Научные статьи \ Математика. Естественные науки \ Биологические науки в целом \ Материальные основы жизни. Биохимия. Молекулярная биология. Биофизика

Вариабельность содержания вторичных метаболитов Achillea nobilis L. в условиях Южного Урала

Автор: Щербаков А.В., Бускунова Г.Г., Аминева А.А., Иванов С.П., Усманов И.Ю.

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Рубрика: Проблемы прикладной экологии

Статья в выпуске: 1-1 т.11, 2009 года.

Бесплатный доступ

Обсуждается изменчивость качественного состава и уровней накопления компонентов специализированного метаболизма у тысячелистника великолепного в условиях Башкирского Зауралья. Показано, что отдельные метаболиты могут синтезироваться и накапливаться в органах тысячелистника великолепного независимо один от другого: число зафиксированных методом ВЭЖХ метаболитов меняется от 14 до 19, и ни в одной ценопопуляции не зарегистрированы все метаболиты, которых обнаружено более 30.

Вторичные метметаболиты, южный урал

Короткий адрес: https://sciup.org/148198236

IDR: 148198236 | УДК: 577.125.528

Текст научной статьи Вариабельность содержания вторичных метаболитов Achillea nobilis L. в условиях Южного Урала

Известно, что биосинтез и накопление веществ специализированного обмена у растений отличаются чрезвычайной пластичностью [6, 8. 9]. Пластичность качественного и количественного состава накапливаемых специализированных веществ по современным представлениям связана с достаточной легкостью для растений их химической модификации в ходе метаболизма. Легкость же химической модификации обусловлена двойным контролем биосинтеза этих веществ — таксономическим и экологическим [8, 15-17].

В ответ на изменение условий среды растения зачастую запускают несколько адаптивных механизмов с не зависящей друг от друга динамикой [9]. Значительную роль при адаптации растений к меняющимся экологическим условиям играют и вещества специализированного обмена [2, 8, 10]. Поэтому накопление растениями отдельных компонентов специализированного обмена также может иметь независимый характер.

В свете вышесказанного можно предположить, что растения, произрастающие в условиях широких экологических градиентов, могут отличаться специфическими наборами

Аркадий Владимирович Щербаков, доцент кафедры физиологии растений; Гульсина Гильмановна Бускунова, аспирант кафедры экологии; Аниса Ахметсафеевна Аминева, доцент той же кафедры; Сергей Петрович Иванов, старший научный сотрудник; Искандер Юсуфович Усманов, заведующей кафедрой.

вторичных метаболитов в разных частях этих градиентов. Одним из таких видов тысячелистник благородный Achillea nobilis L. из семейства сложноцветные - перспективное лекарственное растение. Этот вид имеет широкое распространение в составе петрофит-ных сообществ на щебнистых и каменистых почвах [4], в сухих степях, на выбитых пастбищах и отвалах.

Хотя Achillea nobilis L. широко распространен на Южном Урале, сведений о биологии, экологии и химическом составе этого вида мало. Поэтому целью наших исследований являлось выявление вариабельности содержания вторичных метаболитов Achillea nobilis L. в условиях Южного Урала.

МЕТОДЫ

Образцы для химического анализа были собраны в 11 ценопопуляциях (ЦП) на территории Челябинской, Оренбургской областей и Республики Башкортостан в градиенте «Север-Юг» с расстоянием между крайними точками около 300 км.

Ценопопуляции исследованы в сообществах, которые, согласно результатам геоботанического анализа, варьировали от класса Molinio-Arrhennatheretea R. (Tx. 1937 em. R. Tx. 1970) — вторичные послелесные луга умеренной зоны Евразии, формирующиеся на месте широколиственных лесов на достаточно богатых незасоленных почвах, до класса Po-lygono-Artemisietea Austreaceae (Mirk. et al. in Mirk. et al. 1986) — сообщества, устойчивые к вытаптыванию и выпасу низкорослых

Polygono-Artemisietea Aus-treaceae

Рис. 1. Градиенты климатических условий расположения ценопопуляций Achillea nobilis.

ксерофитных растений степной зоны Восточной Европы. По данным геоботанического анализа, в сообществах с севера на юг нарастает ксерофитизация условий среды. Общий уровень антропогенной нагрузки в цено-популяциях оценивали по качественному и количественному составу сопутствующей травянистой растительности. Географически исследованные ценопопуляции расположены по градиенту «Север-Юг», но данные геоботанического описания местности позволили расположить ценопопуляции еще и по следующим критериям (рис. 1).

