Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Спиреи (Spiraea L.) Дальнего Востока России: изменчивость, хемотаксономия, использование

ВАК РФ 03.02.01, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Спиреи (Spiraea L.) Дальнего Востока России: изменчивость, хемотаксономия, использование"

На правах рукописи

КОСТИКОВА Вера Андреевна

СПИРЕИ (SPIRAEA L.) ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА РОССИИ: ИЗМЕНЧИВОСТЬ, ХЕМОТАКСОНОМИЯ,

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

47.

03.02.01 - «Ботаника» 03.01.05 - «Физиология и биохимия растений»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 7 CUD ОГ.'-О I I /и ID ¿¡j iJ

005047909

Новосибирск - 2012

005047909

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учрежден, науки Центральном сибирском ботаническом саду СО РАН и Амурском филиаг Федерального государственного бюджетного учреждения науки Ботаническог сада-института ДВО РАН.

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор

Высочина Галина Ивановна; кандидат биологических наук, доцент Полякова Татьяна Александровна.

Официальные оппоненты: Байков Константин Станиславович

доктор биологических наук, с.н.с., Федеральное государственное бюджетное учреждени науки Институт почвоведения и агрохимии Сибирскоп отделения Российской академии наук, директор;

Дорогина Ольга Викторовна доктор биологических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждени науки Центральный сибирский ботанический сад Сибирского отделения Российской академии наук, зав. лабораторией.

Ведущая организация — Федеральное государственное бюджетное учрежден! науки Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН, г. Владивосток.

Защита состоится 12 февраля 2013 г. в 1000 часов на заседании диссертацион» го совета Д 003.058.01 при Федеральном государственном бюджетном учрежден» науки Центральном сибирском ботаническом саде Сибирского отделения Российскс академии наук по адресу: 630090, Новосибирск-90, ул. Золотодолинская, 101.

Факс:(383)330-19-86.

E-mail: botgard@ngs.ru.

Сайт в Интернете: http://vak.ed.gov.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государстве ного бюджетного учреждения науки Центрального сибирского ботанического са. Сибирского отделения Российской академии наук.

Автореферат разослан 26 декабря 2012 г.

Ершова Э.А.

Ученый секретарь совета, Q (Xp\)JU&

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Потенциал биологической активности лекарственных растений определяется содержанием в них комплекса веществ, которые при поступлении в организм животных и человека оказывают целебное действие. Современным подходом к решению проблемы поиска лекарственных растений является изучение представителей отечественной флоры, которые издавна применяются в народной медицине. Исследование биохимического разнообразия растений помогает оценить перспективность растений как носителей биологически активных веществ, а также вносит дополнительные сведения в систематику спорных таксонов (Harborne, 1977; Пименов, Борисова, 1987; Высочина, 2004).

Виды рода Spiraea L. представляют значительный интерес как растения, используемые в народной медицине и имеющие большой ресурсный потенциал. В дальневосточных спиреях обнаружены фенольные соединения с высокой биологической активностью (Растительные..., 1987; Растительные..., 2009; Mughal et al., 2012). В различных органах видов рода Spiraea найдены сапонины (Шретер, 1975), эфирные масла (Горяев, 1952), стероидные гликозиды (Фруентов, 1987) и другие биологически активные вещества. Наиболее полно изучен химический состав широко распространенных спирей - S. salicifolia L. и S. media Franz Schmidt. В листьях и соцветиях этих видов спирей найдены флавоноиды (Растительные..., 1987) и фенолкарбоновые кислоты (Ahn et al., 1996).

Экстракты из растений рода Spiraea проявляют антиоксидантную (Максимов и др., 1990), антимикробную (Киселева и др., 2011), фитонцидную (Делова, 1967) и другие виды биологической активности. Спиреи широко применяются по всему миру как декоративные кустарники для озеленения городов и населенных пунктов, как кормовые, медоносные и почвоукрепляющие растения.

В настоящее время существует проблема в таксономической принадлежности многих видов рода Spiraea, в том числе и дальневосточных. В связи с этим актуальным является проведение хемотаксономических исследований по дальневосточным представителям рода с учетом внутривидовой изменчивости морфологических и биохимических признаков.

Цель и задачи исследований. Цель работы - сравнительное морфологическое и биохимическое исследование 11 таксонов 9 видов рода Spiraea Дальнего Востока России для решения спорных таксономических вопросов и выявления перспективных видов.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- исследовать содержание вторичных метаболитов в растениях рода Spiraea Дальнего Востока России;

- провести хемотаксономическое исследование дальневосточных видов рода Spiraea, используя в качестве признаков-маркеров состав и содержание фенольных соединений;

- оценить морфологическую и биохимическую изменчивость спирей секции Calospira С. Koch в дальневосточной части ареала; выявить диагностические признаки в систематике близкородственных видов S. betulifolia Pall, и S. beauverdiana Schneid.;

- изучить изменчивость содержания флавонолов у дальневосточных представителей рода Spiraea;

- определить антиоксидантную активность дальневосточных представителей рода Spiraea.

Защищаемые положения:

1. Фенольные соединения растений рода Spiraea Дальнего Востока России могут быть использованы в качестве хемотаксономических маркеров для решения спорных вопросов систематики на уровне секций и видов и при установлении их родства.

2. На Дальнем Востоке произрастают два морфологически и биохимически различающиеся вида из секции Calospira - S. be tul ¡folia и S. beauverdiana.

3. Растения видов S. beauverdiana, S. betulifolia, S. salicifolia и S. humilis Pojark. перспективны как источники антиоксидантов.

Научная новизна. Впервые проведено хемотаксономическое исследование растений рода Spiraea Дальнего Востока России на основе изучения фенольных соединений. Исходя из материалов по составу и содержанию фенольных соединений, полученных с помощью хроматографических методов, выявлены сходство и родственные отношения дальневосточных спирей. Впервые исследованы эндогенная, сезонная, индивидуальная и межпопуляционная изменчивость содержания флавонолов в спиреях и изменчивость морфологических признаков видов секции Calospira. Установлена диагностическая значимость качественных и метрических признаков. Впервые проведен скрининг на содержание вторичных метаболитов у дальневосточных представителей рода Spiraea, позволивший выявить спиреи с наибольшим накоплением веществ: флавоноидов - у S. media Franz Schmidt var. media и S. media var. sericea (Turcz.) Regel; оксикоричных кислот — у S. ussuriensi Pojark. subsp. ussuriensis, S. betulifolia и S. beauverdiana', катехинов — y S. media var. media; сапонинов - y S. betulifolia, разновидностей S. media, S. ussuriensis subsp. ussuriensis и S. salicifolia. Кроме того, обнаружены перспективные носители антиоксидантной активности - S. beauverdiana, S. betulifolia, S. salicifolia и S. humilis.

Теоретическая и практическая значимость. Материалы диссертации могут быть использованы систематиками растений для уточнения спорных вопросов таксономии рода Spiraea, ресурсоведами - при подготовке и дополнении ресурсоведческих сводок. Результаты хемотаксономических исследований по роду Spiraea являются информативным материалом при разработке спецкурса по хемосистематике в высших учебных заведениях. Сравнительное биохимическое изучение растений рода Spiraea показало перспективность некоторых видов как источников вторичных метаболитов. Данные по изменчивости содержания флавонолов могут быть использованы для определения оптимальных сроков заготовки лекарственных сборов. Экспериментальные исследования показали перспективность этанольных и водных экстрактов S. beauverdiana, S. betulifolia, S. salicifolia и S. humilis как носителей антиоксидантной активности.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на региональной конференции «Молодые ученые - науке» (г. Благовещенск, 2010, 2011); на международной конференции «Экология и разнообразие лесных экосистем Азиатской части России (г. Костелец, Чехия, 2010); на XI региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века: шаг в будущее» (г. Благовещенск, 2010); на всероссийской научной конференции с международным участием «Проблемы изучения и сохранения растительного мира Евразии» (г. Иркутск, 2010); на 14-м собрании Амурского отделения Русского ботанического общества (г. Благовещенск, 2011); на всероссийской конференции «Проблемы сохранения растительного мира северной Азии и его генофонда» (г. Новосибирск, 2011); на V всероссийской конференции с международным участием «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (г. Барнаул, 2012); на VIII Меж-

дународном симпозиуме «Фенольные соединения: фундаментальные и прикладные аспекты» (г. Москва, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ в отечественных и иностранных изданиях, 3 из которых - в изданиях перечня ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, включающего 284 наименования (в том числе 100 на иностранных языках). Работа изложена на 203 страницах, иллюстрирована 47 рисунками и 20 таблицами.

