Особенности химического состава клевера лугового

УДК 633/635:631.52

Особенности химического состава клевера лугового

Шабанова И. А.,¹ кандидат сельскохозяйственных наук

Бекузарова С. А.,^1,2 доктор сельскохозяйственных наук

¹ФГБОУ ВО «Горский ГАУ», кафедра технологии производства, хранения и переработки продуктов растениеводства, кафедра земледелия, растениеводства, селекции и семеноводства

362040, Россия, РСО-Алания, г. Владикавказ, ул. Кирова, д. 37

²Северо-Кавказский НИИ горного и предгорного сельского хозяйства ВНЦ РАН, отдел селекции и семеноводства

363110, Россия, РСО-Алания, Пригородный р-н, с. Михайловское, ул. Вильямса, д. 1

E-mail: tehnologmen@yandex.ru

Исследование по определению влияния микроэлементов почвы и семян на содержание азота и белка в клевере луговом является актуальным. В статье приводится оценка химического состава семян клевера лугового различных сортов и дикорастущих образцов, выращенных на почвах горной и предгорной зон Республики Северная Осетия-Алания, а также самих почв. Исследования проведены на экспериментальной базе Северо-Кавказского научно-исследовательского института горного и предгорного сельского хозяйства ВНЦ РАН. Показана зависимость урожайности сена клевера лугового от содержания азота, фосфора, калия в его семенах, а также от количества молибдена, белка и микроэлементов: меди, цинка, марганца, железа, кобальта, свинца и кадмия. Анализ семян исследуемых образцов клевера показал, что молибден в семенах содержится в пределах 0,110–0,240 мг/кг в предгорной зоне, на почвах горной Осетии — от 0,060 до 0,135 мг/кг. Большое количество фосфора находится в семенах клевера, привезённых из горной зоны Верхнего Згида, — до 8,59 г/кг и из Куртатинского ущелья — до 8,69 г/кг. Значительно меньше его содержится в горном образце из Даргавса — до 5,15 г/кг. Получены данные по содержанию аминокислот в семенах клевера. Выявлено, что сорта накапливают в семенах разное количество аминокислот, а преобладающими среди них являются лизин, аргинин, аланин, валин, глицин и аспарагиновая кислота. Сравнительный анализ сухой надземной массы и семенного потомства показал, что семена клевера содержат большее количество аминокислот.

Ключевые слова: сорт, клевер, семена, почва, микроэлементы, аминокислоты, урожайность, селекционные образцы.

Полноценность запасных питательных веществ семян определяется их химическим составом. Углеводы, белки, жиры, клетчатка, зольные элементы и вода — основные химические вещества, содержащиеся в семени. Содержание каждого из них зависит от культуры, сорта и условий выращивания. Кроме отмеченных выше веществ, семена содержат ферменты, витамины, ростовые вещества, а некоторые виды семян — алкалоиды, гликозиды, дубильные вещества и другие. Перечисленные вещества также выполняют важную роль в процессах прорастания семян и роста проростка, ферменты и витамины — в особенности (Ижик, 1976; Реймерс, 1987).

Питательные вещества семени используются и как энергетический материал для процесса дыхания. Их расходуется тем больше, чем продолжительнее период от начала набухания семени до начала фотосинтетической деятельности проростка. При наличии токсичных веществ рост растений замедляется (Харьков, 1972; Исайкин, 1987; Плиев, 1999).

Аминокислоты, содержащиеся в белковых кормах, являются важной составляющей кормов для животных. Из общего количества каждой аминокислоты часть переваривается и всасывается. Часть всасывающегося вещества доступна для удовлетворения потребностей животного в аминокислотах. Существует ряд причин для разграничения понятий общего количества и количества усвояемых аминокислот в белке. До того, как белки становятся пищей, они являются функциональными единицами живых тканей и как таковые могут противостоять воздействию разрушительных механизмов пищеварительного тракта. Кроме того, некоторые растительные вещества содержат ингибиторы ферментов (Растительные белковые корма, 1965). Однако в источниках литературы нами не обнаружены сведения о сравнительных показателях содержания аминокислот в сене клевера и его семенах, что очень важно при использовании этой культуры на корм, особенно при создании сортов с высокими показателями кормовой ценности (Методы биотехнологии в селекции, 2005; Новосёлов, 2007; Rose, 2002; Isobe, 2003). Следовательно, оценка кормовых достоинств каждого перспективного сортообразца является актуальной проблемой для селекционеров, работающих с кормовыми культурами, в частности с клевером луговым.

