б). Кроме того, были явно выражены спектральные полосы с волновыми числами 2825, 1775 и 1185 см-1. Слабо выраженными оказа-

лись полосы с волновыми числами 3750, 1500, 1225, 1100, 975, 900, 800, 700 и 600 см-1. У этого гибрида неустойчивому состоянию системы соответствовали волновые числа 3900, 2300, 1900, 1400 и 450 см-1 (2-4).

Гибрид ZP 505 отличался от остальных наличием восьми наиболее значимых спектральных полос с волновыми числами 3400, 2900, 2850, 1750, 1700, 1450, 1150 и 1000 см-1 (см. рис. 2, В). Еще 12 пиков (волновые числа 3750, 3025, 2350, 1550, 1300, 1100, 1000, 900, 775, 700, 575 и 500 см-1) были выражены слабо. Всего намечалось неустойчивое состояние системы для волновых чисел 3850, 1900, 1800, 1460 и 1430 см-1.

Следует отметить, что наряду с наиболее типичными и выраженными спектральными полосами, полученными для зерна гибридов кукурузы, практический интерес могут представлять и минорные пики, отражающие возбужденные состояния в органических молекулах (6, 19).

Мы попытались ответить на актуальный вопрос, можно ли выявить индивидуальный класс биогенных органических молекул по характеристикам спектральных полос соответствующих функциональных групп и существует ли разница между инфракрасными спектрами зерна у гибридов кукурузы ZP 341, ZP 434 и ZP 505. По-видимому, полученные в нашем исследовании данные позволяют выявить изменения молекулярной структуры компонентов зерна у испытуемых гибридов.

Проведя анализ каждого ИК-спектра (см. рис. 2) по пяти максимально выраженным полосам, мы показали возможность тестировать наличие валентных симметричных и асимметричных колебаний С—Н группы, а также деформационных колебаний С—Н групп. Кроме того, была предпринята попытка обнаружить деформационные (N—H, C—N) и валентные (С=О) колебания связей для полос амидов (амид I и амид II) в молекулах белков, пептидов и a-аминокислот; валентные колебания С—Н связей ал-кенов; валентные колебания S—O, C—P, C—S связей, деформационные колебания С—Н связи в молекуле предельных углеводородов; валентные колебания С=О связей у альдегидов и кетонов; О—Н связей у вторичных и третичных спиртов (табл. 1).

1. Характеристики основных пиков в инфракрасных спектрах поглощения компонентов зерна у гибридов кукурузы (Zea mays L.) сербской селекции

Пик полосы относительно максимума у гибрида, %

Волновое число пика полосы, см-1

Класс веществ

Гибрид ZP 341

87,5 3400 (3200-3650, 3250-3500) Спирты, амины

70,5 1000 (1000-1260) Спирты, эфиры

56,0 2950 (2840-3000, 2500-3300) Алканы, карбоновые кислоты

44,0 1650 (1620-1680, 1690-1750) Алкены, альдегиды, кетоны

38,0 1150 (1000-1260) Спирты, эфиры

Гибрид ZP 434

100 3410 (3200-3650, 3250-3500) Спирты, амины

88,5 1000 (1000-1260) Спирты, эфиры

60,5 2925 (2840-3000, 2500-3300) Алканы, карбоновые кислоты

50,0 1625 (1620-1680, 1690-1750) Алкены, альдегиды, кетоны

39,0 1175 (1000-1260) Спирты, эфиры

Гибрид ZP 505

93,0 3410 (3200-3650 3250-3500) Спирты, амины

100 2975 (2840-3000, 2500-3300) Алканы, карбоновые кислоты

73,0 1775 (1735-1750, 1690-1750, 1710-1760) Эфиры, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты

67,0 1000 (1000-1260) Спирты, эфиры

49,5 1650 (1690-1750, 1620-1680) Альдегиды, кетоны, алкены

Примечание. Классы веществ и соответствующие референтные спектральные характеристики (в скобках) указаны согласно описанию (6).

