Стевия (stevia rebaudiana bertoni): биологические особенности и факторы, влияющие на рост растений и накопление сладких гликозидов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стевия (Stevia rebaudiana Bertoni): биологические особенности и факторы, влияющие на рост растений и накопление сладких гликозидов

Н.Г. Синявина, А.А. Кочетов, К.В. Егорова

Abstract

Stevia (Stevia rebaudiana Bertoni): Biological Properties and Factors Affecting Plant Growth and Sweet Glycosides Accumulation

N.G. Sinyavina, A.A. Kochetov, K.V. Egorova

Stevia rebaudiana Bertony is well known because its leaves contain diterpene steviol glycosides. The main of them are stevioside and rebaudioside A, both have a sweetness about 250-350 times higher than sucrose and, hence, are popular natural low-calorie sugar substitutes in foodstuffs. Due to the complex biochemical composition of its leaves, stevia is also a pharmacologically and cosmetically valuable plant: its leaf extracts exhibit very high antioxidant properties comparable to those of green tea. This article is a detailed and up-to-date overview of the available data on the biological characteristics of stevia cultivars, as well as on a variety of factors affecting stevia growth, dry leaf yield, and steviol glycosides accumulation. The study is of practical interest to the agricultural industry: stevia has the potential to turn into a major crop in Russia as many regions here have growth conditions favorable to obtain high yields of ecologically safe stevia products (dry leaves of the best quality and sweet glycosides); using these products in the food industry will improve the public health.

However, the Russian literature on stevia poorly covers the latest findings on how stevia depends on some key factors, such as genotypes, environment (soil and climate conditions, light intensity, temperature), diseases and pests, etc., thereby holding back the advance of agricultural technologies for growing stevia in Russia. The results obtained define and summarize the exact conditions necessary for obtaining high yields of stevia dry leaves and sweet glycosides, as well as the factors that must be taken into account both in industrial cultivation and in scientific research of stevia.

Keywords: stevia, biological characteristics, sweet glycosides, environmental factors, genetic diversity, yield.

Введение

Стремительный рост заболеваемости диабетом и ожирением в конце ХХ - начале XXI в. вследствие снижения двигательной активности и избыточного потребления высококалорийных продуктов питания, в том числе рафинированного сахара, послужил стимулом для роста рынка диетических подсластителей во всем мире. Сладкие гликозиды (стевиолгликозиды, СГ) стевии (Stevia rebaudiana Bertoni), прежде всего стевиозид (СТ) и ребаудиозид А (РА), являются в настоящее время одними из наиболее перспективных низкокалорийных сахарозаменителей благодаря своему природному происхождению. Употребление СГ не только не имеет негативного эффекта на здоровье человека в отличие от синтетических подсластителей, но и оказывает терапевтическое воздействие в отношении многих болезней [1]. Исследования показали, что продукты из стевии обладают противоопухолевым, противовоспалительным, антидиабетическим, антиканцерогенным, ангигипертензивньш, антикардиоваскулярным действием, характеризуются про- тиводиарейными и антикариесными свойствами, положительно влияют на функцию почек [2, 3].

Высокоочищенные СГ и измельченный сухой лист стевии пользуются большим спросом на рынке пищевой и фармацевтической продукции, а также в косметологии. СГ широко используют при производстве кондитерских изделий (джемов, конфет и др.), чая, кофе, безалкогольных напитков, йогуртов, фруктовых соков, мороженого, солений, соевого соуса, изделий из соевых бобов и морепродуктов. Кроме того, их применяют как стабилизаторы цвета пищевых продуктов, добавки в зубную пасту, загустители [4-7]. Мировой спрос на продукцию на основе стевии неуклонно растет. Ожидается, что в ближайшее десятилетие объем производства стевии и продуктов ее переработки будет значительно ниже рыночного спроса [8]. По оценке экспертов, доход от мировой продажи продуктов из стевии в 2017 г. составлял 490.1 млн долларов США и, по прогнозам, к 2022 г. превысит 700 млн долларов [9].

Растущий спрос и расширение ассортимента продукции на основе стевии служат предпосылкой для расширения собственного производства сухого листа стевии в нашей стране и странах СНГ [10, 11], что соответствует положениям Доктрины продовольственной безопасности Российской Федерации [12]. Кроме того, отечественная сельскохозяйственная продукция отвечает нормам экологической безопасности, в то время как в Китае, основном производителе сухого листа стевии и продуктов его переработки, значительная часть почв загрязнена высокотоксичными поллютантами, что делает употребление растений и продукции из них небезопасным для здоровья человека [13]. В связи с этим вопросы, связанные с обеспечением получения высоких урожаев качественного сухого листа и СГ, актуальны и требуют изучения и анализа с учетом последних исследований в области физиологии, генетики и агротехнологии культуры.

Основная часть

1. Общие сведения. Stevia rebaudiana Bertoni - представитель семейства Asteraceae - многолетний полукустарник высотой 80-100 см, произрастающий в диком виде в пограничных регионах Бразилии и Парагвая в среднегорье на окраинах болот и пастбищ. Типичной средой обитания для нее являются субтропические и тропические регионы с мягким, влажным, теплым и солнечным климатом. Благодаря ее высокой адаптивности, в настоящее время стевию успешно выращивают в различных регионах мира от экватора до северных широт [8, 14-16]. Основными коммерческими производителями стевии и продуктов ее переработки являются прежде всего Китай, а также Япония, Тайвань, Вьетнам, Южная Корея, Таиланд, Малайзия, Парагвай, Аргентина, Бразилия, Австралия [15-18]. Она успешно культивируется как однолетняя культура в Европе, США и Канаде [8, 14-18]. В России стевию выращивают с конца 90 -х годов ХХ в. в южных регионах (Воронежская область, Краснодарский край, Ставрополье, Северный Кавказ, позже - Крым), а также в Приморском крае [5, 20-22]. Большой потенциал для ее культивирования имеется в Нечерноземье, где этому способствуют длинный день и достаточное количество осадков [14].

