Физиолого-биохимическая оценка клубней Dioscorea alata L., выращенных на модифицированном ионообменном субстрате

Forcitations: Karasiova A.N. Physiological and biochemical evaluation of Dioscorea alata L. tubes cultivated on a modified ion-exchange substrate. Vegetable crops of Russia. 2021;(3):100-104. (In Russ.)

Н есмотря на большое количество синтетических лекарственных препаратов, используе- мых в современной медицине, интерес к лекарственным средствам народной медицины не исчез,а наоборот, в настоящее время возрождается, что в некоторой степени объясняется ростом аллергических реакций на прием синтетических препаратов,и часто неполной их метаболизацией. Известно, что применение средств растительного происхождения, прежде всего, объясняется их высокой биологической активностью. Химический состав растений стали изучать в конце 17-го века, а в конце 19-го века были выделены в чистом виде алкалоиды,гликози-ды, дубильные вещества, сапонины, флавоноиды, различные органические кислоты, витамины, жирные и эфирные масла, микроэлементы и другие. К наиболее важным биологически активным веществам растений относятся: флавоноиды, смолы, витамины, сапонины, алкалоиды, гликозиды, горькие вещества, пигменты и др. [1].

Биологически активные вещества (БАВ) – это органические природные, а также искусственно созданные соединения, которые оказывают разной степени специфическое воздействие на процессы в организме как человека и животных, так и растений. Растения содержат комплексы биологически активных веществ (их называют действующими веществами и используют при производстве лекарственных препаратов [2,3]), однако не все из них обладают терапевтическим и профилактическим действием.

Согласно литературным данным, в составе клубней интродуцента из тропической зоны Dioscorea alata L. содержатся витамины, углеводы, белки, алкалоиды, гликозиды [4].

В связи с этим целью работы являлось изучение влияния влажности и уровня минерального питания корнеобитаемой среды на накопление биологически активных соединений в клубнях растения диоскореи, адаптированной к условиям in vivo на ионообменном субстрате различного химического состава и агрофизических свойств.

Материалы и методы исследования

Объектами исследования служили растения диоскореи крылатой ( Dioscorea alata L.), что было обусловлено их ценными хозяйственными,фармако-логическими свойствами и декоративным экзотическим внешним видом.

Dioscorea alata L. – многолетняя травянистая лиана (см. рис. 1) имеющая крупные клубни, богатые биологически активными веществами и лекарственными субстанциями. Диоскорея крылатая культивируется в Юго-Восточной Азии. Стебли четырехугольные, с 4 продольно крылатыми, волнистыми зелеными или красноватыми выростами; зрелые стебли (у основания) цилиндрические и колючие. Листья, как правило, супротивные, иногда чередуются на быстрорастущих ветвях, кожистые, широкояйцевидные. Соцветия пазушные, цветки однопо-лые.Благодаря фиолетовой окраске листьев может быть ценным естественным источником пищевого красителя [2].

Рис. 1. Внешний вид Dioscorea alata L. В опытах Fig. 1. Appearance ofDioscorea alata L.

Черенки Dioscorea alata L. укореняли на биотехнических комплексах, установленных в закрытом помещении с искусственным освещением, на которых размещали пластиковые контейнеры размером 20x20 см² с вариантами модифицированного субстрата. Густота посадки черенков – по 5 шт. в контейнер. В качестве источника света использовали натриевые лампы ДНАТ-400, температуру поддерживали на уровне 20±2^oС [5].

Модификацию субстрата осуществляли путем внесения определенных концентраций различных гидрогелей марки ECOFLOC А-07 (КНР) в следующих вариантах: гидрогель без удобрений крупной (к/ф) и мелкой фракций (м/ф), гидрогель с бентонитом, гидрогель с гуматом, гидрогель К+ (вариант представляет собой полиакриламид на основе калия). Гель в набухшем состоянии в концентрациях 1,0 и 0,5 г/л вносили в субстрат с товарным знаком ТРИОНА® [6, 7]. Содержание сухого вещества в сыром растительном материале определяли методом сухого остатка [8].

