CC BY
69
Индукция синтеза антиоксидантов
как механизм экоустойчивости травянистых
растений степного Предуралья
О.Н. Немерешина, к.б.н., Оренбургская ГМА;
В.В. Трубников, соискатель, Н.Ф. Гусев, д.б.н., Оренбургский ГАУ
Одной из актуальных проблем биологической науки является изучение биологических особенностей растений в зависимости от условий произрастания. В настоящее время на территории Южного Урала практически не осталось природных комплексов, которые не были бы прямо или косвенно подвержены антропогенному воздействию [1, 2]. Учитывая возрастание антропотехногенной нагрузки и нестабильность фитоценозов Южного Предуралья, становится актуальным формирование чётких теоретических представлений об адаптивных изменениях клеточного метаболизма в ценопопуляциях растений, подверженных техногенному влиянию. Вследствие сложности и многогранности данной проблемы невозможно создать универсальную единую схему без учёта физико-географических условий отдельных районов, а также спектра и концентраций загрязняющих веществ [3, 4]. Однако в характере действия промышленных эксгалатов на растительность есть много общего: нарушение функций биомембран, инактивация ряда важнейших ферментов из-за денатурации белков, изменение скорости синтеза многих соединений [1, 5]. Следовательно, механизмы защиты растений от указанных веществ должны иметь некоторые общие черты, которые следует выявлять поэтапно, путем изучения различных в таксономическом отношении видов.
Виды травянистых растений в силу короткого времени их онтогенеза и возможности скорейшей выработки наследственных механизмов адаптации к условиям среды представляют, по нашему мнению, интересный и перспективный объект исследования в плане анализа адаптивных особенностей растительных организмов.
Целью нашего эксперимента являлось выявление некоторых механизмов адаптации клеток ¥та^^ат1а viridis Ь. к воздействию атмосферных выбросов Оренбургского газоперерабатывающего предприятия. Для достижения поставленной цели нами запланировано проведение количественной и качественной оценки содержания биологически активных веществ в исследуемых растениях в зависимости от уровня загрязнения.
Указанное обусловлено тем, что при рассмотрении проблемы экоустойчивости необходимо
помнить, что в процессе жизнедеятельности растения постоянно подвергаются воздействию свободных радикалов [6, 7]. Эти неустойчивые частицы обладают высочайшей реакционной способностью и представляют собой сложную проблему для растений, даже при оптимальных экологических условиях. Повышенное образование свободных радикалов может привести к окислительным травмам путём инициирования цепных реакций, в результате чего разрушаются фосфолипиды биомембран, денатурируют белки и фрагменты ДНК, что, в конечном счёте, приводит к гибели клеток [8], что может проявляться в некротических изменениях и завядании листьев, порче плодов и гибели растений.
Проблемы усугубляются в растениях, которые сталкиваются с дополнительными стрессорами, такими как интенсивное световое и УФ-излучение, экстремальные температуры, засуха и суховеи, загрязнение среды фитотоксикантами или грибковые инфекции [2, 3]. В перечисленных случаях уровень антиокислительной защиты в клетках нередко имеет решающее значение для выживания вида. В процессе эволюции у растений сформировался сложный многоуровневый арсенал антиоксидантной защиты. Выделяют два вида механизмов антиокислительной защиты: ферментативный и неферментативный.
К ферментативному звену антиокислитель-ной защиты традиционно относят следующие ферменты: суперосиддисмутазу (СОД), каталазу, пероксидазы [6].
Нами планируется изучить неферментативное звено антиокислительной защиты Fragaria viridis L., в которое входят так называемые антиоксиданты — вещества, способные «гасить» свободные радикалы, прежде чем они наносят вред. К ним относятся каротиноиды, токоферолы, аскорбат, витамины группы Д, широкий спектр фенольных соединений [9, 10]. Изучение механизмов антиоксидантной защиты в растениях степного Предуралья является актуальным с точки зрения академических исследований, изучения урожайности сельскохозяйственных культур и формирования рациона питания населения.