ГЛАВА 1. СИСТЕМАТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РОДА SPIRAEA L.

1.1. Краткая история таксономического изучения и морфологическая характеристика растений рода Spiraea

Род Spiraea относится к подсемейству Spiroideae Agardh. и является самым примитивным в семействе Rosaceae Juss. (Тахтаджян, 1966). Он был описан К. Линнеем в 1753 г. в работе «Species Plantarum».

Полиморфизм, широкое географическое распространение многих видов рода, а также наличие явления гибридизации обусловливают сложность классификации спирей, что «требует наиболее пристального внимания систематиков» и делает этот род интересным объектом таксономических исследований (Коропачинский, Скворцова, 1966; Полякова, 2004).

1.2. Морфологическая характеристика дальневосточных видов рода Spiraea

В работе использована система дальневосточных видов рода Spiraea, принятая В.В. Якубовым (1996). Морфологическая характеристика дискриминантных признаков секций и таксонов, а также условия их местопроизрастания, общее распространение и распространение на Дальнем Востоке России (ДВР) приводятся согласно региональной сводке (Сосудистые..., 1996) и материалам из других работ (Пояркова, 1939; Шульгина, 1954; Положий, 1988; Коропачинский, Встовская, 2002).

Ареалы изучаемых видов приведены по материалам В.В. Якубова (1996), уточнены и дополнены новыми данными (Коробков, Секретарева, 2001; Полякова, 2004; Шлотгауэр, Крюкова, 2005; Старченко, 2008; Баркалов, 2009; Лысенко, Якубов, 2010), что значительно расширило представления о распространении видов спирей.

Несмотря на то, что растения рода Spiraea были объектом исследования многих систематиков и интродукторов, таксономический ранг некоторых видов в настоящее время требует уточнения и тщательного изучения разными методами.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1. Объекты и материалы исследований

Объектами фитохимического исследования являются 11 (из 12) таксонов 9 видов рода Spiraea, произрастающих на территории ДВР:

I - Секция Chamaedryon Ser.

1. S. ussuriensis Pojark. subsp. ussuriensis

2. S. ussuriensis subsp. elegans (Pojark.) V. Jakubov

3. S. flexuosa Fisch.ex Cambess.

4. S. media Franz Schmidt var. media

5. S. media var. sericea (Turcz.) Regel

6. S. dahurica (Rupr.) Maxim.

7. S. pubescens Turcz.

II — Секция Calospira C. Koch S. S. belulifolia Pal!.

9. S. beauverdiana Schneid.

III — Секция Spiraria Ser.

10. S. salicifolia L.

11. S. humilis Pojark.

Хемотаксономические исследования проводили на материале, собранном из природных популяций ДВР (Амурская, Сахалинская, Магаданская и Камчатская обл., Еврейская АО, Хабаровский и Приморский кр.) и из коллекции интродуцированных растений Амурского филиала Ботанического сада-института ДВО РАН, г. Благовещенска (АФ БСИ ДВО РАН) в течение вегетационного периода 2003-2011 гг. Внутривидовую изменчивость морфологических признаков изучали у спирей секции Calospira ДВР: S. betul¡folia и S. beauverdiana.

2.2. Методы биохимических исследований

Состав и содержание фенольных соединений исследовали методами высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ), хроматографии на бумаге (Mabry et al., 1970; Клышев и др., 1978; Высочина и др., 1987; Высочина, 2004), хроматоспек-трофотометрии (Высочина, 2004; Ларькина и др., 2008), спектрофотометрии (Беликов, Шрайбер, 1970; Муравьева и др., 1987; Кукушкина и др., 2003), титрометрии (Государственная..., 1987), УФ-спектрометрии. Наличие кумаринов, Сахаров и сапонинов устанавливали общепринятыми методами (Slatenek, Wsahburn, 1944; Ермаков и др., 1987; Киселева и др., 1991). Для определения суммарного содержания антиокси-дантов использовали амперометрический метод (Яшин и др., 2005).

2.3. Методика изучения морфологической изменчивости

При исследовании морфологической изменчивости спирей пользовались методикой, разработанной СЛ. Мамаевым (1969, 1973, 1974, 1975). Изучали три формы изменчивости: эндогенную, индивидуальную и межпопуляционную. Цвет годичных побегов оценивали по шкале цветов A.C. Бондарцева (1954). Изменчивость опушения листовой пластинки и осей соцветий определяли по методу балльной оценки Г.Н. Зайцева (1973).

2.4. Методы математической обработки результатов

Математическую обработку результатов проводили в программе Excel и пакете Statistica 6.0 с учетом общепринятых методических указаний по биологической статистике (Зайцев, 1973, 1990, 1991). Для сравнения пар видов с точки зрения хромато-графического сходства использовали метод парных коэффициентов сходства (Ellison et al., 1962; Suresh, Vijoy, 2003).

ГЛАВА 3. СОСТАВ И СОДЕРЖАНИЕ ОСНОВНЫХ ГРУПП БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ У ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА SPIRAEA L.

3.1. Вторичные метаболиты представителей рода Spiraea (обзор литературы)

Согласно литературным данным, в дальневосточных видах рода Spiraea представлены следующие основные группы вторичных соединений: флавоноиды, фенол-карбоновые кислоты, алкалоиды, таннины, кумарины, терпеноиды, стероидные гли-

козиды, цианогенные гликозиды, неолигнаны и эфирные масла (Horhammer, 1956; Bodal-ski, Cisowski, 1969; Бандюкова, 1969; Растительные..., 1996). Представители спирей Дальнего Востока России слабо изучены на содержание вторичных метаболитов.

3.2. Содержание основных групп БАВ в органах надземной части растений

Распределение основных групп биологически активных веществ в листьях и соцветиях 11 таксонов рода Spiraea ДВР различно. В соцветиях обнаружено более высокое содержание флавонолов, оксикоричных кислот, катехинов, антоцианов, сапонинов и Сахаров по сравнению с листьями. Дубильных веществ, наоборот, больше в листьях, чем в соцветиях (табл. 1).

Таблица 1

Содержание основных групп БАВ в представителях рода Spiraea (% от абсолютно сухой массы)

Вид Орган растения Флаво-нолы Оксикоричные кислоты Кате-хины Анто-цианы Дубил ьные-вещества Сапонины Сахара Кумари-ны

S. ussuriensis subsp. ussuriensis л 2,0 0,5 1,1 нет 9,9 3,1 9,9 ++

с 2,9 0,8 0,9 нет 2,4 5,1 20,7 +++

S. ussuriensis subsp. elegans л 3,1 0,5 0,2 нет 3,83 3,8 4,8 ++

с - - 0,5 нет 5,12 4,4 - +++

S. flexuosa л 1,5 0,3 0,1 нет 4,7 2,7 8,3 нет

с 2,3 0,6 0,5 нет 3,0 3,7 14,8 +++

S. media var. media л 2,5 0,1 1,5 нет 5,9 1,3 6,0 +

с 3,9 0,4 5,7 нет 8,0 5,5 17,8 +++

S. media var. sericea л 3,5 0,2 0,4 нет 6,0 1,4 4,8 +

с - - 1,4 нет 6,6 5,2 12,5 ++

S. dahurica л 0,9 0,2 0,2 нет 4,4 1,4 8,8 +++

с 1,2 0,2 0,3 нет 3,1 4,8 15,5 +++

S. pubescens л 1,9 0,4 0,6 нет 5,9 2,3 9,9 +++

с - - 0,7 нет 3,4 4,1 15,1 +++

S. betuiifolia л 1,8 0,9 1,1 нет 8,6 1,5 9,2 нет

с 3,8 1,0 1,7 нет 4,5 5,1 12,7 +++

S. beauverdiana л 2,3 0,8 0,3 нет 5,5 3,0 11,2 +++

с 3,7 1,2 0,5 нет 4,9 0,7 13,9 +++

S. saliciiolia л 1,8 0,3 2,2 нет 11,6 0,5 11,2 ++

с 2,1 0,5 2,9 0,1 5,9 5,1 11,7 111

S. humilis л 2,2 0,4 2,7 нет 9,3 1,8 12,6 ++

с 2,5 0,5 3,4 0,1 6,4 3,8 12,5 +++

Примечание: 1) л - лист; с - соцветия; 2)«+»- мало; «++» - много; «+++» - очень много; 3)«-» - эксперимент не проводился.

