Specific features of the biochemical composition of life forms of black medic (Medicago lupulina L.)

Abstract

BACKGROUND: Black medic is used as a pasture, cover, siderate, anti-erosion culture for fixing embankments along roads, on mining dumps and for phytoremediation. Mono-, bi- and polycarpic forms are distinguished within the species, differing in the number of fruitions during the plant life cycle. The presence of polymorphism of morphological features and features of ontogenesis suggests the presence of differences in biochemical parameters in the selected groups.

AIM: The aim of the study was to study the polymorphism of biochemical parameters of various life forms of black medic.

MATERIALS AND METHODS: The material for the study was 20 accessions of black medic of various origins from groups of mono-, bi- and polycarpic plants of the VIR collection. For the study, a freshly harvested green mass of plants was used. The assessment was carried out according to the following biochemical parameters: the content of dry matter, protein, sugars, ascorbic acid, total acidity, chlorophylls, carotenoids, carotenes, β-carotene, anthocyanins. Statistical processing of the results included calculation of the main parameters of variation, analysis of variance and discriminant analysis.

RESULTS: The nutritional value of black medic was characterized by the content of crude protein and sugars. The range of protein variability ranged from 11,94 to 19,69 mg / 100 g of raw matter, sugars — from 0,44 to 2,67%. Differences in the sugar content of plants of different groups were revealed. The content of ascorbic acid was the highest in five varieties from the polycarpic plant group presented in the study in comparison with wild-growing accessions and the monocarpic Bereginya variety. Monocarpics are distinguished by the content of anthocyanin (19,5 ± 1,41 mg / 100 g); no significant differences were found in the content of other pigments.

CONCLUSIONS: The results of in-depth biochemical analysis of accessions from the collection of plant genetic resources demonstrate the high variability of biologically active substances in the green mass of plants and will significantly improve the choice of the initial material for selection for forage usage.

Keywords

genetic resources / biochemical composition / polymorphism of traits / monocarpics / bicarpics / polycarpics

References

[1] Small E. Alfalfa and relatives: evolution and classification of Medicago. Ottawa: NRC Research Press, 2011. 850 p. DOI: 10.1079/9781845937508.0000

[2] Lesins KA, Lesins I. Genus Medicago (Leguminosae). A taxogenetic study. Hague, Boston, London: Dr. W. Junk bv Publishers, 1979. 240 p. DOI: 10.1007/978-94-009-9634-2

[3] Lesins K.A., Lesins I. Genus Medicago (Leguminosae). A taxogenetic study. Hague, Boston, London: Dr. W. Junk bv Publishers, 1979. 240 p. DOI: 10.1007/978-94-009-9634-2

[4] Sims JR, Koala S, Ditterline RL, Wiesner LE. Registration of ‘George’ Black Medic. Crop Sci. 1985;25(4):709–710. DOI: 10.2135/CROPSCI1985.0011183X002500040041X.

[5] Sims J.R., Koala S., Ditterline R.L., Wiesner L.E. Registration of ‘George’ Black Medic // Crop Sci. 1985. Vol. 25, No. 4. P. 709–710. DOI: 10.2135/CROPSCI1985.0011183X002500040041X.

[6] Wilson LC. Characteristics of black medic (Medicago lupulina L.) seed dormancy loss in Western Canada. Department of Plant Science University of Manitoba Winnipeg: MB, 2005. 119 p.

[7] Wilson L.C. Characteristics of black medic (Medicago lupulina L.) seed dormancy loss in Western Canada. Department of Plant Science University of Manitoba Winnipeg: MB, 2005. 119 p.

