Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности состава флавоноидов популяций растений как проявление адаптаций в геохимических условиях Южного Зауралья

ВАК РФ 03.02.01, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Особенности состава флавоноидов популяций растений как проявление адаптаций в геохимических условиях Южного Зауралья"

На правах рурегписи

Щербаков Аркадий Владимирович

ОСОБЕННОСТИ СОСТАВА ФЛАВОНОИДОВ ПОПУЛЯЦИЙ РАСТЕНИЙ КАК ПРОЯВЛЕНИЕ АДАПТАЦИЙ В ГЕОХИМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ЮЖНОГО ЗАУРАЛЬЯ

03.02.01 - ботаника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

4 ДЕК 2014

Оренбург, 2014

005556204

Работа выполнена на кафедре биохимии и биотехнологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет»

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Усманов Искандер Юсуфович

Официальные оппоненты:

Розенцвет Ольга Анатольевна, д.б.н., г.н.с лаборатории экологической биохимии ФГБУН Института экологии Волжского бассейна РАН (Тольятти)

Долотовский Игорь Михайлович, д.б.н., проф. зав. сектором Президиума РАСХН, главный редактор бюллетеня «Аграрная Россия» (Москва)

Путенихин Валерий Петрович (Уфа) , д.б.н., проф, завлабораторией дендрологии ФГБУН Ботанический сад-институт Уфимского научного центр Российской академии наук (Уфа)

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет» (Самара)

Защита состоится 25 декабря 2014 г. в 9.00 на заседании диссертационног совета Д.212.180.02 при Федеральном государственном бюджетно1 образовательном учреждении Высшего профессионального образовани «Оренбургский государственный педагогический университет». Адрес: 460014, г. Оренбург, ул. Советская, 19. тел. (факс) (3532) 77-24-32. E-mail ospu@ospu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте http://www.ospu.ru. ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный педагогический университет»

Автореферат разослан « »

2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

"Мушинская Наталья Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Биоразнообразие популяций растений в горных экосистемах формируется под влиянием геологических, ландшафтных, почвенных и биологических особенностей региона. Южный Урал характеризуется большим набором параметров, который позволяет определить этот регион как эндемичный (Golovin, et.al., 2004).

В настоящее время производные слова «эндемичный» используются достаточно широко и применяются для явлений, тем или иным способом связанных с теми или иными экологическими, географическими, почвенными и ценотическими условиями - эндемичные болезни, горные породы, типы складчатых структур и т.д. (БСЭ, 1970).

Комплексное приспособление к эндемичному набору условий среды возможно при перекомбинации существующих адаптивных признаков, либо при формировании нового признака. Выявлена закономерность, согласно которой адаптация реализуется тем эффективнее, чем больше первичных адаптивных реакций (ПАР) участвует в ее реализации. (Новосельцев, 1978; Усманов и др., 2001).

Другая закономерность - возможность автономной активации той или иной ПАР, что в результате обеспечивает независимое формирование комбинаций первичных адаптивных реакций. При большом числе первичных адаптивных реакций число их комбинаций может быть очень велико (Кулагин Ю.3.,1975; Миркин, Усманов, Наумова, 1999; Миркин, Наумова, 2012). В этом -основа принципа экологической индивидуальности видов Раменского-Глизона, согласно которому адаптивный потенциал каждого вида неповторим (Кулагин Ю.3.,1984; 1985, Усманов и др., 2001; Кулагин A.A., 2006). Наличие относительно независимых механизмов адаптации, даже при отказе одного или нескольких, повышает выживаемость системы в целом. Большое число ПАР и возможность их независимой реализации делает возможным формирование

альтернативных сценариев повышения надежности и адаптивности растения. Такие сети альтернативных путей выживаемости были определены как децентрализованные системы (Шильяк, 1994). Этот подход применим и для анализа взаимодействий между первичными физиологическими механизмами растений, поливариантность проявления которых считается характерной чертой адаптивного поведения растений (иэтапоу, 1994,2001).

Специализированный обмен растений является уникальным явлением природы, в котором формируется огромное многообразие физиологически активных веществ. Флавоноиды — обширная группа полифенолов, в которой описано более 8 тыс. соединений (Запрометов, 1996; Корулькин, 2007; Высочина, 2007; Тюкавкина, 2008).

Флавоноиды играют важную роль в защите растений от различных стрессов, вызванных неблагоприятными условиями окружающей среды (Запрометов, 1996; Кулагин, Оразов, 2001; Высочина, 2007; Тюкавкина, 2008; Валуева и др., 2012; Мечикова, Степанова, 2012). Несмотря на всеобщее признание адаптивной роли флавоноидов, общепринятая схема регуляции их накопления условиями среды не разработана. При этом считается, что биоразнообразие лекарственных растений используется человеком далеко не полностью в связи с отсутствием данных о ресурсах, недостатком сведений о составе биологически активных веществах в объектах, обладающих активностью и малой изученностью фармакологических свойств их препаратов (Гусев, 2010).

' Южное Зауралье характеризуется чрезвычайно высоким геохимическим и ландшафтным разнообразием и разнообразием содержания в почвах региона многих металлов. В этом регионе существует нескольких геохимических провинций, богатых многообразием химических элементов и различающихся по составу, концентрациям и по их микромозаичному распределению (Оо1оуш, е1.а1., 2004; Суюндуков, 2013; Семенова, Опекунов, Опекунова, 2013).

Горные экосистемы определяются как центры формирования биоразнообразия растений. Первоначально эта концепция был

сформулирована Н.И. Вавиловым (1926, 1935) для описания источников видового разнообразия культурных растений. Позже эти представления были расширены до зон формирования эндемиков (Силантьева, 2008) и генетической дифференциации растений в локальных средах (Kruckeberg, Rabinowitz,1985; Major, 1988; Янбаев, 2002). Многообразие условий местообитаний требует многообразия адаптации растений. Влияние разнообразия почвенных ландшафтных и геохимических условий Южного Урала на формирование многообразия флавоноидов ранее не рассматривалось.

Все вышеперечисленное позволило сформулировать следующие цели и задачи:

Цели и задачи

Цель работы — изучить межвидовую, межпопуляционную и внутрипопуляционную морфофизиологическую дифференциацию растений в эколого-ценотических условиях Южного Зауралья. Задачи исследования:

1) Оценить пластичность морфофизиологических показателей растений Южного Зауралья.

2) Оценить эколого- ценотические условия- многообразие экологических ниш в которых реализуется адаптивный потенциал исследованных растений

3) Исследовать внутри- и межпопуляционные различия в накоплении флавоноидов.

4) Оценить изменчивость накопления флавоноидов в зависимости от природно-климатических условий вегетационного сезона.

5) Изучить пути формирования антиоксидантной активности комплекса флавоноидов.

6) Рассмотреть альтернативные схемы формирования комплекса флавоноидов в почвенно-климатических условиях Южного Зауралья.

7) Рассмотреть целесообразность создания резервата для дальнейшего исследования и сохранения спектра эндемичных комбинаций флавоноидов Южного Зауралья.

Положения, выносимые на защиту.

1. В условиях многообразия экологических ниш Южного Зауралья у растений выявлено высокое разнообразие флавоноидов, формируемое как на межвидовом, так и на внутривидовом уровне, имеющее и выраженную динамику по годам.

2. Предложена модель децентрализованной стохастической сети биосинтеза основных классов флавоноидов, основанная на возможности независимого функционирования нескольких путей синтеза флавоноидов.

3. В условиях высокой мозаичности содержания металлов в почвах общим вектором для итогового функционирования альтернативных путей биосинтеза флавоноидов является повышение устойчивости растений через возрастание уровня антиоксидантной, хелатирующей и других функций флавоноидов.

Научная новизна

Впервые на Южном Зауралье проведены многолетние исследования накопления комплексов флавоноидов в лекарственных растениях с разными типами адаптивных стратегий. Показаны межвидовые, межпопуляционные, внутрипопуляционные различия в накоплении флавоноидов. Показан низкий уровень корреляционных связей между морфофизиологическими параметрами растений и компонентами специализированного обмена, что указывает на поливариантность накопления флавоноидов растениями. Предложен комплексный показатель суммарной антиоксидантной активности флавоноидов в растениях на базе показателя тролокс-эквивалента (ТЕАС, мМ).

Научно - практическая значимость.

Выявлен широкий диапазон межвидовых, межпопуляционных, внутрипопуляционных различий в накоплении флавоноидов. Это диктует необходимость создания на природной территории Южного Зауралья особо охраняемой природной территории для выявления изучения и практического использования химических эндемиков Южного Зауралья. Материалы диссертации используются в курсах лекций «Ботаника», «Физиология

лекарственных растений» и «Физиология растений» читаемых в Башкирском государственном университете, Башкирском государственном педагогическом университете и Нижневартовском гуманитарном университете.

Связь работы с плановыми исследованиями и научными программами.