В связи с этим целью настоящей работы явилось определение химического состава семян клевера лугового, образцов почв культурных пахотных и естественных фитоценозов, определение урожайности надземной массы культуры. В задачи исследований входило: определение содержания макро- и микроэлементов, белка и аминокислот в семенах; подвижных форм макро- и микроэлементов в почвенных образцах; оценка урожайности надземной массы сортов клевера.

Методика исследований. Объектами исследований являлись семена различных сортов клевера лугового, отобранных на культурных пахотных почвах, и семена дикорастущих образцов, отобранных в естественных фитоценозах. Химическому анализу подвергались и почвенные образцы в местах отбора растений клевера.

Культурные пахотные почвы предгорной зоны Республики Северная Осетия-Алания представлены чернозёмами выщелоченными и лугово-чернозёмными почвами, подстилаемыми галечником на глубине 25–80 см, содержащими 6–7% гумуса, имеющими рН — 5,5–6,0. По механическому составу выщелоченные чернозёмы и лугово-чернозёмные почвы средне- и тяжелосуглинистые. Эти почвы, в связи с малой мощностью, обладают небольшой влагоёмкостью. Равновесная объёмная масса верхнего горизонта колеблется в пределах 1,11–1,12 г/см³.

Также отбор проб почв и семян клевера лугового горной Осетии проводился в окрестностях с. Даргавс (1560 м над уровнем моря), с. Верхний Згид (2000 м над уровнем моря) и в Куртатинском ущелье (1100 м над уровнем моря).

Почвенный покров окрестности с. Даргавс и Куртатинского ущелья довольно однородный, представлен горными лугово-степными и чернозёмовидными почвами. В зависимости от почвообразующих пород, механический состав этих почв изменяется от супесчаной (на песчаниках) до тяжелосуглинистой (на элювии-делювии известняков и сланцев). В отличие от чернозёмовидных почв, они карбонатные, сильно каменисты, эродированы, содержат небольшое количество гумуса (3–6%).

Отбор проб семян клевера и почв в Куртатинском ущелье производился на участке «хвостохранилища» Фиагдонского горно-обогатительного комплекса. Практически во всей долине Ханикомдон (1100–1700 м над уровнем моря) наблюдается существенное загрязнение почв.

Почвенный покров окрестностей с. Верхний Згид представлен горно-луговыми типичными (дерновыми, субальпийскими) почвами. По механическому составу почвы легкосуглинистые на песчаниках и тяжелосуглинистые на элювии-делювии известняков и сланцев, часто каменистые. Горно-луговые типичные (субальпийские) почвы богаты гумусом (13–22%), слабокислые (рН — 5–6). Территории с такими почвами являются основными сенокосными и пастбищными угодьями.

Химический состав семян определяли разными методами. Содержание общего азота и белка определяли методом Кьельдаля. Количество фосфора оценивали по интенсивности окраски фосфорно-молибденовой сини (из раствора золы) фотоколориметрическим методом. Оценку содержания молибдена также проводили фотоколориметрическим методом. Содержание калия, меди, цинка, марганца, железа, кобальта, свинца, кадмия определяли атомно-абсорбционным методом на газовом хроматографе также из раствора золы по методике ЦИНАО.

Определение содержания аминокислот проведено в лаборатории МГУ им. Ломоносова на жидкостном хроматографе модели L-8800 фирмы HITACHI (Япония). Анализ белковых гидролизаторов проводили в стандартном режиме, используя высокоэффективные ионообменные хроматографические колонки и специальный нингидриновый реагент для детектирования элюирующихся аминокислот. Образцы семян были измельчены, взяты навески, проведён полный кислотный гидролиз, а гидролизаты образцов (проб), в свою очередь, проанализированы.

