Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Изучение аккумуляции селена и влияния его на накопление первичных и вторичных метаболитов в лекарственном и эфирно-масличном сырье

ВАК РФ 06.01.06, Овощеводство

Автореферат диссертации по теме "Изучение аккумуляции селена и влияния его на накопление первичных и вторичных метаболитов в лекарственном и эфирно-масличном сырье"

На правах рукописи

Соловьёва Анна Юрьевна

ИЗУЧЕНИЕ АККУМУЛЯЦИИ СЕЛЕНА И ВЛИЯНИЯ ЕГО НА НАКОПЛЕНИЕ ПЕРВИЧНЫХ И ВТОРИЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ В ЛЕКАРСТВЕННОМ И ЭФИРНО-МАСЛИЧНОМ СЫРЬЕ

06.01. 06 - луговодство и лекарственные, эфирно-масличные культуры

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Москва - 2014 005551796

005551796

Работа выполнена на кафедре виноградарства и виноделия в ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А.Тимирязева».

Научный руководитель Официальные оппоненты:

Ведущее учреждение

доктор сельскохозяйственных наук, доцент Маланкина Елена Львовна Абизов Евгений Анатольевич доктор фармацевтических наук, доцент, Первый московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова, доцент кафедры ботаники Гончаров Андрей Владимирович кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Российский государственный аграрный заочный университет, доцент кафедры плодоовощеводства им. М.В. Алексеевой ФГАОУ ВПО Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Защита состоится 24 июля 2014 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 006.022.01 при ГНУ Всероссийском научно-исследовательском институте овощеводства по адресу: 140153, Московская область, Раменский район, д. Верея, строение 500, ВНИИО. Тел./факс (496)462-43-64; E-mail: vniioh@yandex.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института овощеводства и на сайте www.vniioh.ru

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь 0

диссертационного совета Девочкина Наталия Леонидовна

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время в связи с ухудшающейся экологией и постоянными стрессами для большей части населения земного шара возрастает роль функциональных продуктов. В последние годы появились исследования о роли микроэлементов вообще и селена в частности в предотвращении оксидативного стресса в организме. Дефицит микроэлемента селена может привести не только к снижению продуктивности сельскохозяйственных культур, но и к возникновению дефицита селена в организме животных и человека. Растения, получая селен из почвы, преобразуют его как в неорганические соединения (селениты, селенаты и др.), так и в органические (аминокислоты и белки). Эти соединения аккумулируются в клеточных стенках и являются основным источником селена для животных и человека (H.A. Голубкина, Т.Т. Папазян, 2006).

Одним из путей повышения селенового статуса человека является включение в рацион продуктов, обогащенных этим элементом, в том числе и лекарственных растений. Подобные продукты более эффективны при употреблении, чем синтетическая форма селена, т.к лучше усваиваются организмом. Показательно, что в последние годы отношение клиницистов к лекарственным растениям кардинальным образом изменилось: подчеркивается важность последних в сохранении и поддержании здоровья населения (Н.Ф. Ключникова, 2009)

Проведенными научными исследованиями определена способность накапливать селен для ряда овощных и зерновых культур. Однако до настоящего времени не охвачен широкий ассортимент лекарственных и ароматических растений. В рационе человека лекарственные травы наиболее применимы в виде фиточаев (сборов) и биологически активных добавок (БАД). Поэтому чрезвычайно актуален вопрос о способности основных лекарственных и эфирно-масличных видов, применяемых в нашей стране, аккумулировать селен, важно выяснение его локализации в растении и взаимосвязи с накоплением биологически активных веществ (БАВ) таких, как эфирное масло, флавоноиды, каротиноиды и др. в лекарственном сырье. Выяснение этого вопроса позволит сформулировать рекомендации для производства по технологии обогащения и дозировке применяемого сырья.

Цель исследований. Изучение особенностей аккумуляции селена лекарственными и ароматическими растениями, распределение по органам растения и влияние его внесения на содержание первичных и вторичных метаболитов для создания функциональных продуктов и биологически активных добавок (БАД).

При осуществлении поставленной цели решались следующие задачи:

1. Проанализировать влияние погодных условий на интенсивность накопления селена в культурах и его влияние на урожайность.

2. Провести скрининг лекарственных и ароматических растений различных семейств на предмет способности к накоплению селена.

3. Выявить видовые и сортовые особенности накопления селена в культурах.

4. Изучить распределение селена по органам растения.

5. Определить взаимосвязь между обогащением селеном и накоплением других биологически активных веществ в растении.

Научная новизна. Впервые в условиях Нечерноземной зоны России проведён скрининг 22 видов лекарственных и ароматических растений 7 семейств на их способность к накоплению селена. Установлено, что изучаемые растения условно относятся к 3 группе растений по накоплению селена (до 1,0 мг/кг сухого вещества). Выявлена видо- и сортоспецифичность в пределах одного семейства в аккумуляции селена. Подтверждено, что представители семейства луковых (Alliaceae) при обогащении активно аккумулируют селен, что связано с наличием серосодержащих гликозидов, в которых при избытке этого элемента происходит замена серы на атом селена. Обнаружено, что в пределах вида формы и сорта, содержащие антоцианы при обогащении почвы селеном, способны накапливать этот элемент существенно больше чем растения, не содержащие эту группу флавоноидов.

Практическая значимость. На основании проведённых исследований составлен перечень культур, которые можно использовать как продукты, обогащенные селеном (подорожник большой, змееголовник молдавский, тимьян ползучий, зверобой продырявленный, ромашка аптечная, мальва лесная, лук медвежий и лук победный). Выявлено, что в засушливые жаркие годы увеличивается способность к аккумуляции селена у ряда растений (подорожннк большой var. atropurpúrea (3886 мкг/кг), душица обыкновенная (3777 мкг/кг), укроп пахучий (4140 мкг/кг), шалфей лекарственный (3705 мкг/кг), змееголовник молдавский (4126 мкг/кг). Предложено тщательно контролировать содержание селена в сырье после обогащения, прежде всего в годы с повышенными среднесуточными температурами и сильным водным дефицитом. Показано отсутствие взаимосвязи накопления селена с хлорофиллом и другими веществами первичного и вторичного метаболизма (эфирными маслами, флавоноидами и т.д). Выявлена отрицательная корреляция (г = -0,65) между содержанием селена и аскорбиновой кислоты у рода Allium. Накоплении селена в сырье мяты перечной имеет прямую зависимость (г = 0,97) от количества сухого вещества в сырье. Коэффициент аккумуляции селена у календулы лекарственной тесно связан с содержанием такового в сырье (г = 0,95) - чем меньше его в сырье в контроле, тем больше его накапливается при дополнительном внесении.

Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации доложены на Международной научной конференции молодых ученых и специалистов, (Москва, РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева, 2011, 2012 гг.).

Публикация результатов исследований. Результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах, из них 3- в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 148 страницах компьютерного текста. Состоит из введения, 6 глав, выводов, предложений производству, приложений. В основной части работа содержит 20 таблиц и 12 рисунков. Библиографический список включает 218 источников, в том числе — 65 иностранных авторов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Видо- и сортоспецифичность накопления селена растениями.

2. Зависимость аккумуляции селена от погодных условий.

3. Влияние внесение селена на урожайность и содержание первичных и вторичных метаболитов в сырье.

4. Влияние антоцианов на аккумуляцию селена растениями.

Автор выражает глубокую признательность профессору, доктор с.-х. наук Надежде Александровне Голубкиной за ценные советы и большую помощь при проведении химических анализов.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Условия и методика проведения исследований

Исследования проводили в период с 2009 г. по 2012 г. на плодовой опытной станции РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева и в Ботаническом саду ВИЛАР (брали образцы на анализ). Характеристика почв опытных участков: почва фармакопейного участка ботанического сада ВИЛАР по гранулометрическому составу представлена тяжёлыми суглинками со следующими агрохимическими показателями: содержание гумуса - 1,6 %; подвижного Р2О5 —180,0 мг/кг; обменного КгО - 160,0 мг/кг; рНы — 6,2. Содержание селена в почве составляло 56 мкг/кг почвы. На опытной плодовой станции почва пахотного слоя по гранулометрическому составу — среднесуглинистая, хорошо оструктурена, со следующими агрохимическими показателями: содержание гумуса — 2,9 %; подвижного Р20з — 240 мг/кг; обменного К20 - 180 мг/кг; рНкс| - 6,5. Содержание селена в почве составляло 50 мкг/кг почвы.

