CC BY
88
Аграрный вестник Урала № 11 (103), 2012 г. —<^ЗВВ&^=-
Биология
БИОМОРФОЛОГИЧЕСКАЯ И БИОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА BETONICA OFFICINALIS (LAMIACEAE) ПРИ ИНТРОДУКЦИИ НА СЕВЕРЕ И СРЕДНЕМ УРАЛЕ
- Ь
К. С. ЗАИНУЛЛИНА, кандидат биологических наук, доцент, заведующий отделом,
Н. В. ПОРТНЯГИНА, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, старший научный сотрудник, М
В. В.ПУНЕГОВ, _
„ „ М 167982, г. Сыктывкар,
кандидат химических наук, старшии научный сотрудник, М ул коммунистическая, д. 28;
Ботанический сад Института биологии Коми Научного центра тел.: 8 (8212) 24-56-59;
Уральского отделения Российской академии наук, ^ e-mail: [email protected]
В. В. МОРИЛОВ,
инженер,
С. И. НЕУЙМИН, 620144, г. Екатеринбург, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией, ул. 8 марта, д. 202а; Ботанический сад Уральского отделения Российской академии наук тел- 83432103859
Положительная рецензия представлена А. М. Маркаровым, доктором биологических наук, профессором, заведующим кафедрой ботаники Коми государственного педагогического института.
Буквица лекарственная (Betonica officinalis L.) — многолетнее травянистое растение семейства яснот-ковых (Lamiaceae Lindl.). Род Betonica L. насчитывает 15 видов, распространенных преимущественно в умеренных зонах обоих полушарий. B. officinalis имеет европейский тип ареала, распространена также на Кавказе и в Западной Сибири; встречается на лугах, по опушкам, в разреженных лесах и кустарниках [1]. В Республике Коми это очень редкий заносный вид, встречаемый на насыпи железных дорог [2]. B. officinalis — официальный вид, включенный в Европейскую фармакопею. Широкий спектр биологической активности средств из B. officinalis обусловлен наличием в экстрактивных веществах данного вида иридоидов, флавоноидов, тритерпеновых гли-козидов олеаноловой кислоты, фенилпропаноидов, моно- и сесквитерпеноидов, а также алкалоидов, дубильных веществ и комплекса моно-, ди- и полисахаридов [3]. В народной медицине буквицу лекарственную используют очень широко как средство, усиливающее регенерацию и более быстрое заживление ран, варикозных язв и переломов, а также как отхаркивающее, спазмолитическое и противовоспалительное средство [4].
Биология B. officinalis в условиях интродукции изучена недостаточно. В литературе встречаются фрагментарные сведения в основном о сезонном росте и развитии данного вида [5, 6, 7]. В результате первичной интродукции данного вида в Республике Коми выявлено, что он характеризуется высокой зимостойкостью и долголетием в культуре [8].
Цель и методика исследований.
Цель настоящей работы — изучение роста, развития, морфологии Betonica officinalis в условиях культуры в Республике Коми и на Среднем Урале, определение продуктивности надземной фитомассы и содержания в ней экстрактивных веществ, в том числе дубильных и флавоноидов.
Исследования проводили в отделе Ботанический сад Института биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН (г. Сыктывкар, подзона средней тайги). В коллекции ботанического сада из-
учаются шесть образцов B. officinalis разного возраста из городов Саратова, Новосибирска и Казани. В работе использовали общепринятую методику исследований при интродукции лекарственных и ароматических растений [9]. В условиях подзоны средней тайги семена B. officinalis без предварительной подготовки в апреле высевали в теплице в посевные ящики. В начале июня полученные сеянцы были перенесены в открытый грунт на делянки с однородным выровненным агрофоном с площадью питания 40 х 40 см. Почва участка дерново-подзолистая глееватая, среднеокультуренная, суглинистая, слабокислая, среднеобеспеченная азотом, фосфором и калием. Регулярно проводили фенологические наблюдения, морфологический анализ выполняли на модельных растениях в фазе массового цветения. Фитомассу определяли в фазу цветения на растениях третьего-седьмого годов жизни, срезая всю надземную часть на высоте 15 см от поверхности почвы.
