CC BY
5УДК 581. 52. 02 Ф.М.Юнусова
Изменчивость плодов HippophaerhamnoidesL. по содержанию биологически активных веществ и жирного масла вдоль высотного градиента
Дагестанский государственный университет; gusena-fat@mail.ru
Выявлена зависимость изменчивости содержания большинства биологически активных компонентов плодов у популяций облепихи в пределах высотного градиента.
Ключевые слова: облепиха крушиновидная, биологически активные вещества, высотный градиент, экологические факторы, популяция.
Введение
Морфологические изменения популяций растений Дагестана служили предметом исследований на примере многих дикорастущих форм и видов, произрастающих по высотным и зональным градиентам. В этом отношении особенности изменчивости химического состава растений в связи с синтезом и накоплением в них биологически активных веществ, определяющих их устойчивость к неблагоприятным условиям, пока не служили предметом изучения.
Накопление биологически активных веществ в природных популяциях вдоль сре-довых градиентов позволяет выявить различия в росте, развитии и приспособленности популяций. В целом, изучение накопления биологически активных веществ и масел имеет значение для прогноза устойчивости растений к неблагоприятным условиям. В этом отношении заслуживают внимания популяции облепихи крушиновидной, широко распространенные в горном Дагестане. Объект является удобной моделью для подобных целей из-за наличия географических барьеров распространения, разнообразия почвенных и климатических условий. На этой основе можно подойти к анализу микроэволюционных процессов, опираясь на показатели изменчивости биохимического состава плодов. К тому же такой анализ вызывает повышенный интерес при филогенетических исследованиях ввиду выраженности специфичности и консерватизма компонентов их химического состава.
Целью исследованияявляется выявление основных трендов изменчивостибиохими-ческого состава плодов облепихи крушиновидной и содержания масла в связи с высотным градиентом комплекса экологических факторов.
Экспериментальная часть
В качестве объектов исследования использовались плоды HippophaerhamnoidesL., собранных в десяти модельных популяциях вдоль высотного экологического градиента в Предгорном и Горном Дагестане. Род облепиха, HippophaeL., относится к семейству Лоховые - Elaeagnaceae, распространен от 27° до 69° северной широты и от 5° западной долготы до 122° восточной. По последним данным в роде насчитывается 7 видов, а наиболее широко географически распространенный вид HippophaerhamnoidesL. делится на 9 подвидов[1,2,3]. Выбор модельных популяций объясняется целью максимально охватить экологическую амплитуду произрастания облепихи крушиновидной в районе исследования. Основные эколого-географические и климатические характеристики этих популяций приведены в таблице 1[4].
Таблица1. Климатические характеристики местонахождения модельных
популяций облепихи
№ п/п Район сбора Высота над уровнем моря, м Продолжительность солнечного сияния, ч Средняя годовая температура, С Относительная влажность, % Среднегодовые осадки, мм
1. Буйнакский район, окр. Чиркейской гидроэлектростанции 475 2000 9,6 76 341
2. Гергебильский район, окр. с. Гергебиль 665 2200 9,8 68 397
3. Шамильский район, окр. с. Голотль 770 2000 6,2 62 443
4. Левашинский район, окр. с. Хаджал-Махи 1210 2200 6,6 72 437
5. Акушинский район, окр. с. Акуша 1410 2300 6,3 68 280
6. Рутульский район, окр. с Рутул 1500 2300 6,2 66 550
7. Лакский район, окр. с. Куркли 1522 2200 6,5 66 102
8. Шамильский район, окр. с. Хебда 1550 2000 6,2 64 443
9. Тляратинский район, окр. с. Хотог 1640 1900 6,1 70 101
10. Хунзахский район, окр. с. Хунзах 1684 2100 6,1 63 577
Как следует из таблицы 1, из десяти популяций восемь расположены в пределах Внутригорного Дагестана, крайние точки сбора с большой долей условности можно отнести к предгорной (Буйнакский) и высокогорным (Тляратинский, Хунзахский) районам. В среднем климатические параметры этих территорий близки друг к другу[5]. Однако имеются определенные различия, такие, как постепенное снижение среднегодовой температуры вдоль высотного градиента и связанное с этим укорочение длины вегетационного периода, что может повлиять на структуру изменчивости по содержанию жирного масла и биологически активных веществ в плодах HippophaerhamnoidesL.
