Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

города Москвы

«Гимназия № 000»

Хлеба человечества (основные зерновые культуры):

исследование биологии и вопросов селекции.

Автор:

ученик 10 класса

Научный руководитель:

Балакина Наталия Анатольевна

Образовательная организация:

ГБОУ Гимназия № 000

Адрес образовательной организации:

Москва, Проспект Вернадского, д.55

Москва 2015

Хлеба человечества (основные зерновые культуры)

Данная работа – это каталог зерновых культур, дающий основное представление о зерновых культурах в целом, о некоторых из них говорится более подробно. Так же здесь дается описание и зерновых растений, которые были выведены селекционерами возделываемых в основном для получения зерна (сельскохозяйственный словарь); растения, возделываемые для получения зерна (энциклопедический словарь); важнейшая в хозяйственной деятельности человека группа возделываемых растений, дающих зерно, основной продукт питания человека (Википедия). Как мы видим, все эти определения говорят о том, что зерновые продукты очень важны для человека, потому что дают зерно. О том, что такое зерно, каков его состав и о его свойствах я напишу позже, а пока нужно разобраться какие существуют зерновые культуры.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Анализ основных классов зерновых.

Все популярные или часто используемые зерновые культуры относятся к четырем семействам: Злаки, Гречишные, Амарантовые и Маревые (как подсемейство Амарантовых, нередко выделяемые в самостоятельное семейство). Так же зерновые культуры разделяют на хлебные и зернобобовые. Большую часть хлебных составляют злаки.

Рассмотрим 4 семейства зерновых культур.

Злаки (Мятликовые)

Злаки (Мятликовые) – семейство однодольных растений, к которому относятся такие известные и давно используемые в хозяйстве растения как: пшеница, рожь, овёс, рис, кукуруза, ячмень, просо, бамбук, сахарный тростник, типчак, райграс, пырей. Злаки встречаются абсолютно на всех континентах, один из видов представлен даже на Антарктиде (Луговик антарктический). Злаки — многолетние травы. Побеги однолетние, прямостоячие, неразветвленные, заканчиваются соцветием. Цветок состоит из трех лепестков, трех тычинок и одного пестика (некоторые злаковые имеют немного отличное старение, например, бамбук, который также относится к злакам, имеет неопределенное количество тычинок, растение цинна имеет одну, а рис – шесть). Стебель всех злаковых – пустой внутри. Плод — псевдомонокарпий: зерновка, у которой пленчатый околоплодник плотно прилегает к семени и иногда слипается со спермодермой.

Также злаковые бывают яровыми и озимыми.

Яровые растения высевают весной, за летние месяцы они проходят полный цикл развития и осенью дают урожай.

Озимые растения сеют осенью, до наступления зимы они прорастают, а весной продолжают свой жизненный цикл и созревают несколько раньше, чем яровые. Озимые сорта, как правило, дают более высокий урожай, однако их можно выращивать в районах с высоким снежным покровом и достаточно мягкими зимами.

Гречишные (Гречиховые)

Гречишные (Гречиховые) – семейство двудольных растений. Представители: гречиха, горец, кокколоба, щавель, рутин. В основном встречаются в странах умеренного климата. Травы этого семейства растут главным образом на горах; почти все древовидные гречишные растут в тропической Америке, а кустарниковые — в странах Средиземноморья. Цветки гречишных – маленькие, не имеют яркого окраса. Тычинок от 6 до 9. Опыляются ветром и насекомыми (насекомые с коротким хоботком, например, пчелы и мухи). Насекомых привлекает сладкий нектар. Плод сухой, односемянный; распространяются ветром или водой. Многие гречишные содержат обильные кислые соки и кристаллы щавелевокислой извести (щавель), а также смолистые, горькие вещества (ревень).

Амарантовые (Щирицевые)

Амарантовые (Щирицевые) – семейство двудольных растений. Представители: целозия, очерёднопыльник, ирезине. В основном разнообразие видов семейства представлено травами, но также встречающиеся кустарники и деревья. Многие амарантовые нуждаются в почве, богатой азотом, из-за этого поселяются в окультуренных территориях. Поэтому многие растения из данного семейства являются сорняками. А вот семена многих амарантовых также очень богаты белком, поэтому ацтеки использовали их в пищу. Так же амарантовые, благодаря своей красоте, заслужили себе место в садах и на лужайках, а некоторые даже в аквариумах. Цветки мелкие, безлепестные, обоеполые или однополые, скученные в клубочки. Цветки образуют колосовидные, метельчатые или головчатые соцветия. Тычинки по количеству обычно соответствуют листочкам околоцветника. Плод — орешек, реже ягода или коробочка.