Широко распространенные S. media var. media, S. ussuriensis subsp. ussuriensis, S. betulilifolia, S. salicifolia имеют наиболее высокие показатели содержания биологически активных веществ. Возможно, низкомолекулярные соединения играют большую роль в адаптивных реакциях спирей, и чем больше их содержится в растении, тем легче оно адаптируется к окружающей среде, тем оно конкурентноспособнее. Виды, имеющие на Дальнем Востоке ограниченный ареал (S. dahurica, S. pubescens), содержат меньшее количество вторичных метаболитов.

3.3 Исследование фенольных соединений (флавоноидов и фенолкарбоновых кислот) методом ВЭЖХ

Первоначальным этапом исследования фенольных соединений было изучение этанольных экстрактов из листьев растений рода Spiraea после гидролиза. В результате обнаружено 16 веществ фенольной природы. Из них идентифицированы фенол-карбоновые кислоты - и-кумаровая и коричная и флавонолы - кверцетин и кемпфе-рол. Для этих веществ получены спектральные характеристики.

В дальневосточных спиреях впервые идентифицирована методом ВЭЖХ и-кумаровая кислота (пик № 6). Эта кислота присутствует в гидролизатах всех исследованных нами видов спирей. Коричная кислота (пик № 13) обнаружена нами только у представителей секции Chamaedryon — S. flexuosa, разновидностей S. media и подвидов S. ussuriensis (табл. 2, рис. 1).

Таблица 2

Характеристика фенольных соединений, обнаруженных в гидролизатах экстрактов из листьев растений рода Spiraea

№ пика Соединение (спектральная характеристика Am», нм) Время удерживания (Ir), мин Спектральная характеристика Атах, НМ

6 л-кумаровая кислота (226,293 пл., 310) 2,765 228, 293 пл., 310

12 кверцетин (255,372) 6,592 255, 372

13 коричная кислота (216,278) 7,397 216, 278

15 кемпферол (225, 265,370) 11,136 225, 266,370

Кверцетин (пик № 12) и кемпферол (пик № 15) содержатся в гидролизатах этанольных экстрактов растений всех изученных таксонов спирей в разных соотношениях.

nAU 14 -12 • 10 е -в 4 -2 - А i: л 10 | /\ / mAU 0 5 0 - -O.S - : Б 12 JV 15 А

2 4 е 8 0 в 10 12 t. mm

Рис. 1. Хроматограмма гидролизата этанольного экстракта листьев игоигдотз эиЬэр. гщ-иг/еш/.? при А - 270 нм, Б - 370 нм. По оси ординат - оптическая плотность. По оси абсцисс - время удерживания, мин.

Следующим этапом изучения фенольных соединений было исследование натив-ных экстрактов листьев дальневосточных спирей методом ВЭЖХ (табл. 3, рис. 2).

Таблица 3

Характеристика фенольных соединений, обнаруженных а экстрактах растений рода Spiraea

№ пика Соединение (спектральная характеристика Атах, нм) Время удерживания (te), мин Спектральная характеристика Атах, нм

15 гиперозид (256, 368 пл, 355) 18,374 255, 268 пл., 355

16 рутин (256, 356) 20,320 256, 358

22 астрагалин (267, 300 пл., 350) 32,024 265, 300 пл., 350

30 кверцетин (255, 372) 40,218 255,372

37 кемпферол (225, 265, 370) 47,150 225, 266, 370

Три соединения - астрагалин (пик № 22), кверцетин (пик № 30) и кемпферол (пик № 37) присутствуют в экстрактах всех изученных таксонов спирей. Гиперозид (пик № 15) обнаружен в экстрактах всех спирей, кроме подвидов S. ussuriensis. Рутин (пик № 16) выявлен у S. beanverdiana, S. betulifolia, разновидностей S. media, подвидов S. ussuriensis, S. pubescens и S. salicifoHa.

1

1.2 0.8 • 0.6 4 16 20 [ д Л А 2, 12 А \ 17 19 \л ajUIMA; \j * É

0.40.2 • к W 37

0 • —i

10 20 30 40 so t.min

Рис. 2. Хроматограмма этанольного экстракта листьев S. media var. media. По оси ординат - оптическая плотность. По оси абсцисс - время удерживания, мин.

ГЛАВА 4. ИЗМЕНЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ РОДА SPIRAEA L.

ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА РОССИИ

4.1. Общее представление об изменчивости и ее формах

Изучение внутривидовой дифференциации любого вида начинается с исследования изменчивости его признаков (Мамаев, 1968). Исследования в области морфологической изменчивости растений показали необходимость этих работ для оценки диагностической значимости используемых в литературе признаков (Мамаев, 1981; Шемберг, 1987; Полякова, 2004; Henderson, 2004; Банаев, 2010; Oppong-Sekyere et al., 2011).

4.2. Изменчивость морфологических и биохимических признаков у спирей секции Calospira С. Koch

Анализ литературных данных показал, что наименее изученными и, в тоже время, спорными в таксономическом отношении на территории ДВР являются 2 вида спиреи -

5. ЬеШН/оПа и 5. ЬеаиуегсИапа. Эти виды чрезвычайно полиморфны. Кроме того, в местах их совместного произрастания в Хабаровском крае и на Сахалине встречается целый ряд переходных форм, вероятно гибридного происхождения (Пояркова, 1939; Коропачинский, Встовская, 2002).

4.2.1. Эндогенная изменчивость морфологических признаков. Анализ эндогенной формы изменчивости проводили на гербарных образцах 5. ЬеШН/оПа из Шко-товской ценопопуляции. Изучение изменчивости качественных признаков 5. ЬеШН/о-Иа на эндогенном уровне показало, что эти признаки, в том числе и опушение осей соцветий, не варьируют. Исходя из особенностей эндогенной изменчивости метрических показателей, все параметры замеряли только на срединных листьях генеративных побегов.

4.2.2. Индивидуальная и эколого-географическая изменчивость морфологических признаков. Для анализа индивидуальной и эколого-географической форм изменчивости нами был собран материал из 15 популяций 5. ЬеШН/оПа и 5. ЬеатегсИапа, в том числе в местах их совместного произрастания (рис. 3).

Рис. 3. Распространение спирей секции Calospira на Дальнем Востоке России (Сосудистые растения..., 1996): I - S. betulifolia; II - S. beauverdiana\ III - места совместного произрастания двух видов; IV - места сбора материала. Популяции: 1 - Амурская; 2 - Буре-инская; 3 - Облученская; 4 - Тернейская; 5 - Дапьнегорская; 6 - Ольгинская; 7 - Чугуевская; 8 - Шкотовская; 9 - Селемджинская; 10 - Солнечная; 11 - Комсомольская; 12 - Сахалинская; 13 - Быстринская; 14 - Елизовская; 15 - Магаданская.

При исследовании изменчивости морфологических признаков спирей секции Calospira были выделены диагностические признаки: опушение цветоножки, опушение листовки, положение столбика листовки и длина черешка листовой пластинки. Дискри-минатный анализ, проведенный по всем изученным морфологическим признакам, показал, что секция Calospira представлена двумя видами (рис. 4). На дендрограмме также видно, что существуют переходные формы между этими двумя таксонами.

it-

O S. betulifolia □ S. beauverdiana О Селемджинская Л Солнечная

Рис. 4. Положение центройдов исследованных ценопопуляций спирей секции Calospira в пространстве 1-й и 2-й канонических осей.

4.2.3. Межпопуляционная изменчивость содержания фенольных соединений.

Исследование изменчивости биохимических признаков также говорит о самостоятельности S. betulifolia и S. beauverdiana и существовании между ними переходных форм. На одномерной хроматограмме этанольные экстракты из листьев растений S. betulifolia отличаются от экстрактов S. beauverdiana компонентами с голубой окраской. В экстрактах S. beauverdiana обнаружены дополнительные компоненты желтого цвета.