Объектами исследований являлись: базилик огородный, душица обыкновенная, змееголовник молдавский, иссоп лекарственный, лаванда узколистная, мелисса лекарственная, монарда двойчатая, мята перечная, тимьян ползучий, шалфей лекарственный, тмин обыкновенный, укроп пахучий, фенхель обыкновенный, арника облиственная, календула лекарственная, ромашка аптечная, зверобой продырявленный, подорожник большой, лук победный, лук медвежий, мальва лесная.

Метеорологические условия за годы исследований характеризовались большим разнообразием. Температурные показатели в летний период 2009 и 2012 года были в пределах нормы или несколько ниже для северного и южного района Москвы. В 2010 и 2011 года отличались высокими температурными показаниями и устойчивой засухой на протяжении вегетационного периода с пониженным количеством осадков.

Исследования проводили в полевом опыте заложенным методом организованных повторений в 4-х кратной повторности, на делянках с учетной

площадью от 1 до 2 м2, в соответствии с рекомендациями ВИЛАР (Н.И. Майсурадзе и др., 1984).

Селенат натрия вносили в начале вегетации у растений многолетних видов и в фазе 3-4 настоящих листьев у однолетних видов в виде раствора в концентрации 0,02 г/10 л воды под корень из расчёта 2 л/м2. Контрольные растения одновременно поливали водой.

Уборку сырья проводили в соответствии с установленными требованиями к каждой культуре. После уборки анализировали структуру урожая и высушивали образцы до воздушно- сухого состояния.

Исследования проведены в опытах:

Опыт 1. Изучение влияния селена на урожайность и продолжительность фенологических фаз.

Опыт 2. Изучение способности представителей различных семейств к аккумуляции селена (22 растения из 7 семейств).

Опыт 3. Изучение влияния сортовых особенностей на накопление селена в сырье. Опыт проводили на 7 сортах календулы лекарственной, 20 сортах базилика и 5 сортах мяты перечной.

Опыт 4. Опыт проводили на иссопе лекарственном. Были предусмотрены следующие варианты: применения циркона, ферровита и мочевины в различных сочетаниях.

Опыт 5. Изучение влияния обогащения селеном на накопление хлорофилла, первичных (полисахариды, аскорбиновая кислота) и вторичных (эфирное масло, флавоноиды и др.) метаболитов в сырье. Вариантами опытов являлись исследованные в опыте 2 культуры и в опыте 3 - сорта.

Методы исследований. При проведении полевых и лабораторных исследований использовались общепринятые методы: фенологические наблюдения проводили в соответствии с рекомендациями ГБС РАН (Методика фенологических наблюдений в Ботанических садах СССР, 1979); определение содержания гумуса - ГОСТ 26213-91; величины рН солевой вытяжки почвы -по ГОСТ 26483-85; подвижного фосфора - по ГОСТ 26207-91; обменного калия - по ГОСТ 26207-91 содержание селена определяли флуориметрически по МУК 4.033.11.95; эфирное масло определяли методом гидродистилляции по Гинзбургу (ГФ XI, 2003); флавоноиды определяли в водно-спиртовой вытяжке (70%) на спектрофотометре при длине волны 535 нм (Б.П. Плешков,1985); полисахариды гравиметрическим способом (ГФ XI, 2003); каротиноиды определяли на спектрофотометре согласно Руководству Р 4.1.1672-03. Часть показателей определяли в свежем сырье: аскорбиновая кислота — ГОСТ Р 53693-2009; хлорофилл определяли спектрофотометрическим методом при длине волны 665 нм (Б.П. Плешков,1985). Статистическую обработку результатов исследований проводили по Б.А. Доспехову (1985).

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1. Влияние внесения селената натрия на урожайность сырья и сроки

наступления уборки

На многих лекарственных, пряно- вкусовых культурах применение удоб-

е

рений, стимуляторов роста изменяет продолжительность отдельных фенологических фаз и урожайность культур (Г.Б. Демьянова- Рой, 2008). В связи с этим в 2009...2011гг. нами были изучены представители семейств яснотковые, сельдерейные и астровые по данным показателям. Внесение селена в почву не оказало существенного влияния на урожайность и продолжительность фенологических фаз у изученных нами семейств, за исключением семейства астровые (в частности, календула лекарственная и ромашка аптечная). Наступление цветения у растений этого семейства отмечалось на 7... 10 дней раньше, чем без внесения селена, что позволило получить на одно число сборов соцветий больше.

3.2. Аккумуляция селена растениями различных семейств и влияние

погодных условий

Все растения в природных экосистемах по способности к аккумуляции селена условно разделены на три группы (В.А. Вихрева, 2001;Т.В. Клейменова, 2007). К первой группе относятся растения, которые способны накапливать в себе селен в 100... 1000 раз больше, чем его содержится в почве (200 мг/кг до 1000... 15000 мг/кг сухой массы), растения второй группы обычно накапливают в себе селен от 3-х до 10 раз больше, чем его содержится в почве (от 1,0 до 200 мг/ сухой массы), третья группа растений, самая многочисленная, обычно накапливает селена в 1...2 раза меньше, чем его содержится в почве — 0,1... 1,0 мг/кг сухого вещества (М.А.Флоринский с соавт.,1992; А.Ф. Блинохватов, 2001; Т.В. Клейменова, 2007; О.С. Зуева, 2009).

Источники литературы свидетельствуют о том, что большая часть возделываемых сельскохозяйственных культур относится к III группе (М.А.Флоринский и соавт., 1992; А.Ф. Блинохватов, Г.В.Денисова, 2001) и их необходимо обогащать селеном для последующего попадания его в рацион человека и животных (В.А. Вихрева и соавт.,2011). Исходя из этой градации, исследуемые нами растения относятся к III группе. Исключением может, является подорожник большой var. Atropurpurea, который можно отнести к растениям II группы после обогащения селеном.

В результате изучения накопления селена в растениях различных семейств в течение 4-х лет нами отмечено, что нет однозначно лидирующего семейства по накоплению селена. Растения в семействах не однородны по способности к аккумулированию селена, есть виды, которые обладают высокой, средней и низкой способностью к его накоплению. Тем не менее, можно выделить семейство луков, у которых большая часть представителей являются растениями — аккумулянтами. Замещение серы на селен будет общей закономерностью для растений, которые имеют в своем составе большое количество серосодержащих соединений (JI.E. Амплеева, 2011). Выделился ряд растений, которые обладают высокой способностью к аккумулированию селена при его дополнительном внесении. К ним относятся змееголовник молдавский (коэффициент аккумуляции 13...67), тимьян ползучий (8...26), зверобой продырявленный(8...28), ромашка аптечная(4...49), укроп пахучий(5...68).

Таблица 1 - Содержание и накопление селена в сырье лекарственных и

эфиромасличных растений, мкг/кг

Вид 2009г 20 Юг 2011г 2012г

Контроль КА Контроль КА Контроль КА Контроль КА

Селенат натрия Селенат натрия Селенат натрия Селенат натрия

Lamiaceae

Душица обыкновенная-Origanum vulgare L (трава) 59±1 6 115±1 33 117±0,7 21 50±1 6

350±4 3777±2 2435±2 312±1

Змееголовник молдавский -Dracocephalum moldavica ¿.(трав 33±1 14 69±0,4 60 58±1,0 67 36±1 12

446±1 4126±1 3867±1,5 440±0,7

Иссоп лекарственный-Hyssopus officinalis ¿.(трава) 78±1 3 96±0,6 13 54±1 12 82±0,7 3

256±4 1286±1,3 630±2 249±0,7

Лаванда узколистная-Lavandula angustifolia Mill.(соцветия) 114±1 4 76±0,4 15 34±1 10 108±0,7 4

475±2 П06±1,4 335±0,7 395±0,7

Мелисса лекарственная-Melissa officinalis ¿.(трава) 78±1 3 111±0,6 20 97±0,4 21 86±1 3

200±1 2252±1,2 2044±0,7 243±0,7

Монарда двойчатая -Monarch didyma ¿.(трава) 84±1 3 89±0,6 И 11 ±0,6 50 76±0,7 3

210±1 978±0,7 847±1 236±0,7

Мята перечная -Mentha х piperita [..(трава) 143±1 1 174±0,7 1 192±1,5 2 138±0,4 I