2. Морфологические и биологические особенности культуры. Стевия - многолетний травянистый полукустарник с развалистым ветвящимся стеблем, высотой до 80-120 см. Листья перекрестно-супротивные, ланцетовидные с пильчатым краем, цельные, сидячие, с 12-16 зубцами, 5-7 см длины и 1-2 см ширины, у многих культурных образцов - значительно крупнее. Цветки мелкие, белые, актиноморфные, четырехкруговые, пятичленные, собраны в корзинки по пять цветков в общей обертке. Венчик цветка стевии спайнолепестный, тычинок пять, пестик один с нижней одногнездной завязью, нитевидный. Нити тычинок свободные, а пыльники, срастаясь между собой, образуют пыльниковую трубку, сквозь которую проходит пестик [23]. Семена стевии мелкие, масса 1000 семян 0.15-0.30 г [24]. Стевия является перекрестноопыляемым растением, семена от самоопыления обычно светлоокрашенные и являются стерильными. По данным Е.А. Кононовой и др. [22], цветки сладкими выделениями привлекают бабочек, хищных мух (журчалок), которые переносят пыльцевые зерна и обеспечивают перекрестное опыление. Оптимальная для созревания семянок температура составляет 20-25 °С.

Стевия является светолюбивым растением короткого дня, при длине дня менее 12 ч она быстро переходит к цветению, при более продолжительном фотопериоде (14-16 ч) наблюдается интенсивный вегетативный рост и накопление биомассы [14, 15, 18, 25-27]. Стевия не устойчива к воздействию низких температур, и в регионах с отрицательными зимними температурами ее возделывают как однолетнюю культуру, при этом рассаду для последующей высадки в поле производят в условиях защищенного грунта, там же поддерживают коллекцию маточных растений, используемых для вегетативного размножения [8, 16-18].

С.Б. Сикорская в условиях Центрально-Черноземного государственного природного биосферного заповедника имени профессора В.В. Алехина установила прохождение растением стевии при семенном размножении в однолетнем цикле вегетации 12 этапов органогенеза, относящихся к прегенеративному, генеративному и постгенеративному возрастным периодам [28]. В условиях Курской области семена прорастали на 2-5-й день при лабораторной всхожести около 60%. Прегенеративный период длился 87-104 дня и включал четыре возрастных состояния. Первому этапу органогенеза и первому возрастному состоянию соответствовал проросток с двумя семядолями, двумя супротивно расположенными парами округлых листьев и стержневой корневой системой, длительность состояния - 7-9 дней. Второй этап органогенеза, активный вегетативный рост, продолжался 80-95 дней. Ему соответствовали ювенильное, имматурное и виргинильное возрастные состояния. Форма листовой пластинки менялась с эллиптической в ювенильном состоянии на обратнояйцевидную и ланцетовидную в виргинильном. В ювенильном состоянии начиналось постепенное увеличение числа боковых корней, ко времени перехода в виргинильное корневая система приобретала вид мочковатой за счет их сильного развития.

О.К. Кустова [29] показала, что у растений стевии в генеративном возрастном состоянии побеговая система представлена главным побегом и системой боковых побегов с моноподиальным нарастанием, которые завершаются образованием соцветий. В условиях Курской области генеративный период стевии начинался с третьего этапа органогенеза и заканчивался двенадцатым этапом, его продолжительность составляла 95-120 дней [28]. Он включал три возрастных состояния растений - молодое, средневозрастное и позднее генеративное.

В молодом генеративном состоянии наблюдались ветвление осей соцветий, начало формирования цветка (этапы органогенеза с третьего по пятый), окончательное формирование цветка и бутонизация (шестой, седьмой и восьмой этапы органогенеза). Репродуктивные органы формировались начиная с 20-22-го узла вегетативной части побега. Корневая система сохраняла черты растений в виргинильном возрастном состоянии.

С началом третьего этапа органогенеза совпадало формирование верховых листьев и прицветников. Средневозрастному генеративному состоянию соответствовали девятый и десятый этапы органогенеза, при этом происходило цветение, оплодотворение растения, формирование зародыша, плода и семени. Цветение стевии было ремонтантным. Длительность цветения одного цветка в Курской области составляла 7-13 дней, а всего растения - 45-55 дней [28]. Сходные данные были получены О.К. Кустовой [29] в условиях юго-востока Украины: длительность цветения отдельно взятого парциального соцветия составляла 15-18 дней, всего растения - 45-60 дней.

Позднее генеративное возрастное состояние было сопряжено с одиннадцатым и двенадцатым этапами органогенеза, при этом генеративная функция резко ослабевала. В нижней части побегов некоторые структуры отмирали вместе с частью придаточных и боковых корней, число зеленых листьев сокращалось. Отмирание продолжалось в постгенеративном периоде, к концу которого надземная часть растений полностью засыхала, а основание побега втягивалось в почву. Весной на второй год жизни из почек возобновления развивались новые вегетативные побеги, вследствие этого стевия отнесена к поликарпическим многолетним растениям с побегами, развивающимися по монокарпическому типу. С.Б. Сикорская [28] не сообщает, сохраняли ли растения в зимний период под укрытием или в утепленных помещениях. Согласно данным О.К. Кустовой [29], в условиях юго-востока Украины со сходными параметрами климата постгенеративного периода S. rebaudiana в открытом грунте не наблюдали, так как при наступлении заморозков растения погибали в позднем генеративном возрастном состоянии.

3. Размножение стевии. Стевия легко размножается вегетативно, в природе - преимущественно делением куста и стеблевыми черенками, втаптываемыми в землю животными [30, 31]. При промышленном выращивании стевию обычно размножают стеблевыми черенками, которые легко укореняются, или с использованием микроклонального размножения in vitro [32-35]. Семенное размножение менее эффективно: всхожими являются только темноокрашенные семена, которых, как правило, образуется немного. Всхожесть семян для большинства культивируемых генотипов обычно низкая и не превышает 15-25% [35-37]. В работе [24] максимальные значения всхожести откалиброванных тем- ноокрашенных семян (58.7%) наблюдали при проращивании на свету при температуре 20 °С; в условиях более низких температур и в темноте этот показатель снижался. М.К. Ахматов исследовал всхожесть семян стевии, культивируемой в Кыргызстане в разные годы и при разных сроках уборки, при этом показатель всхожести варьировал от 0 до 46% [36].