Изменчивость содержания флавонолов в листьях S. betulifolia в фазе плодоношения из разных мест произрастания очень высокая V = 69,0 %, с амплитудой изменчивости признака 0,8-10,9 %. Высокая изменчивость признака «содержание флавонои-дов» у S. betulifolia отмечается и в работе Е.А. Карповой и Т.А. Поляковой (2009). У близкого с ним вида S. beauverdiana изменчивость содержания флавонолов в фазе плодоношения значительно ниже - V = 24,7 %. Амплитуда изменчивости признака у S. beauverdiana входит в амплитуду изменчивости S. betulifolia и составляет 3,8-6,9 %. В фазе цветения содержание флавонолов выше у S. beauverdiana.

Таким образом, изучение морфологических и биохимических признаков S. betulifolia и S. beauverdiana подтверждает их самостоятельность, при этом изменчивость всех признаков на внутри- и межпопуляционном уровнях выше у S. betulifolia.

4.3. Изменчивость содержания флавонолов у представителей секций Chamaedryon Ser., Calospira С. Koch и Spiraria Ser.

4.3.1. Эндогенная и сезонная динамика накопления флавонолов. Сезонную изменчивость содержания флавонолов изучали по фазам: вегетации, бутонизации, цветения и плодоношения (рис. 5).

При сравнении содержания флавонолов по органам было установлено, что самое большое их количество - в бутонах и цветках (до 8,8 %), в листовках содержится до 2,1 %. В листьях флавонолов практически в 2 раза меньше, чем в цветках (до 4,8 %). Меньше всего флавонолов (до 1,6 %) накапливают стебли (рис. 6).

Рис. 5. Сезонная динамика содержания флавонолов в органах надземной части S. media var. media (Амурская обл., Благовещенский р-н, окр. пос. Мухинка) - А; 51. salicifolia (Амурская обл., Благовещенский р-н, станция Широтная) - Б; S. betulifolia (Амурская обл., Благовещенский р-н, станция Широтная) - В. По оси ординат - содержание флавонолов, в % от массы абсолютно сухого сырья. По оси абсцисс - фазы развития: 1 - вегетация, 2 - бутонизация, 3 -массовое цветение, 4 - плодоношение.

4.3.2. Индивидуальная изменчивость содержания флавонолов. Индивидуальная изменчивость содержания флавонолов в растениях рода Spiraea невысокая, поэтому этот признак можно использовать в таксономии. Эндогенная изменчивость содержания флавонолов у отдельного куста с учетом разных сторон экспозиции низкая или средняя. Этот фактор при сборе материала можно не учитывать.

4.3.3. Географическая (межпопуляционная) изменчивость содержания флавонолов. Исследования межпопуляционной изменчивости содержания флавонолов в растениях рода Spiraea показало, что уровень ее в листьях S. media var. media в фазе цветения - низкий, в листьях S. humi/is в фазе плодоношения - средний, у S. ussuriensis subsp. ussuriensis, S. media var. media, S. beauverdiana в фазе плодоношения и S. salicifolia в фазах цветения и плодоношения — высокий, а в листьях S. betulifolia в фазе плодоношения - очень высокий.

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ ДАННЫХ О СОСТАВЕ ФЕНОЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ТАКСОНОМИИ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫХ ВИДОВ РОДА SPIRAEA L.

5.1. Общие принципы хемосистематики

При изучении растений с позиций хемотаксономии следует учитывать многообразие проявления изменчивости, характерные для любых признаков живых организмов, обращать особое внимание на унификацию используемых методов анализа и экстракции растительного материала. Кроме знания внутривидовой изменчивости, большое значение при выяснении закономерностей распространения растительных веществ имеют данные об их качественном и количественном составе, о путях биосинтеза этих соединений и биологической активности (Harborne et al., 1982; Пименов, Борисова, 1987; Высочина, 2004; Семихов и др., 2010).

5.2. Хемотаксономический анализ состава фенольных соединений дальневосточных таксонов рода Spiraea

В этанольных экстрактах растений рода Spiraea обнаружено 29 веществ методом двумерной бумажной хроматографии, из которых 18 относятся к флавоноидам и 11 -к фенолокислотам и кумаринам. Флавоноиды окрашены в желтый или желто — зеленый цвет, а фенолокислоты и кумарины - в фиолетовый, голубой или бирюзовый. На рис. 6 приведены в качестве примера схемы двумерных хроматограмм трех из 11 исследованных нами таксонов и дендрограмма сходства изученных спирей.

S.ussuriensis subsp. ussuriensis

Ф1Э ж-з

«-Ч» WA

•IS Щ0 ♦H(i>«l>

Ф4 'Ж,'*' ?

•И® „...'

K5<®

К7«Р>

S. betulifolia

K8<3>

119 '6

Ф16 'Ж"Э_ K6VJF ,

Ф4

Ф10:б-ж) Ф6' ж

Ф7 .Ж Фи* б'Ж ;

О 0,3 Ö.3 0.3 0.л 0.5 0.6 0.7 Rtio.s

S.salicifolia

Tree Diagram for 11 Cases Ward's method Euclidean distances

S.fcesuvenSana S.DelüSfoüa S.humiiis S.salicifoiia S media var. media S. meaia var. sefftea S dahurica S. fiexuosa S.ussuriensis subsp eiegans S.ussuriensis subsp. ussuriensis S.puöescens

Рис. 6. Схемы двумерных хроматограмм экстрактов листьев некоторых представителей рода Spiraea, построенные на основе двумерной бумажной хроматографии — А и дендрограмма сходства дальневосточных спирей - Б. А: по оси ординат - Rf2 в системе н-бутанол -уксусная кислота - вода (40:12:28); по оси абсцисс - Rfi в системе изопропиловый спирт -муравьиная кислота - вода (2:5:5). Цвет пятен: ж - желтый; б-ж - бледно-желтый; ж-з — желто-зеленый; ф — фиолетовый; г - голубой; б - бирюзовый.

Методом ВЭЖХ в 11 таксонах спирей обнаружено 39 соединений. Большая часть этих веществ, судя по спектрам, вероятно, относится к фенольным соединениям. Среди них идентифицированы «-кумаровая и коричная кислоты и флавонолы - квер-цетин и его гликозиды - гиперозид и рутин, кемпферол и его гликозид астрагалин. На рис. 7 приведены хроматограммы трех таксонов (ВЭЖХ) и дендрограмма сходства всех 11 исследованных таксонов.

Кластерный анализ данных по составу фенольных соединений позволил более наглядно представить сходство дальневосточных спирей и выявить связь компонентного состава с их систематическим положением.

Параллельно с кластерным анализом состава фенольных соединений дальневосточных спирей были рассчитаны парные коэффициенты сходства (ПС) и построены на их основе «полигональные фигуры» (Ellison et al., 1962; Suresh, Vijoy, 2003). На рис. 8 в качестве примера представлены полигональные фигуры для 5 таксонов рода Spiraea.

При сравнении дендрограмм, построенных на основе данных, полученных двумя разными методами (бумажной хроматографией и ВЭЖХ), установлено их почти полное сходство.

Спиреи секции Скатаес1гуоп образуют отдельный кластер, внутри которого разбиваются на группы, соответствующие их родству по морфологическим признакам.

S. ussuriensis siibsp. ussuriensis

iuy II: в i U) 20

S. betulifolia

15 и 18 « 22 24

S. salicifolia

Tree Diagram foi 11 Cases Ward's method Euclidean distances

S.beauverdiana S.betmoiia s. ttumilis S.saiicifolla Smedia var. sericea Smed/ayar. media s aanurica Sflexuosa S.ussuriensis subsp. ussuriensis S.ussuriensis subsp. elegans S. pubescens

1 2 3 4 6 6 7 Linkage Distance

Рис. 7. Хроматограммы экстрактов листьев некоторых представителей рода Spiraea, полученные методом ВЭЖХ (340 нм) — А и дендрограмма сходства дальневосточных спирей — Б. А: по оси ординат - оптическая плотность; по оси абсцисс - время удерживания, мин.

