Pepó Pál1 - Tóth Szilárd2 – Kovácsné Oskolás Henriett3
Korszerű genetikájú kukoricahibridek a növénytermesztés szolgálatában Hybrids with novel genetic backgroud for maize production
[email protected] MÉK, Növénytudományi Intézet, egyetemi tanár 2DE, MÉK, Növénytudományi Intézet, egyetemi docens 3DE, MÉK, Növénytudományi Intézet, tanszéki mérnök 1DE,
Bevezetés és irodalmi áttekintés A víz a kukoricaszem természetes alkotóeleme, melynek jelentős hatása van az élettani folyamatokra, a szem minőségére és a gazdaságosságra. A kukoricaszem víztartalma kombájnnal való betakarításhoz 23-24%-osan optimális, ugyanakkor a tárolás szempontjából jóval alacsonyabb víztartalom a kedvező (BOCZ 1992). A szem víztartalmának alakulása két fontos szakaszra különíthető: az aktív fiziológiai folyamatok hatnak a szemtelítődés idején, míg a passzív száradási folyamatok a fiziológiai érés után (SCHMIDT és HALLAUER 1966). ALDRICH et. al (1975) szerint fiziológiai érés után az időjárás hatása nagyobb egyéb tényezőkénél. A szemfejlődés során a sejt élete folyamán az osztódás, megnyúlás, zárványképződés és nyugalmi szakaszokon megy át. Valamennyi hat a szem víztartalmára, mely előbb tömegében növekszik, majd csökken. A szemtelítődés és a víztartalom csökkenése között pozitív direkt hatást mutattak ki (KANG et al, 1986). Megtermékenyülést követően folyamatosan csökkenő tendenciát mutat a kukoricaszem nedvesség tartalma. A biológiai éréskor mérhető 30– 40%-os szemnedvesség tartalom fokozatosan csökken, a légszáraz állapotig, ami ritkán valósul meg, a fagyok miatt. A korai hibrideknek több idő áll a rendelkezésre a vízleadáshoz, mint a későbbi genotípusoknak. Optimális körülmények között egy hibridkukorica 0,5% víz leadására képes egy nap alatt (KISS, 2011). Fontos gazdasági tényező a kukoricatermesztés szempontjából a szárítási költség. A szemeskukorica termése nem szárad meg a betakarítás idejére, emiatt a termés igen energiaigényes utókezelésre szorul. A kukoricaszemek víztartalmától függ a szárítólevegő hőmérséklete. A nagyobb víztartalmú szemek érzékenyek: 40 % víztartalmú szem 40 ºC-os hőmérsékletnél 1 nap alatt teljes pusztulást eredményez, viszont a 6% nedvességtartalmú szemek a 80 ºC-ot is kibírják.(PAPP-SZABÓ-WALCZ, 1986). A betakarításkori szemnedvesség tartalom csökkenthető az érési időszakban gyors vízleadású hibrid választásával, optimális vetésidőn belüli korábbi vetéssel, valamint biztosítani kell az optimális tápanyagot illetve tőszámot (PEPÓ, 2008). A helyesen megválasztott tőszám, pl. a sűrű tőszámú állomány esetében a csőeredés magasabb szintje jellemző, a tőszámsűrítés és a csőeredés szintje közötti kapcsolat a közepesen erős pozitív korreláció, amelyre lassúbb vízleadási dinamika jellemző (PINTÉR, 2012). A keményebb állományú szemek vízleadása lassúbb a lófogú fajtákéhoz hasonlítva. Rövid, cső végét nem fedő, könnyen felnyíló csuhéleveleknél gyorsabb a vízleadás. Zöld száron érő kukoricafajták jobb vízleadók, mint a gyorsan felszáradóak, mivel az intenzív fotoszintézisnél gyorsabb a vízleadás. A sok nitrogén műtrágyázás rontja, a harmonikus kálium trágya adagolása javítja a vízleadás dinamikáját. A szemnedvesség egyensúlyban van a környezet nedvességtartalmával és az aktuálisan uralkodó csapadékviszonyokkal, vagyis a száraz szemek jelentősebb esőzés után visszanedvesedhetnek. (KISS, 