Исследования были выполнены в рамках программы НИР Башкирского государственного университета при поддержке гранта РФФИ «Генетическое и физиологическое обоснования использования представителей семейства Chenopodiaceae для фитомелиорации засоленных территорий Южного Урала» -12-04-97023-р Поволжье а»

Декларация личного участия

Автором была определена тема исследования и проведен подбор исследованных видов и экспериментальных моделей. Часть результатов, представленных в 3-4 главах, получены в совместной работе с к.х.н. Ивановым С.П., к.б.н. Аминевой A.A., д.б.н. проф. Суюндуковым, д.б.н. проф. Янтуриным С.И. Автору принадлежит замысел и окончательный текст диссертации. В диссертации использованы работы, опубликованные в соавторстве.

Апробация работы

Материалы диссертации были изложены на 13 конференциях, наиболее важные из которых: X и XIII съезды Русского ботанического общества (Санкт-Петербург, 1998; Тольятти, 2013), YII всероссийская конференция «Химия и медицина, ОРХИМЕД 2009» (Уфа, 2009), YII международный симпозиум по фенольным соединениям, (Москва, 2009), Всероссийская научной конференции «Актуальные проблемы химии. Теория и практика», (Уфа, 2010), VII всероссийская научная конференция «Химия и технология растительных веществ» (Сыктывкар, 2006, 2011), XVI конгресс Европейских обществ физиологов растений (Тампере, Финляндия, 2008), конференция с международным участием «Современные проблемы биохимии и биотехнологии » (Уфа, 2013), методический семинар кафедры экологии и природопользования естественно-географического факультета Башкирского государственного

педагогического университета (2014), международная конференция «Инновационные подходы к обеспечению устойчивого развития социо -экодого - экономических систем», Самара — Тольятти, 2014.

Публикации

По теме диссертации опубликовано более 40 работ, в том числе 2 учебных и 5 методических пособия, 13 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ для защиты докторских диссертаций и 10 статей в крупных региональных изданиях.

Crpyicrypa и объем работы

Диссертация изложена на 288 страницах машинописного текста (включая иллюстрации и список литературы) и состоит из введения, обзора литературы, 5 глав экспериментальной части, заключения и выводов. В работе представлено 43 таблиц и 66 рисунков. Список литературы включает 380 наименований, из них 145 иностранных.

Благодарности

Автор благодарит к.х.н. с.н.с. ИОХ УНЦ РАН Иванова С. П. за помощь в проведении анализов содержания флавоноидов в образцах методом ВЭЖХ, д.б.н. Рахманкулову З.Ф. и д.б.н. Кулагина А.Ю. за ценные советы, д.б.н. проф. Суюдукова Я.Т., д.б.н. проф. Янтурина С.И., Чистякову М.В. за помощь в организации проведения полевых исследований, научного консультанта д.б.н. проф. Усманова И.Ю. за общее руководство и всестороннюю поддержку.

ГЛАВА 1. ЮЖНОЕ ЗАУРАЛЬЕ - РЕГИОН С УНИКАЛЬНЫМ РАЗНООБРАЗИЕМ ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ.

1.1. Характеристика района проведения исследований в соответствии с ботанико-географическим районированием.

Южное Зауралье характеризуется взаимным наложением нескольких средообразующих природных систем (рис. 1,2). Это: 1) растительность и почва региона, 2) рельеф переходной зоны от горной к равнинным; 3) геохимические провинции и локальные геохимические аномалии. Эти средообразующие

системы складывались в разное геологическое время, формировались в результате сложного взаимодействия глобальных, региональных и местных процессов. В результате сложилась уникальная мозаика экологических ниш и местообитаний, различающихся условиями выживания для растений.

Многообразие условий для выживания растений, определило основные вопросы:

1. Как формируется многообразие и каково пространственное распределение экологических ниш с разными комбинациями средообразующих факторов? Вопрос рассмотрен в главе 1.

2. Как растения адаптируются к нишам с различными жизненными условиями. Вопрос рассмотрен в главах 2 и 4.

Согласно природному районированию, разработанному A.A. Мулдашевым (2006), район исследований относится к трем районам:

1. Лесостепной район восточного склона Южного Урала.

Охватывает хребты Крыкты, Куркак, Ирендык и прилегающую предгорную полосу. В нижних частях хребтов представлены березовые колки и овражные осиново-березовые лесные островки в сочетании с настоящими разнотравно-ковыльными степями (класс Festuco-Brometea Br.-Bl. et Тх. ex Soó 1947, порядок Helictotricho-Stipetalia Toman 1969). Они представлены зональными богаторазнотравными настоящими степями с преобладанием Stipa zalesskii (ассоциация Amorío montani — Stipetum zalesskii Yamalov ass. nova prov. (Ямалов, 2011) и ее петрофитными аналогами (ассоциация Diantho acicularis — Orostachietum spinosae Schubert, et al. 1981) на щебнистых почвах, занимающие верхние части холмов, небольших грив и увалов (Ямалов и др., 2013). Также встречается растительность послелесных лугов (класс MoHnio-Arrhenatheretea R.Tx. 1937 em. R.Tx. 1970).

2. Акъярский стенной район.

Рельеф — пониженные увалисто-мелкосопочные равнины. Растительность представлена сухими ковыльными степями (класс Festuco-Brometea Br.-Bl. et Тх. ex Soó 1947, порядок Helictotricho-Stipetalia Toman 1969), которые в

настоящее время, большей частью распаханы и деградированы в результате выпаса. Зональная растительность представлена лессинговоковыльными степями ассоциации Scorzonero austríacas — Stipetum lessingianae Yamalov ass. nova prov. (Ямалов и др., 2013), которая объединяет бедные настоящие степи с преобладанием Stipa lessingiana. Иногда встречаются галофитные сообщества засоленных местообитаний класса Festuco-Puccinellietea Soó ex Vicherek 1973. Почвенный покров формирует южный подтип чернозема. 3. Сибайский степной район.

Рельеф - широковолнисто-увалистые равнины. Растительность представлена преимущественно настоящими разнотравно-ковыльными степями (класс Festuco-Brometea Br.-Bl. et Тх. ex Soó 1947, порядок Helictotricho-Stipetalia Tornan 1969) и их антропогенными вариантами (класс Polygono-Artemisietea austriacae Mirkin et. al. in Ishbirdin et. al. 1988). Наиболее распространенными зональными степями в районе являются залесско-

настоящие разнотравно-ковыльные стели, ассоциация Amorío montani — Stinetum zalesskii

гиперпетрофитные степи ассоциация Diantho acicularis - Orostachietum spinosae

Типичный ландшафт Южного Зауралья

ковыльные степи ассоциации Amorío montanae-Stipetum zalesskii Yamalov ass. nova prov. (Ямалов, 2011).

1.2. Экологические условия местообитаний как активаторы адаптивных изменений растений.

Мы проделали оценку формирования химических различий между участками, расположенными на разных расстояниях один от другого.

Было показано, что химический состав участков может кардинально различаться при любых расстояниях между ними — как на расстояниях в несколько десятков километров, так и на расстояниях в несколько метров (Табл. 1, рис 3.).

На рис. 1 представлен типичный ландшафт Южного Зауралья — сочетание степей с небольшими возвышенностями. Повсеместно встречаются очаговые выходы материнских горных пород.

На рис. 2 представлено расположение основных мест взятия проб и границы основных геохимических провинций Южного Зауралья в районе проводимых исследований (Опекунов, Опекунова, 2013).

В табл. 1 приведены данные по валовому содержанию 15 химических элементов, полученные авторами, а также упомянутые в иных опубликованных работах. Показано варьирование содержания химических элементов в пределах геохимических провинций Южного Зауралья относительно среднестатистических показателей их содержания в литосфере - Кларков.

Установлено, что важную роль в формировании микрофлуктуаций состава почвенных элементов играют локальные различия микрорельефа местности, а также, непосредственный выход на поверхность материнских горных пород.

Таким образом, район исследования отличается высокой многоуровневой мозаичностью содержания химических элементов во всех интервалах закона толерантности Либиха-Шелфорда. Поскольку флористический состав экосистем Южного Зауралья чрезвычайно богат (более 1000 видов), очевидно, что к таким режимам смогло адаптироваться большое число видов растений.

¡гйиаз»:

1фа

"<- -

''■Оренбург

Годы сбора образцов

О-2003,®-2004,0-2005; 0-2006 О-2007;®-2008,О-2009;©-2010 О-2011 .•-2012 в-2013 Геохимические провинции:

I -Баймак —Бурибаевская,

II - Красноуральско-Сибай-Гайская,

III - Юлукско-Тубинская. Ботанико-географические районы:

А - Лесостепной район восточного склона Южного Урала; В - Сибайский степной район; С- Акьярский степной район.

III I

>аймак

8

и I

й 84

8 Q'v

9 g р

О

гСибай

5!

I / 1

I-

с

*Акъяр

Рис. 2. Ботанико-географические районы, геохимические провинции Южного Зауралья и места отбора образцов на территории района исследований.

Таблица 1.