Другим недостатком семенного размножения стевии является генетическая разнородность получаемых растений и высокая вариабельность их морфологических характеристик, сухой массы листьев, содержания СГ и их компонентного состава [37]. Кроме того, получение хорошо развитой рассады из семян требует много времени: всходы обычно появляются на 4-8-й день, а для получения растений, готовых к высадке в поле, требуется не менее полутора месяцев [24]. В работе [38] показано преимущество рассады, полученной путем зеленого черенкования от маточных растений, перед сеянцами: растения из черенков на момент уборки сформировали большую биомассу листьев и были существенно однороднее по сравнению с растениями, выросшими из семян. Поэтому семенное размножение используют преимущественно при селекции новых генотипов [8].

4. Биохимический состав. Стевия имеет ценный биохимический состав, определяющий ее полезные свойства. Показано, что содержание воды варьирует от 4.45 до 10.73 г; белка - 6.2-20.4 г; жиров - 1.9-6.13 г; углеводов - 35.2-73.99 г; сырой клетчатки - 13.9-18.5 г на 100 г сухих листьев. Отмечено также высокое содержание минеральных элементов [6, 16, 39, 40].

Сладкие дитерпеновые стевиолгликозиды (СГ) - основной продукт, получаемый из стевии. Их содержание в листьях культурных генотипов составляет 10-20% от массы сухого листа. Типичными пропорциями содержания основных СГ являются следующие: стевиозид (СТ) - 5-10%, ребаудиозид А (РА) - 2-4%, ребаудиозид С - 1-2%, дулькозид А - 0.4-0.7% [41-43]. В настоящее время идентифицировано более 30 СГ (ребаудиозид А, С, F, G, H, I, J, K, L, M, N, O, Q, стевиозид A, D, E и др.) [4, 44]. Большинство СГ - тетрациклические дитерпены. Их основу составляет агликон стевиол, к которому в положениях R1 и R2 присоединены моносахара (глюкоза, фруктоза, рамноза, ксилоза и деоксиглюкоза) в количестве 2-3 ед. (рис. 1). Сладость СГ по отношению к сахарозе варьирует в пределах 50-450, в зависимости от количества и типа моносахаров в их составе, для СТ и РА эти цифры составляют 200-450 [45].

Рис. 1. Структура молекулы СГ [40]

Высокоочищенные СГ (> 95%) разрешены к применению в пищевой промышленности более чем в 150 странах мира, из них ребаудиозид А (РА) - основной коммерческий продукт, продаваемый в настоящее время на мировом рынке [4]. РА - подсластитель более высокого качества, он слаще стевиозида (СТ), не имеет выраженного лакричного послевкусия, присущего стевиозиду, и столь же безопасен для здоровья человека, как и СТ. В последние годы появились сообщения о том, что минорные ребаудиозиды - РD и РМ - обладают лучшими вкусовыми качествами по сравнению с РА [8, 46, 47], однако широкого распространения в пищевой индустрии они пока не получили.

СГ синтезируются по метилэритрол-4-фосфатному пути биосинтеза изопреноидов. Образование и аккумуляция их происходит в активно фотосинтезирующих тканях - в хлоропластах, ЭПР и вакуолях, откуда потом они могут частично транспортироваться в другие части растения [48, 49]. Физиологически зрелые листья среднего яруса содержат наибольшее количество сладких гликозидов по сравнению с более молодыми листьями верхушки побега или листьями нижних ярусов [15]. В онтогенезе наибольшее содержание СГ в растениях наблюдается на стадии бутонизации и перехода к цветению [15, 19, 50, 51], что обычно служит определяющим фактором для начала уборки урожая.

Помимо сладких гликозидов, в листьях стевии содержится комплекс ценных химических соединений (полифенолов, флавоноидов, витаминов и др.), определяющих высокую антиоксидантную активность ее экстрактов. Благодаря этому она находит широкое применение в составе фиточаев, травяных сборов, различных БАД [16, 52-55].

5. Влияние факторов окружающей среды на рост стевии, урожай сухого листа и накопление сладких гликозидов. Данные об урожайности стевии и содержании СГ сильно варьируют, что объясняется прежде всего влиянием условий выращивания и генетическими различиями образцов. Температура, освещенность, содержание минеральных элементов, влажность почвы - важные факторы, от которых зависит получение высоких урожаев сухого листа стевии и сладких СГ. Так, по данным [56], средняя масса сухих листьев одного растения в Австралии составляет 20-50 г, урожай - 2-2.5 т/га (при плотности посадки 75 тыс. шт./га). В Индии при плотности посадки около 50 тыс. шт./га получали до 1.7-1.9 т/га сухого листа [57]. На юго-западе Франции наблюдали различия по урожайности от 0.77 до 3 т/га в зависимости от генотипа [58], в южной Италии - от 0.33 (без полива) до 2.43 т/га (с поливом) [59]. Наиболее высокие урожаи стевии отмечены в юго-западной Германии - 6-7.2 т/га сухого листа [18], а также на западе США - свыше 7 т/га сухого листа у отдельных генотипов [60].

В России и на территории бывшего СССР урожай сухого листа стевии составлял 0.8-3 т/га [5, 20-22, 61]. Довольно большой диапазон значений приводится и по урожаю СГ: до 400 кг/га сладких гликозидов в условиях оптимального полива посадок у С. Пацифико и др. [59]; 720-1023 кг/га СГ у С. Мунц и др. [18]; 512.2 кг/га СТ у Р.М. Мораэс и др. [62] и до 1000 кг/га СГ (из них до 500 кг/га РА) у Ш.А. Пэррис и др. [60]. Возможными причинами большой вариабельности данных по урожаю могут быть как разница в генотипических и фенотипических характеристиках культивируемых образцов и влияние взаимодействия генотип - среда, так и различия между результатами модельных экспериментов на небольших площадях и в условиях производственных посадок.