Сбор растительного сырья проводили с 2006 по 2008 год в период с 1 по 15 ноября.
Количественное определение биологически активных веществ, товароведческие показатели плодов, а также физико-химические показатели жирного масла определяли по соответствующим методикам, приведенным в ГФ XI [6,7].
В работе применялись стандартные методы статистического анализа. Выбор методов был непосредственно связан с задачами исследования и необходимостью доказательства различий между средними величинами, выявления структуры внутривидовой изменчивости, степени влияния изучаемых факторов на исследуемые параметры, а также выявления латентной факторной структуры, объясняющей видимую структуру изменчивости.
Обсуждение результатов Аскорбиновая кислота. На рис. 1 показано, что содержание аскорбиновой кислоты в плодах облепихи, выросшей в Дагестане, в среднем колеблется от 100 до 130 мг%. Причем в образцах 8,9,10, т. е.в предгорных районах, содержание аскорбиновой кислоты выше, чем в горных.
График средних (взаимодействие 2 факторов) Вертик. столбцы равны 0,95 доверительных интервалов
«Э о
О. °
о 5
145 140 135 130 125 120 115 110 105 100 95 90
ГОД 2006 ГОД 2007 ГОД 2008
"во
475
665
770
1550
1640
1684
1210 1410 1500 1522 Высота над уровнем моря (м)
Рис. 1. Профили изменчивости содержания аскорбиновой кислоты в плодах, мг% вдоль высотного градиента (2006-2008гг.)
Относительно невысокое содержание аскорбиновой кислоты связано с тем, что плоды были собраны после первых заморозков, а, как известно, содержание аскорбиновой кислоты в растениях в этот период резко снижается.
Возможно, именно с этим и связано увеличение количества аскорбиновой кислоты с уменьшением высоты произрастания, т. е. увеличением средней температуры возду-ха.Условия года не влияли на структуру изменчивости содержания аскорбиновой кислоты в плодах (рис.2), заметное влияние оказал комплекс факторов высотного градиента и взаимодействие факторов (в меньшей степени).
145
Аскорбиновая кислота = 135,64 - ,0144 * Высота над уровнем моря Корреляция : г = -0,6356
600 800 1000 1200 1400
Высота над уровнем моря местонахождения популяции (м)
1800
Рис. 2. Регрессия содержания аскорбиновой кислоты в плодах вдоль высотного градиента
Дубильные вещества. Закономерности изменчивости по содержанию дубильных веществ напоминают структуру изменчивости аскорбиновой кислоты, поскольку год сбора не оказал существенного влияния на структуру изменчивости, а влияние оказали происхождение сырья и взаимодействие факторов (рис.3).
График средних величин (взаимодействие 2 факторов) Вертик. столбцы равны 0,95 доверительных интервалов
Высота еад уровнем моря (м)
Рис. 3. Профили изменчивости содержания дубильных веществ (%) в плодах вдоль высотного градиента (2006-2008гг.)
Регрессия на высотный градиент (рис.4), как и в случае с аскорбиновой кислотой, отрицательная (г = - 0,61).
Дубтльеые вещества = 8,3691 - ,0012 * Высота еад уровнем моря Корреляция : г = -0,6108
вдг
8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5
5,0
400
600
800
1400
1600
1800
1000 1200 Высота еад уровнем моря (м)
Рис. 4. Регрессия содержания дубильных веществ в плодах вдоль высотного градиента
Исследование динамики накопления дубильных веществ показывает синхронное их изменение во всех районах в разные годы. Структура изменчивости по компонентам дисперсионного представлена на круговой диаграмме. Из рисунка 5 видно, что влияние места сбора сырья (фактор «высота») на содержание дубильных веществ равно 85,9 % и 9,1 % влияния взаимодействия факторов «год» и «высота (место произрастания)».