Маревые

Маревые – двудольные (подсемейство Амарантовых). Представители: свекла, шпинат, киноа, габлиция. В основном семейство представлено многолетними и однолетними травами, реже кустарниками. Произрастают в пустынях и полупустынях, поэтому являются основным летним и, особенно, зимним кормом для верблюдов и овец. Многие виды этого семейства благодаря богатому содержанию минеральных солей, особенно углекислых, служат для добывания поташа и соды. Много дикорастущих видов могут применяться как пищевые, красильные или лекарственные растения. Цветки мелкие, собраны в клубочки, из клубочков образуют колосовидные или метельчатые соцветия. Плод односемянный, с твёрдым или плёнчатым околоплодником, или ягодообразный.

Хлебные и зернобобовые

Хлебные зерновые культуры (хлеба) – это растения, относящиеся к вышеперечисленным семействам, возделываемые ради зерна, которое употребляется в пищу. Зерно богато углеводами (до 80%), так же в нем содержатся белки, ферменты, витамины группы B и каротин. Наиболее популярными хлебными зерновыми культурами являются: пшеница, рис, овес, ячмень, кукуруза, рожь, овес, просо. Из зерновых производят муку, корма и получают спирт. О некоторых из хлебных зерновых культурах я хочу рассказать отдельно.

Амарант – основная хлебная зерновая культура Центральной и Южной Америки. Сейчас эта культура забыта, что по моему мнению не правильно, так как по содержанию белка лизина (который является одной из незаменимых аминокислот, которая необходима для роста, восстановления тканей, производства антител, гормонов, ферментов) амарант превосходит пшеницу в два раза.

Гречиха – очень популярна в России, в ее зернах отсутствует клейковина, что делает ее непригодной для изготовления хлеба. Зато в приготовлении каш это незаменимый продукт. О пользе гречневой каши написано множество кулинарных энциклопедий и книг по здоровому питанию.

Кукуруза используется не только в пищу, но еще она играет важную роль в медицине. Кукурузные рыльца (волосинки) используют для получения аскорбиновой кислоты и витамина К. Также экстракт этих рылец используют при лечении таких болезней как холецистит, гепатит, мочекаменная болезнь.

Овес занимает одно из первых мест по питательности среди хлебных зерновых культур. Возделывается как для использования в пищу, так и для производства кормов. Так же настойка овса полезна при болезнях, связанных с пищеварительным трактом.

Полба – еще одно исторически важное растение, несправедливо забытое в настоящее время. Являясь одной из основных культур в Египте и Вавилоне, она была вытеснена более урожайной пшеницей.

А вот на территории Китая и Монголии популярностью пользовалась другая культура – просо. Основными ее характеристиками являются засухоустойчивость и жаростойкость.

Зернобобовые (бобовые) – группа растений, возделываемых ради плодов, которые, в свою очередь, являются продуктами питания. Важно, что у зернобобовых, в отличие от хлебных, содержание белка в плоде значительно выше. Некоторые виды бобовых переносят заморозки до -8 по Цельсию (нут), а некоторые (фасоль) погибают при -1 градусе. Наиболее благоприятны для них слабокислые почвы с высоким уровнем влажности. Основными представителями являются: фасоль, горох, нут, соя, люпин (он достаточно хорошо известен растениеводам), чечевица и арахис.

Что же такое зерно?

На самом деле, зерно – плод или семя любой зерновой культуры. Зерна разных культур отличаются по составу. В Таблице 1 приведено содержание белков, жиров и углеводов в разных зернах* (сравнительная таблица состава зерна зерновых культур).

*все значения, приведенные в таблице, – приблизительные (в таблице не приведены некоторые. вещества, так же входящие в состав зерна).

Строение зерна всех злаковых культур примерно одинаковое: овальная форма, выпуклая сторона – спинка, ей противоположная – брюшко, на брюшке имеется бороздка, на остром конце зерна – опушение, на тупом – зародыш. (Рисунок 1 - Внутреннее строение зерна (на примере зерна пшеницы). 1 — зачаточные корешки; 2- зародыш; 3 — почечка; 4 — щиток; 5 — эндосперм; 6 — хохолок )

Семена бобовых состоят из двух семядолей и зародыша, практически не имеют эндосперма. Семенная оболочка очень прочная, состоит из кутина.

Пшеница

Теперь поговорим поподробнее о самой популярной зерновой культуре – о пшенице.

Пшеница – однолетнее травянистое растение от 30 до 150 см в высоту. Корневая система – мочковатая. Листья - плоские, линейные. Стебли – полые. Соцветие – колос (5 – 15 см).