Количество аскорбиновой кислоты оценивали спектрофотометрически по реакции с 2,6-дихлорфенолин-дофенолом [9].

Для количественного определения суммы флавоноидов использовали метод, основанный на реакции комплексообразования с алюминия хлоридом в среде с 95 %-ным этиловым спиртом. Сумму флавоноидов рассчитывали по удельному показателю поглощения гипер-озида (Государственный стандартный образец (ГСО) ВФС 42-1088-81) [10].

Анализ полученных результатов проводили в 3–5-кратной биологической и в 3-х аналитических повторностях. Для статистической обработки экспериментальных данных использовали прикладные пакеты программ STATISTICA 6.0 и статистические методы, применяемые для биологических исследований [11].

Результаты исследований и их обсуждение

Клубни получены в результате проведения полной вегетации растений диоскореи крылатой от укоренения черенков в условиях in vivo .

Период вегетации Dioscorea alata L. продолжается от 5-6 месяцев до 10-12 месяцев. В ходе исследований установлено, что период формирования клубней у Dioscorea alata L. в наших опытах составил 11 месяцев. Исходя из полученных данных наибольшая масса клуб-

Рис. 2. Масса клубней Dioscorea alata L.

Fig. 2. Mass oftubers Dioscorea alata L.

ней сформировалась в вариантах с гидрогелем к/ф, м/ф, бентонитом и гуматом в концентрации 1 г/л (в 3; 2;

• 1,5; 2 раза превышала значения того же показателя в контроле соответственно) и с гидрогелем к/ф, бентонитом и К+ в концентрации 0,5 г/л (в 1,4; 2; 2 раза выше контроля соответственно) (см. рис. 2, табл. 1).

Наименьшая масса клубней наблюдалась в варианте с добавлением 1 г К+. В остальных вариантах масса клубней несущественно превышала уровень контроля (рис. 2, табл. 1). Количественные характеристики полученных клубней представлены в табл. 1.

Таблица 1. Масса и количество клубней Dioscorea alata L. полученных на модифицированном ионообменном субстрате Table 1. Mass and number of Dioscorea alata L. tubers obtained on a modified ion-exchange substrate

Варианты опыта	Масса клубней, г	Кол-во клубней, шт
1 г к/ф	90,73±1,07	3,50±0,92
0,5 г к/ф	38,20±0,88	4,75±0,79
1 г м/ф	58,85±2,17	5,50±0,92
0,5 г м/ф	18,73±2,97	2,25±0,79
1 г бентонит	43,00±4,71	3,75±0,79
0,5 г бентонит	59,07±1,67	5,50±0,92
1 г гумат	52,16±2,68	2,75±0,79
0,5 г гумат	24,23±3,37	2,75±0,79
1 г калий	8,62±0,69	1,50±0,92
0,5 г калий	54,04±3,62	3,25±0,79
Контроль	27,46±2,96	1,50±0,92

Примечание: Р = 0,05

Наибольшее количество клубней Dioscorea alata L. сформировалось в вариантах с 0,5 г к/ф, бентонита 1 г м/ф, в варианте с 1 г К⁺ в количество клубней было на уровне контроля. В остальных вариантах количество клубней несущественно превышало уровень контроля.

Важной физиологической характеристикой зрелости клубней являлся показатель абсолютно сухой массы клубней и содержание крахмала как конечного запасающего продукта углеводного метаболизма (табл. 2).

Исходя из полученных данных, наибольшее содержание крахмала в клубнях Dioscorea alata L. накапливалось при добавлении 1 г к/ф (в 1,5 раза выше конт-

Таблица 2. Содержание крахмала в клубнях Dioscorea alata L.

