Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Зависимость содержания биологически активных веществ в Asparagus burjaticus Peschkova и Polygonatum odoratum Druce от некоторых эколого-географических факторов

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Ильина, Лариса Петровна, Улан-Удэ

На правах рукописи

Ильина Лариса Петровна

ЗАВИСИМОСТЬ СОДЕРЖАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ASPARAGUS BURJATICUS PESCHKOVA И POLYGONATUM ODORATUM (MILL.) DRUCE ОТ НЕКОТОРЫХ ЭКОЛОГО-ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

03.00.16 - экология

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Т.П. Анцупова

Улан-Удэ 1999

- 2 -ОГЛАВЛЕНИЕ

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

Глава 1. Объекты, районы и методы исследования....................................8

1.1. Объекты исследования....................................................................8

1.2. Районы исследования и экологические условия существования растительного покрова на юге Бурятии..................9

1.3. Методы исследования....................................................................14

1.3.1. Анатомическое исследование..................................................14

1.3.2. Определение запасов сырья....................................................15

1.3.3. Определение биологически активных веществ....................16

1.3.4. Определение физико-химических показателей....................19

1.3.5. Математическая обработка данных........................................19

Глава 2. Перспективы изучения представителей родов

Asparagus L. и Polygonatum Mill................................................................21

2.1. Применение в медицине................................................................21

2.2. Продовольственная, декоративная и медоносная

ценность....................................................................................................28

2.3. Кормовое значение........................................................................32

2.4. Биохимическая изученность........................................................33

Глава 3. Сравнительно-анатомическое исследование Asparagus

burjaticus и Polygonatum odoratum..........................................................44

3.1. Морфологические отличительные признаки..............................44

3.2. Анатомическое строение отдельных вегетативных

органов......................................................................................................46

3.3. Микрохимическое исследование..................................................61

3.4. Отличительные признаки порошкообразного сырья................62

Глава 4. Распространение Asparagus burjaticus, Polygonatum

odoratum и определение запасов сырья......................................................70

4.1. Распространение и местообитание видов................................70

4.2. Определение запасов сырья............................ 88

Глава 5. Биохимическое исследование Asparagus burjaticus и Polygonatum odoratum........................................... 91

5.1. Содержание биологически активных веществ............. 91

5.2. Изучение возможности использования Asparagus burjaticus в пищевой промышленности....................... 97

5.3. Микроэлементный состав.............................. 101

5.3.1. Биологическая роль микроэлементов................. 101

5.3.2. Содержание микроэлементов и их взаимосвязь с биологически активными веществами........................ 103

ч

5.3.3. Кормовая ценность с учетом микроэлементного

состава.................................................. 108

5.4. Антимикробная активность............................ 112

Глава 6. Изменчивость содержания суммы алкалоидов в онтогенезе Asparagus burjaticus и Polygonatum odoratum в зависимости

от эколого-фитоценотических факторов.......................... 116

6.1. Влияние разных факторов на процесс образования

и накопления алкалоидов.................................. 116

6.2. Динамика содержания суммы алкалоидов в

зависимости от фазы вегетации............................ 119

6.3. Динамика содержания суммы алкалоидов в

зависимости от места обитания............................ 127

6.4. Изменение качественного состава..................... 131

6.5. Влияние экологических факторов...................... 135

ВЫВОДЫ........................................................ 141

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............................. 143

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................... 159

- 4 -ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Одной из актуальных проблем современной экологии является изучение взаимоотношений человека с растительным покровом Земли. Наиболее значимыми представителями растительного мира являются лекарственные и пищевые виды. К числу таких видов относятся спаржа бурятская - Asparagus burjaticus Peschkova и купена душистая - Polygonatum odoratum (Mill.) Druce (сем. Liliaceae).

Оба вида, как представители лекарственных и пищевых растений, в настоящее время не имеют полной биохимической характеристики. В Этой связи решение вопроса об использовании их в различных отраслях представляется возможным только в том случае, если виды будут изучены в различных аспектах ( с точки зрения биологии и химии), куда входят знания анатомо-морфологических признаков, обеспеченность сырьевой базой, изученность химического состава. В отношении последнего особый интерес представляет содержание алкалоидов , обладающих разносторонней биологической активностью. Для более полного понимания способности растений накапливать алкалоиды необходимы знания динамики содержания оснований в зависимости от комплекса природных факторов, которые до сих пор в литературе освещены недостаточно.

