Вариабельность содержания вторичных матаболитов у Juniperus sabina L. в экологических условиях Южного Урала Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 547.9; 577.1

А. В. Щербаков (к. биол. н., доц.) М. В. Чистякова (асп.) Г. Х. Аминев (асп.)2, С. П. Иванов (к.х.н., с.н.с.) 3, И. Ю. Усманов (д. биол. н., дир.) 4

Вариабельность содержания вторичных матаболитов у Juniperus sabina L. в экологических условиях Южного Урала

1 Башкирский государственный университет, кафедра физиологии растений 450074, г. Уфа, ул. Фрунзе, 32, тел. (347) 273-67-12, е-mail: [email protected] 2Сибайский институт Башгосунивеститета 453830, г. Сибай, ул. Кусимова, 7, тел. (275) 3-59-01, е-mail: [email protected] 3Институт органической химии УНЦ РАН, лаборатория физико-химических методов анализа 450054, г. Уфа, пр. Октября, 71, тел. (347) 235-55-60, е-mail: [email protected] 4Институт туризма и коммуникаций Уфимской государственной академии экономики и сервиса 450078, г. Уфа, ул.Чернышевского, 145, тел. (347) 252-77-05, е-mail: [email protected]

A. V. Tsherbakov, M. V. Chistyakova, G. Kh. Aminev, S. P. Ivanov, I. Yu. Usmanov

Variability of secondary metabolites content in Juniperus sabina L. in ecological conditions of the South Urals

1 Bashkir state university 32, Frunze str, 450074, Ufa, ph. (347) 273-67-12, e-mail: [email protected] 2Sybai banch of Bashkir state university 7, Kusimova str., 453830, Sybai, ph. (275) 3-59-01, e-mail: [email protected] 3Institute of Organic Chemistry of Ufa Scientific Centre of Russian Academy of Sciences 71, Oktyabrya Pr., 450054 Ufa, Russia; ph. (347) 235-55-60, e-mail: [email protected] 4Ufa State Academy of Economy and Service, 145, Chernyshevskogo Str, 450077, Ufa, Russia; ph. (347) 252-77-05, e-mail: [email protected]

Обсуждается изменчивость качественного состава и уровней накопления компонентов специализированного метаболизма у можжевельника казацкого в условиях Башкирского Зауралья. Показано, что отдельные метаболиты могут синтезироваться и накапливаться в органах можжевельника казацкого независимо один от другого: число зафиксированных методом ВЭЖХ метаболитов меняется от 13 до 30 и ни в одной популяции не зарегистрированы все метаболиты, которых выявлено около 60. Это указывает на уникальность химического состава отдельных популяций можжевельника казацкого, что необходимо учитывать при исследованиях растений как растительного сырья.

Ключевые слова: ВЭЖХ; кверцетин; можжевельник казацкий; накопление метаболитов; рутин; специализированный метаболизм; фла-воноиды.

Дата поступления 25.03.09

Variability of qualitative composition and levels of the accumulation of the components of the specialized metabolism in the Juniperus sabina L. in South Urals are discussed. It is shown that the separate metabolites can be synthesized and be accumulated in the organs of the Juniperus sabina L. independently: the number of metabolites fixed by the method HPLC changes from 13 to 30 but there is no population with the whole amount of metabolites, which is about 60.

Key words: accumulation of metabolites; flavonoides; Juniperus sabina L., secondary metabolites; rutin; quertsetin.

Введение

Известно, что биосинтез и накопление веществ специализированного обмена у растений отличаются чрезвычайной пластичностью 1—3. Пластичность качественного и количественного состава накапливаемых специализированных веществ по современным представлениям связана с достаточной легкостью для растений их химической модификации в ходе метаболизма. При этом биосинтез специализированных компонентов и их распределение по растению зачастую очень сложно связаны между собой. Легкость же химической модификации обусловлена двойным контролем биосинтеза этих веществ — таксономическим и экологическим 4—6.