Пшеница была одним из первых одомашненных злаков. Сейчас наиболее вероятной зоной происхождения пшеницы является Турция. А вот считал основной родиной пшеницы Армению.

В процессе одомашнивания у пшеницы появился ген, отвечающий за устойчивость к осыпанию. Так же увеличился размер и количество зерен в колосе.

Распространение культурной пшеницы из региона её происхождения отмечается уже в 9 тысячелетии до н. э., когда она появилась в районе Эгейского моря. Индии пшеница достигла не позже 6000 г. до н. э., а Эфиопии, Пиренейского полуострова и Британских островов — не позже 5000 г. до н. э. Ещё через тысячу лет пшеница появилась в Китае. Предполагают, что одомашнивание пшеницы могло происходить в разных регионах, но дикая пшеница произрастает далеко не везде, и археологические доказательства её раннего одомашнивания где-либо, кроме Ближнего Востока, отсутствую. (Википедия).

Озимую пшеницу сеют осенью и убирают на следующее лето. Это наиболее распространенная пшеница во всем мире. Начиная развиваться раньше высеваемой весной яровой, она быстрее поспевает и дает более высокий урожай. Яровую пшеницу в основном выращивают в холодных регионах.

В зародышах пшеницы содержится большое количество питательных и биологически активных веществ, в медицине экстракт зародышей пшеницы используется как иммуномодулятор. Благодаря большому содержанию фибробластов* он обладает и заживляющим эффектом, поэтому используется для ускорения заживления ран, язв и ожогов. В косметологии ценятся его омолаживающие свойства, так как в экстракте зародышей содержится большое количество селена и каратиноидов, а это, как мы знаем – антиоксиданты. Антиоксиданты, нейтрализуя реакцию окисления клеток активным кислородом (со свободными радикалами), который содержится в окружающем нас воздухе, не дают разрушаться клеткам, следовательно, в какой-то мере замедляют старение.

*Фибробласт – клетки соединительной ткани организма, основной функцией которых является синтез белков коллагена и эластина.

Помимо этого, пшеница – самая разнообразная по количеству сортов, среди злаковых. Характеристика каждого из сортов определяется формами вегетативных органов, стебля и колоса, а также различием во внешнем виде зёрен и их химическим составом. В основном сорта пшеницы делятся на мягкие и твердые. Далее представлена таблица, выделяющая их различия (Таблица 2. Различия мягкой и твердой пшеницы).

В муке, полученной из мягких сортов, зерна крахмала крупнее и мягче, консистенция ее более тонкая и рассыпчатая, она содержит меньше клейковины и поглощает меньше воды. Такую муку используют для выпечки в основном кондитерских изделий, а не хлеба, поскольку продукты из нее крошатся и быстро черствеют. В областях выращивания мягких сортов хлеб пекут из ее смеси с мукой, полученной из привозных твердых сортов.

В муке из твердых сортов пшеницы крахмальные зерна мельче и тверже, консистенция ее мелкозернистая, клейковины относительно много. Такая мука, называемая «сильной», поглощает большие количества воды. Она используется не только при выпечке хлеба, но и при изготовлении макаронных изделий.

Из пшеницы производятся манная крупа, кус-кус, булгур и крупа фрике*.

*Фрике – традиционная ближневосточная крупа, произведённая из зерен молодой пшеницы, сложным способом обжаренная на кострах.

Всем известный глутамат натрия – вреднейший продукт, созданный изначально для улучшения вкуса (усилитель вкуса) готовых пищевых изделий, который, как оказалось, вызывает сильное привыкание и просто очень опасен для здоровья, впервые был получен в Японии из пшеничного белка. Сейчас его производят из сои.

На 2012 год площадь посевов пшеницы – 215,5 млн. га — это самая большая площадь среди всех сельскохозяйственных культур. Лидерами по выращиванию являются Китай, Индия, США, Франция и Россия. По данным Всемирного банка по объемы экспорта пшеницы в 2012 году, на первом месте США (32,8 млн. тонн), Россия в тот год заняла пятое место с объемом экспорта 15,2 млн. тонн.

Рожь

Не менее популярной зерновой культурой является рожь.

Рожь – это одно-/двулетнее травянистое растение, относящееся к семейству Злаки. Рожь наиболее распространена в северном полушарии.

