Вариабельность минерального состава зерна твердой пшеницы (Triticum durum Desf.) в различных экологических условиях

Минеральный состав зерна пшеницы играет ключевую роль в определении его питательной ценности. В данной работе проведена оценка коллекции из 133 сортов и селекционных линий яровой твердой пшеницы отечественного и иностранного происхождения по содержанию в зерне макроэлементов (Ca, Mg, K), микроэлементов (Cu, Mn, Zn, Fe, Na) и токсичных металлов (Pb, Cd, Cr) при выращивании в экологических условиях Самарской и Новосибирской областей. Результаты показали широкий размах варьирования концентрации всех элементов в зависимости от генотипических различий между образцами и региона выращивания. Значительное превышение концентрации Ca и Mg в 3.1 и 1.5 раза соответственно отмечено у сортообразцов, выращенных в Самарской области. Культивирование образцов в условиях Новосибирской области сопровождалось превышением содержания Zn, Pb и Cr в зерне более чем в два раза. Статистический анализ содержания минеральных элементов у образцов различного происхождения свидетельствует о том, что российские селекционные линии достоверно превышают отечественные сорта по содержанию Mg, но при этом уступают по концентрации К, Cu и Mn. Сортообразцы иностранной селекции отличались от российских сортов и линий повышенным содержанием K и тяжелых металлов Cd и Cr. Анализ корреляций, проведенный на основании средних значений показателей по двум регионам, указывает на наличие высокодостоверных (p < 0.001) положительных взаимосвязей между содержанием микроэлементов Fe/Mn (r² = 0.69), Fe/Zn (r² = 0.49) и Zn/Mn (r² = 0.46), что предполагает возможность проведения отбора генотипов по нескольким элементам одновременно. Многомерный статистический анализ разделил образцы на две группы, одна из которых включала российские сорта и селекционные линии, а также часть иностранных образцов. Отдельный кластер состоял из семи российских селекционных линий, расположенных дистантно от остальных образцов, что предполагает их различия на генетическом уровне. Сравнение этих линий по минеральному составу показало, что линии в среднем характеризуются более высокими концентрациями Mg, K, Zn и Fe. Данные по содержанию микро- и макроэлементов в изученных сортообразцах яровой твердой пшеницы могут быть использованы для генетических исследований и практической селекции для улучшения существующих сортов по минеральному составу

1. Aghalari Z., Dahms H.U., Sillanpää M. Evaluation of nutrients in bread: a systematic review. J Heal Popul Nutr. 2022;41(1):50. doi 10.1186/s41043-022-00329-3

2. Ali A.A.H. Overview of the vital roles of macro minerals in the human body. J Trace Elem Miner. 2023;4:100076. doi 10.1016/j.jtemin.2023.100076

3. Bordoni A., Danesi F., Di Nunzio M., Taccari A., Valli V. Ancient wheat and health: a legend or the reality? A review on KAMUT khorasan wheat. Intern J Food Sci Nutrition. 2017;68(3):278-286. doi 10.1080/09637486.2016.1247434

4. Cakmak I., Pfeiffer W.H., McClafferty B. Biofortification of durum wheat with zinc and iron. Cereal Chem. 2010;87(1):10-20. doi 10.1094/CCHEM-87-1-0010

5. Camaschella C. Iron deficiency. Blood. 2019;133(1):30-39. doi 10.1182/blood-2018-05-815944

6. Del Coco L., Laddomada B., Migoni D., Mita G., Simeone R., Faniz­ zi F.P. Variability and site dependence of grain mineral contents in tetraploid wheats. Sustainability. 2019;11(3):736. doi 10.3390/su11030736

7. Dixit S.P., Rajan L., Palaniswamy D., Mohankumar S.K. Importance of iron absorption in human health: an overview. Curr Nutr Food Sci. 2020;17(3):293-301. doi 10.2174/1573401316999200801021752

8. Goncharov S.V., Kurashov M.Yu. Prospects for the development of the Russian durum wheat market. Vestnik of Voronezh State Agrarian University. 2018;2(57):66-75. doi 10.17238/issn2071-2243.2018.2.66 (in Russian)

9. Gordeeva E.I., Shamanin V.P., Khlestkina E.K., Shoeva O.Y. On peculiarities of breeding purple-grained wheat based on varieties with anthocyanin pigmentation of coleoptiles and stems. Agric Biol. 2024; 59(3):507-524. doi 10.15389/agrobiology.2024.3.507eng