Перемен.: ДУБИЛЬНЫ Относительные компоненты дисперсии (в процентах) Метод: Метод ANOVA, SS типа I
Ошибка, 2,5 % 1*2, 9,1 % 1-ГОД, 2,5 %
2-ВЫСОТА, 85,9 %
Факторы:
1-ГОД
2-ВЫСОТА
Рис. 5. Компоненты дисперсии по содержанию дубильных веществ
Влияние фактора «год» - 2,5 % остается недоказанным на уровне вероятности 0,05, поэтому его можно приплюсовать к ошибке. Линейное влияние высотного градиента можно вычислить по итогам регрессионного анализа.Оно называется коэффициентом детерминации и равно квадрату коэффициента корреляции в %.Данный коэффициент является компонентой дисперсии линейной связи высотного градиента на изучаемый признак и в нашем случае равен 36 % (0,612- 100).Таким образом, межгрупповые различия составляют в общей структуре изменчивости по содержанию дубильных веществ 85,6 %, из них напрямую воздействие высотного градиента объясняет 36 % изменчивости, остальные 49,6 % межпопуляционной дифференциации объясняютсядругими, неизученными факторами (отклонения от регрессии).
Флавоноиды. Профили средних по годам, как видно из рисунка 6, значимо отличаются друг от друга, и влияние фактора «год» статистически существенно на 5%-ном уровне.
Но особенно велико влияние взаимодействия факторов «год» и «высота», что подтверждается анализом компонент дисперсии, которое достигает 62 % (рис.8).
0,10
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
График средних величин (взаимодействие 2 факторов) Вертик. столбцы равны 0,95 доверительных интервалов
475
665
770
1550
1640
1684
1210 1410 1500 1522 Высота над уровнем моря (м)
Рис. 6. Профили изменчивости содержания флавоноидов (%)в плодах облепихи вдоль высотного градиента (2006-2008гг.)
Непосредственно условия года влияют на структуру изменчивости на 17 %. Коэффициент детерминации близок к нулю и недостоверен, как и коэффициент корреляции (рис.7).
0 о4
1 4— о со m о со et с; о
^ ё
ш
0,10 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04
0,03 400
Флавоноиды = 0,06215 - 0,2E-5 * Высота над уровнем моря Корреляция : r = -0,0662
____________--Я______
1 о g в —
" в @ о ° @
§ В § в 8
600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Высота над уровнем моря (м) | "~о.,95% доверит. |
Рис. 7.Регрессия содержания флавоноидовв плодах вдоль высотного градиента
Перемен.: ФЛАВОН Относительные компоненты дисперсии (в процентах) Метод: Метод ANOVA, SS типа I
Факторы:
1-ГОД
2-ВЫСОТА
Рис. 8. Компоненты дисперсии по содержанию флавоноидов
Образцы отличаются относительно низким содержанием флавоноидов.
Органические кислоты. Содержание свободных органических кислот, как видно из таблицы 2, в образцах 2,4,5 значительно выше, чем в остальных, в которых выше и содержание остальных ценных компонентов, что позволяет предположить о наличии экологического оптимума в данных местообитаниях облепихи.
Таблица 2.Содержание свободных органических кислот, %
Район сбора 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2008 2,2 3,8 2,5 5,4 4,7 1,9 1,7 2,6 3,1 2,8
Экстрактивные вещества. Из таблицы 3 видно, что содержание экстрактивных веществ увеличивается с высотой произрастания и уменьшением среднегодовой темпе-
ратуры, что объясняется тем, что масла в растениях выполняют защитную функцию и их накопление находится в прямой зависимости от температурных условий.