Работа включена в государственную программу "Сибирь", раздел (6.3) "Лекарственные растения Сибири и Дальнего Востока".

Цель и задачи исследования. Цель работы - изучение Asparagus burjaticus и Polygonatum odoratum во флоре Бурятии как возможных перспективных источников биологически активных веществ и определение зависимости содержания алкалоидов от некоторых эколого-географических факторов.

Выполнению указанной цели служит решение следующих задач:

1. Изучение особенностей анатомического строения вегетативных органов исследуемых видов и проведение сравнительно-анатомического анализа органов и порошкообразного сырья.

2. Выявление географического распространения видов и определение сырьевых запасов.

3. Проведение поисковых исследований основных групп биологически активных веществ, установление их суммарного содержания и изучение микроэлементного состава.

4. Определение пригодности использования спаржи бурятской в производстве пищевых продуктов с точки зрения химического состава и изучение антимикробной активности.

5. Выявление динамики количественного содержания суммы алкалоидов в разных органах в зависимости от фазы вегетации, местообитания, температурного режима, атмосферной влажности, а также исследование изменения качественного состава суммы алкалоидов.

Научная новизна. Впервые проведено анатомическое исследование ранее не изученных вегетативных органов видов (корневище, корни купены душистой; корневище, корни, стебли спаржи бурятской), дана сравнительно-анатомическая характеристика видов с учетом экологических особенностей.

Выявлены наиболее типичные местообитания видов и проведены ресурсные исследования.

Изучен биохимический состав видов. В надземных органах обнаружены и хроматографически идентифицированы два флавоноида (квер-цетин и рутин).

Рассмотрена взаимосвязь между накоплением в растениях биологически активных веществ и концентрированием в них микроэлементов. Проведен сравнительный анализ микроэлементного состава в отдельных органах обоих видов.

Определена антимикробная активность.

Показана изменчивость содержания суммы алкалоидов в разных органах в зависимости от вегетационного развития, фитоценотической приуроченности и внешних экологических факторов, таких как среднемесячная температура и количество осадков. Отмечено изменение качественного состава суммы алкалоидов с учетом особенностей динамики содержания их в органах растений в зависимости от фенофазы и местообитания.

Практическая значимость работы. В результате исследований показана возможность использования Asparagus buro'aticus и Polygonatum odoratum в составе многокомпонентных лекарственных сборов вследствие способности проявлять выборочную антимикробную активность, а также в производстве пищевых продуктов профилактического назначения и в сельском хозяйстве.

Вегетативные органы видов можно рекомендовать для использования в качестве объектов изучения на практических,занятиях по анатомии и морфологии растений в объеме вузовских программ. Причиной тому является легкость приготовления срезов и большое содержание минеральных включений (рафидов оксалата кальция). Отличительные признаки порошкообразного сырья могут использоваться в диагностике измельченного сырья многокомпонентного лекарственного сбора.

Высокое содержание отдельных микроэлементов, считаемых дефицитными в сельскохозяйственных кормах на юге Бурятии, позволяет использовать виды в качестве дополнительного включения для обеспечения животных полноценными кормами.

По материалам биохимического исследования разработаны технологические схемы производства котлет "Обогащенные" с биологически активной добавкой из спаржи бурятской и приготовления соуса красного с 40 %-ным водно-спиртовым экстрактом из надземной и подзем-

- ? -

ной частей с. бурятской.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на первом Международном научном конгрессе "Традиционная медицина и питание: теоретические и практические аспекты" (г. Москва, 1994); на научно-практической конференции БНЦ СО РАН "Тибетская медицина: состояние и перспективы исследования" (г. Улан-Удэ, 1994); на Международной научно-технической конференции "Прикладная биотехнология на пороге XXI века" (г. Москва, 1995); на 1-й региональной конференции "Сохранение биологического разнообразия в Байкальском регионе: проблемы, подходы, практика" (г. Улан-Удз, 1996); на второй Российской конференции "Флора и растительность Сибири и Дальнего Востока. Чтения памяти Л.М. Черепнина" (г. Красноярск, 1996); на научно-практической конференции в БНЦ СО РАН "Тибетская медицина: традиции, перспективы, интеграция" (г. Улан-Удэ, 1997); на 1-й Международной конференции "Научные и практические аспекты совершенствования качества продуктов детского и геродиетического питания" (г. Москва, 1997); на Международной конференции "Флора, растительность и растительные ресурсы Забайкалья" (г. Чита, 1997), на ежегодных научно-практических конференциях ВСГТУ (г. Улан-Удэ, 1994, 1995, 1997).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 12 статьях и тезисах докладов.

