CC BY
0
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2024. Т. 79. № 1 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2024. Vol. 79. No. 1
УДК 631.84:633.72
DOI: 10.55959/MSU0137-0944-17-2024-79-1-61-69
РЕГУЛЯТОРНОЕ ДЕЙСТВИЕ АЗОТА НА ОБРАЗОВАНИЕ И НАКОПЛЕНИЕ ВТОРИЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ У РАЗНЫХ ГЕНОТИПОВ CAMELLIA SINENSIS (L.) KUNTZE
Л. С. Малюкова*, А. В. Великий
Федеральный исследовательский центр «Субтропический научный центр Российской академии наук», 354002, Россия, г. Сочи, ул. Яна Фабрициуса, д. 2/28
* E-mail: malukovals@mail.ru
Одним из главных лимитирующих факторов высоких урожаев чая в мире, в том числе в России, является дефицит азота (№) в почве. Исходя из этого на чайных плантациях повсеместно используют высокие дозы азотных удобрений, которые вызывают агрогенную трансформацию почв, загрязнение сопредельных сред, снижение качества чая. Одним из путей снижения доз азотных удобрений при возделывании культуры чая является внедрение новых сортов с более высокой эффективностью использования N из почвы и удобрений. В этом аспекте в вегетационном эксперименте были изучены генотипические особенности образования и накопления ряда вторичных метаболитов в листьях чая, определяющих вкусовые и лечебные свойства чая, при оптимальной обеспеченности азотом и его дефиците. Объектами исследования являлись наиболее перспективные отечественные сорта чая (Колхида и Каратум), возделываемые на бурых лесных кислых почвах во влажных субтропиках России. Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в листьях чая было определено содержание ряда специализированных органических компонентов: катехинов, флаванолов, алкалоидов и теанина. Установлено, что N в растениях чая изученных генотипов в наибольшей степени активизировал биосинтез теанина (более одного порядка) и алкалоидов: кофеина в 3-5 раз и теобромина в 2-3 раза. При этом N ингибировал образование и накопление ряда катехинов и флаванолов в среднем в 1,5-2 раза. При оптимальной обеспеченности N растения сорта Колхида выделялись более высоким накоплением в листьях теанина (на 30-60 %) и галлированных катехинов (на 50%), а растения сорта Каратум — накоплением алкалоидов (на 10-20%) (кофеина и теобромина). При дефиците N в растениях чая сорта Колхида в большей мере, в сравнении с сортом Каратум, накапливались простые и галлированные катехины, а также рутин. Содержание изученных метаболитов в листьях чая сорта Каратум было более стабильным при различном уровне N что указывало на его меньшую восприимчивость к азотной недостаточности.
Ключевые слова: культура чая, азотные удобрения, сорта чая, биосинтез, катехины, алкалоиды, флаванолы, теанин.
Введение
Азот в современном земледелии является доминирующим фактором в увеличении урожайности сельскохозяйственных растений, особенно ли-стосборной культуры чая [Малюкова, 2014; Huang et al., 2018]. Вынос N с урожаем чая составляет до 100 кг-га-1, при этом порядка 700-1000 кг-га-1 закрепляется в биомассе чайных растений [Малюкова, 2014]. Основной фонд чаепригодных бурых лесных почв Черноморского побережья РФ характеризуется низким содержанием N, обусловленным достаточно высокими темпами минерализации органического вещества. Так, валовое содержание N в бурых лесных почвах в верхних горизонтах составляет 0,10-0,12%, в слое 10-20 см — 0,09%, далее
© Малюкова Л.С., Великий А.В., 2024
в слое 20-100 см — около 0,05%. Это определяет необходимость применения высоких доз азотных удобрений на чайных плантациях (100-250 кг-га"1 действующего вещества) для получения экономически обоснованных урожаев зеленого чайного листа. Применение больших количеств азотных удобрений вызывает подкисление почв и выщелачивание важных биогенных элементов (Mn, Cu, Zn) [Малюкова, 2014; Yan et al., 2020а]; снижение биоразнообразия почвенного микробоценоза [Yang et al., 2019]; накопление в листьях чая ряда токсичных для здоровья человека элементов (Al, F, Pb и Cr) [Ruan et al., 2003; Bojorquez-Quintal et al., 2017], а также оказывает негативное влияние на качество чайного сырья и готовой продукции [Dong et al., 2019]. Так, показано, что при внесении N усиливался синтез
аминокислот, в том числе L-теанина, и происходило снижение накопления растениями чая различных флавоноидов [Huang et al., 2018], в большей степени определяющих пищевую и лекарственную ценность напитка [Yan et al., 2020б]. При этом имеются данные о генотипической специфике растений в отношении взаимодействия с почвой, в частности в поглощении и утилизации N [Zavalin, Sokolov, 2016; Cochetel et al., 2017; Chen et al., 2017].
Все вышеперечисленное определило цель работы — исследовать действие N на профили сложных вторичных метаболитов (катехинов, алкалоидов и флаванолов) и теанина у наиболее перспективных сортов чая, произрастающих в России. Мы предположили, что процессы образования и накопления вторичных метаболитов под воздействием N и при его дефиците будут иметь различия для двух сортов чая, контрастных по продуктивности и устойчивости к стресс-факторам.
Материалы и методы
Исследования проведены в вегетационном опыте на двух наиболее перспективных сортах чая (Колхида и Каратум), контрастных по фено-типическим особенностям роста. Сорт чая Колхида — интенсивный высокопродуктивный сорт (до 8000 кг-га-1), характеризующийся нежными листьями и флешами (3-х листный молодой побег), низкой устойчивостью к стресс-факторам: засухе, низким и высоким температурам. Сорт чая Кара-тум — более устойчивый, характеризуется жесткими листьями и флешами, меньшей продуктивностью, до 5000 кг-га-1. Растения этих сортов чая были вегетативно размножены, укоренены и выращивались в двух- и затем в четырехлитровых контейнерах в течение трех лет. Субстратом для их выращивания служила бурая лесная кислая почва, которая характеризовалась кислой реакцией среды (рН 4,0), средней обеспеченностью легкогидроли-зуемым N (70 мг-кг-1), высокой обеспеченностью подвижными (по Ониани) фосфатами (400 мг-кг-1) и калием (500 мг-кг-1). Периодически (5-7 раз) за весенне-летний период осуществляли подкормку 1% раствором нитроаммофоски. При закладке эксперимента растения чая были отделены от почвенного субстрата и пересажены в четырехлитровые контейнеры, наполненные чистым (промытым) речным песком, по 10 растений на каждый вариант (генотип и доза N). Через семь дней после пересадки в песок растения поливали 50% питательным раствором (рН 5,0-5,1) следующего содержания: 0,5 мМ Ca(H2PO4)2, 3 мМ NH4NO3, 0,5 мМ CaCl2, 1,0 мМ K2SO4, 46 мкМ H3BO3, 0,6 мкМ MgSO4, 9 мкМ MnSO4, 2 мкМ CuSO4, 9 мкМ ZnSO4, 2,6 мкМ Na2MoO4 и 30 мкМ Fe-EDTA. Через 14 дней растения поливали каждые два дня по 500 мл полным питательным раствором (вариант N-) или 3 мМ NH4NO3 (N+) [Chen et al., 2017]. В течение всего
опыта растения содержали в открытой теплице под затенением при следующих условиях: температура 24±4оС, освещенность 3000±200 люкс, влажность субстрата 70±10%, влажность воздуха 85±10%. Через два и четыре месяца эксперимента были проведены отборы листьев (3-й-4-й лист от верхушки побега) в трехкратной биологической повторно-сти, которые затем фиксировали обработкой паром при 100°С в течение 5-7 минут на водяной бане и высушивали. Содержание азота в листьях определяли спектрофотометрически (прибор УСФ-01, Россия) после кислотного озоления [Гинзбург и др., 1963]. Содержание ряда вторичных метаболитов (кофеин, теобромин, теофиллин, кверцетин, рутин, кемпферол, теанин, (+)-катехин (C), (-)-эпикатехин (EC), (+)-галлокатехин (GC), (-)-эпигаллокатехин (EGC), (-)-катехин-3-галлат (CG), (-)-эпикатехин-
3-галлат (ECG), (-)-галлокатехин-3-галлат (GCG), (-)-эпигаллокатехин-3-галлат (EGCG), теафлавин) в мг-г-1 в листьях чая оценивали методом ВЭЖХ (хроматограф Agilent Technologies 1100, оснащенный проточным вакуумным дегазатором G1379A,
4-канальным насосом с градиентным каналом низкого давления G13111A, автоматическим инжектором G1313A, термостатом колонки G13116A и диодно-матричным детектором G1316A).
Статистический анализ данных проводили с использованием программного обеспечения XLSTAT (https://www.xlstat.com/).
Результаты
Содержание N в листьях растений чая изученных генотипов было соизмеримо со средним содержанием этого элемента в молодых листьях чайного растения (в среднем около 4%), произрастающего в естественных условиях на бурых лесных кислых почвах изучаемой зоны. В дефицитных по азоту условиях содержание этого элемента закономерно
4,5
3,5
2,5
1,5
0,5
сорт Колхида
■ 2 месяца
сорт Каратум 4 месяца
Рис. 1. Влияние уровня N в питательном субстрате на его содержание в листьях (% в сухой массе листьев) у двух генотипов чая
Примечание. Здесь и далее на рис. 2-6 — N--оптимальная
обеспеченность азотом, N--дефицит азота, после двух- и четырехмесячного воздействия, соответственно.
5
4
3
2
1
0
снижалось в среднем на 1% и по абсолютным значениям было соизмеримо с параметрами чайного растения, произрастающего на почвах без применения азотных удобрений. Для обоих генотипов чая (сорта Колхида и Каратум) наблюдались достоверные различия по содержанию N со средними значениями 3,7-4,3% (при норме N и 2,7-3,6% (при дефиците что указывает на разный уровень его поглощения корневой системой (рис. 1). Постепенное снижение содержания N в листьях отмечали при дефиците N в течение четырех месяцев у обоих генотипов чая.
При оптимальной обеспеченности N листья растений чая содержали от 2,5 до 6,5 мг-г-1 теанина, при этом в растениях сорта Каратум его накапливалось значительно меньше по сравнению с сортом Колхида. При дефиците N в питательном субстрате установлено практически полное прекращение биосинтеза теанина по истечении двух месяцев воздействия для обоих сортов. При этом содержание N в листьях растений находилось в диапазоне 2,7-3,6% и являлось, по-видимому, пороговым уровнем для блокирования синтеза этого соединения (рис. 2).
8
7 6 5
v 4 Ï 3 2 1 0
à
1
и 1
■ ■
-
N+ N-сорт Колхида N+ N-сорт Каратум
16 14 12 10 8 6 4 2 0
N+ N-
сорт Колхида
N+ N-
сорт Каратум
а)
12 месяца 4 месяца
0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
б)
12 месяца 4 месяца
■ 2 месяца 4 месяца
Рис. 2. Содержание и накопление теанина в листьях чайного растения при различной обеспеченности N
Содержание кофеина в листьях изученных сортов чая на фоне азота варьировало в пределах 11-14 мг-г-1 сухого вещества, что было ниже уровня, характерного для молодых побегов полновозрастных растений, произрастающих на бурых лесных кислых почвах изучаемой зоны (20-45 мг-г-1, по данным З.В. Притулы и др. [2015]). Дефицит азота в питательном субстрате в течение четырех месяцев вызывал снижение образования и накопления кофеина в листьях растений чая: в 5 раз для растений сорта Колхида и в 3 раза для сорта Каратум. Между содержанием кофеина и азотом в листьях чая отмечена тесная корреляция (г=0,84), что отмечали и другие исследователи [Притула и др., 2015; МоЬаприпа е! а1., 2010]. Для растений сорта Кара-тум отмечен менее выраженный ответ на продолжительную, в течение четырех месяцев, азотную недостаточность.
Рис. 3. Содержание и накопление алкалоидов: кофеина (а), теобромина (б) в листьях чайного растения при различной обеспеченности N
Значительно меньшее количество, почти на 2 порядка, в листьях чая изученных генотипов содержалось теобромина (рис. 3б). При этом вариации его накопления в листьях чая, обусловленные генотипом и действием N, были аналогичны кофеину. Содержание теофиллина в листьях чая изученных сортов было очень низкое (0,01-0,06 мг-г-1), различия в сортовом разрезе и уровнях N в питательном субстрате были несущественны.
Катехины. Содержание различных катехинов в листьях чая изученных генотипов существенно варьировало по вариантам опыта (N+ и N-) (рис. 4а, б). На фоне оптимальной обеспеченности растений N содержание простых и галлированных катехинов в листьях чая сорта Колхида было значительно ниже по сравнению с контрольным вариантом без N. При этом через два месяца дефицита N в листьях чая сорта Колхида увеличивалось содержание простых и галлированных катехинов, а через четыре месяца воздействия — только простых катехинов. Листья растений чая сорта Каратум при оптимальной обеспеченности N характеризовались более высоким содержанием простых катехинов по сравнению с растениями сорта Колхида. При этом для растений этого сорта на фоне дефицита N изменения в содер-
25
20
15
10
а)
Гк Эк ЭГк
2 месяца
сорт Колхида ^^^^ сорт Колхида N1-
сумма
Гк Эк
4 месяца I сорт Каратум М+ сорт Каратум N1-
ЭГк сумма
120
100
80
60
40
20
ГКГ ЭКГ ЭГКГ сумма
б) 2 месяца
сорт Колхида №
ГКГ
ЭКГ ЭГКГ
4 месяца ■ сорт Каратум
сумма
Рис. 4. Содержание и накопление катехинов в чае при различной обеспеченности N
а) простых катехинов (К — катехины; Гк — галлокатехины; Эк — эпикатехины; Эгк — эпигаллокатехины); б) галлированных катехинов (ГКГ — галлокатехин галлаты; ЭКГ — эпикатехин галлаты; ЭГКГ — эпигаллокатехин галлаты)
5
0
К
0
жании простых и галлированных катехинов были менее выражены, что означает их большую толерантность к азотной недостаточности.
Продуктами окисления катехинов являются те-афлавины, содержание которых в изученных объектах было невысоким (рис. 5), поскольку пробо-подготовка листьев для анализа осуществлялась путем обработки их горячим паром. Исследования показали, что N по-разному влиял на содержание теафлавинов в листьях изученных сортов. Для растений чая сорта Колхида отмечено достоверное снижение содержания теафлавина и теафлавин-3 галлата при применении N в сравнении с контрольным вариантом. Для растений сорта Каратум содержание теафлавинов в листьях на фоне N было выше или соизмеримо с контрольным вариантом без N.
Важными компонентами чая являются фла-ванолы (рутин, кверцетин и кемпферол), которые играют значимую роль в адаптивности растений и определяют лечебную и профилактическую роль напитка. Доминирующим соединением по количеству среди флаванолов является рутин. Его содержание в листьях изученных генотипов чая на фоне азота было одинаковым для изученных генотипов (рис. 6а). Продолжительный дефицит N в течение четырех месяцев индуцировал его более интенсивное образование и накопление в листьях изученных сортов, более значимое у растений сорта Колхида. При оптимальной обеспеченности растений по сравнению с его дефицитом содержание кверцети-на, кемпферола и их производных в листьях чая в целом было значительно ниже (рис. 6б), по аналогии с выявленными тенденциями для рутина.
Теафлавин-3,3'-дигаллат
Теафлавин-З'-галлат
Теафлавин-З-галлат
Теафлавин
0,5
I Каратум NI Колхида N-
1,5
■ Каратум N+ Колхида N+
Рис. 5 Содержание и накопление теафлавинов в чае разных сортов при разной обеспеченности N через четыре месяца воздействия
4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0
а)
Кемпферол-3-О-глюкозид
Кверцетин-3-О-рамнозид
Кемпферол-3-О-рутинозид
Кверцетин-З-О-глюкозид
12 месяца Н4 месяца
2,5
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
б)
I сорт Каратум NI сорт Колхида N-
I сорт Каратум N+ сорт Колхида N+
Рис. 6. Содержание и накопление флаванолов в чайном растении при разной обеспеченности N: а) рутина; б) кверцетина, кемпферола и их производных.
Обсуждение
Черноморское побережье Краснодарского края является единственной зоной промышленного чаеводства в России. Возделывание чая приурочено к бурым лесным кислым почвам, которые характеризуются очень низким содержанием N, не способным обеспечивать потребности этой листосборной культуры. Это определяет необходимость длительного применения высоких доз азотных удобрений (100-250 кг-га-1 действующего вещества), что приводит к существенной трансформации почв, возникновению ряда экологических проблем, снижению качества чайного сырья и готовой продукции [Малюкова, 2014; Козлова и др., 2020]. На сегодняшний день существует ряд альтернативных методов управления N в агроэкосистемах: использование органических удобрений, комбинирование органических и неорганических удобрений, удобрений с контролируемым высвобождением, ингибиторов нитрификации, биоудобрений, гуминовых веществ. Также достаточно перспективным является изучение генотипической специфики взаимодействия растений с почвой и эффективности использования питательных элементов [Chen et al., 2017; Rrnn et al., 2019]. Отмечается, что растения в процессе эволюции для эффективного использования азота сформировали различные адаптивные механизмы: сенсоры для определения концентрации азота в почве [Medici, Krouk, 2014]; систему сигналов между различными органами растений [O'Brien et al., 2016]; гормональную регуляцию морфологических и физиологических реакций растений при изменении концентрации нитратов в почвенном растворе [Ohkubo et al., 2017]. Выявленная для многих культур генотипическая специфика определила развитие направления по созданию генотипов с наиболее эффективным использованием N почв и удобрений [Liu et al., 2021].
Важным критерием при оценке специфики сортов в отношении эффективности использования N является оценка уровня его поглощения и накопления в листьях [Medici, Krouk, 2014]. Выявленные достоверные различия по содержанию N в листьях изученных генотипов чая (Колхида и Кара-тум) указывали на разный уровень его поглощения и дальнейшей реутилизации. Индукция дефицита N снижала его содержание в листьях обоих сортов, при этом растения сорта Каратум содержали достоверно большее количество азота в листьях, что указывало на его более эффективное использование.
Известно, что ионы аммония (NH4+) и нитраты (NO3-) в равной мере поглощаются чайным растением [Zeng et al., 2021], хотя имеются данные, что чайные растения предпочитают NH4+ в качестве неорганического источника азота [Morita et al., 1998]. Избыток аммония токсичен для многих растений и может вызывать такие симптомы, как хлороз или ингибирование роста [Britto et al., 2002].
У чайных растений избыток NH4+, поглощаемый корнями, превращается в нетоксичный L-теанин, который транспортируется к другим тканям [Feldheim et al., 1986; Chen et al., 2021]. Полученные нами данные также демонстрируют, что образование и накопление теанина сопряжено с содержанием N в питательном субстрате и листьях чая, что подтверждается корреляционной связью (r=0,50). Выявленное для растений чая сорта Каратум меньшее накопление теанина при более высоком содержании N в сравнении с сортом Колхида может указывать на его толерантность к аммонийному азоту. Следует отметить, что в бурых лесных кислых почвах чайных плантаций РФ при регулярном применении азотных удобрений (в дозах более 240 кг-га-1 действующего вещества) содержание аммиачного N может достигать 40-50 мг-кг-1, что приводит к существенному увеличению общего N в листьях чая (до 5%) и снижению качества чайного сырья. Согласно литературным данным, высокое содержание N в почве активизирует процессы синтеза аминокислот, в том числе L-теанина, и снижает содержание различных флавоноидов [Huang et al., 2018]. Более толерантные к высокой концентрации N в почвенном растворе генотипы чая в этих условиях будут характеризоваться меньшим накоплением теанина в листьях и, соответственно, более оптимальным его соотношением с катехинами.
Из числа изученных алкалоидов (теобромин, теофиллин, кофеин) доминирующим как по накоплению в чайном растении, так и по фармакологическому действию является кофеин [Sari et al., 2013], образование которого связывают с адаптивностью чайного растения [Mohanpuria et al., 2010; Zhao et al., 2020]. Кофеин является очень сильным естественным инсектицидом [Uefuji et al., 2005], а также адаптогеном, который участвует в повышении устойчивости ко многим факторам [Wang et al., 2016]. Содержание кофеина в среднем составляет 3% сухой массы чайного листа и в зависимости от условий среды, генетических и географических факторов колеблется в пределах от 1,5 до 4,5% [Mohanpuria et al., 2010; Притула и др., 2015]. Установленная в нашем исследовании тесная прямая связь кофеина с содержанием в листьях N согласуется с данными других исследователей и указывает на регулирующую роль этого элемента в синтезе и накоплении алкалоидов. Более высокое содержание кофеина в листьях чая сорта Каратум (по сравнению с сортом Колхида), как в оптимальных, так и в дефицитных по N условиях, указывает на генотипическую специфику синтеза этого соединения и требует дополнительных исследований. Также можно предположить, что устойчивость растений сорта Каратум к ряду стресс-факторов, помимо морфологических особенностей, обусловлена в том числе накоплением в листьях кофеина. При этом, исходя из полученных данных, кофеин по сравнению с теанином,
в меньшей степени вовлечен в ответ на азотную недостаточность.
Катехины, простые и галлоилированные, относятся к одному из наиболее известных классов растительных вторичных метаболитов. Они составляют 12-24% сухой массы чайного листа и на 70-75% определяют крепость и терпкость получаемого напитка [Wei et al., 2018]. Различные модификации этих соединений могут влиять на их свойства и определять качество чая. Установлено, что флавоно-иды, связанные с ароматом чая, доминируют в различных метаболических и транскрипционных реакциях при различных воздействиях азота: дефицит, норма, формы N (аммоний, нитраты, оксид азота) (Huang et al., 2018). В нашем исследовании также прослеживалась регулирующая роль азота в синтезе катехинов. Растения чая с оптимальной обеспеченностью азотом характеризовались более низким содержанием простых и галлированных катехинов по сравнению с контрольными растениями без N. Это согласуется с данными других исследователей, которыми показано, что накопление простых катехинов (эпигаллокатехина, эпикатехина, галлокатехина и катехина) обратно коррелировало с количеством внесенных в почву N, P и K [Sun et al., 2019; Wei et al., 2022]. Выявленное нами усиление синтеза ряда катехинов и флаванолов на фоне дефицита N согласуется с этими выводами и говорит о метаболомном перепрограммировании растительных систем при адаптации к азотной недостаточности. Установленные различия в содержании и накоплении простых и галлированных катехинов для изученных сортов чая (Колхида и Каратум) означают наличие геноти-пических особенностей взаимодействия растений с почвой, поглощения и последующей реутилизации N и связанного с этим процесса биосинтеза органических соединений. При этом для сорта Каратум следует отметить менее выраженный «флавановый» ответ на азотную недостаточность.
Заключение
Впервые для перспективных сортов чая, культивируемых в России, в контролируемых условиях изучено воздействие N (норма и дефицит) на образование и накопление вторичных метаболитов и теанина. Подтверждена регулирующая роль N в образовании и накоплении в листьях чая теанина, кофеина и катехинов, формирующих под его воздействием уникальные композиции, определяющие вкусовые и лечебные качества конечного продукта и напитка. Установлено, что N в растениях чая изученных генотипов в наибольшей степени активизировал биосинтез теанина (более одного порядка) и алкалоидов, кофеина в 3-5 раз и теобромина в 2-3 раза; при этом ингибировал образование и накопление катехинов и флаванолов в среднем в 1,5-2 раза.
В работе подтверждена выдвинутая нами гипотеза о специфике генотипических ответов на
действие N или его отсутствие. Растения чая сорта Колхида в сравнении с растениями сорта Каратум при оптимальной обеспеченности N характеризовались более высоким содержанием в листьях теанина, галлированных катехинов и кверцетина, то есть обладали более выраженной антиоксидант-ной активностью. При дефиците N в листьях этого сорта накапливались простые и галлированные катехины, а также рутин. Растения сорта Каратум при меньшей реакции на уровень N в питательных субстратах выделялись более высоким содержанием при норме N — кофеина, теобромина, простых катехинов; а при продолжительном его дефиците — кофеина, теобромина, кверцетина. Также для чая сорта Каратум отмечена большая стабильность изученных параметров при различном уровне N, что указывало на его меньшую восприимчивость к азотной недостаточности.
В целом, выявленная генотипическая специфика моделей синтеза вторичных метаболитов и их перепрограммирования в различных условиях азотного питания указывает на возможность и пути формирования особенных композиций вкуса и аромата конечного продукта.
Информация о финансировании работы
Исследования проводятся при финансовой поддержке РНФ, проект № 22-16-00058.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гинзбург К.Е., Щеглова Г.М., Вульфиус Е.В. Ускоренный метод сжигания почв и растений // Почвоведение. 1963. № 5.
2. Козлова Н.В., Малюкова Л.С., Керимзаде В.В. Концептуальная модель эволюции плодородия бурых лесных кислых почв чайных плантаций влажных субтропиков России при агрогенном воздействии. Сочи, 2020.
3. МалюковаЛ.С. Оптимизация плодородия почв и применения минеральных удобрений при выращивании чая в России. Сочи, 2014.
4. Притула З.В., Бехтерев В.Н., Малюкова Л.С. Влияние мезоудобрений (Ca, Mg) на содержание кофеина в чайном растении в условиях влажных субтропиков России // Субтропическое и декоративное садоводство. 2015. № 54.
5. Bojórquez-Quintal E., Camilo E.M., Echevarría-Machado I. et al. Aluminum, a friend or foe of higher plants in acid soils // Front Plant Sci. 2017. № 8.
6. Britto D. T., Kronzucker H.J. NH4+ toxicity in higher plants: a critical review // J. Plant Physiol. 2002. Vol. 159(6).
7. Chen Z., Wang Z., Yuan H. et al. From tea leaves to factories: a review of research progress in L-theanine biosynthesis and production // J. Agric. Food Chem. 2021. Vol. 69(4). https://doi.org/10.1021/acs.jafc.0c06694
8. Chen C.S., Zhong Q.S., Lin Z.H. et al. Screening tea varieties for nitrogen efficiency // J. Plant Nutr. 2017. Vol. 40.
9. Cochetel N., Escudié F., Cookson S.J. et al. Root tran-scriptomic responses of grafted grapevines to heterogeneous nitrogen availability depend on rootstock genotype // J. Exp. Bot. 2017. Vol. 68(15). https://doi.org/10.1093/ jxb/erx224
10. Dong F., Hu J., Shi Y. et al. Effects of nitrogen supply on flavonol glycoside biosynthesis and accumulation in tea leaves (Camellia sinensis) // Plant Physiology and Biochemistry. 2019. Vol. 128. https://doi.org/10.1016/j. plaphy.2019.02.017
11. Feldheim W, Yongvanit P., Cummings P.H. Investigation of the presence and significance of theanine in the tea plant // J. Sci Food Agric. 1986. Vol. 37.
12. Huang H., Yao Q., Xia E. et al. Metabolomics and transcriptomics analyses reveal nitrogen influences on the accumulation of flavonoids and amino acids in young shoots of tea plant (Camellia sinensis L.) associated with tea flavor // Journal of agricultural and food chemistry. 2018. Vol. 66(37). https://doi.org/10.1021/acs.jafc.8b01995
13. LiuX., Hu B., Chu C. Nitrogen assimilation in plants: current status and future prospects // J. of Genetics and Genomics. 2021. https://doi.org/10.1016/j.jgg.2021.12.006
14. Medici A., Krouk G. The primary nitrate response: a multifaceted signalling pathway // J. Exp. Bot. 2014. Vol. 65(19). https://doi.org/10.1093/jxb/eru245
15. Mohanpuria P., Kumar V., Yadav S.K. Tea caffeine: metabolism, functions, and reduction strategies // Food Sci. Biotechnol. 2010. Vol. 19.
16. Morita A., Ohta M., Yoneyama T. Uptake, transport and assimilation of 15N nitrate and 15N-ammonium in tea (Camellia sinensis L.) plants // Soil Sci Plant Nutr. 1998. Vol. 44(4).
17. O'Brien J.A., Vega A., Bouguyon E. et al. Nitrate transport, sensing, and responses in plants // Mol. Plant. 2016. Vol. 9. https://doi.org/10.1016/jj.molp.2016.05.004
18. Ohkubo Y., Tanaka M., Tabata R. et al. Shoot-to-root mobile polypeptides involved in systemic regulation of nitrogen acquisition // Nat. Plants. 2017. Vol. 3. https://doi. org/10.1038/nplants.2017.29
19. Ruan, L.; Wang, L.Y.; Wei, K.; Cheng, H.; Li, H.L.; Shao, S.J. Comparative analysis of nitrogen spatial heterogeneity responses in low nitrogen susceptible and tolerant tea plants (Camellia sinensis). Sci. Hortic. 2019. Vol. 246 (2). https://doi.org/ 10.1016/j.scienta.2018.10.063
20. Ruan J., Ma L., Shi Y. et al. Uptake of fluoride by tea plant (Camellia sinensis L.) and the impact of aluminium // J. Sci. Food Agric. 2003. Vol. 83(13). https://doi.org/10.1002/ jsfa.1546
21. Sari F., Velioglu Y.S. Changes in theanine and caffeine contents of black tea with different rolling methods and processing stages // European Food Research and Tech-
nology. 2013. Vol. 237(2). https://doi.org/10.1007/s00217-013-1984-z
22. Sun L., Liu Y., Wu L. et al. Comprehensive analysis revealed the close relationship between N/P/K status and secondary metabolites in tea leaves // ACS Omega. 2019. Vol. 4(1). https://doi.org/10.1021/ACS0MEGA.8B02611
23. Uefuji H., Tatsumi Y., Morimoto M. et al. Caffeine production in tobacco plants by simultaneous expression of three coffee N-methyltrasferases and its potential as a pest repellant // Plant Mol. Biol. 2005. Vol. 59(2).
24. Wang Y.C., Qian W.J., Li N.N. et al. Metabolic changes of caffeine in tea plant (Camellia sinensis (L.) O. Kuntze) as defense response to Colletotrichum fructicola // J. Agric. Food Chem. 2016. Vol. 64.
25. Wei C., Yang H., Wang S. Draft genome sequence of Camellia sinensis var. sinensis provides insights into the evolution of the tea genome and tea quality // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2018. Vol. 115(18). https:// doi.org/10.1073/pnas.1719622115
26. Wei K., Liu M, Shi Y. et al. Metabolomics reveal that the high application of phosphorus and potassium in tea plantation inhibited amino-acid accumulation but promoted metabolism of flavonoid // Agronomy. 2022. Vol. 12(5). https:// doi.org/10.3390/agron-omy12051086
27. Yan P., Wu L., Wang D. et al. Soil acidification in Chinese tea plantations // Sci Total Environ. 2020а. Vol. 715.
28. Yan Z., Zhong Y., Duan Y. et al. Antioxidant mechanism of tea polyphenols and its impact on health benefits // Animal Nutrition. 2020б. Vol. 6(2). https:// doi.org/10.1016/j. aninu.2020.01.001
29. YangX., Ma L., Ji L. et al. Long-term nitrogen fertilization indirectly affects soil fungi community structure by changing soil and pruned litter in a subtropical tea (Camellia sinensis L.) plantation in China // Plant Soil. 2019. Vol. 444. https://doi.org/10.1007/s11104-019-04291-8
30. Zavalin A.A., Sokolov O.A. Nitrogen fluxes in the agroecosystem: from the ideas of D.N. Pryanishnikov to the present day. M., 2016.
31. Zhao J., Li P., Xia T. et al. Exploring plant metabolic genomics: chemical diversity, metabolic complexity in the biosynthesis and transport of specialized metabolites with the tea plant as a model // Crit. Rev. Biotechnol. 2020. Vol. 40(5). https://doi.org/10.1080/07388551.2020.1752617
32. Zeng L., Zhou X., Liao Y. et al. Roles of specialized metabolites in biological function and environmental adaptability of tea plant (Camellia sinensis L.) as a metabolite studying model // Journal of Advanced Research. 2021. Vol. 34. https://doi.org/10.1016/jjare.2020.11.004
Поступила в редакцию 13.10.2023 После доработки 20.11.2023 Принята к публикации 14.12.2023
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2024. Т. 79. № 1 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2024. Vol. 79. No. 1
REGULATORY EFFECT OF NITROGEN ON THE FORMATION AND ACCUMULATION OF SECONDARY METABOLITES IN DIFFERENT GENOTYPES OF CAMELLIA SINENSIS (L.) KUNTZE
L. S. Malyukova, A. V. Velikiy
Soil N deficiency is one of the main constraints limiting high tea yields worldwide, particularly in Russia. Besides, high dosages of N fertilizers are widely applied for tea plantations, resulting in agrogenic transformation of soils, environment pollution, and a decrease in the tea quality. One of the ways to reduce dosages of N fertilizers is the development of new cultivars with high N use efficiency. In this regard, the effect of genotype on biosynthesis and accumulation of valuable secondary metabolites in tea leaves was studied under optimal N supply and its deficiency in potted experiment. The study was conducted on the most promising local tea cultivars (Kolkhida and Karatum), grown on brown forest acidic soils in the humid subtropics of Russia. Using high-performance liquid chromatography, the contents of catechins, flavanols, alkaloids and theanine were evaluated in tea leaves. Our results showed that N availability stimulated the biosynthesis of theanine more than one order of magnitude and alkaloids (caffeine 3-5 times and theobromine 2-3 times) in both tea genotypes; however, it decreased the accumulation of several catechins and flavanols on average 1,5-2 times. Under optimal N supply, cv. Kolkhida displayed higher accumulation of theanine (by 30-60%) and gallated catechins (by 50%) in the leaves, however cv. higher accumulation of alkaloids (caffeine and theobromine) was observed in cv. Karatum (by 10-20%). N deficiency resulted in greater accumulation of simple and gallated catechins, as well as rutin in cv. Kolkhida, as compared to cv. Karatum. However, the content of the studied metabolites in cv. Karatum was more stable under different nitrogen levels, indicating its lower susceptibility to N deficiency.
Keywords: tea culture, nitrogen fertilizers, tea varieties, biosynthesis, catechins, alkaloids, flavanols, theanine.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Малюкова Людмила Степановна, докт. биол. наук, профессор РАН, ФИЦ «Субтропический научный центр Российской академии наук», e-mail: malukovals@mail.ru
Великий Андрей Васильевич, канд. с.-х. наук, науч. сотр.
ФИЦ «Субтропический научный центр Российской академии наук»,
e-mail: kriptozoorxon@mail.ru
© Malyukova L.S., Velikiy A.V., 2024