Валовое содержание химических элементов в геохимических провинциях Южного Зауралья

Химический элемент границы валового содержания, мг/кг Геохимическая провинция Кларк, мг/кг Показатель эндемичности

Си 26 - 520 III 55 0,47 -11,49

Zn 50-762 II, III 70 0,71-10,89

Cd 2,5-5,2 II, III 0,2 13,5 - 26,0

Mn 324-15000 I-III 950 0,34 -И 1,53

Na 700-470000 I-III 23600 0,02-19,9

Fe 25640 I-III 56300 0,46

S 260-6000 I-III 260 1 - 23,1

Ni 16-99 I, III 75 0,22-1,32

Co 9,8 - 65,6 II, III 12,5; 25 0,42-2,66

В 0,3 - 1,75 I-III 10 0,03 - 0,175

Mo 0,06 - 0,35 I-III 1,5 0,04-0,23

As 2,16 н- 3,61 I-III 1,8 1,2 - 2,0

AI 60 000 I-III 82300 0,73

Условные обозначения: Геохимические провинции:

I -Баймак -Бурибаевская, II - Красноуральско-Сибай-Гайская, III - Юлукско-Тубинская.

Кларк элемента - кларковое число, среднее содержание элемента в литосфере (Виноградов, 1962; Опекунов, Опекунова, 2013)

Показатель эндемичности - отношение зарегистрированного на конкретной территории содержания химического элемента к его кларковому числу (Golovin, et. al., 2004).

На рисунке 3 показана зависимость проективного покрытия растительности от микрофлуктуаций содержания в почве основных ионов, избыток которых служит причиной засоленности почв Южного Зауралья.

солончак 3

■а ког*1итку1

Я............ ......МШш

Популяция

Подошва

хребта

Ирендык

Равнина

солончак

50 0 50

Расстояние до центра солончака, м

Зависимость проективного покрытия растительности от засоленности почвы

Ма

он ЭО, СО,

проект, покрытие

Рис. 3. Микрофлуктуации содержания солей на солончаках Южного Зауралья.

ГЛАВА 2. ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ АДАПТИВНОГО СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО МЕТАБОЛИЗМА РАСТЕНИЙ

Рассматривается проблема видоспецифичности флавоноидов и их

возможная применимость в качестве маркеров для хемосистематики растений (Полякова, 2000). Также рассматриваются основные экологические механизмы регуляции накопления растениями флавоноидов различными экологическими факторами. (Запрометов, 1996; Nijveldt, 2001; Winkel-Shirley, 2001(А, В); Grotewold, 2006; Buer, et al., 2007; Высочина, 2007; Тюкавкина, 2008; Домнина и др., 2012; Касенова и др., 2012). Обсуждается участие комплекса флавоноидов в обеспечении неспецифических защитных механизмов растений, в силу присущей этим соединениям высокой антиоксидантной активности (Носов, 1994; Полякова, 2000; Winkel-Shirley, 2001(B); Высочина, 2004; Тюкавкина,2008; Будкевич, 2009; Dixon, 2010; Mapelli, Bertani, 2012; Козлова,

2012). Обсуждается взаимосвязь между структурой молекул представителей отдельных классов флавоноидов и их антиоксидантными свойствами (Корулькин, 2007; Тюкавкина, 2008; Ильясов, 2009), основные механизмы, обеспечивающие антиоксидантную и антирадикальную активность флавоноидов, а также их способность к хелатированию ионов тяжелых металлов. Также рассматриваются основные физиологические механизмы регуляции растениями качественного и количественного состава накапливаемых флавоноидов и задействованные ферментные системы (Forkmann, Heller, Grisebach, 1980; Winkel-Shirley, 2001; Ralston, 2005; Bogs, 2006; Schijlen, 2007; Dixon, 2010; Thompson, et. al., 2010, Tanaka, Brugliera,

2013).

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами полевых исследований служили следующие виды растений: Juniperus sabina L.- можжевельник казацкий; Achillea nobilis L. -тысячелистник благородный; Achillea millefolium L. - тысячелистник обыкновенный; Glycyrrhiza korshinskyi Grig. - солодка Коржинского; Atriplex patula L. лебеда раскидистая; Bassia sedoides (Pallas) Ascherson.- бассия очитковидная; Kochia prostrata (L.) Schrad.- кохия простертая; Artemisia salsoloides Willd. - полынь солянковидная.

Краткая экологическая характеристика видов представлена в таблице 2.

Таблица 2

Экологическая характеристика исследованных видов.

Вид Шкалы факторов, диапазоны Тип стратегии Класс растительности

HD (1-23) TR (1-19) NT (1-П) RC (1-13)

Achillea millefolium. 3-15 2-15 3-9 1-13 CR/CSR .э

Achillea nobilis. 3-13 5-12 1-7 6-11 CS 1

Bassia sedoides - - - - SC 4

Glycyrrhiza korshinskyi 2-15 7-17 3-9 3-13 SC 4,5

Atriplex patula 1-15 9-17 5-9 1-13 SC 4

Juniperus sabina 4-13 4-9 1-7 1-7 SC 1,2

Kochia prostrata - - - - SC 4

Artemisia salsoloides - - - - SC 1,4

Условные обозначения:

Шкалы факторов: IШ- увлажнение почвы, ТЯ — солевой режим, ЫТ-богатство почв азотом, ЛС- кислотность почв (по Цыганову, 1983 с доп.); Типы стратегий: С - виоленты, II- эксплеренты, Б-патиенты ( Миркин, 2001); Классы растительности: 1- Ре$1исо-Вготе1еа\ 2- Ро^опо-Апетше1еа АгШг/асае; 3- МоИто-АггИепМкеге(еа; 4- Рех1исо-Рисс'теШе1еа, 5- ЕеяШсо-Ытоп'Шеа.

В настоящее время для флоры Южного Урала отсутствуют экологические шкалы, характеризующие толерантность растений по отношению к тяжелым металлам (табл. 1). Таким образом, отсутствует возможность полного описания исследованных видов в пространстве многомерных экологических ниш.

Методы исследования.

Определение сообществ производили по системе Браун-Бланке с идентификацией классов (Миркин и др., 2001).

Общей задачей исследования является анализ функционирования и взаимодействия альтернативных вариантов биосинтеза флавоноидов в условиях мозаичного разнообразия экологических ниш Южного Урала. Такой подход указывает на необходимость анализа суммы реакций отдельных растений, а не обобщенных смешанных проб от многих растений. Поэтому в первую очередь

мы анализировали и сравнивали индивидуальные спектры растений. В материалах этих исследований показатели ошибки средней не приводятся. Корреляции между рядами данных от отдельных растений приведены в главе 4.2. диссертации.

Анализ общей суммы флавоноидов осуществлялся спектро-фотометрически на сканирующем спектрофотометре СФ 2000 с использованием комплексообразователей по стандартной методике (Высочина, 2004). В качестве стандарта применялся рутин. Аналитическая длина волны составляла 345 нм. В качестве комплексообразователя использовался раствор хлорида алюминия.

Хроматографический анализ флавоноидов методом ВЭЖХ проводили на системе Waters Breeze со спектрофотометрическим детектором на длине волны 254 и 275 нм. Калибровку проводили с применением соответствующих стандартов соединений (производитель - Sigma-aldrich). Полярографическое определение Си, Zn, Cd, Mn, Ni, Co, Mo, As и других тяжелых металлов в образцах почвы и растений определялось методом обратной полярографии на приборе «Полярограф Экотест-2».

Уровень содержания Na, Fe, S, В, AI в верхнем горизонте (0-20 см) почвы определяли в водной вытяжке пробы (100 мг) на атомно-абсорбционном спектрометре (Hitachi 207, Japan).

Морфологические и физиологические параметры рассчитывали по сводке (Усманов и др., 2001).

Пластичность накопления растениями отдельных флавоноидов оценивали с использованием: коэффициента осцилляции р, (Шмойлова,2002); коэффициента общности Жаккара Kj, (Миркин, Розенберг, Наумова, 1989). Статистическая обработка осуществлялась в пакетах программ Statistica и Excel.

ГЛАВА 4. БИОРАЗНООБРАЗИЕ ФЛАВОНОИДОВ В ЭКОЛОГО-ЦЕНОТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ЮЖНОГО ЗАУРАЛЬЯ

4.1. Фнтоценологические особенности исследованных видов.

В данной главе в диссертации представлены сведения о растительности, произрастающей совместно с исследованными видами.

4.2.1 Анализ хроматограмм исследованных видов в условиях Южного Зауралья.

Сравнительный анализ хроматограмм проводили по двум параметрам: 1) времени выхода; 2) площади пика соответствующих соединений. Поскольку методика приготовления экстрактов растений была специально разработана для анализа в них флавоноидов методом ВЭЖХ, есть основания полагать, что зарегистрированные, но еще не идентифицированные в образцах метаболиты также могут являться флавоноидами. Качественный же анализ хроматограмм осуществляется путем сравнения пиков, совпадающих по времени выхода и, следовательно, соответствующих одному и тому же соединению (Davankov, et. al., 2002).

Рассмотрим признаки разнообразия флавоноидов в связи с видовыми особенностями и эколого- ценотическими условиями.

Пример 1: Внутрипопуляционные различия хвои женских растений Juniperus sabina, (место сбора -популяция 1. Координаты: 52° 1Г 44" с.ш. 56° 43' 13" в.д., класс сообщества - Festuco-Brometeá).