При изменениях внешних условий растения часто запускают несколько адаптивных механиз-

7

мов с не зависящей друг от друга динамикой 7. Значительную роль при адаптации растений к меняющимся экологическим условиям играют и вещества специализированного обмена 2 3' 7. Поэтому накопление растениями отдельных компонентов специализированного обмена также может иметь независимый характер.

В свете вышесказанного можно предположить, что растения, произрастающие в условиях широких экологических градиентов, могут отличаться специфическими наборами вторичных метаболитов в разных частях этих градиентов. Одним из таких видов является можжевельник казацкий — Juniperus sabina L. — из семейства кипарисовые — перспективное лекарственное растение. Этот вид имеет широкое распространение в составе петрофитных сооб-

А Н

<J

О -

н =

■е

о О. н

к

«

о и

3 со

ъ

Trifolio-Geranietea

ществ на щебнистых и каменистых почвах 8, в сухих степях, на выбитых пастбищах и отвалах. По современным представлениям Juniperus sabina L. может являться ценным источником целого комплекса разнообразных биологически активных веществ, в том числе и флавоноидной природы.

Хотя Juniperus sabina L. широко распространен на Южном Урале, мало сведений о биологии, экологии и химическом составе этого вида. Поэтому целью наших исследований являлось выявление вариабельности содержания некоторых вторичных метаболитов, а именно — флавоноидов у Juniperus sabina L. в условиях Южного Урала.

Изучение качественного и количественного состава метаболитов, синтезируемых растениями, представляет значительный интерес в фитофизиологии, фармакогнозии, фитохимии и особенно в фармации.

Методы

Образцы для химического анализа были собраны в 6 популяциях (ЦП) на территории Республики Башкортостан в градиентах 51о 51' 30"- 53o 0' 20" северной широты и. 56o 43' 30''- 58o 22' 50'' восточной долготы.

Популяции были исследованы в сообществах, в которых, согласно результатам геоботанического анализа, условия варьировали по степени закамненности, (петрофитности) грунта. Географически исследованные популяции расположены в градиенте «Север-Юг» (рис. 1).

ъ

Festuco-Brometea

О

о

о

о

Север

51° 51' 30 с.ш.

"Юг

53° 0' 20''с ш

Широта местности

Рис. 1. Градиенты климатических условий расположения Ценопопуляций Juniperus sabina: Класс Festuco-Brometea — степи: ЦП 1 и 5 — Порядок Onosmetalia — петрофитные степи; ЦП 4 — Порядок Festucetalia valesiacae — луговые степи; ЦП 2 — Порядок Helictotricho-Stipetalia — настоящие степи; Класс Trifolio-Geranietea — лесные опушки: ЦП 3 и 6

2

1

5

и ацетонитрил (40%) при длине волны 360 нм. Кроме идентифицированных флавоноидов — рутина и кверцетина, в исследуемых образцах было выявлено от 42 до 60 (в зависимости от органа) веществ, предположительно флаво-ноидной природы Содержание пигментов фотосинтеза определяли спектрофотометрически по стандартной методике 1 9.

Материалы были обработаны с применением пакета программ «^аШ^са 5.0».

Результаты и обсуждение

Анализ показал, что содержание всех исследованных групп веществ существенно меняется во всех исследованных органах (табл. 1, рис. 2).Все показатели химического состава

Таблица 1

Вариабельность показателей содержания исследуемых веществ в органах можжевельника казацкого по данным ВЭЖХ.

У Juniperus sabina L. были зарегистрированы 6 морфологических показателей: прирост с начала сезона вегетации, параметры отдельных куртин (площадь покрытия, средняя высота куртины, степень насыщенности окраски, наличие и местоположение некротических участков). Сбор, сушку и подготовку образцов к химическому анализу проводили по стандартной методике .