2011). A jó vízleadó képesség gyors vízleadást jelent. Ez a szárítási költségek csökkentésével rendkívül értékes tulajdonsága lehet a hibrideknek, ezért a nemesítők arra törekednek, hogy a hibridjeik a lehető legjobb, leggyorsabb vízleadó képességgel rendelkezzenek. Az elmúlt néhány évtizedben növekvő érdeklődés mutatkozott a teljes kiőrlésű gabonák potenciális egészség javító hatása iránt. Az antociánok és a flavonoid pigmentek a növényi termékekben nagy változatosságban állnak rendelkezésre. Ezek nemcsak potenciális színezékanyagok, hanem antioxidáns aktivitással is rendelkeznek. Nagy előnyük, hogy egészségügyi szempontból is biztonságos a felhasználásuk; nem toxikusak és nincs mutagén hatásuk (PASCUAL TERESA et al, 2002). Az antioxidánsok olyan vegyületek, amelyek képesek az élő
315
szervezetben is a keletkező szabad gyökökkel reakcióba lépni, azok káros hatását csökkenteni. Az antioxidánsok különböző típusai ismeretesek a gabonaszemekben (COLLINS, 1986). A kék, lila és vörös szemszínű kukoricák gazdag antioxidáns és bioaktív tulajdonságokkal rendelkeznek (DEL POZO-INSFRAN et al., 2006). A pigmentáció a perikarpiumban, az aleuronban és a keményítő endospermiumban fordulhat elő, azonban a kék szín jellemzően az aleuron rétegben található. Néha a pigmentáció olyan intenzív, hogy a szemek feketének látszanak (BETRÁN et al. 2003). Az antocián pigmentek legnagyobb koncentrációját a kukoricában a perikarpiumban találták, míg az aleuron réteg kisebb koncentrációt tartalmazott (MORENO et al., 2005). DEL POZO-INSFRAN és munkatársai (2006) egy fehér és két különböző kék szemszínű kukorica antioxidáns tartalmát határoztak meg. A vizsgálatot mind az egész szemben, mind ezek feldolgozott termékeiben is elvégezték. A legmagasabb antioxidáns kapacitást a Mexican blue nevű kukoricánál kapták, ezt követte az American blue és a fehér szemszínű genotípus. ADOM és LIU (2002) a sárga szemszínű kukorica, a búza, a zab és a rizs antioxidáns aktivitását vizsgálták több más tényező mellett. Tanulmányuk alapján a legnagyobb össz antioxidáns aktivitással a kukorica rendelkezett. Vizsgálatok folynak a kukorica bibeszálainak, mint gyógyszeralapanyagnak (Maydis stigma) antioxidáns aktivitás meghatározására is (MAKSIMOVIČ et al., 2005). A kék kukorica beltartalmi értékei sok esetben meghaladják a hagyományos, ma általánosan termesztett sárga szemszínű kukoricákét (DICKERSON, 2003; BÓDI és PEPÓ 2006), a magban a csíra részaránya magasabb az endospermiumhoz képest. A kék kukorica magas flavonoid tartalma antioxidáns szerepet tölt be a belőle készült élelmiszerekben (DICKERSON, 2003). Kutatómunkánk során arra kerestük a választ, hogy a kukorica (Zea mays L.) nemesítésben hogyan tudjuk az antioxidáns tartalmat növelni. Anyag és módszer Vizsgálatainkat a Debreceni Egyetem MÉK Növénytudományi Intézet Genetikai Csoport kísérleti terén végeztük. A beltartalmi értékek meghatározására az Élelmiszertudományi, Minőségbiztosítási és Mikrobiológiai Intézet laboratóriumában került sor. A vizsgálatok növényi anyagát 28 beltenyésztett génbanki kukoricavonal képezte. A génbanki kukoricavonalak állományaiból a mintavételt augusztus 27-től szeptember 17-ig 7 naponként végeztük, melynek során a csőmintákat lemorzsoltuk. Az így kapott átlagmintából 50 g-ot lemértünk hőálló fémedényekbe, majd a mintát tömegállandóságig