Рис. 8. «Полигональные фигуры» типичных профилей экстрактов листьев видов рода Spiraea

Первую группу образуют два подвида S. ussuriesis, S. flexuosa и S. pubescens. По- | лигональная фигура S. pubescens отличается своеобразием и выделяется среди остальных фигур (см. рис. 8). По морфологическим признакам этот вид обособлен от , всех спирей Дальнего Востока. На дендрограммах сходства видно, что S. pubescens ближе по составу фенольных соединений к спиреям родства S. ussuriensis (рис. 6, Б и рис. 7, Б). S. ussuriensis subsp. ussuriensis и S. ussuriensis subsp. elegans сходны между собой не только морфологически, а также и по составу фенольных соединений. Коэффициент парного сходства у подвидов равен 80 %. Однако, по нашему мнению, различий в составе веществ недостаточно, чтобы придать видовую самостоятельность

этим двум таксонам. Полученные данные подтверждают принятую нами систему дальневосточных спирей и взгляды В.В. Якубова (1996) о том, что S. ussuriensis на Дальнем Востоке представлена двумя подвидами. S. flexuosa имеет достаточно отличий по составу фенольных соединений от подвидов S. ussuriensis и достоин ранга вида, более близок он к S. ussuriensis subsp. ussuriensis (ПС = 53 %). Это согласуется с принятой нами системой дальневосточных спирей и мнением большинства исследователей (Пояркова, 1939; Шульгина, 1954; Воробьев, 1968; Якубов, 1996; Коропачин-ский, Встовская, 2002).

Следующую группу образуют S. media var. media, S. media var. sericea и S. dahurica. Коэффициент парного сходства между S. media var. media и S. media var. sericea равен 79 %. Разновидности S. media, вероятно, находятся в процессе обособления, причем S. media var. sericea является производным таксоном, так как ее компонентный состав фенольных соединений не столь разнообразен, как у 5. media var. media. Полученные нами данные являются подтверждением точки зрения исследователей ДВР, которые выделяют S. sericea Turcz. как разновидность S. media (Гладкова, 1985; Якубов, 1996). S. dahurica по составу веществ более близок к S. media var. media (ПС = 66 %) и является вполне самостоятельным видом, что подтверждает мнение многих исследователей (Пояркова, 1939; Шульгина, 1954; Ворошилов 1982; Гладкова, 1984; Положий, 1988; Коропачинский, Встовская, 2002), а также согласуется с принятой нами системой.

Спиреи секций Calospira и Spiraria близки по составу фенольных соединений, а значит и генетически. Коэффициент парного сходства у них более 50 %. Полигональные фигуры этих видов проявляют значительное сходство (см. рис. 8).

Изучение состава фенольных соединений показало, что два вида секции Calospira очень близки между собой, так же как и по морфологическим признакам. Тем не менее, эти виды являются обособившимися и вполне самостоятельными. Полигональные фигуры этих видов сходны (рис. 8), ПС между ними равен 65 %. Полученные данные согласуются с принятой нами системой спирей ДВР и мнением многих исследователей (Пояркова, 1939; Шульгина, 1954; Гладкова, 1984; Положий, 1988; Коропачинский, Встовская, 2002).

Состав фенольных соединений спирей секции Spiraria выявил большое их сходство (ПС = 82 %). Полигональные фигуры этих видов очень близки (см. рис. 8). Возможно понижение S. humilis до ранга подвида S. salicifolia, что согласуется с точкой зрения В.А. Недолужко (1995).

Таким образом, нами установлено, что состав фенольных соединений таксонос-пецифичен в роде Spiraea ДВР на уровне секций и видов, поэтому его можно использовать в качестве маркера при уточнении систематического положения таксонов и установления их родства.

5.3. Содержание фенольных соединений у дальневосточных таксонов рода Spiraea в связи с их систематическим положением

Анализ содержания отдельных компонентов в растениях из разных местообитаний Дальнего Востока России, проведенный нами по данным ВЭЖХ, показал, что по содержанию веществ спиреи разделяются на три группы (рис. 9). Первую группу образуют S. flexuosa, S. ussuriensis subsp. ussuriensis и S. ussuriensis subsp. elegans, которые отличаются достаточно высоким содержанием коричной кислоты и кемпферола. Следующую группу образуют S. media (var. media и var. sericea), S dahurica, S. pubescens из секции Chamaedryon. В видах этой группы кверцетин превали-

рует над кемпферолом, причем эта группа отличается наибольшим содержанием кверцетина; я-кумаровая кислота у этих спирей содержится примерно в одинаковом количестве. Третью группу представляют 5. ЬеШП/оНа, 5. ЬеатегсИапа, 5. заНЫ/оИа, 5. китИЬ, которые отличаются отсутствием коричной кислоты. В растениях этих видов л-кумаровой кислоты содержится значительно больше, чем в других, а количество кверцетина преобладает над кемпферолом.

Рис. 9. Содержание основных компонентов фенольного комплекса в листьях растений дальневосточных таксонов рода Spiraea по Хср (% от абсолютно сухой массы).

1 - 5. ussuriensis subsp. ussuriensis, 2-5. ussuriensis subsp. elegans, 3 - 5. flexuosa, 4 -5. media var. media, 5 — 5. media var. sericea, 6 — 5. dahurica, 7 - 5. pubescens, 8-5. betulifolia, 9-5. beauverdiana, 10-5. humilis, 11-5. salicifolia.

ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА SPIRAEA L.

6.1. Антиоксидантная активность растении рода Spiraea Дальнего Востока России

Антиоксидантная активность (АОА) ранее была отмечена в семенах S. media (Максимов и др., 1990). Проведенные нами исследования антиоксидантной активности листьев и соцветий 9 таксонов рода Spiraea, произрастающих на территории Дальнего Востока России, показали, что ту или иную АОА проявляют и водные и спиртовые экстракты из всех растений.

Показатели АОА водных экстрактов листьев и соцветий спирей в большинстве случаев выше, чем спиртовых. Вычислены коэффициенты корреляции между АОА и содержанием биологически активных веществ. АОА в листьях и соцветиях спирей коррелирует в большей степени с содержанием оксикоричных кислот и флавоноидов. Показатели антиоксидантной активности выше у спирей из секции Calospira (S. betulifolia и S. beauverdiana), а также из секции Spiraria - у S. humilis в обоих вариантах экстракции, а у S. salicifolia — при экстракции водой.

6.2. Возможности применения растений рода Spiraea

Растения рода Spiraea широко применяются как высокодекоративные кустарники для озеленения городов и населенных пунктов, а также как кормовые и почвоукреп-ляющие растения (Businsky & al., 2002; Лоскутов, 2009; Смирнова и др., 2011; Кра-пивко, 2012). Спиреи являются носителями ценных биологически активных веществ, в связи с чем, широко используются в народной медицине Китая, Монголии, Тибета (Растительные..., 1987; Xie, 1996; Li et al., 2002).

выводы

1. В листьях и соцветиях 11 таксонов 9 видов рода Spiraea, произрастающих на территории Дальнего Востока России найдены сахара, сапонины, фенольные соединения - флавонолы, оксикоричные кислоты, катехины, антоцианы, дубильные вещества, кумарины. Широко распространенные виды рода Spiraea имеют наиболее высокие показатели содержания биологически активных веществ.

2. В этанольных экстрактах листьев дальневосточных спирей методом ВЭЖХ обнаружены флавонолы - кверцетин, кемпферол, астрагалин, рутин, гиперозид и фе-нолкарбоновые кислоты - коричная и и-кумаровая.

3. Выявлены закономерности распределения флавонолов в органах растений дальневосточных видов рода Spiraea. Наибольшее количество флавонолов содержится в репродуктивных органах в фазе цветения и в листьях в фазе плодоношения.

4. Индивидуальная изменчивость содержания флавонолов в листьях дальневосточных спирей невысокая, что позволяет использовать этот признак в хемотаксоно-мических исследованиях. Эндогенную изменчивость в пределах одного куста с учетом разных сторон экспозиции при сборе материала можно игнорировать.

5. Уровень межпопуляционной изменчивости содержания флавонолов в листьях S. media var. media в фазе цветения — низкий, в листьях S. humilis в фазе плодоношения — средний, у S. ussuriensis subsp. ussuriensis, S. media var. media, S. beauverdiana в фазе плодоношения и S. salicifolia в фазах цветения и плодоношения - высокий, а в листьях S. betulifolia в фазе плодоношения - очень высокий.

6. Состав фенольных соединений таксоноспецифичен в роде Spiraea Дальнего Востока России на уровне секций и видов, поэтому его можно использовать в качестве маркера при уточнении систематического положения таксонов и установлении их родства.