[8] Entz MH, Thiessen Martens JR, May W, Lafond GP. Black medic (Medicago lupulina) germplasm screening for use as a self-regenerating cover crop on the Canadian Prairies. Can J Plant Sci. 2007;87(4):873–878. DOI: 10.4141/cjps06053

[9] Entz M.H., Thiessen Martens J.R., May W., Lafond G.P. Black medic (Medicago lupulina) germplasm screening for use as a self-regenerating cover crop on the Canadian Prairies // Can J Plant Sci. 2007. Vol. 87, No. 4. P. 873–878. DOI: 10.4141/cjps06053

[10] Amer N, Al Chami Z, Al Bitar L, et al. Evaluation of Atriplex halimus, Medicago lupulina and Portulaca oleracea for phytoremediation of Ni, Pb and Zn. Int J Phytoremediation. 2013;15(5):498–512. DOI: 10.1080/15226514.2012.716102.

[11] Amer N., Al Chami Z., Al Bitar L., et al. Evaluation of Atriplex halimus, Medicago lupulina and Portulaca oleracea for phytoremediation of Ni, Pb and Zn // Int J Phytoremediation. 2013. Vol. 15, No. 5. P. 498–512. DOI: 10.1080/15226514.2012.716102.

[12] Butkute B, Padarauskas A, Cesevičiene J, et al. Phytochemical composition of temperate perennial legumes. Crop Pasture Sci. 2018;69(10):1020–1030. DOI: 10.1071/CP18206

[13] Butkute B., Padarauskas A., Cesevičiene J., et al. Phytochemical composition of temperate perennial legumes // Crop Pasture Sci. 2018. Vol. 69, No. 10. P. 1020–1030. DOI: 10.1071/CP18206

[14] Matanzas·N, Aff·E, Díaz·TE, Gallego JR. Phytoremediation potential of native herbaceous plant species growing on a paradigmatic brownfeld site. Water, Air, and Soil Pollution. 2021:232:290. DOI: 10.1007/s11270-021-05234-9

[15] Matanzas·N., Aff·E., Díaz·T.E., Gallego J.R. Phytoremediation potential of native herbaceous plant species growing on a paradigmatic brownfeld site // Water, Air, and Soil Pollution. 2021. Vol. 232. ID290. DOI: 10.1007/s11270-021-05234-9

[16] Grossgeim AA. Lyutserna — Medicago L. Komarova VL, Shishkin BK, editors. Flora SSSR. Vol. 11. Moscow, Leningrad: AN SSSR, 1945. P. 129–176. (In Russ.)

[17] Гроссгейм А.А. Люцерна — Medicago L. Флора СССР. T. 11 / под ред. В.Л. Комаровой, Б.К. Шишкина. Москва, Ленинград: АН СССР, 1945. С. 129–176.

[18] Sinskaya EN. Lyutserna — Medicago L. Kul’turnaya flora SSSR. Mnogoletnie bobovye travy. Vol. 13. Leningrad: Sel’khozgiz, 1950. P. 7–217. (In Russ.)

[19] Синская Е.Н. Люцерна — Medicago L. Культурная флора СССР. Многолетние бобовые травы. Т. 13. Ленинград: Сельхозгиз, 1950. С. 7–217.

[20] Medvedev PF. K voprosu o zhiznennoi forme Medicago lupulina L. Botanicheskii zhurnal. 1959;44(3):1496–1498. (In Russ.)

[21] Медведев П.Ф. К вопросу о жизненной форме Medicago lupulina L // Ботанический журнал. 1959. Т. 44, № 3. С. 1496–1498.

[22] Vitkus AA. Biologicheskie osobennosti i khimicheskii sostav lyutserny khmelevidnoi mestnoi populyatsii v Yugo-Vostochnoi Litve (Osobennosti rosta i razvitiya odno- i dvuletnikh rastenii). Trudy Akademii nauk Litovskoi SSR. Seriya V. 1987;(4):17–23. (In Russ.)

[23] Виткус А.А. Биологические особенности и химический состав люцерны хмелевидной местной популяции в Юго-Восточной Литве (Особенности роста и развития одно- и двулетних растений) // Труды Академии наук Литовской ССР. Серия В. 1987. № 4. С. 17–23.

[24] Stepanova GV. Economic importance of wild black medic (Medicago lupulina L.) of different ecological and geographic origin. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2009;166: 249–255. (In Russ.)

