CC BY
47УДК 616-057:615,322
ВЛИЯНИЕ ЛЕКАРСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ НА МИКРОМИЦЕТЫ И БИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ ПОЧВЫ
Свистова И.Д. (профессор кафедры), Парамонов А.Ю. (аспирант кафедры)*
Кафедра биологии растений и микробиологии Воронежского государственного педагогического университета, Россия
© Свистова И.Д., Парамонов А.Ю., 2011
Лекарственные растения в специализированных хозяйствах растут значительно хуже, чем в естественных экосистемах. Исследовали влияние прижизненных корневых экссудатов 22 видов лекарственных растений на численность грибов и биологическую активность почвы. Численность почвенных микромицетов снижалась в 2-7раз, а фитотоксикоз почвы возрастал в 1,5-5 раз. Изменения были наиболее выраженными в ризосфере растений семейств Губоцветные, Розовые, Астровые. Впервые обнаружили неспецифический фунгицидный эффект корневых экссудатов лекарственных растений через подщелачивание почвенного раствора. В почве под многолетними травами обнаружили нетипичные для природных экосистем токсигенные виды грибов, что представляет потенциальную угрозу накопления микотоксинов в лекарственном сырье. В статье обсуждаются возможные механизмы повышения почвенного фитотоксикоза.
Ключевые слова: корневые экссудаты, лекарственные растения, почвенные микромицеты, кислотность почвы, микотоксины, фитотоксичность почвы
INFLUENCE OF MEDICAL HERBS ON MICROMYCETES AND BIOLOGICAL SOIL ACTIVITY
Svistova I.D. (professor of the chair), Paramonov AJu. (postgraduate student)
Chair of Plant Biology and Microbiology, Voronezh State Pedagogical University, Russia
© Svistova I.D., Paramonov A.Ju., 2011
Medical herbs in special farms grow worse than in natural ecosystems. Influence in vivo rhizoexudates of 22 species of medicinal herbs on soil fungi quiantity and biological activity has been investigated. Quantity of soil micromycetes reduced in 2-7 times, soil phytotoxicosis increased in 1,5-5 times. Changes were expressed pronouncedly in rizosphere of plants belong to Labiatae, Rosaceae and Asteraceae families. Non-specific fungicide effect of rhizoexudates of medicinal herbs through alcalisation of soil solution was found the first time. In soil upon perennial medical herbs were obtained nontypic for natural ecosystems toxic species of fungi that present a threat to accumulation of my cotoxins in plant raw material. Possible mechanisms of soil phytotoxicosis increase have been discussed.
Key words: medical herbs, mycotoxines, root exudates, soil acidity, soil micromycetes, soil phytotoxicity
* Контактное лицо: Парамонов Андрей Юрьевич Тел.: 8-908-148-74-87
ВВЕДЕНИЕ
При выращивании лекарственного растительного сырья в специализированных хозяйствах сталкиваются с проблемой быстрого снижения продуктивности растений. Всхожесть семян, темпы роста и развития растений хуже, чем в природных экосистемах, они не могут долго выращиваться на одном месте.
Актуальной проблемой экологии является выяснение механизмов регуляции функционирования системы «почва - микробное сообщество - растения». Обычно изучают влияние одних растений на другие (аллелоггатия) [1] или развитие фитотоксикоза почвы под растениями [2], данных же о влиянии растений на микробное сообщество почвы крайне мало.
Известно, что объем прижизненных растительных выделений в почву (ризоэкссудатов) достигает 30-40% от общего объема продуктов фотосинтеза [3]. Состав корневых экссудатов значительно варьирует у растений разных семейств. Так, у злаков преобладают сахара и органические кислоты, у бобовых - аминокислоты и амиды [4,5]. Известны разрозненные работы по влиянию растений на состав и структуру почвенного микробного сообщества [6, 7, 8], однако анализа направленности и степени выраженности эффекта растений разных семейств в доступной нам литературе мы не обнаружили.
Лекарственные растения накапливают биоло-гически-активные вещества: гормоны, алкалоиды, гликозиды, эфирные масла, дубильные вещества, фенолы, флавоноиды и др., которые обеспечивают их терапевтическое действие [9]. Растения семейства Губоцветные (тимьян, шалфей, иссоп, пустырник) накапливают эфирные масла (тимол, ментол, карва-крол, линолоол, гераниол, сальвин), гликозиды (ис-сопин), оказывающие выраженный антибиотический и фунгицидный эффект. Растения семейства Розовые (кровохлебка, лапчатка), синтезирующие гликозиды (торментол), сапонин и дубильные вещества (кате-хин), оказывают антисептическое действие. Флавоноиды бадана (арбутин, изокумарин) и алкалоиды окопника (лазиокарпин, циноглоссин) обеспечивают противовоспалительные свойства этих растений [9].