Table 2. Starch content in Dioscorea alata L. tubers

Вариант опыта	Абсолютно сухая масса, %	Содержание крахмала, %
1 г к/ф	27,03 ± 0,11	21,28 ± 0,11
0,5 г к/ф	21,01 ± 0,97	15,26 ± 0,97
1 г м/ф	16,03 ± 0,43	10,28 ± 0,43
0,5 г м/ф	19,06 ± 0,52	13,31 ± 0,52
1 г бентонита	21,90 ± 0,68	16,45 ± 0,97
0,5 г бентонита	19,55 ± 0,23	13,80 ± 0,23
1 г гумата	22,17 ± 0,42	16,42 ± 0,42
0,5 г гумата	22,28 ± 0,46	16,52 ± 0,46
1 г калия	16,03 ± 0,63	10,48 ± 0,45
0,5 г калия	18,56 ± 0,08	12,81 ± 0,08
Контроль	20,30 ± 0,58	14,55 ± 0,56

Примечание: Р = 0,05

роля), а наименьшее – в вариантах с добавлением 1 г/л гидрогелей м/ф и К+. Учитывая, что в варианте с добавлением 0,5 г/л гидрогеля К+ происходит увеличение как сухого вещества, так и содержания крахмала, можно заключить, что клубнеобразование у растений диоскореи лимитировано избытком ионов калия. Избыток ионов наблюдался при внесении в оптимизированный по минеральному составу ионообменный субстрат Триона 1 г/л гидрогеля с К+, представляющего собой полиакриламид на основе калия. Известно, что для растений картофеля, содержание К+ в корнеобитаемой среде сильно влияет на урожай клубней этой культуры [12]. В остальных вариантах процент содержания крахмала незначительно превышал контрольные значения.

Лиана Dioscorea alata L. относится к лекарственным растениям, применяется при лечении многих заболеваний. Наиболее эффективно на организм человека воздействуют препараты из клубней растения, содержа- щие комплекс антиоксидантов – витаминов и флавоноидов, а также аналоги стероидных гормонов – сапонины [13].

Нами проведены исследования по определению суммарного содержания флавоноидов у вида Dioscorea alata L.

Известно, что биологическое действие флавоноидов разнообразно: они участвуют в регуляции окислительно-восстановительных процессов, стабилизации клеточных мембран, модуляции активности ферментов и рецепторов [14,15].

На сегодня определен спектр действия этих соединений в организме человека: капилляроукрепляющее, спазмолитическое, антистрессовое, противовоспалительное, антигрибковое, антибактериальное, противовирусное, противоязвенное, антитоксическое, антиаллергическое, антиатеросклеротическое [1]. Свойства флавоноидов обусловливают широкие возможности их использования в качестве лекарственных средств, не оказывающих, в отличие от синтетических аналогов, серьезных побочных эффектов.

Согласно полученным данным (рис. 3), общее содержание флавоноидов во всех вариантах значительно превышало аналогичный показатель в контроле (в 1,6–3,9 раза). При этом наибольшее содержание флавоноидов наблюдалось у растений, выросших на субстрате, модифицированном по влажности 1 г/л м/ф, 1 г/л бентонита и 0,5 г/л к/ф.

Следует отметить, что значительное увеличение суммарного содержание флавоноидов в клубнях Dioscorea alata L. наблюдается при модификации композиционного состава ионообменного субстрата ТРИОНА® путем добавления гидрогелей определенных концентраций.

Значимым соединением в антиоксидантной защите растений является аскорбиновая кислота – мощный антиоксидант, фактор защиты организма от последствий стресса. Значительное ее количество содержится в продуктах растительного происхождения. Клубни и корневища Dioscorea alata L. также богаты витамином С [3]. Накопление аскорбиновой кислоты в растениях зависит от температуры, освещенности, влажности и уровня минерального питания. Обеспеченность расте

Рис. 3. Суммарное содержание флавоноидов в клубнях Dioscorea alata L.: 1 – 1 г/л гидрогеля крупной фракции;2 – 0,5 г/л гидрогеля крупной фракции;3 – 1 г/л гидрогеля мелкой фракции;4 – 0,5 г/л гидрогеля мелкой фракции;5 – 1 г/л гидрогеля с бентонитом;6 – 0,5 г/л гидрогеля с бентонитом;7 – 1 г/л гидрогеля К+;8 – 0,5 г/л гидрогеля К+;9 – 1 г/л гидрогеля с гуматом;10 – 0,5 г/л гидрогеля с гуматом;К – контроль