При анализе ИК-спектров (см. рис. 2, табл. 1) учитывали интенсивность поглощения для наиболее выраженных спектральных полос; волно-

вые числа, при которых появляются такие пики; данные литературы о диапазонах волновых чисел (6); интенсивность поглощения и частоты валентных и деформационных колебаний у функциональных групп биогенных молекул. Это позволило нам охарактеризовать состав биогенных молекул и особенности их структуры в зерне гибридов кукурузы 2Р 341, 2Р 434 и 2Р 505 (21, 23). Сравнив наши данные с данными литературы по различным классам органических соединений (6, 20, 24), мы идентифицировали в зерне у 2Р 341, 2Р 434 и 2Р 505 алканы, алкены, амины, спирты, эфи-ры, карбоновые кислоты, эфиры, альдегиды и кетоны (21, 23). Согласно полученным результатам (см. табл. 1), можно предположить, что характеристики зерна у гибридов 2Р 341 и 2Р 434 схожи, тогда как у 2Р 505 они отличаются от таковых у двух остальных изученных гибридов.

Качество, урожайность и технологическая пригодность испытуемых гибридов. Химический состав зерна у 2Р 341, 2Р 434 и 2Р 505 по основным показателям иллюстрирует таблица 2. Представленные в ней данные согласуются с результатами исследований витаминного состава и диетических свойств зерна, полученными иностранными авторами (6, 8, 9, 16), и подробно обсуждались нами ранее (21).

2. Результаты анализа химического состава зерна у исследуемых гибридов кукурузы

Показатель Данные лите ратуры (16) Среднее в эксперименте

пределы среднее ZP 341 | ZP 434 ZP 505

Влажность, % 7-23 16,0 11,96 11,56 11,14

Крахмал, % 61-78 71,7 70,40 72,04 73,38

Белки, % 6-12 9,5 9,75 10,15 9,88

Жиры (масло), % 1,0-5,7 4,3 6,28 6,02 6,38

Зола, % 1,1-3,9 1,4 1,34 1,40 1,31

Гибриды 2Р 341, 2Р 434 и 2Р 505 характеризуются существенно более высоким качеством и в основном предназначены для выращивания в кукурузном поясе на территории Европы, где они обеспечивали высокую урожайность (15, 21) (табл. 3). Генетический потенциал урожайности у 2Р 341, 2Р 434 и 2Р 505 исследовали в 2008 году в 38 географических точках, в 2009 — в 35, в 2010 — в 41, в 2011 — в 37 географических точках в Сербии. При испытаниях применялась стандартная технология выращивания без орошения.

3. Урожайность у исследуемых гибридов кукурузы

Гибрид 2008 2009 2010 2011 Средний урожай гибрида

т/га %

ZP 341 7,299 9,318 8,389 7,626 8,158 100,0

ZP 434 7,432 9,522 8,393 7,788 8,284 101,6

ZP 505 7,580 9,706 8,752 7,918 8,489 104,1

Среднее по годам:

т/га 7,437 9,515 8,511 7,777 8,310

% 100,0 127,9 114,4 104,6 111,7

Примечание. Участки для испытаний располагались в Лознице (западная Сербия), Сакуле (Южный Банат), Смедерево (Подунавье), Змаево (Южная Бачка), Жарковце (Восточный Срем), Батоше (Средний Банат), Дивоше (Северный Срем), Бечее (Восточная Бачка) и др.

Установлено, что средняя урожайность у гибридов различается незначительно. Так, если принять этот показатель у 2Р 341 за 100 %, то у 2Р 434 превышение составило 1,6 % (0,126 т/га), у 2Р 505 — на 4,1 % (0,331 т/га), что свидетельствует о достаточно близком селективном потенциале урожайности изученных форм. Вероятно, больший селективный

потенциал в случае гибрида ZP 505 объясняется его более длительным вегетационным периодом. Однако по оценкам динамики изменения тестируемые показатели существенно различались. Приняв минимальную урожайность 2008 года за 100 %, получим, что в 2011 году превышение составило 4,6 % (0,340 т/га), в 2010 - 14,4 % (1,074 т/га), а в 2009 - 27,9 % (2,078 т/га). Эти данные демонстрируют, насколько климатические условия в разные годы влияют на урожайность кукурузы.

Основные селекционные, семеноводческие и технологические характеристики гибридов обобщены в таблице 4.