У Achillea nobilis были зарегистрированы 9 морфологических показателей: высота побега, толщина стебля, число, длина, ширина листьев, число сегментов I порядка, число корзинок и парциальных соцветий, диаметр цветка. Сбор, сушка и подготовка образцов к химическому анализу проводили по стандартной методике. Сумму флавоноидов определяли по реакции комплексообразования с хлоридом алюминия при X 415 нм в пересчете на рутин [3]. Содержание пигментов фотосинтеза определяли спектрофотометрически по стандартной методике [5]. Содержание рутина и кверцетина методом ВЭЖХ проводили в лаборатории органической химии Башкирского университета в системе растворителей 0,2% раствор трифторуксусной ки слоты (60%), и ацетонитрил (40%) при длине волны 360 нм.

Эфирные масла определяли методом гидродистилляции путем перегонки с водяным паром из растительного сырья с последующим измерением объема полученных веществ. Содержание масел и процентное содержание в них азуленов выражали в объемно-весовых процентах в пересчете на абсолютно сухое сырье [3].

Материалы были обработаны с применением пакета программ «Statistica 5.0».

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ показал, что содержание всех исследованных групп веществ существенно меняется во всех органах, в зависимости от условий произрастания растений (табл. 1). В табл. 2 показано разнообразие распределения по органам и динамики накопления отдельных веществ в исследованных ценопопуляциях A. nobilis . Все показатели химического состава существенно различаются у растений из разных ценопопуляций. Однако для пигментов фотосинтеза, рутина и кверцетина различия между цено-популяциями носят количественный характер. Ни по одному из этих веществ не зарегистрирован вариант «есть/нет»: перечисленные вещества в растениях синтезируются всегда, во всех частях экологического градиента.

Таблица 1

Вариабельность показателей содержания исследуемых веществ в органах тысячелистника благородного

Показатель	Размерность	Коэффициент изменчивости
Хлорофилл А	мг/г сухой массы	4
Хлорофилл В	мг/г сухой массы	3,27
Каротиноиды	мг/г сухой массы	2,58
Сумма флаваноидов в пересчете на рутин	мг/г сухой массы	3,26
Рутин	мг/г сухой массы	5,75
Кверцетин	мг/г сухой массы	40
Кол-во веществ, зарегистрированных ВЭЖХ		1,64
Содержание эфирных масел в листьях	% от общего кол-ва эфирных масел	1,93
Содержание эфирных масел в стеблях	% от общего кол-ва эфирных масел	4,28
Содержание эфирных масел в корнях	% от общего кол-ва эфирных масел	2,67
Содержание эфирных масел в соцветиях	% от общего кол-ва эфирных масел	1,61
Содержание азуленов в цветках	% от общего кол-ва эфирных масел	8,57
Содержание азуленов в листьях	% от общего кол-ва эфирных масел	2,08

Таблица 2

Сводные данные о содержании различных веществ в образцах тысячелистника _________ из Башкирского Зауралья, в мг/г. сухой массы ______________

Образец		Параметр
Образец		Хл. А*10^-2	Хл. В*10^-2	Карот .*10^-2	Сум. флав.	Рутин *10^-2	Кверцет.*10^- 2	Кол-во веществ, ВЭЖХ
	орган	Хл. А*10^-2	Хл. В*10^-2	Карот .*10^-2	Сум. флав.	Рутин *10^-2	Кверцет.*10^- 2	Кол-во веществ, ВЭЖХ
1.	соцв.	2.68	2.04	5.22	1.62	4.05	0.148	17
	лист	10.96	6.27	9.3	2.34	23.016	0.03	16
	стеб.	1.44	1.56	1.55	2.58	7.635	0.004	11
2.	соцв.	2.4	1.86	4.61	2.82	5.399	0.144	16
	лист	4.94	5.25	8.73	2.61	18.61	0.031	14
	стеб.	3.62	3.28	5.11	2.1	5.861	0.008	16
3.	соцв.	2.87	1.66	3.5	2.48	5.226	0.125	14
	лист	7.0	3.98	5.38	2.46	17.209	0.027	15
	стеб.	3.16	2.45	3.27	0.95	5.904	0.012	16
4.	соцв.	2.1	1.41	4.44	2.61	5.623	0.303	15
	лист	3.25	2.06	3.57	2.71	22.061	0.025	17
	стеб.	2.09	2.44	4.34	2.27	8.523	0.012	17
5.	соцв.	1.29	1.32	3.13	2.45	7.552	0.33	14
	лист	3.95	2.49	4.11	2.6	16.719	0.023	14
	стеб.	1.56	2.05	2.86	2.94	4.081	0.007	16
6.	соцв.	2.75	2.21	4.67	2.61	6.95	0.28	17
	лист	3.39	1.92	4.21	2.48	30.042	0.032	18
	стеб.	1.75	2.02	3.94	2.52	6.008	0.008	12
7.	соцв.	0.87	1.28	2.97	2.34	7.336	0.233	16
	лист	4.17	3.11	6.63	2.34	29.811	0.03	18
	стеб.	1.61	1.82	3.69	2.28	5.772	0.005	16
8.	соцв.	1.19	1.1	2.19	2.37	6.989	0.216	19
	лист	8.4	4.97	6.67	2.22	18.386	0.02	15
	стеб.	4.15	4.0	5.06	2.42	5.202	0.007	12
9.	соцв.	2.26	2.14	7.07	2.28	9.233	0.336	17
	лист	4.89	4.07	7.3	3.1	23.611	0.047	19
	стеб.	1.93	2.66	4.83	2.66	5.406	0.004	15
10.	соцв.	1.07	0.7	2.4	2.48	5.663	0.207	15
	лист	4.26	2.39	7.94	2.3	28.063	0.032	15
	стеб.	1.87	1.95	5.83	2.46	4.193	0.003	13
11.	соцв.	1.5	0.86	1.14	2.37	3.778	0.142	16
	лист	2.74	1.94	3.61	2.49	18.149	0.019	13
	стеб.	1.36	1.48	3.05	2.89	5.626	0.005	15