Земляника зелёная (Fragaria viridis (Duch.) West.) семейства Розоцветные (Rosaceae) — многолетнее травянистое растение мезофит высотой 5—20 см, с толстым бурым корневищем. Листья сложные, тройчатые, тупо-зубчатые. Верхушечный листочек яйцевидный, на коротком черешке;
два боковых листочка сидячие. Цветки белые, с подчашием, многочисленными тычинками и пестиками. Отличается от земляники лесной опушёнными с обеих сторон листьями, шаровидными, при основании суженными; ароматными, зеленовато-белыми, затем краснеющими плодами и чашелистиками, прижатыми к плодам. Цветёт в мае — июне. В Оренбургской области произрастает на открытых сухих склонах, по суходольным и степным лугам, в редколесье, на опушках лесов и колков, среди можжевельника и молодых сосен. Возделывается на огородах, имеет множество сортов.
Земляника зелёная (клубника) — ценное пищевое и лекарственное растение [2, 9, 11]. Плоды клубники содержат сахара (до 15%), органические кислоты (яблочную, лимонную, салициловую, хинную и др.), фосфаты, карбонаты, соли железа, пектины, дубильные вещества, антоцианы, витамин С, каротиноиды, фолиевую кислоту, эфирные масла, фитонциды. В листьях обнаружены аскорбиновая кислота (250—300 мг%), следы алкалоидов, дубильные вещества. Корневища и корни содержат дубильные вещества.
Плоды клубники возбуждают аппетит, регулируют пищеварение и хорошо утоляют жажду. Их используют также в косметических целях для смягчения кожи и удаления веснушек, родимых пятен, угрей. Водный настой плодов обладает слабым противовоспалительным и бактерицидным действием, применяется в качестве потогонного, мочегонного и лёгкого слабительного средства. Корневища, корни и листья известны в народной медицине кровоостанавливающим, противовоспалительным, мочегонным и желчегонным действием. Листья также обладают антисептическим, обезболивающим и ранозаживляющим действием и свойством уменьшать потоотделение. Свежие и сухие распаренные листья Fragaria viridis L. прикладывают к гнойным ранам и застарелым язвам для быстрого их заживления [11].
Для изучения механизмов адаптации Fragaria viridis L. к загрязнению среды выбросами ОГПЗ нами проведён анализ содержания антиоксидантов: аскорбиновой кислоты и суммы полифенолов (дубильных веществ и фенокислот) — в растениях, произрастающих на техногенно-загрязнённых участках и в контроле.
Определение дубильных веществ в исследуемых растениях проводили общепринятыми методами [12]. Для этого на водяной бане в течение 15 минут готовили водные извлечения растений, собранных в техногенно-загрязнённой зоне. Извлечения отфильтровывали и использовали для проведения качественных реакций. Осаждение танидов из водных извлечений исследуемых растений проводилось 1%-ным раствором желатина и алкалоидами.
Для определения количественного содержания танидов в листьях Fragaria viridis L., собранных в контрольной зоне и на исследуемых участках, была проведена экстракция танидов водой до полного истощения сырья — отрицательной реакции с железо-аммониевыми квасцами (реакция окрашивания). Количественное определение общей суммы танидов в листьях Fragaria viridis L. проводили по методу, описанному в Государственной Фармакопее СССР (1990).
Дубильные вещества, или таниды, представляют собой полифенольные соединения с высокой молекулярной массой, способные осаждать белки, в частности, раствор желатина, и обладающие вяжущим вкусом. Кроме того, таниды образуют нерастворимые комплексы с алкалоидами и солями тяжёлых металлов. Свойство дубить кожу животных является главным критерием для отнесения химических соединений к группе дубильных растительных веществ. В их состав могут входить полимеризованные катехины, лейкоантоцианидины, флавоноиды, галловая и эллаговая кислоты и другие соединения. В химическом отношении дубильные вещества делятся на три группы: гидролизуемые (или производные пирогаллола), конденсированные (производные пирокатехина) и смешанная группа.
Дубильные вещества широко распространены среди растений, что объясняется способностью полифенолов обезвреживать свободные радикалы и тем самым тормозить перекисное окисление липидов клеточных мембран.
Фенольные соединения способны блокировать взаимодействие окисляющегося субстрата с перекисным радикалом и следовательно тормозить цепное окисление:
PhOH + RO2- ^ PhO- + ROOH.