164*1 202±0,4 389±0,4 188±0,7

Тимьян ползучий -Thymus serpyllum ¿.(трава) 67±0,4 8 68±1,3 21 26±0,7 27 60±0,7 8

540±3 1435±1,1 695±0,4 486±0,7

Шалфей лекарственный -Salvia officinalis ¿.(трава) 40±0,3 6 119±13 31 42±0,7 19 52±1,3 4

240±0,7 3705±1,4 776±0,7 216±0,7

Aniaceae

Тмин обыкновенный -Carum carvi ¿.(плоды) 145±0,6 2 163±0,7 18 159±1 16 148±0,7 3

345±1,5 2986±0,6 2543±1 456±0,7

Укроп пахучий -Anethum graveolens ¿.(трава) 76±0,4 5 65±0,6 63 59±0,6 68 84±1,3 5

406±0,6 4140±1,5 3988±0,7 398±0,7

Фенхель обыкновенный -Foeniculum vulgare Mill, (трава) 106±0,4 3 128±1 34 132±1 30 127±0,7 4

421±1,0 4318±1 3968±0,7 526±0,7

Asteraceae

Арника облиственная-Arnica Foliosa Nutt (цветки) 107±0,6 4 128±1 5 119±1 5 108±0,7 5

406±0,7 624±1 548±0,7 591±0,7

Календула лекарственная -Calendula officinalis ¿.(цветки) 20±0,4 10 22±0,7 12 24±0,7 11 36±0,7 7

186±0,7 271±1,3 254±1^ 241±1,5

Ромашка аптечная -Matricaria chamomilla ¿.(цветки) 38±0,4 4 48±0,7 45 45±1,3 49 56±0,4 33

165±1 2179±0,6 2224±1,2 1843±0,7

Hvoericaceae

Зверобой продырявленный -Hypericum perforatum ¿.(трава) 48±0,6 8 77±0,7 28 68±1 28 58±0,7 7

366±1 2185±0,6 1892±1,5 396±1Д

Plantaeinaceae

Подорожник большой -Plantago major L. (лист) 68±0,6 3 90±0,7 3 62±0,7 4 76±0,7 4

230±0,7 287±0,4 236±1,6 295±1,5

Подорожник большой- Plantago majorL. (var. A tropurpureajtлист) 323±0,4 И 446±0,7 8 342±0,7 10 387±0,7 9

3640±2 3886±0,7 3544±1,8 3579±0,9

Malvaceae

Мальва лесная - Malva sylvestris ¿. (соцветия) 86±0,4 23 82±1,3 25 92±1,5 22 92±0,6 20

1968±0,7 2056±0,7 1986±0,7 1873±0,7

Мальва лесная -Malva sylvestris L. (лист) 60±0,4 8 79±1,0 8 74±1,5 8 68±0,6 7

458±0,7 637±0,4 598±0,7 439±1

Alliaceae

Лук победный — Allium victorialis ¿.(лист) 166±0,4 8 264±0,7 7 244±2 7 178±0,7 7

1392±1 1867±1,3 1648±1 1259±0,6

Лук медвежий-Allium ursinum L. (лист) 79±0,4 6 186±0,6 7 164±0,7 8 85±1,5 6

482±1 1266±0,7 1381±0,6 561±2

* к'А -коэффициент аккумуляции

При этом луки победный и медвежий, мальва лесная накапливают большое количество селена как при обогащении более (1200 мкг/кг), так и без него (более 200 мкг/кг). Кроме того, из данных таблицы 1 видно, что очень большое влияние на накопление селена в растении оказывали погодные условия (2010 и 2011 годы), что находит подтверждение у других авторов (О.С. Зуева, 2009; В.А. Вихрева, 2011).

Так, в 2010 году наблюдалось аномально высокое содержание селена в сырье (по некоторым культурам 3500 и более мкг/кг), причём для многих видов, как на фоне внесения селена, так и без его внесения. Показатели между 2009 г. и аномально жарким 2010 г. отличались в 2 раза без внесения и более чем в 10 раз при его внесении (укроп, фенхель, душица, змееголовник и др.).

Столь интенсивный вынос этого элемента из почвы при его лёгкой доступности объясняется тем, что селен повышает стрессоустойчивость растений, является антиоксидантом и потребность в нём при аномальных условиях возрастает. Объясняется это также его участием в регулировании пероксидного окисления липидов (В.А. Вихрева, A.B. Остапчюк, 2001; В.А. Вихрева, В.Н. Хрянин, 2001; В.А Вихрева, Т.И. Балахнина, 2002; В.В Кузнецов, 2004, С.А. Солдатов, 2005).

В аномальные годы с повышенными температурами и недостатком влаги накопление селена во много раз интенсивнее, чем в благоприятные годы, что необходимо учитывать при использовании такого приёма, как обогащение растений (внесение селената натрия).

3.3. Особенности накопления селена внутри отдельных семейств

Более подробно особенности накопления селена были изучены на примере семейств яснотковые и луковые. Были выбраны для опыта в основном эфирно-масличные и пряно-вкусовые культуры, имеющие большое хозяйственное значение. Установлено, что даже внутри семейства имеется существенное различие по накоплению селена как показано в таблице 1.

Без «селенового фона» максимальное накопление этого элемента в тканях растений (в среднем за четыре года) отмечено у мяты перечной (162 мкг/кг). Наименьшее количество селена без дополнительного внесения его в почву накапливал змееголовник молдавский (49 мкг/кг). Максимальное количество селена при внесении его в почву накапливали змееголовник молдавский, душица обыкновенная, шалфей лекарственный и мелисса лекарственная (2220, 1719, 1234 и 1185 мкг/кг соответственно). При анализе коэффициента аккумуляции селена нами отмечено, что максимальный коэффициент аккумуляции был у змееголовника молдавского (45) и у душицы обыкновенной (20).

Таким образом, накопление селена в растении видоспецифично и существенно варьирует даже в пределах одного семейства. Так, в семействе яснотковые без внесения селена его содержание составляло от 49 мкг/кг у змееголовника молдавского до 162 мкг/кг у мяты перечной. Однако небольшое

количество изучаемых видов из других семейств не позволяет сделать однозначные выводы по указанным семействам.

Анализ сравнения биохимических показателей выявил, что лук медвежий (A. ursinum L.) и лук победный (A. victorialis L.) имеют сходные показатели содержания сухого вещества, количества хлорофилла и аскорбиновой кислоты (таблица 2). Влияние освещения на эти показатели незначительно, но для обоих видов наблюдается тенденция к возрастанию количества сухого вещества, хлорофилла и аскорбиновой кислоты при увеличении интенсивности инсоляции (Р>0,5). Содержание аскорбиновой кислоты по всем вариантам было в пределах 63...65 мг/100 г листьев, что близко к значениям, приводимым в литературе (В.Ф. Пивоваров с соавт., 2001; H.A. Голубкина с соавт., 2010; О.М. Савченко, 2013)

При сравнении биохимического состава обоих видов черемши, выращенных в условиях открытого грунта в Московской области, выявлено, что A. ursinum L. и A. victorialis L.имеют близкие значения содержания сухого вещества, хлорофилла и витамина С. Влияние освещения на эти показатели незначительно, и для этих видов лука наблюдается лишь тенденция к возрастанию количества сухого вещества, хлорофилла и аскорбиновой кислоты при увеличении освещённости (Р<0,5). Содержание витамина С во всех вариантах было в пределах 63...65 мг/100 г листьев, что близко к значениям, приводимым в литературе (В.Ф. Пивоваров с соавт., 2001; H.A. Голубкина с соавт.,2010; О.М. Савченко, 2013). Содержание селена в листьях A. ursinum L. (522 мкг/кг) в 3 раза ниже, чем в листьях A. victorialis L. (1326 мкг/кг) при дополнительном внесении его в почву. Выявлено, что эффективность обогащения селеном луков медвежьего и победного имеет принципиальные отличия, что связано с тем, что они не являются близкими в ботаническом плане видами. Показательно, что содержание селена в листьях черемши достоверно выше при выращивании растений на свету (Р<0,01), что предполагает участие микроэлемента в защите растений от оксидантного стресса, вызванного повышенной инсоляцией. Результаты подтверждены данными литературы о защитном действии селена против УФ-радиации (М. Germ et al, 2005).

