CC BY
76
2013
Известия ТИНРО
Том 175
УДК 582.26-119.2(265.5) А.А. Конева1, Н.М. Аминина2*
1 Камчатский государственный технический университет,
683003, г. Петропавловск-Камчатский, ул. Ключевская, 35;
2 Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр, 690091, г. Владивосток, пер. Шевченко, 4
химический состав различных частей слоевища ALARIA MARGINATA P. ЕТ R. (LAMINARIALEs, PHAEoPHYTA)
Исследован химический состав различных частей слоевища (пластина, жилка, черешок, спорофиллы) Alaria marginata (Laminariales, Phaeophyta), собранной в мае в Авачинском заливе. Определено содержание воды, минеральных веществ, йода, манни-та, альгиновой кислоты, фукоидана. Показано, что морфологическая дифференциация слоевищ A. marginata на отдельные части для выполнения определенных физиологических функций сопровождается различиями в их составе. Обнаружена разница в составе фертильной и стерильной частей спорофиллов.
Ключевые слова: Alaria marginata, пластина, жилка, черешок, стерильная и фертильная части спорофиллов, химический состав.
Koneva A.A., Aminina N.M. Chemical composition of certain parts of thallus for Alaria marginata P. et R. (Laminariales, Phaeophyta) // Izv. TINRO. — 2013. — Vol. 175. — P. 333-338.
Chemical composition of certain parts of thallus is investigated for the alga Alaria marginata (Laminariales, Phaeophyta) collected in the Avacha Bay (North-West Pacific) in May. Morphological differentiation between different parts of thallus (frond, vein, stipe, sporophyl) due specific physiological functions is accompanied by differences in their chemical composition. Water content is the highest in the leaf part of frond and the lowest in the sporophyl, though sterile part of the sporophyl growing intensively in May is distinguished by higher content of water and minerals as compared to its fertile part. The most of organic substances and accordingly the alginic acid are presented in the frond of A. marginata in May. The maximum content of fucoidan is detected in the sporophyl, where it is twice higher in the fertile part than in the sterile one because of its involvement in the process of sporogenic tissue forming. The maximum content of mannitol that is required for synthesis of polysaccharides is in the stipe and conductive vein. The highest iodine concentration is detected in the fertile part of sporophyl; its biological function is not completely clear yet.
Key words: Alaria marginata, frond, vein, stipe, sterile part of sporophyl, fertile part of sporophyl, chemical composition.
введение
В прибрежных водах Камчатки значительные заросли образуют водоросли семейства Alariaceae, в том числе Alaria marginata — один из самых распространенных
* Конева Анна Александровна, аспирант, e-mail: koneplushka@mail.ru; Аминина Наталья Михайловна, кандидат биологических наук, заведующая лабораторией, е-mail: aminina@tinro.ru.
Koneva Anna A., post-graduate student, e-mail: koneplushka@mail.ru; Aminina Natalia M., Ph.D., head of laboratory, е-mail: aminina@tinro.ru.
здесь видов ламинариевых водорослей (Клочкова и др., 2009). В местах обитания этот вид может образовывать заросли совместно с водорослями семейства Laminariaceae, чаще всего с Saccharina bongardiana. Алярии (рис. 1) обладают более сложной структурой по сравнению с представителями семейства ламинариевых: вдоль листовой пластины тянется гибкая жилка, а по обе стороны черешка располагаются спорофиллы — места созревания сорусов спорангиев (Клочкова, Березовская, 1997). Активный рост слоевищ происходит весной, а спорофиллы увеличиваются в длину и ширину все лето.
Рис. 1. Внешний вид Alaria marginata, собранной во внутренней части Авачинской губы Fig. 1. Exterior view of Alaria marginata collected in the inner part of the Avacha Bay
В России A. marginata относится к потенциально промысловым водорослям, но в других странах различные виды данного семейства используют в пищу или как источник альгинатов и биологически активных веществ (Титлянов, Титлянова, 2012). Известно также, что в прошлых столетиях местное население Камчатки употребляло в пищу Eualariafistulosa, но использовалась только центральная жилка.
Изучению химического состава водорослей семейства Alariaceae, произрастающих в дальневосточных морях, посвящено не так много работ. В работе Н.М. Амининой с соавторами (2007) описан общий химический состав различных видов данного семейства. Установлено, что они содержат больше маннита и минеральных веществ, особенно калия, чем промысловые ламинариевые водоросли. В отношении других компонентов существенных различий между аляриями и ламинариями не обнаружено. В то же время отмечена существенная разница по содержанию углеводов в отдельных частях алярий (Усов, Клочкова, 1994; Усов и др., 2001). Наибольшее количество альгиновых кислот сосредоточено в пластине, фукоидана — в спорофиллах, маннита — в центральной жилке. Насколько нам известно, данных по содержанию других веществ в различных частях водорослей из рода Alaria нет. Отсутствуют также результаты исследований сезонных различий в составе этих водорослей.