10. Hakki E.E., Dograr N., Pandey A., Khan M.K., Hamurcu M., Kayis S.A., Gezgin S., Ölmez F., Akkaya M.S. Molecular and elemental cha­ racterization of selected Turkish durum wheat varieties. Not Bot Horti Agrobot Cluj-Napoca. 2014;42(2):431-439. doi 10.15835/nbha4229621

11. Hambidge M. Human zinc deficiency. J Nutr. 2000;130(5):1344S- 1349S. doi 10.1093/jn/130.5.1344S

12. Hammer Ø., Harper D.A.T., Ryan P.D. PAST: Paleontological statistics software package for education and data analysis. Palaeontol Electron. 2001;4(1):1-9

13. Hernandez-Espinosa N., Laddomada B., Payne T., Huerta-Espino J., Govindan V., Ammar K., Ibba M.I., Pasqualone A., Guzman C. Nutritional quality characterization of a set of durum wheat landraces from Iran and Mexico. LWT. 2020;124:109198. doi 10.1016/j.lwt.2020.109198

14. Hocaoğlu O., Akçura M., Kaplan M. Changes in the grain element contents of durum wheat varieties of Turkey registered between 1967–2010. Commun Soil Sci Plant Anal. 2020;51(4):431-439. doi 10.1080/00103624.2019.1709487

15. Islam M.R., Akash S., Jony M.H., Alam M.N., Nowrin F.T., Rahman M.M., Rauf A., Thiruvengadam M. Exploring the potential function of trace elements in human health: a therapeutic perspective. Mol Cell Biochem. 2023;478(10):2141-2171. doi 10.1007/s11010-022-04638-3

16. Jomova K., Makova M., Alomar S.Y., Alwasel S.H., Nepovimova E., Kuca K., Rhodes C.J., Valko M. Essential metals in health and disease. Chem Biol Interact. 2022;367:110173. doi 10.1016/j.cbi.2022.110173

17. Jomova K., Alomar S.Y., Nepovimova E., Kuca K., Valko M. Heavy metals: toxicity and human health effects. Arch Toxicol. 2025;99: 153-209. doi 10.1007/s00204-024-03903-2

18. Khokhar J.S., Sareen S., Tyagi B.S., Singh G., Wilson L., King I.P., Young S.D., Broadley M.R. Variation in grain Zn concentration, and the grain ionome, in field-grown Indian wheat. PLoS One. 2018; 13(1):e0192026. doi 10.1371/journal.pone.0192026

19. Kiran, Bharti R., Sharma R. Effect of heavy metals: an overview. Mater Today Proc. 2022;51:880-885. doi 10.1016/j.matpr.2021.06.278

20. Krasnitsky V.M., Bobrenko I.A., Schmidt A.G., Bobrenko E.G. Monitoring of heavy metals and arsenic in chernozems and plants of the south of Western Siberia. Plodorodie. 2024;6(141):99-103. doi 10.25680/S19948603.2024.141.23 (in Russian)

21. Leonova I.N., Kiseleva A.A., Salina E.A. Identification of genomic regions conferring enhanced Zn and Fe concentration in wheat varieties and introgression lines derived from wild relatives. Int J Mol Sci. 2024;25(19):10556. doi 10.3390/ijms251910556

22. Malchikov P.N., Myasnikova M.G. Development, results and prospects of the spring durum wheat breeding in Russia (post-Soviet states). Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov J Genet Breed. 2023;27(6):591-608. doi 10.18699/VJGB-23-71

23. Malchikov P.N., Maysnikova M.G., Leonova I.N., Salina E.A. Introgression of stability to powdery mildew (Blumeria graminis DC. f. tritici) from Triticum timofeevii Zhuk. and Triticum dicoccum Shuebl. in genome Triticum durum Desf. Zernovoe Khozyajstvo Rossii = Grain Economy of Russia. 2015;2:63-67 (in Russian)

24. Martínez-Moreno F., Ammar K., Solís I. Global changes in cultivated area and breeding activities of durum wheat from 1800 to date: a historical review. Agronomy. 2022;12(5):1135. doi 10.3390/agronomy12051135

25. Martynov S.P., Dobrotvorskaya T.V., Pukhalskiy V.A. Analysis of genetic diversity of spring durum wheat (Triticum durum Desf.) cultivars released in Russia in 1929–2004. Russ J Genet. 2005;41(10): 1113-1122. doi 10.1007/s11177-005-0208-4

