Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Накопление фенольных соединений растениями Hypericum perforatum L. в эколого-ценотических градиентах

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Ломаченко, Наталья Владимировна, Уфа

¿с J , п л ■ ) / Г- ^ ^ ...

О I 1 ^ ^ о / о и о о

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Ломаченко Наталья Владимировна

НАКОПЛЕНИЕ ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ РАСТЕНИЯМИ

HYPERICUM PERFORATUM L. В ЭКОЛОГО-ЦЕНОТИЧЕСКИХ ГРАДИЕНТАХ

03.00.12 - Физиология растений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.б.н., проф. Усманов И.Ю.

Уфа-1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5

Глава 1. Экология и физиология фенольных соединений 8

1.1. Вещества специализированного обмена Hypericum perforatum L. 8

1.2. Функции фенольных соединений 9

1.2.1. Фенольные соединения, рост и развитие растений 9

1.2.1.1. Структурные функции фенольных соединений 9

1.2.1.2. Фенольные соединения как запасные вещества 10

1.2.1.3. Регуляция роста 11

1.2.1.4. Участие в репродуктивном процессе 13

1.2.1.5. Регуляция покоя 14

1.2.1.6. Фенольные соединения как гормоны двигательных функций растений (тургорины) 15

1.2.1.7. Пигментация растений 15

1.2.1.8. Особенности связи фенольных соединений с различными показателями растений 16

1.2.2. Фенольные соединения и фотобиологические процессы 18

1.2.2.1. Фенольные соединения как компоненты электрон-транспортных цепей митохондрий и хлоропластов 18

1.2.2.2. Регуляция фотосинтеза 18

1.2.2.3. Регуляция процесса дыхания 21

1.2.2.4. Защита от повреждения УФ-излучением 22

1.2.3. Фенольные соединения во взаимоотношениях растений

с другими организмами 23

1.2.3.1. Фенольные соединения как сигнальные вещества 23

1.2.3.2. Защитные функции фенольных соединений в патогенезе растений 23

1.2.3.3. Фенольные соединения как аллелопатические агенты 26

1.2.3.4. Фенольные соединения в системе вертикальных трофических связей 26

1.2.3.5. Фенольные соединения как антиоксиданты 27

1.3. Влияние факторов внешней среды на накопление фенольных соединений 28

1.3.1. Абиотические факторы 2 8

1.3.1.1. Географический фактор 28

1.3.1.2. Свет 30

1.3.1.3. Гидротермический фактор 34

1.3.1.4. Элементы минерального питания 3 9

1.3.2. Биотические факторы 45 1.3.2.1. Эколого-ценотические условия 45

1.4. Hypericum perforatum L. как объект исследования 47

1.4.1. Ботанико-географическая характеристика

Hypericum perforatum L. 47

1.4.1.1. Морфология Hypericum perforatum L. 41

1.4.1.2. Ареал Hypericum perforatum L. 48

1.4.2. Химический состав Hypericum perforatum L. 49

1.4.3. Применение Hypericum perforatum L. 54 Глава 2. Условия выращивания, объекты и методы исследований 58

2.1. Выделение эколого-ценотических градиентов для природных ценопопуляций Hypericum perforatum L. 58

2.1.1. Почвенно-климатические условия 5 8

2.1.2. Ценотические условия 58

2.1.3. Сравнительный анализ параметров экологической ниши

разных сообществ 59

2.2. Условия закладки посевов Hypericum perforatum L. 60

2.3. Отбор растительного материала 60

2.4. Анализ растительного материала 60

2.4.1. Морфофизиологические показатели 60

2.4.2. Биохимические анализы 62

2.4.2.1. Биохимический состав и зольные элементы

растений 62

2.4.2.2. Определение хлорофиллов 62

2.4.2.3. Определение каротиноидов 63

2.4.2.4. Определение суммы флавоноидов 64

2.4.2.5. Определение катехинов 64

2.4.2.6. Определение гиперицина 65

2.4.2.7. Определение антиоксидантной активности экстрактов Hypericum perforatum L. 65