Таблица 3. Содержание экстрактивных веществ в%
Район 2006 2007 2008 Среднее Литературн ые
сбора значение данные
1 19,3 19,7 19,8 19,6
2 17,8 18,1 18,6 18,2
3 18,0 18,9 18,1 18,4
4 17,3 17,8 18,1 17,7 3-14 %
5 17,4 18,1 17,0 17,5
6 17,5 17,3 17,4 17,4
7 17,3 17,6 17,0 17,3
8 16,6 16,8 17,4 16,9
9 18,7 19,1 19,5 19,1
10 16,9 16,7 17,2 16,9
Следует отметить, что накопление масла и содержание биологически активных компонентов в плодах или не связаны между собой, или имеют отрицательную корреляцию, что наглядно видно из дальнейших данных, указанных в следующих таблицах.
Токоферолы.По итогам дисперсионного анализа, содержание токоферола в масле из плодов облепихи не связано с годом сбора облепихи, а имеющаяся разница между группами не связана напрямую с высотным градиентом. Небольшое повышение количества токоферолов в плодах с повышением высоты над уровнем моря не является статистически достоверным (рис.9).
В целом компонента дисперсии по межгрупповым различиям токоферолов составляет 67,3 %, а по взаимодействию факторов - 17,4 %.Влияние фактора «место сбора» и взаимодействия двух факторов объясняют 85,7 % наблюдаемой изменчивости. Однакопрямой связи с высотой над уровнем моря с содержанием токоферолов не наблюдается (рис.10).
График средних величин (взаимодействие 2 факторов) Вертик. столбцы равны 0,95 доверительных интервалов
о
ш 110
о
° 105
475 665 770 1210 1410 1500 1522 1550 1640 1684 Высота над уровнем моря (м)
Рис. 9. Профили содержания токоферолов (мг%) в масле плодоввдоль высотного градиента
(2006-2008гг.)
Наиболее вероятным предположением о факторе, контролирующем содержание токоферолов, является экспозиция склона и уровень солнечной радиации, поскольку это напрямую влияет на биосинтез этих веществ.
о ^
а> 5
о ш
^ о
° I? £ Е
X
га И с ш ч: о
о
155 150 145 140 135 130 125 120 115
Корреляция : г = -0,1081
110 400
1 О ) О с 1 1,1,4, О 8 О 8 О _ _ о о О О 8
8
- 8 ___О -©■--
8 О о
О 8 О 8 °0 ° о
- 8 о 0 о
О о
О
о
600 800 1000 1200
Высота над уровнем моря (м)
1400
1600
1800
х >95% доверит.
Рис. 10. Регрессия содержания токоферолов в масле плодов вдоль высотного градиента
По профилям средних заметно, что содержание токоферолов в выборках, произрастающих в условиях экологического оптимума, заметно выше (рис.9).
Каротиноиды.Основным компонентом, определяющим ценность облепихового масла, являются каротиноиды. Также из рис. 11 видно, что содержание каротиноидов увеличивается по мере уменьшения высоты произрастания и повышения средней температуры воздуха, а также с уменьшением выхода масла. Наибольшее содержание отмечено в образце 2, который также отличается высоким содержанием и других биологически активных компонентов, в том числе аскорбиновой кислоты, что вполне ожидаемо, т. к. накопление этих веществ находится в прямой зависимости друг от друга, а также высоким содержанием флавоноидов.
График средних величин (взаимодействие 2 факторов) Веррик. столбцы равны 0,95 доверителтных интервалов
270
ф
5 260
га
5 250
СО
ш 240
230
£ 220
| ^ 210 ^ о « 5 200
Ш ЕЁ 190
га 180
170
160
150
ш ч:
О
ГОД ГОД ГОД
2006
2007
2008
475 665 770 1210 1410 1500 1522
Высота над уровнем моря (м)
1550
1640
1684
Рис. 11. Профили содержания каротиноидов в масле плодоввдоль высотного градиента
(2006-2008гг.)