По нашему предположению, в процессе прижизненной корневой экссудации растениями, эти соединения активно выделяются в почву и могут также менять численность и состав микробного сообщества, в том числе комплекса почвенных микромицетов. В научной литературе имеются отдельные сообщения о выявлении в почве под монокультурами растений токсигенных и опасных для человека видов грибов [4, 6, 7,10].
Цель работы - изучение влияния лекарственных растений разных семейств на численность и состав микромицетов и фитотоксическую активность почвы.
Э I» [ Щ Ц - г лын I 1И о р 11
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследования был комплекс микро-мицетов чернозема выщелоченного под различными фитоценозами. Пробы почвы отбирали из слоя 0-20 см на стационарном микрополевом опыте по лекарственным растениям третьего года выращивания Воронежского агроуниверситета. Исследовали почву под растениями 22 видов 11 семейств: Губоцветные (мята перечная, душица обыкновенная, иссоп лекарственный, тимьян ползучий, шалфей лекарственный, шлемник обыкновенный, мелисса лекарственная, пустырник пятилопастной, лаванда узколистная), Розовые (лапчатка белая, кровохлебка лекарственная), Астровые (эстрагон, эхинацея пурпурная), Бурачниковые (окопник лекарственный), Зонтичные (любисток лекарственный), Гречишные (ревень тан-гутский), Валериановые (валериана лекарственная), Рутовые (рута душистая), Норичниковые (наперстянка лекарственная), Камнеломковые (бадан толстолистный), Барбарисовые (подофил щитовидный). Контролями служили целинный чернозем под злаково-разнотравной ассоциацией и почва без растений (пар).
Численность микромицетов выявляли методом посева на агаризованную среду Чапека (pH 4,5) [11]. Видовую идентификацию опасных для здоровья людей микромицетов проводили по определителям [10, 12]. Фитотоксичность почвы определяли методом биотестов (тест-растение редис) и выражали в процентах ингибирования всхожести семян и роста корня проростка на почвенных пластинах по сравнению с выращиванием на увлажненной фильтровальной бумаге [11]. Кислотность почвы исследовали потен-циометрически в водной вытяжке [13].
Представлены данные за 3 вегетационных сезона с контрастными гидротермическими условиями (2009-2011 гг.). Почвенные пробы отбирали в фенофазу бутонизации - цветения (II декада июня), когда корневая экссудация растений наибольшая.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В целинном черноземе численность микромицетов была в 2-2,5 раза выше, чем в парующей почве (табл. 1), что подтверждает стимулирующий эффект корневых выделений природных зрелых злаковоразнотравной ассоциаций, характеризующихся высоким видовым разнообразием растений.
Таблица 1
Численность микромицетов, фитотоксическая активность и кислотность почвы под лекарственными растениями. Представлены минимальные-максимальные значения показателей для разных видов семейства
Семейства растений Численность микромице- тов, 103/ г почвы Ингибирование, %
всхоже- сти семян роста корня проростка Р^водн А pH
-(пар) 58-61 0-3,5 8,3-10,2 6,26-6,45 -
Разнотравье (целина) 118-137 1,5-2,7 4,3-5,0 6,05-6,18 -(0,20- 0,33)
Губоцветные 3-30 3,3-6,4 13,7-25,6 6,75-7,23 0,35-0,97
Розовые 14-25 2,1-5,4 15,4-32,0 6,59-6,98 0,31-0,72
Астровые 6-40 1,1-7,6 13,0-30,2 6,79-7,09 0,38-0,76
Норичнико- вые 19-31 2,1-3,3 13,4-23,8 6,75-7,00 0,47-0,74
Валериано- вые 23-27 1,1-1,2 9,4-16,5 7,28-7,39 1,00-1,13
Бурачнико- вые 11-20 3,2-4,3 21,4-25,3 7,20-7,22 0,94-0,97
Рутовые 11-31 2,1-2,2 14,3-15,7 6,95-7,15 0,67-0,89
Камнелом- ковые 9-27 6,4-7,6 21,9-22,6 6,68-6,89 0,40-0,63
Зонтичные 15-30 0-3,2 10,4-14,4 6,57-6,60 0,29-0,34
Барбарисо- вые 20-31 2,2-3,2 17,5-24,7 6,69-6,77 0,32-0,43
Гречишные 11-31 1,0-3,2 18,3-20,1 6,68-6,85 0,42-0,57
Все лекарственные растения в монокультуре в той или иной степени подавляли развитие грибов, по сравнению с чистым паром, причем ингибирование было наиболее выражено в условиях сухого и жаркого сезона. Для исследованных семейств обнаружили снижение численности почвенных микромицетов в 2-7 раз, наиболее сильно - под Губоцветными, Розовыми и Астровыми (например, под эхинацеей пурпурной содержание грибных зачатков снижалась до 10 раз). Значительный разброс между представителями одного семейства растений отмечали для Губоцветных (наименьший эффект выявили у душицы обыкновенной, наибольший - у тимьяна ползучего и иссопа лекарственного, которые снижали численность грибов в почве до 20 раз).