В Ботаническом саду УрО РАН в г. Екатеринбурге (подзона южной тайги) изучение роста, развития, морфологии и биохимии B. officinalis в условиях культуры проходило преимущественно на растениях, перенесенных в коллекционный питомник из природных местообитаний Среднего Урала. В 2012 г. в изучении находилось около 200 генеративных особей, из которых более 100 было интродуцировано в 2009 г. из шести ценопопуляций лесной зоны и 75 особей интродуцировано в 2011 г. из трех ценопопуля-ций лесостепной зоны Среднего Урала. У растений в течение периода вегетации каждые 5-15 дней фиксировали прохождение фаз фенологического развития и нарастание побегов в высоту, а также в фазе массового цветения растений определяли число побегов, измеряли длину их междоузлий, размеры стеблевых и розеточных листьев, размеры соцветий и их мета-мерных элементов, оценивали число листьев в прикорневой розетке, опушение стеблевых и розеточных листьев, а также выраженность пигментации листьев и стеблей.
Отбор лекарственного сырья для биохимических исследований проводили в фазу массового цветения,
срезали и высушивали до воздушно-сухого состояния. Компонентный состав водорастворимых экстрактивных веществ растений определяли методами ГЖХ и ГЖХ/МС-анализа триметилсилилированных (ТМС) производных. ГЖХ — анализ ТМС производных сахаров и органических кислот выполняли на хроматографе «Кристалл 2000М». Регистрацию и обработку хроматографической информации выполняли с помощью компьютерной программы «Хроматек -Аналитик». Идентификация химической структуры компонентов была выполнена на хромато-масс спектрометре Thermo Electron с масс селективным детектором DSQ II с аналитической колонкой длиной 30 м. Количественное определение суммы флавоноидов в надземной фитомассе B. officinalis выполняли методом дифференциальной спектрофотометрии по методике В. В. Беликова с соавторами [10], адаптированной для применения спектрометра Shymadzu 1700UV. С целью выяснения распределения флавоноидов в системе целого растения генеративный побег разделяли на части: первая пара стеблевых листьев, вторая пара стеблевых листьев, прицветные листья, стебель до первого узла, до второго узла, верхняя часть стебля, соцветие. Определение содержания дубильных веществ проводили по титрометрическому методу Левенталя в модификации А. Л. Курсанова, который входит в Государственную Фармакопею [11, 12]. Полученные результаты обработаны статистически [13] при помощи пакета программ Statistica.
Результаты исследований.
В условиях интродукции B. officinalis — крупное многолетнее травянистое растение с укороченным корневищем и многочисленными шнуровидными корнями 15-25 см длины. Надземная часть представляет собой куст из различного числа генеративных и укороченных вегетативных побегов, собранных в розетке. Стебли прямостоячие, четырехгранные, чаще с двумя парами стеблевых листьев. Прикорневые листья продолговато-яйцевидные, на длинных черешках, у основания сердцевидные, крупнозубчатые по краю. Розово-лиловые цветки собраны на верхушке стебля в компактное соцветие — колосовидный тирс. Плод — трехгранный орешек (табл. 1).
При посеве семян в теплице начало появления проростков отмечалось на 13-15 день, массовое — на 22-24-й день. На 20-й день после высадки растений
в открытый грунт приживаемость образцов высокая и составляла 80-95 %. К концу первого года жизни растения формируют вегетативную розетку из 18-20 листьев 10-12 см высотой. Со второго года жизни растения B. officinalis регулярно цветут и плодоносят. Начало вегетации B. officinalis на второй и последующие годы жизни растений отмечено в мае, после перехода положительной среднесуточной температуры воздуха через +5 °С. Межфазный период от начала вегетации до начала бутонизации составляет в среднем 40 ± 1 дней, а по годам наблюдений колеблется от 33 до 46 дней. Бутонизация начинается во второй половине июня (16.06-30.06), на Среднем Урале бутонизация в условиях культуры наступает уже в конце мая — начале июня (29.05-08.06). Нарастание растений B. officinalis в высоту происходит в течение вегетационного сезона достаточно равномерно, наибольшие среднесуточные приросты 1,2-2,0 см отмечаются в период бутонизации - цветения. Высота генеративных побегов зависела от возраста растений. Известно, что в природе B. officinalis достигает высоты 0,5-1 м [1]. В условиях подзоны средней тайги к 10 августа максимальная высота растений второ-го-пятого годов жизни составляла 76-84 см, шестого и старше — 101-125 см, то есть с увеличением возраста растений их высота превышала данный показатель у природных образцов. В фазу массового цветения растения B. officinalis вступают 19 июля, начало фазы массового цветения варьирует по годам от 12 до 26 июля. На территории Ботанического сада УрО РАН г. Екатеринбурга массовое цветение буквицы обычно наступает в более ранние сроки (23-27 июня) и продолжается до 17-22 июля. Начало плодоношения в условиях средней тайги приурочено к 14 августа, массовое — к 9 сентября, в условиях южной тайги плодоношение начинается примерно 22 июля, массовое — 9 августа. Период вегетации составляет в среднем 128 дней, а по годам варьирует от 113 до 145 дней в зависимости от метеоусловий сезона. Следует отметить более раннее наступление фенофаз у растений в условиях Среднего Урала, приближенное к срокам прохождения фенофаз данного вида в природе. Очевидно, это связано с тем, что изучались в культуре особи, непосредственно привлеченные из естественных мест произрастания, а не их семенное потомство.