3.4. Сортовые особенности накопления селена в лекарственных и пряно-

ароматических растениях

В последние годы большинством авторов признаётся специфическая реакция сортов одной и той же культуры на общие агротехнические приёмы, внесение удобрений, обработку стимуляторами роста (В.Б. Загуменников, А.И. Морозов, 2012; Г.Б. Демьянова-Рой, 2008). Поэтому внесение селена требует также индивидуального подхода. Нами было изучено накопление селена в 5 сортах мяты перечной, 7 сортах календулы лекарственной и 20 сортах базилика огородного.

У мяты перечной все сорта накапливали в сырье 91...103 мкг/кг без внесения селена и 117... 160 мкг/кг при внесении селена. Исключение составил

сорт Янтарная, который накапливал почти в два раза больше селена и в контроле, и в опыте (251 и 276 мкг/кг соответственно) по сравнению с другими сортами. Не зависимо от этого коэффициент накопления был в пределах от 1 (у сорта Москвичка) до 1,29 (у сорта Медичка).

Выявлено, что накопление селена мятой перечной имеет прямую зависимость (г= 0,97) от количества сухого вещества в сырье. Те сорта, которые содержали меньше влаги в тканях, после высушивания сырья показывали более высокое содержание селена.

Календула накапливает меньше селена, чем остальные культуры. Содержание селена в соцветиях календулы в среднем по сортам равнялась 45,6 мкг/кг. Накопление этого элемента на необогащённых почвах колебалось от 22 мкг/кг (сорт Абрикос) до 77 мкг/кг (сорт Фиеста Гитана). Разница между сортами достигала до 3-х раз. При обогащении селеном разброс в содержании составил от 212 мкг/кг (сорт Оранжевый Король) до 270 мкг/кг (сорт Абрикос). Коэффициент накопления изменялся от 3 до 12,3 раз. Прослеживалась связь между исходным содержанием селена в сырье и коэффициентом аккумуляции (рисунок 1).

Рисунок 1 - Зависимость коэффициента аккумуляции от содержания селена в сырье календулы без обогащения (2009-2012 гг.)

В результате расчёта корреляции между содержанием селена без внесения его в почву и коэффициентом аккумуляции выявлена нелинейная зависимость этих факторов. Была установлена тесная обратная взаимосвязь между указанными факторами (г=0,95) и получено уравнение регрессии, позволяющее рассчитать с большой долей вероятности коэффициент аккумуляции селена в любом из сортов календулы лекарственной:

У = 339,34Х"1'0889, где у - коэффициент аккумуляции селена в календуле, X - содержание селена в сырье без обогащения.

Содержание селена, а также эфирного масла и флавоноидов в сырье базилика на 20 сортах представлено в таблице 2.

По содержанию селена в сухом веществе сорта различаются; это подтверждает мнение о сортоспецифичности накопления селена. Наименьшие показатели содержания селена отмечены в сортах К-117, К-63,К-3,К-9 и «Базилик» (40-47 мкг/кг), наибольшие в сортах К-318, К-173, К-33 и Карамельный (84-96 мкг/кг). Различие в показателях составило до 50 мкг/кг.

Средние показатели накопления селена мятой и календулой при прочих равных условиях превышали средние значения базилика в 2 и более раза, хотя известно, что все три вида не относятся к растениям аккумуляторам селена (H.A. Голубкина, Т.Т. Папазян, 2006).

Таблица 2 - Сортовые различия в аккумулировании селена, эфирного масла и флавоноидов Остит ЬазШсит Ь. (2011...2013 гг.) __

№ Образец Происхождение Содержание селена мкг/кг сухой массы Эфирное масло, % Флавоноиды, %

1 К-117 Йемен 40±4 0,05 3,10

2 К-63 Аргентина 45±3 0,09 1,56

3 к-з Армения 46±5 0,09 -

4 К-9 Азербайджан 46±4 0,21 -

5 «Базилик» Россия 47±4 - -

6 К-48 Китай 50±5 0,03 1,51

7 Фиолетовый Ереванский Россия 52±5 0,04 -

8 Тонус Россия 56±6 0,05 1,34

9 Философ Россия 58±5 0,13 2,70

10 К-106 Туркмения 62±5 0,12 2,52

11 К-44 Чехия 63±6 0,11 1,60

12 К-26 Узбекистан 67±6 0,18 1,27

13 К-З 2 Туркмения 68±7 0,14 7,43

14 К-130 Габон 70±7 0,06 1,99

15 К-73 Иран 71±6 0,1 1,41

16 Гвоздичный Россия 73±7 - -

17 К-318 Венгрия 84±7 0,19 -

18 К-173 Непал 85±8 0,17 0,99

19 К-33 Киргизия 94±9 0,38 1,89

20 Карамельный Россия 96±9 0,29 2,64

На основании полученных нами данных можно сделать вывод, что накопление селена является сортоспецифичным показателем для большинства культур.

4.1. Особенности распределения селена в органах растений

Вопрос о распределении и миграции селена в растении в настоящий момент остаётся открытым. Существуют предположения, что этот элемент при его достаточном поступлении концентрируется в генеративных органах растений (О.С. Зуева, 2009).

Нами был проведён анализ сырья трёх видов растений из семейства яснотковые: змееголовника молдавского, иссопа лекарственного и монарды двойчатой, а также мальвы лесной, выращенных на естественном фоне без дополнительного обогащения селеном (за исключением мальвы).

Как видно из данных таблицы 3, концентрация этого элемента в отдельных частях растения видоспецифична даже в пределах одного семейства.

В змееголовнике молдавском содержание селена было выше в листьях, монарды двойчатой — в соцветиях, а у иссопа лекарственного этот показатель был одинаковым. Интересные результаты были получены при изучении распределения селена в растении мальвы лесной.

В результате внесения селена коэффициент накопления в листьях мальвы лесной был 7,76, в них накапливалось 594..637 мкг/кг (против 70-73 мкг/кг в контроле), а в соцветиях коэффициент накопления составил 28,1, при содержании после внесения селена 1986...2056 мкг/кг (против 82...84 мкг/кг в контроле). Такой высокий коэффициент аккумуляции отмечен нами у подорожника большого уаг. А1горигригеа.

Таблица 3 - Содержание селена в органах растений (2009/2012 гг.)

Вид Селен, мг/кг Соотношение

соцветию к листу,

раз

Лист Соцветия

Змееголовник 84±1.0 70±0.7 0.83

молдавский 92±0,7 78±1,[ 0,84

Монарда двойчатая 78±1.1 126±1.1 1,62

83±0,8 119±0,4 1,43

Иссоп лекарственный 123±1,1 123±1.0 1,00

127±1,1 130±0,6 1,02

Мальва контроль 73±0,7 82±0.8 1,12

70±0,7 84±1,0 1,20

Мальва с внесением 637±1.0 2056±1.2 3,23

селена 594±0,7 1986±1,9 3,34

Оба растения характеризуются и высоким содержанием полисахаридов в сырье и присутствием антоцианов в цветках мальвы и листьях этой формы подорожника. Вероятно, активная аккумуляция в данном случае связана именно с антоцианами. Этот факт объясняет высокий коэффициент аккумуляции у змееголовника молдавского по сравнению с другими представителями семейства яснотковые, которые в листьях практически не содержат антоцианов или содержат их в небольшом количестве. Объяснение этого факта нами в литературе было не найдено.

4.2. Влияние стимуляторов роста на продуктивность и селеновый статус иссопа лекарственного

Одновременно был проведён опыт по изучению воздействия регуляторов и микроудобрений на локализацию селена в растениях иссопа лекарственного. Известно, что регуляторы роста оказывают существенное влияние на транспорт и накопление в отдельных частях растений полисахаридов, эфирных масел (С.С. Шаин, 2005; Е.Л. Маланкина, 2007), алкалоидов (С.С. Шаин, 2005) и др.

В экспериментах мы использовали популярные в настоящее время препараты Циркон (регулятор роста) и Феровит (микроудобрение).

Кроме того, в опыте присутствовал вариант с подкормкой азотом (мочевиной). Хелатные формы железа были выбраны в связи с тем, что, по данным ряда авторов (В.П.Кирилюк, 2006), железо является антагонистом при накоплении селена (М.В. Капитальчук с соавт., 2011). Однако эти данные другими авторами опровергаются. Нами решено было проверить это утверждение.

