CC BY
283
УДК 543.511; 547.913
ИЗУЧЕНИЕ СОСТАВА ЭФИРНЫХ МАСЕЛ ЭФИРОМАСЛИЧНЫХ РАСТЕНИЙ НЕЧЕРНОЗЁМНОЙ ЗОНЫ РОССИИ
В.Л. ДМИТРИЕВА, Л.Б. ДМИТРИЕВ
(Кафедра физической и органической химии рГаУ - МСХА имени К.А. Тимирязева)
Методом ГЖХ-МС исследован состав эфирных масел и его изменение в онтогенезе и под экзогенным воздействием на растения препаратами ретардантного типа в предуборочный период Mentha piperita L., Monarda didyma L., Monarda citriadora Cerv., Dracocephalum moldavica L., Agastache Clayt., Lophanthus Adans., Elsholtzia ciliata Thunb. При интродукции эфиромасличных культур из южных районов в более северные регионы компонентный состав эфирного масла практически не претерпевает изменений, наблюдаются лишь незначительные отклонения в содержании некоторых терпеноидов масел. Экзогенная предуборочная обработка растений регуляторами роста позволяет, в некоторых случаях, целенаправленно влиять на активность биосинтеза тех или иных терпеноидов, повышая содержание наиболее ценных компонентов эфирного масла.
Ключевые слова: ГЖХ, МС, эфирное масло, терпеноиды, ретарданты, эфиромасличные культуры, мята, монарда, многоколосник, лофант, эльшольция, змееголовник.
В рамках программы «Технология возделывания эфиромасличных культур с заданным и контролируемым составом целевого продукта (эфирного масла)» адаптирована методика [24] ГЖХ-МС анализа масла для аппаратно-программного комплекса — газожидкостной хроматограф с масс-спектральным детектором «Clarus 600 C/D/S/T MS» (изготовитель Perkin Elmer Lift and Analytical Siences, USA) [12].
Содержание и состав ЭМ в значительной степени определяется такими факторами, как возраст растений и листьев, а также различными климатическими, почвенными и агротехническими условиями [18, 20, 21]. Обработка растений различными фиторегуляторами также влияет на содержание и состав масла [3, 7-9, 13, 16-19, 22, 23].
Биосинтез терпеноидов осуществляется в полиферментных центрах, активность и характер работы которых определяется прежде всего генетическими особенностями растений, кроме того, активность тех или иных ферментов этих центров находится под контролем гормонального баланса и изменяется в онтогенезе, а также под влиянием экзогенных факторов.
Целью проводимых исследований является изучение компонентного состава эфирного масла (ЭМ) интродуцируемых в Нечерноземную зону России эфиромасличных культур, сравнение его с маслом растений, выращенных в традиционных условиях, разработка нового подхода к целенаправленному изменению компонентного состава в сторону повышения содержания наиболее ценных компонентов
под влиянием действия синтетических фиторегуляторов, а также изучение произрастающих в естественных условиях таксонов для рекомендаций к введению их в культуру.
При интродукции и селекции эфиромасличных и лекарственных растений важными показателями являются не только урожай сырья и выход ЭМ, но и его качество, которое определяется соотношением компонентов. В связи с этим было уделено большое внимание детальному определению состава ЭМ различных биотипов и сортов растений, рекомендуемых для выращивания в Нечерноземной зоне России, и проведена сравнительная оценка их состава с составом масел растений, выращенных в южных условиях (в основном в Никитском ботаническом саду).
Решение практических задач повышения продуктивности и качества сырья эфиромасличных растений, как правило, осуществляется традиционным путем создания желаемых новых генотипов методами селекции (эндогенная регуляция продуктивности). Это результативный, но длительный и трудоемкий процесс. Использовать для этих целей модификационную (онтогенетическую) изменчивость растений весьма сложно, так как на нее в сильной степени влияют климатические условия, складывающиеся в течение вегетационного периода.
В процессе анализа полученных данных была предложена система целенаправленной экзогенной регуляции модификационной изменчивости качества сырья (содержания и состава масла) некоторых эфиромасличных растений методом предуборочной их обработки синтетическими фиторегуляторами [15].
Материалы и методы
Для изучения поставленных вопросов были проведены мелкоделяночные полевые и вегетационные опыты на коллекционном материале, произрастающем в Ботаническом саду ВИЛАР, в т.ч. пять селекционных сортов мяты перечной (Mentha piperita L.): Москвичка, Лекарственная 4, Медичка, Кубанская 6, Прилукская 6, два вида рода монарда (Monarda didyma L., M. citriadora Cerv.), змееголовник молдавский (Dracocephalum moldavica L.), род многоколосник (Agastache Clayt.), род лофант (Lophanthus Adans.), некоторые виды рода эльшольция (Elsholtzia).
В вегетационных опытах субстратом служила смесь дерново-подзолистой почвы с торфом (1:1). В качестве фона минеральных удобрений вносили углекислый кальций по норме нейтрализации полной гидролитической кислотности, а также азот, фосфор и калий в форме солей из расчета 0,15 г д.в. на 1 кг почвенной смеси. В каждом вегетационном сосуде емкостью 12 кг выращивали по 4 растения мяты. Повторность опыта 5-кратная. Полевой опыт проводили на делянках учетной площадью 1,7 м2 в 4-кратной повторности на опытной базе ВИЛАР.
Регуляторы роста использовали в форме коммерческих препаратов: отечественный гиббереллин А3 (ГК); хлорхолинхлорид (ССС) и цикоцель (хлормекват-хлорид) (БАСФ, Германия); кампозан-М экстра ( Биттерфельд, Германия). Концентрацию водных растворов фиторегуляторов рассчитывали по препарату. Обработку растений регуляторами роста проводили в фазу начала бутонизации — начала цветения, когда содержание масла максимально. Контрольные растения опрыскивали водой. Через 7-15 сут. после обработок надземную часть растений срезали и анализировали. С учетом видовых и сортовых особенностей культур на действие фиторегуляторов для каждой из них подбирали оптимальные концентрации ретардантов, обеспечивающие наилучшее сочетание урожайности растений, содержания и сбора ЭМ. Кампозан использовали в концентрациях 0,03; 0,05; 0,1 и 0,15%, а ССС — 0,05;
0,075 и 0,1%.
ЭМ выделяли методом гидродистилляции. Содержание компонентов масла вычисляли по показаниям пламенно-ионизационного детектора в трёх повторностях. Относительная ошибка выборочной средней (8х%) выходных сигналов прибора менее 2% в диапазоне измерений концентрации компонентов анализируемых образцов — от 90 до 0,001 %. Идентификация компонентов ЭМ осуществлялась по библиотеке масс-спектров «№8Т-05» и библиотеке индексов удерживания терпенои-дов, рассчитанных по методу эллипсоидного расчёта распределения удерживания н-алканов в режиме произвольного программирования температуры анализа.
Результаты и их обсуждение
В первую очередь был определён состав масел различных видов, разновидностей и сортов интересующих нас эфироносов (учитывая большой разброс литературных данных) применительно к нашей методике анализа ЭМ (табл. 1).
Т а б л и ц а 1
Состав эфирных масел различных сортов мяты из коллекции ВИЛАР, (х ± ^5зх)%
Компонент ЭМ Москвичка Медичка Лекарственная 4 Кубанская 6 Прилукская 6
а-пинен 0,06 ± 0,002 0,13 ± 0,004 0,17 ± 0,01 0,03 ± 0,001 0,20 ± 0,005
Р-пинен 0,10 ± 0,004 0,20 ± 0,01 0,28 ± 0,01 0,11 ± 0,003 0,43 ± 0,01
Сабинен 0,03 ± 0,001 0,08 ± 0,003 0,11 ± 0,003 0,06 ± 0,002 0,28 ± 0,01
Мирцен 0,07 ± 0,002 0,13 ± 0,004 0,08 ± 0,003 0,13 ± 0,004 0,23 ± 0,01
Лимонен 0,20 ± 0,01 2,11 ± 0,07 1,72 ± 0,06 0,97 ± 0,03 3,86 ± 0,09
1,8-цинеол 0,09 ± 0,003 0,27 ± 0,01 0,15 ± 0,01 0,12 ± 0,004 4,91 ± 0,12
^ис-р-оцимен 0,02 ± 0,001 0,07 ± 0,002 0,04 ± 0,001 <0,01 0,57 ± 0,01
Транс-р-оцимен 0,06 ± 0,002 0,01 ± 0,001 <0,01 <0,01 0,14 ± 0,003
л-цимол 0,01 ± 0,001 0,03 ± 0,001 <0,01 <0,01 <0,01
а-терпинен 0,15 ± 0,01 0,04 ± 0,001 0,04 ± 0,001 <0,01 0,06 ± 0,001
Октенол-2 0,06 ± 0,002 0,02 ± 0,001 0,16 ± 0,01 0,07 ± 0,002 0,16 ± 0,004
Ментон 7,82 ± 0,28 14,82 ± 0,47 17,43 ± 0,55 11,55 ± 0,34 25,37 ± 0,62
Ментофуран 0,13 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,06 ± 0,002 0,02 ± 0,001 0,20 ± 0,01
Изо-ментон 2,88 ± 0,10 1,35 ± 0,04 1,57 ± 0,05 18,26 ± 0,54 2,25 ± 0,01
Изо-пулегон <0,01 <0,01 <0,01 0,12 ± 0,004 0,24 ± 0,01
Камфора <0,01 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01
Линалоол 0,02 ± 0,001 0,10 ± 0,003 0,10 ± 0,003 <0,01 0,35 ± 0,01
Ментилацетат 5,19 ± 0,18 1,57 ± 0,05 2,34 ± 0,07 14,57 ± 0,43 1,74 ± 0,04
Р-кариофиллен 1,10 ± 0,04 2,28 ± 0,07 1,38 ± 0,04 0,55 ± 0,02 <0,01
Нео-ментол 1,74 ± 0,06 2,30 ± 0,07 1,74 ± 0,05 1,16 ± 0,03 3,98 ± 0,10
Терпинен-4-ол 0,07 ± 0,002 0,07 ± 0,002 0,04 ± 0,001 <0,01 0,29 ± 0,01
/-ментол 79,17 ± 2,80 71,58 ± 2,27 70,88 ± 2,25 47,02 ± 1,38 47,61 ± 1,16
Изо-ментол 0,05 ± 0,002 0,10 ± 0,003 <0,01 0,69 ± 0,02 <0,01
Пулегон 1,14 ± 0,04 1,13 ± 0,04 0,58 ± 0,02 0,82 ± 0,02 2,81 ± 0,07
у-кадинен 0,36 ± 0,01 0,22 ± 0,01 0,31 ± 0,01 0,21 ± 0,01 1,40 ± 0,03
Пиперитон 1,14 ± 0,04 1,01 ± 0,03 0,68 ± 0,02 1,28 ± 0,04 1,94 ± 0,05
Содержание ЭМ, г/100 г сухой массы 4,44 ± 0,11 3,48 ± 0,13 5,08 ± 0,12 4,93 ± 0,11 2,53 ± 0,09
Гормональный статус растений меняется в ходе развития (смена фаз) и в соответствии с потребностью на данном этапе меняется характер биосинтеза вторичных метаболитов. В случае эфиромасличных культур меняется соотношение компонентов ЭМ.
В таблице 2 представлены данные об изменении состава масла мяты перечной (Menthapiperita L.) низкоментольного сорта Краснодарская 2 в зависимости от фазы развития. Видно, что при переходе из фазы кущения в фазу бутонизации происходит резкое увеличение содержания ментола в масле, затем в фазу цветения его уровень практически стабилизируется и даже несколько снижается. Естественно, что при этом содержание ментона в фазу бутонизации более чем в два раза уменьшается по сравнению с фазой кущения, но в фазу цветения происходит его нарастание за счет других компонентов.
Т а б л и ц а 2
Изменение состава эфирного масла мяты в зависимости от фазы развития
(сорт Краснодарская — 2, ГБС, Москва) (х ±105зх)%
Компонент ЭМ Кущение 19.06 Бутонизация 7.08 Цветение 23.08
а-пинен 0,12 ± 0,004 0,09 ± 0,005 0,21 ± 0,01
Камфен 0,03 ± 0,001 0,04 ± 0,001 0,08 ± 0,003
Р-пинен 0,31 ± 0,01 0,24 ± 0,01 0,40 ± 0,03
Сабинен 0,15 ± 0,005 0,14 ± 0,005 0,17 ± 0,01
Мирцен 0,05 ± 0,002 0,04 ± 0,001 0,02 ± 0,005
Лимонен 0,89 ± 0,03 0,54 ± 0,02 0,88 ± 0,03
1,8-цинеол 2,17 ± 0,07 2,44 ± 0,07 2,63 ± 0,08
^ис-р-оцимен 0,04 ± 0,001 0,04 ± 0,001 0,07 ± 0,004
Транс-р-оцимен 0,04 ± 0,001 0,03 ± 0,001 0,03 ± 0,004
р-цимол 0,20 ± 0,01 0,28 ± 0,01 0,28 ± 0,02
а-терпинолен 0,02 ± 0,001 0,04 ± 0,001 0,03 ± 0,001
Октанол-3 0,10 ± 0,004 0,11 ± 0,005 0,12 ± 0,005
Октенол-3 0,21 ± 0,01 0,47 ± 0,02 0,49 ± 0,03
Ментон 55,21 ± 1,69 25,08 ± 0,62 32,34 ± 1,12
Ментофуран 0,68 ± 0,04 1,27 ± 0,04 0,10 ± 0,004
Изо-ментон 5,77 ± 0,15 8,30 ± 0,32 4,77 ± 0,14
Линалоол 0,23 ± 0,01 0,16 ± 0,01 0,07 ± 0,002
Ментилацетат 0,47 ± 0,02 1,44 ± 0,05 1,26 ± 0,04
Изо-карвон 0,19 ± 0,01 0,36 ± 0,02 0,29 ± 0,02
Нео-ментол 1,72 ± 0,05 2,96 ± 0,08 2,62 ± 0,07
Р-кариофиллен 1,13 ± 0,04 0,91 ± 0,04 0,37 ± 0,04
Сабинен гидрат 0,53 ± 0,02 0,66 ± 0,03 0,38 ± 0,03
Терпинен-4-ол 0,20 ± 0,01 1,09 ± 0,05 0,40 ± 0,03
/-ментол 24,71 ± 0,60 45,35 ± 1,24 41,45 ± 1,15
Изо-ментол 1,32 ± 0,03 5,11 ± 0,15 8,07 ± 0,22
Пулегон 0,11 ± 0,001 0,20 ± 0,01 0,07 ± 0,004
а-кариофиллен 0,39 ± 0,02 0,26 ± 0,01 0,40 ± 0,03
у-кадинен 0,48 ± 0,02 0,21 ± 0,01 0,01 ± 0,005
Пиперитон 1,61 ± 0,04 1,30 ± 0,04 1,22 ± 0,04
Содержание ЭМ % к воздушно-сухой массе НСР05 = 0,07 (8,34%) 0,50 0,77 1,20
На рисунке 1 более наглядно прослеживается динамика накопления ЭМ и увеличение в нём общего количества ментола и его содержания по мере перехода от фазы кущения к фазе цветения. Однако производная тангенса угла наклона кривой (Лtg М) изменения содержания ментона в момент перехода от фазы бутонизации к фазе цветения оказывается больше, чем соответствующая производная для ментола, т.е. при общей тенденции к увеличению содержания обоих компонентов в растении энергия биосинтеза ментона на данной стадии онтогенеза оказывается выше, чем для ментола. Именно в этот момент соотношение трёх переменных — общее содержание ЭМ и количество в нём ментола и ментона оказывается оптимальным. Аналогичные результаты наблюдаются и для высокоментольных сортов мяты (рис. 2), и для других эфиромасличных культур.
Можно было предположить, что замедление развития растений на этой стадии онтогенеза путём обработки их ретардантами может привести к увеличению содержания в них ЭМ и ментола.
Первые вегетационные опыты с мятой сорта Москвичка показали, что предуборочная обработка растений ССС приводила к изменениям содержания ЭМ и характера биосинтеза его компонентов. Сбор ЭМ через 7 сут. после обработки растений ретардантами увеличился на 40% по сравнению с контролем. На фоне предуборочных обработок растений, в диапазоне нескольких испытанных концентраций препарата, стабильно повышалось на 5-11% содержание в ЭМ ментола. Дальнейшие исследования подтвердили эту закономерность, причем адекватно увеличению содержания ментола в ЭМ снижалась массовая доля наименее ценного компонента — ментона.
Обработка растений ретардантами типа хлорхолинхлорида ингибирует активность энт-кауренсинтетазы, что предотвращает циклизацию геранилгеранилпиро-фосфата в энт-каурен, подавляя таким образом биосинтез гиббереллинов. Также подавляет биосинтез гиббереллинов и препарат 2-ХЕФК.
В ЭМ высокоментольных сортов мяты (табл. 3) (Москвичка, Лекарственная 4, Медичка) содержание ментона и других кетонов уменьшалось в 1,2-1,4 раза
16.06 25.06 4.07 13.07 22.07 31.07 9.08 18.08 27.08
Кущение Бутонизация Цветение
Рис. 1. Мята сорта Краснодарская 2. Изменение содержания ЭМ и его основных компонентов
в зависимости от фазы развития
:=
С
*
2900 - 2610 2710 г 40
2520 © Содержание ЭМ,
2400 - © 2157 В 2187 - 35 мг/100 г
2038 /- Ментол В - 30
1900 Н - 25 -0-- Язо-ментол Нео-ментол
1400 16 - 20 Ментон
900 10 Лимонен 11 -А - 15 о .. Язо-ментон Ментилацетат
- 10
400 -250 183 258 Ь-кариофиллен
4— Ментон * - 5
■ ♦ - --Д-- Лимонен
а— - - - -а— £
20.8 30.8
Начало бутонизации Массовая бутонизация
Рис. 2. Динамика изменения содержания и состава ЭМ в онтогенезе. Мята сорта Москвичка
(от 15-18% до 9-12% в зависимости от сорта). Снижалось и содержание монотер-пеновых углеводородов. При этом повышался уровень /-ментола, изо-ментола, мен-тилацетата и сесквитерпеновых углеводородов (по Р-кариофиллену в 1,2-1,4 раза). Наиболее ярко изменения в составе ЭМ проявлялись на примере высокоурожайного генетически пластичного, но низкоментольного сорта мяты Прилукская 6 (рис. 3).
Т а б л и ц а 3
Влияние фиторегуляторов на содержание и состав эфирного масла,
(х ± ^5бх)% (в среднем по 4 повторностям, мята сорта Москвичка)
31.7
10.8
Компонент ЭМ Контроль ССС Кампозан
а-пинен 0,06 ± 0,002 0,07 ± 0,002 0,08 ± 0,003
Р-пинен 0,10 ± 0,003 0,12 ± 0,003 0,11 ± 0,004
Сабинен 0,03 ± 0,001 <0,01 ± 0,001 <0,01 ± 0,001
Мирцен 0,07 ± 0,002 0,07 ± 0,001 0,08 ± 0,003
Лимонен 0,20 ± 0,007 0,22 ± 0,005 0,21 ± 0,01
1,8-цинеол 0,09 ± 0,002 0,12 ± 0,004 0,09 ± 0,004
^ис-р-оцимен 0,02 ± 0,001 0,01 ± 0,001 0,01 ± 0,001
Транс-р-оцимен 0,06 ± 0,001 0,02 ± 0,001 0,01 ± 0,001
р-цимол 0,01 ± 0,001 <0,01 ± 0,001 <0,01 ± 0,001
а-терпинен 0,15 ± 0,004 0,14 ± 0,004 0,09 ± 0,002
Октенол-2 0,06 ± 0,001 0,02 ± 0,001 0,01 ± 0,001
Ментон 7,82 ± 0,01 6,95 ± 0,005 6,83 ± 0,01
Ментофуран 0,13 ± 0,002 0,07 ± 0,001 0,09 ± 0,002
Изо-ментон 2,88 ± 0,008 3,04 ± 0,02 2,79 ± 0,03
Нео-ментон <0,01 ± 0,001 <0,01 ± 0,001 <0,01 ± 0,001
Линалоол 0,02 ± 0,001 <0,01 ± 0,001 <0,01 ± 0,001
Ментилацетат 5,19 ± 0,03 5,72 ± 0,04 4,83 ± 0,04
Компонент ЭМ Контроль ССС Кампозан
Р-кариофиллен 1,10 ± 0,007 1,26 ± 0,01 1,10 ± 0,02
Изо-ментол 1,74 ± 0,008 1,77 ± 0,008 1,70 ± 0,01
Терпинен-4-ол 0,07 ± 0,001 0,03 ± 0,001 0,03 ± 0,001
/-ментол 79,17 ± 1,01 77,69 ± 0,95 79,44 ± 0,85
Нео-ментол 0,05 ± 0,001 0,03 ± 0,001 0,04 ± 0,001
Пулегон 1,14 ± 0,006 1,10 ± 0,008 1,12 ± 0,0,01
у-кадинен 0,36 ± 0,004 0,38 ± 0,005 0,31 ± 0,01
Пиперитон 1,14 ± 0,008 0,96 ± 0,008 0,88 ± 0,009
Содержание ЭМ, % к абсолютно сухой массе НСР05 = 0,06 4,44 4,42 5,22
%
г/100 г сухой массы
------Ментилацетат:
(Контроль)
—©— Контроль
- -0- ■ ССС ■ ■ Д ■ ■ Кампозан
3
Рис. 3. Влияние ретардантов на содержание и состав ЭМ. Мята сорта Прилукская 6
Содержание ментона в этом случае снижалось с 42 до 26%, а суммарное количество монотерпеновых углеводородов — в 1,5 раза. Параллельно практически адекватно увеличивалось количество /-ментола (с 34 до 48%) и ментилацетата (с 2,7 до 5,8%).
Пути биосинтеза компонентов ЭМ, гиббереллинов и абсцизовой кислоты (АБК) тесно взаимосвязаны, так как эти соединения имеют общих предшественников в их образовании. Анализ гормонального баланса показал, что действие ретардантов на растения мяты подавляет биосинтез эндогенных гибберелинов и смещает это равновесие на участке биохимических реакций геранилпирофосфат — геранилге-ранилпирофосфат в сторону геранилпирофосфата и дальнейшего его превращения в монотерпеноиды: ментол и (или) АБК и индолилуксусные кислоты (ИУК). При этом у высокоментольных сортов мяты, где генетически детерминированный биосинтез
ЭМ максимален, обработка фиторегуляторами значительно повышала уровень АБК, а в низкоментольных сортах уровень АБК был близок к контролю, но в этом случае наблюдалось значительное увеличение содержания ментола в ЭМ [10].
Интересные результаты были получены при исследовании динамики накопления компонентов эфирного масла в процессе онтогенеза монарды лимонной (Мопагёа еИпаёога Сегу.) (рис. 4). При переходе от стадии бутонизации к полному цветению наблюдается снижение содержания в растениях карвакрола, ароматических и других углеводородов. Параллельно идет интенсивный биосинтез тимола. В фазе бутониза-
Бутонизация - начало Полное цветение Конец цветения Фаза плодоношения
цветения
Выход ЭМ, мг на 100 г воздушно-сухой массы Тимол ■ Карвокрол п-Цимол
Бутонизация - начало Полное цветение Конец цветения Фаза плодоношения
цветения
Камфен а-Терпинен 'Лимонен b-Фелландрен g-Терпинен
• Цитронеллаль ' Линалоол ' Ь-Кариофиллен ■ Терпинен-4-ол
Рис. 4. Монарда лимонная. Изменение содержания ЭМ и его компонентов в течение вегетации
ции содержание тимола в расчете на 100 г воздушно-сухой массы растений составляло 480 мг, а при полном цветении возросло до 904 мг. По мере завершения цветения и перехода к фазе плодоношения биосинтез тимола резко замедлялся и содержание его в масле падало до 440-460 мг. При этом количество карвакрола снижалось от 500 мг в фазу бутонизации до 100 мг в фазу цветения, а далее начинало плавно увеличиваться. Массовая доля п-цимола в процессе онтогенеза имела тенденцию устойчивого снижения.
Содержание терпеновых и сесквитерпеновых углеводородов в растениях достигает своего максимума в период цветения растений, а затем интенсивность их биосинтеза постепенно падает. Исключением является биосинтез у-терпинена, максимум которого приходится на период окончания цветения. Аналогичная картина наблюдается и для его оксипроизводного — терпинен-4-ола (см. рис. 4).
При обработке растений ретардантами в фазу перехода к полному цветению резко стимулируется накопление наиболее ценного компонента эфирного масла — тимола [4-5, 11]. Было показано, что если соотношение тимола к карвакролу в контрольных растениях равнялось 1:2,3, то после предуборочной обработки хлорхолин-хлоридом тимол становился преобладающим компонентом эфирного масла и его содержание по отношению к карвакролу увеличивается до соотношения 2:1. Еще больший эффект наблюдался на фоне предуборочной обработки растений кампозаном, в этом случае содержание тимола оказалось в 14 раз выше, чем содержание карвакрола (табл. 4).
Т а б л и ц а 4
Влияние регуляторов роста растений на состав эфирного масла Мопагба Сіїгіабога Сегу.
(в %, в среднем по 4 повторностям)
Компонент Контроль ГК ССС Кампозан ГК+ССС ГК+Кампозан НСР05 по компонентам
а-туйен 0,47 0,56 0,48 0,36 0,31 0,37 0,03
а-пинен 1,57 1,61 1,40 1,10 1,05 1,04 0,06
Камфен 0,18 0,13 0,09 0,18 0,14 0,20 0,03
Р-пинен 0,21 0,10 0,10 0,17 0,14 0,21 0,02
Сабинен 0,11 0,14 0,14 0,11 0,14 0,11 0,02
А3-карен 0,12 0,16 0,14 0,12 0,10 0,10 0,02
Мирцен 0,12 0,08 0,06 0,09 0,09 0,09 0,02
а-терпинен 2,60 2,71 2,34 2,17 1,85 1,51 0,08
Лимонен 0,18 0,08 0,05 0,09 0,08 0,10 0,02
Р-фелландрен 1,18 0,67 0,59 0,52 0,48 0,41 0,03
1,8-цинеол 0,31 0,30 0,27 0,23 0,43 0,19 0,04
^ис-р-оцимен 0,08 0,06 0,04 0,07 0,05 0,10 0,02
у-терпинен 0,38 0,54 0,49 0,42 0,16 0,29 0,06
л-цимол 27,64 29,49 21,03 19,16 17,96 22,55 0,45
Октенол-3 1,60 <0,00 0,67 0,48 <0,00 0,08 0,32
Цитронеллаль 4,47 5,36 5,41 5,34 6,34 4,31 0,08
Линалоол 1,10 1,08 1,07 1,19 1,65 1,28 0,13
Тимол 14,19 14,62 38,12 58,31 18,63 10,22 1,25
Карвокрол 32,05 35,53 20,44 4,30 35,95 50,27 1,26
Масло змееголовника молдавского (Вгаеоеерка/ит тоМау!са Ь.) [6, 14, 15] состоит из углеводородов — а-копаен (0,05-0,2%), р-бурбонен (0,05-0,2%), у-елемен (1,7-3,5%); спиртов — октанол-3 (0,05-0,25%), линалоол (0,06-1,10%), транс-сабиненгидрат (0,04-0,17%), нерол (0,19-0,46%), гераниол (3,15-7,90%); кетонов — ментон (0,08-0,26%), вербенон (0,05-0,16%); альдегидов — нераль (12-20%), гера-ниаль (25-45%); эфиров — борнилацетат (0,20-0,90%), геранилацетат (15-43%).
Биосинтез компонентов ЭМ змееголовника идет по более короткой схеме, чем, например, биосинтез ментола ЭМ мяты. Трансформация геранилпирофосфата ограничивается главным образом переходом его в гераниол и его цис-изомер — нерол и продукты их окисления (нераль, гераниаль) и ацилирования (геранилацетат). Суммарное содержание этих соединений в ЭМ — 90%, а концентрация компонентов альтернативного направления биосинтеза (линалоол и его производные) не превышает 0,5%. Такое высокое содержание производных гераниола, обусловленное генетическими факторами, не позволяет экзогенным фиторегуляторам существенно сместить равновесие метаболических реакций в сторону образования продуктов другой ветви биосинтеза, как это было установлено нами на примере увеличения содержания ментола в ЭМ мяты на 5-20% за счет адекватного уменьшения концентрации ментона.
Экзогенная регуляция содержания масла в растениях змееголовника зависит от условий роста и накопления надземной массы в период, предшествующий действию фиторегуляторов. При благоприятном водном и тепловом режиме выращивания растений обработка ретардантами и экзогенной ГК вызывала увеличение содержания в них ЭМ до 0,90-1,25% (0,70% — в контроле). В условиях, когда растения развивались при недостатке влаги (водный стресс), они продуцировали максимальное, определяемое нормой реакции данного генотипа, количество ЭМ — 1,12%. Обработка фиторегуляторами в таких условиях приводила к снижению содержания масла в растениях до 1,00-0,70% и одновременному формированию в растениях рекордно высокого содержания абсцизовой кислоты — 1000-10 000 нг/г сырой массы [14, 15] (обычно содержание АБК в растениях варьирует в пределах 10-100 нг/г). Следовательно, в условиях водного дефицита растения змееголовника продуцируют максимальное, в пределах нормы реакции, количество ЭМ, а избыточный пул геранилпирофосфата трансформируется в АБК. В благоприятных условиях для роста и накопления биомассы обработка растений фиторегуляторами приводит к трансформации предшественника в направлении биосинтеза ЭМ.
Компонентный состав ЭМ змееголовника молдавского слабо подвержен влиянию экзогенных факторов, однако при стрессовых условиях, как и на других эфиромасличных культурах, наблюдается изменение в количественном соотношении компонентов ЭМ. На фоне водного дефицита под влиянием фиторегуляторов в составе ЭМ змееголовника увеличивается содержание альдегидов (гераниаль, нераль) и адекватно снижается концентрация эфиров (геранилацетат). В оптимальных условиях для роста и накопления биомассы, при действии ретардантов имеет место обратная зависимость биотрансформации компонентов ЭМ — увеличивается содержание эфиров и падает концентрация альдегидов (табл. 5).
Многие эфиромасличные культуры обладают довольно стабильным компонентным составом при возделывании в разных почвенно-климатических зонах [15]. К таким культурам можно отнести исследованные ранее змееголовник молдавский (Бгасосерка/ит тоШау1са Ь.) , некоторые виды рода монарда (Мопагёа Ь.), роды многоколосник (Agastache С1ау1.) и лофант (ЬоркаМш Ь.) (при условии правильного отнесения к тому или иному виду) и другие.
Т а б л и ц а 5
Влияние регуляторов роста растений на состав эфирного масла йгасосерЬаІит moldavica Ь. (в %, в среднем по 4 повторностям)
Соединение Конт- роль ГК Кампо- зан ССС ГК+кам- позан ГК+ССС НСР05 по соендин.
Октанол-3 0,15 0,21 0,20 0,12 0,17 0,13 0,03
Октенол-3 0,09 0,14 0,13 0,13 0,11 0,09 0,03
а-копаен 0,09 0,06 0,07 0,08 0,09 0,05 0,02
Р-бурбонен 0,83 0,36 0,21 0,14 0,38 0,30 0,04
Линалоол 0,58 0,46 0,43 0,45 0,38 0,47 0,03
Борнилацетат 0,34 0,76 0,66 0,89 0,81 0,71 0,06
Транс-сабиненгидрат 0,13 0,12 0,10 0,23 0,18 0,14 0,02
Строение не установл. 3,28 1,40 0,74 0,59 0,93 0,77 0,14
Нераль 19,57 20,68 19,57 21,41 22,55 19,41 0,48
Изо-борнеол 0,11 0,12 0,09 0,07 0,09 0,06 0,02
Вербенон 0,15 0,05 0,07 0,06 0,06 0,05 0,02
у-элемен 2,11 2,18 2,26 2,05 1,95 1,98 0,10
Гераниаль 29,60 29,78 30,20 32,11 33,84 28,66 0,51
Геранилацетат 39,14 39,59 39,97 37,65 34,50 43,47 1,08
Нерол 0,19 0,17 0,19 0,32 0,19 0,16 0,03
Гераниол 3,61 3,86 5,10 3,63 3,70 3,56 0,09
Так, сравнение результатов ГЖХ-МС анализа образца масла растений рода Е^оЬ21а, интродуцируемого в условиях Московской обл., с имеющимися у нас данными изученных ранее стандартных образцов Е/. ci/iаtа из Лейпцига, выращенных в условиях Никитского ботанического сада, и Е/. раМт из Сухумской опытной станции показало стабильность этого вида по основным компонентам ЭМ и позволило отнести его к виду Е/. ci/iata ТЬипЬ. [1, 6]. Соотношение основных компонентов ЭМ исследуемого образца — эльшольциякетона (11,9%) и нагинатокетона (74,3%) — в пользу нагинатокетона является показательным признаком вида Е/. ci/iata. Остальные компоненты, содержащиеся в ЭМ в небольших количествах, также характерны для данного рода. Производные фурана редко встречаются в ЭМ и характерны в основном для рода E/sho/tzia и РепПа.
Все виды таких родов семейства Lamiacea, как Agastache С1ау1 и Lophanthus Adans., содержат в надземной части растений значительное количество эфирных масел. Интродукционный эксперимент показал, что растения в условиях Московской обл. проходят полный цикл развития и обладают продуктивностью не ниже, чем в районах промышленного выращивания.
Образцы ЭМ этих видов отличаются в основном по содержанию компонентов ЭМ [2]. В масле многоколосника фенхельного (А. foenicu/um) превалируют три основных компонента: изоментон (30%), метилхавикол (25%) и метилэвгенол (18%); достаточно высокое содержание терпенового углеводорода лимонена (5,5%); альдегидов и кетонов — цитронеллаля (4,5%), пулегона (8,0%), пиперитона (0,2%), /-карвона (0,3%); спиртов и их эфиров — октенола-3 (1,3%), геранилацетата (0,4%), гераниола (0,2%), эвгенола (1,0%).
ЭМ многоколосника морщинистого (A. rugosa) состоит практически из тех же компонентов, но в масле этого вида доминирует один основной компонент — изоментон (70%). Присутствие сравнительно небольших количеств цитраля (10%), пулегона (5,5%), /-карвона (1,6%), метилэвгенола (1,8%), эвгенола (0,6%), лимонена (0,5%) определяет специфический запах масла.
Наличие в эфирном масле образца растений, интродуцированных в ВИЛАРе, пулегона (47%), изо-ментона (29%) и лимонена (9,5%) как основных компонентов, практическое отсутствие метилэвгенола (0,3%) и небольшое количество эстрагола (0,4%) позволили отнести его к виду Lophantus chinensis.
Широкий набор соединений позволяет предположить возможность биотрансформации компонентов эфирного масла под влиянием рострегулирующих воздействий.
Предуборочная обработка растений препаратом 2-ХЭФК вызвала изменения в характере биосинтеза компонентов, что отразилось на их количественном соотношении (пулегон — 26%, изо-ментон — 40%, лимонен — 0,4% и метилэвге-нол — 2,5%).
Под воздействием 2-ХЭФК в биосинтезе эфирного масла в результате изменения гормонального баланса возникает интенсивный процесс активации фосфори-лаз, трансформирующих геранилпирофосфат в гераниол и геранилацетат. Основной пул лимонена практически полностью расходуется на образование пулегона и изо-ментона. В результате повышения активности цитохром Р 450 системы /-лимонен практически полностью гидроксилируется с последующим окислением операторными ферментами до кетона (изо-пиперитон), восстанавливающегося при участии NADH в ^ис-изопулегон, который, в свою очередь, изомеризуется с переходом го-моаллильной связи в аллильную с образованием пулегона. Высокая активность ферментов на этих стадиях объясняет отсутствие в масле промежуточных продуктов. Обработка ретардантом активирует редуктазы аллильного восстановления по двойным связям с участием NADH. В результате значительное количество пулегона восстанавливается в изо-ментон.
Выводы
Проведенные работы показали, что при интродукции эфиромасличных культур из южных районов в более северные регионы компонентный состав их ЭМ практически не претерпевает изменений. Наблюдаются лишь незначительные отклонения в содержании некоторых терпеноидов масел.
Для формирования максимальной биопродуктивности в онтогенезе эфиромасличных растений целесообразно применение двухэтапной технологии их выращивания. У растений, продуцирующих терпеноиды эфирных масел, на первом «ростовом» этапе в вегетативную фазу необходимо создавать условия для формирования максимальной урожайности надземной массы растений, в т.ч. с применением ростстимулирующих синтетических регуляторов роста. На втором «биосинтетическом» этапе, как правило, при наступлении генеративной фазы, перед уборкой растений следует ингибировать рост фиторегуляторами ретардантного типа для стимуляции накопления в надземной массе вторичных метаболитов. Торможение роста в предуборочный период у эфиромасличных растений определяет стратегию управления продукционным процессом и формированием биопродуктивности как интегральной функции высоких показателей урожайности и концентрации терпеноидов в сырье.
Экзогенная предуборочная обработка растений регуляторами роста позволяет в некоторых случаях целенаправленно влиять на активность биосинтеза тех или иных терпеноидов, повышая содержание наиболее ценных компонентов ЭМ.
1. Бакова Н.Н., Дмитриев Л.Б., Дмитриева В.Л. и др. Характеристика эфирных масел различных биотипов Elsholtzia ciliata Thunb.// Известия ТСХА, 1988. Вып. 2. С. 162-166.
2. Воронина Е.П., Горбунов Ю.Н., Дмитриев Л.Б. Сравнительное интродукционное изучение видов Agastache и Lophanthus // Бюлл. ГБС РАН, 1998. Вып. 176. С. 8-12.
3. Дмитриев Л.Б., Дмитриева В.Л. Хромато-масс-спектрометрическое изучение состава масел эфироносных растений — развитие идей академика Н.Я. Демьянова // Доклады ТСХА, 2010. Вып. 282. С. 752-757.
4. Дмитриева В.Л., Маланкина Е.Л., Дмитриев Л.Б., Шаин С.С. Изменение характера биосинтеза компонентов эфирного масла в онтогенезе монарды лимонной // Матер. IV Межд. симп. Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования. М., 2001. Т. 3. С. 111-113.
5. Дмитриева В.Л., Маланкина Е.Л., Дмитриев Л.Б., Шаин С. С. Экзогенная регуляция биопродуктивности в онтогенезе Monarda didyma L. в условиях Московской области // Матер. 3-го Междунар. симп. Новые и нетрадиционные растения и перспективы их практического использования. Пущино, 21-25 июня 1999. Т. II. С. 53-55.
6. Дмитриева В.Л. Исследование состава эфирного масла нетрадиционных для Нечерноземной зоны России эфиромасличных растений: Сб. науч. тр. ВНИИЛАР (ВИЛАР) Лекарственное растениеводство. М., 2000. С. 370-376.
7. Златев С., Дончев Т., Илиев Л. Влияние на някои цитокинини от карбамиден тип върху продуктивността на ментата // Физиология на растенията, 1990. Т. 16. № 4. С. 59-65.
8. Иванов Н.Н. Методы физиологии и биохимии растений. М.-Л., 1946.
9. Курапов П.Б., Скоробогатова И.В., Козик Т.А. и др. Влияние брассиностероидов на содержание АБК, цитокининов и гиббереллинов в яровом ячмене // Регуляторы роста растений. Киев, 1992. С. 144-155.
10. Курапов П.Б., Шаин С.С., Дмитриева В.Л. и др. Вторичный метаболизм и гормональный баланс мяты перечной под влиянием экзогенных регуляторов роста // Сельскохозяйственная биология, 1999. № 3. С. 73-78.
11. Маланкина Е.Л., Корчашкина Н.В., Терехин А.А., Дмитриева В.Л., Гейер Н.И.
Перспективы выращивания монарды лимонной в качестве лекарственного и эфиромасличного растения в условиях Московской области: Сб. науч. тр. отделения РАЕН и МААНОИ Нетрадиционные природные ресурсы, инновационные технологии и продукты. М., 2003. Вып. 7. С. 233-238.
12. Пржевальский Н.М. Учебно-научный центр коллективного пользования «Сервисная лаборатория комплексного анализа химических соединений». М.: Изд-во МСХА, 2008.
13. Шаин С.С., Дмитриев Л.Б., Денисенкова А.И., Кузнецова Г.К., Иванова Л.Е. Изменение содержания эфирного масла в листьях мяты перечной (Menta piperita L.) и его компонентного состава под влиянием стрессовых факторов // Известия ТСХА, 1989. Вып. 1.
С. 191-196.
14. Шаин С. С., Маланкина Е.Л., Дмитриева В.Л. и др. Некоторые особенности влияния ростингибирующих эффекторов на накопление эфирного масла и гормональный баланс в онтогенезе змееголовника молдавского (Dracocephalum moldavica L.) // Матер. VII Межд. конф. Нетрадиционное растениеводство, экология и здоровье. Алушта, 1998. С. 428-429.
15. Шаин С.С., Курапов П.Б., Маланкина Е.Л., Дмитриева В.Л. и др. Гормональная регуляция биопродуктивности в онтогенезе эфиромасличных растений: мята перечная, змееголовник молдавский, монарда двойчатая: В сб. Биотехнология / Под ред. В.С. Шевелухи. М., 2000. Вып. 1. С. 179-195.
16. Court W.A., Roy R.C., PocsR. Effect of harvest date on the yield and quality of the essential oil of peppermint // Canadian J. Plant Science, 1993. V. 73. № 3. С. 815-824.
17. El-ShafeyA.M.S., Nafie E.H. Changes of the growth regulating substances and the activities of certain enzymes of broad bean plants as influenced by the herbicide Topogard // Egyptian J. Physiological Sciences, 1992. V 16. № 1-2. P. 55-74.
18. Farogi A.H.A., Sharma S. Effect of growth-retardants on growth and essential oil content in japanese mint // J. Plant Growth Regul., 1988. V 7. № 1: 39-45.
19. Frankland B., Wareing P.F. Effect of gibberellic acid on hypocotyl growth of lettuce seedlings // Nature, 1960. V. 185. № 4708. P. 255-256.
20. Maffei M., Mucciarelli M., Scannerini S. Are leaf area index (LAI) and flowering related to oil productivity in peppermint // Flavor and Fragrance Journal., 1994. V 9. № 3. P. 119-124.
21. Singh V.P., Singh D.V., Singh K., Kothari S.K. Effect of irrigation and nitrogen on herbage and oil yields of japanese mint (Mentha-Arvensis) // J. Agric. Sci., 1989. V. 113. № 10. P. 277-279.
22. Srivastava N.K., Sharma S. Effect of triacontanol on photosynthetic characteristics and essential oil accumulation in Japanese mint // Photosynthetica, 1991. V. 25. № 1. P. 55-60.
23. Srivastava N.K., Luthra R. Relationship between photosynthetic carbon metabolism and essential oil biogenesis in peppermint under Mn-stress // J. Exp. Bot., 1994. V. 45. № 277. P. 1127-1132.
24. Zamureenko V.A., Kluyev N.A., Dmitriev L.B., Grandberg 1.1. Gas-Liquid Chromatography-Mass Spectrometry in the Analysis of Essential oils // J. of Chromatography, 1984. V. 303. P. 109-115.
Рецензент — д. хим. н. Н.М. Пржевальский
SUMMARY
The composition of essential oils and its changes in ontogeny and under exogenous effect of retarding substances on five plant varieties Mentha piperita L., Monarda didyma L., Monarda citriadora Cerv., Dracocephalum moldavica L., Agastache Clayt., Lophanthus Adans., Elsholtzia ciliata Thunb. in pre-harvesting period have been studied by GLC-MS methods. The introduction of oil-bearing crops from southern areas to northern regions, practically, does not cause changes in component structure of essential oils (EO). Only slight deviations in the content of some terpenoid oils are observed. Exogenous pre-harvesting treatment of crops with growth regulators allows, in some cases, to influence purposefully the biosynthesis of particular terpenoids, increasing the content of more valuable volatile oil component.
Key words. GLC, MS, essential oil, terpenoids, retardants, mentha (peppermint), monarda, agastache, lophantus, dracocephalum.
Дмитриева Валерия Львовна — Тел. (499) 976-16-39.
Дмитриев Лев Борисович — к. х. н. Эл. почта: [email protected]