Генетическое разнообразие. Условия окружающей среды, а также время срезки (стадия развития растений) в значительной мере влияют на общее содержание СГ, в то время как качественный состав СГ определяется прежде всего генотипом сорта [8, 18, 43, 54, 63-65]. В мире существует около 90 [8], а по данным [64] - около 150 сортов S. rebaudiana, выращиваемых в разных регионах. Но при этом культивируется также большое количество образцов, не имеющих четких сортовых характеристик [64-66]. Наиболее известные и популярные в мире сорта стевии - Morita II, III, Criolla, Eirite I и II - описаны в [8, 66]. В России культивируются сорта отечественной селекции, адаптированные к местным природно-климатическим условиям. В настоящее время в Государственном реестре селекционных достижений зарегистрировано 9 сортов стевии [67].

В ряде исследований наблюдали высокую вариабельность по урожайности и СГ-профилю среди сортообразцов и сортов [43, 58, 60, 65]. Изучая популяцию стевии, выращенную из семян, C. Накамура и Ю. Тамура в 1985 г. [37] и позднее К. Барбет-Массин и др. [43] наблюдали расщепление полученных генотипов по содержанию СГ и их компонентному составу. Значительную генотипическую изменчивость по общему содержанию и составу сладких гликозидов наблюдали при выращивании 55 генотипов стевии в различных регионах Марокко [63]. Поэтому многие исследователи считают, что общее содержание и компонентный состав СГ стевии, а также морфологические характеристики новых генотипов могут быть модифицированы и улучшены путем целенаправленной селекции [43, 63, 65, 68]. Основная часть выращиваемых в настоящее время образцов стевии содержит СТ в качестве основного компонента СГ, однако некоторые культурные сорта имеют повышенное содержание РА, который является подсластителем более высокого качества.

При этом у некоторых целенаправленно отселектированных сортов с высокой биомассой, в частности Morita, Morita II, US 6031157 A, US 7884265 B2, WO 2016/134449 Al, WO 2016/085693 A1 и др., РА является преобладающим компонентом СГ [43, 60, 63, 68]. В последние годы получен сорт стевии с повышенным содержанием ребаудиозида D, обладающего отличными вкусовыми качествами и высокой сладостью - WO 2014146084 А1 [68], однако данные по его урожайности при промышленном выращивании не приведены. У сортов стевии, культивируемых на территории РФ, содержание СГ составляет от 6.5% до 15.6%, наиболее высокими показателями характеризуются сорта София, Марфа, Рамонская сластена и Ставропольская сластена; в профиле всех сортов преобладает СТ (более 50% от общего содержания сладких гликозидов) [67]. Селекция на улучшение компонентного состава СГ в сторону повышения содержания ценных в пищевом отношении гликозидов - РА, PD и PM, включение в селекционный процесс наиболее перспективных идентифицированных по биохимическому составу образцов стевии являются, таким образом, одними из важных практических задач.

Большинство морфологических характеристик различных образцов стевии (высота растений, характер ветвления, форма и размеры листьев и др.), влияющих на урожай, также генетически детерминированы [8, 54]. Некоторые культурные сорта стевии могут сильно различаться (рис. 2).

Рис. 2. Морфологические различия между двумя генотипами стевии [8]

Среди культивируемых в нашей стране и на территории СНГ сортообразцов стевии также наблюдаются различия по морфологическим характеристикам и темпам развития. Г.А. Сурхаев и др. [20], Т.Ф. Маховикова и др. [55] выделили три морфотипа стевии, выращиваемых в Ставропольском крае, - мелколистный, среднелистный и крупнолистный. Авторы показали, что за счет большего (на 65%) количества побегов у растений мелколистного морфотипа урожай фитомассы при первой срезке у него был выше по сравнению с крупнолистным на 15%. Кроме того, бутонизация у мелколистного и среднелистного образцов наступала на 53-59 сут раньше, что позволяло проводить две срезки в течение одного сезона, так как после первой срезки в I - II декаде августа растения успевали отрастать до наступления устойчивого похолодания. Е.Р. Ермантраут, В.Й. Стефанюк [69] также выявили различия между культивируемыми на Украине сортообразцами стевии по размеру листьев и срокам перехода к цветению. Вариабельность морфологических характеристик и темпов развития образцов стевии делает перспективным селекционно-генетические исследования, направленные на повышение кустистости, крупности листа и скорости отрастания побегов после срезки.

Генетическое разнообразие стевии проявляется также в ответных реакциях на действие стрессовых факторов среды. Различия генотипов могут определяться чувствительностью к низким температурам [70] и отзывчивостью на применяемые дозы удобрений [71].

Анализ полученных данных свидетельствует о перспективности селекционной работы по созданию новых высокопродуктивных сортов стевии с улучшенным компонентным составом СГ, устойчивых к действию различных стрессоров и экологических условий конкретных регионов возделывания.

Световые условия выращивания. Фотопериод и интенсивность освещения играют большую роль в формировании урожая стевии. Например, экспериментально доказано, что при длине дня около 12-13 ч стевия быстро переходит к цветению после формирования коротких побегов с 4-5 парами мелких листьев. Цветение наступает на 54-104-й день в зависимости от фотопериодиче- ской чувствительности генотипа [15].

При культивировании в условиях длинного дня вегетативный рост продляется, масса растения значительно возрастает, прежде всего за счет увеличения высоты и количества побегов, числа пар листьев и их размеров. Это приводит к большему накоплению сухого вещества, углеводов, белка и СГ в листьях [15, 19, 25]. Исследования, проведенные в регулируемых условиях, показали, что оптимальным для получения максимального урожая сухого листа является 16-18часовой фотопериод [26, 27]. Ю. Йонеда и др. [25] изучали рост стевии в светокультуре при различной длине дня (8-24 ч) и получили сходные результаты. В этих экспериментах одним из вариантов было выращивание при непрерывном 24-часовом освещении, при этом растения набирали максимальную по сравнению с другими фотопериодами вегетативную массу, однако в результате отсутствия темного периода наблюдалось возникновение морфологических дефектов побегов. В [25] показано, что экспрессия генов, вовлеченных в синтез СГ (KO, UGT85C2, UGT74G1), также была максимальной при непрерывном освещении.