7. Изучение изменчивости как биохимических, так и морфологических признаков, а также состава и содержания фенольных соединений у двух спорных таксонов секции Calospira - S. betulifolia и S. beauverdiana подтверждает их самостоятельность. Основными морфологическими признаками для различия видов S. betulifolia и S. beauverdiana являются: характер опушения цветоножек и листовок, отклонение столбика листовки и длина черешка листовой пластинки.

8. Два подвида ussuriensis сходны между собой по составу и содержанию фенольных соединений и различий по этому признаку недостаточно, чтобы придать видовую самостоятельность этим двум таксонам. Вид S. flexuosa имеет достаточно отличий по составу фенольных соединений от подвидов S. ussuriensis, и более близок он к S. ussuriensis subsp. ussuriensis.

9. Разновидности S. media, вероятно, находятся в процессе обособления, причем S. media var. sericea является производным таксоном. S. dahurica является вполне самостоятельным видом по составу веществ и более близок к 5. media var. media.

10. Изучение состава и содержания фенольных соединений показало большое сходство спирей секции Spiraria. Возможно понижение S. humilis до ранга подвида S. salicifolia.

11. Спиреи секций Calospira и Spiraria близки по составу фенольных соединений. Спиреи секции Chamaedryon достаточно обособлены от них.

12. Все исследованные нами представители рода Spiraea проявляли разную степень антиоксидантной активности. Растения видов S. beauverdiana, S. betulifolia, S. salicifolia и 5. humilis перспективны как источники антиоксидантов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Серебрякова В.А. (Костикова В.А.). Внутривидовая изменчивость морфологических признаков Spiraea betulifolia Pall. Ливадийского хребта (Приморский край) / В.А. Серебрякова (В.А. Костикова), Т.А. Полякова // Растения в муссоном климате V: мат-лы 5-й науч. конф. - Владивосток: БСИ ДВО РАН, 2009. - С. 289-291.

2. Карпова Е.А., Полякова Т.А., Серебрякова В.А. (Костикова В.А.) Фенольные соединения некоторых видов рода Spiraea L. Азиатской России / Е.А. Карпова, Т.А. Полякова, В.А. Серебрякова (В.А. Костикова) // Актуальные проблемы ботанического ресурсоведения: мат-лы Междунар. науч. конф., посвящ. памяти М.К. Кукенова. - Алматы: Yin Киян, 2010.

- С. 304-307.

3. Серебрякова В.А. Скрининг на содержание биологически активных веществ в растениях некоторых дальневосточных видов рода Spiraea L. (Rosaceae Juss.) / В.А. Серебрякова (В.А. Костикова) // Молодежь XXI века: шаг в будущее: мат-лы XI регион, научно-практ. конф., посвящ. 65-й годовщине Победы в Великой Отечественной войне. - Благовещенск: Изд-во АмГУ, 2010а. - Ч. 3. - С. 46-47.

4. Serebryakova V.A. (Kostikova V.A.), Polyakova Т.А. Intraspecific variability of morphological characters of Spiraea betulifolia Pall, in Primorski region (Far East Russia) / V.A. Serebryakova (V.A. Kostikova), T.A. Polyakova // Ecology and diversity of forest ecosystems in the Asiatic part of Russia: Proceedings of International Conference. - Kostelec nad Cernymi lesy, Czech Repuplic, 2010.-P. 153-158.

5. Серебрякова В.А. (Костикова В.А.) Содержание фенольных соединений в растениях Spiraea salicifolia L. Дальнего Востока / В.А. Серебрякова (В.А. Костикова), Е.А. Карпова, Г.И. Высочина // Проблемы изучения и сохранения растительного мира Евразии: мат-лы Всерос. конф. с междунар. участ., посвященной памяти JI.B. Бардунова. - Иркутск: Изд-во географии им. В.Б. Сочавы, 20106. - С. 762-765.

6. Карпова Е.А., Серебрякова В.А. (Костикова В.А.), Высочина Г.И. Фенольные соединения некоторых видов рода Spiraea L. / Е.А. Карпова, В.А. Серебрякова (В.А. Костикова), Г.И. Высочина // Вестник НГУ: серия биология, клиническая медицина. - 2011. - Т. 9. - Вып. 1. -С. 51-57. (Реценз.)

7. Серебрякова В.А.(Костикова В.А.) Исследование состава и содержания биологически активных веществ у представителей рода Spiraea L. (Rosaceae Juss.) Дальнего Востока / В.А. Серебрякова (В.А. Костикова), Г.И. Высочина // Растит, мир Азиатской России. - 2011.

- № 2 (8). - С. 120 - 124. (Реценз.)

8. Костикова В.А. Динамика накопления флавонолов в растениях дальневосточных видов рода Spiraea L. / В.А. Костикова, Г.И. Высочина // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: матер. V всерос. конф. (Барнаул, 24-26 апреля 2012 г.). -Барнаул: Алт. ун-т, 2012. - С. 264-265.

9. Костикова В.А, Высочина Г.И., Полякова Т.А. Сравнительное изучение содержания фенольных соединений в растениях рода Spiraea L. Дальнего Востока России / В.А. Костикова, Г.И. Высочина, Т.А. Полякова // Научное обозрение. 2012. - № 5. -С. 167-173. (Реценз.).

10. Костикова В.А., Высочина Г.И. Хемотаксономический анализ состава фенольных соединений дальневосточных представителей рода Spiraea L. / В.А. Костикова, Г.И. Высочина // Фенольные соединения: фундаментальные и прикладные аспекты: мат-лы докл. VIII Междунар. симпозиума. М.: ИФР РАН; РУДН, 2012. - С. 341-347.

Подписано в печать 24.12.12. Формат 60х84'Лб. Объем 1,0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 26.

Центральный сибирский ботанический сад СО РАН. 630090 Новосибирск, ул. Золотодолинская, 101

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Костикова, Вера Андреевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СИСТЕМАТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РОДА SPIRAEA L.

1.1 .Краткая история таксономического изучения и морфологическая характеристика растений рода Spiraea.

1.2.Морфологическая характеристика дальневосточных видов рода Spiraea.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1.Объекты и материалы исследований.

2.2.Методы биохимических исследований.

2.3.Методика изучения морфологической изменчивости.

2.4.Методы математической обработки результатов.

ГЛАВА 3. СОСТАВ И СОДЕРЖАНИЕ ОСНОВНЫХ ГРУПП

БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ У

ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА SPIRAEA L.

3.1.Вторичные метаболиты представителей рода Spiraea (обзор литературы).

3.2.Содержание основных групп БАВ в органах надземной части растений.

3.3.Исследование фенольных соединений (флавоноидов и фенолкарбоновых кислот) методом ВЭЖХ.

ГЛАВА 4. ИЗМЕНЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ РОДА SPIRAEA L.

ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА РОССИИ.

4.1 .Общее представление об изменчивости и ее формах.

4.2.Изменчивость морфологических и биохимических признаков у спирей секции Calospira С. Koch.

4.2.1 .Эндогенная изменчивость морфологических признаков.

4.2.2.Индивидуальная и эколого-географическая изменчивость морфологических признаков.

4.2.3.Межпопуляционная изменчивость содержания фенольных соединений.

4.3.Изменчивость содержания флавонолов у представителей секций Chamaedryon Ser., Calospira C.Koch и Spiraria Ser. 117 4.3.1.Эндогенная и сезонная динамика накопления флавонолов.

4.3.2.Индивидуальная изменчивость содержания флавонолов.

4.3.3.Географическая (межпопуляционная) изменчивость содержания флавонолов.

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ ДАННЫХ О СОСТАВЕ ФЕНОЛЬНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ В ТАКСОНОМИИ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫХ

ВИДОВ РОДА SPIRAEA L.

5.1.Общие принципы хемосистематики.

5.2.Хемотаксономический анализ состава фенольных соединений дальневосточных таксонов рода Spiraea.

5.3.Содержание фенольных соединений у дальневосточных таксонов рода Spiraea в связи с их систематическим положением.

ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА

SPIRAEA L.

6.1.Антиоксидантная активность растений рода Spiraea Дальнего Востока России.

6.2.Возможности использования растений рода Spiraea.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Спиреи (Spiraea L.) Дальнего Востока России: изменчивость, хемотаксономия, использование"

Актуальность исследований. Потенциал биологической активности лекарственных растений определяется содержанием в них комплекса веществ, которые при поступлении в организм животных и человека оказывают целебное действие. Современным подходом к решению проблемы поиска лекарственных растений является изучение представителей отечественной флоры, которые издавна применяются в народной медицине. Исследование биохимического разнообразия растений помогает оценить перспективность растений как носителей биологически активных веществ, а также вносит дополнительные сведения в систематику спорных таксонов (Harborne, 1967; Пименов, Борисова, 1987; Высочина, 2004).