Данная статья посвящена сравнительным исследованиям общего химического состава различных частей A. marginata (рис. 1) как перспективного объекта для промысла и переработки на побережье Камчатки.
Материалы и методы
Сбор материала проводился в мае во внутренней части Авачинской губы. Для анализа собраны по 5-7 образцов двухлетних экземпляров из разных мест бухты на протяжении береговой линии во время сизигийных отливов в сублиторальной кайме. После сбора материал разделили на пластину, центральную жилку с черешком и спорофиллы. В период сбора образцов у спорофиллов наблюдалось четкое деление на стерильную (светлую) и фертильную (темную) части (рис. 2). Эти части спорофиллов анализировали отдельно.
Рис. 2. Внешний вид спорофиллов Alaria marginata Fig. 2. Exterior view of Alaria marginata sporophylls
Образцы высушивали при комнатной температуре, измельчали на кусочки размерами около 1-5 мм и проводили исследования химического состава.
Содержание воды, минеральных веществ, маннита, йода, альгиновых кислот определяли стандартными методами согласно ГОСТу 26185. О наличии фукоидана судили по содержанию фукозы в биомассе водорослей, которую определяли спектрофотометрическим методом, основанным на специфической цветной реакции фукозы с Х-цистеином и серной кислотой (Усов и др., 2001). Статистическую обработку полученных данных проводили на основе подсчета средних значений показателей и стандартной средней ошибки.
Результаты и их обсуждение
Последний весенний месяц на побережье Камчатки характеризуется увеличенной продолжительностью светового дня и повышенной среднесуточной температурой по сравнению с предыдущим месяцем. В это время активизируются процессы, приводящие к увеличению линейного роста пластин водорослей и, впоследствии, к накоплению биомассы (Королева, 2010). Наши исследования показали, что слоевища А. тащпМа. в прибрежных водах Авачинской губы достигают максимальных размеров (до 2 м) в июне-июле, а в остальные месяцы их длина не превышает 1 м.
Листовая часть А. тат^паХа имеет наибольшую площадь соприкосновения со средой обитания, фотосинтетические процессы происходят здесь наиболее активно. Тянущаяся вдоль пластины центральная жилка играет роль проводящей системы. Спорофиллы после спороношения разрушаются полностью и весной формируются в новом месте или частично. В этом случае на следующий вегетативный год они удлиняются, и эта часть отличается более светлым оттенком и мягкой текстурой по сравнению с первогодней плотной частью. Спороносная ткань в период полного созревания развивается почти по всей поверхности спорофилла, исключая узкую краевую кайму и небольшой участок у его вершины (Клочкова, Березовская, 1997).
Вода, как основной компонент клеток водорослей, составляет в ламинариевых водорослях Камчатки в среднем 79-88 % (Клочкова, Березовская, 1997). Обводненность тканей ламинариевых водорослей может изменяться в зависимости от возраста и времени сбора образцов, но в среднем в верхней половине пластины она меньше, чем в нижней (Королева, 2010). Разные части слоевищ А. maтginata также различаются количеством воды (табл. 1).
Листовая часть пластины обладает более высоким содержанием воды, чем остальные части. Спорофиллы имеют наименьшее значение обводненности по сравнению
Химический состав отдельных частей Alaria marginata
Table 1
Chemical composition of certain parts of Alaria marginata thallus
Часть растения Вода, % Сухие вещества, % Минеральные вещества, % на сухое вещество Иод, % на сухое вещество
Лист 86,4 13,6 10,6 0,02
Жилка с черешком 84,9 15,1 15,4 0,03
Спорофиллы, стерильная часть 83,1 16,9 17,0 0,03
Спорофиллы, фертильная часть 78,1 21,9 15,5 0,06
с другими органами. При этом стерильная часть, где в мае происходят интенсивные ростовые процессы, отличается повышенным содержанием воды по сравнению с фертильной. Сходные данные приводят А.И. Усов с соавторами (2005), исследовавшие тихоокеанскую Alariafistulosa: в пластине и жилке количество воды приблизительно одинаково (соответственно 86,8 и 83,5 %), тогда как спорофиллы в период спороно-шения (июль) отличаются высоким содержанием сухих веществ (58,7 %).