2.4.2.8. Определение активности перекисного окисления липидов

по образованию малонового диальдегида 66

2.5. Статистическая обработка данных 66

Глава 3. Результаты и обсуждение 67

3.1. Выделение эколого-ценотических градиентов 67

3.2. Анализ морфофизиологических показателей

Hypericum perforatum L. 73

3.3. Исследование накопления фенольных соединений

Hypericum perforatum L. в эколого-ценотических градиентах 83

3.4. Варьирование морфофизиологических и биохимических показателей Hypericum perforatum L. в эколого-ценотических градиентах 98

3.5. Взаимосвязь морфофизиологических и биохимических показателей Hypericum perforatum L. 105

3.6. Гиперицин в радикально-цепных реакциях окисления органических соединений 118

Заключение 127

Выводы 133

Использованная литература 135

Приложения 164

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Башкортостан относится к зонам рискованного земледелия. В таких районах все более широкое распространение получают принципы адаптивного растениеводства, в соответствии с которыми максимальная продуктивность достигается с минимальными затратами. Одним из способов повышения эффективности растениеводства является расширение ассортимента выращиваемых культур за счет видов, наиболее приспособленных к данным условиям. В то же время комплексные эколого-физиологические характеристики имеются далеко не для всех хозяйственно ценных, в том числе лекарственных растений.

Зверобой продырявленный {Hypericum perforatum L.) - широко распространенное лекарственное растение флоры республики (Кучеров, Галеева, 1986; Кучеров, Галеева, 1991). Однако экологическая обстановка в Башкортостане лимитирует границы сбора дикорастущих растений, что в свою очередь делает необходимым введение Н. perforatum в культуру. Это позволит решить проблему стандартизации качества растительного сырья за счет выравненное™ почвенно-климатических условий произрастания популяций, одновозрастности растений, увеличения их продуктивности, а также снизит опасность загрязнения сырья токсикантами.

Вещества специализированного обмена являются существенной составной частью общего метаболизма каждого вида и активно участвуют в физиологической регуляции целого растения. Основными действующими веществами Н. perforatum являются фенольные соединения: различные классы флавоноидов и конденсированные производные антрахинона, в том числе гиперицин (Минаева, 1991; Лекарственные растения..., 1991). Последний привлекает особое внимание ученых как антивирусный и цитостатический агент (Meruelo et al., 1988). Несмотря на широкое использование Н. perforatum, еще недостаточно полно изучен вопрос эколого-ценотической регуляции накопления фенольных соединений в этом растении. Не все группы фенольных соединений Н. perforatum изучены в равной степени. В первую

очередь это касается гиперицина, функции которого в растениях до конца нераскрыты.

Комплексная оценка изменчивости общей продуктивности растений и накопления различных групп фенольных соединений, а также анализ эколо-го-физиологических связей морфофизиологических и биохимических показателей Н. perforatum в условиях Башкортостана не проводились.

Цель работы - эколого-физиологический анализ связей накопления фенольных соединений Н. perforatum с морфофизиологическими показателями и эколого-ценотическими условиями произрастания. Для осуществления этой цели нами были поставлены и решались следующие задачи:

1. Выделить основные эколого-ценотические градиенты, в которых дифференцированность изученных сообществ с Н. perforatum является максимальной.

2. Провести исследование изменчивости морфофизиологических показателей Н. perforatum в различных эколого-ценотических условиях.

3. Определить изменчивость накопления фенольных соединений в различных эколого-ценотических градиентах.

4. Рассмотреть взаимосвязь биохимических признаков Н. perforatum с морфофизиологическими показателями и эдафическими условиями произрастания.

5. Проанализировать функции гиперицина, в том числе в радикально-цепных реакциях.

Научная новизна. В условиях Башкортостана проведен комплексный анализ изменчивости растений Н. perforatum по 43 морфофизиологическим и биохимическим показателям в природных эколого-ценотических градиентах. Выделены наиболее значимые факторы, регулирующие накопление фенольных соединений. Проанализирована роль гиперицина в радикально-цепных реакциях. Показана зависимость антиоксидантных и прооксидантных свойств этого соединения от его концентрации.

Практическая значимость. Собран материал для создания схем оптимального размещения посевов Н. perforatum в различных почвенно-

климатических условиях Башкортостана. Подготовлен материал для использования гиперицина как антиоксиданта.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю профессору И.Ю. Усманову, доценту каф. физиологии растений P.M. Башировой за неоценимую помощь, дружеское участие и постоянную поддержку на всех этапах работы, с.н.с. лаб. геоботаники JI.M. Абрамовой, а также преподавателям химфака БашГУ доценту Г.Г. Гарифулли-ной и профессору А .Я. Герчикову, аспирантке химфака С. Зиганшиной.