szárítószekrényben szárítottuk. A bemért nyers tömeg [g] illetve a száraz tömeg [g] felhasználásával meghatároztuk a szemnedvesség tartalmat [%]. A százalékos értékek alapján a vizsgált vonalak osztályozását végeztük el a vízleadó képesség gyorsasága és a betakarításkori szemnedvesség tartalom [%] alapján. A módszer lehetővé tette a gyors vízleadó képességgel rendelkező vonalak kiválogatását, melyek a későbbiek során alapját képezhetik a jó vízleadó képességgel rendelkező hibridek előállításának. A magas antioxidáns tartalmú kukoricavonalak növényi anyagát, az ANB1 és a BM (Black Mexican), illetve a már korábban, kiváló kombinálódó képességet mutató elit beltenyésztett vonalaink; az S1 és a P49/1 back-cross szülői partnerként, valamint ezek visszakeresztezés utáni nemzedékei (ANB1 x S1) F1, (BM x P49/1) F1 és a (ANB1 x S1)xS1 F2, (BM x P49/1) x P49/1 F2 képezték. A magas antioxidáns tartalom kialakulásáért felelős géneket tartalmazó BM és ANB1 vonalak donor partnerként, míg az S1 és a P49/1 rekurrens szülőként szerepeltek a visszakeresztezésben. Az állományokból betakarítás során 6 mintacsövet vettünk, a szemekből 10 g átlagmintát különítettünk el. A vonalak és a visszakeresztezések utáni hibridnemzedékek kukoricaszemeinek összfenol tartalomát (antioxidáns aktivitás, [mg GAE/100 g]) határoztuk meg Folin-Ciocalteu módszer alapján (MEDA et al., 2005). Mindkét kísérletünkben a sortávolságot 70 cm, a tőtávolságot 20 cm-re állítottuk be, parcellánként 50 növény elhelyezésére került sor. A növényvédelmi kezelések során kétszer végeztünk vegyszeres gyomirtást. Az első kezelés alkalmazása során preemergensen WING P gyomirtószert alkalmaztunk 3,5 l/ha dózisban. A posztemergens kezelést 6 leveles állapotban végeztük Laudis herbiciddel 2,2 l/ha dózisban.
316
Eredmények és értékelésük A vizsgálatok eredményei alapján a beltenyésztett vonalakat vízleadó képességük szerint három fő kategóriába soroltuk. Az első kategóriába a 10-14 % szemnedvesség-tartalomig leszáradó szemterméssel rendelkező vonalakat soroltuk, melyek gyors vízleadó képességűek. A második kategóriába tartoznak a közepes vízleadó képességgel rendelkező vonalak, melyek szemnedvesség-tartalom értékei 16-22 %-t értek el. A harmadik kategóriába sorolhatók a lassú vízleadó képességgel rendelkező vonalak, melyek szemnedvesség-tartalma még mindig magas volt, 24-30 % értékeket értek el, amikor az állományok növényei nagyrészt már leszáradtak a szeptember 17-i utolsó mintavétel során. A gyors vízleadó képességgel rendelkező vonalak közül a leggyorsabb vízleadó képességgel rendelkező vonal a 218/F/A volt. Szemnedvesség tartalma már az első mintavételnél egy alacsonyabb szintről indult és rövid idő alatt érte el a 10 % értéket. A csoport legalacsonyabb értékeket elérő vonalai még a 133/F/A és a 221/F/A kódjelű vonalak voltak (1. ábra).
1. ábra: A gyors vízleadó képességgel rendelkező beltenyésztett vonalak eredményei A közepes vízleadó képességgel rendelkező vonalak közül a leggyorsabb vízleadást a 216/F/B vonal mutatta, amely esetében a vízleadás alacsony szintről indult és a szemnedvesség tartalom rövid idő alatt elérte a 16 % értéket. A kategórián belül a leggyengébb vízleadó képességgel rendelkező vonal a 219/F/A volt, melynek víztartalma az első mintavételnél magasabb szintről indult és magas, 22 % értéket ért el (2. ábra).