4. Агрономические и морфологические характеристики исследуемых гибридов кукурузы (Zea mays L.) сербской селекции при испытании в условиях полевых опытов

Признак, район выращивания 1 ZP 341 I ZP 431 | ZP 505

Агрономические характеристики

Тип гибрида TC SC SC

Группа спелости (по ФАО) 300 400 500

Высота стебля, см 210 220 230

Высота стебля до початка, см 100 105 110

Масса 1000 зерен, г 350 350 400

Тип зерна Зубовидное Зубовидное Зубовидное

Густота посева, х 103 растений/га 70 70 60-65

Положение листьев Вертикальное Вертикальное Вертикальное

Устойчивость к засухе Хорошая Хорошая Хорошая

Устойчивость к болезням Хорошая Хорошая Хорошая

Цвет листьев во время уборки Stay-green Stay-green Stay-green

Высота над уровнем моря в районах выращивания, м До 600 До 600 До 500

Урожайность по силосу, т/га 50 50 60

Морфологические характеристики початка

Влажность зерна, % 11,96 11,56 11,14

Длина початка, см 21,53 21,53 23,05

Масса початка, г 281,43 296,62 309,13

Число рядов на початке, шт. 14,60 14,70 15,70

Число зерен на початке, шт. 604,10 599,50 706,20

Масса зародыша, г 41,31 43,07 45,18

Масса зерен на початке, г 240,33 253,56 263,95

Примечание. SC — Single Cross, TC — Triple Cross Cross (гибрид получен от трех родителей). Испытания проводились на экспериментальных полях Института кукурузы «Zemun Polje» в течение 4-8 лет (в зависимости от гибрида), а также в условиях сельскохозяйственных комбинатов в Воеводине и в Центральной Сербии (в речных долинах). После завершения испытаний под коммерческие посевы этих гибридов в некоторых комбинатах отведено свыше 100 полей площадью до 10 га и более.

Представленные результаты испытаний (см. табл. 2-4) четко свидетельствуют о высоком качестве, урожайности и эффективности биотехнологического применения изученных гибридов кукурузы сербской селекции.

Таким образом, впервые проведена регистрация инфракрасных (ИК) спектров зерна у гибридов кукурузы ZP 341, ZP 434 и ZP 505. Полученные спектры имеют характерные полосы и пики (от 20 до 23) в диапазоне волновых чисел от 400 до 4000 см-1. Установлено, что зарегистрированные спектральные полосы могут быть выражены по-разному (сильно, средне, слабо) и иметь неодинаковую интенсивность поглощения (относительно максимальной, %), разную кинетику и различаться по ширине в основании. Для каждого из испытуемых гибридов проанализировано по пять спектральных полос, имеющих специфические характеристики (интенсивность поглощения, %; экспериментально определенное волновое число, см-1; диапазон волновых чисел по данным литературы). Анализ этих пиков и сопоставление с известными базами данных (референтные ИК-спектры) позволил выявить в составе зерна изученных гибридов биогенные органические молекулы: спирты, амины, эфиры, алканы, карбоно-вые кислоты, алкены, альдегиды, кетоны и эфиры. У ZP 505 структурные характеристики зерна несколько отличаются от таковых у ZP 341 и ZP 434, тогда как у двух последних они сходны. В целом представляемые гибриды

сербской селекции характеризуются высокими показателями качества, урожайности и технологической пригодности к возделыванию.

Итак, впервые для исследования молекулярного состава зерна различных гибридов кукурузы использована ИК-спектроскопия, что важно не только для диагностики и селекции, но и для формирования методологии биотехнологического скрининга или определения сроков при хранении зерна. Разработанный подход, делая возможным выявление структуры биогенных соединений, позволяет контролировать изменения содержания или синтез различных компонентов зерна и его состав на генетическом уровне.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ribnikar S. Infracrvena i Ramanska spektroskopija. In.: Fizickohemijske metode. Beograd, 1985: 251-266.

2. Krimm S., Bandekar J. Vibrational spectroscopy and conformation of peptides, polypeptides and proteins. Adv. Protein Chem., 1986, 38: 181-364.

3. Vasilev A., Hriyenko E.V., Shchukin A.O. Infrared spectroscopy of organic and natural products. St. Petersburg, 2007: 1-30.

4. Тарасевич Б.Н. ИК-спектры основных классов органических соединений. М., 2012.

5. Свердлов Л.М., Ко в н ер M.A., Кр айнов Е.П. Колебательные спектры многоатомных молекул. М., 1970.

6. Vollhardt P.C., Schore N.E. Organic chemistry. W.H. Freeman and Company, United States, 1996.

7. Кукуруза на троге третьего тысячелетия — Воспоминания, рассказы и прогнозы /Под ред. Ч. Раденовича, М. Сомбораца. Институт кукурузы «Земун Поле», Белград, 2000.