Как видно из рисунка 4, хроматограммы различаются по количественным показателям (площади и числу пиков): образец А - 29 веществ, Образец В -21.

Качественные различия определяются по времени выхода пиков: на хроматограмме образца А в диапазоне времени выхода с 2 до 5 минут было зарегистрировано 9 соединений, а в образце В- 4. В интервале с 8 по 12 минуту в образце А было зарегистрировано 11 веществ, а в образце В- 9. Сходные результаты были получены в других популяциях J.sabina, а также A. nobilis и G Korshinskyi.

А

Рис. 4. Внутрипопуляционные различия образцов хвои женских растений Juitiperus sabina. Класс сообщества - Festuco-Brometea.

Примечание: А и В — индивидуальные образцы, Цифры на хромагограммах соответствуют порядковым номерам отдельных соединений.

4.2.2. Особенности состава флавоноидов у растений исследованных видов в естественных условиях

Пример 2. Межпопуляционные различия в накоплении флавоноидов. Биоразнообразие накопления флавоноидов растениями в полевых условиях было исследовано у 7 видов, из которых в автореферате приведены 2.

Juitiperus sabina. В автореферате приведены данные об образцах, собранных в 2008-2009 гадах. Характеристика и координаты опорных точек приведены в диссертации в главе 4.

Таблица 3.

Пластичность содержания флавоноидов в надземных частях Juniperus sabina, (2009 г), мг/г сухой массы.

Вещество ценопопуляции

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11

Класс растительности

Festuco-Bromeíea Molinio-Arrhenatlieretea Polygono-Artemisietea Austriacae

кверцетин 0,09 0,09 3,77 - - - - 0,44 0,1 0,11 0,08

дигидро-кверцетин - - - 6,67 3,32 - 3,25 2,23 - 9,35 -

рутин 8,04 12,61 16,42 6,54 6,37 11,6 8,53 8,22 9,7 22,6 12,17

нарин- 1CHHII 2,35 3,11 - - - - 7,35 39,5 4,45 4,76 9,62

нзоквер-цетин 4,79 4,41 0,83 1,5 2,53 8,95 3,29 3,28 3,39 7,97 9,08

всего 15,27 20,22 21,02 14,7 12,2 20,6 22,4 53,7 17,6 44,8 30,95

Ценопопуляции были исследованы в сообществах, которые, согласно результатам геоботанического анализа, варьировали от класса Molinio-Arrhenatheretea R. (Тх. 1937 em. R. Tx. 1970) - вторичные послелесные луга умеренной зоны Евразии, формирующиеся на месте широколиственных лесов на достаточно богатых незаселенных почвах до класса Polygono-Artemisietea Austriacae (Mirk, et al. in Mirk, et al. 1986) - сообщества, устойчивые к вытаптыванию и выпасу низкорослых ксерофитных растений степной зоны Восточной Европы.

Glycyrrhiza korshinskyi. В автореферате приведены данные об образцах, собранных в 2011-2012 годах. Характеристики и координаты опорных точек приведены в диссертации в главе 4.2.2.

Данные о содержании флавоноидов, обнаруженных в корнях солодки в 2011 году, представлены в таблице 4.

Как следует из представленных данных, максимальное количество общей

суммы флавоноидов зафиксировано в опорной точке 3; минимальное количество — у образцов, собранных в опорной точке 1. Промежуточное положение занимают данные образцов, собранных в опорной точке 2.

Таблица 4.

Содержание флавоноидов в исследованных образцах С1усугг/йга кок/йп^куч (2011 г), мг/г сухой массы.

Класс растительности Опорные точки

1 2 3

ГезШсо-Вготе(ва Рс$Шсо-РисстеШе1еа Ро1у%'опо-АШтЫМеа атМасас

Вещество Содержание обменной меди в почве, мг/г

0,13 0,06 0,05 0,06 0,06 0,07 0,07 0,08

Содержание солей в почве, мг/г

0.93 0,79 0,09 0,75 од 0,26 0,79 0,1

кверцетин - - - 0,01 0,02 0,07 0,01 -

днгидро-кверцетнн 1,96 1,02 - 1,38 1,67 1,81 1,5 0,36

пзокверцетин 0,37 0,1 0,96 0,03 1,59 0,12 0,2 4,8

рути и 0,11 0,1 1,21 1,4 2,89 0,33 0,34 8,6

нарингин 1,06 0 6,51 0,98 7,66 5,3 3,56 15,26

нариненин 3,91 4,17 - - - 1,21 0,09 -

всего 7,41 5,39 8,68 3,8 13,83 8,84 5,7 29,02

Согласно полученным результатам, исследуемые индивидуальные вещества условно можно разбить на 2 группы:

1) метаболиты, которые в основном встречаются в образцах в минимальных, следовых количествах или в количествах, находящихся на уровне ниже разрешающей способности ВЭЖХ,

2) стабильно встречающиеся вещества, встречающиеся в достаточно высоких концентрациях.

Таблица 5.

Содержание флавоноидов в исследованных образцах Glycyrrhii.il

когяЫтку}, (2012 г), мг/г сухой массы.

Нумерация опорных точек, координаты

1 2 3 4

52.31.45 с. ш.;- 52.09.897 с. ш.;- 52.27.09 с. ш.;- 51.58.018 с. ш.;

58.37.09 в. д. 58.32.522 в. д 58.29.09 в. д 58.23.059 в.д

Класс растительности

Вещество ГезШсо-РисстеШегеа Ре$Шсо-Вготе(еа /•«/и со-РисстеШе!еа

кверцетин 10,3 0,08 0,1 0,09

дигидрокверцетин 2,44 0,62 0,5 11,09

рутин 3,07 1,02 2,13 2,58

нарингин 2,59 3,24 14,41 6,29

нарингенин 0,11 0,03 0,04 0,04

физетин 33,64 0,44 2,14 0,05

морин 0,18 0,82 0,09 0,43

гесперетин 1,44 0,06 1,25 0,25

байкалеин 0,01 следы 0,01 -

всего 53,78 6,31 20,69 20,82

В первую группу можно отнести следующие вещества: кверцетин, дигидрокверцетин и нарингенин - содержание их в исследуемых образцах составляет, как правило, доли мг/г сухой массы. Во вторую группу можно отнести рутин и нарингин.

Из представленных данных в таблице 5 следует, что в образцах солодки Коржинского, собранных в 2012 году, были обнаружены флавоноиды: нарингин, рутин, таксифолин (дигидрокверцетин), физетин, морин, кверцетин, нарингенин, гесперетин, байкалеин. Было обнаружено, что засоленность почвы негативно влияет на накопление как общего содержания флавоноидов, так и большинства отдельных соединений.

Содержание флавоноидов, выявленных в образцах 2012 года сбора значительно отличалось от показателей содержания этих же соединений в растениях, собранных в тех же местах годом ранее (опорные точки 1 и 2).

Пример 3. Изменчивость содержания флавоноидов в градиенте засоленности.

Были проанализированы следующие виды сем. Chenopodiaceae: два однолетних вида (Atripleх íatarica и Bassia sedoides) и один многолетний (Kochia prostrata). В ходе экспериментов исследовали общее содержание флавоноидов, а также содержание десяти представителей этого класса вторичных метаболитов, а именно: нарингина, рутина, физетина, морина, дигидрокверцетина, кверцетина, нарингенина, гесперитина, байкалеина. Их содержание варьировало от 0 до13,53 иг/г, в зависимости от вида и места произрастания. Наибольшие значения флавоноидов было у К. prostrata и В. sedoides, наименьшие у представителей рода Atriplex. У всех видов и особенно у К. prostrata больше всего было нарингина (5.03-13.53 мг/г) и рутина (1.71-8.13 мг/г). Последние четыре представителя флавоноидов были обнаружены в исследуемых растениях в следовых количествах.

Показано, что у однолетних видов (A. íatarica и В. sedoides) при более интенсивном засолении (при высоком содержание Na+ в почве) количество флавоноидов возрастало (г = 0.9 и г = 0.78, р < 0.05, соответственно). В то же время у многолетнего К. prostrata этот показатель уменьшался (г = - 0.86, р < 0.05). Также количество флавоноидов увеличивалось при снижении влажности почвы почти у всех видов (г = - 0.9, р < 0.05), кроме В. Sedoides.

Пример 4. Изменчивость содержания флавоноидов в градиенте содержания меди в органах.

Поскольку в местах произрастания можжевельника казацкого медь часто является основным поллютантом, мы провели исследования влияния ионов этого металла на накопление флавоноидов растениями Juniperus sabina. В качестве примера на рисунках 5 и 6 приведены данные о концентрации отдельных флавоноидов в хвое женских и мужских растений на фоне различного содержания в этих органах ионов меди. Координаты изучаемой популяции: - +51° 51' 30.00", +58° 25' 20.00", склон юго-восточной экспозиции, класс растительности- Festuco-Brometea.

I Í ■и i В' ' ____ т

_ п?

- П 1 Ü

J _1 _

0,028 * ллг/г

Градиент возрастания содержания меди

Рис. 5. Пластичность накопления флавоноидов в хвое мужских растений Juniperus sabina в градиенте содержания в хвое меди.

