CC BY
8УДК 547.783, 582.948.2
Ахкубекова А. А., Тамахина А. Я.
Akhkubekova A. A., Tamakhina A. Ya.
РОЛЬ АЛЛАНТОИНА В АДАПТАЦИИ РАСТЕНИЙ СЕМЕЙСТВА BORAGINACEAE
THE ROLE OF ALLANTOIN IN THE ADAPTATION OF PLANTS IN THE BORAGINACEAE FAMILY
Аллантоин является продуктом вторичного метаболизма растений и играет определённую роль в контроле клеточной пролиферации, защите от действия экстремальных факторов среды. В связи с недостаточной изученностью роли аллантоина в адаптации растений разных видов актуальным является выяснение механизма накопления аллантоина в надземных и подземных органах растений, произрастающих в различных экологических условиях. Объектами исследования стали окопник шершавый (Symphytum asperum), окопник кавказский (Symphytum caucasicum), синяк обыкновенный (Echium vulgare) и медуница мягкая (Pulmonaria mollis), произрастающие на территории Кабардино-Балкарской Республики в различных экологических условиях. Количественное определение аллантоина проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии по площади пика, используя метод внешнего стандарта. На примере видов семейства Boraginaceae установлено, что синтез и накопление аллантоина в органах растений видоспе-цифично и зависит от содержания азота в почве, температуры, осадков и освещённости. Накопление аллантоина в побегах и корнях минимально в фазе плодоношения и максимально в конце вегетации. Содержание аллантоина в корнях, как месте синтеза аллантоина, превышает аналогичный показатель в побегах. Уровень накопления аллантоина в корнях снижается в ряду S. asperum > S. caucasicum > P. mollis > Е. vulgare, а в побегах S. asperum > P. mollis > Е. vulgare > S. caucasicum.
Ключевые слова: аллантоин, Symphytum asperum, Symphytum caucasicum, Echium vulgare, Pulmonaria mollis, адаптация, стресс-факторы, экологическая стратегия.
Allantoin is a product of the secondary metabolism of plants and plays certain a role in the control of cell proliferation, protection against extreme environmental factors. In connection with the insufficient study of the role of allantoin in the adaptation of plants of different species, it is urgent to elucidate the mechanism of accumulation of allan-toin in the aboveground and underground organs of plants growing under various environmental conditions. The objects of study were rough comf-rey (Symphytum asperum), caucasian comfrey (Symphytum caucasicum), blueweed (Echium vulgare), and soft lungwort (Pulmonaria mollis), growing on the territory of the Kabardino-Balkarian Republic under various environmental conditions. Allantoin was quantified by high performance liquid chromatography over the peak area using an external standard method. Using the example of species of the family Boraginaceae, it was found that the synthesis and accumulation of allantoin in plant organs is species-specific and depends on the nitrogen content in the soil, temperature, precipitation, and light exposure. The accumulation of allantoin in shoots and roots is minimal in the fruiting phase and maximum at the end of the growing season. The content of allantoin in the roots, as a place of synthesis of allantoin, exceeds the same indicator in the shoots. In general, the level of allantoin accumulation in the roots decreases in the series S. asperum > S. caucasicum > P. mollis > E. vulgare and in the shoots of S. asperum > P. mollis > E. vulgare > S. caucasicum.
Key words: allantoin, Symphytum asperum, Symphytum caucasicum, Echium vulgare, Pulmonaria mollis, adaptation, stress factors, ecological strategy.
Ахкубекова Амина Анатольевна -
аспирант кафедры товароведения, туризма и права, ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ, г. Нальчик Ten.: 8 (8662) 40 41 07 E-mail: aminaahk2018@mail.ru.
Тамахина Аида Яковлевна - доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры товароведения, туризма и права, ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ, г. Нальчик Тел.: 8 928 709 36 52 E-mail: aida17032007@yandex.ru
Akhkubekova Amina Anatolyevna -
Postgraduate Student at the Department of Commodity research, tourism and law, FSBEI HE Kabardino-Balkarian SAU, Nalchik Tel.: 8 (8662) 40 41 07 E-mail: aminaahk2018@mail.ru.
Tamakhina Aida Yakovlevna - Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Department of Commodity research, tourism and law, FSBEI HE Kabardino-Balkarian SAU, Nalchik Tel.: 8 928 709 36 52 E-mail: aida17032007@yandex.ru
Введение. Аллантоин (5-уреидогидантоин или глиоксалилдвумочевина) синтезируется большинством видов растений. Впервые аллантоин был обнаружен в корнях окопника лекарственного (Symphytum officinale L.). Наличие аллантоина характерно и для других видов семейства Boraginaceae (Pulmonaria officinalis, P. mollis, Cynoglossum officinale) [1].