Примечание. Порядковые номера обозначают номер ценопопуляции (1-11), соцв. — соцветия, лист. — листья, стеб. — стебли.

Рис. 2. Пластичность химического состава соцветий тысячелистника, по данным ВЭЖХ

2 ценопопуляция 7 ценопопуляция

Рис. 3. Пластичность химического состава листьев тысячелистника по результатам ВЭЖХ

Иная картина наблюдается в спектрах накопления метаболитов в органах тысячелистника, регистрируемых с помощью ВЭЖХ (табл. 3; рис. 2-4). Общее количество веществ, зарегистрированных данным методом, составило в соцветиях — 29, в листьях — 34, а в стеблях — 20. При этом количество веществ, зарегистрированных в индивидуальных образцах, варьирует в соцветиях от 15 до 19, в листьях от — 13 до 19, в стеблях — от

11 до 17. Таким образом, не были обнаружены индивидуальные образцы, в которых бы наблюдалось накопление всех зарегистрированных веществ.

Количество метаболитов зарегистрированных методом ВЭЖХ, накопленных в отдельных соцветиях, варьировало в пределах от 52% до 65,5% от максимально возможного (табл. 3), у листьев этот показатель составил от 38,2% от до 55,9%, а у стеблей — от

55% до 85%. Таким образом, максимальная пластичность химического состава зарегистрирована у листьев, минимальная — у стеблей тысячелистника великолепного. Соцветия по этому показателю занимают промежуточное положение.

Рис. 4. Пластичность химического состава стеблей тысячелистника, по данным ВЭЖХ

Эфирные

в листьях; 71%

Эфирные масла в корнях;

Эфиные масла

Эфирные масла в стеблях; 9%

масла в соцветиях; 12%

Эфирные масла ^{Эфирные масла}

Эфирные масла в листьях - 79%

Образец 1 Образец 2

Рис. 5 Пластичность содержания эфирных масел в органах тысячелистника благородного в 2006 г.

Анализ качественного состава обнаруженных веществ позволил выявить стабильно встречающиеся в органах представителей разных ценопопуляций вещества, среди которых и были идентифицированы рутин и кверцетин. В соцветиях таких веществ было обнаружено 6, в листьях — 3 а в стеблях — 4. Остальные же вещества во всех органах отличались различной встречаемостью, от единичных случаев, до регистрации их у представителей 10 ценопопуляций из 11 исследованных. Данные, отражающие пластичность накопления веществ различными органами тысячелистника благородного, представлены на рис. 2-4.

По признакам содержания веществ, выделенных методом ВЭЖХ, проведен кластерный анализ степени сходства-различия между ценопопуляциями A. nobilis .

Результаты кластерного анализа общего содержания в целом по растению исследованных веществ у образцов, отобранных в 11 ценопопуляциях, представлены на рис. 6.

Выявлено что наибольшим сходством химического состава известных исследуемых веществ обладают образцы растений из 3-7 ценопопуляций.