Применение стимулятора роста Циркон увеличивало накопление селена как в листьях так и в соцветиях; повторное применение этого препарата усиливало разницу на соцветиях с контролем (1,0 в контроле против 1,09 и 1,17 в вариантах опыта соответственно). Однако подкормка мочевиной в сочетании с Цирконом приводила к обратным результатам. Однократное использование Феровита практически не влияло на распределение селена между органами растения (152 мкг/кг лист и 154 мкг/кг соцветие), но увеличивало содержание селена в обработанном сырье в обоих случаях (лист и соцветие) по отношению к контролю (таблица 4).

Таблица 4 - Локализация селена и содержание эфирного масла в растения

Нузхорш о/АстаПз ¿. по вариантам (2009/2012)

Вариант Селен в листьях, мкг/кг Селен в соцветиях, мкг/кг Соотношение соцветия к листу, раз Эфирное масло,% Масса, г/м2

Контроль 123/108 123/118 1,00/1,09 0,57/0,64 420/390

Циркон (0,1 мл/л) 134/146 146/159 1,09/1,09 0,95/1,09 327/397

Циркон(0,1 мл/л) 2-х кратно 138/132 161/156 1,17/1,18 1,01/0,96 457/430

Циркон (0,1 мл/л)+ мочевина (6 г/л) 161/156 135/136 0,84/1,18 0,95/1,05 673/596

Феровит (0,1 мл/л) 152/164 154/138 1,01/0,87 0,88/0,96 487/390

Феровит(0,1 мл/л) +мочевина (6 г/л) 133/126 106/124 0,80/0,98 1,21/1,06 820/590

Мочевина (6 г/л) 101/112 112/116 1,11/1,04 0,64/0,62_ 523/498

НСР »5 2/3 2/2 - - 3/4

*в числителе - 2009 год, в знаменателе - 2012 год

Обработка Цирконом (0,1 мл/л) хотя и снизила урожайность культуры, но при этом увеличила содержание эфирного масла в 1,7 раз.

Рисунок 2 - Распределение селена по органам иссопа лекарственного в зависимости от обработок Цирконом

Рассматривая каждый препарат в отдельности, можно сказать, что варианты обработок с Цирконом незначительно увеличивают содержание селена в растении (134...146 мкг/кг против Ю8...123мкг/кг в контроле) . Однако обработка Цирконом как правило благоприятно сказалась на накоплении эфирного масла в сырье для всех вариантов (0,95...1,05%) и практически не влияла на урожайность полученного сырья, за исключением варианта с Цирконом дозой — 0,1 мл/л.

Для вариантов обработки Феровитом характерно увеличение содержания селена (152...164 мкг/кг), эфирного масла в сырье (0,88...1,21%), однако совместная обработка с мочевиной несколько снижает результаты по содержанию этих компонентов: 106...133мкг/кг и 0,62...0,64%, соответственно.

Феровит отдельно не оказал влияния на урожайность, но совместное применение его с мочевиной дало значительную прибавку к урожаю 590...820 г/м2. Внесение мочевины в отличие от Циркона и Феровита снизило содержание селена, как в листе, так и в соцветии (101... 116 мкг/кг), а также и содержание эфирного масла (0,62...0,64%), но увеличило урожайность (498...523г/м2).

5.1. Влияние селена на накопление эфирного масла в растениях

Эфирное масло ценный продукт, как для растений, так и для человека. Ввиду того, что в самом растении содержание эфирного масло зачастую очень низкое и сильно зависит от погодных условий, возможным путём повысить содержание этой группы соединений и сделать его менее зависимым от неблагоприятных факторов является применение различных физиологически активных веществ и микроэлементов.

Таблица 5 -Влияние селена на накопление эфирного масла в сырье растений

(2009... 2012 гг.) п= 4

Культура Эфирное масло, %

2009 2010 2011 2012

Контроль Селенат натрия 2 Контроль Селенат натрия | 2 Контроль Селенат натрия 2 Контроль Селенат натрия 3

Душица обыкновенная 0,15 0,20 1,33 0,21 0,18 0,86 0,55 0,15 0,27 0,24 0,15 0,63

Змееголовник молдавский 1,08 1,07 0,99 0,45 0,48 1,06 0,67 0,52 0,78 0,54 0,36 0,67

Иссоп лекарственный 1,30 2,90 2,23 1,22 0,70 0,57 - - - 1,02 0,76 0,75

Лаванда узколистная 3,18 2,25 0,70 3,10 2,70 0,87 1,75 0,30 0,17 1,02 0,83 0,81

Мелисса обыкновенная 0,08 0,12 1,50 0,10 0,10 1,00 - - - 0,29 0,14 0,48

Монарда лист 3,30 5,78 1,75 3,70 4,10 1,11 1,92 2,41 1,25 3,80 3,33 0,88

Монарда соцветия 3,20 4,59 1,43 2,80 3,20 1,14 1,92 2,42 1,25 3,80 3,33 0,88

Мята перечная 4,02 3,62 0,90 3,90 3,12 0,80 0,93 1,16 1,24 2,36 2,44 1,03

Тимьян ползучий 0,68 0,73 1,07 0,76 0,82 1,07 1,00 1,52 1,52 0,97 0,80 0,82

Шалфей лекарственный 1,42 1,74 1,23 1,86 1,92 1,03 1,92 1,66 0,86 1,41 0,45 0,32

Содержание эфирного масла в сырье менялось в зависимости от вида культуры и условий года. В 2009 г. обработка селенатом натрия положительно повлияла на накопление эфирного масла в сырье иссопа лекарственного (увеличилось в 2,2 раза), также незначительно увеличилось его содержание у ряда растений (монарды двойчатой, мелиссы лекарственной, душицы обыкновенной). При этом у некоторых видов изученных растений снизилось содержание масла в сырье, что регистрировалось на протяжении четырех лет. В 2010 г. наибольшее содержание масла было у монарды двойчатой, в 2011 г. -у тимьяна ползучего и монарды двойчатой (таблица 5).

В 2010 и 2011гг. содержание эфирного масла во всех растениях несколько превышало содержание его в 2009 и 2012 гг., что можно объяснить более прохладным и дождливым летом в эти годы.

5.2. Связь между накоплением селена и содержанием флавонондов и

аскорбиновой кислоты

Для определения зависимости между этими показателями нами была использована коллекция луков селекции МГУ имени М.В. Ломоносова в количестве 15 образцов. В качестве сырья использовали лист.

В результате биометрической обработки результатов обнаружена тесная обратная зависимость между уровнем накопления селена и витамина С (г=-0,65; Р<0,002). Данные литературы свидетельствуют о том, что и селен, и аскорбиновая кислота являются антиоксидантами в растении. Однако, по всей вероятности виды, накапливающие больше селена, меньше нуждаются в синтезе большого количества аскорбиновой кислоты. Взаимосвязи между селеном и флавоноидами не обнаружена (г= -0,05)

5.3.Влияние обогащения селеном на накопление полисахаридов в листьях

подорожника большого

Нами были изучены две формы подорожника - обычная, с зелёными листьями, и декоративный культивар с антоциановой окраской var. Atropurpúrea. В последние годы сильно возрос интерес к антоциансодержащим формам овощных культур. Подтверждено свойство антоцианов связывать свободные радикалы при оксидативном стрессе (М. N. Clifford, 2000). Селен вносили под однолетние растения в фазе 4-6 настоящих листьев. При практически одинаковой урожайности, биохимические показатели существенно

отличались (таблица 6).

Таблица 6 - Содержание аскорбиновой кислоты и полисахаридов в листьях Plantago major L. при обогащении селеном и без него (20Ю...2012гг.)

Показатель

Содержание витамина С, мг/ЮОг

Plantago major L.

Контроль

Опыт

43±2,1

50±2,5

Plantago major L. var. Atropurpúrea

Контроль

Опыт

38±1,9

49±2,5

Содержание полисахаридов,%

2,3±0,2

1,9±0,

2,3±0,2

2,4±0,2

Содержание селена, мкг/кг сухой массы _

62±3,1

236±+11,8

342±_17,1

3544±177,2

Применение ееленага натрия несущественно повышало содержание аскорбиновой кислоты в сырье (43мг/100г против 50 мг/100г и 38 мг/100г против 49 мг/100г), причём в обеих формах и в целом присутствие её в сырье соответствовало таковому в плодах цитрусовых.

Способность к накоплению селена у этих форм была абсолютно различна, var. Atropurpúrea даже без внесения селена накапливала больше данного элемента, чем зелёнолистная форма с обогащением селеном (342 мкг/кг против 246 мкг/кг, соответственно). При обогащении селеном его содержание в сырье составляло 3544 мкг/кг, что выше, чем у растений семейства Alliaceae и Brassicaceae, которые являются признанными его аккумуляторами.