В образцах почв также определяли содержание макро- и микроэлементов. Содержание общего азота определяли методом Кьельдаля, фосфора и калия — по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО. Роданидным методом с использованием фотоколориметра определяли содержание молибдена в почвенной вытяжке. Оценку содержания меди, цинка, марганца, железа, кобальта, свинца и кадмия проводили атомно-абсорбционным методом на газовом хроматографе также из раствора золы по методике ЦИНАО. Растворы золы готовились из ацетатно-аммонийных буферных почвенных вытяжек с рН — 4,8, выпаривались на водяной бане, а оставшиеся сухие остатки экстрагировались 5% раствором азотной кислоты.

Урожайность зелёной массы определяли взвешиванием зелёной массы, полученной с учётной площади делянок. Содержание сухого вещества определяли путём взятия пробного снопа зелёной массы и высушивания непосредственно в складских помещениях. Взвешивали воздушно-сухую массу, определяли в ней содержание абсолютно сухого вещества при 105^оС в течение 4 ч до постоянного веса в лабораторных условиях и пересчитывали урожай сена на стандартную влажность (20%).

Результаты исследований. Изучение химического состава семян различных сортов клевера лугового позволило сделать вывод об их ценных качествах. Содержание общего азота, фосфора и калия играет важную роль в процессе роста семени.

Как правило, урожай сена в полной мере зависит от содержания общего азота в растении. Количество же общего азота в семенах клевера горных фитоценозов и культурных сортов остаётся практически на одном уровне (табл. 1).

Следует отметить, что содержание калия в семенах клевера из горной Осетии заметно меньше, чем в других образцах, отобранных на экспериментальных участках. На наш взгляд, это объясняется низким фоновым содержанием калия в горной почве и более суровыми климатическими условиями (табл. 2).

Большое количество фосфора отмечено в семенах клевера, привезённых из горной зоны окрестностей с. Верхний Згид, — до 8,59 г/кг и из Куртатинского ущелья — до 8,69 г/кг. Значительно меньше его содержится в горном образце из Даргавса — до 5,15 г/кг (табл. 1).

1. Урожайность сена клевера лугового в зависимости от содержания азота, фосфора, калия в семенах

Согласно данным табл. 2, в образцах почв под клевером луговым, отобранных на участках горной местности, содержание калия находилось в пределах 0,400–0,470 г/кг, для сравнения: в образцах почв выщелоченного чернозёма предгорной зоны — 0,550–1,250 г/кг. При этом выявлено повышенное содержание фосфора в горных образцах почв под клевером луговым — от 0,644 до 0,796 г/кг, для сравнения: в образцах почв под культурным клевером — от 0,677 до 0,711 г/кг.

2. Содержание макроэлементов в образцах почв в слое 0–20 см

В изученной нами литературе отсутствуют данные о накоплении микроэлементов в семенах клевера лугового в зависимости от предшественника, стадии развития семени и экологических условий. Известно только, что микроэлементы способствуют активизации ферментативных процессов. Если о содержании макроэлементов можно найти незначительные данные, то по микроэлементам такие сведения практически отсутствуют.

Наибольшую потребность в молибдене испытывают клевер и люцерна, у них чаще всего в полевых условиях наблюдаются признаки молибденового голодания (Харьков, 1972).

Анализ содержания молибдена в семенах клевера показал, что предел его колебаний различен (табл. 3).

3. Содержание молибдена и белка в семенах клевера лугового разных сортообразцов

Из приведённых в таблице данных видно, что высокое содержание белка в семенах клевера не зависит от содержания молибдена. Обычно при недостатке молибдена замедляется синтез амидов, аминокислот и белков (Исайкин, 1987). Но наши исследования этого не выявили.

По нашим данным, содержание молибдена в семенах клевера лугового изучаемых сортов, выращенных на выщелоченном чернозёме с содержанием подвижной формы этого элемента до 0,4 мг/кг (табл. 4), составило 0,110–0,240 мг/кг, на почвах горной Осетии — от 0,060 до 0,135 мг/кг (табл. 3) (Плиев, 1999).