317
317
2. ábra: A közepes vízleadó képességgel rendelkező beltenyésztett vonalak eredményei A lassú vízleadó képességgel rendelkező vonalak közül a legjobb értékeket a 44/F/A vonal érte el. Szemnedvesség tartalma az első mintavétel során már egy alacsonyabb értékről indult és gyorsan elérte a kategória legalacsonyabb szemnedvesség tartalmát a 24 %-ot. A leggyengébb vízleadó képességgel rendelkező vonalak a 109/F/A és a 376/F/A voltak. A 264/F/A vonal vízleadó képessége alig változott a tenyészidő előrehaladásával (3. ábra)
3. ábra: A lassú vízleadó képességgel rendelkező beltenyésztett vonalak eredményei Vizsgálataink alapján nagymértékű különbség mutatható ki az egyes kukorica genotípusok vízoldható antioxidáns tartalma között. Az ANB1-S1 és BM-P49/1 back-cross rendszerekben határoztuk meg a különböző genotípusok antioxidáns aktivitását. Az ANB1 vonal magasabb összes antioxidáns tartalmat (134 mg) mutatott és a flavonok mennyisége (21,17 mg) is nagyobb volt a rekurrens S1 vonalhoz képest (18,81 mg), mely tulajdonság a visszakeresztezéssel létrehozott (ANB1 x S1) F1 és (ANB1 x S1) x S1 F2 nemzedékben is megjelent. Az antioxidáns tartalom (mg GAE/100g) jelentős mértékben növekedett az S1 visszakeresztezésben szereplő rekurrens normál, sárga szemszínű szülői vonalhoz képest (4. ábra). 160 140 120 100 80 60 40 20 0 ANB1
S1
(ANB1xS1) F1
(ANB1xS1)xS1 F2
Vonalak/visszakeresztezés Összes antioxidáns tartalom (mg GAE/100g)
Flavon mennyiség (mg CE/100g)
4. ábra: Az összes antioxidáns tartalom és a flavonok mennyisége az ANB1xS1 visszakeresztezési rendszerben
318
A BM vonal antioxidáns tartalma magasabb értéket mutatott (168 mg), mint az ANB1 vonal (134 mg). Flavon tartalma is magasabb volt, mint a visszakeresztezésre alkalmazott rekurrens P49/1 szülőé. Ebben a rendszerben is két visszakeresztezett nemzedék értékelését végeztük el. A magas antioxidáns tartalom megmaradt a visszakeresztezés utáni nemzedékekben (F1 160 mg; F2 141 mg) a rekurrens szülővel szemben. A második visszakeresztezett nemzedékben kismértékben csökkent ugyan az antioxidáns tartalom (141 mg), viszont az értékek magasak maradtak (5. ábra).
5. ábra: Az összes antioxidáns tartalom és flavonok mennyisége a BM-P49/1 visszakeresztezési rendszerben A vizsgált vonalaink és hibridjeink közül a legmagasabb antioxidáns értékkel a BM vonal rendelkezett (168,0 mg), míg a legalacsonyabb értéket az S1 szülői vonal mutatta (91,6 mg). Az általunk vizsgált sárga szemszínű kukoricahibridek antioxidáns tartalma 60,29%-kal, míg flavon tartalma 53,11%-kal volt alacsonyabb a kék szemszínű kukoricahibridek értékeinél. Az antioxidáns és flavon tartalom növekedése már a keresztezések utáni első nemzedékek esetében kimutatható volt. Az 1. táblázatban feltüntetett (ANB1xS1) első utódnemzedék antioxidáns tartalma az S1 szülői vonalhoz képest 31%-kal, flavon tartalma 35,14%-kal növekedett. Flavon tartalma még a magas antioxidáns tartalmú kukorica vonalhoz (ANB1) képest is további növekedést mutatott 22,6%-os növekedést mutatott. A keresztezések utáni második utódnemzedékben is tapasztaltuk az antioxidáns (16,81%) és flavon (19,56%) tartalom növekedését az S1 szülőhöz képest. 1. táblázat: Az összes antioxidáns tartalom és a flavonok mennyisége az ANB1xS1 back-cross rendszerben Antioxidáns (1) tartalom
(3)
Flavon (2)
relatív % (4)
abszolút érték (5)
tartalom
(3)
relatív % (4)