Сумму флавоноидов определяли по реакции комплексообразования с хлоридом алюминия при X 356 нм в пересчете на рутин 2. Содержание рутина и кверцетина методом ВЭЖХ определяли в лаборатории органической химии Башгосуниверситета в системе растворителей 0.2% р-р трифторуксусной к-ты (60%),

№ По Орган кол-во зарегистрированных В % от общего общее

ЦП л веществ количества количество в-в.

С хвоя 18 43 42

стебель 26 43 60

хвоя 13 32.5 40

9 стебель 27 53 51

1 ш/ягоды 25 58 43

сf хвоя 21 50 42

стебель 30 50 60

хвоя 21 52.5 40

9 стебель 28 55 51

2 ш/ягоды 24 53 43

о" хвоя 22 52.3 42

стебель 23 38 60

хвоя 19 47.5 40

9 стебель 23 45 51

3 ш/ягоды 28 65 43

о" хвоя 21 50 42

стебель 26 43 60

хвоя 19 47.5 40

9 стебель 23 45 51

4 ш/ягоды 24 56 43

о" хвоя 18 43 42

стебель 23 38 60

хвоя 17 42.5 40

9 стебель 24 47 51

5 ш/ягоды 20 46.5 43

С хвоя 20 47.6 42

стебель 23 38 60

хвоя 22 55 40

9 стебель 20 39 51

6 ш/ягоды 20 46.5 43

С Р Е кол-во стабильно встречающихся в-в,% мин. доля зарегистрир. в-в., % мах. доля зарегистр. в-в, % Коэфф. вариации общее количество в-в.

Д о" хвоя 11.90 43 52.3 1.21 42

Н стебель 8.33 38 50 1.32 60

Е хвоя 15.00 32.5 55 1.69 40

Е 9 стебель 5.88 39 55 1.41 51

ш/ягоды 13.95 46.5 65 1.49 43

А) Хвоя мужских растений первая ценопопуляция — пятая ценопопуляция — ■

В) Хвоя женских растений.

Первая ценопопуляция

Вторая ценопопуляция ———————

Рис. 2. Пластичность химического состава различных органов у растений можжевельника

Таблица 2

Сводные данные о содержании различных веществ в образцах можжевельника из Башкирского Зауралья, в мг/г сухой массы

№ ЦП Орган Содержание веществ мг/г сухой массы Кол.

Пол Рутин Изокв. квер. хл.а хл.в кар. Сумма Флав. пиков ВЖХ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