4. Содержание подвижных форм микроэлементов в образцах почв, отобранных под клевером луговым (в слое 0–20 см)

Подвижную форму меди отмечали в образцах почв выщелоченного чернозёма под клевером луговым: минимальное — под сортом Нарт (до 0,110 мг/кг), максимальное — под сортом Владикавказский (до 0,410 мг/кг), а под дикорастущим клевером луговым в образцах почв горных территорий содержание меди было отмечено в пределах 0,145–0,240 мг/кг. Также отмечено минимальное содержание подвижных форм цинка и железа в образцах почв под сортом Нарт (2,260 и 0,70 мг/кг соответственно). Под сортом Владикавказский содержание подвижной формы цинка в почве было максимальным и достигало 6,105 мг/кг. Наибольшее содержание подвижной формы железа в почве — под сортом Дарьял — 25,05 мг/кг. Также выявлено для горных почв содержание подвижных форм цинка — 3,350–4,100 мг/кг, марганца — 42,80–54,40 мг/кг и железа — 2,70–3,80 мг/кг (табл. 4).

В литературе нами не обнаружены данные о накоплении в семенах клевера лугового таких элементов, как медь, цинк, марганец, железо, кобальт, свинец и кадмий. Кроме того, отсутствуют данные по аминокислотному составу семян. В условиях Республики Северная Осетия-Алания исследованные семена клевера лугового разных сортов по содержанию перечисленных выше элементов имели следующие показатели (табл. 5).

5. Содержание меди, цинка, марганца, железа в семенах клевера, мг/кг

Данные таблицы показывают, что наибольшее содержание меди, цинка, марганца и железа на выщелоченном чернозёме, подстилаемом галечником, содержали семена клевера лугового сорта Нарт. При этом, как отмечалось ранее, содержание подвижных форм данных микроэлементов под сортом Нарт обнаружено в минимальных количествах.

На почвах горных территорий (Куртатинское ущелье, высота 1100 м над уровнем моря, участок «хвостохранилища» горно-обогатительного комплекса) семена клевера характеризовались повышенным содержанием цинка и железа.

При этом, сравнивая количество основного питательного элемента бобовых семян — молибдена (табл. 3) — и содержание вышеперечисленных элементов (табл. 5), можно утверждать, что чем выше содержание этих металлов, тем ниже количество молибдена, в частности на примере семян сорта Нарт и семян из Куртатинского ущелья. Однако содержание белка в семенах этих сортов оставалось в пределах нормы и не зависело от содержания данных микроэлементов.

Как известно, молибден, медь, марганец, железо и кобальт принимают активное участие в реакциях азотного обмена, существенно изменяют соотношение форм азота и аминокислотный состав. Поэтому изучение динамики этих элементов в процессе органогенеза имеет важное научное значение для увеличения урожайности данной культуры и выяснения оптимальных доз удобрений или содержания микроэлементов. Известно, что марганец благоприятно влияет на развитие и урожай семян клевера. Таким образом, определяя содержание марганца в семенах клевера лугового, можно осуществлять прогноз урожая семян.

Это подтверждает то, что содержание микроэлементов в семенах клевера зависит от содержания их в почве, а также от внесения тех или иных органических и минеральных удобрений, сроков посева и погодных условий во время сбора урожая.

Данные образцы семян клевера лугового были проанализированы и на содержание таких токсичных элементов, как кобальт, свинец и кадмий. Было выяснено, что эти металлы полностью отсутствуют.

Таким образом, можно утверждать, что семена клевера лугового не накапливают свинец, кадмий, кобальт, в каких бы условиях их не выращивали, или же это зависит от биологических особенностей видов. В то время как в зелёной массе их накапливается количество, значительно превышающее предельно допустимые концентрации. Наши данные показывают, что семена клевера не аккумулируют эти металлы, тем самым последние никак не влияют на всхожесть семян, энергию прорастания, жизнеспособность и жизненность, синтез высокомолекулярных белков и формирование урожая.

Особый интерес представляет аминокислотный состав семян клевера. Полученные результаты свидетельствуют о том, что семена изученных сортов имели существенные различия по аминокислотному составу (табл. 6).