□

рутин □ нлрннген

3 4 5

Градиент возрастания содержания меди

0,59*10 * мг/г

Рис. 6. Пластичность накопления флавоноидов в хвое женских растений Juniperus sabina в градиенте содержания в хвое меди.

Как следует из представленных данных, зависимости между содержанием в хвое отдельных флавоноидов и ионов меди не выявлено.

В других органах J. sabina было зарегистрировано более высокое содержание выявленных флавоноидов, при этом рутин часто не являлся доминирующим соединением (рис. 6):

В целом между накоплением меди в органах можжевельника казацкого и содержанием в них отдельных флавоноидов не выявлено значимых корреляционных связей.

Пример 5. Межвидовые различия спектров хроматограмм флавоноидов. В таблице 6 приведены данные об индивидуальных различиях в качественном составе идентифицированных соединений, у 3 изученных видов: J. sabina., A. nobilis и G. korshinskyi.

Непосредственно в таблице представлены данные о типичных растениях из различных популяций (А - D). Общее количество проанализированных хроматограмм составило более 150. Как следует из представленных данных, исследованные виды в значительной степени различаются по пластичности состава зарегистрированных метаболитов:

J. sabina. Из 33 зарегистрированных флавоноидов только 2 соединения (6%) обнаружены у единичных растений, в то же время количество обнаруженных у всех растений флавоноидов составило 10 (30 %)

G korshinskyi. Из 30 зарегистрированных флавоноидов половина соединений обнаружена у единичных растений, в то же время количество обнаруженных у всех растений флавоноидов составило 7 (23%)

A. nobilis. Данный вид по вышеперечисленным показателям занимает промежуточное положение (таблица 6).

Нами не были обнаружены хроматограммы, полностью совпадающие по числу пиков, соответствующих соединений, таким образом, химический состав каждого растения уникален.

Встречаемость отдельных соединений у исследованных видов_Таблица б

Juníperas sabina

.V ofi Время выхода, мая чр

Р 2 2,5 2,6 3,1 3.1 is 3,9 4 4,2 4.4 4,< 5.2 6,4 7 V 7,4 8,1 М 4,9 9,1 9,4 9,8 10,2 10,8 11,2 11.4 11,' 12,5 12,8 13,4 13,« 15 33

а + + + + + + + + + + + + + + + + + - + - - + + + - + :>

в и + + + + + + + + + + + + + + - + + 13

С 4 + + + + и + + + + + + + + + + + 't- + + + + + 24

d + + + + 4 + + + + + + 4 -1 + 4 + + - + + 4 + 10

Achillea nobilis

Ш Время выхода. мпв Z.

ob p 1,1 м 1,8 3,5 3,9 4,1 4,4 4,« 4,8 м м ?,4 8,2 8.5 9,6 1» 11,3 13 13,2 13,8 17,5 18,2 22

A + и - - + - + + - + + + 15

В - - * - + + + + - - + + + 13

С - 12

D - +■ + +■ + - + + - - + - + и и и 16

Glycyrrhiza korshinskyi

Об P Время выхода, мин у

1,7 3,4 3.7 3,9 <2 4,« 4,9 5,13 м 6,2 7,3 8,5 5,9 10,1 10,2 10,7 11,2 11,3 11,« 12.7 13.3 13,« 15,4 is,! Id, 7 17.4 17,8 18,14 19,1 30

a + + + и - + - - + и и + - - и 15

В + + - + + - + + + + + и II 15

С + и + + - + V V + и * и и 16

d и + + + - + + и + + + + 13

Примечание: A-D - индивидуальные растения из разных поггсицин

Г- метаболиты, встречающиеся только у одного растения. Цветом выделены метаболиты, встречающиеся у всех растений.

4.2.3. Изменчивость морфофизиологических показателей растений в культуре.

На основании анализа величин более 3500 коэффициентов корреляций между морфофизиологическими - ростовыми, весовыми, транспирационными и биохимическими параметрами у 7 видов исследованных растений было показано, что у растений не формируются устойчивые корреляционные комплексы. Велика доля слабых корреляций, знак которых может меняться. Большие значения коэффициента корреляций между морфофизиологическими параметрами сохраняется лишь у ограниченного списка корреляционных связей. Значимые корреляции между морфофизиологическими параметрами, как правило, составляют не более 40% от их возможного количества. В ответ на ухудшение условий обитания у разных видов растений возможно как увеличение, так и уменьшение доли значимых корреляционных связей. Пластичность корреляционных связей между параметрами наблюдается у растений, как в лабораторных условиях, так и в естественных местах обитания. Показано, что изменение доли реализованных корреляционных связей может происходить в ответ на изменение уровня самых разных экологических факторов - от количества доступных для растений элементов минерального питания до комплексных эколого-ценотических различий между естественными местообитаниями. Пластичности корреляционных связей распространяется на события, как основного, так и специализированного метаболизма.

Полученные данные были интерпретированы, как характерное для растений проявление принципа независимости формирования отдельных адаптивных и нейтральных реакций на меняющиеся условия среды и функционирования в растениях децентрализованных схем управления морфофизиологическими параметрами.

4.3. Децентрализованная сеть биосинтеза флавоноидов.

В эколого-ценотических условиях Южного Зауралья специализированный метаболизм характеризуется следующим:

1) Мозаичность почвенных условий создает стохастический режим ингибирования тех или иных звеньев метаболизма регистрируются и на расстояниях от десятков километров, до десятков сантиметров (см. гл.1). Масштаб почвенной мозаичности существенно меньше площади разноса семян с отдельного растения, что требует реализации различных сценариев адаптации.

2) Анализ спектров хроматограмм показал, на внутри- и межпопуляционном уровне низкий уровень их сходства: значение коэффициента общности Жаккара для всех видов колеблется в интервале 0,40,6. Коэффициенты ранговой корреляции также невелики, что указывает на слабую связь между параметрами (табл. 38, 39 гл. 4.2.3.3).

3) У всех индивидуальных растений всех исследованных видов спектр хроматограмм характеризуется большим числом пиков отдельных веществ, среди которых есть пики, общие для всех растений каждого вида, и есть пики, характерные только для одного растения. Общее число пиков, соответствующих отдельным веществам, также индивидуально для отдельных растений (см. гл. 4). Таким образом, поливариантный характер работы метаболической сети может приводить к тому, что растения имеют возможность обеспечивать суммарную антиоксидантную активность синтезированных флавоноидов разными способами:

а) накоплением сравнительно небольшого количества высокоэффективных флавоноидов;

б) накоплением большого количества сравнительно низкоэффективных флавоноидов;

в) повышением эффективности уже накопленных соединений путем модификации их структуры, в частности - дегликозилированием.

г.) Формированием итогового антиоксидантного статуса на основе достаточно случайных комбинаций накапливаемых соединений. При этом индивидуальные соединения в отдельных случаях могут вообще отсутствовать.

Связать между собой эти три группы фактов позволяет концепция децентрализованных сетей управления в средах со стохастическими свойствами (Шильяк, 1994). Согласно этой концепции система функционирует, как сеть параллельных альтернативных механизмов, которые слабо связаны между собой. Эти различия могут определяться исходным генетическим полиморфизмом растений Южного Зауралья (Янбаев, 2002). Другой причиной различий в накоплении флавоноидов может быть мозаичность содержания металлов, в том числе токсических в почвах исследованного региона. Ингибирующие эффекты нескольких тяжелых металлов могут комбинироваться, при этом случайное сочетание ингибиторов может повлиять на любой фермент метаболической сети. В этих условиях будут синтезироваться те флавоноиды, синтез которых не заблокирован.

Таким образом, существование нескольких альтернативных метаболических сетей может повышать общую надежность функционирования системы биосинтеза флавоноидов.

По показателям содержания отдельных флавоноидов у индивидуальных растений мы построили схемы функционирования альтернативных путей метаболизма флавоноидов. Эти схемы - фрагменты общей сетевой системы синтеза флавоноидов (рис. 7,8 автореферата, глава 4.3 диссертации).

Как видно из рис. 8, ингибирование части путей ведет к синтезу флавоноидов по альтернативным путям.

Главной особенностью таких сетевых структур является возможность переключения с одной функциональной цепочки на другую при ингибировании одной из них. В случае, если ингибируются обе цепочки, обеспечение функций переключается на третью цепочку и т.д. В условиях большого количества ингибирующих комбинаций тяжелых металлов в почвах (см. гл. 1) надежность сети возрастает с увеличением альтернативных метаболических цепей.