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЯ И ФИЗИОЛОГИЯ ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 1 Л. Вещества специализированного обмена Hypericum perforatum L.

Н. perforatum - традиционное лекарственное растение, широко применяемое как в народной, так и официнальной медицине (Минаева, 1991). Химический состав растений зверобоя продырявленного включает обширную гамму продуктов вторичного обмена. Основными действующими веществами считаются фенольные соединения (Лекарственные растения..., 1991). В практическом аспекте представляют интерес вопросы регуляции накопления полифенолов растениями Н. perforatum, для чего необходимо иметь представление о влиянии различных экологических факторов на синтез этих соединений.

С химической точки зрения фенольные соединения представляют собой вещества, содержащие в своей молекуле бензольное ядро с одной или несколькими гидроксильными группами. В литературе в качестве эквивалента термина фенольные соединения часто используется термин полифенолы. Гидроксилирование бензольного ядра обуславливает высокую реакционную способность фенольных соединений (Запрометов, 1993). Естественно полагать, что они должны сохранять эту особенность и в биологических системах, то есть в живых организмах. Следует отметить, что многообразие строения вторичных метаболитов сочетается и с разнообразием их функций (Hartmam, 1996), что, в частности, справедливо и в случае фенольных соединений (Запрометов, 1993). Однако вопрос о функциях в растениях до сих пор остается наименее изученным разделом биохимии и физиологии фенолов (Запрометов, 1992).

Итак, в связи с вышеизложенным рассмотрим функции, выполняемые фенольными соединениями в растениях, а также влияние на накопление фенолов различных факторов внешней среды.

1.2. Функции фенольных соединений 1.2.1. Фенольные соединения, рост и развитие растений 1.2.1.1. Структурные функции фенольных соединений

Лигнин - основной полимер опорных тканей и важный компонент вторичной стенки высших растений. Лигнин укрепляет клеточную стенку и предохраняет ее микрофибриллы от химических, физических и биологических воздействий (Гудвин, Мерсер, 1986).

Для лигнина характерна химическая гетерогенность - отдельные органы или части растений содержат лигнин, различающийся по составу (Воиёй е! а1., 1996), поэтому правильнее использовать термин лигнины (Запрометов, 1992). Лигнины представляют собой нерегулярные трехмерные полимеры фенольной природы. Их предшественниками служат оксикоричные спирты -п-кумаровый, конифериловый и синаповый, образующиеся в результате восстановления п-кумаровой, феруловой и синаповой кислот соответственно. В присутствии перекиси водорода оксикоричные спирты окисляются до фенок-сильных радикалов, которые неферментативно и поэтому неупорядоченно вовлекаются в полимеризацию (Запрометов, 1992).

В клеточных стенках растений лигнины присутствуют в виде лигноуг-леводных комплексов, в которых гемицеллюлозные компоненты представлены в основном арабиноксиланами (Запрометов, 1992). В последнее время показано, что в формировании лигноуглеводных комплексов клеточной стенки также принимают участие и некоторые флавоноиды, проантоцианидины и катехины (Запрометов, 1993).

У покрытосеменных растений и, особенно у злаков, феруловая и п-кумаровая кислоты присутствуют в первичных клеточных стенках, образуя с их составляющими сложноэфирные связи (Запрометов, 1992). Часть феруло-ильных фрагментов под действием пероксидазы подвергается окислению с образованием диферулоильной структуры. Возникающий в результате этого

диферулоильный мостик связывает две арабиноксилановые цепочки. При этом диферуловая кислота усиливает механические качества клеточной стенки (Kamisaka et al., 1990).

Фенольные соединения участвуют в образовании суберина и кутина, характерных для покровных тканей растений. Суберин входит также в состав раневой перидермы, образующейся при механических повреждениях, имеет большое значение в защите растений от проникновения патогенов (Запроме-тов, 1992). Кутин является основным полимером кутикулы, предохраняющей ткани растений от различного рода повреждений, а также уменьшающей чрезмерные потери и накопление воды нижерасположенной тканью (Гудвин, Мерсер, 1986). Компоненты суберина представлены полиоксижирными кислотами и фенолами (феруловая и n-кумаровая кислоты). Кутин, наряду с восками, содержит также некоторое количество ковалентно связанных остатков n-кумаровой и феруловой кислот. По-видимому, фенольные соединения являются необходимыми участниками реакций полимеризации при образовании кутина и суберина (Запрометов, 1992).

