XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение. Комплекс ряда факторов среды обитания растений может стать причиной окислительного стресса [1, 2]. В этом случае для любого аэробного организма, продуцируются избыточные количества активных форм кислорода (АФК) [3]. Они срабатывают как сигналы, активизирующие защитные реакции растений. Будучи открытой системой, обладающей сложной саморегуляцией, растительный организм достаточно быстро осуществляет перестройку реакций в ответ на воздействие тех или иных факторов среды обитания, что отражается на биохимическом составе его клеток [4].

В этом случае вызывает интерес анализ количественного содержания фотосинтетических пигментов – компонентов фотосинтетических структур: хлорофилла а, хлорофилла b и каротиноидов (β-каротина и его предшественника ликопина). Показано, что указанные каротиноиды в присутствии молекулярного кислорода на свету предотвращают деструктивное фотоокисление органических макромолекул, выполняя, таким образом, защитную функцию цитоплазматических мембран и внутриклеточных структур. Для человека каротиноидые пигменты обладают провитаминной активностью, оказывают влияние на работу эндокринной системы: процессы пролиферации половых клеток и систем воспроизводства, участвуют в стабилизации мембран клеток и транспорте кальция, а также ряде других процессов [4, 5]. Учитывая роль каротиноидных пигментов как витаминоподобных соединений для живых организмов, следует проводить мониторинговые наблюдения за состоянием фотосинтезирующих растений – продуцентов растительных пигментов в условиях усиливающегося антропогенного воздействия. Поскольку, необходимо учитывать, что нормальная продукция биологически активных соединений во многом определяется условиями их существования.

Цель исследования – анализ содержания каротиноидных пигментов в различных тканях некоторых растений семейства розовые (Rosaceae).

Материалы и методы исследования.Материалом исследования послужило растительное сырье представителей семейства розовые (Rosaceae), видов: рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia L.) и садовая форма рябины обыкновенной, сорт «Невеженская», садовая форма боярышника колючего (Crataegus oxyacantha L.).

Сбор растительного сырья осуществляли в сухую, безветренную погоду со средней части кроны растений. Образцы высушивали при комнатной температуре, в проветриваемом помещении, исключая воздействие прямых солнечных лучей до состояния хорошей «ломкости» сырья.

Для определения содержания пигментов брали навеску 1,00 г на электронных весах (с точностью до 0,01). Далее навеску количественно переносили в фарфоровую ступку и растирали пестиком с добавлением кварцевого песка и дистиллированной воды (25,0 мл) до кашицеобразного состояния. Полученный гомогенат растительного сырья количественно переносили в колбу, перемешивали, добавляли 5,0 мл n-гексана и оставляли для экстракции на 30 минут (в течение 30 минут содержимое колбы постоянно перемешивали для лучшего извлечения пигментов). Затем верхний слой (содержащий n-гексан) отбирали количественно дозатором и переносили в центрифужные пробирки, далее центрифугировали в течение 10 минут при 1500 оборотов/минуту. Затем дозатором из пробирок отбирали гексановую фракцию, содержащую пигменты и переносили в кюветы, которые сразу помещали в затемнённые коробки, так как исследуемые соединения неустойчивы на свету.

Определение концентрации пигментов проводили спектрофотометрическим методом в кюветах с длиной оптического пути 10 мм против n-гексана. Содержание β-каротина устанавливали по формуле (Muratore et al, 2005):

C_k = 462×D₄₅₁ – 309×D₅₀₃ (для гексановых фракций)

где С_k – концентрация β-каротина (мг/л), E₄₅₁ – оптическая плотность каротиноидов при длине волны 451 нм, соответственно; E₅₀₃ – оптическая плотность каротиноидов при длине волны 503 нм, соответственно.

Содержание ликопина в (мг/л) определяли по формуле:

С_lik= 395×D₅₀₃ – 80,5×D_451, (для гексановых фракций)

где С_lik – концентрация ликопина (мг/л), E₄₅₁ – оптическая плотность ликопина при длине волны 451 нм, соответственно; E₅₀₃ – оптическая плотность ликопина при длине волны 503 нм, соответственно.

Для экстракции пигментов использовали неполярный растворитель n-гексан, категории хч, сорт 1, производства ООО НПК «Криохром», г. Санкт-Петербург. Измерения оптической плотности экстрактов, содержащих пигменты, производили на спектрофотометре ПЭ-5300ВИ.