6.Содержание аминокислот в семенах клевера, мг/кг сухого вещества

По данным, приведённым в табл. 6, видно, что максимальное накопление лизина, триптофана, глицина, валина и других аминокислот в семенах наблюдалось у сорта Алан, полученного в результате искусственной гибридизации районированного сорта Осетинский и американского Арлингтон. Сорт Фарн создан методом свободного переопыления подобранных образцов из дикорастущей флоры горных фитоценозов. Районированный сорт Дарьял несколько уступает перспективным сортам Фарн и Алан. Необходимо отметить значительное различие по составу аминокислот в клеверном сене и семенах. Так, в сухом веществе сорта Алан содержалось аргинина 6,5 мг/кг, лейцина — 9,0, фенилаланина — 3,0, лизина — 6,7 мг/кг, что значительно ниже, чем в семенах. Следовательно, использование семян в качестве фуража в меньших объёмах может обеспечить животноводство кормами более высокого качества.

Заключение. В ходе исследований было выявлено, что семена разных сортов и дикорастущих образцов клевера лугового не имели существенных отличий по содержанию в них азота, независимо от содержания микроэлементов в почвах участков, на которых они были отобраны.

У семян дикорастущего клевера, отобранных в естественном фитоценозе, больше накапливалось фосфора, а у семян сортов Дарьял, Владикавказский, Нарт, Фарн, Алан — калия.

Независимо от химического состава содержание белка в исследованных семенах клевера колебалось в пределах 23,89–24,15%. Однако аминокислотный состав в полной мере находился в зависимости от сорта и его происхождения. Семена клевера лугового, отобранные в агрофитоценозах, способны накапливать больше меди, цинка, марганца и железа.

Литература

1. Ижик Н. К. Полевая всхожесть семян / Н. К. Ижик. — Киев: Ордена «Знак почёта» Издательство «Урожай», 1976. — С.199–200.
2. Исайкин И. И. Влияние молибдена и бора на кормовую и семенную продуктивность клевера лугового / И. И. Исайкин // Интенсификация кормопроизводства в Волго-Вятском районе. — Киров, 1987. — С.26–30.
3. Методы биотехнологии в селекции многолетних трав / М. Н. Агафонова, Л. А. Солодкая, П. Д. Соложенцев и др. // Селекция и семеноводство многолетних трав. — 2005. — С.268–289.
4. Новосёлов М. Ю. Клевер луговой (Trifolium pratense L.) / М. Ю. Новосёлов // Адаптивная селекция кормовых растений. — 2007. — С.65–69.
5. Плиев Ю. В. Молибден в семенах интродуцентов клевера горных фитоценозов / Ю. В. Плиев, И. А. Шабанова // Эколого-популяционный анализ кормовых растений естественной флоры, интродукция и использование: материалы IX международного симпозиума. — г. Сыктывкар, Коми Научный центр Уральского отделения РАН, 1999. — С.245–246.
6. Растительные белковые корма: справочник. Перевод с английского. — Москва: Колос, 1965. — С.129–131.
7. Реймерс Ф. Э. Растение во младенчестве / Ф. Э. Реймерс. — Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1987. — 184 с.
8. Харьков Г. Д. Молибден и устойчивость клевера красного к болезням / Г. Д. Харьков, О. И. Кашманова // Биологическая роль молибдена. — М: Наука, 1972. — С.77–86.
9. Rose S. P. R. The biology of the future and the future of biology / S. P. R. Rose // J. Mol. Biol. — 2002. — 319 p.
10. First RFLP linkage map of red clover (Trifolium pratense L) based on c DNA probes and its transferability to other red clover germplasm / S. Isobe, I. Klimenko, S. Ivashuta et al. // Theoretical and Applied Genetics. — 2003. — No. 108. — P.105–112.

Chemical composition of red clover

Shabanova I. A.,¹ PhD Agr. Sc.

Bekuzarova S. A.,^1,2 Dr. Agr. Sc.