1.2.1.2. Фенольные соединения как запасные вещества

Способность высших растений к расщеплению бензольных ядер фе-нольных соединений и включение продуктов их катаболизма в состав различных растительных метаболитов свидетельствует, что фенольные соединения могут использоваться растениями как запасные дыхательные субстраты (Запрометов, 1968; Рыбак, Кораблева, 1989; Шалашвили, 1990). О такой способности можно судить, например, по изменению содержания флавоноидов в ходе вегетации (Bruce, 1987), суточной динамике этих соединений (Минаева, 1978). Накопление в семенах кофе хлорогеновой кислоты позволило предположить, что она является запасным продуктом, использующимся как дыхательный субстрат при прорастании семян (Aerts, Baumann, 1994).

В опытах с введением меченых 14С-катехинов в молодые побеги чайного растения с последующим выдерживанием их в темноте установлено, что радиоактивность расщепляющихся катехинов внедряется в самые разнообразные соединения: углеводы, аминокислоты, белки, органические кислоты, терпеноиды. Наименьшая активность была обнаружена во фракции аминокислот, причем метились только ароматические аминокислоты. Кроме того, радиоактивность катехинов выделяется с углекислотой дыхания (Запрометов, 1968).

Показано (Шалашвили, 1990), что растительные ткани способны расщеплять бензольные ядра экзогенных фенольных соединений - оксибензой-ных и оксикоричных кислот, флавоноидов и других групп фенолов. При этом образуются простые алифатические метаболиты и углекислый газ. Среди метаболитов выделены также органические и фенолкарбоновые кислоты, сахара и другие соединения.

В опытах in vitro установлено, что в катаболизме фенольных соединений принимают участие пероксидаза, а также другие ферменты. Однако результаты этих опытов свидетельствуют лишь о возможном участии перокси-дазы в окислительном превращении фенолов. Ответить же на вопрос, в какой мере эта способность данного фермента реализуется в тканях растений, не представляется возможным (Запрометов, 1993).

1.2.1.3. Регуляция роста

В литературе часто фенольные соединения относят к ингибиторам роста. Однако в зависимости от концентрации, структуры и объекта одни из них выступают главным образом как ингибиторы, другие - как стимуляторы, третьи - как регуляторы, а некоторые могут оставаться неактивными в процессе роста (Волынец, 1980; Варнайте, 1986; Pospisil et al., 1987).

Регуляция роста растений в настоящее время рассматривается в тесной связи с гормонально-ингибиторной регуляцией и функциями генетического аппарата (Кефели, 1991). Предполагают, что фенольные соединения являются важной составной частью гормонально-ингибиторного баланса, контролирующего ростовые и фотосинтетические функции растительного организма (Музафаров, Рузиева, 1985).

Установлено, что баланс эндогенных гормонов и ингибиторов роста фенольной природы меняется при изменении светового режима (Кефели, 1991). При этом изменяется скорость роста и продуктивность растений. При оптимальных интенсивностях света соотношение ингибиторов роста и фито-гормонов хорошо сбалансировано - происходит оптимальная саморегуляция ростовых процессов.

Предполагают, что механизм физиологического воздействия эндогенных фенолов на рост растений заключается в их влиянии на синтез ИУК из триптофана и ее разрушение ауксиноксидазой (Бабенко, Бойко, 1988), рост-стимулирующую активность гиббереллинов и действие цитокининов (Ito-kawa, 1982; Ляшенко и др., 1987). Кроме того, фенольные соединения, вероятно, участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, фотосинтетическом и окислительном фосфорилировании, а также в инактивации ряда ферментов, благодаря которым может регулироваться интенсивность обмена веществ, а вместе с тем и рост растений (Кефели, Турецкая, 1977).

Установлено, что при освещении УФ-светом транс-изомеры оксико-ричных кислот, являющихся компонентами клеточной стенки, переходят в соответствующие цис-изомеры. По предположению G.H.N. Towers (1984), фотоизомерия этих соединений может служить для трансдукции световой энергии на такие процессы, как транспорт воды, тургорное давление и рост. При этом ц