Fig. 3. Totalflavonoids contentoftubers ofDioscorea alata L.:

1 – 1 g/lofcoarse hydrogel;2 – 0,5 g/lofcoarse hydrogel;3 - 1 g/loffine fraction hydro-gel;4 – 0,5 g/loffine fraction hydrogel;5 - 1 g/lhydrogelwith bentonite;6 – 0,5 g/lof hydrogelwith bentonite;7 - 1 g/lofthe hydrogelK +;8 – 0,5 g/lofhydrogelK +;9 - 1 g/l hydrogelwith a humate;10 – 0,5 g/lhydrogelwith a humate;K - control

Рис. 4. Содержание аскорбиновой кислоты в клубнях Dioscorea alata L.:

1 – 1 г/л гидрогеля крупной фракции;2 – 0,5 г/л гидрогеля крупной фракции; 3 – 1 г/л гидрогеля мелкой фракции;4 – 0,5 г/л гидрогеля мелкой фракции;5 – 1 г/л гидрогеля с бентонитом;6 – 0,5 г/л гидрогеля с бентонитом;7 – 1 г/л гидрогеля К+;8 – 0,5 г/л гидрогеля К+;9 – 1 г/л гидрогеля с гуматом;10 – 0,5 г/л гидрогеля с гуматом;К – контроль

Fig. 4. Ascorbic acid contentoftubers ofDioscorea alata L.:

1 – 1 g/lofcoarse hydrogel;2 – 0,5 g/lofcoarse hydrogel;3 -1 g/loffine fraction hydro-gel;4 – 0,5 g/loffine fraction hydrogel;5 - 1 g/lhydrogelwith bentonite;6 – 0,5 g/lof hydrogelwith bentonite;7 - 1 g/lofthe hydrogelK +;8 – 0,5 g/lofhydrogelK +;9 - 1 g/l hydrogelwith a humate;10 – 0,5 g/lhydrogelwith a humate;K - control

ний водой – не менее важный фактор, влияющий на синтез витаминов. В условиях водного стресса, а также с повышением дозы удобрений новообразование веществ в растениях замедляется, что приводит к снижению содержания аскорбиновой кислоты.

В связи с этим нами проведены исследования по определению содержания аскорбиновой кислоты в клубнях Dioscorea alata L . Наибольшее количество витамина С отмечено в клубнях, полученных на субстрате, модифицированном с 1 г/л к/ф, 1 г/л бентонита и 0,5

г/л к/ф (в 5 раз выше контроля), а наименьшее – в вариантах с использованием гидрогеля К+ (рис. 4).

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что наибольшее количество биологически активных веществ накапливается в условиях выращивания растений Dioscorea alata L. на субстрате, модифицированном путем добавления гидрогеля в концентрации 1 г/л к/ф и бентонита, а также 0,5 г/л к/ф, что наиболее стабилизирует ионообменный субстрат по влажности.

Выводы

Полученные результаты по содержанию продуктов первичного биосинтеза – аскорбиновой кислоты и продуктов вторичного синтеза – флавоноидов в клубнях диоскореи свидетельствуют о том, что их концентрация зависит от влажности субстрата.

По нашим данным, в вариантах с 1 г/л м/ф, 1 г/л бентонита и 0,5 г/л к/ф содержание аскорбиновой кислоты превышало контрольные значения в 7–8 раз.

Содержание флавоноидов во всех вариантах также значительно превышало аналогичный показатель в контроле (в 1,6–3,9 раза). При этом наибольшее количество флавоноидов наблюдали в вариантах с гидрогелями 1 г/л м/ф, 1 г/л бентонита, 1 г/л К+, 0,5 г/л к/ф и 0,5 г/л м/ф.

Таким образом, диоскорея крылатая содержит наибольшее количество крахмала, сухого вещества, аскорбиновой кислоты и флавоноидов при выращивании на модифицированном ионообменном субстрате (1 г/л к/ф). Полученные результаты могут быть использованы в разработке технологии выращивания диоскореи крылатой в закрытом грунте.

Об авторе:                                                          Aboutthe author: