CC BY
19
ЭКОЛОГИЯ
УДК 57:581.5; 612:581.1
ИЗМЕНЕНИЕ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА КАРОТИНОИДОВ В CALENDULA OFFICINALIS L. КАК ПРАЙМИНГ-ЭФФЕКТ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ЦИНКОВЫХ И АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ НА ЧЕРНОЗЕМЕ
Л.П. Воронина, П.К. Лаптинская, Н.Н. Брыковская
В статье рассмотрены агрохимические факторы как условия культивирования лекарственных растений, позволяющие увеличить их биомассу, а также повлиять на изменение фракционного состава и концентрацию каротиноидов в Calendula officinalis L.
В вегетационном эксперименте прослежено действие разных доз цинка и цинка с дополнительным внесением азота на морфологические изменения, цветение и продуктивность растений календулы сорта Кальта. Изучено поступление основных элементов и микроэлементов в надземную часть растений по вариантам с использованием химических методов. С помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) установлен качественный состав каротиноидов и их количество. На основании полученных данных определено расчетное значение накопления каротиноидов растениями за весь вегетационный период. Результаты статистически обработаны. Факторы, подобранные нами в вегетационном опыте, сформировали контрастные варианты, позволяющие определять максимально эффективную агротехнологию выращивания лекарственной культуры.
Ключевые слова: календула лекарственная, продуктивность календулы, агрохимические условия культивирования, лекарственное сырье, каротиноиды, фракционный состав каротиноидов.
Введение
На протяжении многих лет лекарственные растения используют как источник для получения биологически активных веществ (БАВ), необходимых для производства биологически активных добавок (БАД) и фармацевтических препаратов. Одними из таких веществ являются каротинои-ды — группа органических соединений класса терпенов, углеродный скелет которых состоит из восьми С5-изопреновых единиц. К каротиноидам относятся около 700 жирорастворимых природных пигментов, цветовое разнообразие которых лежит в ряду от желтого до темно-бордового. В классе каротиноидов выделяются два основных типа соединений: каротины — каротиноидные углеводороды и ксантофиллы — их кислородсодержащие производные. В ходе многолетних исследований было установлено, что синтез этих веществ могут осуществлять высшие растения, водоросли, грибы и бактерии [6, 20]. Выявлены отдельные соединения, обладающие биологической активностью в организме животных и человека. К самым значимым в медицинской практике относят циклический Р-каротин (название по системе IUPAC — Р, Р-каротин), алифатический каротин — ликопин (^,^-каротин) и изомерные ксантофиллы — лю-теин (Р,е-каротин-3,3'-диол) и зеаксантин (Р,Р-ка-ротин-3,3'-диол) [4, 14, 17].
Наиболее эффективный способ получения каротиноидов — их экстракция из растительного материала. В настоящее время самым известным и используемым сырьем для извлечения в промышленном масштабе служат цветки календулы лекарственной (Calendula officinalis L.).
В связи с тенденцией высокого спроса на качественный биологический материал в мире возрастает потребность на проведение исследований, направленных на изучение факторов, влияющих на изменение состава вторичных метаболитов растений. Для достоверного определения качественных и количественных характеристик каротино-идов необходима разработка методик на базе современной аналитической химии. Научные работы, посвященные данной проблематике, позволяют выявить наиболее оптимальные условия выращивания культур с высоким содержанием запрашиваемых биологически активных веществ.
В ряду многочисленных факторов, влияющих на качество сырья, необходимо выделить биохимические особенности конкретного вида растения, сроки его посева и сбора, а также почвенно-кли-матические и агрохимические условия, оказывающие значительное влияние на биосинтез вторичных метаболитов, в частности каротиноидов [3, 25]. В зависимости от вариабельности условий произрастания значение их общего содержания в цвет-
ках календулы может варьировать от 3 до 167 мг% в пересчете на массу абсолютно сухого вещества [10, 21, 24].
В мире, с точки зрения экономической выгоды, Calendula officinalis является привлекательной культурой не только потому, что потенциально позволяет получать сырье с высоким содержанием каротиноидов. Данное растение нетребовательно к условиям выращивания, а применяемая агротехника отличается своей простотой. Календула относится к многосборовым растениям: за сезон проводят 8—10 ручных сборов соцветий или 4—5 механизированных, с применением машин очесывающего типа. Первый цикл уборки проводят через 38—50 дней после появления всходов, но удовлетворительные показатели качества сырья обычно появляются только после третьего сбора. При выборе сорта календулы стоит обращаться к тем, фенотипической особенностью которых являются махровые формы соцветий оранжево-красного цвета, так как суммарная масса генеративных органов в них больше, и содержание каротина на единицу массы в среднем в два раза превышает показатели бледноокрашенных цветков. Основные сорта, выращиваемые в России — Кальта и Рыжик [1, 5, 8, 9, 13, 18].
Из литературных данных известно, что наиболее высокая урожайность цветочных корзинок календулы лекарственной (до 20—25 ц/га) и семян (до 5 ц/га) получена на плодородных и окультуренных супесчаных, легко- и среднесуглинистых почвах: в лесной зоне — на дерново-подзолистых, лугово-пойменных и окультуренных торфяниках; в лесостепной и степной — на серых, темно-серых, черноземных и каштановых почвах [1]. Однако не может не вызывать большой практический интерес тот факт, что климатические и почвенные условия Центрально-Черноземной зоны являются наиболее благоприятными для выращивания большинства цветковых растений и позволяют получать высокие урожаи соцветий и высококачественный семенной материал. Чернозем обладает буферными свойствами, которые делают его идеальным субстратом для проведения агрохимических экспериментов [7].
Внесение удобрений — один из наиболее эффективных способов повышения урожайности и обязательный элемент технологии выращивания любых сельскохозяйственных культур [8]. К основным приемам повышения продуктивности календулы на черноземе относится внесение азотных удобрений. Это приводит к значительному повышению биологической активности почвы, улучшая показатели ее плодородия [11]. Современные исследования в данной области показали, что высокую эффективность имеет совместное применение азотных и цинковых удобрений. В работе A. Ma-leki и его коллег [22] показано, что комплексное
внесение цинка и азота в почву способно увеличить прирост сухой массы растения в среднем на 10%, что достоверно превышает уровень получаемого урожая при использовании только азотных удобрений.
Важно отметить, что совместное применение фосфорных и цинковых удобрений нецелесообразно ввиду их химических свойств. Подвижные соединения цинка реагируют с соединениями фосфора в почве с образованием малоподвижных комплексов, что приводит к снижению доступности этого микроэлемента растениям [2].
Цель работы — оценить изменение фракционного состава каротиноидов в цветках Calendula officinalis L., выращенной на черноземе, при внесении азотных и цинковых удобрений.
Объекты и методы исследования
Объект исследования — цветки календулы лекарственной, отобранные в ходе вегетационных опытов в течение двух лет. При планировании опытов выбран сорт селекции ФГБНУ ВИЛАР Кальта, имеющий оранжевые махровые или полумахровые соцветия. Для посева использовали рабатки (продолговатые пластиковые сосуды, имитирующие рядковые посадки) размером 100 х 20 х 17 см (длина, высота, ширина). Сосуды заполняли гумусово-аккумулятивным черноземом обыкновенным так, чтобы масса почвы в каждом составила 6 кг [15]. Характеристика данной почвы: pHkci — 6,4; гумус — 8,1%; P2O5 подвижный — 110 мг/кг; K2O обменный — 250 мг/кг; Zn подвижный — 0,35 мг/кг. В каждый сосуд в соответствии со схемой вариантов опыта вносили дополнительные элементы питания — азот и цинк.
Азотное удобрение применяли в форме соли аммиачной селитры из расчета 100 мг/кг почвы (по азоту — 35 мг/кг), цинк — в хелатной форме: цинкосодержащий препарат E-Zn-15 компании Dissolvine (Ethylenediaminetetracetic acid, zinc-di-sodium complex [(EDTA-Zn) Na2]) на уровне 20 и 50 мг/кг по цинку [19].
Таким образом, схема опыта включала в себя шесть вариантов: контроль без внесения азота и относительный контрольный вариант с его внесением; варианты с разными дозами цинка на фоне внесения азотных удобрений (N + Zn20 иN + Zn5o) и без них (Zn20 и Zn50). Каждый вариант имеет 10-кратную повторность опытных растений.
Семена заделывали на глубину 2 см. Посев производили на равном (10 см) расстоянии между каждым последующим и предыдущим семенем. Площадь, занимаемая одним растением, — 170 см2. В течение вегетации проводили полив, рандомизацию и уход. После формирования первых соцветий осуществляли мониторинг (с августа по ок-
тябрь каждые 7 дней). На протяжении всего периода цветения соцветия собирали, высушивали в темноте при 30°. Измерив массу, из корзинок извлекали язычковые и трубчатые цветки для последующего изучения. В конце эксперимента вегетативную часть растения разделяли на корни и лис-тостебельный побег, которые также проходили через сушку и взвешивание. Таким образом был подготовлен материал к химическому анализу.
Общий азот в вегетативных органах и цветках календулы определяли методом Кьельдаля. Предварительно проводили окисление растительного материала кипящей концентрированной серной кислотой с добавлением хлорной как катализатора (мокрое озоление). СодержаниеZn, Ки P определяли методом АЭС-ИСП (атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой), согласно международным стандартам ASTM D6130, в водной вытяжке, подкисленной HCl, из золы календулы, полученной сжиганием образцов цветков и вегетативных органов в муфельной печи при температуре 450°. Для подтверждения достоверного определения содержания фосфора в группе вытяжек проведено сопоставление результатов, полученных методом АЭС-ИСП, с результатами, полученными методом РФА (рентгенофлуоресцент-ный анализ). Подтверждение результатов по содержанию калия в проанализированных методом АЭС-ИСП извлечениях выполнено методом пламенной фотометрии (МПФ). Содержание обменного цинка в образце чернозема установлено методом атомно-абсорбционной спектрометрии (AAC) в ацетатно-аммонийной вытяжке (pH 4,8). Для оценки полноты извлечения органических веществ (в том числе каротиноидов) из образцов календулы при помощи различных систем растворителей использован метод абсорбционной спектрофото-метрии (СФ) в УФ и видимой областях. Разделение фракций каротиноидов календулы, их качест-
венное и количественное определение выполнены методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Основой для разработки методики послужили материалы [23]. Предварительно выполнен поиск оптимальной системы растворителей и внешних условий для экстракции кароти-ноидов из сухого растительного материала, условий омыления, очистки, а также условий для проведения хроматографирования [12].
Полученные данные анализировали с использованием программы STATISTICA. Для оценки значимости (p < 0,05) различий между средними параметрических показателей растений всех вариантов применен двухфакторный дисперсионный анализ (Two-Way ANOVA) с апостериорным тестом, основанным на критерии множественных сравнений Дункана (Duncan Multiple Range Test).
Результаты и их обсуждение
Гумусово-аккумулятивный горизонт чернозема обыкновенного привезен из государственного природного заказника «Каменная степь» (Воронежская обл.). Почва характеризуется высоким содержанием гумуса и нейтральной реакцией среды. По содержанию подвижных форм фосфора относится к группе с повышенной (чуть выше средней) обеспеченностью, по содержанию калия — к группе с очень высокой обеспеченностью [16]. Содержание подвижных форм цинка в почве в среднем соответствует 0,34 мг/кг почвы.
Полученные за два года данные мониторинга формирования соцветий позволили рассчитать их среднее суммарное количество, продуцируемое растениями каждого варианта опыта за весь вегетационный период (табл. 1). Так как в каждом варианте опыта не все десять растений цвели одновременно (некоторые растения не зацвели в течение всего периода вегетации), данный усредненный
Таблица 1
Суммарный выход сухой массы вегетативных и генеративных органов и число соцветий (в пересчете на 100 растений) в вариантах опыта за период вегетации
Вариант Масса корней, г Масса надземных вегетативных органов, г Масса цветков одного соцветия, г Число соцветий на 100 растениях, экз. Число соцветий на 100 цветущих растениях, экз.
Контроль 2,78 ± 0,43» 17,4 ± 1,9» 0,150 + 0,067» 530 + 79» 530 + 79»
Zn20 2,24 ± 0,30»b 15,7 ± 1,7ab 0,158 + 0,074» 365 + 46b 384 + 49b
Zn50 1,86 ± 0,37bc 12,3 ± 2,2c 0,164 + 0,056» 345 + 47bc 383 + 52bc
N 2,13 ± 0,39bcd 13,2 ± 2,2bcd 0,132 + 0,040» 390 + 66bc 488 + 82»ш
N+Zn20 2,43 ± 0,44»bcd 15,4 ± 2,5»bcd 0,150 + 0,050» 510 + 71» 510 + 71»d
N+Zn50 3,81 ± 0,43* 25,0 ± 2,4* 0,138 + 0,035» 915 + 114* 915 + 114*
Примечание. а, Ь, с, й — группы, в которых на 5%-м уровне значимости различия средних несущественны; звездочка — группы, в которых на 5%-м уровне значимости различия среднего значения со средними всех других групп существенны.
показатель получен двумя способами: в пересчете на одно растение и в пересчете на одно цветущее растение, что позволяет оценить количественный выход соцветий с рабатки в целом и выход соцветий с одного цветущего растения. Для удобства показатель представлен в виде целых значений как число соцветий, получаемое со ста растений или же со ста цветущих растений (табл. 1).
На основании результатов статистической оценки, выявляющей влияние используемых удобрений на формирование соцветий календулы, сделан вывод, что за весь вегетационный период их наибольшее число образуется в условиях варианта N + 2и50 вегетационного опыта вне зависимости от способа расчета самого показателя. Самый же низкий прирост соцветий наблюдается при индивидуальном применении цинковых удобрений.
В табл. 1 также представлены усредненные значения по массе корней и листостебельного побега. Для обеих групп сухого растительного материала максимальные показатели получены в варианте N + 21150, а минимальные — в варианте 2П50. Иначе говоря, изменение массы корней и массы надземной части растения имеют между собой положительную корреляцию. Что касается показателя массы соцветий, то при выявлении значимости различия между его средними, полученными в разных вариантах вегетационного опыта, установлено, что на уровне 5% она не является существенной. Необходимо обратить внимание на то, что при раздельном применении азотного и высокой дозы цинкового удобрений на черноземе усредненная масса вегетативных органов меньше, чем полученная в контрольном варианте.
В ряду важных показателей эффективности применения минеральных удобрений наиболее важным является урожайность. Для наглядности в табл. 2 представлены результаты расчетов как самой урожайности свежих соцветий, так и выхода лекарственного сырья (воздушно-сухих корзинок календулы без цветоносов) с площади 1 м2 из расчета на средние параметры цветущего растения.
Таблица 2
Урожайность и выход лекарственного сырья с площади 1 м2 в пересчете на параметры цветущего растения
Вариант Урожайность, г/м2 Выход сырья, г/м2
Контроль 253,8 46,6
2п20 199,7 35,7
2п50 212,9 37,7
N 222,5 37,8
N + 2120 247,4 44,9
N + 2п50 417,3 74,2
Наибольшая урожайность и выход лекарственного сырья с единицы площади получены в варианте N + 2п50. Относительно контроля первый показатель увеличивается на 64, а масса получаемого лекарственного сырья — на 59%.
Исследования показали, что комплексное применение азотных и цинковых удобрений на черноземе ведет к качественному изменению структуры урожая, который в таких условиях характеризуется повышенным количеством соцветий.
В высушенных образцах цветков и надземных вегетативных органов календулы, отобранных с вегетационного опыта второго года, определены зольность и содержание ключевых элементов — N Р, К и 2п. Зольность в цветках вариантов 2п20, 2П50 и контрольном существенно различается, она коррелирует лишь с единственным показателем по этим вариантам: дозой внесенного цинка (табл. 3). Для всех вариантов содержание зольности в соцветиях не превышает 11%, т.е. соответствуют стандартам, установленным по лекарственному сырью.
В надземных вегетативных органах растения зольность выше, чем в цветках в среднем в 2,4 раза (табл. 3). Максимальное содержание золы в генеративных и вегетативных органах наблюдается в
Таблица 3
Характеристики элементного состава вегетативных и генеративных органов Calendula officialis
Вариант Зольность вегетативных органов, % Зольность цветков, % Вегетативные органы Цветки
N, % P, %* K, %* Zn, мг% N, % P, %* K, %* Zn, мг%
Контроль 18,06 7,49 3,3 0,42/0,40 3,5/3,4 30,7 2,0 0,27/0,26 0,26/0,25 5,7
2п20 21,33 8,73 3,7 0,44/0,43 3,6/3,5 41,0 2,3 0,28/0,27 0,27/0,26 8,5
2п50 22,77 10,06 3,4 0,40/0,38 3,7/3,6 44,7 2,2 0,26/0,25 0,27/0,26 10,5
N 17,04 7,18 4,6 0,37/0,36 3,2/3,0 28,0 2,9 0,26/0,25 0,25/0,24 4,5
N + 2120 18,02 7,31 3,5 0,36/0,35 3,1/3,0 29,9 2,4 0,25/0,24 0,25/0,24 5,0
N + 2п50 19,82 7,91 3,2 0,35/0,34 3,1/2,9 35,0 1,9 0,25/0,24 0,25/0,23 6,5
*В пересчете на абсолютно сухое вещество сопоставляются результаты разных методов.
варианте с внесением максимальной дозы цинка — 2И50.
В вегетативных органах и соцветиях календулы определено содержание макроэлементов (азот, фосфор, калий) и микроэлемента цинка, содержащегося в одном из используемых нами удобрений. Результаты представлены в табл. 3.
Так как в литературе данные по содержанию фосфора и калия противоречивы, каждый из этих элементов определяли двумя методами. Результаты по содержанию калия, полученные методами АЭС-ИСП и МПФ, и фосфора, полученные АЭС-ИСП и РФА, можно считать равнозначными в связи с тем, что различия в паре для каждого <5% (табл. 3). Для всех растений содержание минеральных элементов в вегетативных органах выше, чем в соцветиях.
Результаты эксперимента показали, что незначительное внесение минерального азота оказывает существенное влияние на процессы поглощения питательных элементов растением. Однако следует отметить, что поглощение вегетативными органами снижается при поступлении таких значимых питательных элементов, как фосфор (с 0,415 до 0,373%) и калий (с 3,47 до 3,16%). Причем это наблюдается не только в вегетативной массе, но и в цветках. Так, количество фосфора в последних падает с 0,274 до 0,260%, а калия — с 2,65 до 2,54%. Внесение азота сопровождается увеличением его поступления как в вегетативные органы (с 3,30 до 4,58%), так и в цветки (с 2,05 до 2,89%) (рисунок).
Выявлено, что в ходе экспериментов были созданы два фона, на которых действие цинковых удобрений проявилось по-разному. В опытах с различным фоном по азоту внесение цинка влияет на закономерности содержания элементов питания в зависимости от его концентрации. В вариантах без дополнительного внесения азота и при увеличении концентрации цинка в почве его количество
в растениях существенно возрастает. В вегетативной массе оно увеличивается с 30,8 на контроле до 41,0 и 44,7 мг% в образцах, в соцветиях — с 5,73 до 8,47 и 10,48 мг% соответственно дозам цинка (рисунок). На фоне внесения азотных удобрений поступление цинка в растения снижается (с 30,8 до 28,0 мг% в вегетативной части растения и с 5,73 до 4,52 мг% — в цветках). Дополнительное внесение этого элемента повышает его содержание в вегетативной массе и в соцветиях и коррелирует с дозами цинка (внесение 20 мг/кг соответствует 29,9 и 4,98 мг% соответственно, а внесение 50 мг/кг соответствует 35,0 и 6,47 мг% соответственно). В варианте с максимальным внесением цинка на фоне внесения «стартовой» дозы азота суммарное содержание цинка в вегетативной массе и соцветиях немного превышает уровень контрольного варианта без внесения удобрений.
В цветках и вегетативных органах календулы сорта Кальта максимальное содержание азота наблюдается в варианте, где вносилось только азотное удобрение. Однако при применении цинка в вариантах без внесения азота достоверных изменений не происходит, наблюдается лишь тенденция к увеличению, а в вариантах с внесением азота установлено достоверное снижение его содержания как в вегетативных органах растения, так и в цветках, причем с увеличением дозы цинка связано снижение содержания азота.
Содержание фосфора в вариантах без внесения азота коррелирует с содержанием последнего. Более высокое содержание этих элементов — в варианте с применением невысокой дозы цинка (2И20) (рисунок). Количество калия в этих вариантах растет в зависимости от увеличения дозы цинка. На фоне внесения азота действие цинка на поглощение фосфора и калия не оказало достоверного влияния, установлена лишь тенденция к снижению их содержания. Связь же между азотом в растениях и применением цинка очевидна. Сум-
Фракционный состав каротиноидов (слева) и процентное содержание фракций (справа) в цветках календулы в зависимости от агрохимических средств при выращивании на черноземе: 1—6 — обозначения контрольного, 2и20, ^И50, К, N + 2и20 и N + 2и50 вариантов соответственно; фракции каротиноидов: а — а-каротин, Ь — ликопин, с — флавоксантин, й — рубик-
сантин, е — лютеин и зеаксантин, / — р-каротин, g — другие
марное содержание азота в растении снижается в соответствии с используемыми дозами цинка: с 4,58 до 3,55 и 3,20% в вегетативной массе и с 2,89 до 2,38 и 1,91% в цветках.
Одна из основных наших задач в исследовании, помимо подбора агрохимических средств с целью повышения выхода растительного материала соцветий календулы, — изучение изменений качественного и количественного состава каро-тиноидов в цветках календулы под воздействием используемых удобрений. Исследование, направленное на изучение фракционного состава каро-тиноидов и установление их количественного содержания в сырье календулы, проводили на образцах цветков, отобранных в вегетационном опыте второго года. Для решения данной задачи применили метод ВЭЖХ, для которого предварительно разработали методику определения каротиноидов в сухом растительном материале (цветки). В упомянутой методике описаны условия для проведения пробоподготовки образцов, включающие этапы экстракции, омыления и очистки, а также непосредственно хроматографические условия для проведения анализа на приборе ВЭЖХ с колонкой цианопропильной модификации (Мие1еоёиг 100-5 СЫ-ЯР 5 цш, 125х4,6 шш).Подробное описание данной методики опубликовано ранее [12].
Нами определены фракции каротиноидов, идентифицируемые следующими индивидуальными соединениями: Р-каротин, а-каротин, ликопин, рубиксантин, лютеин + зеаксантин и флавоксан-тин. Перечисленные фракции, за исключением а-каротина, найдены во всех пробах цветков каждого варианта вегетационного опыта. Указанная фракция не обнаружена в варианте N + 2п50.
На рисунке в форме диаграмм представлены состав установленных фракций каротиноидов в пересчете на 100 г абсолютно сухого материала цветков календулы (слева) и значения отношений каждой из данных фракций к общей сумме каро-тиноидов, принятой за 100% (справа). Наибольшее накопление общей суммы каротиноидов происходит при развитии и росте растений в условиях варианта N + 2п5о: относительно контрольного варианта значение этого показателя увеличилось на 108%, т.е. возросло в два раза. Что касается содержания фракции Р-каротина, то после применения азотного удобрения и при индивидуальном внесении цинковых удобрений (2п2о и 2п5о) его содержание снизилось с 4,85 мг% на контроле до 2,51, 2,32 и 3,38 мг% соответственно. При использовании цинка совместно с азотным удобрением содержание Р-каротина в соцветиях увеличивается и достигает прежнего уровня, как и в варианте без применения удобрений и даже немного выше: 5,41 ^ + 2п20) и 5,31 мг% ^ + 2п50). Однако процентное содержание этой фракции остается самым высоким именно в контрольном варианте
и составляет более 40% от суммы каротиноидов, тогда как в других вариантах колеблется от 16,5 (вариант К) до 26,5% (вариант N + 2п2о).
В контрольном варианте также более активно синтезируется фракция каротиноидов, идентифицируемая ликопином: абсолютное ее содержание равно 0,72 мг%. Выход в пересчете на общее количество каротиноидов составляет > 6%, тогда как в вариантах с комплексным применением азотного и цинкового удобрений ^ + 2п2о и N + 2п5о) данный показатель равен 1,9%. Содержание в пересчете на 100 г абсолютно сухих цветков — 0,38 и 0,47 мг% соответственно. Минимальное содержание данной фракции установлено в варианте 2п2о и составляет 1,3% от общей суммы каротиноидов (0,19 мг%). Таким образом, необходимо подчеркнуть, что синтез именно этих фракций каротиноидов в календуле, продуцируемых на черноземе обыкновенном, идет более активно в естественных условиях (без применения минеральных удобрений).
Фракция, идентифицируемая суммарным содержанием лютеина и зеаксантина, также заслуживает отдельного внимания по той причине, что, как и для первых двух (Р-каротина и ликопина), доказана биологическая активность в организме человека и выявлена потребность фарминдустрии в них. Отношение данной фракции к общей сумме каротиноидов в цветках, выращенных в различных агрохимических условиях, лежит в пределах от 11 до 17%. Увеличение содержания данной фракции наблюдается во всех вариантах, где применялось цинковое удобрение, т.е. как на фоне азота, так и без его внесения. Относительно контрольного варианта (1,36 мг%) расположим варианты вегетационного опыта в порядке, соответствующем возрастанию данной фракции каротиноидов на 100 г массы абсолютно сухих цветков: N (1,75 мг%), 2п20 (2,11 мг%), N + 2п20 (2,60 мг%), N + 2п50 (2,74 мг%), 2п50 (2,91 мг%).
Для фракции, содержащей рубиксантин, лучшие показатели, характеризующие ее количество в 100 г сухого растительного материала, получены для растений в варианте N + 2п5о — 3,08 мг%, однако самый значительный вклад в общую сумму каротиноидов (на уровне, близком к 19%) она имеет в цветках календулы, выращенной в контрольном и ^вариантах. Наиболее стабильный показатель по содержанию фракции в 100 г абсолютно сухих цветков получен для флавоксантина. В большинстве случаев данное значение лежит в пределах 1,36—1,62 мг%, однако в контрольном варианте оно в четыре раза ниже (0,36 мг%), а в варианте N + 2п5о — выше в два раза (2,94 мг%).
Из всех установленных нами фракций самое низкие значения обоих показателей имеет фракция, идентифицируемая а-каротином, которая до-
Таблица 4
Накопление каротиноидов цветками ста цветущих растений календулы за весь вегетационный период в зависимости от условий минерального питания, мг
Вещество Контроль Zn20 Zn50 N N + Zn20 N + Zn50
ß-Каротин 3,84 1,41 2,17 1,61 4,13 6,70
а-Каротин 0,06 0,04 0,09 0,12 0,13 —
Ликопин 0,57 0,11 0,38 0,16 0,29 0,59
Лютеин + зеаксантин 1,08 1,28 1,87 1,13 1,98 3,46
Рубиксантин 1,75 1,15 1,14 1,83 1,03 3,88
Флавоксантин 0,29 0,98 0,87 0,88 1,07 3,70
Сумма каротиноидов 9,25 8,45 10,69 9,80 15,59 30,58
стигает своего максимума (0,18 мг%) в N-варианте и составляет 1,2% от общей суммы каротиноидов.
Для оценки качества сырья календулы, полученного в условиях выращивания растений на черноземе с применением различного сочетания доз азотного и цинкового удобрений, выполнен расчет выхода отдельных фракций и общей суммы каро-тиноидов со ста цветущих растений за весь период проведения вегетационного опыта (табл. 4).
Из результатов данного расчета видно, что наибольшие значения выхода общего количества каротиноидов и каждой отдельной фракции, за исключением а-каротина, получено с растений, выращенных в варианте N + Zn50, которым характерно формирование наибольшего количества соцветий (табл. 1) и непосредственно лекарственного сырья (табл. 2) за весь вегетационный период. Относительно контрольного варианта самое значительное изменение установлено для флавоксантиновой фракции, которая возрастает почти в 13 раз. Для общей суммы каротиноидов и фракции, идентифицируемой лютеином (зеаксантином), значение выхода увеличивается более чем в три раза, а для фракций, содержащих ß-каротин и рубиксантин, — примерно в два раза. В значении, характеризующем выход фракции с ликопином, явных изменений не выявлено: уровень получаемого результата не ниже, чем в контрольном варианте.
Выводы
Результаты экспериментов позволили определить оптимальные условия культивирования ка-
лендулы лекарственной на черноземе обыкновенном с применением азотного и цинкового удобрений, а также оценить влияние используемых элементов питания на получаемый растительный материал с позиций качества и количественного содержания каротиноидов. Установлено, что для получения высокопродуктивного сырья Calendula officinalis L. в моделируемых нами условиях наиболее эффективным является внесение в почву высокой дозы цинкового удобрения совместно с минеральным азотом (N + Zn50). Азотные удобрения здесь выступают как фактор активации биологических процессов, необходимый для реализации потенциальных ресурсов данного типа почв. Однако максимальный уровень выхода лекарственного сырья получен в варианте, где азот применяется совместно с высокой дозой цинкового удобрения. Изменение фракционного состава и улучшение показателя урожайности приводят к тому, что за весь вегетационный период накопление каротиноидов одним растением наиболее эффективно в этом же варианте опыта.
Соблюдение предлагаемых агрохимических условий сопровождается максимальным значением суммарного количества каротиноидов по массе и максимальными значениями по этому показателю для фракций, содержащих важные соединения, используемые в медицинской практике.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Атлас лекарственных растений России / Под общ. ред. В.А. Быкова. М., 2006.
2. Бобренко И.А., Гоман Н.В., Попова В.И., Болды-шева Е.П. Эффективность основного внесения цинковых удобрений под озимые зерновые культуры на луго-во-черноземной почве Западной Сибири // Омск. науч. вестн. Сельскохоз. науки. 2011. № 1 (104).
3. Воронина Л.П., Лаптинская П.К., Хотченков В.П., Морачевская Е.В. Каротиноиды в Calendula officinalis L., роль факторов, воздействующих на их содержание // Пробл. агрохим. и экол. 2016. № 4.
4. Голубкина Н.А., Пышная О.Н., Бондарева Н.В. Биологическое значение каротиноидов // Овощи России. 2010. № 2 (8).
5. Гончаров А.В., Левандовский Г.С., Хоциалова Л.И., Ермаков М.А. Биологические особенности роста и развития сортов примулы ушковой и календулы лекарственной в условиях Московской области // Вестн. Рос. гос. аграр. заоч. ун-та. Науч. журнал. 2011. № 10 (15).
6. Дейнека И.В., Шапошников А.А., Дейнека Л.А. и др. Каротиноиды: строение, биологические функции и перспективы применения // Науч. ведом. 2008. № 6 (46).
7. Конкарева Н.В., Шульпекова Т.П. Семенная продуктивность однолетних цветочных культур в условиях Белгородской области // Науч. ведом. Белгород. гос. ун-та. Сер. Естеств. науки. 2011. № 3 (98), вып. 14.
8. Костылев Д.А. Нормы внесения удобрений под календулу лекарственную // Изв. Оренбург. гос. аграр. ун-та. 2015. № 1(51).
9. Костылев Д.А., Исмагилов Р.Р. Уборка соцветий календулы лекарственной в условиях Южного Пред-уралья // Достижения науки и техники АПК. НТП: земледелие и растениеводство. 2011. № 2.
10. Куркин В.А., Шарова О.В., Афанасьева П.В. и др. Перспективы создания высокопродуктивной сырьевой базы календулы лекарственной // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2012. Т. 14, № 1 (9).
11. Курсакова В.С., Драчев Д.В. Роль микробных азотфиксирующих препаратов и азотных удобрений в формировании урожайности мягкой яровой пшеницы // Вестн. Алтайск. гос. аграр. ун-та. 2008. № 8 (46).
12. Лаптинская П.К., Воронина Л.П., Зайчик Б.И., Ташлицкий В.Н. Метод ВЭЖХ для определения каро-тиноидов в сухом растительном материале (цветках) Calendula officinalis L. // Вопр. обеспеч. качества лекарств. средств. 2015. № 4 (9).
13. Маланкина Е.Л., Кузнецова Л.В., Козловская Л.Н. и др. Использование декоративных сортов календулы лекарственной (C»lendul» offic^lis L.) в качестве источника лекарственного растительного сырья в условиях Нечерноземной зоны России // Изв. ТСХА. 2012. Вып. 2.
14. Малявина В.В., Швидко Е.А., Сампиев А.М. Перспективы расширения спектра медицинского применения бета-каротина // Кубан. науч. мед. вестн. 2010. № 3—4(117—118).
15. Мировая реферативная база почвенных ресурсов 2014. Международная система почвенной классификации для диагностики почв и создания легенд почвенных карт. Исправленная и дополненная версия. М., 2015.
16. Павлов К.В. , Новиков М.М., Клешканова Е.В. Минеральное питание ячменя на черноземе при внесении хлористого калия // Агрохимия. 2015. № 3.
17. Поляков Н.Э., Лёшина Т.В. Некоторые аспекты реакционной способности каротиноидов. Окислительно-восстановительные процессы и комплексооб-разование // Успехи химии. 2006. № 12 (75).
18. Ушанова В.М., Воронин В.М., Репях С.М. Исследование влияния компонентов лекарственного сырья на состав получаемых экстрактов // Химия растит. сырья. 2001. № 3.
19. ЭДТА-Zn:[(EDTA-Zn)Na2]. URL: http://www. mgshort.com/images/15_dissolvinee-zn-15_user_leaflet.pdf (дата обращения: 19.05.2019).
20. Bendich A. Biological functions of carotenoids // Carotenoids in human health / Ed. by L.M. Canfield et al. N.Y., 1993.
21. Jurcovan M, Dumbrava D.G., Hadaruga N.G. et al. Obtaining and comparative analysis of some carotenoidic extracts from marigold (Calendula officinalis L.) flowers and celandine (Chelidonium majus L.) flowers // J. Agro-alim. Proc. Technol. 2013. N 19 (1).
22. MalekiA., Feizolahi A., Daneshian J. et al. Effects of different sources of nitrogen and zinc sulfate on grain yield and its associated traits in marigold (Calendula officinalis L.) // Int. J. Biosci. 2014. N 4 (6).
23. Pintea A., Bele C, Andrei S, Socaciu C. HPLC analysis of carotenoids in four varieties of Calendula officinalis L. flowers // Acta Biol. Szegedien. 2003. N 47 (1—4).
24. Rafiee H, Mehrafarin A., Labbafi M. et al. Mineral elements and biochemical analysis of Calendula of-ficinalis L. affected by bio-stimulators // Trakia J. Sci. 2015. N 1.
25. SedghiM, PirzadA., Amanpour-Balaneji B. Light absorption and carotenoid synthesis of Pot Marigold (Calendula officinalis L.) in response and potassium varying levels // Not. Sci. Biol. 2011. N 3(1).
Поступила в редакцию 19.07.2019 После доработки 29.08.2019 Принята к публикации 18.09.2019
CHANGE IN THE FRACTIONAL COMPOSITION OF CAROTENOIDS
IN CALENDULA OFFICINALIS L. DUE TO NUTRIENTS THE ZINC
AND NITROGEN IN CHERNOZEM SOIL
L.P. Voronina, P.K. Laptinskaya, N.N. Brykovskaya
The article considers agrochemical factors for cultivation of medicinal plants with focus on biomass increase primarily due to a role of nitrogen and zinc and change in the fractional composition and concentration of carotenoids in Calendula officinalis L.
A two-year vegetative experiment with calendula of Kalta variety was carried out. Effects of Zn and Zn supplemented with N intake on morphological changes, blooming and reproduction were studied. Intake of nutrients into above-ground plant parts was studied utilizing a variety of chemical methods. The quantitative and qualitative composition of carotenoids by HPLC was established. The calculated value of the accumulation of carotenoids by plants for the entire vegetation period was performed.
Data were subjected to analysis of variance (ANOVA) and means were separated by Duncan multiple range test at P < 0,05 significant level. Factors selected by us in the growing experiment, formed contrasting options which allowed to determine the most effective way to grow medicinal crops on chernozem soil.
Key words: Calendula officinalis L., agrochemical conditions, productivity, medical raw materials, fractional composition, carotenoids.
Сведения об авторах
Воронина Людмила Петровна, докт. биол. наук, вед. науч. сотр. каф. агрохимии и биохимии растений ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова; зав. лабораторией эколого-гигиенической оценки отходов и почвы Центра стратегического планирования и управления медико-биологическими рисками здоровью Министерства здравоохранения Российской Федерации. E-mail: Luydmila.voronina@gmail.com. Лаптинская Полина Константиновна, науч. сотр. Ин-та общей физики им. А.М. Прохорова РАН. E-mail: laptionok@gmail.com. Брыковская Наталья Николаевна, аспирант каф. агрохимии и биохимии растений ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: nn br@mail.ru.
