Влияние эколого-географических условий на состав и содержание пигментов, полисахаридов, липидов и жирных кислот Ephedra distachya L

Институт экологии Волжского бассейна РАН, г. Тольятти

Исследовано влияние эколого-географических условий на состав и содержание пигментов, полисахаридов, липидов и жирных кислот вечнозеленого кустарничка Ephedra distachya L. Показано влияние локальных абиотических и природно-климатических факторов на химический состав растений. Высокая температура и низкая влажность почвы способствовали большему накоплению полисахаридов (ГЦ А и ВРПС). В составе ЖК растений произраставших в южном регионе снижалась общая ННЖК и увеличивалось содержание ТАГ. В то же время индивидуальный состав фосфо- и гликолипидов менялся мало. Ключевые слова: липиды, пигменты, полисахариды, жирные кислоты.

Растения рода Ephedra L. относятся к семейству Ephedraceae (хвойниковые) класса Gnetopsida отдела Pinophyta. Ephedra является единственным родом семейства и включает 67 видов. Высокий таксономический ранг, присвоенный монотипному семейству, свидетельствует о весьма древнем возрасте данного рода [1].

Ареал распространения растений Ephedra простирается от 26º з. д. до 97º в. д. и охватывает всю аридную зону от Молдавии до Алтая и Тувы. Произрастает на равнинах и предгорьях, приурочено к песчаным субстратам. В низкогорьях растет по щебнистым склонам и на галечниках, широко распространен в пустынях, полупустынях и степях [2]. Растения относятся к ксеро-фильным и полуксерофильным и адаптированы к жесточайшей экономии воды.

Ephedra distachya L. (эфедра двухколосковая) – вечнозеленый кустарничек высотой до 25 см. Особенностью данного вида, как и других представителей Ephedra , является отсутствие зеленых листьев, фотосинтетическую функцию осуществляют вечнозеленые побеги, которые со временем деревенеют и покрываются толстой корой [3].

Вечнозеленые виды растений, способные сохранять ассимилирующий аппарат в течение нескольких лет и постепенно заменять старые ассимилирующие органы молодыми, характерны для влажного тропического и субтропического климата. Они имеют эволюционно древний тип ритмики годичного роста и развития. В уме-

ренных и высоких широтах вечнозеленые растения переживают неблагоприятный зимний период, благодаря эволюционно сформированным механизмам – структурным и метаболическим. Для древесных хвойных видов показаны сезонная реорганизация тилакоидной системы хлоропластов, пигмент–белковых комплексов, количественные и качественные изменения пигментного фонда листьев [4]. Сезонные изменения пигментной системы выявлены также у зимующих под снежным покровом вечнозеленых кустарничков и травянистых растений [5].

Одни и те же виды развиваются в различной географической и экологической обстановке, в различных климатических и почвенных условиях, в разных фитоценозах. В то же время растения одного вида могут быть неодинаковы по внешнему облику, строению и экологическим особенностям [7]. Экстремальные климато-географические и экологические условия формируют неспецифический физиолого-биохимический потенциал растений, заключающийся в адаптивных структурных и метаболических перестройках [8].

Поскольку широкая экологическая амплитуда позволяют роду Ephedra занимать определенное положение и тип обитания в растительном сообществе, задачей исследования стало изучение изменчивости биохимических компонентов, отвечающих за функциональные и структурные свойства растений E. distachya , в различных эколого-географических условиях Среднего и Нижнего Поволжья.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Растительный материал отбирали на 4-х площадках в различных регионах Поволжья: Ульяновская обл. (П-1); Самарская обл. гора Лысая (П-2) и г. Могутова (П-3); Волгоградская обл.

(П-4). Характеристика условий произрастания растений приведены в табл. 1.

Растения отбирали в середине дня в июле 2015–2016 гг. Для каждого вида анализов использовали среднюю часть побегов эфедра двухколосковой, из усредненной массы составляли три биологические пробы по 0.2–4 г массы сырого сырья. Растительный материал фиксировали жидким азотом (при температуре -78ºС).

Содержание пигментов определяли в ацетоновой вытяжке (90%) на спектрофотометре «ПЭ–3000 УФ» («ПромЭкоЛаб», Россия) при λ 662, 645 и 470 нм. Для экстракции использовали 0,2-0,5 г сырой массы листьев [9]. Расчет концентрации хлорофиллов а, b и каротиноидов (Кар) производили по методу [10].

Содержание полисахаридов определяли по методу [11]. Полисахариды разделяли на водорастворимые (ВРПС), пектиновые вещества (ПВ), гемицеллюлозы А и Б (ГЦ А и ГЦ Б) [12].

Липиды экстрагировали смесью хлороформа и метанола (1:2, v/v) с одновременным механическим разрушением тканей. Разделение липидов осуществляли методом тонкослойной хроматографии (ТСХ) как описано ранее [13]. Количество фосфолипидов (ФЛ) определяли по содержанию неорганического фосфора, гликолипидов (ГЛ) и неполярных липидов (НЛ) – денситометрически (Денскан-04, Ленхром, Россия) [14]. Хроматограммы анализировали в режиме параболической аппроксимации по градуировочным зависимостям, используя моногалак-тозилдиацилглицерин (МГДГ) и трипальмитат в качестве стандартов. Общее содержание липидов рассчитывали, как сумму НЛ, ГЛ и ФЛ [15].

Жирные кислоты (ЖК) анализировали в виде их метиловых эфиров, которые получали кипячением в 5% растворе соляная кислота – метанол в течение 1 ч. Полученные зоны эфиров очищали препаративной ТСХ. Количество ЖК определяли методом ГЖХ на хроматографе Кристалл 5000.1 (Россия) в изотермическом режиме; капиллярная колонка «RESTEK» (США), длиной 105 м, диаметром 0,25 мм. Толщина пленки фазы в колонке 0,2 мкм. Температура колонки 180°С, испарителя и детектора – 260°С. Скорость тока газа-носителя (гелий) 2 мл/мин. ЖК идентифицировали с помощью 37 Comp. FAME Mix фирмы Supelko (США).

Данные в таблицах и рисунках представлены как среднее арифметическое со стандартной ошибкой.

Рис. 1. Картографическое обозначение мест отбора растений E. distachya в условиях Среднего и Нижнего Поволжья:

П-1 Ульяновская обл. д. Белогоровка; П-2, П-3 – Самарская обл. г. Лысая, г. Могутова; П-4 - Волгоградская обл. Биологическая балка

РЕЗУЛЬТАТЫ

Согласно данным табл. 1 растения эфедры двухколосковой способны произрастать в различных климатических и эколого-ценотических условиях Поволжья. По метеорологическим данным в июле среднесуточная температура воздуха в местах отбора растений варьировала от +24 до +36 оС. Значения рН водных вытяжек почвы равные 8,2 свидетельствуют о принадлежности почв к щелочному типу. В июле низкую влажность почвы регистрировали на площадках произрастания растений П-1 и П-4 (табл. 1).

Изменения в содержании зеленых и желтых пигментов фотосинтетического аппарата позволяет оценить способность растений приспосабливаться к комплексу природно-климатических условий. На рисунке 2 показано, что содержание как суммарных, так зеленых пигментов у всех растений на данной стадии вегетации было практически равным. В то же время у растений П-1 отношение Хл/Кар было на 15-20% больше по сравнению с растениями, произрастающими в других условиях. Наименьшее в сравнении с другими растениями отношение Хл а/б у растений П-1 свидетельствует о большей доле светособирающего комплекса в фотосинтетическом аппарате, а значит и об отличиях его структуры. Как известно уровень инсоляции не одинаков в разных участках поверхности Земли и уменьшается с увеличением географической широты в связи со снижением высоты солнцестояния [16]. Широтные изменения режима солнечной ради- ации могут отражаться на пигментной системе листьев, от эффективности работы которой напрямую зависит фотосинтетическая продуктивность растений. Адаптация к режиму инсоляции может затрагивать как содержание фотосинтетических пигментов, так и соотношение их форм.

Кроме того известно, что максимальный фотосинтез у большинства надземных растений достигается при небольшом водном дефиците [17], что также может стать причиной повышенного содержания пигментов, обнаруженное у растений П-1.

В целом, данные пигментного фонда эфедры двухколосковой свидетельствуют о достаточно постоянном количественном уровне пигментов, но изменчивом соотношении Хл/Кар и Хл а/б в различных природно-климатических условиях.

В растениях синтезируется два класса полисахаридов - структурные и запасные. К структурным полисахаридам относятся целлюлоза, гемицеллюлоза и пектиновые вещества. Они необходимы для образования клеточных стенок, следовательно, их синтез должен происходить во всех частях растения, где происходит рост тканей. Также они синтезируются в тех случаях, когда образуют временный или постоянный запас связанного углерода и энергии [18]. В эфедре, произраставшей на участках П-1 и П-4, количество полисахаридов в среднем было выше в 1,2 раза, чем в растениях П-2 и П-3, главным образом за счет высокого содержания ГЦ А и ВРПС (Рис. 3). Из литературных данных известно, что гемицеллюзы и другие нецеллюлозные полисахариды обладают повы-

Таблица 1. Характеристика среды произрастания E . distachya

Параметры	П-1	П-2	П-3	П-4
Температура, °C	+ 27	+24	+24	+ 36
pH почвы	8,2	8,2	8,2	8,2
Влажность почвы, %	4,1	58,4	54,0	5,9
Эколого-ценотическая приуроченность	Степь луговая	Степь луговая	Степь каменистая	Степь луговая

Рис 2. Содержание пигментов в растениях E. distachya :

П-1 Ульяновская обл. д. Белогоровка; П-2, П-3 - Самарская обл. г. Лысая, г. Могутова;

П-4 - Волгоградская обл. Биологическая балка

шенной адсорбционной способностью, которая обусловлена их аморфным строением, благодаря чему практически все гидроксильные группы доступны молекулам воды. В местах произрастания растений П-1 и П-4 влажность почв была самой низкой. Таким образом, высокое содержание ГЦ А и ВРПС вероятно способствует запасанию воды в условиях ее дефицита.

Кроме полисахаридов структурную функцию в клетке выполняют липиды, входящие в состав мембран. К таким липидам относятся ФЛ и ГЛ. Большая часть компонентов нейтральных липидов (НЛ) служат метаболическим и энергетическим резервом. Общее содержащих ГЛ, ответственных за структуру мембран тилакоидов, варьировало от 10,4 до 27,2 мг/г сухой массы в зависимости от условий. При этом их максимум отмечали в растениях П-3, произрастающих в условиях луговой степи и высокой влажности почвы (57% от суммы липидов) (рис. 4 А). В побегах растений каменистых степей (П-2) при равных условиях увлажнения почвы вклад ГЛ в общий пул липидов был меньше в 2,5 раза. В условиях умеренно континентального (П-1) и засушливого климата (П-4) при низкой влажности почвы вклад ГЛ также был ниже, чем в растениях П-1.

Доля ФЛ составляла 2,9-20,8 мг/г сухой массы и менялась в зависимости от места сбора растений. Максимальное содержание ФЛ отмечено в растениях, произраставших в условиях каменистой степи. Наибольшее содержание НЛ отмечали в растениях луговых степей П-1 и П-3 (34,2 мг/г и 33,2 мг/г сухой массы, соответственно).

Качественный состав полярных липидов представлен следующими компонентами: мо-ногалактозилдиацилглицерин (МГДГ), дигалак-тозилдиацилглицерин ДГДГ, сульфохиновозол-диацилглицерин СХДГ, фосфатидилхолин (ФХ), фосфатидилэтаноламин (ФЭ), фосфатидилгли-церин (ФГ), фосфатидилинозит (ФИ). В соотношении индивидуальных ГЛ отмечен более высокий уровень МГДГ, превышающий содержание

ДГДГ у растений, приуроченных к мезофитным условиям луговой степи. Преобладание ДГДГ в составе ГЛ, как правило, характерно для растений, обитающих в более ксерофитных условиях (рис. 4 В). Во фракции ФЛ, также как и в случае ГЛ, отмечено более высокое содержание ФХ для растений П-2, обитающих в ксерофитных условиях каменистой степи (рис. 4 Б).