8. Granado F., Olmedilla B., Blanco I. Nutritional and clinical relevance of lutein in human health. Brit. J. Nutr., 2003, 90: 487-502 (doi: 10.1079/BJN2003927).

9. Vollhardt P.C., Schore N.E. Organic chemistry. W.H. Freeman and Company, USA, 1996.

10. Corn: chemistry and technology /P.J. White, L.A. Johnson (eds.). Minnesota, USA, 2003: 71-101.

11. Radenoviс С., Jeremiс M., Maksimov G.V., Filipovoviс M., Trifunoviс B.V., Miso viс M.M. Mogucnost koriscenja ramanske spektroskopije u proucavanju otpornosti inbred linija kukuruza prema uslovima stresa. Savremena poljoprivreda, 1994, 42(1-2): 5-19.

12. Radenovi с С., Jeremi с M., Maksimov G.V., Mi s ovi с M.M., Trifunovi с B.V. Resonance Raman spectra of carotenoids in the maize seed tissue — a new approach in studies on effect of temperatures and other environmental factors on the state of vital functions. J. Sci. Agric. Res., 1994, 55(4): 33-47.

13. Radenovi с С., Jeremi с M., Maksimov G.V., Mi s ovi с M.M., Selakovi с D., Trifunovi с B.V. Rezonantni ramanski spektri semena kukuruza i njihova primena u proucavanju zivotnih funkcija. In: Oplemenjivanje, proizvodnja i iskorisCavanje kukuruza — 50 godina Instituta za kukuruz «Zemun Polje». Beograd, 1995: 291-296.

14. Radenovi с С., Jeremi с M., Maksimov G.V., Mi s ovi с M.M., Selakovi с D. Resonance Raman spectra of carotenoids in the maize kernel — a contribution to the evaluation of the kernels resistance to the temperature and the chemical composition of soil. Proceedings for Natural Science, Matica Srpska (Novi Sad), 1998, 95: 41-50.

15. Максимов Г.В., Раденович Н., Борисова Ю.Е., Е р е м и ч М.К. Исследование вязкости возбудимых мембран с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния. Биофизика, 1996, 41: 400-406.

16. Liu R.H. Whole grain phytochemicals and health. Journal of Cereal Science, 2007, 46: 207219 (doi: 10.1016/j.jcs.2007.06.010).

17. Radosavljevi с M., Bekri с V., Bo z ovi с I., Jakovljevi с J. Physical and chemical properties of various corn genotypes as a criterion of technological quality. Genetika, 2000, 32(3): 319-329.

18. Videnoviс Z., Simiс M., Srdiс J., Dumanoviс Z. Long term effects of different soil tillage systems on maize (Zea mays L.) yields. Plant, Soil and Environment, 2011, 57(4): 186-192.

19. Instruction manual user system guide IRPrestige-21 (P/N 206-72010) Shimadzu Fourier transform infrared spectrophotometer. Shimadzu Corporation, Kyoto, Japan (http://www.shimadzu.com).

20. Instruction manual user system guide IRPrestige-21 (P/N 206-72010) Shimadzu Fourier transform infrared spectrophotometer, Fig. 1.8. Shimadzu Corporation, Kyoto, Japan, pp. 1-11.

21. Раденович Ч., Максимов Г.В., Тютяев Е.В., Шутова В.В., Делич Н.С., Се-чански М.Д., Попович А.С. Диагностирование конформационных и функциональных свойств зерна элитных инбредных линий кукурузы с помощью инфракрасных спектров. Selekcija i semenarstvo, 2014, XX(2): 13-31.

22. Radenovi с С., Maksimov G.V., Deli с S.N., Stankovi с J.G., Se c anski D.M., Pavlovi с D.M., Miti с N. Infrared spectroscopy analysis of the maize grain chemical con-

tent. Proc. 12th International Conference on fundamental and applied aspects of physical chemistry «Physical chemistry 2014», Serbia. Belgrade, 2014. V. II: 530-533.

23. Radenoviс С., Maksimov G.V., Grodzinskij M.D. Identification of organic molecules in kernels of maize inbred lines displayed with infrared spectra. Plant Physiology and Genetics (Kiev, Ukraine), 2015, 47(1/273): 15-24.