Обозначение метаболитов : 1-коричные кислоты, 2- пиноцембрин, 3-пинобанксин, 4- пиностробин, 5нарирутин, 6-хризин, 7-нарингин, 8-прунин, 9-байкалеин,10-байкалин,11 нарингенин-халкон -12-скутелляреин, 13-робинин, 14-сакуранетин, 15-азалеатин, 16-робинетин,17-понциретин,18-физетин,19-витексин, 20-апигенидин, 21-морин, 22-лютеонидин, 23-хризоэриол, 24-акацетин, 25-апигенин, 26-лютеолин, 27-ориентин, 28-7,5,3'4'5'пентагидроксифлаванон, 29-нарингенин, 30 - эриодиктиол, 31-гесперитин, 32-дигидромирицетин, 33-дигидрокемпферол, 34-дигидрокверцетин, 35- кверцитрин, 36-никотифлорин, 37-мирицетин, 38- изокверцетин, 39-кемпферол, 40-кверцетин, 41- ларицитрин, 42-астрагалин, 43- югланин, 44-гиперозид, 45-авикулярин, 46- сирингетин, 47- рутин, 48-лейкодельфинидин, 49- лейкопеларгонидин, 50- лейкоцианидин, 51-дельфинидин, 52- -+галлокатехин; 53- пеларгонидин,54 - эпиафзелехин; , 55-цианидин, 56-+катехин, 57-дельфин, 58- галлокатехин-3-галлат, 58-пеларгонин,59-цианин 60 -катехин-3-галлат.

I ' -узлы обеспечения альтернативных путей метаболизма

Растение 1

Растение 2

о-оа-

- соответствующие метаболиты

(описание- в тексте главы 4.3 диссертации) Активная работа фермента

Слабая работа фермента -------*■

Фермент не функционирует ф

Высота столбиков пропорциональна концентрации соответствующего метаболита

Рис. 8 Поливариантность накопления флавоноидов у отдельных растений (2 когэМтку'г как возможный результат реализации различных метаболических путей их биосинтеза.

4.4.Адаптивные модификации флавоноидов.

К настоящему моменту изучено более 8000 флавоноидов. Теоретически же возможное количество флавоноидов очень велико, и может насчитывать до миллиона и более соединений (Тюкавкина, 2008). Такое высокое разнообразие достигается за счет бесконечного списка возможных модификаций базовых молекул основных 9 классов флавоноидов, в результате чего эндемичное вещество может иметь самые различные варианты химического строения, подобно синтезируемой растениями рода солодка глицирризиновой кислоте (Толстиков, 2007). При этом зависимость между структурой молекул флавоноидов и показателями их антиоксидантной активности изучена достаточно полно, что дает возможность оценить влияние природы и местоположения отдельного радикала на формирование показателя антиоксидантной активности каждой молекулы (Тюкавкина, 2008).

В конечном итоге сумма флавоноидов (как и других вторичных метаболитов) выполняет адаптивную функцию. Конкретный фактор среды, к которому растение адаптируется путем синтеза флавоноидов, может быть разным. Однако общее адаптивное значение флавоноидов не вызывает сомнений, что определяет в частности и широкий спектр их практического применения.

Для оценки общей антиоксидантной активности флавоноидов нами был предложен показатель суммарной неспецифической антиоксидантной активности накопленных флавоноидов - антиоксидантный статус (АС). Он может быть рассчитан как сумма произведений содержания отдельных флавоноидов в растительном сырье (в мг/г сух массы) на стандартные показатели оценки их антиоксидантной активности (рис 9).

Эти показатели, в свою очередь, определяются по стандартной методике и выражаются в тролокс-эквивалентах (ТЕАС, trolox equivalent antioxidant capacity, мМоль, ( Тюкавкина, 2008)), то есть в единицах концентрации в растворе синтетического антиоксиданта тролокса, используемого в качестве

стандарта.

!=1

АС = ^ТЕАС( X [ ],

п

Рис.9. Формула для расчета антиоксидантного статуса флавоноидов. АС- антиоксидантный статус; ТЕАС - тролокс-эквивапент флавоноида, мМ; [ ] - содержание флавоноида в растении, мг/г сухой массы.

Известно, что антиоксидантная активность отдельных классов флавоноидов неодинакова и определяется, в конечном счете, количеством свободных гидроксильных групп у молекул отдельных соединений. Таким образом, имеется возможность оценки того, какие флавоноиды в наибольшей степени участвуют в создании общей картины антиоксидантной активности у растений в тех или иных условиях. В таблице 7 цифрами указаны максимальные значения показателей антирадикальной активности соответствующих классов соединений.

Таблица 7

Зависимость антиоксидантной активности флавоноидов от их химического

строения

Классы флавоноидов

■б н и Флавонолы Актоциани -ДИНЫ Флаван-3-олы (катехины) Флавано-молы- флавоны Флаван 3,4 диолы Флава-ноны

В Р а я и •А О й е се <

н X < о а. С максимум антиоксидантная активность минимум

шах 1 - - 6,7 - - - -

2 5,8 4,44 2,5 2,5 2,4 2,4 1,5

Мт 3 2,4 1,2 1,2 и 1,2 1,2 и

Примечание: 1-Эфиры галловой кислоты, 2 - свободные соединения 3 гликозиды, метальные и другие производные.

В таблице 8 приведен пример участия выявленных у СИусуггИЬа когБЫтку} в различных местообитаниях флавоноидов в формировании общего антиоксидантного статуса этих веществ.

Как следует из представленных данных, формирование итогового показателя антиоксидантного статуса флавоноидов может происходить по-разному. В некоторых случаях наибольший вклад в формирование суммарной антиоксидантной активности вносит какое то одно соединение, накопленное в наибольшем количестве, а в других случаях этот показатель формируется в основном, в результате преимущественного участия 2-3 соединений. При этом в различных местообитаниях ключевую роль в формирования показателя суммарной антиоксидантной активности могут играть разные флавоноиды.

Таблица 8

Антиоксидантный статус флавоноидов у ЫусуггЫга когч/ймкуч (2012 г)

Параметр Соединение

Нарингин Рутин Дигидро квсрце-тин Физетин Морин Квср истин Наринге НИН Гес перегон Байка-леин Всего

ТЕАС, мМ 0,5 2,4 1,9 0,8 2,55 4,7 1,53 1,37 1,6

ОТ 1

Содерж, мг/г сух массы 2,59 3,07 2,44 33,64 0,18 10,3 0,11 1,44 0,01 53,78

Антиокс. статус м 7,37 4,64 26,9 0,46 48,4 0,17 1,97 0,02 91,42

ОТ 2

Содерж, мг/г сух массы 3,24 1,02 0,62 0,44 0,82 0,08 0,03 0,06 следы 6,31

\llTI10KC. Статус 1,62 2,45 1,18 0,35 2,09 0,38 0,05 0,08 0 8,32

ОТ 3

Содерж, мг/г сух массы 14,41 2,13 0,52 2,14 0,09 0,1 0,04 1,25 0,01 20,69

Антиокс. статус 7,21 5,11 0,99 1,71 0,23 0,47 0,06 1,71 0,02 17,72

О! 4

Содерж, мг/г сух массы 6,29 2,58 11,09 0,05 0,43 0,09 0,04 0,25 0 20,82

Антиокс. статус 3,15 6,19 21,07 0,04 1,1 0,42 0,06 034 0 32,54

ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ СОЗДАНИЯ ГЕОХИМИЧЕСКОГО РЕЗЕРВАТА НА ЮЖНОМ ЗАУРАЛЬЕ.

Южное Зауралье - уникальная природная территория. Вопрос о необходимости охраны ставился неоднократно (Янтурин, 2004, Мулдашев, 2006). В данной работе получены дополнительные аргументы в пользу необходимости создания ООПТ (особо охраняемой природной территории).

Проведен параллельный анализ геологических и геохимических аномалий территорий, особенностей ландшафтов и характера перераспределения соединений металлов в ходе почвообразовательных и эрозионных процессов. Показано, что в результате разнонаправленных процессов образуется множество многомерных экологических ниш, существенно различающихся по многим характеристикам: содержание соединений металлов меняется от минимальных до ингибирующих концентраций, мощность, трофность и засоленность почв зависит от многих факторов, увлажнение и инсоляция зависят от особенностей ландшафта и географического положения.

В этих условиях растения вынуждены адаптироваться к непредсказуемым комбинациям действующих факторов среды.

Принципиально поливариантный характер биосинтеза флавоноидов на фоне высокой мозаичности условий дает основание считать, что растения в этих условиях могут синтезировать широчайший спектр флавоноидов, вплоть до биосинтеза уникальных соединений.

Под эндемизмом видов обычно понимается свойство встречаемости только на определенной территории. Нами не были обнаружены хроматограммы флавоноидов, полностью совпадающие по числу и времени выхода пиков, соответствующих соединений. Поэтому термин «химические эндемики» мы предлагаем использовать для растений, обладающих неповторимыми комбинациями вторичных метаболитов.

Поскольку Южное Зауралье отличается такой высокой мозаичностью условий (Ковальский, Петунина, 1965), представляется вполне

целесообразным предположить возможность биосинтеза растениями на этой территории и неких уникальных специализированных метаболитов, либо их комбинаций, то есть появления «химических эндемиков». В полной мере это относится и к флавоноидам. Доводы в пользу предположения о такой возможности следующие:

1. Не вызывает сомнения, что различные уровни содержания элементов в почве, так или иначе, сказываются на накоплении флавоноидов растениями, вне зависимости от наличия или отсутствия в каждом конкретном случае той или иной объясняющей гипотезы.