Аллантоин является продуктом вторичного метаболизма растений и играет определённую роль в контроле клеточной пролиферации, защите от действия экстремальных факторов среды [2-4]. Подтверждено накопление аллантоина растениями в условиях засухи [5-7], холода [8], высокой засоленности [9], дефиците азота в почве [10].
В основе фармакологического действия аллантоина лежит стимулирование пролиферации и регенерации соединительной ткани, противомикробные и противовоспалительные свойства, что делает его незаменимым компонентом средств для лечения кожных заболеваний [11]. Аллантоин растительного происхождения блокирует теломеразу и индуцирует апоптоз в раковых клетках, на чем основана фитотерапия и профилактика опухолевого процесса [12]. Антиоксидантные и антимутагенные свойства аллантоина позволяют его использовать в качестве регулятора роста растений, вводить в состав удобрений и ветеринарных дезинфицирующих средств [13].
Снижение уровня аллантоина в корневищах с увеличением фотопериода является следствием увеличения активности фермента аллантоиназы при усилении освещения [14].
Накопление аллантоина в корнях растений зависит от климатических условий места произрастания и фазы развития [15].
В связи с вышесказанным, теоретическую и практическую значимость имеет выяснение механизма накопления аллантоина в надземных и подземных органах растений, произрастающих в различных экологических условиях.
Объекты и методы исследования. Объектами исследования стали побеги и корни видов семейства Бурачниковые - окопника шершавого (Symphytum asperum), окопника кавказского (Symphytum caucasicum), синяка обыкновенного (Echium vulgare) и медуницы мягкой (Pulmonaria mollis). Отбор материала осуществляли в фазах цветения, плодоношения и в конце вегетации растений. Пробопод-готовка включала измельчение корней и побегов, экстракцию в смеси спирта и воды, фильтрацию. Анализ аллантоина осуществляли методом ВЭЖХ. Идентификацию аллантоина проводили путём сопоставления времени удерживания компонентов смеси со временем удерживания стандартного раствора аллантоина. Количественное определение аллантоина проводили по площади пика, используя метод внешнего стандарта [16].
Результаты исследования. Для выявления закономерностей накопления аллантоина в корнях и побегах растений нами выделены наиболее значимые факторы, влияющие на этот показатель: средняя температура и сумма осадков за период вегетации, высота над уровнем моря, содержание гумуса в почве (табл. 1).
Таблица 1 - Экологические условия мест произрастания растений
Вид № участка Средняя температура за период вегетации, С Сумма осадков за период вегетации, мм Высота, м н. у. м. Гумус, %
P. mollis 1 16,96 408,8 847 2,83
2 10,25 346,7 2380 3,11
3 16,62 402,6 264 3,25
4 16,96 408,8 830 2,64
S. caucasicum 5 16,82 380,5 570 3,27
6 18,28 350,6 255 3,73
7 19,43 315,2 848 3,86
8 19,16 327,2 680 3,32
S. asperum 9 18,31 320,2 514 2,80
10 16,37 408,8 880 6,44
11 11,30 364,1 1120 2,54
12 18,12 332,3 260 2,23
Е. vulgare 13 17,52 390,8 226 3,57
14 18,38 328,4 1128 0,78
15 14,43 397,1 620 3,02
16 18,02 360,4 648 6,15
Для изучаемых видов общей закономерностью является снижение содержания аллантоина, как в подземных, так и надземных органах растений, в фазе плодообразования и
значительное увеличение в конце вегетации. Наибольшее содержание аллантоина в конце осени установлено в корнях S. asperum, а наименьшее - в корнях P. mollis (рис. 1).
а)
б)
□ содержание аллантоина в побегах
□ содержание аллантоина в корнях
в)
Рисунок 1 - Динамика содержания аллантоина в органах растений, % от абс. с.в., в фазы цветения (а),
плодоношения (б) и в конце вегетации (в):
1-4 - P.mollis, 5-8 - S. caucasicum, 9-12 - S. asperum, 13-16 - E. vulgare
В течение вегетационного периода среднее содержание аллантоина в побегах и корнях P. mollis, S. caucasicum, S. asperum и Е. vulgare снижается соответственно в 1,23-1,60 и 1,131,40 раза. В конце вегетации содержание аллантоина в корнях резко повышается по сравнению с фазой плодоношения: P. mollis - в 1,53, S. caucasicum - в 2,14, S. asperum - в 2,05 раза. У синяка обыкновенного, являющегося монокарпиком, данный показатель не определялся. В целом, уровень накопления аллантоина в корнях снижается в ряду S. asperum> S. caucasicum > P. mollis > Е. vulgare, а в побегах S. asperum > P. mollis > Е. vulgare > S. caucasicum. Полученные данные согласуются с имеющимися в научной литературе сведениями о накоплении аллантоина осенью в корнях растений, где он хранится до начала вегетации [15, 17].
По результатам корреляционного анализа установлены видоспецифичные взаимосвязи содержания аллантоина в побегах и корнях с температурой, осадками, уровнем освещённости и содержанием азота. В побегах медуницы мягкой в фазе цветения взаимосвязь содержания аллантоина с температурой и осадками отрицательная, умеренная, с азотом в почве - высокая. В фазе плодоношения связь накопления аллантоина с температурой и освещённостью усиливается и переходит в разряд заметной и умеренной, высокая связь с азотом в почве сохраняется.
В побегах окопника кавказского в фазе цветения и плодоношения содержание аллан-тоина слабо коррелирует с температурой, осадками и освещённостью, но заметно - с азотом. В побегах окопника шершавого в фазу цветения и плодоношения отмечена слабая связь со всеми изучаемыми экологическими факторами, кроме осадков. В побегах синяка обыкновенного в фазе цветения взаимосвязь содержания аллантоина с температурой и осадками высокая, с освещённостью и азотом - умеренная; в фазе плодоношения связь накопления аллантоина с температурой и осадками снижается, а с азотом - повышается.
В корнях медуницы мягкой в фазе цветения взаимосвязь содержания аллантоина с температурой, осадками и азотом высокая, а с
Литература
1. Растительные ресурсы СССР. Цветковые растения, их химический состав, использование; Семейства Caprifoliaceae-Plantagi-naceae. - Ленинград: Наука, 1990. - 328 с.
освещённостью - заметная. В фазе плодоношения связь накопления аллантоина с температурой и осадками снижается до умеренной, с освещённостью - до слабой, с азотом - повышается до весьма высокой.
В корнях окопника кавказского в фазе цветения связь накопления аллантоина с температурой, осадками, азотом слабая, а с освещённостью - заметная. В фазе плодоношения усиливается связь накопления аллантоина в корнях с осадками и азотом в почве.
В корнях окопника шершавого в фазы цветения и плодоношения содержание аллантои-на слабо коррелирует с температурой и освещённостью, а с осадками и азотом - заметно. В корнях синяка обыкновенного в фазе цветения и плодоношения связь содержания ал-лантоина с температурой слабая, с освещённостью - умеренная, с азотом - весьма высокая, с осадками - от слабой до умеренной.
Особенности накопления аллантоина свидетельствуют об S- и R-признаках экологической стратегии изученных видов. Содержание аллантоина возрастает с нарастанием стресса. Повышенное содержание в листьях и стеблях азота и абсцизовой кислоты обусловлено опосредованным воздействием ал-лантоина [18, 19]. Полученные данные подтверждают важную роль аллантоина в неферментативной антиоксидантной системе адаптации растений к стресс-факторам.
Область применения результатов: экология и физиология растений.
Заключение. На примере видов семейства Boraginaceae установлено, что синтез и накопление аллантоина в органах растений видос-пецифично и зависит от содержания азота в почве, температуры, осадков и освещённости. Накопление аллантоина в побегах и корнях минимально в фазе плодоношения и максимально в конце вегетации. Содержание ал-лантоина в корнях, как месте его синтеза, превышает аналогичный показатель в побегах. В целом уровень накопления аллантоина в корнях снижается в ряду S. asperum > S. caucasicum > P. mollis > Е. vulgare, а в побегах S. asperum > P. mollis > Е. vulgare > S. caucasicum.
References
1. Rastitel'nye resursy SSSR. Cvetkovye ras-teniya, ih himicheskij sostav, ispol'zovanie; Se-mejstva Caprifoliaceae-Plantaginaceae. - Leningrad: Nauka, 1990. - 328 s.
2. Гуськов Е.П., Прокофьев В.Н., Клец-кий М.Е. и др. Аллантоин как витамин // Доклады Академии Наук. Биохимия и биофизика.
- 2004. - T. 398. - № 6. - С. 1-6.
3. Аллантоин и урат как супрессоры гено-токсического эффекта ультрафиолетового излучения длиной волны 300-400 нм / М.А. Са-зыкина, В.А. Чистяков, М.А. Коленко, К.В. Азарин // Экологическая генетика. -2009. - Т. VII. - № 2. - С. 44-46.
4. Чистяков В.А., Азарин К.В., Усатов А.В. Антиоксидантный потенциал некоторых природных азотсодержащих соединений // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. - 2008. - № 5. - С. 75-77.
5. Bowne J.B., Erwin T.A., Juttner J., Schnurbusch T., Langridge P., Bacic A., Roessner U. Drought responses of leaf tissues from wheat cul-tivars of differing drought tolerance at the metabolite level // Molecular Plant. - 2011. - Vol. 5.
- P. 418-429.
6. Casartelli A., Riewe D., Hubberten H.M., Altmann T., Hoefgen R., Heuer S. Exploring traditional aus-type rice for metabolites conferring drought tolerance // Rice. - 2018. - Vol. 11. -Iss. 1. - P. 9.
7. Lescano C.I. Martini C., Gonzalez C.A., Desimone M. Allantoin accumulation mediated by allantoinase downregulation and transport by Ureide Permease 5 confers salt stress tolerance to Arabidopsis plants // Plant Molecular Biology. -2016. - Vol. 91. - N 4-5. - P. 581-595.
8. Kaplan F., Kopka J., Haskell D.W., Zhao W., Schiller K.C., Gatzke N., Sung D.Y., Guy C.L. Exploring the temperature-stress metabolome of Arabidopsis // Plant Physiology. -2004. - Vol. 136. - P. 4159-4168.
9. Kanani H., Dutta B., Klapa M.I. Individual vs. combinatorial effect of elevated CO2 conditions and salinity stress on Arabidopsis thaliana liquid cultures: comparing the early molecular response using time-series transcriptomic and metabolomic analyses // BMC Systems Biology.
- 2010. - Vol. 4. - P. 177-177.
10. Coneva V., Simopoulos C., Casaretto J.A. et al. Metabolic and co-expression network-based analyses associated with nitrate response in rice // BMC Genom. - 2014. - Vol. 15. - P. 1056.
11. Becker L.C., Bergfeld W.F., Belsito D.V. et al. Final report of the safety assessment of al-lantoin and its related complexes // Internatio-nal Journal of Toxicology. - 2010. - N 29. - P. 8497.
2. Gus'kov E. P., Prokofev V. N., Kleckij M.E. i dr. Allantoin kak vitamin // Doklady Akademii Nauk. Biohimiya i biofizika. - 2004. - T. 398. -№ 6. - S. 1-6.
3. Allantoin i urat kak supressory genotoksi-cheskogo effekta ul'trafioletovogo izlucheniya dlinoj volny 300-400 nm / M.A. Sazykina, V.A. Chistyakov, M.A. Kolenko, K.V. Azarin // Ekologicheskaya genetika. - 2009. - T. VII. -№ 2. - S. 44-46.
4. Chistyakov V.A., Azarin K.V., Usatov A.V. Antioksidantnyj potencial nekotoryh prirodnyh azotsoderzhashchih soedinenij // Izvestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Estestvennye nauki. -2008. - № 5. - S. 75-77.
5. Bowne J.B., Erwin T.A., Juttner J., Schnurbusch T., Langridge P., Bacic A., Roessner U. Drought responses of leaf tissues from wheat cul-tivars of differing drought tolerance at the metabolite level // Molecular Plant. - 2011. - Vol. 5.
- P. 418-429.
6. Casartelli A., Riewe D., Hubberten H.M., Altmann T., Hoefgen R., Heuer S. Exploring traditional aus-type rice for metabolites conferring drought tolerance // Rice. - 2018. - Vol. 11. -Iss. 1. - P. 9.
7. Lescano C.I. Martini C., Gonzalez C.A., Desimone M. Allantoin accumulation mediated by allantoinase downregulation and transport by Ureide Permease 5 confers salt stress tolerance to Arabidopsis plants // Plant Molecular Biology. -2016. - Vol. 91. - N 4-5. - P. 581-595.
8. Kaplan F., Kopka J., Haskell D.W., Zhao W., Schiller K.C., Gatzke N., Sung D.Y., Guy C.L. Exploring the temperature-stress metabolome of Arabidopsis // Plant Physiology. -2004. - Vol. 136. - P. 4159-4168.
9. Kanani H., Dutta B., Klapa M.I. Individual vs. combinatorial effect of elevated CO2 conditions and salinity stress on Arabidopsis thaliana liquid cultures: comparing the early molecular response using time-series transcriptomic and metabolomic analyses // BMC Systems Biology.
- 2010. - Vol. 4. - P. 177-177.
10. Coneva V., Simopoulos C., Casaretto J.A. et al. Metabolic and co-expression network-based analyses associated with nitrate response in rice // BMC Genom. - 2014. - Vol. 15. - P. 1056.
11. Becker L.C., Bergfeld W.F., Belsito D.V. et al. Final report of the safety assessment of al-lantoin and its related complexes // Internatio-nal Journal of Toxicology. - 2010. - N 29. - P. 8497.
12. Корсун В.Ф., Корсун Е.В. О роли апоп-тоза в фитотерапии раковых заболеваний // Практическая фитотерапия. - 2011. - № 1. -С. 14-21.
13. Fox L.K., Gradle C., Dee A. Short communication: disinfectant containing a complex of skin conditioners // Journal of Dairy Science. -2006. - N 89. - P. 2539-2541.
14. Castro A.H.F., Young M.C.M., Alvarenga A.A., Alves J.D. Influence of photoperiod on the accumulation of allantoin in comfrey plants // Revista Brasileira de Fisiologia Vegetal. - 2001.
- Vol. 13(1). - P. 49-54.
15. Гонтова Т.М. Динамжа накопичення основних дшчих речовин у коренях живоко-сту лжарського // Здобутки клшчно! i експе-риментально! медицини. - 2012. - № 2 (17). -С. 46-47.
16. Тамахина А.Я., Ахкубекова А.А., Итти-ев А.Б. Динамика накопления аллантоина в подземной фитомассе видов семейства Bora-ginaceae и его роль в адаптации растений к неблагоприятным экологическим факторам // Юг России: экология, развитие. - 2019. -Т. 14. - №1. - С. 126-136.
17. Зузук Б.М., Куцик Р.В., Костюк И.Р., Мельничук Г.Г., Гайдук Р.Й. Окопник лекарственный. Symphytum officinale L. (Аналитический обзор) // Провизор. - 2004. - № 18. -С. 25-28.
18. Пьянков В.И., Иванов Л.А., Ламберс Х. Характеристика химического состава листьев растений бореальной зоны с разными типами экологических стратегий // Экология. - 2001.
- № 4. - С. 243-251.
19. Casartelly A., Melino V.J., Baumann U., Riboni M., Suchecki R. et al. Opposite fates of the purine metabolite allantoin under water and nitrogen limitations in bread wheat // Plant Molecular Biology. - 2019. - Vol. 99. - P. 477-497.
12. Korsun V.F., Korsun E.V. O roli apoptoza v fitoterapii rakovyh zabolevanij // Praktiches-kaya fitoterapiya. - 2011. - № 1. - S. 14-21.
13. Fox L.K., Gradle C., Dee A. Short communication: disinfectant containing a complex of skin conditioners // Journal of Dairy Science. -2006. - N 89. - P. 2539-2541.
14. Castro A.H.F., Young M.C.M., Alvarenga A.A., Alves J.D. Influence of photoperiod on the accumulation of allantoin in comfrey plants // Revista Brasileira de Fisiologia Vegetal. - 2001.
- Vol. 13(1). - P. 49-54.
15. Gontova T.M. Dinamika nakopichennya osnovnih diyuchih rechovin u korenyah zhivo-kostu likars'kogo // Zdobutki klinichnoi' i eksperimental'noi' medicini. - 2012. - № 2 (17).
- S. 46-47.
16. Tamahina A.YA., Ahkubekova A.A., Itti-ev A.B. Dinamika nakopleniya allantoina v pod-zemnoj fitomasse vidov semejstva Boraginaceae i ego rol' v adaptacii rastenij k neblagopriyatnym ekologicheskim faktoram // YUg Rossii: ekolo-giya, razvitie. - 2019. - T. 14. - №1. - S. 126136.
17. Zuzuk B.M., Kucik R.V., Kostyuk I.R., Mel'nichuk G.G., Gajduk R.J. Okopnik lekarst-vennyj. Symphytum officinale L. (Analiticheskij obzor) / // Provizor. - 2004. - № 18. - S. 25-28.
18. P'yankov V.I., Ivanov L.A., Lambers H. Harakteristika himicheskogo sostava list'ev raste-nij boreal'noj zony s raznymi tipami ekologiches-kih strategij // Ekologiya. - 2001. - № 4. -S. 243-251.
19. Casartelly A., Melino V.J., Baumann U., Riboni M., Suchecki R. et al. Opposite fates of the purine metabolite allantoin under water and nitrogen limitations in bread wheat // Plant Molecular Biology. - 2019. - Vol. 99. - P. 477-497.