[25] Степанова Г.В. Хозяйственная ценность дикорастущих образцов люцерны хмелевидной (Medicago lupulina L.) различного эколого-географического происхождения // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2009. Т. 166. С. 249–255.

[26] Malysheva NYu. Biological diversity of black medic (Medicago lupulina L.). Vavilovia. 2021;4(4):28–37. (In Russ.) DOI: 10.30901/265838602021428-37

[27] Малышева Н.Ю. Биологическое разнообразие люцерны хмелевидной (Medicago lupulina L.) // Вавиловия. 2021. Т. 4, № 4. С. 28–37. DOI: 10.30901/265838602021428–37

[28] Stupakova NS, Tsutsupa TA. Biomorphs of Medicago lupulina L. Formation in the process of the ontogeny. Uchenye zapiski Orlovskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: estestvennye, tekhnicheskie i meditsinskie nauki. 2012;(6–1):181–188. (In Russ.)

[29] Ступакова Н.С., Цуцупа Т.А. Становление жизненной формы Medicago lupulina L. (сем. Leguminosae) в процессе онтогенеза // Ученые записки Орловского государственного университета. Серия: естественные, технические и медицинские науки. 2012. № 6–1. С. 181–188.

[30] Stepanova GV, Vorsheva AV. Formation of bicarpic populations of black medic. Kosolapov VM, Shpakov AS, Kutuzova AA, et al, editors. Mnogofunktsional’noe adaptivnoe kormoproizvodstvo. Sbornik nauchnykh trudov. Lobnya: Federal Williams Research Center of Forage Production and Agroecology, 2021. P. 9–20. (In Russ.) DOI: 10.33814/MAK-2021-25-73-9-20

[31] Степанова Г.В., Воршева А.В. Формирование бикарпических популяций люцерны хмелевидной. Многофункциональное адаптивное кормопроизводство. Сборник научных трудов / под ред. В.М. Косолапова, А.С. Шпакова, А.А. Кутузовой, и др. Лобня: Всероссийский научный центр кормопроизводства и агроэкологии имени В.Р. Вильямса, 2021. С. 9–20. DOI: 10.33814/MAK-2021-25-73-9-20

[32] Pavlov NV. Rastitel’noe syr’e Kazakhstana (Rasteniya: ikh veshchestva i ispol’zovanie). Moscow, Leningrad: Izdatel’stvo AN SSSR, 1947. 552 p. (In Russ.)

[33] Павлов Н.В. Растительное сырье Казахстана (Растения: их вещества и использование). Москва, Ленинград: Издательство АН СССР, 1947. 552 с.

[34] Vitkus AA, Ruzgene RYu, Aidzhyulene NV. Biologicheskie osobennosti i khimicheskii sostav lyutserny khmelevidnoi mestnoi populyatsii v Yugo-Vostochnoi Litve (Askorbinovaya kislota, karotin, tiamin, riboflavin, piridoksin, pantotenovaya i nikotinovaya kislota). Trudy Akademii nauk Litovskoi SSR. Seriya V. 1984;(2):18–23. (In Russ.)

[35] Виткус А.А., Рузгене Р.Ю., Айджюлене Н.В. Биологические особенности и химический состав люцерны хмелевидной местной популяции в Юго-Восточной Литве (Аскорбиновая кислота, каротин, тиамин, рибофлавин, пиридоксин, пантотеновая и никотиновая кислота) // Труды Академии наук Литовской ССР. Серия В. 1984. № 2. С. 18–23.

[36] Ermakov AI, Arasimovich VV, Yarosh NP, et al editors. Metody biokhimicheskogo issledovaniya rastenii. Leningrad: Agropromizdat, 1987. (In Russ.)

[37] Методы биохимического исследования растений / под ред. А.И. Ермакова, В.В. Арасимовича, Н.П. Яроша, и др. Ленинград: Агропромиздат, 1987.