2. Содержание флавоноидов изучено только у небольшой доли известных видов растений (порядка 10%), как правило, имеющих практическое значение. Общий список открытых флавоноидов оценивается более чем в 8 тыс. соединений, а теоретически возможное их количество оценивается в миллионы.

3. При этом остается открытым вопрос о видоспецифичности накопления флавоноидов. Известно, что существуют уникальные соединения, характерные только для узкого списка видов растений и соединения, распространенные чуть ли не повсеместно. Однако вопрос о границе между уникальными и распространенными флавоноидами требует дальнейших исследований с применением масс-спектрометрии и методов молекулярно-генетического анализа.

Создание особо охраняемой территории в Южном Зауралье позволит:

• Обеспечить охрану уникальных генофондов растений; организовать их планомерное исследование с привлечением широкого круга фармацевтов, нутрицевтов, косметологов и других специалистов;

• Создать условия для изучения химических эндемиков студентами и аспирантами соответствующих специальностей;

• Организовать бизнес - инкубаторы и подобные структуры для создания различных продуктов на базе уникальных химических веществ растений Южного Урала.

ВЫВОДЫ.

1. Исследованные виды растений обладают высокими внутрипопуляционными и межпопуляционными различиями по морфологическим и физиологическим и биохимическим показателям.

2. Южное Зауралье отличается высокой стохастичностью почвенных условий. Общим фактором является высокое разнообразие экологических ниш региона за счет гетерогенности ландшафтов переходной зоны от горных экосистем к степным, а также наличия геохимических аномалий по целому ряду элементов: Си, Ъп, Со, Сё, Ие, Б, Ыа, РЬ, В, Аб Мп и др.

3. Для исследованных видов растений в условиях Южного Урала показана высокая изменчивость общего числа флавоноидов и количественного содержания отдельных соединений. Это свидетельствует о поливариантном характере функционирования растительного метаболизма в ответ на высокую стохастичность внешних условий.

4. Анализ корреляционных связей между элементами системы биосинтеза флавоноидов показал низкий уровень устойчивых корреляций и большую долю связей с меняющимися значениями и знаками корреляционных связей. Показана слабая корреляционная связь между морфологическими и физиологическими показателями растений.

5. Предложена модель децентрализованной стохастической сети биосинтеза основных классов флавоноидов. Устойчивое функционирование децентрализованной стохастической сети достигается существованием альтернативных путей биосинтеза флавоноидов. Размеры децентрализованной стохастической сети определяются природой радикалов, которые могут быть присоединены к различным исходным флавоноидам.

6. Децентрализованная стохастическая сеть позволяет синтезировать индивидуальные комбинации флавоноидов несколькими способами:

• Изменением числа синтезированных соединений;

• Изменением количественного соотношения синтезированных флавоноидов;

• Биосинтезом веществ, регистрируемых у единичных растений, либо встречающихся очень редко. Такие единичные, уникальные вещества встречаются у всех исследованных видов и составляют от 5 до 50 %.

7. Функционирование путей биосинтеза децентрализованной стохастической сети позволяет достичь конечного состояния разными путями: либо накоплением небольшого количества высокоактивных, либо биосинтезом большого набора менее активных соединений. Такой эквифинальный механизм функционирования позволяет объяснить низкий уровень корреляций между элементами. При такой схеме функционирования в жестких корреляциях между звеньями метаболической сети нет необходимости.

8. Общие изменения функционирования сети биосинтеза флавоноидов под влиянием условий различных экологических ниш могут быть направлены на смещение антиоксидантной активности, хелатирующей емкости суммы флавоноидов и других комплексных характеристик.

9. Территорию с высокой пластичностью накопления физиологически активных флавоноидов, учитывая возможность синтеза и уникальных соединений («химических эндемиков»), целесообразно сохранить как эколого-генетический резерват в форме ООПТ, например, в формате природного парка.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации Статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ для защиты докторских диссертаций

1. Ratio of metabolically connected flavonoids as a parameter différent stress conditions of Achillea nobilis L. in the South lirais / A.V. Scherbakov, et.al.// XVI Congress of the Fédération of European Sociétés of Plant Biology (FESP), Tampere, Finland, 17-22 August 2008. - Physiologia Plantarum, 2008, Vol. 133. -

P. 11-053.

2. Вариабельность содержания вторичных метаболитов у Achillea nobilis L. в экологических условиях Южного Урала/ Щербаков A.B. [и др.] // Известия Самарского научного центра РАН. - 2009. - Т. 11, № 1,- С. 198-204.

3. Вариабельность содержания вторичных метаболитов у Junipertts sabina L. в условиях Южного Урала/ Щербаков A.B. [и др.] // Башкирский химический журнал. - 2009. - Т. 16, № 2. - С. 132-137.

4. Эколого-биохимические аспекты пластичности состава флавоноидов у можжевельника казацкого Juniperus sabina L. в условиях Южного Урала / А. В Щербаков, М.В.Чистякова, З.Ф. Рахманкулова, И.Ю. Усманов // Вестник Оренбургского государственного университета.- Оренбург, Изд-во ОГУ.-2009. - № 6. - С. 458-460.

5. Щербаков A.B. Экологические аспекты регуляции пластичности накопления флавоноидов на Южном Урале / А. В Щербаков, М. В.Чистякова, И. Ю. Усманов // Вестник Башкирского государственного университета.-Уфа: Изд-во БашГУ. - 2011.- Т 16, № 4.- С. 1198-1205.

6. Физиологические аспекты регуляции пластичности накопления флавоноидов на Южном Урале / А.В Щербаков [и др.] // Вестник Башкирского государственного университета. - Уфа: Изд-во БашГУ. - 2012. -Т. 17, № 2. - С.931-942.

7. Влияние дефицита отдельных элементов минерального питания на накопление флавоноидов бобовыми растениями на примере фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris L.) / A.B. Щербаков [и др.] // Известия Самарского научного центра РАН. - Изд-во Самарского научного центра РАН.

- 2012, Т. 14, № 5. - С. 223-228

8. Изменчивость антиоксидантной активности можжевельника казацкого в градиенте содержания ионов меди на Южном Урале / А. В. Щербаков [и др.] // Вестник Башкирского государственного университета.- Уфа: Изд-во БашГУ.

- 2013. - Т.18, № 4.- С. 1081-1084.

9. Щербаков А. В. Пластичность корреляционных связей между

показателями основного и специализированного метаболизма растений как ответная реакция на непредсказуемость среды обитания /А. В.Щербаков // Известия Самарского научного центра РАН.- Изд-во Самарского научного центра РАН.- 2013,- Т 15, № 3 (1).- С. 366-371.

10. Эндемичные экологические ниши Южного (Башкирского) Зауралья: многомерность и флуктуирующие режимы/ И. Ю. Усманов, И. Н.Семенова, A.B. Щербаков, Я. Т. Суюндуков // Вестник БГАУ.- Уфа,- 2014,- №1.-С. 1621.

11. Эколого-физиологический анализ представителей сем. Chenopodiaceae на засоленных почвах Южного Урала / Е. В. Шуйская, З.Ф. Рахманкулова, Г.Я. Биктимерова, А. В. Щербаков, В. В. Федяев, Я.Т. Суюндуков, И. Ю. Усманов. // Растительные ресурсы,- 2014.- Т50, № 4,- С.110-122.

12. Щербаков А. В. Внутрипопуляционная изменчивость биосинтеза флавоноидов в лекарственных растениях Южного Урала / A.B. Щербаков, И. Ю. Усманов, Я. Т. Суюндуков // Известия Самарского научного центра РАН.-Изд-во Самарского научного центра РАН,- 2014.- Т 16, № 1.-С. 274-280.

13. Щербаков А. В. Межпопуляционная изменчивость флавоноидов хелатирующего комплекса солодки Коржинского Glycyrrhiza korshinskyi на Южном Урале/ А. В. Щербаков, Г. Р. Даутова, И. Ю. Усманов // Вестник Башкирского государственного университета.- Уфа: Изд-во БашГУ.- 2014,-Т.19, № 1,- С. 67-74.

14. Химические эндемики как основа эколого- генетического резервата лекарственных растений на Южном Урале / И.Ю. Усманов, A.B. Щербаков, H.H. Редькина, Ю.И. Усманов, Я.Т. Суюндуков// Вестник Самарского государственного экономического университета,- 2014, т 2 (112), в печати.

15. Содержание пролинов и флавоноидов в побегах галофитов, произрастающих на территории Южного Урала / 3. Ф. Рахманкулова , Е.В. Шуйская, A.B. Щербаков , В. В. Федяев, Г.Я. Биктимерова, Р. Р. Хафизова , И. Ю. Усманов // Физиология растений. - 2015,- Т. 62, № 1,- С. 1-10 (в печати).

Статьи в сборниках научных трудов и журналах

1. Щербаков A.B. Система для параллельного измерения роста, водного обмена и поглощения элементов минерального питания на индивидуальных растениях / A.B. Щербаков, В.В. Федяев // Итоги научных исследований биологического факультета Башкирского государственного университета за 1994 год,- Уфа: изд-во БашГУ,- 1995.- С.125-128.