В результате при окислении фенолят-иона образуется феноксильный радикал, который в дальнейшем может вступать в реакции димери-зации с образованием связей углерод — углерод или углерод — кислород или обезвреживаться глутатионом.
Аскорбиновая кислота входит в число соединений, способствующих повышению устойчивости растений к неблагоприятным условиям обитания, что не в последнюю очередь обусловлено её способностью проявлять антиоксидантные свойства:
НО-аск-ОН + R-С- ^ НО-аск-О- + R-СН.
Определение содержания аскорбиновой кислоты в водных извлечениях из листьев Fragaria viridis L. проводили по способности данного соединения восстанавливать окрашенную форму 2,6-дихлорфенолиндофенола, превращая его в бесцветное состояние [12].
Содержание антиоксидантов в листьях Fragaria viridis L. (мг% на абс. сух. вес)
Место и сроки сбора сырья Содержание танидов Содержание аскорбиновой кислоты
Оренбургский газоперерабатывающий завод (Оренбургский р-н), 07.07.2009 Остепнённый луг вблизи с. Майорское (Сакмарский р-н), 07.07.2009 7,6±0,4 6,8±0,5 48,7±1,5 46, 2±2,1
В ходе исследований установлено, что наибольшее количество танидов в надземной части Fragaria viridis Ь. отмечается на территории ОГПЗ (табл. 1).
Результаты проведённого нами количественного определения аскорбата свидетельствуют о повышении синтеза аскорбиновой кислоты в листьях Fragaria viridis Ь., произрастающих в загрязнённой атмосфере (табл.).
По результатам исследований можно сделать следующие выводы.
1. Сравнительный анализ содержания антиоксидантов в листьях Fragaria viridis Ь. выявил увеличение выработки и накопления дубильных веществ у растений, произрастающих на территории Оренбургского газоперерабатывающего завода.
2. Установлено, что в условиях техногенного воздействия ОГПЗ растения Fragaria viridis Ь. индуцируют синтез аскорбиновой кислоты.
3. Индукция синтеза компонентов неферментативной антиокислительной защиты растениями Fragaria viridis Ь. в условиях химического стресса под влиянием выбросов предприятий газоперерабатывающей промышленности увеличивает адаптивные возможности вида.
Литература
1. Боев В.М., Воляник М.Н. Антропогенное загрязнение окружающей среды и состояние здоровья населения восточного Оренбуржья. Ур. отд. РАН. Оренбург, 1995.
2. Гусев Н.Ф., Немерешина О.Н. О некоторых аспектах рационального использования лекарственных растений Предуралья // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2009. № 2(22). С. 308—311.
3. Илькун Г.М. Загрязнители атмосферы и растения. Киев: Наукова думка, 1978. 247 с.
4. Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-е, 1979. 278 с.
5. Зайков Г.С. и др. Кислотные дожди и окружающая среда. М.: Химия, 1991.
6. Gould K.S. Redox regulation of water stress responses in field-grown plants. Role of hydrogen peroxide and ascorbate / K.S. Gould, University of Auckland, Auckland, New Zealand Copyright 2003, Elsevier Ltd. All Rights Reserved. Introduction: 256-279.
7. Sroka Z., Fecka I., Cisowski W. Antiradical and anti-H2O2 properties of polyphenolic compounds from an aqueous peppermint extract // Z. Naturforsch. 2005. Vol. 60, No. 11-12. P. 826-832.
8. Thomashov M.F. Free Radicals, xidative Stress and Antioxidants / M.F. Thomashov // Plant cold acclimation: freezing tolerance genes and regulatory mechanisms. 1999. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology 50: P. 571-591.
9. Куркин В.А. Основы фитотерапии: учебное пособие для студентов фармацевтических вузов. Самара: ООО «Офорт», 2009. 963 с.
10. Tamimi R.M., Hankinson S.E., Campos H. et al. Plasma carotenoids, retinol, and tocopherols and risk of breast cancer. Am J Epidemiol. 2005;161(2): 153-160.
11. Махлаюк В.П. Лекарственные растения в народной медицине. М.: Нива России, 1992. 478 с.
12. Государственная Фармакопея СССР. 11-е изд. М.: Медицина, 1990. Вып. 2. 400 с.