Выращивание лекарственных растений в монокультуре, в отличие от природных растительных ассоциаций, приводило к росту фитотоксичности почвы. Наиболее информативным показателем фитотоксических свойств почвы с помощью метода биотеста было ингибирование роста корня проростка тест-растения. Фитотоксикоз почвы под лекарственными растениями возрастал в 1,5-5 раз, наиболее сильно - под растениями семейств Губоцветные, Розовые, Астровые (для кровохлебки лекарственной ЭТот показатель составлял 32 %, для шлемника обыкновенного - 26 %, а для эхинацеи пурпурной - 25 %, что соответствует среднему уровню фитотоксикоза почвы) [6, 7, 14].
Для объяснения парадоксальной обратной зави-
симости показателей биологической активности почвы (снижение численности грибов и рост фитотоксичности) нами были выдвинуты несколько гипотез: прямое влияние растительных корневых экссудатов, изменение свойств почвы или нарушение состава и структуры комплекса грибов.
В таблице 1 представлены данные по изменению почвенной кислотности по вариантам опыта. Почва без растений имела слабокислую реакцию, что характерно для чернозема выщелоченного. В целинном варианте со злаково-разнотравной растительной ассоциацией наблюдали небольшое подкисление почвы на 0,20-0,33 ед. pH, что совпадает с данными других авторов о кислотном характере корневых выделений растений семейства Злаковые [4, 5]. Как известно, оптимум роста большинства видов грибов лежит в слабокислом диапазоне [7], так что в природных экосистемах лесостепи зрелые фитоценозы не препятствуют развитию почвенных микромицетов.
Нами впервые обнаружено, что монокультуры исследованных лекарственных растений за 3 года вызвали подщелачивание почвы в разной степени. По нашему мнению, этот эффект определяется тем, что в составе их корневых экссудатов преобладают био-логически-активные вещества фенольной природы. В водном растворе они диссоциируют с образованием фенильных анионов, которые в результате реакций анионного обмена «выдавливают» из почвен-но-поглощающего комплекса гидроксильные ионы ОН' [10,15].
В почве под растениями семейств Камнеломковые, Зонтичные, Барбарисовые, Гречишные повышение pH раствора не превышало 0,3-0,6 ед.; под разными видами семейств Губоцветные, Розовые и Астровые рост pH варьировал от 0,3 до 1,0 ед. pH; наибольшее подщелачивание почвенного раствора наблюдались под растениями семейств Валериановые, Бурачниковые и Рутовые (до 0,9-1,1 ед. pH). Столь значительное возрастание pH почвы может ингибировать рост и развитие грибов.
В то же время обращает на себя внимание тот факт, что из почвы под разными видами лекарственных растений с высокой частотой выделяли не только типичные для целинного чернозема выщелоченные виды грибов [16], но и нехарактерные для данной почвы виды: A. ustus (Bain) Thom, et Church., A. clavatus Desmaz., A. ochraceus Wilhelm, Penicillium\fu-niculosum Thom., P. viridicatum Westling, P. purpuroge-num Fleret Stoll., P. velutinum Beyma, P. notatum West., Gliocladium roseum (Lk) Bain, Fusarium nivale (Fr.) Ces., F. oxysporum (Schlecht) Snyd et Hans, Alternaria alternata Ness,, Talaromyces flavus (Klocker) Stolk et Samson (табл. 2).