Зависимость содержания токоферолов от места сбора сырья и линейную связь этой зависимости с высотным градиентом иллюстрируют результаты дисперсионного и регрессионного анализов (рис.12, 13).
Корреляция по содержанию каротиноидов в масле плодов облепихи значительная - 0,75и статистически достоверная (рис.12). Анализ компонентов дисперсии подтвер-
ждает вывод о значительной межпопуляционной дифференциации по содержанию каротина (88,9 %- межгрупповая разница и 9,1 %- взаимодействие факторов, в сумме -98 %).
Содержание каротиноидов = 233,94 - 0,0379 * высота над уровнем моря Корреляция : г = -0,7446
Высота над уровнем моря (м)
Рис. 12. Регрессия содержания суммарных каротиноидов вдоль высотного градиента
Из 98 % процентов суммарного воздействия факторов 55,4 % (r2 %) изменчивости объясняется прямым воздействием высотного градиента (рис.13).
Перемен.: КАРОТИН Относительные компоненты дисперсии (в процентах) Метод: Метод ANOVA, SS типа I
Ошибка 0,2 % 1-ГОД 1,8% 1*2, 9,1 %
1-ГОД
2-ВЫСОТА
Рис. 13. Компоненты дисперсии по суммарным каротиноидам в масле плодов облепихи
В данном случае мы либо имеем случай с хеморасой, отличающейся высоким содержанием данных биологически активных веществ, а значит, данный признак будет передаваться по наследству, либо условия произрастания в своей совокупности в данном районе являются наиболее благоприятными для накопления данных веществ.
Жирно-кислотный состав. Тенденция к снижению содержания жирного масла в мякоти плодов с возрастанием высоты над уровнем моря места сбора плодов, как видно из таблицы 3, объясняетсянехваткой энергетических ресурсов для синтеза энергоемких соединений в условиях укороченного вегетационного периода выше расположенных популяций.
Таблица З.Жирно-кислотныйсостав масла из мякоти плодов (%)
Район сбора Линолевая Олеиновая Стеариновая Линоленовая Пальмитиновая
1 36,4 13,6 4,78 9,62 35,50
2 39,12 14,51 4,71 8,35 37,41
3 38,37 12,35 4,74 8,74 35,8
4 38,02 14,55 4,53 8,29 34,31
5 36,96 16,89 4,50 7,88 33,68
6 36,55 16,82 4,78 8,63 37,32
7 37,73 13,83 4,54 8,36 35,54
8 36,28 15,12 4,63 8,20 35,77
9 37,04 16,79 4,41 8,73 37,01
10 37,74 15,79 4,75 8,90 32,82
Нами были определены основные физико-химические показатели масла, которые позволили сделать выводы, что масло, полученное из мякоти плодов, относится к невысыхающим маслам (йодное число от 69,1 до 79,7), а значит, содержит небольшое количество ненасыщенных жирных кислот, что подтверждается величиной показателя преломления (1,4583-1,4699), которая увеличивается с увеличением количества триг-лицеридов жирных кислот в масле.Йодное число также имеет тенденцию к возрастанию с набором высоты над уровнем моря, что свидетельствует о большем процентном содержании ненасыщенных жирных кислот в масле из плодов, собранных в популяциях, расположенных выше над уровнем моря.
Кислотное число, характеризующее количество свободных жирных кислот, колеблется в пределах от 3,1 до 5,3, причем в образцах 2 и 9 оно значительно ниже, чем в остальных, что объясняется тем, что данные образцы содержат значительные количества токоферолов, которые, являясь природными антиоксидантами, препятствуют прогорка-нию масла.
Количество неомыляющих веществ, характеризующее количество жироподобных веществ в масле, также наибольшее в тех образцах, в которых наблюдается наибольшее содержание токоферолов и каротиноидов, которые составляют основную массу неомы-ляемых веществ в данном масле (3,27-4,31).