- 8 -

Глава 1. ОБЪЕКТЫ, РАЙОНЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Объекты исследования

Спаржа бурятская Asparagus burjaticus Peschkova семейства Liliaceae Juss. (название семейства дано по "Флоре Сибири" (Власова, 1987)) впервые была описана в качестве нового вида Г.А. Пешковой (1974). Ранее этот вид был указан М.М. Ильиным (1935) во "Флоре СССР" как A. tuberculatus Bunge ex Из in. Asparagus tuberculatus родствен A. davuricus Fich. ex Link., но отличается от него. Экземпляры из Бурятии имеют шероховатые и ветви и кладодии; при этом ветви более растопыренные, отходят сначала почти под прямым углом, а затем дуговидно согнуты и косо вверх направлены, кладодии в среднем более короткие. При дальнейшем выяснении А. tuberculatus оказался синонимом A. gibbus Bunge, и вследствие отличительных особенностей от типичного A. gibbus Bunge был выделен вид A. bunaticus Peschkova, произрастающий в Бурятии.

Купена душистая Polygonatum odoratum (Mill.) Druce семейства Liliaceae Juss. во "Флоре СССР" (Ильин, 1935) именуется как Р. officinale Ail. Современные названия даны с учетом общепринятых номенклатурных изменений (Черепанов, 1981). Оба вида - многолетние поликарпические травянистые растения.

При определении и уточнении видов применялись "Флора СССР" (Ильин, 1935), "Флора Забайкалья" (Сергиевская, 1972), "Растения Центральной Азии" (Грубов, Егорова, 1977), "Флора Центральной Сибири" (Пешкова, 1979), "Флора Сибири" (Власова, 1987).

1.2. Районы исследования и экологические условия существования растительного покрова на юге Бурятии

Республика Бурятия, как административная единица, расположена между 49°55' и 57°15- северной широты и 98°10? и 116°55' восточной долготы и занимает территорию в 351,3 тыс. кв. км (Атлас Забайкалья, 1967; Бурятская АССР, 1984). Граничит на севере, северо-западе и юго-западе с Иркутской областью, на востоке - с Читинской, на крайнем юго-западе - с республикой Тува, на юге - с Монголией. Определенная площадь республики принадлежит озеру Байкал - уникальному водоему, содержащему одну пятую мировых запасов пресной воды.

Рельеф Южной Бурятии, как и любой другой территории Байкальской Сибири, неоднороден по своему характеру и представляет собой конечный результат предшествующей геологической истории (Фадеева, 1963; Пешкова, 1972, 1985).

К западу расположен пояс высоких гор, включающий Восточные Саяны и горы Прибайкалья.

С востока к Прибайкальской горной стране примыкает Селенгинс-кое среднегорье, или Западное Забайкалье, охватывающее бассейн реки Селенги и ее притоков (Чикой, Хилок, Джида и др.). Наши основные экспедиционные маршруты проходили на территории Селенгинского среднегорья. Здесь существуют как горные (хребты), так и равнинные (речные долины и межгорные понижения) типы рельефа.

Равнинный рельеф имеет более широкое территориальное распространение и приурочен к высотам от 500 до 700 м над уровнем моря. Тип местности - луговая равнина, горная сухая степь, горная степь, горная лесостепь.

- ю -

Особенности горно-котловинного рельефа оказывает влияние на формирование климата и обусловливают ее резко-континентальный режим (Жуков, 1960; Бурятская АССР, 1984).

Среднегодовые температуры воздуха отрицательны - от -0,5° до -4,2°. В январе отмечаются наиболее низкие температуры, в июле -наиболее высокие. Характерны ветры северного, северо-западного и западного направления со среднемесячными скоростями до б м/сек весной (Фадеева, 1963).