24. Corn: chemistry and technology /P.J. White, L.A. Johnson (eds.). American Association of Cereal Chemists, Minnesota, USA, 2003: 71-101.

1Institut za kukuruz «Zemun Polje», Поступила в редакцию

11185 Beograd-Zemun, ul. Slobodana Bajica 1, Srbija, 30 июня 2016 года

e-mail: radenovic@sbb.rs;

2Fakultet za fizicku hemiju, Univerzitet u Beogradu, 11000 Beograd, Studentski trg 16, Srbija, e-mail: radenovic@sbb.rs;

3ФГБОУ ВО Московский государственный

университет им. М.В. Ломоносова,

119234 Россия, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, 1, стр. 12,

Биологический факультет МГУ,

e-mail: gmaksimov@mail.ru;

4ФГБОУ ВО Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва,

430005 Россия, Республика Мордовия, г. Саранск, ул. Большевистская, 68 Sel'skokhozyaistvennaya biologiya [Agricultural Biology], 2016, V. 51, № 5, pp. 645-653

IDENTIFICATION OF CHARACTERISTIC ORGANIC MOLECULES IN KERNELS OF MAIZE (Zea mays L.) HYBRID GRAIN USING INFRARED

SPECTROSCOPY

Ch. Radenovich1, 2, G. V. Maksimov3, E. V. Tyutyaev4, V. V. Shutova4 N. Delich1, Z. Chamdzhiya1, Yo. Pavlov1, Zh. Jovanovich1

Maize Research Institute, Zemun Polje, ul. Slobodana Bajicha 1, 11185 Belgrade-Zemun, Serbia, e-mail radenovic@sbb.rs; 2Faculty of Physical Chemistry, University of Belgrade, Studentski trg 16, 11000 Belgrade, Serbia, e-mail radenovic@sbb.rs; 3M.V. Lomonosov Moscow State University, Biological Faculty, 1/12, Leninskie gory, Moscow, 119234 Russia, e-mail gmaksimov@mail.ru;

4N.P. Ogarev Mordovia State University, 68, Bol'shevistskaya ul., Saransk, Republic of Mordovia, 430005 Russia Received June 30, 2016 doi: 10.15389/agrobiology.2016.5.645eng

Abstract

Modern biophysical methods have provided a breakthrough in investigations of the status and functions of the intact plants at the molecular level. The infrared (IR) spectroscopy allows us to analyze the molecular composition and structure by recording the absorption of infrared radiation as a function of frequency of valent and deformation vibrations (wavenumber, cm-1) for chemical bonds. We used the IR Fourier spectroscopy method (IR spectra with Fourier Transformation,) to investigated the grain composition in maize hybrids — ZP 341, ZP 434 and ZP 505 created at Maize Research Institute (Zemun Polje, Belgrade, Serbia). The resulted spectra differed in peak number and intensity, and in oscillation frequency. Particularly, there are 20 to 23 peaks and characteristic spectral bands within the wavenumber range of 400 to 4000 сш"1. Characteristic spectral bands were analyzed for each hybrid with regard to absorption intensity in %, experimentally determined wave-number in cm-1, and published wavenumber range. A comparison of these peaks to reference IR spectra from databases revealed biogenic organic molecules: alcohols, amines, esters, alkanes, car-boxylic acids, alkenes, aldehydes, ketones and esters in the studied grain hybrids. In a typical IR spectrum of maize hybrid ZP 341 there were three most distinct bands with wavenumbers of 3400, 2900 and 1000 cm-1. Four peaks (3400, 2950, 1700 and 1000 сш-1) were characteristic of the ZP 434 hybrid, and eight major peaks of 3400, 2900, 2850, 1750, 1700, 1450, 1150 and 1000 сш-1 were observed in ZP 505. That is, the grain charterisics in ZP 505 slightly differ from those in ZP 341 and ZP 434, whereas in ZP 341 and ZP 434 the grain structure is more similar. In general, Serbian hybrids are characterized by high quality, productivity and technological suitability. The developed methodology for IR spectra recording and analysis in grain allows to reveal the composition and structure of biogenic compounds. It is important not only for diagnosis and breeding, but also for the development of biotechnological screening methods, or the estimation of grain storage time.

Keywords: maize hybrids, grain, molecular structural characteristics, infrared spectra, spectral bands.