26. Morgounov A., Li H., Shepelev S., Ali M., Flis P., Koksel H., Savin T., Shamanin V. Genetic characterization of spring wheat germplasm for macro-, microelements and trace metals. Plants. 2022;11(16): 2173. doi 10.3390/plants11162173

27. Naseri R., Cheghamirza K., Mohammadi R., Zarei L., Beheshti A.A. Evaluation of grain quality and its relationship with agro-physiological traits in durum wheat. Cereal Res Commun. 2024;52(2):813-823. doi 10.1007/s42976-023-00430-1

28. Obuschenko S.V., Gnedenko V.V. Monitoring of micronutrient and heavy metal content in soil of Samara region. Mezdunarodnyj Zhurnal Prikladnykh i Fundamentalnykh Issledovanij = International Journal of Applied and Fundamental Research. 2014;7:30-34 (in Russian)

29. Olivares M., Uauy R. Copper as an essential nutrient. Am J Clin Nutr. 1996;63(5):791S-796S. doi 10.1093/ajcn/63.5.791

30. Orlovskaya O.A., Vakula S.I., Khotyleva L.V., Kilchevsky A.V. Mine­ ral composition of bread wheat lines with introgressions of alien genetic material. Proc Appl Bot Genet Breed. 2023;184(1):42-52. doi 10.30901/2227-8834-2023-1-42-52

31. Özkutlu F. Effects of applying different N sources on Cd accumulation, mineral micronutrients, and grain yield of durum wheat. J Soil Sci Plant Nutr. 2024;24:4261-4268. doi 10.1007/s42729-024-01831-9

32. Pandino G., Mattiolo E., Lombardo S., Lombardo G.M., Mauromicale G. Organic cropping system affects grain chemical composition, rheological and agronomic performance of durum wheat. Agriculture. 2020;10(2):46. doi 10.3390/agriculture10020046

33. Potapova N.A., Timoshchuk A.N., Tiys E.S., Vinichenko N.A., Leo­ nova I.N., Salina E.A., Tsepilov Y.A. Multivariate genome-wide association study of concentrations of seven elements in seeds reveals four new loci in Russian wheat lines. Plants. 2023;12(17):3019. doi 10.3390/plants12173019

34. Pototskaya I.V., Koshkin M.N., Shpigel A.L., Shamanin V.P. Variability of the of macro- and microelements content in the grain of durum wheat under conditions of the southern forest-steppe of Western Siberia. Vestnik Omskogo GAU = Vestnik of Omsk SAU. 2023;2(50):58-67 (in Russian)

35. Prosyannikov V.I. Ecological-agrochemical characterization of arable soils in the south-eastern region of Western Siberia in terms of heavy metal contents. Plodorodie. 2014;5:41-43 (in Russian)

36. Protasova N.A. Heavy metals in chernozems and cultivated plants of the Voronezh region. Agrokhimia. 2005;2:80-86 (in Russian)

37. Ryan M.H., Derrick J.W., Dann P.R. Grain mineral concentrations and yield of wheat grown under organic and conventional management. J Sci Food Agric. 2004;84(3):207-216. doi 10.1002/jsfa.1634

38. Saini P., Kaur H., Tyagi V., Saini P., Ahmed N., Dhaliwal H.S., Sheikh I. Nutritional value and end-use quality of durum wheat. Cereal Res Commun. 2023;51:283-294. doi 10.1007/s42976-022-00305-x

39. Schoofs H., Schmit J., Rink L. Zinc toxicity: understanding the limits. Molecules. 2024;29(13):3130. doi 10.3390/molecules29133130

40. Shamanin V.P., Pototskaya I.V., Chursin A.S., Shepelev S.S., Nardin D.S., Pozherukova V.E., Köksel H., Morgounov A.I. Breeding spring bread wheat (Triticum aestivum L.) varieties with functional properties of grain for environmentally friendly growing in Western Siberia. Agric Biol. 2024;59(3):492-506. doi 10.15389/agrobiology.2024.3.492eng

41. Shepelev S., Morgounov A., Flis P., Koksel H., Li H., Savin T., Sharma R., Wang J., Shamanin V. Variation of macro- and microelements, and trace metals in spring wheat genetic resources in Siberia. Plants. 2022;11(2):149. doi 10.3390/plants11020149