Интенсивность освещения, наряду с фотопериодом, играет одну из ключевых ролей. Показано, что при выращивании в светокультуре под лампами ДНаТ-400 оптимальная облученность для получения максимального урожая сухой массы листьев составляла 90-110 Вт/м² ФАР [26, 27]. В эксперименте с выращиванием стевии методом бессубстратной гидропоники под люминесцентными лампами [25] наблюдали значительное увеличение площади листовой поверхности, массы листьев, длины и диаметра стебля, числа листьев при увеличении освещенности от 50 до 400 мкмоль/м²-с. Однако при 400 мкмоль/ м²-с, что соответствует 90 Вт/м² ФАР, наблюдалось фотоповреждение в виде ожогов на листьях, что в данном случае могло быть следствием резкого изменения интенсивности освещения при отсутствии акклиматизации, так как в предшествующий период растения выращивали при освещенности 120 мкмоль/ м-с (около 25 Вт/м² ФАР).

Урожай СГ определяется комбинацией двух главных составляющих: массы листьев и процентного содержания в них СГ. В условиях длинного дня - 16 часов и более, в светокультуре при облученности 80-100 Вт/м² ФАР, а в природных условиях - при естественной инсоляции, даже в условиях Северо-Запада РФ, при оптимальной тепло- и влагообеспеченности растения генотипов интенсивного типа формируют большую листовую массу, и при уборке в период бутонизации - начала цветения (при максимальном процентном содержании стевиолгликозидов) общий урожай СГ может быть довольно высоким - до 1 т/га, что подтверждается данными [18, 60, 62].

5.3. Температура. Наиболее подходящими для выращивания стевии являются регионы с продолжительными теплыми периодами, когда дневная температура составляет 25-35 °С [8]. О негативном влиянии высокой температуры при выращивании стевии даже в таких жарких регионах, как Индия, Австралия, Малайзия, Египет, не сообщается.

Основной проблемой при культивировании стевии за пределами тропической и субтропической зон является действие низких температур, лимитирующих рост и выживаемость. Стевия обычно не развивается при длительном действии низких положительных температур (ниже 9 °С). Довольно подробно вопросы влияния низких температур освещены в [31]. Показано, что рост этой культуры возможен даже при 12 °С, однако при промышленном выращивании для получения высоких урожаев требуются температуры от 15 °С и выше. Обнаружено, что холодовой стресс (длительное понижение температуры до +5 °С) оказывает комплексный негативный эффект на рост и морфогенез стевии, работу фотосинтетического аппарата и накопление СГ [70]. Критической температурой почвы для выживания стевии является температура 0-2 °С, однако Р.М. Мораэс и др. [62] наблюдали частичную перезимовку растений на Миссисипской полевой биологической станции под пленочными тоннелями при мульчировании посадок слоем коры, при этом средняя и минимальная температура воздуха в самые холодные месяцы составляли -2 °С и -14.4 °С соответственно.

В тропических и субтропических регионах растения стевии могут быть использованы для промышленного выращивания на одном месте в течение 6-8 лет. При этом урожай вегетативной массы можно снимать до 6 раз в год, а после обрезки растение быстро отрастает [8, 16]. В регионах с отрицательными зимними температурами стевию выращивают как однолетнюю культуру при количестве срезок 1-3 за сезон. Рассаду высаживают в поля после окончания угрозы ночных заморозков и стабилизации суточной температуры воздуха и почвы выше 10-12 °С [8, 16-18, 62].

Плотность посадки. Плотность посадки во многом определяет урожайность стевии, влияя на конкуренцию в ценозе за свет и питательные вещества. Схема посадки, определяющая густоту стояния растений в поле, зависит от применяемых технологий возделывания (однострочная или двустрочная посадка, ряды, гряды), морфологических особенностей культивируемых образцов (высота растений, степень ветвления, густота и размер кроны), климатических особенностей региона выращивания. Показано, что наибольшую индивидуальную массу растения стевии формируют при разреженной посадке - 50 и менее тыс. шт./га, что объясняется лучшим обеспечением растений светом и почвенными ресурсами [38, 55, 71-73]. Однако выход сырой и сухой биомассы, а также урожай сладких гликозидов с единицы площади выше при более плотной посадке - 70 и более тыс. шт./га, так как высокий урожай в данном случае формируется за счет большого количества растений на единицу площади, что компенсирует их более низкую индивидуальную массу.

Кроме того, высокая плотность посадки снижает конкуренцию со стороны сорной растительности, которая особенно высока в начальный период после высадки рассады в поле. Э. Ранк и Д. Мидмор [56] сообщают, что плотность посадки 70-80 тыс. шт./га была оптимальной для условий Австралии, при этом авторы учитывали расходы на борьбу с сорняками, которые в разреженных посадках выше, и на производство рассады. Е.Р. Ермантраут, В.Й. Стефанюк [69] показали эффективность плотности посадки 90 тыс. шт./га (схема посадки 70^16 см). К. Шивани и др. [74] выращивали стевию при плотности посадки 100-165 тыс. шт./га и получили максимальный урожай при 165 тыс., однако такая высокая плотность посадки увеличивает стоимость производства при выращивании стевии в коммерческих масштабах. В экспериментах Т.Ф. Маховиковой с соавторами [55] накопление листовой фитомассы стевии в условиях Западного Прикаспия также было максимальным при плотности посадки свыше 160 тыс. шт./га, при этом экономический аспект в работе не отражен.

Исследования украинских ученых, проведенные в Тернопольской области, показали, что оптимальная плотность посадки стевии составляла 110 тыс. шт./га при урожае 34.2 ц/га сухого листа [77]. В работах [38, 72, 75], направленных на изучение влияния схемы посадки на рост и урожай стевии, максимальный урожай сухого листа и сладких гликозидов также был получен при достаточно высокой плотности посадки - свыше 100 тыс. шт./га. В целом, можно сделать вывод, что плотность посадки 80-110 тыс. шт./га является наиболее оптимальной в экономическом плане для всех регионов возделывания культуры.