2. Щербаков A.B., Анализ альтернативных механизмов компенсации дефицита минерального питания у растений при стрессе /A.B. Щербаков // Итоги научных исследований биологического факультета Башкирского государственного университета за 1995 год,- Уфа: изд-во БашГУ.- 1996,-С.129.

3. Щербаков A.B. О соотношении альтернативных механизмов компенсации дефицита минерального питания у растений при стрессе / A.B. Щербаков, В.В. Федяев // Итоги научных исследований биологического факультета Башкирского государственного университета за 1995 год.- Уфа: изд-во БашГУ- 1996.- С. 131.

4. Щербаков A.B. К методике оценки динамики корневого индекса на интактных растениях/ A.B. Щербаков, В.В. Федяев // Итоги научных исследований биологического факультета Башкирского государственного университета за 1995 год,- Уфа: изд-во БашГУ.- 1996, С.132.

5. Федяев В.В. Пластичность корреляционных паттернов морфофизиологических параметров в стационарных условиях / A.B. Щербаков, В. В. Федяев // Итоги научных исследований биологического факультета Башкирского государственного университета за 1995 год.- Уфа, изд-во БашГУ,- 1996.- С. 126-128.

6. Щербаков А. В. Применение Марковских цепей для анализа формирования адаптивных комплексов растений / А. В. Щербаков, И. Ю. Усманов // Итоги научных исследований биологического факультета Башкирского государственного университета за 1996 год.- Уфа: изд-во БашГУ,- 1997 .- С.105-107.

7. Щербаков А. В. Случайны ли комбинации физиологических реакций у растений при формировании адаптации? / А. В. Щербаков, И. Ю. Усманов // Итоги научных исследований биологического факультета Башкирского государственного университета за 1996 год,- Уфа: изд-во БашГУ,- 1997,- С. 108-110.

8 Щербаков А. В. Влияние препарата «Крезацин» на адаптивные реакции однодольных растений. / А. В. Щербаков, В. В. Федяев, А. Р. Нигматуллин // Итоги научных исследований биологического факультета Башкирского государственного университета за 1997 год.- Уфа: изд-во БашГУ,- 1998.- С.54.

9. Щербаков А. В. О классификации вторичных метаболитов растений/ А. В. Щербаков, И. Ю. Усманов // Итоги научных исследований биологического факультета Башкирского государственного университета за 2000 год.- Уфа, изд-во БашГУ,- 2001,- Вып.6,- С. 3-16.

10. Щербаков А. В. Адаптивные стратегии некоторых лекарственных растений Южного Урала / А. В. Щербаков, Ю. М. Сюльдина, Ю. И. Усманов // Итоги научных исследований биологического факультета Башкирского государственного университета за 2002 год,- Уфа: изд-во БашГУ,- 2003.-Вып. 7,- С. 50-54.

Материалы и тезисы всероссийских и международных конференций

1. Щербаков A.B. Пластичность показателя SRR у индивидуальных растений / А. В. Щербаков, В. В. Федяев, И. Ю. Усманов // Проблемы ботаники на рубеже XX - XXI веков: Тезисы докладов, представленных II (X) съезду Русского ботанического общества (26 - 29 мая 1998 г., СПб). СПб.: изд-во БИН РАН, 1998.- Т. 1. - С.205.

2. Щербаков A.B. Влияние условий произрастания на накопление некоторых компонентов основного и специализированного обмена в коре и листьях березы повислой / А. В. Щербаков, А. Ч. Юматова, Ю. М. Сюльдина // Матер. IV всерос. конф. «Химия и технология растительных веществ».-Сыктывкар, 2006. - С.301.

3. Щербаков А. В. Влияние условий произрастания на сезонную динамику накопления пигментов фотосинтеза, углеводов и некоторых компонентов фенольного обмена у березы / А. В. Щербаков, А. Ч. Юматова, Ю. М. Сюльдина // Матер. IV всерос. конф. «Химия и технология растительных веществ».- Сыктывкар, 2006.- С. 489.

4. Чистякова М. В. Хроматографический анализ некоторых флавоноидов в экстрактах можжевельника казацкого / М. В.Чистякова, A.B. Щербаков, С.П. Иванов // Матер. YII всерос. конф. «Химия и медицина, ОРХИМЕД 2009». -Уфа: Гилем,- 2009. - С. 312-313

5. Чистякова М. В. Физиологические основы пластичности содержания флавоноидов на примере можжевельника казацкого Juniperus sabina L в условиях Южного Урала/ М.В.Чистякова, A.B. Щербаков, С.П.Иванов.-Матер. YII всерос. конф. «Химия и медицина, ОРХИМЕД 2009».- Уфа: Гилем,-2009.-С 319-320.

6. Влияние меди на накопление флавонолов группы кверцетина растениями можжевельника казацкого в условиях Башкирского Зауралья / Щербаков A.B. [и др.] // Матер.YII международного симпозиума по фенольным соединениям, М.: изд-во ИФР им. К.А. Тимирязева РАН, 2009. - С. 288-289.

7. Определение флавоноидов в корнях солодки Коржинского методом ВЭЖХ / Р. Р. Багишаева, А. В. Щербаков, М.В. Чистякова, С.П. Иванов // Матер, всерос. конф. «Актуальные проблемы химии. Теория и практика»,- Уфа: изд-во БашГУ.-2010.-С. 27.

8. Иванов С. П. Определение содержания некоторых флавоноидов в надземной части солодки Коржинского методом ВЭЖХ/ С. П. Иванов, Р. Р. Хафизова, А. В. Щербаков // Матер. VII конф. «Химия и технология растительных веществ».- Сыктывкар: изд- во КНЦ, РАН. -2011. - С. -58.

9. Генетические модифицированные организмы: проблема или польза / С. Р. Рахматуллина, Э.Ф. Габдулвалеева, А. В. Щербаков, И.Ю. Усманов// Матер. III международной научно практической конференции «Актуальные проблемы государства и права».- Уфа.: изд-во УЮИ МВД РБ, 2011,- кн.2.-

С.41-49.

10. Пластичность состава флавоноидов, накапливаемых растениями полыни солянковидной на солончаках Башкирского Зауралья / A.B. Щербаков [и др.] // Матер, всерос. конф. с международным участием «Современные проблемы биохимии и биотехнологии».- Уфа: изд-во БашГУ. - 2013. - С. 203-206.

11. Щербаков А. В., Пластичность корреляционных связей между показателями основного и специализированного метаболизма растений / А. В. Щербаков, Т. П. Федорова, И. Ю. Усманов // Матер, всерос. конф. с международным участием «Современные проблемы биохимии и биотехнологии».- Уфа: изд-во БашГУ,- 2013.- С. 201-203

12. Щербаков А. В. Биохимический эндемизм лекарственных растений Башкирского Зауралья: механизмы формирования / А. В. Щербаков, И. Ю. Усманов // Матер. XIII съезда Русского ботанического общества.- Тольятти: изд-во «Кассандра». - 2013. - С.280-281.

13. Особенности накопления флавоноидов некоторыми галофитами на солончаках Южного Зауралья/ А.В.Щербаков, [и др.] // Материалы годичного собрания Общества физиологов растений «Физиология растений -теоретическая основа инновационных arpo- и фитобиотехнологий».-Калининград, 2014. -Т. 2. - С. 521-514.

Учебные пособия

1. Эколого-физиологические методы исследования интактных растений. Методические указания по специальности «Физиология растений» для студентов второго курса / A.B. Щербаков [и др.].- Уфа.- изд-во БашГУ, 1998.32 с.

2. Щербаков А. В. Биохимия вторичного метаболизма растений. Учебное пособие / А. В. Щербаков, И. Ф.Нуриев, И. Ю. Усманов,- Уфа: изд-во БашГУ, 2001.-50 с.

3. Щербаков А. В. Эколого-физиологические приборные методы исследования интактных растений. Методические указания по специальности

«Физиология растений» для студентов третьего курса/ А. В. Щербаков, В. В.Федяев, И. Ю. Усманов.- Уфа: изд-во БашГУ, 2004.- 50 с.

4. Малый практикум по физиологии растений. Методические указания для студентов 3 курса ОДО и 4 курса ОЗО / В. В.Федяев, Д. И. Касимова, А. В. Щербаков, З.Ф. Рахманкулова.- Уфа: изд-во БашГУ, 2005. -70 с.

5. Щербаков А. В. Общая биология: Методические указания для студентов биологического факультета Башгосуниверситета / А. В. Щербаков, С. Р. Рахматуллина, И. Ю. Усманов.- Уфа.- изд-во БашГУ,- 2008,- 40 с.

6. Щербаков А. В. Практикум по физиологии метаболизма флавоноидов / А. В. Щербаков, И. Ю. Усманов,- Уфа: изд-во БашГУ, 2010.-28 с.

Формат 60x80 1/16 Тираж 100 экз. Бумага офсетная. Печать-ризография Подписано в печать 17.10.2014 г. Заказ № 6011 Отпечатано в типографии ООО «Знак» 450044, г. Уфа, ул. Космонавтов, 3 с оригинала-макета заказчика