Таблица 3

Данные о содержании веществ в соцветиях Achillea nobilis , полученные методом ВЭЖХ ____________________________________________ (сбор 2006 г.) ______________________________________

Время выхода вещества, минуты, секунды

ГО cT

о ГО

УЗ

гч

УЗ о

ГП

о го

УЗ УЗ

ГП

УЗ о

УЗ

о го

УЗ

о о

ОО

о о ©Г

о го

гч

гч"

о о

го

о о

К-во-во веще-ств

И S н

Рис. 6. Результаты кластерного анализа химического состава образцов из исследованных популяций по данным ВЭЖХ

Таким образом, концентрация в A. nobilis L. основных пигментов, суммы флавоноидов, кверцетина и рутина, а также эфирных масел в основном зависит от благоприятности условий произрастания. Однако следует учитывать, что в целом накопление отдельных метаболитов в различных органах отличается чрезвычайной пластичностью и не зависимостью друг от друга. Наибольшей вариабельностью химического состава отличаются листья тысячелистника, а наибольшей консервативностью — стебли. Соцветия по пластичности содержащихся в них специализированных метаболитов занимают промежуточное положение.

Список литературы Вариабельность содержания вторичных метаболитов Achillea nobilis L. в условиях Южного Урала

Аминева А.А., Баширова Р.М., Муртазина Ф.К., Янтурин С.И., Усманов И.Ю. Тысячелистник азиатский Achillea asiatica Serg в Зауралье. Уфа, Изд-во БашГУ, 2003.
Государственная фармакопея СССР. XI изд. М.: Медицина, 1990.
Адекенов С.М., Куприанов А.Н. и др. Возрастная динамика содержания сесквитерпеновых лактонов у Achillea nobilis L.//Растительные ресурсы. 1991. Т. 29, вып. 3.
Гамбарова Р.М., Мурзанова Т.В. Фотосинтез. Методические указания к лабораторным практическим занятиям по физиологии растений для студентов биологического факультета. Уфа: БашГУ, 1987.
Георгиевский В.П., Комиссаренко Н.Ф., Дмитрук С.Е. Биологически активные вещества лекарственных растений. Новосибирск: Наука, 1990.
Лепилина Л., Тырнова Т. Фитоаромапрофилактика и терапия -сохранение здоровья//Журн. «Ватандаш». 2006. Вып. 4.
Усманов И.Ю., Баширова Р.М., Янтурин С.И. Новые лекарственные вещества растительного происхождения: биология и перспектива поиска на Южном Урале//Вестн. АН РБ. 2000. Т. 5, № 4.
Усманов И.Ю., Рахманкулова З.Ф., Кулагин А.Ю. Экологическая физиология растений: Учебник. М.: Логос, 2001.
Щербаков А.В., Усманов И.Ю., Нуриев И.Ф. Биохимия вторичного метаболизма. Учебное пособие. Уфа: Изд-во БашГУ, 2001.
Anderson R.G. Single stem cut flower production of Salvia leucantha and Achillea millefolium in the Greenhouse//HortScience. June 1991. V 26.
Beth A. Fausey, Royal D. Heins and Arthur C. Cameron Daily Light Integral Affects Flowering and Quality of Greenhouse-grown Achillea, Gaura, and Lavandula//Hort Science. 2005. V. 40.
Beth A. Fausey, Royal D. Heins, and Arthur C. Cameron Daily Light Integral Affects Flowering and Quality of Greenhouse-grown Achillea, Gaura and Lavandula//Hort Science. February, 2005. V. 40.
Cline M.G., Agatep A.O. Temperature and photoperiodic control of developmental responses in climatic races of Achillea//Plant and Cell Physiol., 1970, V. 11, № 4.
Dembitsky V.M., Abu Ali H., Srebnik M. Synthesis of selected biologically active compounds via allylboration//Contemporary Aspects of Boron: Chemistry and Applications. 2005. Chapter 4.
Dembitsky V.M. Astonishing diversity of natural surfactants. 5. Biological active glycosides of aromatic metabolites//Lipids. 2005. V. 40.
Dembitsky V.M. (2006) Astonishing diversity of natural surfactants. 7. Biological active hemi-and monoterpenoid glycosides//Lipids. 2006. V. 41.
Figueiredo A.C., Salomé M.S. Pais Ultrastructural Aspects of the Glandular Cells from the Secretory Trichomes and from the Cell Suspension Cultures of Achillea millefolium L. ssp. millefolium//Ann. Bot. Aug 1994. V. 74.
Marini-Bettolo. G.P. Traditional medicine: A world survey on medicinal planand herbs//J. Ethnopharm.1980. V. 2.
McMurray R.L. Volatile oil of Achillea millefolium L.//Amer. J. Pharm. 1935. V. 107, № 1.
Raymond Kessler, Jr., Gary J. Keever. Plant Growth Retardants Reduce Peduncle Length of Achillea x Coronation Gold//Hort Science. July 1998. V. 33.
Zhang A.M., Armitage J.M., Affolter M.A. Dirr Environmental Control of Flowering and Growth of Achillea millefolium L. SummerPastels//Hort Science. June 1996. V. 31.

Еще