<t с 0.623 0.110 0.043 0.32 0.23 1.007 4.675 26

л 1.123 1.411 0.044 7.18 0.24 3.519 13.275 18

срСТ 1.1 0.873 0.761 0.044 3.75 0.24 2.26 8.975 22

1 У с 0.179 0.119 0.019 0.47 0.28 1.396 5.057 27

9 л 3.028 0.538 0.222 4.46 0.05 3.434 13.581 13

9 я 1.046 0.407 0.040 4.30 5.42 4.160 13.550 25

cpV 1.2 1.418 0.355 0.094 3.076 1.916 2.997 10.73 22

< с 0.331 0.228 0.035 1.52 0.88 0.238 9.967 30

л 2.259 0.908 0.110 3.64 0.13 3.176 12.470 21

cp*f 2.1 1.295 0.57 0.073 2.58 0.505 1.707 11.22 26

2 9 с 0.041 0.034 0.004 0.30 0.19 0.029 3.882 28

9 л 1.530 1.075 0.074 4.47 0.10 2.915 11.962 21

У я 0.725 0.938 0.126 3.42 5.08 2.148 14.092 24

cpV 2.2 0.765 0.682 0.068 2.73 1.79 1.697 9.98 24

cf с 2.119 0.575 0.042 0.72 0.01 3.855 11.531 23

л 0.213 0.167 0.007 1.32 0.08 0.058 10.101 22

срО1 3.1 1.166 0.37 0.02 1.02 0.05 1.96 10.82 23.5

3 9 с 0.420 0.257 0.042 0.70 0.45 2.150 10.568 23

9 л 1.896 0.753 0.026 1.98 0.17 1.842 11.551 19

9 я 0.410 0.533 0.238 1.77 0.09 1.893 11.193 28

срч 3.2 0.909 0.514 0.102 1.483 0.237 1.96 11.1 23.3

cf с 0.824 0.543 0.396 1.35 0.65 0.362 11.705 26

О" л 4.107 1.427 1.588 4.10 0.23 3.478 12.132 21

срО1 4.1 2.47 0.985 0.992 2.725 0.44 1.92 11.92 23.5

4 9 с 0.221 0.000 0.157 0.79 0.79 2.124 10.711 23

9 л 1.867 0.987 1.294 2.44 0.26 3.260 11.590 19

9 я 0.288 0.446 0.193 2.19 1.53 1.707 11.270 24

ср;:: 4.2 0.792 0.478 0.548 1.81 0.86 2.36 11.19 22

гГ с 0.766 0.206 0.049 0.73 0.41 2.055 7.79 23

cf л 1.395 0.763 0.910 5.50 0.25 3.118 11.331 18

сртТ 5.1 1.08 0.485 0.48 3.12 0.33 2.59 9.56 20.5

5 9 с 0.395 0.356 0.091 0.65 0.45 2.154 8.498 24

9 л 1.594 1.147 1.464 4.68 0.13 3.822 11.509 17

я 0.499 1.150 0.219 4.96 0.06 3.328 11.538 20

сР 5.2 0.829 0.884 0.59 3.43 0.21 3.1 10.52 20.3

cf с 0.243 0.344 0.002 0.54 0.71 1.964 7.213 23

cf л 0.953 1.991 0.798 1.42 0.43 4.024 11.384 20

среГ 6.1 0.6 1.17 0.4 0.98 0.57 2.99 9.3 21.5

6 9 с 0.382 0.176 0.029 3.38 0.20 3.468 11.097 20

V л 0.625 1.697 0.551 0.63 0.66 2.467 10.004 22

9 я 1.192 2.361 0.303 2.74 0.18 2.814 11.050 20

ср. 6.2 0.733 1.41 0.294 2.25 0.347 2.92 10.72 20.7

Л — листья, с —стебли, я — ягоды

существенно различаются у растений из разных популяций. Однако для пигментов фотосинтеза и кверцетина различия между популяциями носят количественный характер. Ни по одному из этих веществ не зарегистрирован вариант «есть/нет»: перечисленные вещества в растениях данной группы синтезируются всегда, во всех частях экологического градиента. В табл. 2 показано разнообразие распределения по органам и динамики накопления отдельных веществ в исследованных популяциях Juniperus sabina.

Иная картина наблюдается в спектрах накопления метаболитов в органах можжевель-

ника, регистрируемых с помощью ВЭЖХ (табл. 1). Общее количество веществ, зарегистрированных данным методом, составило в шишкоягодах — 43, в хвое женских растений — 40, в хвое мужских растений — 42, в стеблях женских растений — 51, в стеблях мужских растений — 60. При этом количество веществ, зарегистрированных в индивидуальных образцах, варьирует в шишкоягодах от 20 до 28, в хвое женских растений от 13 до 22, мужских растений от 18 до 22, в стеблях женских растений от 20 до 28, мужских растений от 23 до 30. Таким образом, не были обнаружены индивидуальные образцы, в которых бы наблюдалось

накопление всех зарегистрированных веществ (табл. 1). Это указывает на химическую индивидуальность каждой популяции.