Виды рода Spiraea L. представляют значительный интерес как растения, используемые в народной медицине и имеющие большой ресурсный потенциал. В дальневосточных спиреях обнаружены фенольные соединения с высокой биологической активностью (Растительные., 1987; Растительные., 2009; Mughal et al., 2012). В различных органах видов рода Spiraea найдены сапонины (Шретер, 1975), эфирные масла (Горяев, 1952), стероидные гликозиды (Фруентов, 1987) и другие биологически активные вещества. Наиболее полно изучен химический состав широко распространенных спирей - S. salicifolia L. и S. media Franz Schmidt. В листьях и соцветиях этих видов спирей найдены флавоноиды (Растительные., 1987) и фенолкарбоновые кислоты (Ahn et al., 1996).

Экстракты из растений рода Spiraea проявляют антиоксидантную (Максимов и др., 1990), антимикробную (Киселева и др., 2011), фитонцидную (Делова, 1967) и другие виды биологической активности. Спиреи широко применяются по всему миру как декоративные кустарники для озеленения городов и населенных пунктов, как кормовые, медоносные и почвоукрепляющие растения.

В настоящее время существует проблема в таксономической принадлежности многих видов рода Spiraea, в том числе и дальневосточных. В связи с этим актуальным является проведение хемотаксономических исследований по дальневосточным представителям рода с учетом внутривидовой изменчивости морфологических и биохимических признаков.

Цель и задачи исследований. Цель работы - сравнительное морфологическое и биохимическое исследование 11 таксонов 9 видов рода Spiraea Дальнего Востока России с целью решения спорных таксономических вопросов и выявления перспективных видов.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать содержание вторичных метаболитов в растениях рода Spiraea Дальнего Востока России.

2. Провести хемотаксономическое исследование дальневосточных видов рода Spiraea, используя в качестве признаков - маркеров состав и содержание фенольных соединений.

3. Оценить морфологическую и биохимическую изменчивость спирей секции Calospira С. Koch в дальневосточной части ареала; выявить диагностические признаки в систематике близкородственных видов S. betulifolia Pall, и S. beauverdiana Schneid.

4. Изучить изменчивость содержания флавонолов у дальневосточных представителей рода Spiraea.

5. Определить антиоксидантную активность дальневосточных представителей рода Spiraea.

Защищаемые положения:

1. Фенольные соединения растений рода Spiraea Дальнего Востока России могут быть использованы в качестве хемотаксономических маркеров для решения спорных вопросов систематики на уровне секций и видов и при установлении их родства.

2. На Дальнем Востоке произрастают два морфологически и биохимически различающиеся вида из секции Calospira - S. betulifolia и S. beauverdiana.

3. Растения видов S. beauverdiana, S. betulifolia, S. salicifolia и S. humilis Pojark. перспективны как источник антиоксидантов.

Научная новизна. Впервые проведено хемотаксономическое исследование рода Spiraea Дальнего Востока России на основе изучения фенольных соединений. Исходя из материалов по составу и содержанию фенольных соединений, полученных с помощью хроматографических методов, выявлены сходство и родственные отношения дальневосточных спирей. Впервые исследованы эндогенная, сезонная, индивидуальная и межпопуляционная изменчивость содержания флавонолов в спиреях. Установлена диагностическая значимость качественных и метрических признаков видов секции Calospira - S. betulifolia и S. beauverdiana. Впервые проведен скрининг на содержание вторичных метаболитов у дальневосточных представителей рода Spiraea, позволивший выявить спиреи с наибольшим накоплением веществ: флавоноидов - у S. media Franz Schmidt var. media и S. media var. sericea (Turcz.) Regel; оксикоричных кислот - у S. ussuriensis Pojark. subsp. ussuriensis, S. betulifolia и S. beauverdiana', катехинов - y S. media var. media; сапонинов - y S. betulifolia, разновидностей S. media, S. ussuriensis subsp. ussuriensis и S. salicifolia. Кроме того, обнаружены перспективные носители антиоксидантной активности - S. beauverdiana, S. betulifolia, S. salicifolia и S. humilis.

Теоретическая и практическая значимость. Материалы диссертации могут быть использованы систематиками растений для уточнения спорных вопросов таксономии рода Spiraea, ресурсоведами - при подготовке и дополнении ресурсоведческих сводок. Результаты хемотаксономических исследований по роду Spiraea являются информативным материалом при разработке спецкурса по хемосистематике в высших учебных заведениях. Сравнительное биохимическое изучение растений рода Spiraea показало перспективность некоторых видов как источников вторичных метаболитов. Данные по изменчивости содержания флавонолов могут быть использованы для определения оптимальных сроков заготовки лекарственных сборов. Экспериментальные исследования показали перспективность этанольных и водных экстрактов & ЬеаиуегсИапа, & ЪеШИ/оНа, & БаИЫ/оНа и 5". кишШь как носителей антиоксидантной активности.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на региональной конференции «Молодые ученые - науке» (г. Благовещенск, 2010, 2011); на международной конференции «Экология и разнообразие лесных экосистем Азиатской части России (г. Костелец, Чехия, 2010); на XI региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века: шаг в будущее» (г. Благовещенск, 2010); на всероссийской научной конференции с международным участием «Проблемы изучения и сохранения растительного мира Евразии» (г. Иркутск, 2010); на 14-ом собрании Амурского отделения Русского ботанического общества (г. Благовещенск, 2011); на всероссийской конференции «Проблемы сохранения растительного мира северной Азии и его генофонда» (г. Новосибирск, 2011); на V всероссийской конференции с международным участием «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (г. Барнаул, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ в отечественных и иностранных изданиях, 3 из которых - в изданиях перечня ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, включающего 284 наименования (в том числе 100 на иностранных языках). Работа изложена на 203 страницах, иллюстрирована 47 рисунками, 20 таблицами.

Заключение Диссертация по теме "Ботаника", Костикова, Вера Андреевна

Результаты исследования выявляют сходство и различия изученных видов по составу и содержанию основных биологически активных компонентов, что дает возможность установить взаимосвязь между компонентным составом видов рода Spiraea и биологической активностью. Кроме того, данные о качественном составе будут применены для уточнения систематического положения спорных таксонов рода.

В изученных растениях рода Spiraea были обнаружены фенольные соединения - флавоноиды, оксикоричные кислоты, катехины, антоцианы, дубильные вещества, кумарины, а также сапонины и сахара (табл. 3).

Распределение основных групп биологически активных веществ в листьях и соцветиях изученных видов различно. В соцветиях обнаружено более высокое содержание флавонолов, оксикоричных кислот, катехинов, антоцианов, сапонинов и Сахаров по сравнению с листьями. Дубильных веществ, наоборот, больше в листьях, чем в соцветиях. Известно, что вторичные метаболиты растений играют определенную роль в процессах репродукции растений (Бахтенко, Курапов, 2008). Можно предположить, что у растений рода спирея именно эти вещества оказывают влияние на оплодотворение и последующее образование плодов.

Особым вниманием исследователей пользуются растения, содержащие флавоноиды, вследствие их ценности для медицины как источников лекарственных препаратов широкого спектра действия. Многие противовоспалительные, капилляроукрепляющие, желчегонные, противолучевые, противоопухолевые, иммуномодулирующие и иные лечебные средства относятся к группе флавоноидов (Hollman et al., 1999; Hernandez et al., 2000; Макарова, Макаров, 2010). В последнее время особое внимание обращают на антиоксидантное действие флавоноидов, на их способность локализовать свободные радикалы и выводить их из организма (Rice-Evans, Miller, 1996; Zhu et al., 2001). По литературным данным присутствие флавоноидов отмечают для большинства дальневосточных спирей. Виды S. beauverdiana, S. pubescens, S. dahurica и S. schlothauerae на содержание флавоноидов не изучались. Наиболее распространенной группой флавоноидов являются флавонолы. В дальневосточных спиреях содержание флавонолов достигает 4 %.