[38] Wu X, Beecher GR, Holden JM, et al. Concentrations of anthocyanins in common foods in the United States and estimation of normal consumption. J Agric Food Chem. 2006;54(11):4069–4075. DOI: 10.1021/jf060300l

[39] Wu X., Beecher G.R., Holden J.M., et al. Concentrations of anthocyanins in common foods in the United States and estimation of normal consumption // J Agric Food Chem. 2006. Vol. 54, No. 11. P. 4069–4075. DOI: 10.1021/jf060300l

[40] Karayilanli E, Ayhan V. Investigation of feed value of alfalfa (Medicago sativa L.) harvested at different maturity stages. Legume Res. 2016;(39):237–247 DOI: 10.18805/lr.v0iOF.9292.

[41] Karayilanli E., Ayhan V. Investigation of feed value of alfalfa (Medicago sativa L.) harvested at different maturity stages // Legume Res. 2016. No. 39. P. 237–247 DOI: 10.18805/lr.v0iOF.9292.

[42] Pyatninskii DV. Urozhainost’ senokosno-pastbishchnykh sortov lyutserny izmenchivoi v odnovidovykh posevakh i travosmesyakh [dissertation]. 2018. 242 p. (In Russ.)

[43] Пятнинский Д.В. Урожайность сенокосно-пастбищных сортов люцерны изменчивой в одновидовых посевах и травосмесях: дис. … канд. сельскохоз. наук. 2018. 242 с.

[44] Kosolapova VG, Mussie SA. Nutritional value of alfalfa genotypes at various growth stages. Fodder Journal. 2020;(10):17–24. (In Russ.) DOI: 10.25685/KRM.2020.49.33.001

[45] Косолапова В.Г., Муссие С.А. Питательная ценность люцерны различных сортов в процессе роста и развития // Кормопроизводство. 2020. № 10. С. 17–24. DOI: 10.25685/KRM.2020.49.33.001

[46] Ignatiev SA, Regidin AA, Kravchenko NS, Goryunov KN. Estimation of the parameters of the ecological adaptability of the alfalfa samples according to the traits ‘green mass productivity’ and ‘raw protein percentage’. Grain Economy of Russia. 2021;(3):34–40. (In Russ.) DOI: 10.31367/2079-8725-2021-75-3-34-40

[47] Игнатьев С.А., Регидин А.А., Кравченко Н.С., Горюнов К.Н. Оценка параметров экологической адаптивности образцов люцерны по признакам «урожайность зеленой массы» и «содержание сырого протеина» // Зерновое хозяйство России. 2021. № 3. С. 34–40. DOI: 10.31367/2079-8725-2021-75-3-34-40

[48] Chupakhina GN. Sistema askorbinovoi kisloty rastenii: monografiya. Kaliningrad: Izdatel’stvo Kaliningradskogo universiteta, 1997. 120 p. (In Russ.)

[49] Чупахина Г.Н. Система аскорбиновой кислоты растений: монография. Калининград: Изд-во Калининградского университета, 1997. 120 с.

[50] Grigoryeva AA, Mironova GE. Content of Biologically Active Substances in the Forage Grasses of Central Yakutia Rangelan. Vestnik of North-Eastern Federal University. 2015;12(1):25–30. (In Russ.)

[51] Григорьева А.А., Миронова Г.Е. Содержание биологически активных веществ в кормовых травах пастбищных угодий Центральной Якутии // Вестник СВФУ. 2015. Т. 12, № 1. С. 25–30.

[52] Ptashats OV, Luchanok LN, Sizhuk LV. The content of structural and non-structural carbohydrates in plants of alfalfa, cultivated on agro-peat soils. Land Reclamation. 2020;(2):34–40. (In Russ.)

[53] Пташец О.В., Лученок Л.Н., Сижук Л.В. Содержание структурных и неструктурных углеводов в травостое люцерны посевной, возделываемой на агроторфяных почвах // Мелиорация. 2020. № 2. С. 34–40.