Эдафические факторы. Эдафические факторы среды напрямую определяют продуктивность сельскохозяйственных культур, от их оптимального сочетания зависят как урожай, так и качество продукции, ее биохимический состав. В данном разделе речь пойдет об основных факторах, определяющих урожай стевии, и об их влиянии на содержание СГ в растениях.

Влагообеспеченность. В регионах промышленного выращивания стевию возделывают с использованием систем орошения. Оптимальный полив - важный фактор для получения высоких урожаев сухого листа стевии и сладких гликозидов в регионах с недостаточным увлажнением. Е.Р. Ермантраут, В.Й. Стефанюк [69] сообщают, что водный режим посадок стевии - основной фактор, влияющий на урожай (его вклад составляет 52.4%), в то время как вклад генотипа и схемы посадки существенно меньше - 9.6% и 35% соответственно. В работе [59] показано, что в Италии в засушливом 2015 г. биомасса растений и урожай СГ на опытных полях при оптимальном поливе были в 6-7 раз выше, чем в вариантах без полива. Сходные данные были получены в [78]. Результаты, полученные в [79], говорят о том, что продолжительная засуха тормозит экспрессию генов, ответственных за синтез сладких гликозидов, и достоверно снижает накопление всех исследуемых СГ: содержание их в вариантах, где растения подвергались действию засухи, составляло 20-82% от контрольных значений [79].

Тем не менее стевия достаточно хорошо адаптируется к условиям некоторого недостатка влаги и хорошо восстанавливается при подвядании после кратковременной засухи при нормализации содержания воды в почве. В [32] в условиях горшечной культуры в теплице показано, что уменьшение влажности почвы до 60% от полевой влагоемкости (ПВ) не оказывало негативного воздействия на рост растений и сухой вес листьев; угнетение роста стевии и снижение уровня СГ наблюдали при 45% ПВ. Кроме того, в условиях теплицы общее содержание СГ было выше при 60% ПВ по сравнению с вариантами 75 и 90% ПВ. Мунц и др. [18] сообщают, что в полевых условиях юго-западной Германии в условиях жаркого, солнечного и засушливого лета в 2015 г. урожай сухого листа и СГ был выше, чем в более влажном 2014 г., типичном для данного региона. Это, по-видимому, связано с лучшими условиями инсоляции и более высокой суммой эффективных температур в 2015 г. при отсутствии длительного дефицита почвенной влаги, так как растения в данных экспериментах поливали несколько раз за сезон.

Д. Мидмор и др. [80] наблюдали, что масса всех органов стевии и высота растений в условиях теплицы увеличивались с ростом содержания воды от 50% до 100% от полевой влагоемкости и снижались при 120% от ПВ в результате недостаточной обеспеченности корней кислородом из-за переувлажнения. Однако важный показатель урожайности - отношение сухой массы листьев к массе надземной части - был более высоким при 50% ПВ и снижался по мере увеличения влажности субстрата, так как при высоком количестве доступной влаги растения в большей степени использовали ее для обеспечения роста стеблей, чем листового аппарата.

Кислотность и засоленность почвы. Известно, что, несмотря на то, что стевия происходит из регионов с низкими значениями pH почвы (4-5), она хорошо растет и на нейтральных и слабощелочных почвах в диапазоне рН от 6.5 до 7.5 [81]. Однако Г.Г. Кафле и др. [82] в модельном эксперименте в гидропонной культуре получили максимальную биомассу растений стевии при выращивании при рН 6. При более низких рН (4 и 5) биомасса растений и количество побегов уменьшались незначительно, а при рН 7 наблюдалось более сильное снижение этих показателей. Максимальное угнетение роста стевии происходило при рН 8 (50% от значений, полученных при рН 6). При этом не было выявлено статистически достоверных различий в процентном и общем содержании СГ при разных рН. Авторы сделали ввод, что для высокого урожая листьев стевии значение рН должно быть ниже 7.

Уровень засоленности почвы также оказывает влияние на рост и урожай стевии. В работе [83] показано, что, хотя растения стевии в целом устойчивы к засолению, увеличение содержания NaCl в субстрате приводит к угнетению роста и значительному снижению синтеза и накопления СГ. С другой стороны, М. Дебнатх и др. [84] при модельных опытах в гидропонной культуре выявили различия в чувствительности двух сортов стевии к NaCl и показали, что мягкий солевой стресс (50 мМ NaCl в питательном растворе) способствовал повышению урожая СГ, в большей степени РА, положительным образом влияя на соотношение РА:СТ.

Удобрения. Многие исследователи сообщают, что стевия не нуждается в высоком уровне элементов питания, так как происходит из регионов с бедными почвами [8, 16, 17, 51, 56]. Тем не менее внесение удобрений в оптимальных количествах необходимо для получения высоких урожаев сухого листа и СГ при промышленном выращивании культуры.

О потребности в основных элементах питания можно косвенно судить по содержанию зольных элементов в растениях. И.Ю. Ситничук с соавторами [85] получили следующие данные по содержанию макро - и микроэлементов в листьях стевии, выращенной в Краснодарском крае (мг/кг): Zn - 11.2, Cu - 5.8, Mg - 870.0, Na - 1010.0, Fe - 454.2, K - 5260.8, Ca - 4402.1, Pb - 1.11, Cd - 0.01, Ni - 4.7. Данные по элементному составу листьев стевии из разных регионов мира приведены в работах иностранных исследователей [6, 16, 39, 40].

В исследованиях [82] по влиянию элементов питания на рост стевии и содержание СГ, проведенных в гидропонной культуре, было показано, что прежде всего дефицит азота и фосфора, а также серы, магния и кальция приводил к достоверному снижению содержания хлорофилла и фотосинтетической активности, уменьшению массы листьев и общего содержания СГ в растении, в то время как дефицит калия несильно уменьшал значения этих показателей. Среди микроэлементов дефицит меди в наибольшей степени (более чем на 60%) снижал процентное содержание СГ, но не влиял на содержание хлорофилла и массу листьев, а дефицит железа, наоборот, достоверно уменьшал содержание хлорофилла и массу листьев и не влиял на процентное содержание СГ в листьях.