Плотность масла находится в пределах от 0,921 до 0,927, что, очевидно, связано с тем, что масло содержит остатки экстрагента (петролейного эфира), который способствует ее уменьшению.Межгрупповая классификация с использованием многомерных методов позволяет выявить две важнейшие структурные особенности изучаемых популяций: основные тренды изменчивости и близость групп друг к другу по комплексу признаков и отбрасывание неинформативных показателей, не вносящих вклада в межгрупповые различия.
Для выявления роли изученных признаков в межгрупповой дифференциации на первом этапе нами был проведен анализ главных компонент, с помощью которого выявляется латентная факторная структура, контролирующая признаки. По итогам факторного анализа выявлено, что признаки четко делятся на две группы: в одну входят только суммарные флавоноиды, скоррелированные со вторым фактором, в другую -все изученные признаки, скоррелированные с первым фактором.
Дальнейшая процедура дискриминантного анализа с пошаговым удалением признаков подтвердила факт различного эндогенного контроля биосинтеза флавоноидови остальных групп БАВ, поскольку флавоноиды оказались исключенными из модели как данные, не вносящие дополнительной существенной информации в межгрупповые различия.
Выводы
1. Выявлена линейная и статистически достоверная зависимость изменчивости содержания большинства биологически активных компонентов плодов (аскорбиновая кислота - r = -0,6356; дубильные вещества - r = -0,6108; каротиноиды - r = -0,7446) у популяций облепихи в пределах высотного градиента.
2. Содержание флавоноидов и токоферолов, в отличие от других метаболитов, имеет незначительную корреляционную связь с высотным градиентом (флавоноиды -r = -0,0662; токоферолы - r = -0,1081). Их накопление контролируется эндогенно и мало зависит от условий высоты над уровнем моря.
3. Многомерный статистический анализ позволил констатировать, что внутрипопу-ляционные микроэволюционные процессы в гетерогенных горных экосистемах с географическими барьерами менее адаптивно выражены по сравнению с межпопуляцион-ным уровнем дифференциации.
Литература
1. Bartish I.V.,Jeppsson N., Nybom H. Phylogeny of Hippophae (Elaeagnaceae) inferred from parsimony analysis of chloroplast DNA and morphology Systematic Botanic. - 2002. -№ 27(1): - P. 41-54.
2. Bartish I.V.,Jeppsson N., Bartish G.I.Inter- and intraspecific genetic variation in Hippophae (Elaeagnaceae) investigated by RAPD markers // PlantSyst. Evol. - 2000. - № 225.-P. 85-101.
3. Bartish I.V., N. Jeppsson and H. Nybom. Population genetic structure in the dioecious pioneer plant species Hippophae rhamnoides investigated by random amplified polymorphic DNA (RAPD) markers // Mol.Ecol. - 1999. - № 8(5). -P. 791-802.
4.Гюль, К.К., Власова, И.М., Кисин, И.М., Тертеров, А.А. Физическаягеография Дагестанской АССР. - Махачкала, 1959.
5. Акаев Б.А., Атаев З.В., Гаджиев Б.С. и др. Физическая географияДагестана. - М.: Школа, 1996. - С. 15-21.
6.Государственная фармакопея СССР. - 11-е изд. - М.: Медицина, 1987.Вып.1. -333 с.
7. Государственная фармакопея СССР. - 11-е изд. - М.: Медицина, 1987.Вып.2. -397 с.
Поступила в редакцию 26 ноября 2013 г.
Variability of Hippophae rhamnoides L. fruitage according to the contents of biologically active substances and fatty oil along the altitudinal gradient
Yunusova F.M. Dagestan State University; gusena-fat@mail.ru
Content variability dependence of the majority of fruit's biologically active components is revealed within the altitudinal gradient.
Keywords: sea buckthorn, biologically active substances, altitudinal gradient, environmental factors, population.
Received November 26, 2013