42. Sigel A., Sigel H., Sigel R. (Eds) Interrelations between Essential Me­ tal Ions and Human Diseases. Metal Ions in Life Sciences. Vol. 13. Springer, 2013. doi 10.1007/978-94-007-7500-8

43. Sochalova L.P., Aparina V.A., Boyko N.I., Zuev E.V., Morozova E.V., Musinov K.K., Vinichenko N.A., Leonova I.N., Piskarev V.V. Studying a collection of common-wheat varieties for leaf rust resistance, crop yield and grain quality in the environmental conditions of Novosibirsk region. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov J Genet Breed. 2023;27(8):988-999. doi 10.18699/VJGB-23-114

44. Tadesse W., Sanchez-Garcia M., Assefa S.G., Amri A., Bishaw Z., Ogbonnaya F.C., Baum M. Genetic gains in wheat breeding and its role in feeding the world. Crop Breed Genet Genom. 2019;1:e190005. doi 10.20900/cbgg20190005

45. Tanin M.J., Saini D.K., Kumar P., Gudi S., Sharma H., Kaur J.P., Abassy O., Bromand F., Sharma A. Iron biofortification in wheat: past, present, and future. Curr Plant Biol. 2024;38:100328. doi 10.1016/j.cpb.2024.100328

46. Tekin M., Emiralioğlu O., Yeken M.Z., Nadeem M.A., Çiftçi V., Baloch F.S. Wild relatives and their contributions to wheat breeding. In: Ancient Wheats. Springer International Publ., 2022;197-233. doi 10.1007/978-3-031-07285-7_9

47. Trots N.M., Bokova A.A. Influence of organomineral fertilizers on the accumulation of heavy metals in chernozem soils under conditions of the Middle Volga region. Bulletin of Samara State Agricultural Academy. 2024;9(1):81-88. doi 10.55170/1997-3225-2024-9-1-81- 88 (in Russian)

48. Trots V.B., Akhmatov D.A., Trots N.M. Influence of fertilizers on accumulation of heavy metal in soil and phytomass of grain crops. Zernovoe Khozyajstvo Rossii = Grain Econ Russ. 2015;1:95-104 (in Russian)

49. Ugulu I., Ahmad K., Khan Z.I., Munir M., Wajid K., Bashir H. Effects of organic and chemical fertilizers on the growth, heavy metal/ metalloid accumulation, and human health risk of wheat (Triticum aestivum L.). Environ Sci Pollut Res Int. 2021;28(10):12533-12545. doi 10.1007/s11356-020-11271-4

50. Virk P.S., Andersson M.S., Arcos J., Govindaraj M., Pfeiffer W.H. Transition from targeted breeding to mainstreaming of biofortification traits in crop improvement programs. Front Plant Sci. 2021;12: 703990. doi 10.3389/fpls.2021.703990

51. Wang S., Wu W., Liu F., Liao R., Hu Y. Accumulation of heavy metals in soil-crop systems: a review for wheat and corn. Environ Sci Pollut Res. 2017;24(18):15209-15225. doi 10.1007/s11356-017-8909-5

52. Wessling-Resnick M. Excess iron: considerations related to development and early growth. Am J Clin Nutr. 2017;106:1600-1605. doi 10.3945/ajcn.117.155879

53. Wysocka K., Cacak-Pietrzak G., Sosulski T. Mineral concentration in spring wheat grain under organic, integrated, and conventional farming systems and their alterations during processing. Plants. 2025; 14(7):1003. doi 10.3390/plants14071003

54. Xynias I.N., Mylonas I., Korpetis E.G., Ninou E., Tsaballa A., Avdi­ kos I.D., Mavromatis A.G. Durum wheat breeding in the Mediterranean region: current status and future prospects. Agronomy. 2020; 10(3):432. doi 10.3390/agronomy10030432

55. Zhao F.J., Su Y.H., Dunham S.J., Rakszegi M., Bedo Z., McGrath S.P., Shewry P.R. Variation in mineral micronutrient concentrations in grain of wheat lines of diverse origin. J Cereal Sci. 2009;49(2):290- 295. doi 10.1016/j.jcs.2008.11.007

56. Zoroddu M.A., Aaseth J., Crisponi G., Medici S., Peana M., Nurchi V.M. The essential metals for humans: a brief overview. J Inorg Biochem. 2019;195:120-129. doi 10.1016/j.jinorgbio.2019.03.013