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
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
И
О
О
О
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 |
|||||||
Хл. А*10-2 |
Хл. В*10-2 |
Карот .*10-2 |
Сум. флав. |
Рутин *10-2 |
Кверцет.*10- 2 |
Кол-во веществ, ВЭЖХ |
||
орган |
||||||||
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
О ГО cT |
о V3 о |
о ГО |
УЗ гч |
УЗ о ГП |
о го |
УЗ УЗ ГП |
УЗ о |
о |
о |
о УЗ |
о го УЗ |
о |
о |
о о |
о ОО |
о о ©Г |
о о |
о о |
о |
о го |
о гч |
о гч" |
о о го |
о го |
о о |
о |
о |
К-во-во веще-ств |
|
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
17 |
||||||||||||
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
16 |
|||||||||||||
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
14 |
|||||||||||||||
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
15 |
||||||||||||||
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
14 |
|||||||||||||||
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
17 |
||||||||||||
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
16 |
|||||||||||||
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
17 |
||||||||||||
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
16 |
|||||||||||||
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
19 |
||||||||||
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
15 |
||||||||||||||
И S н & |
а у |

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.