Максимальное количество минеральных веществ обнаружено в нижней части A. marginata — в черешке, спорофиллах, а также в жилке, где концентрируются все необходимые для роста вещества (табл. 1). Минеральные элементы присутствуют в клетках и межклеточной среде макрофитов в виде ионов, концентрация которых увеличивается в период активного деления клеток (Барашков, 1972). Нами, например, показаны различия в количестве минеральных веществ между фертильной частью спорофиллов и стерильной, в которой наблюдается интенсивный прирост молодой ткани.
Основное количество органических веществ водорослей представлено углеводами, главным образом полисахаридами и маннитом (табл. 2).
Таблица 2
Органические вещества Alaria marginata, % на сухое вещество
Table 2
Organic substances of Alaria marginata tissue, % of dry matter
Часть растения Органические вещества Альгиновая кислота Фукоидан Маннит
Лист 89,4 49,2 0,50 1,50
Жилка с черешком 84,6 38,6 0,18 8,25
Спорофиллы, стерильная часть 83,0 41,6 3,05 1,54
Спорофиллы, фертильная часть 84,5 40,6 6,76 3,80
В мае больше всего органических веществ, а соответственно и альгиновой кислоты, присутствует в листе A. marginata. Альгиновая кислота — это основной структурный полисахарид клеточных стенок, она содержится также в межклеточном пространстве и обеспечивает упругость и прочность тканей листа водорослей. В мае содержание альгиновой кислоты в листе несколько выше, чем в других частях, особенно по сравнению с жилкой и черешком. В то же время в июле у A.fistulosa (о. Парамушир) в жилке количество альгиновой кислоты выше, чем в листе, а в черешке почти в два раза меньше (Усов и др., 2005). Причем в среднем содержание альгиновой кислоты в A. marginata (42,5 %) почти в два раза больше, чем в A.fistulosa (23,1 %).
В спорофиллах содержание этого полисахарида ниже, чем в листе, что подтверждается результатами исследований других водорослей этого семейства (Skriptsova et al., 2004; Усов и др., 2005). Однако в Alaria ochotensis содержание альгиновой кислоты в фертильных тканях оказалось выше, чем в стерильных (Skriptsova et al., 2012). Возможно, это соотношение изменяется в зависимости от стадии спороношения водоросли. Например, у культивируемой Undaria pinnatifida в период сбора ее урожая (февраль-
апрель) в прибрежных водах Японии содержание альгинатов в пластине и черешке было выше до появления спорофиллов (Apoya et al., 2005).
Промежуточным звеном биосинтеза альгиновой кислоты является маннит. Основное его количество обнаружено в черешке и жилке A. marginata (8,25 %), при помощи которой он транспортируется в места синтеза полисахаридов (табл. 2). В листе алярии его в 5,5 раза меньше. В A. fistulosa в июле маннита в среднем (7,1 %) больше (Усов и др., 2005), чем в A. marginata (3,8 %). При этом разница между листом, жилкой и черешком практически в два раза меньше.
В листе присутствует больше фукоидана, чем в жилке и черешке (табл. 2). Фу-коидан в основном концентрируется на поверхности таллома (Callow, Evans, 1976). Обладая высокой влагоудерживающей способностью, он защищает водоросли от высыхания (Donner, Whistler, 1973). Как и в случае с маннитом, в A. fistulosa разница в содержании фукоидана между листом, черешком и жилкой не столь существенна.
Высокое содержание фукоидана в спорофиллах различных видов аляриевых в период образования спороносной ткани отмечается и другими исследователями (Усов и др., 2005; Skriptsova et al., 2012). Предполагается, что он обеспечивает процессы формирования спороносной ткани. Наши исследования не только подтверждают этот факт, но и доказывают, что в фертильной части спорофиллов A. marginata фукоидана в два раза больше, чем в стерильной (табл. 2). Обнаружена также разница в количестве маннита между разными частями спорофиллов (табл. 2). Маннит, вероятно, участвует в синтезе фукоиданов, поэтому его количество также в фертильной части спорофиллов приблизительно в два раза выше, чем в стерильной.
Интересным фактом можно считать обнаруженную нами повышенную концентрацию йода в фертильной части спорофиллов (см. табл. 1). Биологическая функция йода в растениях достоверно не известна, однако давно установлено, что в водорослях этот элемент присутствует в составе не только минеральных веществ, но и органических. Причем он входит в состав аминокислот и пептидов, аналоги которых присутствуют в организме животных, обеспечивая деятельность щитовидной железы (Tsuchiya, 1969). Возможно, в водорослях йод также участвует в регуляции основных процессов организма, например воспроизводства водорослей.