Источником влаги являются воздушные массы, поступающие с Атлантического и Тихого океанов, а со стороны Северного Ледовитого Океана они обладают малым влагонасыщением. Удаленность территории от океанов и незначительный влагооборот обуславливают пониженную среднюю годовую влажность воздуха.

Вследствие того, что Забайкалье - горная страна и распределение почв в значительной степени определяется здесь характером рельефа, а также составом почвообразующих пород, жесткими климатическими условиями и растительным покровом (Ногина, 1964; Атлас Забайкалья, 1967; Пешкова, 1985). При этом растительность имеет определяющее значение при формировании основных типов почв.

Южная Бурятия лежит в двух зонах (таежной и степной) и трех поясах (степной, таежный и высокогорный). В переходной полосе от южной тайги к степи встречаются дерново - таежные почвы, представленные горно - дерново - таежными и являются господствующими под сосновыми лесами вокруг степных "островов". Эти почвы формируются на бескарбонатных породах и почти не имеют признаков оподзоленнос-ти, но в них отчетливо прослеживается дерновой процесс.

Растительный покров Южной Бурятии принадлежит к одной ботани-ко-географической области: Евразиатская хвойно-лесная. В состав этой области входят две подобласти: Евро-Сибирская и Восточно-Си-

- 1-1 -

бирская (Пешкова, 1985).

Евро-Сибирская подобласть включает одну Алтае-Саянскую горно-таежную провинцию, куда входят три округа: восточно-саянский, саяно-байкальский и южно-бурятский. Наиболее интересным для нас является южно-бурятский округ, в пределах которого отмечены пройденные нами маршруты; Он занимает относительно низкогорные пространства и характеризуется чередованием котловин, или межгорных впадин, покрытых степной растительностью, с невысокими увалистыми хребтами, проросшими осветленными лесами из сосны обыкновенной. Кроме указанной нами работы, ботанико-географическое районирование было затронуто и в более ранней работе Г.А. Пешковой (1972). Этот же вопрос рассматривался и другими авторами (Рещиков, 1954/1961).

Доминирующим типом растительности в Бурятии являются леса -свыше 50%. Около 20% покрытой лесом площади составляет площадь сосновых лесов (Pinus sylvestris L.) (Буянтуев, 1965; Бурятская АССР, 1984). По сравнению с другими хвойными формациями, сосняки занимают наиболее теплые местообитания, поэтому обширные массивы их сосредоточены в южной части республики.

Степи в зоне горного лесостепья занимают значительные площади на днищах и склонах межгорных понижений. По структуре сообществ и количеству общих видов эти степи подобны степям Монголии. Растительность их состоит из восточно-сибирских и монгольских видов (Рещиков, 1954, 1961; Пешкова, 1972 ).

Согласно классификации, которому придерживаются ряд специалистов, степи подразделяются на луговые, настоящие, сухие и пустынные (Ногина, 1964).

Луговые стеци включают в себя довольно пестрый набор ассоциаций, различающихся по составу и степени участия в них представителей разнотравья и злаков. Из числа злаков наиболее распространены

следующие: житняк (Agropirum cristatum)5 мятлик (Роа botryoides), тонконог (Koeleria gracilis), ковыль (Stipa capillata). В составе разнотравных группировок преобладают прострелы (Pulsatilla Turczaninovii, P. patens), василистник (Thalictrum minus), подмаренник (Galium verum), астрагалы (Astragalus fruticosa, A. galaofites, A. tamuis), остролодочники (Oxytropis oxyphylla, 0. myriophylla), вероника (Veronica incana), тысячелистник (Achilea milifolium), ирис (Iris dichotoma, I. rutenica), красоднев (Hemerocallis flava), кровохлебка (Sanguisorba officenalis), полыни (Artemisia frigida, A. commutata, A. laciniata) и другие. Иног-

ч

да встречаются отдельные деревья ильма приземистого (Ulmus pumila). Степень покрытия в луговых степях самая высокая (70 -90%). Им свойственно наиболее значительное для степей данного региона видовое разнообразие. На площади 100 м2 встречается до 40 -60 видов.