Таблица І
Морфометрические показатели генеративного побега многолетних растений Betonica officinalis в подзоне
средней тайги Республики Коми
Показатель 16.07.2010 г. 27.07.2011 г.
Высота побега, см 94,8 ± 4 101 ± 1
Длина и ширина первого стеблевого листа, см 22 ± 2 5,З ± 0,2 24,2 ± 2 4,5 ± 0,2
Длина и ширина второго стеблевого листа, см 8,6 ± 0,З З,1 ± 0,2 11,6 ± 0,4 4,1 ± 0,З
Длина и ширина прицветных листьев, см 4,0 ± 0,З 1,4 ± 0,1 4,6 ± 0,4 1,4 ± 0,1
Длина соцветия, см 10,2 ± 0,4 7,5 ± 0,1
Число цветков в соцветии, шт. З47 ± 22 177 ± 2З
Длина и ширина прикорневого листа, см 44,5 ± З 8,9 ± 0,4 51,4 ± 2 10,1 ± 0,З
Сырая надземная фитомасса 1 побега, г 14,7 ±1,6 21,2 ± 2
Сырая надземная фитомасса на особь, г 257 ± 4З ЗЗЗ ± 60
Число генеративных побегов на особь, шт. 17,5 ± З 15,7 ± З
Рисунок 1
Массовая доля суммы флавоноидов в системе целого растения B. officinalis L. в фазе массового цветения.
По оси ординат: массовая доля суммы флавоноидов в пересчете на абсолютно-сухое сырье, %. По оси абсцисс: П — стебель до первого узла [1], второго узла [2] и верхняя часть стебля [3]; ■ — стеблевые листья:
первая пара[1], вторая пара [2], прицветныелистья [3]; □ — соцветие.
B. officinalis в условиях интродукции ежегодно формирует семена. Для буквицы лекарственной как дикорастущего растения характерен растянутый во времени период прорастания семян, о чем можно косвенно судить по низкой энергии прорастания в лабораторных условиях. Невысокие показатели всхожести отмечались как у исходного саратовского дикорастущего образца, так и у образцов сыктывкарской репродукции. В благоприятные по метеоусловиям годы их лабораторная всхожесть составляла 38-64 %, масса 1000 семян — 1,0-1,25 г, а в неблагоприятные — всхожесть снижалась до 3-15 %, масса 1000 семян — до 0,6-0,9 г [14]. Лабораторная всхожесть семян у интродуцируемых растений на территории Ботанического сада УрО РАН также не отличается высокими значениями (34-68 %).