[54] Soldatova VV, Iyldyrym EA, Il’ina LA, et al. Mozhno li silosovat’ lyutsernu? Sel’skokhozyaistvennye vesti. 2016;(1):48–51. (In Russ.)

[55] Солдатова В.В., Йылдырым Е.А., Ильина Л.А., и др. Можно ли силосовать люцерну? // Сельскохозяйственные вести. 2016. № 1. С. 48–51.

[56] Pobednov YuA, Mamaev AA, Shirokorad MS, Osipyan BA. Biological sources of sugar, ammonia and butyric acid while wilting and ensiling alfalfa. Problems of productive animal biology. 2020;(1):79–90. (In Russ.) DOI: 10.25687/1996-6733.prodanimbiol.2020.1.79-90

[57] Победнов Ю.А., Мамаев А.А., Широкоряд М.С., Осипян Б.А. Биологические источники сахара, аммиака и масляной кислоты при провяливании, сенажировании и силосовании люцерны // Проблемы биологии продуктивных животных. 2020. № 1. С. 79–90. DOI: 10.25687/1996-6733.prodanimbiol.2020.1.79-90

[58] Nichiporovich AA. Fotosintez i teoriya polucheniya vysokikh urozhaev. Moscow: Izd-vo AN SSSR, 1956. 96 p. (In Russ.)

[59] Ничипорович А.А. Фотосинтез и теория получения высоких урожаев. Москва: Изд-во АН СССР, 1956. 96 с.

[60] Osipova VV. Pigmenty fotosinteticheskogo apparata sortov lyutserny (Medicago falcatа L., Medicago variа Martyn). Proceeding of the international science and practice conference: “Perspektivy razvitiya sovremennykh sel’skokhozyaistvennykh nauk”. Voronezh, 2014. P. 13–16. (In Russ.)

[61] 31. Осипова В.В. Пигменты фотосинтетического аппарата сортов люцерны (Medicago falcatа L., Medicago variа Martyn) // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции: «Перспективы развития современных сельскохозяйственных наук». Воронеж, 2014. С. 13–16.

[62] Gruner LA, Kuleshova OV. Number and ratio of photosynthetic pigments in blackberry leaves. Contemporary horticulture. 2018;(3):74–80. (In Russ.) DOI: 10.24411/2312-6701-2018-10311

[63] Грюнер Л.А., Кулешова О.В. Количество и соотношение фотосинтетических пигментов в листьях ежевики // Современное садоводство. 2018. № 3. С. 74–80. DOI: 10.24411/2312-6701-2018-10311

[64] Babova O, Occhipinti A, Capuzzo A, Maffei ME. Extraction of bilberry (Vaccinium myrtillus) antioxidants using supercritical/subcritical CO2 and ethanol as co-solvent. J Supercrit Fluids. 2016;107: 358–363. DOI: 10.1016/J.SUPFLU.2015.09.029

[65] Babova O., Occhipinti A., Capuzzo A., Maffei M.E. Extraction of bilberry (Vaccinium myrtillus) antioxidants using supercritical/subcritical CO2 and ethanol as co-solvent // J Supercrit Fluids. 2016. Vol. 107. P. 358–363. DOI: 10.1016/J.SUPFLU.2015.09.029

[66] Kong J-M, Chia L-S, Goh N-K, et al. Analysis and biological activities of anthocyanins. Phytochemistry. 2003;64(5):923–933. DOI: 10.1016/S0031-9422(03)00438-2

[67] Kong J.-M., Chia L.-S., Goh N.-K., et al. Analysis and biological activities of anthocyanins // Phytochemistry. 2003. Vol. 64, No. 5. P. 923–933. DOI: 10.1016/S0031-9422(03)00438-2

Funding

Министерство науки и высшего образования РФMinistry of Science and Higher Education of the Russian Federation(№ 075-15-2021-1050 от 28.09.2021)

RIGHTS & PERMISSIONS

Malysheva N.Y., Shelenga T.V., Solovyeva A.E., Malyshev L.L.