заключение
Исследования показали, что разные части слоевища A. marginata значительно различаются химическим составом. В мае в период интенсивных ростовых процессов водорослей максимальное количество минеральных веществ находится в нижней части слоевища A. marginata — в черешке, спорофиллах, а также в жилке, где концентрируются все необходимые для роста вещества, в том числе основное количество маннита. В листе водорослей обнаружено до 50 % альгиновой кислоты, значительно больше, чем в других частях алярии. В спорофиллах, особенно в фертильной части, содержится в несколько раз больше фукоидана, чем в других частях A. marginata, что указывает на основную роль этого полисахарида в процессах спороношения. Здесь же наблюдается и повышенное содержание маннита и йода. Таким образом, при переработке A. marginata с целью выделения из водорослей отдельных компонентов необходимо учитывать значительную разницу их содержания в различных частях растения.
список литературы
Аминина Н.М., Бишневская Т.И., Гурулева О.Н., Ковековдова л.Т. Состав и возможности использования бурых водорослей дальневосточных морей // Вестн. ДВО РАН. — 2007.
— № 2. — С. 123-130.
Барашков Г.К. Сравнительная биохимия водорослей : монография. — М. : Пищ. пром-сть, 1972. — 355 с.
Клочкова Н.Г., Березовская Б.А. Водоросли камчатского шельфа. Распространение, биология, химический состав : монография. — Владивосток : Дальнаука, 1997. — 143 с.
Клочкова Н.Г., Королева Т.Н., Кусиди А.Э. Атлас водорослей-макрофитов прикамчатских вод. — Петропавловск-Камчатский : КамчатНИРО, 2009. — Т. 1. — 218 с.
Королева Т.Н. Развитие бурой водоросли Saccharina bongardiana и адаптация к антропогенному загрязнению : монография. — Петропавловск-Камчатский : КамчатГТУ, 2010. — 122 с.
Титлянов Э.А., Титлянова Т.В. Морские растения стран Азиатско-Тихоокеанского региона, их использование и культивирование : монография. — Владивосток : Дальнаука, 2012. — 377 с.
Усов А.И., Клочкова Н.Г. Бурые водоросли Камчатки как источник маннита // Биоорган. химия. — 1994. — Т. 20, № 11. — С. 1236-1241.
Усов А.И., Смирнова Г.П., Клочкова Н.Г. Полисахариды водорослей. 55. Полисахаридный состав некоторых бурых водорослей Камчатки // Биоорган. химия. — 2001. — Т. 27, № 6. — С. 444-448.
Усов А.И., Смирнова Г.П., Клочкова Н.Г. Полисахариды водорослей. 58. Полисахаридный состав тихоокеанской бурой водоросли Alaria fistulosa Р. et R. (Alariaceae, Lamimriales) // Изв. РАН. Серия химическая. — 2005. — № 5. — С. 1-5.
Apoya М., Ogawa Н., Nanba N. Alginate Content of Farmed Undaria pinnatifida (Harvey) Suringar from the Three Bays of Iwate, Japan during Harvest Period. // Botanica Marina. — 2005.
— Vol. 45, № 5. — P. 445-452.
Callow М.Е., Evans L.V. Localization of sulphated polysaccharides by X-ray microanalysis in Laminaria saccharina // Planta (Berlin). — 1976. — Vol. 131, № 2. — P. 155-157.
Donner L.W., Whistler R.L. Fucoidan // Industrial gums. Polysaccharides and Their derivatives. — N.Y. ; San Francisco ; L. : Acad. press, 1973. — P. 115-121.
Skriptsova А., Khomenko V., Isakov V. Seasonal changees in growth rate, morphology and alginate content in Undaria pinnatifida at the northern limit in the Sea of Japan (Russia) // J. Appl. Phycology. — 2004. — Vol. 16, № 1. — Р. 17-21.
Skriptsova A.V., Shevchenko N.M., Tarbeeva D.V., Zvyagintseva T.N. Comparative Study of Polysaccharides from Reproductive and Sterile Tissues of Five Brown Seaweeds // Marine Biotechnology. — 2012. — Vol. 14. — Р. 304-311.
Tsuchiya Y. Comparative hypocholesterolemic activities of marine algae // Proc. 6th Intern. Seaweed Sympos. — Madrid, 1969. — P. 747-757.
Поступила в редакцию 3.07.13 г.