Число генеративных побегов B. officinalis увеличивалось с возрастом растений и у среднеразвитых особей составляло на второй год жизни 3-5 шт., на третий-пятый — 7-16 шт., на седьмой — 9-23 шт. В 2010-2011 гг. воздушно-сухая фитомасса надземной части B. officinalis составляла 46-208 г на растение. В условиях Среднего Урала на территории Ботанического сада УрО РАН среднее число побегов у генеративных особей B. officinalis было 10 ± 1. Средняя высота генеративных побегов в 2010 г. составила 49,0 ± 0,7 см, в 2011 г. — 79,3 ± 1,0 см. Меньшая высота побегов в 2010 г. связана, скорее всего, с тем, что 2010 г. был периодом адаптации нативных особей к условиям интродукции. Прикорневая розетка интродуцированных растений имела от 7 до 50 листьев. Средняя длина и ширина стеблевых (прицвет-ных) листьев генеративных побегов составляла 4,6 ± 0,1 см и 2,2 ± 0,1 см, а длина и ширина соцветий — 8,4 ±
0,2 см и 1,6 ± 0,02 см соответственно. В соцветиях интродуцированных растений было от 5 до 15 мутовок, чаще всего — 9-10 мутовок. В 2011 г. у ряда особей отмечена сильно выраженная пигментация листьев и появление багровой окраски цветков, что коррелировало у них с более высоким накоплением дубильных веществ.
Содержание дубильных веществ в листьях B. officinalis на территории Ботанического сада УрО РАН в фазе цветения в 2010 г. у разных особей варьировало от 4,08 до 12,12 %, в 2011 г. — от 2,73 до 12,16 %. Среднее накопление танидов в общей выборке ин-тродуцированных растений (N = 104) в 2010 г. составило 7,65 ± 0,15 %, в 2011 г. — 5,57 ± 0,19 %. Вероятно, снижение содержания дубильных веществ в листьях буквицы лекарственной в 2011 г. связано с менее благоприятными метеорологическими условиями периода вегетации по сравнению с 2010 г.: среднесуточная температура вегетационного периода к моменту сбора сырьевой фитомассы была почти на 2 °С ниже, а количество выпавших осадков за этот период в 1,6-1,7 раза выше.
По данным гравиметрического анализа в надземной фитомассе B. officinalis в условиях Республики Коми массовая доля водорастворимых экстрактивных веществ составила 35,9 ± 1,1 %. В экстрактивных веществах надземной фитомассы B. officinalis методом ГЖХ/МС были обнаружены сахара, спирты и оксикислоты, в том числе глицерин, арабиноза, ино-зитол, мальтоза, фруктоза, манноза, тураноза, глюкоза, сахароза, мелибиоза. В низкомолекулярных экстрактивных веществах данного вида из окси-кислот преобладала яблочная кислота (25,3 %). Ритроновая кислота (синоним — треоновая), являющаяся продуктом окислительного метаболизма аскорбиновой кислоты, наряду со щавелевой, была обнаружена в незначительных количествах (0,02 %). В низкомолекулярной фракции экстрактивных веществ в составе моно- и дисахаридов, а также спиртов доминировали глюкоза, сахароза и мелибиоза, 21,2 %, 7,4 % и 40,0 % соответственно. Помимо моно- и дисахаридов в экстрактивных веществах был обнаружен инозитол (1,5 %). В полярной фракции экстрактивных веществ из алкалоидов был обнаружен только этиловый эфир 5-оксо-стахидрина (5-оксо-пирролидин, -2-уксусной кислоты этиловый эфир), 0,0005 %. Последний доминирующий компонент в этой фракции был идентифицирован методом ГЖХ/МС как 5а-прегнан-
3р,17,20р,21-тетраол (11-дезокси-Р-кортол), 1,4 % в пересчете на абсолютно сухое сырье. Присутствие данного стероида в экстрактивных веществах B. officinalis нами установлено впервые. Следует отметить, что низкомолекулярная фракция экстрактивных веществ, несмотря на большую массовую долю сахаров, обладает вяжущим горьковато-сладким вкусом из-за высокого содержания флавоноидов.
Флавоноиды являются наиболее обширной группой фенольных соединений и важной составной частью растительного организма. По данным научной литературы, известно только общее содержании флавоноидов в надземной фитомассе B. officinalis (1,54 %) [3]. Методом спектрофотометрии нами исследовано распределение флавоноидов в надземных органах растения в фазе массового цветения. Установлено, что больше всего их содержится в стеблевых листьях (4,77-5,52 %), в два раза ниже (2,85 %) в соцветии и меньше всего (0,75 %) в нижней части стебля (рис. 1).
Выводы. Рекомендации.
Изучение биологических особенностей, продуктивности и биохимической характеристики буквицы лекарственной — Betonica officinalis, интродуци-руемой в подзоне средней тайги Республики Коми и подзоне южной тайги Среднего Урала, позволяет сделать ряд важных выводов.