Среди индивидуальных компонентов НЛ наиболее значимыми являются стерины (СТ), которые входят в состав мембран, а также триа-цилглицерины (ТАГ) и диацилглицерины (ДАГ), представляющие собой энергетический и метаболический резерв клетки. Побеги растений П-4 были в большей степени обогащены ТАГ, что может быть связано с необходимостью запасания органического углерода для обеспечения биосинтетических процессов в более суровых условиях засушливого климата (рис. 4 Г).

ЖК являются важным элементом в мембране клетки и определяют ее подвижность. Состав ЖК липидов растений включал 10 компонентов (рис. 5). Длина их углеродных цепей составляла от 12 до 24 атомов. На кислоты С16 и С18 ряда приходилось более 90%. Содержание насыщенных ЖК (НЖК) варьировало от 30,7 до 37,9 % от суммы ЖК. Основной НЖК являлась пальмитиновая кислота (С 16:0), ее содержание составляло 19,7-22,8%. Доля стеариновой кислоты (С18:0) не превышала 5%, при этом низкие значения были отмечены у растений П-1 (2,5%). Следует отметить, что арахиновая (С20:0) и бегеновая (С22:0) кислоты присутствуют в фотосинтетических тканях практический у всех голосеменных в отличие от покрытосеменных растений [19]. Растения П-2 и П-3 характеризовались высоким содержанием С20:0 и С22:0 кислот, а также лигноцериновой кислоты (С24:0, более чем в 2 раза) по сравнению растениями П-1 и П-4.

Суммарное содержание ненасыщенных ЖК (ННЖК) составляло от 54,9 до 59,7 %. Среди ННЖК были идентифицированы олеиновая (С18:1 ю 9), цис-вакценовая (С18:1 ю 7), линолевая

Рис. 3. Состав полисахаридов в растениях E. distachya в зависимости от условий произрастания. Обозначения как на рис. 1

Рис. 4. Соотношение и индивидуальный состав липидных компонентов растений E. distachya . П-1 Ульяновская обл. д. Белогоровка; П-2, П-3 – Самарская обл. г. Лысая, г. Могутова;

П-4 – Волгоградская обл. Биологическая балка.

А – соотношение липидных групп; Б – индивидуальный состав ГЛ;

В – индивидуальный состав ФЛ; Г –индивидуальный состав НЛ

Рис. 5. Содержание жирных кислот E. distachya:

П-1 Ульяновская обл. д. Белогоровка; П-2, П-3 – Самарская обл. г. Лысая, г. Могутова;

П-4 - Волгоградская обл. Биологическая балка

(С18:2 ω 6) и α -линоленовая (С18:3 ω 3) ЖК. Анализ данных показал разнонаправленные изменения в содержании кислот. Так в составе ЖК растений П-1 и П-2 доминировала С18:3 ω 3 (33,2 и 32,0%, соответственно). Концентрация С18:2-6 составляла 16,0 и 13,7%. В то время как в растениях П-3 и П-4 содержание этих кислот было практически равным. Во фракции ЖК растений П-2 и П-3 была идентифицирована цис-вакценовая ЖК (18:1 ω 7) в концентрации 1,2–1,3%, которая отсутствовала в растениях эфедры П-1 и П-4. В этих же образцах содержание С18:1 ω 9 было 1,5 раз выше, чем в П-2 и П-3.

Таким образом, проанализирован состав и содержание компонентов в растениях эфедры двухколосковой в разных эколого-географических условиях Среднего и Нижнего Поволжья. В частности исследовано влияние географического положения, климатических и фитоценологических особенностей, а также локальных абиотических факторов среды произрастания на содержание пигментов, полисахаридов, липидов и ЖК. Исходя из полученных данных можно отметить, что локальные абиотические факторы оказывают большее влияние на содержание и состав липидов и полисахаридов. Так, высокая температура и низ- кая влажность почвы способствовали большему накоплению ГЦ А и ВРПС у растений, произраставших в Ульяновской и Волгоградской областях. С изменением природно-климатических условий связанно изменения в содержании пигментов, ЖК и НЛ. В частности в составе ЖК растений, произраставших в южном регионе, снижалась их ненасыщенность и увеличивалось содержание ТАГ.