В.И. Трухачев и др. [76] при выращивании стевии в Ставропольском крае показали, что наибольшее влияние на накопление СГ оказывало внесение фосфора (60 кг/га), в то время как азот в большей степени влиял на накопление зел еной массы. При этом максимальное содержание (16.72%) и сбор СГ (4.41 ц/га) обеспечивало совместное внесение элементов питания (N60P60K60). В [86] показано, что при выращивании стевии в лесостепной зоне Украины оптимальной также являлась доза N60P60K60, при которой масса растений по сравнению с контролем выросла на 38%, а масса сухих листьев - на 30%. Увеличение дозы всех или отдельных элементов питания до 120 кг/га не приводило к росту продуктивности растений. Наблюдали также повышение содержания СГ в листьях растений при применении лучшего варианта N60P60K60. Увеличение дозы фосфора до 120 кг/га несколько повышало содержание сладких гликозидов, а калия в той же дозе - снижало. В [87] и [69] также сообщается об эффективности применения доз удобрений N60P60K60, при этом в исследованиях [68] показано, что удвоенная доза N120P120K120 незначительно увеличивала биомассу стевии по сравнению с рекомендованной N60P60K60.

П.К. Пал и др. [57] провели в Индии в трех локациях с различными почвенно-климатическими условиями комплексное исследование влияния минерального питания (N 30-60-90 кг/га, P и K 20-40 кг/га) на урожай стевии и связанные с ним показатели. Авторы обнаружили, что урожай сухого листа везде достоверно последовательно возрастал при увеличении дозы N, в двух локациях из трех максимальный урожай был получен при N90P40K40. С другой стороны, общее содержание СГ было максимальным при N60-90 в зависимости от локации. Показано также, что почвенно-климатические условия наряду с содержанием основных элементов питания оказывали значительное влияние на урожай сухого листа и общее содержание СГ, однако содержание РА в меньшей степени зависело от минерального питания и факторов среды, являясь более стабильным показателем, зависящим от генотипа стевии.

К. Шивани и др. [74] в полевых экспериментах изучали влияние доз азота (50, 75 и 100 кг/га) и показали, что максимальный урожай сухого листа (2.63 т/га) был получен при дозе азота 100 кг/га, хотя самое высокое отношение массы листьев к массе надземной части (Harvest index) при незначительном уменьшении урожая сухого листа (2.5 т/га) получили при дозе азота 75 кг/га.

В экспериментах в горшечной культуре, проведенных на двух типах почв с моделированием разных уровней внесения азота (0-300 кг/га), максимальный урожай надземной массы стевии получен при высоких значениях - 200-300 кг/га [88]. Но в данном эксперименте авторы не анализировали содержание СГ. В свою очередь, К. Барбет-Массин и др. [89] сообщают, что содержание СГ на единицу сухого вещества листьев снижается при высоком уровне азотного питания. Сходный результат получили М. Карими и К. Моради [90]: в условиях теплицы максимальное содержание СГ наблюдалось при внесении азота в количестве 30 кг/га, максимальный урожай вегетативной массы - при 60 кг/га, а увеличение количества азота до 90-150 кг/га существенно не влияло на биомассу растений, но снижало содержание СГ в листьях. Приведенные примеры могут свидетельствовать о том, что избыток азотных удобрений увеличивает вегетативный статус стевии, снижая содержание СГ, которые накапливаются в листьях в наибольшем количестве при ее переходе к цветению.

Этот вывод подтверждают исследования [91], посвященные изучению влияния дифференцированного внесения азота на биомассу растений и урожай СГ. Максимальный урожай сухого листа был получен в вариантах, где наряду с основным внесением дважды за вегетацию проводили подкормки растений мочевиной. С другой стороны, процентное содержание СГ в листьях на период уборки (бутонизация - начало цветения) было наибольшим в контрольном варианте, где азот не вносили (масса растений в этом варианте была минимальной), и в варианте, где весь азот вносили перед высадкой растений, а подкормки не применяли. Исследователи выявили достоверную отрицательную корреляцию между концентрацией азота в листьях и содержанием СГ на всех стадиях роста растений, что служит индикатором чувствительности метаболизма СГ к азотному статусу листьев. Однако общий урожай сладких гликозидов определяется комбинацией сухой биомассы листьев и процентного содержания СГ, поэтому максимальный выход СГ исследователи получили в вариантах, где подкормки вносили, но основная доля азота поступала к растениям на ранних стадиях роста посадок. Авторы предполагают, что во время вегетативного роста (от высадки рассады в поле и до середины стадии кущения) азот непосредственно регулирует прирост биомассы стевии в качестве необходимого элемента метаболизма белков и нуклеиновых кислот и особенно в фотосинтетических процессах аккумуляции углерода, в то время как при переходе к генеративной стадии развития он участвует в процессах вторичного метаболизма, включая синтез СГ, в большей степени, чем в приросте биомассы. По мере роста растений стевии вклад биомассы в урожай СГ снижается, при этом возрастает вклад процентного содержания СГ в листьях. В этом контексте представляется важным, что внесение азота должно преобладать на вегетативных стадиях роста растений стевии.

Во многих исследованиях показано, что культура стевии отзывчива на применение органических удобрений, которые способны повышать степень усвоения питательных веществ, производство биомассы и вторичных метаболитов. Так, в [92] при увеличении количества вносимого в почву коровьего навоза от 0 до 10 т/га происходило увеличение надземной массы стевии, выражающееся в прибавке урожайности до 280% по отношению к контролю. Кроме того, установлено, что внесение ряда органических и биоудобрений способствовало увеличению урожая листа и содержания СГ [93]. В [69] показано, что внесение 30 т/га навоза при выращивании стевии в лесостепной и степной зоне Украины способствовало прибавке сухой массы в количестве 1.63 т/га. К. Диас-Гутьеррес и др. [94] в экспериментах в горшечной культуре стевии показали, что применение минеральных удобрений в сочетании с куриным пометом повышало биомассу растений и урожай СГ на 23-117% по сравнению с контрольным вариантом, в котором применяли только минеральные удобрения.