Таблица 2
Нетипичные для целинного чернозема выщелоченного виды токсигенных микромицетов, выделенные под многолетними лекарственными растениями
Виды грибов Микотоксины
Aspergillus ochraceus охратоксины, патулин, стеригматоцистин, пеницил-ловая к-та
A. clavatus триптоквивалин,цитохалазин, патулин, койевая к-та
A. ustus устовая к-та, аустдиол, стеригматоцистин
Penicillium notatum афлатоксины, охратоксины, цитринин
P. funiculosum фуниколозин,рубротоксин В
P. purpurgenum рубратоксины А и В, патулин, стеригматоцистин
P. velutinum веррукулоген, ругулозин,секалоновая кислота
P. viridicatum охратоксины, цитринин, патулин, микофеноловая к-та
Talaromyces flavus щавелевая к-та, фумаровая к-та, лютеоскирин
Fusarium oxysporum, F. nivale трихотеценовые токсины, зеараленон, монили-формины
Alternaria alternata алыернариол и его производные
Эти виды грибов известны как продуценты микотоксинов различной химической природы [6, 7, 12, 17]. Возможное поступление микотоксинов из почвы представляет потенциальную угрозу накопления микотоксинов в лекарственном сырье, выращиваемом в многолетней культуре на одном поле.
Таким образом, в почве под лекарственными растениями численность микромицетов снижается. Впервые обнаружен неспецифический фунгицидный эффект корневых экссудатов лекарственных растений через подщелачивание почвенного раствора, однако корреляции между степенью изменения pH и снижением численности микромицетов не наблюдали. Кроме того, не ясна причина роста фитотоксической активности почвы при угнетении развития грибов. Для ответа на вопрос, вызваны ли снижение численности грибов и рост фитотоксикоза почвы специфическими вторичными метаболитами растений или связаны с нарушением микробного сообщества почвы, необходимы дополнительные исследования. Обнаружение в почве под многолетними травами нетипичных для природных экосистем токсигенных видов грибов представляет потенциальную угрозу накопления микотоксинов в лекарственном сырье. Следовательно, выращивать лекарственные растения на одном месте более 3-х лет не рекомендуется, необходимо разрабатывать специальные севообороты.
Э I» F Щ Ц - Г лын I 1И о р 11
ЛИТЕРАТУРА
1. Гродзинский А.М. Аллелопатия растений и почвоутомление, - Киев: Наукова думка, 1991. - 327 с.
2. Лобков В.Т. Почвоутомление при выращивании полевых культур. - М.: Колос, 1994. - 112 с.
3. Умаров М.М. Ассоциативная азотфиксация. - М.: Изд-во МГУ, 1986. - 134 с,
4. Красильников Н.А. Микроорганизмы почвы и высшие растения. - М.: Изд-во АН СССР, 1958. - 463 с. ж Иванов В.П. Растительные выделения и их значение в жизни фитоценозов. - М.: Наука, 1973- - 295 с.
6. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. - М.: Академия, 2004. - 248 с.
7. Мирчинк Т.Г. Почвенная микология. - М.: Изд-во МГУ, 1988. - 220 с.
8. Christensen М.А. View of fungal ecology 11 Mycologia. - 1989. - Vol. 81, №1. - P.l-19.
Я Атлас лекарственных растений СССР - М.: Гос. изд-во медиц. лит-ры, 1962. -703 с.
10. Пинский Д.Д. Ионообменные процессы в почвах. - Пущино: ОНТИ РАН, 1997.- 166 с-
11. Методы экспериментальной микологии. /Под ред. В.И. Билай - Киев: Наукова думка, 1982. - 550 с.
12. Билай В.И., Пидопличко Н.М. Токсинообразующие микроскопические грибы и вызываемые ими заболевания человека и животных. - Киев: Наукова думка, 1970. - 299 с.
13. Методы почвенной микробиологии и биохимии /Под ред. Д.Г. Звягинцева. - М.: Изд-во МГУ, 1991. - 302 с.
14. Doleman F. Resistance of soil microbial communities in soil. - London-N.Y.: Acad. Press, 1986. - 369 p.
15. Paul E.A., Clark F.E, Soil microbiology and biochemistry - London: Academic Pr., 1996. - 340 p.
16. Свистова И.Д. Биодинамика микробного сообщества чернозема в антропогенных экосистемах лесостепи. Дисс,... д-ра биол. наук - Петрозаводск: ПетрГУ, 2005. - 485 с.
17. Тутельян В.А., Кравченко Л .В. Микотоксины (медицинские и биологические аспекты). - М.: Медицина, 1985. -320 с.
Поступила в редакцию журнала 03.08.2011 Рецензент: С.М. Игнатьева