Количество метаболитов, зарегистрированных методом ВЭЖХ в шишкоягодах растений из различных популяций, варьирует от 46.5% до 70% от максимально возможного количества. Количество метаболитов, зарегистрированных у растений можжевельника различных популяций в хвое и стеблях, сильно различается в зависимости от половой принадлежности растения: у женских растений в хвое показатель варьирует от 43% до 52%, у мужских растений от 38% и до 50% от максимального значения. Наиболее выраженная степень вариации обнаруживается для стеблей: вариабельность химического состава метаболитов у женских растений от 32.5% до 55%, у мужских растений от 39% до 55% (табл. 3).

Таким образом, максимальная пластичность химического состава по популяциям была обнаружена у женских растений в шиш-коягодах и стеблях. Минимальная пластичность состава метаболитов обнаружена в хвое женских растений. Мужские растения занимают промежуточную позицию по вариабельности состава.

Анализ качественного состава обнаруженных веществ позволил выявить стабильно встречающиеся в органах представителей разных популяций вещества, среди которых и был идентифицирован кверцетин. Доля веществ, встречающихся во всех популяциях у женских растений в хвое составила 11.9%, в стеблях 15%, в то время как у мужских растений стабильно встречающихся веществ в хвое 8.33% и в стеблях 5.88%, в шишкоягодах этот показатель составил 13.95% от максимально возможного количества.

Остальные же вещества во всех органах отличались различной встречаемостью, от единичных случаев, до регистрации их у представителей 5 популяций из 6 исследованных среди которых был идентифицированы кверцетин, рутин и изокверцетин.

Итак, в растениях можжевельника казацкого зарегистрировано устойчивое явление независимого накопления отдельных веществ специализированного обмена. Многие из которых могут быть отнесены к флавоноидам. Учитывая, что многие лекарственные вещества относятся к флавоноидам, поиск наиболее эффективных физиологически активных комбинаций веществ необходимо вести не на видовом, а на популяционном уровне.

Литература

1. Государственная фармакопея СССР. XI изд.— М.: Медицина, 1990.- 573 с.

2. Георгиевский В. П., Комиссаренко Н. Ф., Дмитрук С. Е. Биологически активные вещества лекарственных растений.- Новосибирск: Наука, 1990.- 333 с.

3. Щербаков А. В., Усманов И. Ю., Нуриев И. Ф. Биохимия вторичного метаболизма.- Уфа: Изд-во БашГУ, 2001.-56 с.

4. Adams, R. P. and Y. Turuspekov// Taxon.-1998.- №47.- P. 75.

5. Dembitsky, V. M.//Lipids.- 2005.- № 40.- Р. 869.

6. Dembitsky, V. M.//Lipids.-2006.-№ 41.-Р. 1.

7. Усманов И. Ю., Рахманкулова З. Ф., Кулагин А. Ю. Экологическая физиология расте-ний.-М.: Логос, 2001.-224 с.

8. Adams, R. R. // Biochemical Systematics and Ecology.- 1998.- №26.- Р. 637.

9. Marini-Bettolo. G. P. // J. Ethnopharm.-1980.- V. 2.- P. 1.

Со

со

Таблица 3

Данные о содержании веществ в стеблях женских растений Juniperus sabina,

полученные методом ВЭЖХ. Сбор 2007 г

Di

Q

Е

*

X "0

о *

X Xt X X

ф

0 *

X

Xt *

"0

1 Q Ь

fo О

о

«о

о

05 fO

№ ЦП Время выхода вещества, минуты, секунды

2,60 2,75 2,90 3,00 3,10 о -t cí 3,80 3,90 4,25 4,35 5,05 5,20 5,35 6,45 6,90 7.15 7,25 7,35 7,50 о 7,90 8,35 8,55 8,80 8,85 9,15 9,25 9,35 9,55 9,65 9,95 10,15 10,55 10,80 11,05 11,15 11,30 11,70 12 00 12,20 12,50 12,70 13,00 13,20 13,35 13,45 13,65 14,10 14,30 15,00 15,25 кол-во веще ств

1 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 27

2 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 28

3 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 23

4 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 23

5 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 24

6 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 20

I рутин I | изокверцетин 51