5.4. Влияние селена на содержание хлорофилла в растениях

Сведения о содержании хлорофилла в лекарственных растениях отрывочны и было интересно выяснить содержание соединений этой группы в основных изучаемых нами видах. Оказалось, что содержание суммы хлорофиллов довольно низкое и в большинстве случаев не превышает 40 мг. Из всех видов максимальным содержанием характеризовалась мята перечная (30...45 мг/100 г).

При внесении селената натрия реакция видов и сортов была неоднозначной. Повышение содержания хлорофилла отмечено у шалфея лекарственного (в 1,82 раза) и сортов мяты Медичка (в 1,42 раза) и Кубанская (1,93 раза).

В остальных случаях изменения находились в пределах ошибки опыта. Выявить какую либо закономерность между применением селена и содержанием хлорофилла на данный момент не удалось.

5.5. Влияние селена на содержание каротинов и их сохранность в календуле лекарственной

На календуле мы применяли селенат натрия отдельно и совместно с силиплантом. Применение силипланта на фоне обогащения селеном не повлияло на накопление каротиноидов в сырье календулы лекарственной. Среднее его содержание по 6 сортам составляло 18,8 мг/100 г у варианта с селенатом натрия и 19,62 в варианте совместного применения селената натрия и силипланта, что было в пределах ошибки опыта. После хранения в течение 6 месяцев содержание каротиноидов, независимо от сорта, уменьшалось приблизительно на '/3, как в контроле, так и в опыте.

б.Экономическая эффективность

Производство календулы лекарственной по технологии обогащения селеном эффективно, несмотря на дополнительные затраты по внесению селената натрия. Оценка эффективности обработки селенатом натрия календулы лекарственной приведена в таблице 7.

Таблица 7 - Экономическая эффективность обработки селенатом натрия календулы лекарственной_________

Показатели Варианты опыта Опыт в % к контролю

Контроль Селенат натрия

1. Выход продукции с 1 га, ц 12 12 100

2. Себестоимость производства 1 ц сырья, руб 27388 29172 106,5

3. Трудоемкость производства 1 ц сырья, чел.-час 164 164,9 100,5

4. Дополнительные затраты на 1 га, связанные с применение селената натрия, руб - 1784,0 -

5. Ожидаемый доход, руб./га 151344 329840 217,9

6. Уровень рентабельности, % 46 71 X

7. Окупаемость дополнительных затрат дополнительным доходом, раз - 100,0 X

Обработка календулы лекарственной селеном в целом незначительно увеличивает как материальные затраты (на 6,5%), так и затраты труда (на 0,5%), но за счет того, что цены реализации обогащенной продукции значительно выше - растет эффективность производства. Стоимость товарной продукции обогащенного сырья выше на 25%, ожидаемый доход от реализации возрастает более чем в 2 раза, а уровень рентабельности производства повышается с 46 до 71 %.

Выводы

1. Исследования показали, что по содержанию селена все изучаемые 22 вида растений условно относятся к третьей группе растений по накоплению селена (до 1,0 мг/кг). Без дополнительного внесения селена в почву, эти растения накапливают его от 20 до 323 мкг/кг сухого сырья.

2. В результате обогащения селеном выявлены растения, способные к его аккумуляции. При этом отмечены как целые рода (Allium L.), так и отдельные виды: Plantago majorL.(var. Atropurpúrea), Dracocephalum moldávico L., Thymus serpyllum L., Hypericum perforatum L., Matricaria chamomilla L., Malva sylvestris L., у которых коэффициент аккумуляции селена, независимо от условий года, был высоким от 8 до 60 в зависимости от года

3. Отмечено существенное влияние погодных условий на интенсивность поглощения селена при условии его доступности в почве; в экстремально жарком 2010 г. коэффициент аккумуляции у некоторых растений {Dracocephalum moldávico L., Anethum graveolens L„ Matricaria chamomilla L.) составлял 45,4... 63,4 раза, а значения содержания этого элемента в сырье у отдельных растений превышали 4000 мкг/кг: Dracocephalum moldávico L.-4126, Anethum graveolens L- 4140, Foeniculum vulgare Mili. - 4318, Plantago majorL.fvar.Atropurpúrea)- 3544 мкг/кг сырья.

4. Выявлена сортоспецифичность поглощения селена на примере 3-х культур: Calendula officinalis L. (7 сортов), Mentha х piperita L. (5 сортов) и Ocimum

basilicum L. (20 сортов). На примере Calendula officinalis L. отмечено, что чем меньше растения сорта накапливают селена без его дополнительного внесения, тем активнее они поглощают его при обогащении почвы (г=0,95). Определено, что накопление селена в Mentha х piperita L. имеет прямую зависимость ( г=0,97) от количества сухого вещества в растении. Те сорта, которые содержали меньше влаги в тканях, после высушивания сырья показывали более высокое содержание селена.

5. Выявлена тенденция к накоплению высоких концентраций селена в генеративных органах, в жаркие годы - свыше 2000 мкг/кг: у Carum carvi L, Anethum graveolens L. и Foeniculum vulgare Mill, (плоды), цветках Malva sylvestris Lm Calendula officinalis L. а также растениями, содержащими антоцианы (Plantago major L.(var.Atropurpurea), Dracocephalum moldavica L., Thymus serpyllum L., цветки Malva sylvestris L.).

6. Внесение селена неоднозначно влияло на содержание эфирного масла в сырье, повышая его у Monarda didyma L., Salvia officinalis L. и Thymus serpyllum L. (до 1,5 раза) и снижая у Dracocephalum moldavica L. и Lavandula angustifolia Mill, (на 20-30 %).

7. Выявлена отрицательная корреляция (г=-0,65) между содержанием селена и аскорбиновой кислоты у луков рода Allium. Не выявлено зависимости между накоплением селена и содержанием хлорофилла, флавоноидов, каротиноидов и полисахаридов в сырье.

8. В результате исследований по обогащению 22 видов растений 7 семейств селеном не выявлено влияния этого элемента на ритмы сезонного развития и урожайность, за исключением календулы лекарственной и ромашки аптечной, у которых сроки начала цветения начинались на 7... 10 дней раньше.

Предложения по использованию результатов исследований производству

Для создания качественно новых обогащенных селеном продуктов из лекарственного растительного сырья на среднесуглинистых дерново-подзолистых почвах Нечерноземной зоны РФ с низкой доступностью этого элемента при выращивании лекарственных культур можно рекомендовать корневую подкормку в начале вегетации селенатом натрия в виде раствора в концентрации 0,02 г/Юл из расчёта 2 л/м2 .

При обогащении селеном таких растений как Dracocephalum moldavica £., Anethum graveolens L., Matricaria chamomilla L., Salvia officinalis L., Foeniculum vulgare Mill., Malva sylvestris L., в годы с повышенными среднесуточными температурами и существенным водным дефицитом, необходимо тщательно контролировать содержание этого элемента в сырье с последующим корректированием его дозировки при изготовлении БАД и функциональных продуктов.

Список опубликованных работ Публикации е изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1.Соловьёва, А.Ю. Содержание биологически активных веществ - селена, флавоноидов, аскорбиновой кислоты и хлорофилла - в различных видах черемши / H.A. Голубкина, О.В. Кошелева, А.Ю. Соловьева, ЕЛ. Маланкина //Вопросы питания. - 2010.-Т.79.-№ 1.-С. 78-81 (автр. вклад 60%).

2. Соловьёва, А.Ю. Особенности формирования урожая и аккумуляции селена в луке победном и луке медвежьем / H.A. Голубкина, О.В. Кошелева, О.М. Савченко, А.Ю. Соловьева, JI.H. Козловская, E.JI. Маланкина // Известия ТСХА. - 2012. - Вып. 6. - С.80-86 (автр.вклад 60%).

3. Соловьёва, А.Ю Аккумулирование селена базиликом огородным / H.A. Голубкина, ЕЛ. Маланкина, А.Ю. Соловьёва, О.В. Кошелева, А.Ю. Кривенкова, Е.Г. Добруцкая // Овощи России. - 2013. - № 4 (21). - С. 48-53 (автр. вклад 50%).

Публикации в научных сборниках и материалах конференций:

4. Соловьёва, А.Ю. Изучение особенностей накопления селена в сырье лекарственных и ароматических растений / А.Ю.Соловьёва, H.A. Голубкина, ЕЛ. Маланкина // Доклады ТСХА. - М„ 2011. - Вып. 283. - Ч. 1. - С. 674-675 (автр. вклад 80%).