Рожь имеет мочковатую корневую систему (длина до 2-х метров в глубину), корневая система способна усваивать фосфор и калий из труднорастворимых соединений. В среднем высота стебля не более 100 см, но некоторые виды ржи достигают и 2-х метров. Листья плоские, в длину 15 – 30 см. Иногда листовая пластинка покрыта волосками. Колос в длину 15 см, с длинной остью. Рожь – это перекрестноопыляющееся растение, пыльца переносится воздухом. Плод – зерновка (от 5 до 10 мм) с очень глубокой бороздкой. Масса 1000 зерен ржи составляет 20 – 35 гр., а масса 1000 гр. тетраплоидной ржи составляет 50 – 55 гр.

Советскими селекционерами были выведены более продуктивные короткостебельные сорта ржи устойчивые к болезням и полеганию такие как: Безенчукская 87, Короткостебельная 69, Дымка, Пурга, Саратовская 5, а также сорт многолетней ржи Державинская 29.

Далее в таблице будут рассмотрены некоторые виды ржи и их особенности (Таблица 3. Некоторые виды ржи и их особенности).

Рожь менее требовательна к почвам, чем пшеница. Поэтому ее можно выращивать не только на плодородных черноземных или серых лесных, но и на подзолистых почвах, а вот на глинистых, заболоченных или засоленных почвах рожь растет крайне плохо.

В процессе селекции из диплоидной ржи (2n = 14) в процессе удвоения количества хромосом была выведена тетраплоидная рожь (2n = 28). Тетраплоидная рожь обладает крупным, по сравнению с другими видами ржи, зерном и имеет более крепкий и стойкий стебель. А путем скрещивания ржи с пшеницей получен ржано-пшеничный гибрид высокоурожайный и устойчивый против вымерзания.

Рожь обладает высокими термостойкими свойствами, она может выдерживать температуры до -20 °С. Семена начинают прорастать при 0,5—2 °С.

На сегодняшний день точного ответа, откуда именно появилась рожь – нет. Очаги происхождения разбросаны от средней Азии до Приволжской территории.

Рожь помимо использования в пищевой промышленности используется и как сидерат*. Помимо обогащения азотом или борьбы с сорняками, рожь делает суглинистые почвы более легкими и водопроницаемыми, также она вытесняет вредителей (в основном нематоды), а вот такого вредителя как проволочник, рожь наоборот привлекает.

* Сидерат – растение, улучшающее структуру почвы посредством обогащения азотом и угнетения сорняков.

Рожь возделывается в Германии, Польше, России, Китае, Белоруссии, Канаде и США. Лидером является Польша, на втором месте Россия.

Кукуруза

Кукуруза - травянистое растение, однолетнее, представитель семейства злаки. Существует предположение, что кукуруза — самое древнее хлебное растение в мире.

Кукуруза в высоту ствола достигает 4-х метров, имеет мочковатую корневую систему до полутора метров в глубину. Также у кукурузы образуются и воздушные корни, для более крепкого прилегания к земле. В отличие от многих злаковых стебель кукурузы – не полый внутри. Листья могут достигать в длину до 1 метра. Мужские цветки собраны в метелке на верхушке, женские в початке, которых, кстати, не более двух на одном растении. Плод кукурузы – зерновка, но ее форма сильно отличается от зерновки пшеницы, ржи и других злаковых. Зерновка кукурузы округлая или квадратная. Початок содержит до 1000 зерновок.

Удивительно, но початок кукурузы бывает не только желтого, но красного, синего, фиолетового или черного цветов.

Кукуруза – солнце - и теплолюбивое растение. Оптимальная температура для произрастания кукурузы – 20 – 24 градуса.

Исходя из находок, которые имеют ученые, считается, что кукуруза пользовалась большой популярностью на территории современной Мексики, а самые древние находки датируются 4250 годами до н. э. Но в отличие от привычной нам кукурузы, та, древняя, имела початки в длину не более 5 сантиметров. А вот во время раскопок в городе Мехико (Мексика) была найдена пыльца кукурузы, возраст которой примерно 50 тыс. лет.

Анализ примеров селекции зерновых.

Селекция – это наука, занимающаяся выведением новых и улучшением уже существующих сортов, штаммов и видов. дает другое определение «селекции» - это эволюция, направляемая волей человека. Наиболее продуктивными в селекции зерновых считаются 50 -60 годы прошлого века. Основные задачи селекции в данной отрасли это: выведение новых видов с большей продуктивностью, устойчивых к заболеваниям и обладающих хладо-/ жаростойкими, засухостойкими свойствами. Основными методами селекции являются: массовый отбор, мутагенез, полиплоидия и гибридизация.