Борьба с сорной растительностью. Выращивание стевии и уход за ней требуют значительных затрат ручного труда на борьбу с сорной растительностью на начальных стадиях роста растений, так как рассада стевии при высадке в поле адаптируется и отрастает довольно медленно [8, 56, 80, 95]. В отсутствие гербицидов применяется механический контроль за численностью сорняков в междурядьях и ручная прополка в рядах между растениями.

Применение гербицидов часто является необходимым приемом при промышленном выращивании на больших площадях, но при этом важен обоснованный подход к срокам обработки и дозам препарата. К.Ч. Харрингтон и др. [96] изучали действие 25 гербицидов, применяющихся перед посадкой и после высадки культуры, и выявили 14 из них с наименьшим негативным действием на рост стевии. В работе [97] показано, что на посадках стевии возможно применять гербициды на основе пендиметалина, напронамида и диметенамида, в то время как прометрин, флуометурон и клопиралид оказались слишком токсичными для растений. В одном из сравнительных исследований [80] применения различных гербицидов, наиболее эффективным оказался Пролан 500 (действующее вещество оризалин). В более поздних исследованиях уточняется, что использование Пролана 500 в количестве 8,5 л/га значительно снижало содержание в растениях СТ и РА, а оптимальная доза препарата, не оказывающая негативного эффекта на накопление СГ, составляла 6,8 л/га [94].

Там, где это возможно, стевию рекомендуется выращивать на грядах, покрытых мульчирующей пленкой, в том числе биоразлагаемой, которая существенно помогает культуре снизить конкуренцию со стороны сорняков в начальный период роста [8]. Согласно данным [55], использование в качестве мульчи синтетического пленочного покрытия снижало затраты на работы по уходу за растениями, в том числе на прополку, на 80% по сравнению с контролем.

Болезни и вредители. По сравнению с другими культурами, стевия редко повреждается насекомыми-вредителями, способна сама отпугивать насекомых и также редко повреждается фитопатогенами. Но в некоторых случаях ущерб, наносимый вредителями и болезнями, приводит к значительным потерям из-за прямого снижения количества урожая или его качества (прежде всего из-за пятнистости листьев, вызванной патогенными грибами).

Молодые растения в теплицах повреждаются насекомыми (тля, белокрылка, паутинные клещи), что важно учитывать при размножении растений и производстве рассады. Посадки стевии в открытом грунте имеют довольно широкий спектр насекомых-вредителей, хотя существенных повреждений обычно не наблюдается. Среди вредителей отмечены различные виды кузнечиков, тля, белокрылка, паутинные клещи, улитки, слизни, различные виды нематод, чешуекрылые [8, 97, 99].

В неблагоприятных условиях стевия может поражаться грибными инфекциями, вызывающими появление листовой пятнистости, в ряде случаев - увядание и гибель растений. Среди возбудителей болезней выявлены представители родов Fusarium, Rhizoctonia, Sclerotium, Colletotrichum, Septoria, Alternaria и др. [8, 100]. Применение пестицидов и фунгицидов при выращивании стевии нежелательно, поэтому профилактика развития инфекций и распространения сорных растений и насекомых-вредителей - важный технологический аспект возделывания культуры. И.В. Наконечная и др. [99] сообщают о высокой эффективности беспестицидного контроля посадок с помощью энтомофагов по отношению к чешуекрылым вредителям.

Стевия, подобно большинству растений, не толерантна к монокультуре, и рекомендуется выращивать ее в севообороте, обычно после зерновых, для того чтобы избежать накопления в окружающей среде возбудителей болезней и вредителей [8].

стевия гликозид урожай биологический

Заключение

Стевия - культура, которая имеет высокий потенциал для возделывания на территории РФ, так как почвенно-климатические условия многих регионов России благоприятны для получения высоких урожаев качественного растительного сырья. Необходимость расширения ее производства в нашей стране диктуется прежде всего спектром свойств, благодаря которым стевия (сухой лист и продукты его переработки) может и должна найти широкое применение в отечественной пищевой промышленности и медицине, как это уже произошло в странах Азии, Америки и Европы. Для повышения рентабельности производства стевии - увеличения урожая биомассы листьев высокого качества и СГ - требуются селекция высокоинтенсивных сортов, разработка и апробация сортовых технологий выращивания, включая технологию получения рассады высокого качества с хорошим адаптивным потенциалом при минимальных затратах, а также современное оборудование для механизации сельхозпроизводства с учетом информации, накопленной к настоящему времени в мировой научной литературе.

Такие работы пока мало востребованы из-за низкого потребления продуктов стевии отечественным бизнесом (прежде всего вследствие недостаточности популяризации культуры и продуктов ее переработки среди широких слоев населения) и дешевизны китайского сырья, которое часто не является экологически чистым и безопасным. Забота о здоровье населения на фоне значительного роста числа больных диабетом I и II типа, увеличения числа людей с нарушениями метаболизма и лишним весом вследствие малоподвижного образа жизни и избыточного потребления сахара, а также ориентация современной экономики России на самообеспечение необходимым ассортиментом продуктов здорового питания должны сделать стевию одной из перспективных культур, востребованной отечественной пищевой промышленностью.

Литература

1. Khan S.A., Verma P., Rahman L.U., Parasharami V.A. Exploration of biotechnological studies in low-calorie sweetener Stevia rebaudiana: Present and future prospects: Ch. 13 // Medicinal and Aromatic Plants. Expanding Their Horizons through Omics / Ed. by T. Aftab, K.R. Hakeem. - Acad. Press, 2021. - Р. 289-324.

2. Singh D.P., Kumari M., Prakash H.G., Rao G.P., Solomon S. Phytochemical and pharmacological importance of stevia: A calorie-free natural sweetener // Sugar Tech. - 2019. - V. 21, № 2. - Р. 227-234.

3. Wang J., Zhao H., Wang Y., Lau H., Zhou W., Chen C., Tan S. A review of stevia as a potential healthcare product: Up-to-date functional characteristics, administrative standards and engineering techniques // Trends Food Sci. Technol. - 2020. - V. 103. - P. 264-281.