5. Соловьёва, А.Ю. Содержание селена в пряно-ароматических культурах из семейства Яснотковые {Lamiaceae) / А.Ю. Соловьева, H.A. Голубкина, ЕЛ. Маланкина //Доклады ТСХА. - М„ 2012. - Вып. 284. - С. 517-519 (автр. вклад 80%).

6. Soloviyva А. Se-Gehalt in Heil- und Aromatischen Pflanzen / N. Golubkina, A. Soloviyva, E. Malankina /22. Bernburger Winterseminar Arznei- und Gewürzpflanzen 21.02-22/02.2012. - Bernburg, 2012. -S. 37 (автр.вклад 90%).

Подписано к печати 03.06.2014. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ № 933.

Отпечатано в AHO Редакция журнала «МЭСХ»: 127474, Москва, Бескудниковский б-р, 23, корп. 1 E-mail: t_sams@mail.ru

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Соловьёва, Анна Юрьевна, Москва

ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет — МСХА

имени К.А. Тимирязева»

На правах рукописи

04201460322

Соловьёва Анна Юрьевна

ИЗУЧЕНИЕ АККУМУЛЯЦИИ СЕЛЕНА И ВЛИЯНИЯ ЕГО НА НАКОПЛЕНИЕ ПЕРВИЧНЫХ И ВТОРИЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ В ЛЕКАРСТВЕННОМ И ЭФИРНО-МАСЛИЧНОМ СЫРЬЕ

06.01. 06 - луговодство и лекарственные, эфирно-масличные культуры

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель доктор сельскохозяйственных наук,

доцент Е.Л.МАЛАНКИНА

Москва-2014

Список сокращений

БАВ - биологически активные вещества

ЭМ - эфирное масло

СФ - спектрофотометр

ГФ 11 - государственная фармакопея

КА - коэффициент аккумуляции

мн- многолетние данные

Содержание

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................4

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................................8

1.1. Роль селена в жизни растений и человека....................................................................................8

1.2. Метаболизм селена у растений....................................................................................................17

1.3 Ботаническая и хозяйственная характеристика изучаемых растений.....................................36

1.3.1. Растения из семейства Яснотковые (Lamiaceae).....................................................................36

1.3.2. Растения семейства Сельдерейные (Apiaceae)........................................................................42

1.3.3. Растения семейства Луковые (Alliaceae)..................................................................................44

1.3.4. Растения семейства Астровые (Asteraceae).............................................................................46

1.3.5. Растения семейства Зверобойных (Hypericaceae )..................................................................48

1.3.6. Растения семейства Подорожниковых (Plantaginaceae)......................................................49

1.3.7. Растения семейства Мальвовых (Malvaceae ).........................................................................49

ГЛАВА II. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.......................................................51

2.1. Условия проведения исследований.............................................................................................51

2.1.1. Характеристика погодных условий в период проведения эксперимента.............................52

2.2.Методика и условия проведения лабораторных и полевых опытов.........................................55

2.2.1. Методики проведения лабораторных опытов по определению биологически активных

веществ (БАВ).......................................................................................................................................58

ГЛАВА III. СКРИНИНГ ЛЕКАРСТВЕННЫХ И ЭФИРНО-МАСЛИЧНЫХ РАСТЕНИЙ НА СПОСОБНОСТЬ К АККУМУЛЯЦИИ СЕЛЕНА................................................................61

3.1. Влияние внесения селената натрия на урожайность сырья и сроки наступления уборки.....61

3.2. Аккумуляция селена в зависимости от семейства и погодных условий.................................62

3.2. Особенности накопления селена внутри растений отдельных семейств................................68

3.3 Сортовые особенности накопления селена в лекарственных и пряно-ароматических

растениях...............................................................................................................................................75

ГЛАВА IV. ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЕЛЕНА В ОРГАНАХ РАСТЕНИЙ. 82

4.1.Распределение селена по органам растений................................................................................82

4.2. Влияние стимуляторов роста на продуктивность растений и селеновый статус иссопа

лекарственного.....................................................................................................................................84

ГЛАВА V ВЛИЯНИЕ ВНЕСЕНИЯ СЕЛЕНА НА НАКОПЛЕНИЕ ПЕРВИЧНЫХ И ВТОРИЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ....................................................................................................88

5.1. Влияние на накопление эфирного масла....................................................................................88

5.2. Взаимосвязь между накоплением селена и содержанием флавоноидов и аскорбиновой кислоты..................................................................................................................................................91

5.4. Влияние селена на содержание хлорофилла.............................................................................97

5.5. Влияние селена на содержание каротиноидов и их сохранность............................................98

ГЛАВА VI. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СЕЛЕНАТА

НАТРИЯ.............................................................................................................................................101

ВЫВОДЫ...........................................................................................................................................104

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.........................................................................................107

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.........106

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время, в связи с ухудшающейся экологией и постоянными стрессами, для большей части населения земного шара возрастает роль функциональных продуктов в рационе питания. В последние годы появились исследования о роли микроэлементов вообще и селена в частности в предотвращении оксидативного стресса в организме. Дефицит микроэлемента селена может привести не только к снижению продуктивности сельскохозяйственных культур, но и к возникновению дефицита селена в организме животных и человека. Растения, получая селен из почвы, преобразуют его как в неорганические соединения (селениты, селенаты и др.), так и в органические (аминокислоты и белки). Эти соединения аккумулируются в клеточных стенках и являются основным источником селена для животных и человека (Н.А.Голубкина, Т.Т. Папазян, 2006).

Одним из путей повышения селенового статуса человека является включение в рацион продуктов, обогащённых этим элементом, в том числе и лекарственных растений. Подобные продукты более эффективны при употреблении, чем синтетическая форма селена, так как лучше усваиваются организмом. Показательно, что в последние годы отношение клиницистов к лекарственным растениям кардинальным образом изменилось: подчеркивается важность последних в сохранении и поддержании здоровья населения (Н.Ф.Ключникова и соавт, 2009).

Проведенными научными исследованиями определена способность накапливать селен для ряда овощных и зерновых культур. Однако до настоящего времени не охвачен широчайший ассортимент лекарственных и ароматических растений. В рационе человека лекарственные травы наиболее применимы в виде фиточаев и биологически активных добавок (БАД). Поэтому чрезвычайно актуален вопрос о способности основных лекарственных и эфирно-масличных видов, применяемых в нашей стране, аккумулировать селен, важно определение

его локализации в растении и взаимосвязи с накоплением биологически активных веществ (БАВ), таких, как эфирное масло, флавоноиды, каротиноиды и др. в лекарственном сырье. Выяснение этого вопроса позволит сформулировать рекомендации для производства по технологии обогащения и дозировке применяемого сырья.

Цель исследований. Изучение особенностей аккумуляции селена лекарственными и ароматическими растениями, распределение по органам растения и влияние его внесения на содержание первичных и вторичных метаболитов для создания функциональных продуктов и биологически активных добавок (БАД).

При осуществлении поставленной цели решались следующие задачи: ^ Проанализировать влияние погодных условий на интенсивность накопления

селена в культурах и его влияние на урожайность. ^ Провести скрининг лекарственных и ароматических растений различных

семейств на предмет способности к накоплению селена. ^ Выявить видовые и сортовые особенности накопления селена в культурах. ^ Изучить распределение селена по органам растения.

^ Определить взаимосвязь между обогащением селеном и накоплением других биологически активных веществ в растении.

Научная новизна. Впервые в условиях Нечерноземной зоны проведён скрининг 22 видов лекарственных и ароматических растений 7 семейств на их способность к накоплению селена. Установлено, что изучаемые растения условно относятся к 3 группе растений по накоплению селена (до 1,0 мг/кг сухого вещества). Выявлена видо- и сортоспецифичность в пределах одного семейства в аккумуляции селена. Подтверждено, что представители семейства луковых (АШасеае) при обогащении активно аккумулируют селен, что связано с наличием серосодержащих гликозидов, в которых при избытке этого элемента происходит замена серы на атом селена. Обнаружено, что в пределах вида формы и сорта, содержащие антоцианы при обогащении почвы селеном, способны накапливать

этот элемент существенно больше чем растения, не содержащие эту группу флавоноидов.