abszolút érték (5)
S1
91,6
100,00
-
18,81
100,00
-
ANB1
134,0
146,28
42,4
21,17
112,54
2,36
(ANB1xS1)F1
121,0
131,00
29,4
25,42
135,14
6,61
(ANB1xS1)xS1F2
107,0
116,81
15,4
22,49
119,56
3.68
SzD5%
6,25
-
-
2,73
-
-
319
319
A 2. táblázat adatai alapján megállapíthatjuk, hogy a keresztezéssel előállított (BMxP49/1) első utód nemzedék antioxidáns tartalma a P49/1 szülői vonalhoz képest 65,28%-kal, flavon tartalma 72,46%-kal növekedett. 2. táblázat: Az összes antioxidáns tartalom és flavonok mennyisége a BMxP49/1 back-cross rendszerben Antioxidáns (1) tartalom mgGAE/100g (3)
Flavon (2)
relatív % (4)
abszolút érték (5)
tartalom mgGAE/100g (3)
relatív % (4)
abszolút érték (5)
P49/1
96,8
100,00
-
18,81
100,00
-
BM
168,0
173,55
71,2
36,44
193,72
17,63
(BMxP49/1)F1
160,0
165,28
63,2
32,44
172,46
13,63
(BMxP49/1)xP49/1F2
141,0
145,66
44,2
27,35
145,01
8,54
SZD5% (6)
4,34
-
-
3,22
-
-
Az antioxidáns tartalom legalacsonyabb értékét a sárga szemszínű szülői vonalak esetében tapasztaltuk (átlagosan 94,2 mg), a legmagasabb értékeket a kék szemszínű vonalak estében (151 mg) mértük (3. táblázat). 3. táblázat: Az antioxidáns tartalom és flavonok mennyisége Antioxidáns (1) tartalom mgGAE/100g (3)
Flavon (2)
relatív % (4)
abszolút érték (5)
tartalom mgGAE/100g (3)
relatív % (4)
abszolút érték (5)
S1 és P49/1 átlaga (6)
94,2
100,00
-
18,81
100,00
-
ANB1 és BM átlaga (7)
151,0
160,29
58,8
28,80
153,11
9,99
F1 hibridek átlaga (8)
140,5
149,15
46,3
28,93
153,80
10,12
F2 hibridek átlaga (9)
124,0
131,63
29,8
24,92
132,48
6,11
A általunk keresztezéssel előállított F1 és F2 hibridek antioxidáns tartalma átlagosan 49,15% és 31,63%-kal, míg flavon tartalma 53,8% és 32,48%-kal növekedett a sárga szemszínű szülői vonalhoz viszonyítva. A BM vonal antioxidáns tartalma 34 mg/100g értékkel, míg flavon tartalma 15,27 mg/100g-mal volt magasabb az ANB1 vonalnál. Két visszakeresztezett nemzedék értékelését is elvégeztük. Vizsgálataink alapján a magas és flavon tartalom megmaradt a visszakeresztezés utáni nemzedékekben a rekurrens szülővel szemben. A második visszakeresztezett nemzedékben kismértékben csökkent ugyan az antioxidáns és flavon tartalom, de az értékek így is magasak maradtak. Összefoglalás
320
A kukorica gazdaságosságát a nemesítés új fajták alkalmazkodó-képességének javításával segítheti. Fontos az energiaárak növekedése miatt a betakarításkori szemnedvesség csökkentése. A kiadások ésszerű mérséklése érdekében a gazdálkodók a fajtaválasztáskor a termőképesség és a megbízhatóság tulajdonságok mellett azokat a hibrideket helyezik előnybe, amelyek gyors vízleadó-képességgel, alacsony betakarításkori szemnedvességgel bírnak. A nagy genetikai variabilitással rendelkező beltenyésztett génbanki kukorica állományokban jelentős különbségeket tapasztaltunk a vízleadó képesség tekintetében. A vonalak egyik része alacsony szemnedvesség tartalom értékről indult és hamar elérte a megfelelő szemnedvesség tartalmi értéket. A legjobb vízleadó képességgel rendelkező vonalak a 133/F/A, 218/F/A, 221/F/A és a 300/F/B mutatkoztak. Ezek és a további gyors vízleadó képességgel rendelkező 48/F/B 99/F/A 137/F/A 138/F/A 171/F/A 182/F/A 220/F/A vonalak felhasználhatók a további nemesítési programokban a hibridek vízleadó képességének javítására, illetve a tenyészidő rövidítésére. Vizsgálataink során magas antioxidáns tartalmú BM (Black Mexican) és ANB1, illetve saját