¹Gorskiy State Agrarian University, department of Crop Production, Storage and Processing, department of Arable Farming, Crop Science, Breeding and Seed Production

362040, Russia, the Republic of Northern Ossetia-Alania, Vladikavkaz, Kirova str., 37

²Northern Caucasus Research Institute of Hill and Foothill Agriculture of the Vladikavkaz Research Center of the Russian Academy of Sciences, department of Plant Breeding and Seed Production

363110, Russia, the Republic of Northern Ossetia-Alania, Prigorodnyy rayon, selo Mikhaylovskoe (village), Wilyamsa str., 1

E-mail: tehnologmen@yandex.ru

It is highly relevant to test the effect of soil and seed microelements on protein and nitrogen accumulation in red clover. This article reports on chemical compositions of soil as well as seeds of different clover genotypes growing in the Republic of Northern Ossetia-Alania. The experiment took place at the Northern Caucasus Research Institute of Hill and Foothill Agriculture. Hay yield was significantly affected by seed chemical composition: contents of nitrogen, phosphorus, potassium, molybdenum, protein, copper, zinc, manganese, iron, cobalt, lead, and cadmium. Molybdenum concentration varied within 0.110–0.240 mg/kg in the foothill zone and 0.060–0.135 mg/kg — in the upland area. Seeds from Verkhniy Zgid and Kurtatinskoe ushchele were rich in phosphorus — up to 8.59 and 8.69 g/kg, respectively. Seeds from Dargavs accumulated significantly less P — up to 5.15 g/kg Even though genotypes differed in amino acid contents, the most prevalent were lysine, arginine, alanine, valine, glycine, and aspartic acid. High concentration of amino acids was observed in seed and dry mass.

Keywords: variety, clover, seed, soil, micronutrient, amino acid, productivity, genotype.

References

1. Izhik N. K. Polevaya vskhozhest semyan / N. K. Izhik. — Kiev: Ordena “Znak pocheta” Izdatelstvo “Urozhay”, 1976. — P.199–200.

2. Isaykin I. I. Vliyanie molibdena i bora na kormovuyu i semennuyu produktivnost klevera lugovogo / I. I. Isaykin // Intensifikatsiya kormoproizvodstva v Volgo-Vyatskom rayone. — Kirov, 1987. — P.26–30.

3. Metody biotekhnologii v selektsii mnogoletnikh trav / M. N. Agafonova, L. A. Solodkaya, P. D. Solozhentsev et al. // Selektsiya i semenovodstvo mnogoletnikh trav. — 2005. — P.268–289.

4. Novoselov M. Yu. Klever lugovoy (Trifolium pratense L.) / M. Yu. Novoselov // Adaptivnaya selektsiya kormovykh rasteniy. — 2007. — P.65–69.

5. Pliev Yu. V. Molibden v semenakh introdutsentov klevera gornykh fitotsenozov / Yu. V. Pliev, I. A. Shabanova // Ekologo-populyatsionnyy analiz kormovykh rasteniy estestvennoy flory, introduktsiya i ispolzovanie: materialy IX mezhdunarodnogo simpoziuma. — g. Syktyvkar, Komi Nauchnyy tsentr Uralskogo otdeleniya RAN, 1999. — P.245–246.

6. Rastitelnye belkovye korma: spravochnik. Perevod s angliyskogo. — Moscow: Kolos, 1965. — P.129–131.

7. Reymers F. E. Rastenie vo mladenchestve / F. E. Reymers. — Novosibirsk: Nauka, Sibirskoe otdelenie, 1987. — 184 p.

8. Kharkov G. D. Molibden i ustoychivost klevera krasnogo k boleznyam / G. D. Kharkov, O. I. Kashmanova // Biologicheskaya rol molibdena. — Moscow: Nauka, 1972. — P.77–86.

9. Rose S. P. R. The biology of the future and the future of biology / S. P. R. Rose // J. Mol. Biol. — 2002. — 319 p.

10. First RFLP linkage map of red clover (Trifolium pratense L) based on c DNA probes and its transferability to other red clover germplasm / S. Isobe, I. Klimenko, S. Ivashuta et al. // Theoretical and Applied Genetics. — 2003. — No. 108. — P.105–112.