Практическая значимость. На основании проведённых исследований составлен перечень культур, которые можно использовать как продукты, обогащенные селеном (подорожник большой, змееголовник молдавский, тимьян ползучий, зверобой продырявленный, ромашка аптечная, мальва лесная, лук медвежий, лук победный). Выявлено, что в засушливые жаркие годы увеличивается способность к аккумуляции селена у ряда растений (подорожник большой var. Atropurpurea (3886 мкг/кг), душица обыкновенная (3777 мкг/кг), укроп пахучий (4140 мкг/кг), шалфей лекарственный (3705 мкг/кг), змееголовник молдавский (4126 мкг/кг). Предложено тщательно контролировать содержание селена в сырье после обогащения, прежде всего в годы с повышенными среднесуточными температурами и сильным водным дефицитом. Показано отсутствие взаимосвязи накопления селена с хлорофиллом и другими веществами первичного и вторичного метаболизма (эфирными маслами, флавоноидами и т.д). Выявлена отрицательная корреляция (г = - 0,65) между содержанием селена и аскорбиновой кислоты у рода Allium. Накоплении селена в сырье мяты перечной имеет прямую зависимость (г=0,97) от количества сухого вещества в сырье. Коэффициент аккумуляции селена у календулы лекарственной тесно связан с содержанием такового в сырье (г=0,95) - чем меньше его в сырье в контроле, тем больше его накапливается при дополнительном внесении.

Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации доложены на Международной научной конференции молодых ученых и специалистов, (Москва, РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева, 2011, 2012 гг.).

Публикация результатов исследований. Результаты исследований опубликованы в 6 печатных работах, из них 3 - в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 147 страницах компьютерного текста. Состоит из введения, 6 глав, выводов, предложений производству, приложений. В основной части работа содержит 20

таблиц и 12 рисунков. Библиографический список включает 218 источников, в том числе - 65 иностранных авторов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) Видо- и сортоспецифичность накопления селена растениями.

2) Зависимость аккумуляции селена от погодных условий.

3) Влияние внесение селена на урожайность и содержание первичных и вторичных метаболитов в сырье.

4) Влияние антоцианов на аккумуляцию селена растениями.

Автор выражает глубокую признательность профессору, доктору с.-х. наук Надежде Александровне Голубкиной за ценные советы и большую помощь при проведении химических анализов.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Роль селена в жизни растений и человека

Селен (Se) - был открыт Я. Берцелиусом в 1817 году. В периодической системе Менделеева он находится в IV группе главной подгруппы. Селен относится к разряду рассеянных элементов, содержание которого в земной коре составляет всего (В.В. Ермаков, В.В. Ковальский, 1974; Т.В.

Клейменова, 2007).

В результате неравномерного распределения этого элемента по поверхности Земли приводит к образованию территорий с естественной избыточной или дефицитной концентрацией этого микроэлемента в окружающей среде: почве, воде, растениях. Содержание селена в разных типах почв изменяется в очень широких пределах - от 10"4 до 10% . Содержание селена в воздухе и воде обычно очень низкие и составляют

л

менее 10мг/м в воздухе и несколько мкг/л - в воде (В.В. Ермаков, В.В. Ковальский, 1974; А.Ф.Блинохватов и соавт.,2001; В.А. Тутельян с соавт., 2002; Т.В. Клейменова, 2007).

А.П. Авцын с соавт. (1991), а позднее М.А. Базина (2009) показали, что селен по своим свойствам аналогичен с серой. Так же, как и сера, он является типичным неметаллом. По сообщению Е.В.Шигиной (2005) аналогичность биологических свойств их объясняется строением наружных электронных оболочек, аналогичными размерами, схожей энергией связи и химической реакцией в природе.

Селен практически всегда присутствует в природных сульфидах (Клейменова, 2007; Rashid et al, 2002,). Его также можно обнаружить в молибденовых и золоторудных полях Забайкалья (В.Д. Сидельникова, 1990; Т.С. Малофеева, 2002; Т.В. Клейменова, 2007). Присутствие серы понижает способность почвы и растений поглощать селен (Т.В. Клейменова, 2007; С. Gupta Umesh, C.Gupta Subhas, 2000,2002;Ma Youhua et al, 2002).

Селен является составной частью многих растительных и животных организмов. Концентрация селена в крови у человека составляет 0,001- 0,004 ммоль/л, он накапливается в печени и почках (А.Кабата-Пендиас,1989; Л.Е.Амплеева с соавт.,2011).

Селен входит в состав большинства гормонов и ферментов и, таким образом связан со всеми органами и системами организма животных. Наряду с другими микроэлементами поступление селена необходимо для поддержания нормального функционирования организма. Селен способен защитить организм животных от токсичности ртути, кадмия, свинца, талия и серебра; является антагонистом мышьяка, усиливает иммунную защиту организма, он нейтрализует их негативное действие связывая их в комплексы с другими активными центрами (Л.Е. Амплеева,2011;И.Ф.Дроганов с соавт.,2012)

В работах ряда исследователей (А.П. Авцын с соавт., 1991; А.Ф.Блинохватов с соавт.,2001; Е.В. Шигина,2005; Г.В.Ивахник, 2007; Г.А. Гореликова, 2008) отмечается, что селен в растениях находится в двух формах: неорганической, представленной селенатами и селенитами, а также органической. Селен, содержащийся в белковых молекулах, представлен специфическим набором аминокислот. В него входят такие аминокислоты как селенометионин, селеноцистин, метилселеноцистеин. Также селен присутствует в ряде свободных аминокислот (8е-метилселеноцистеиен, селёноцистатион, Эе-метилселенометионин и селеногомоцистеин). Помимо этих соединений в растениях содержатся диметилселенид, триметилселенид, селеноперсульфид, селенодиглутатион и др. промежуточные соединения селенового обмена.

В почве бедной селеном растения не аккумулянты селена, содержат этот микроэлемент в белках. Примером этого может служить томат, у которого почти весь селен приходится на селеносодержащие белки. Если в растении преобладает содержание селеносодержащих аминокислот, значит, оно произрастает на почве с избыточным содержанием селена. Это условие

более благоприятно для роста растения, т.к. свободные селеносодержащие аминокислоты менее токсичны.

Отличительная особенность органических соединений селена в том, что в стеблях и первом листе их концентрируется гораздо меньше, чем в корнях растения.

Растения могут поглощать как органические, так и неорганические формы селена и синтезировать из одной формы в другую.

Существует мнение о том, что концентрация селена в почве напрямую зависит от растительного сообщества занимающего эту территорию, также не мало важным фактором является влагообеспеченность участка.

Авторы делают пессимистический прогноз об уровне накопления селена растениями, так как этому способствует широкомасштабный процесс дегумификации и прогрессирующее закисление почвы, а также усиливающее загрязнение почв тяжелыми металлами и соединениями серы (В.В. Ермаков, 1999; В.А. Тутельян с соавт.,2002).

Селен поступает в организм человека по пищевой цепи: из почвы в растения, из растений - в организм животных, а они, в свою очередь служат источниками селена для человека. До 90% селена попадает к нам в организм с пищевыми продуктами и только до 10% - с питьевой водой (JI.P. Ноздрюхина, 1977; В.А. Тутельян с соавт., 2002; Е.В. Шигина, 2005; Г.А. Гореликова, 2008; G.F. Combs, S.F. Combs, 1986).

Селен является эссенциальным - незаменимым компонентом рациона питания и необходимым микроэлементом для нормальной жизнедеятельности организма человека и животных (О. С. Зуева, 2009). В настоящее время большое внимание уделяется регуляторной роли селена в организме, что обусловлено его антиоксидантными свойствами. Селен принимает участие в поддержании перекисного гомеостаза на клеточном уровне, так как входит в состав активного центра фермента глутатион пероксидазы (Л.Н.Скрыпник, 2009).

Л.Н.Скрыпник (2009),В.А. Вихрева (2011) считают, что большое значение для раскрытия функций селена в растительных организмах имеют динамика поступления селена в растения и факторы, влияющие на этот процесс. Длительное время селен признавали лишь «условно эссенциальным» микроэлементом и полагали, что он не является необходимым для растений микроэлементом.

В последние годы исследования ученых показали, что селен способен участвовать в усилении адаптивного потенциала растений. При воздействии неблагоприятных погодных или других внешних условий в момент роста растения, в нем происходит окислительный стресс, селен в этом случае уменьшает это пагубное воздействие на растение и помогает перенести этот период с меньшими по