Содержание основных групп БАВ в представителях рода Spiraea (% от абсолютно сухой массы)

Таксон (код образца) Орган растения Флавонолы Оксикоричные кислоты 1- Катехины Антоцианы 1- Дубильные Вещества Сапонины Сахара Кумарины

Секция Chamaedryon

S. ussuriensis subsp. ussuriensis (U-АБМ-Ц-Ю) л 2,0 0,5 1,1 нет 9,9 3,1 9,9 ++ с 2,9 0,8 0,9 нет 2,4 5Д 20,7 +++

S. ussuriensis subsp. elegans (1Ш-АЗ-Ц-09) л зд 0,5 0,2 нет 3,83 3,8 4,8 ++ с — — 0,5 нет 5,12 4,4 — +++

S. flexuosa (F-АБи-Ц-Ю) л 1,5 0,3 0,1 нет 4,7 2,7 8,3 нет с 2,3 0,6 0,5 нет 3,0 3,7 14,8 +++

S. media var. media (М-АБМ-Ц-10) л 2,5 0,1 1,5 нет 5,9 1,3 6,0 + с 3,9 0,4 5,7 нет 8,0 5,5 17,8 +++

S. media var. sericea (MS-ABH-L],-07) л 3,5 0,2 0,4 нет 6,0 1,4 4,8 + с — 1,4 нет 6,6 5,2 12,5 ++

S. dahurica (D-АС-Ц-Ю) л 0,9 0.2 0,2 нет 4,4 1,4 8,8 +++ с 1,2 0,2 0,3 нет ЗД 4,8 15,5 +++

S. pubescens (Р-ПХ-Ц-10) л 1,9 0,4 0,6 нет 5,9 2,3 9,9 +++ с — — 0,7 нет 3,4 4,1 15,1 +++

Секция Calospira

S. betulifolia (В-АБи-Ц-10) л 1,8 0,9 1,1 нет 8,6 1,5 9,2 нет с 3,8 1,0 1,7 нет 4,5 5,1 12,7 +++

S1. beauverdiana (Ь-КБ-Ц-07) л 2,3 0,8 0,3 нет 5,5 3,0 11,2 +++ с 3,7 1,2 0,5 нет 4,9 0,7 13,9 +++

Секция Spiraria

S. salicifolia (S-АББах-Ц-Ю) л 1,8 0,3 2,2 нет 11,6 0,5 11,2 ++ с 2Д 0,5 2,9 од 5,9 5,1 11,7 +++

S. humilis (Н-АБи-Ц-10) л 2,2 0,4 2,7 нет 9,3 1,8 12,6 ++ с 2,5 0,5 3,4 ОД 6,4 3,8 12,5 +++

Примечание. 1) л - лист; с - соцветия; 2) «+» - мало; «++» - много; «+++» - очень много; 3) «-» - эксперимент не проводился; 4) расшифровка кодов образцов приведена в табл. 1.

Самыми низкими показателями их содержания характеризуется S. dahurica (0,9 % - в листьях и 1,2 % - в соцветиях), а самыми высокими -разновидности S. media (3,9 % - в соцветиях S. media var. sericea и 3,5 % - в листьях S. media var. media). Более 3 % флавонолов накапливают также спиреи секции Calospira: S. beauverdiana и S. betulifolia - в соцветиях, a S. ussuriensis subsp. elegans — в листьях.

В листьях и соцветиях спирей оксикоричных кислот содержится значительно меньше, чем флавонолов - до 1,2 %. Самое низкое содержание кислот в листьях у разновидностей S. media и S. dahurica (0,1-0,2 %), а высокое -у S. ussuriensis subsp. ussuriensis и спирей секции Calospira (0,8-0,9 %). В соцветиях самое низкое содержание у S. dahurica (0,2 %), самое высокое - у S. beauverdiana (1,2 %). Интерес к природным оксикоричным кислотам связан с их выраженными антиоксидантными, противоспалительными, антивирусными, антибактериальными свойствами и другими типами биологической активности (Медведев, 2010).

Высокой биологической активностью обладают катехины. Они проявляют Р-витаминную активность, укрепляя стенки кровеносных сосудов в организме человека и животных, обладают антибактериальными свойствами. Это уникальные природные антиоксиданты (Бахтенко, Курапов, 2008). По литературным данным катехины обнаружены у растений видов рода Spiraea, произрастающих за пределами Дальнего Востока (Bate-Smith, Metcalfe, 1957; Чумбалов и др., 1974 а, 1976 а, б; Стороженко, 1977). В нашем исследовании самое высокое содержание катехинов обнаружено в соцветиях S. media var. media - 5,7 %, в листьях их значительно меньше - 1,5 %. Достаточно большое содержание катехинов в соцветиях и листьях S. salicifolia и S. humilis (секция Spiraria) - до 3,4 %. В растениях всех остальных видов количество катехинов менее 2,0 %. Возможно, именно катехины, содержащиеся в большом количестве в растениях S. salicifolia и S. media, обусловливают их высокие фармакологические свойства. Им свойственны антибактериальная, антигельминтная, жаропонижающая, противовоспалительная и другие типы активности (Растительные., 2009).

Розовую окраску соцветий имеют спиреи секции Spiraria, соответственно только у представителей этой секции обнаружены антоцианы - ОД %. У всех остальных видов спирей цветки белого цвета, и они не содержат антоцианов. Это подтверждает участие антоцианов в окраске соцветий. Для спиреи иволистной в литературе указывается наличие цианидина (Растительные., 1987).

Многие виды спирей являются хорошими медоносами (Растительные., 2009). Значительное содержание в соцветиях Сахаров, достигающее 20,7 %, доказывает их высокую медоносность. Наибольшим содержанием Сахаров отличаются спиреи секции Chamaedryon.

Содержание сапонинов в соцветиях спирей колеблется в пределах 0,7-5,5 %. Более 5 % сапонинов содержится в соцветиях S. betulifolia, разновидностей S. media, S. ussuriensis subsp. ussuriensis, S. salicifolia. Эти таксоны можно рекомендовать как сапонинсодержащие растения. По литературным данным отмечены следы сапонинов в корнях S. salicifolia и облиственных ветвях S. sericea (= S. media var. sericea) (Шретер, 1975). Сапонинсодержащие растения используются в медицине как отхаркивающие средства при заболеваниях дыхательных путей, а также как мочегонные, общеукрепляющие, стимулирующие и тонизирующие. Многие из них благотворно влияют на сердечно-сосудистую систему, эффективны при склерозе сосудов, а также атеросклерозе в сочетании с гипертонической болезнью и злокачественных новообразованиях (Захаров, Кабанов, 1964; Анисимов, Чирва, 1980).

Не менее ценными природными соединениями являются кумарины. В настоящее время известно более тридцати видов биологической и фармакологической активности кумаринов. Широкий спектр фармакологического действия и сравнительно невысокая токсичность делают эту группу природных соединений перспективной для создания новых лекарственных препаратов специфической направленности (Комисаренко и др., 1993). Содержание кумаринов у большинства видов выше в соцветиях, чем в листьях. В листьях S. betulifolia и S.flexuosa они совсем не обнаружены.

3.3 Исследование фенольных соединений (флавоноидов и фенолкарбоновых кислот) методом ВЭЖХ

Высокоэффективная жидкостная хроматография является одним из наиболее эффективных методов качественного и количественного анализа и разделения сложных смесей природных соединений различных групп (Корулькин и др., 2007).

Первоначальным этапом исследования фенольных соединений было изучение этанольных экстрактов из листьев растений рода Spiraea после гидролиза (см. гл. 2). В результате обнаружено 16 веществ фенольной природы. Из них идентифицированы фенолкарбоновые кислоты - и-кумаровая и коричная и флавонолы - кверцетин и кемпферол. Для этих веществ получены спектральные характеристики (табл. 4, рис. 17).

В дальневосточных спиреях впервые идентифицирована методом ВЭЖХ я-кумаровая кислота (пик № 6). Для других видов она уже была отмечена ранее (Lin et al., 1999). Эта кислота присутствует в гидролизатах всех исследованных нами видов спирей. Коричная кислота была идентифицирована ранее в листьях

S. salicifolia (Horhammer et al, 1956; Bate-Smith, 1962; Ahn et al., 1996) и в надземной части S. betulifolia (Карпова, Полякова, 2009 б). Она обнаружена нами (пик № 13) только у представителей секции Chamaedryon - у S. flexuosa, разновидностей S. media и подвидов S. ussuriensis.