nemesítésű beltenyésztett vonalainkat (S1 és P49/1) vizsgáltuk, valamint ezen vonalak back-cross utáni nemzedékeit. Meghatároztuk az antioxidáns és flavon tartalmat Folin-Ciocalteu módszerrel. Nagymértékű különbség mutatható ki a kukorica genotípusok antioxidáns tartalma között. Az általunk vizsgált kukoricahibridek antioxidáns tartalma 60,29%-kal, míg flavon tartalma 53,11%-kal volt alacsonyabb a kék szemszínű kukorica hibridekhez képest. A legmagasabb antioxidáns értékkel a BM vonal rendelkezett (168,0 mg), míg legalacsonyabb értéket az S1 szülői vonal adta. Az antioxidáns és flavon tartalom növekedése már az első utódnemzedékben kimutatható volt. A második utódnemzedékben kismértékben csökkent az antioxidáns tartalom, amelyek még mindig magas értékeket mutattak. Irodalomjegyzék ADOM K. K. - LIU R. H. (2002): Antioxidant activity of grains. J. Agric. Food Chem. 50:6182-6187. ALDRICH S. R., SCOTT, W. O., LENG, E. R. (1975): Modern corn production. Illinois, USA. 8-25. BETRÁN J. F. – BOCKHOLT J. A. - ROONEY W. L. (2003): Blue corn. In: Specialty corns. Second Edition, Eds. HALLAUER R. A., CRC Press LLC, Boca Raton. 293-301. BOCZ E. (1992): Kukorica. In: Szántóföldi növénytermesztés, Mezőgazda Kiadó, Budapest BÓDI Z. – PEPÓ P. (2006): A dísz- és kékkukoricafajták termesztése és nemesítési lehetőségei. Acta Agraria Debreceniensis. 23:15-19. COLLINS F.W. (1986): Oat phenolics: structure, occurrence, and function. In: Oats: Chemistry and Technology. Eds. WEBSTER F., AACC, St. Paul, MN. 227-295. DEL POZO - INSFRAN D. - BRENES H. C. - SERNA SALDIVAR O. S. - TALCOTT T. S. (2006): Polyphenolic and antioxidant content of white and blue corn (Zea mays L.) products. Food Research International. 39:696-703. DICKERSON G. W. (2003): Nutritional analysis of New Mexico blue corn and dent corn kernels. College of Agriculture and Home Economics, New Mexico State University, http://www.cahe.nmsu.edu/pubs/_h/ h226.htm KANG M. S., ZUBER M.S., COLBERT T.R., Horroks R. D. (1986): Effects of certain agronomic traits on and relationship between of grain moisture reduction and grain fill during the filling period in maize. Field Crop Res. 14. 339-347. KISS L. (2011): A fajtaválasztás jelentősége szélsőséges termesztési feltételek között. Agronapló XV., 2011/03. 21. MAKSIMOVIĆ Z. – MALENĆIĆ E. – KOVAČEVIĆ N. (2005): Polyphenol contents and antioxidant activity of Maydis stigma extracts. Bioresource Technology. 96:873-877.
321
321
MEDA A. - LAMIEN CE. - ROMITO M. - MILLOGO J. - NACOULMA OG. (2005): Determination of the total phenolic, flavonoid and proline contents in Burkina Fasan honey, as well as their radical scavenging activity. Food Chem. 91: 571-577. MORENO Y. S. - SÁNCHEZ G. S. - HERNÁNDEZ D. R. - LOBATO N. R. (2005): Characterization of anthocyanin extracts from maize kernels. J. Chromatogr. Sci., 43:483-487. PAP E., SZABÓ SZ., GY., WALCZ I. (1986): Vetőmag-ismeret zsebkönyv. Mezőgazdasági Kiadó, Budapest. 170. PASCUAL-TERESA D. S. – SANTOS-BUELGA C. - RIVAS-GONZALO C. J. (2002): LC-MS analysis of anthocyanins from purple corn cob. Journal of the Science of Food and Agriculture. 82:1003-1006. PEPÓ P. (2008): Növénytermesztési praktikum. Debrecen. 106-107, 130. PINTÉR J. (2012): Víz-kvíz.Agronapló XVI. 02. 38-39. SCHNIDT T., L., HALLAUER A. R. (1966): Estimating harvest date of corn in the field . Crop Science. 6. 227231.
322