В первый год жизни растения характеризуется медленным темпами роста и развития. Со второго года жизни B. officinalis регулярно цветет и плодоносит, характеризуется высокой продуктивностью над-
земной фитомассы и семян, которая увеличивается с возрастом. Необходимо отметить более раннее наступление фенофаз у растений в условиях Среднего Урала. Полученные многолетние данные по фенологии и динамике нарастания побегов в высоту B. officinalis могут быть использованы для планирования сроков заготовки лекарственного сырья.
В составе моно- и дисахаридов в низкомолекулярной фракции экстрактивных веществ надземной фитомассы B. officinalis доминируют глюкоза (39,5 %) и сахароза (12 %). В полярной фракции экстрактивных веществ впервые идентифицирован как 5а-прегнан-3р, 17а, 20р,21-тетраол, помимо пре-гнантетраола в этой фракции доминирует яблочная кислота (25,3 %). Выявлено, что наиболее высокие показатели суммарного содержания флавоноидов обнаружены в стеблевых листьях (4,77-5,52 %), средние — в соцветиях (2,85 %), низкие — в нижней части стебля (0,75 %). Установлено, что содержание дубильных веществ в листьях B. officinalis в условиях культуры на Среднем Урале отличается изменчивостью. Выявлены особи, отличающиеся наибольшим накоплением таннидов (до 12,16 %), которые можно рекомендовать для клонального размножения в культуре в целях получения данной группы биологически активных веществ. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о перспективности выращивания B. officinalis в условиях Севера и Среднего Урала с целью получения качественного лекарственного сырья.
Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта, выполняемого учреждениями УрО РАН по теме «Анализ морфологической и биохимической изменчивости новых видов лекарственных растений в связи с проблемами изучения их адаптивного потенциала» (№ 12-И-4-2023).
Литература
1. Флора СССР. М.-Л. : АН СССР, 1954. Т. 21. С. 237-242.
2. Флора северо-востока европейской части СССР. Л. : Наука, 1977. Т. 4. С. 91.
3. Растительные ресурсы СССР : Цветковые растения, их химический состав, использование. Семейства Hippuridaceae -Lobeliaceae. СПб : Наука, 1991. 271 с.
4. Современная фитотерапия. София, 1988. С. 377-378.
5. Вандышева В. И. Биолого-экологические особенности лекарственных и эфиромасличных растений, интродуциро-ванных в Чуйскую долину. Фрунзе : Илим, 1983. 203 с.
6. Дедюхина О. Н. Предварительные итоги интродукции многолетних травянистых растений местной флоры Удмуртии // Вестник Удмуртского университета. 2006. № 10. С. 11-16.
7. Свиридова Т. П., Зиннер Н. С. Интродукция флавоноидосодержащих лекарственных растений в Сибирском ботаническом саду Томского государственного университета // Вестник Томского государственного университета. 2007.
№ 305. С. 211-214.
8. Мишуров В. П. Опыт интродукции лекарственных растений в среднетаежной подзоне Республики Коми. Екатеринбург : УрО РАН, 2003. 241 с.
9. Методика исследований при интродукции лекарственных растений / под ред. Н. И. Майсурадзе, В. П. Киселева,
О. А.Черкасова и др. М., 1984. 33 с.
10. Беликов В. В., Точкова Т. В., Шатунова Л. В. и др. Количественное определение основных действующих веществ у видов Hypericum L. Раст. ресурсы. 1990. Т. 26. Вып. 4. С. 541-578.
11. Государственная фармакопея СССР : Вып. 1. Общие методы анализа. МЗ СССР 11-е изд. М. : Медицина, 1987. 335 с.
12. ГОСТ 24027.2-80 Сырье лекарственное растительное. Методы определения влажности, содержания золы, экстрактивных и дубильных веществ, эфирных масел.
13. Зайцев Г. Н. Методика биометрических расчетов. М., 1973. 256 с.
14. Портнягина Н. В., Пунегов В. В, Зайнуллина К. С., Груздев И. В. Биология развития, содержание и состав эфирного масла Betonica officinalis (Lamiaceae) в условиях интродукции (Республика Коми). Раст. ресурсы. 2011. Т. 47. Вып. 4. С. 43-49.