Огромный вклад в составление фонда семян внес ученый-селекционер Алексей Павлович Шехурдин. Помимо того, что он вывел новые виды пшеницы, он изобрел новый метод селекции – сложную гибридизацию. Часто вновь созданный сорт не имеет некоторых ценных биологических и хозяйственных свойств. Его повторно скрещивают с сортами, обладающими нужными свойствами. Так обогащают сорт, а отрицательные свойства его преодолеваются. Он вывел такие виды пшеницы как Кандиканс 76/10, Саратовская 34, Саратовская 40, Саратовская 41. Эти сорта пшеницы, выведенные вышеуказанным методом, обладали хорошими хлебопекарными свойствами, так же они выдерживали суровый климат. Зерно этих пшениц содержит в разы больше клейковины.

Отдельного внимания заслуживает сорт Альбидиум 43. Это результат скрещивания среднеазиатской Хивинки с Полтавкой. В результате был выведен скороспелый и засухоустойчивый сорт пшеницы. Этот сорт яровой пшеницы получил широкое распространение и уже к 1960 году занимал посевную площадь в 7 млн. гектаров. Особенно популярным Альбидиум 43 был в засушливых районах юго-востока СССР.

Также известность принес сорт Лютесценс 1433. Этот сорт обладал просто уникальным набором качеств, это была, неполегающая, неосыпающаяся, устойчивая к болезням и обладающая отличными хлебопекарными качествами, пшеница. Зерно у нее было значительно крупнее, имело красноватый окрас. Впоследствии эту пшеницу переименовали в Саратовскую 29.

Не меньший вклад внес и Павел Пантелеймонович Лукьяненко, который занимался созданием сортов озимой пшеницы. Одним из его шедевров является сорт Безостая-1.

Безостая-1 это устойчивая к полеганию, вредителям и болезням, высокоурожайная пшеница. Данный сорт получил признание не только на территории СССР, но и в Болгарии, Польше, Венгрии, Югославии. Во многих этих странах, в том числе и в России, сорт Безостая-1 возделывается, и по сей день.

Еще одним ученым, внесшим немаленький вклад в выведение новых видов внес Василий Николаевич Ремесло. Он разработал методы селекции, позволившие создать ценные сорта пшеницы. Автор сортов озимой пшеницы: Мироновская 808, Мироновская юбилейная и др.

- советский ботаник, генетик и селекционер. Автор сортов пшенично-пырейных гибридов (растения, полученные путём скрещивания разных видов и разновидностей пшеницы с видами и разновидностями пырея). Эти гибриды превышают по урожаю сена озимую рожь на 45-55%.

создал 20 высокомасличных (масличность абсолютно сухих семян до 57%) заразиховыносливых сортов подсолнечника (Передовик, ВНИИМК 8883, ВНИИМК 6540, Смена и др.).

Выявление наиболее популярных зерновых среди жителей Москвы на основании социологического опроса.

Я провел социологический опрос, где задал людям вопрос «Какие зерновые дома вы едите чаще всего?». Результаты опроса представлены на Диаграмме 1. Как мы видим наиболее популярна среди москвичей пшеница*, на втором месте гречиха (или гречка), на третьем рис. Было опрошено 357 человек.

Пшеница – это не только сама пшеница, но и крупы, которые из нее производятся (манка, булгур, кускус, артек и др.).

Вывод

Основные тенденции современной селекции зерновых базируются на генетических ресурсах каждой культуры. Вместе с тем реальным является сокращение разрыва между потенциально возможными и достижимыми в производстве урожаями. В настоящее время именно селекция поможет повысить устойчивость растений к неблагоприятным внешним факторам.

На современном этапе интенсификация земледелия сопряжена с экономическими и экологическими издержками, поэтому важнейшее значение приобретают биологические исследования, направленные на селекционное улучшение растений.

Литература.

1. Вавилов ресурсы хлебных злаков, зерновых, бобовых, льна и их использование в селекции. Опыт агроэкологического обозрения важнейших полевых культур. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1957.

2. Вавилов происхождения культурных растений. — Л.: Всес. ин-т прикл. ботан. и нов. культ., 1926. — 248 с

3. Вавилов -географические основы селекции (Учение об исходном материале в селекции) // Теоретические основы селекции: В 3 т. / Под ред. . М.; Л.: ГИЗ с.-х. совх. и колх. лит-ры, 1935. Т. 1. Общая селекция растений. С. 17-74. * Вавилов основы селекции пшеницы. — М.; Л.: Сельхозгиз, 1935. 246 с.

4. Кабашникова, аппарат и потенциал продуктивности хлебных злаков / . – Минск: Беларус. навука, 2011.

5. Рейтц распространение и значение пшениц. – В кн.: Пшеница и ее улучшение. – М.: Колос, 1970, с. 17

Хлеба человечества (основные зерновые культуры): исследование биологии и вопросов селекции

Оглавление