Статистическую обработку результатов исследования проводили с использованием пакетов MS Excel 2010 «Анализ данных» (Microsoft, USA) и GNU PSPP (программное обеспечение для статистического анализа данных) Statistical Analysis Software Release 1.2.0-g0fb4db, 2016г. Экспериментальные данные обрабатывали с привлечением методов непараметрической статистики. Вычисляли медиану (Ме), интерквартильный размах (25-й и 75-й процентили) при анализе значений пигментов в тканях. Производили расчет коэффициентов вариации показателей каротиноидов в одинаковых тканях растений разных видов.

Результаты исследования. Разнообразие и количественное содержание пигментов фотосинтеза выступают показателями основного обмена растений. Разные растительные формы могут отличаться по содержанию пигментов из-за значительно неодинакового диапозона их устойчивости к факторам среды [6, 7].

По результатам исследования, показано, что коэффициенты вариации β-каротина в плодах и листьях рябины обыкновенной (Sorbus aucuparia L.), садовой формы рябины обыкновенной сорта «Невеженская» и садовой формы боярышника колючего (Crataegus oxyacantha L.) достигали в первой декаде октября очень высокого уровня (C.V.>90%). Показатели концентрации ликопина существенно отличались по вариабельности в вегетативных органах (листьях) и плодах. Особо значительно варьировало количество ликопина в плодах рассматриваемых растений (C.V.=90%). В листьях коэффициенты вариации показателя оказались резко снижены до (C.V.=15,9%), т.е. в 5,6 раза. В ходе эксперимента установлено, что содержание пигментов отличалось и в различных тканях растений одного вида. Содержание β-каротина в листьях рябины обыкновенной (Sorbus aucuparia L.) превысило показатель в плодах в 1,7 раза (таблица). Наибольшее различие по концентрации пигментов установлено для ликопина. В случае рябины обыкновенной (Sorbus aucuparia L.) содержание ликопина в плодах оказалось больше в 52 раза данного показателя в листьях. Противоположный результат получен для листьев садовой формы рябины обыкновенной сорта «Невеженская»: в плодах данного вида ликопина оказалось в 5,3 раза меньше, чем в вегетативных органах – листьях.

Таблица– Содержание пигментов в тканях разных видов растений*

Виды растений и ткани	β-каротин в тканях растений (мг/л), Me [Q25; Q75]	Ликопин в тканях растений (мг/л), Me [Q25; Q75]
Рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia L.) листья	133,46 [123,39; 162,95]	0,80 [0,38; 1,67]
Рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia L.) плоды	78,15 [47,02; 79,08]	41,92 [28,14; 234,87]
Садовая форма рябины обыкновенной, сорт «Невеженская» листья	466,62 [326,28; 568,92]	9,61 [7,36; 9,81]
Садовая форма рябины обыкновенной, сорт «Невеженская» плоды	530,1 [471,31; 563,50]	1,79 [1,46; 3,48]
Садовая форма боярышника колючего (Crataegus oxyacantha L.) листья	45,55 [30,24; 46,55]	3,99 [2,91; 4,00]
Садовая форма боярышника колючего (Crataegus oxyacantha L.) плоды	31,99 [25,16; 42,38]	3,43 [1,72; 5,24]

*Примечание: статистически значимые различия показателей содержания пигментов, при р≤0,05.

Обсуждение результатов. По данным литературных источников, полученных при анализе пигментного состава тканей представителей растительных сообществ прослеживается некоторая основная тенденция. Она заключается в повышении концентрации каротиноидов в случае усиления токсического воздействия антропогенных факторов и повышения, в ряде случаев, окислительного стресса растений. Подобные данные были получены для хвойных представителей флоры – краснопыльниковой и желтопыльниковой форм сосны (PinussylvestrisL.) [8, 9], лиственных растений – тополя бальзамического (Popuhusbalsamifera L.) [10] и ряда травянистых растений.

Помимо антропогенных, показано влияние природных факторов, являющихся, как правило, следствием действия антропогенеза. Содержание желтых и красных пигментов увеличивалось при нарушении буферных свойств почв, концентраций солей – увеличении засолённости почв на фоне снижения объёма осадков в вегетативные периоды.

Значительная вариабельность содержания β-каротина, как одного из основных пигментов растений, полученная в данной работе может свидетельствовать: во-первых, об интенсивном процессе созревания плодов рябины в ходе которого в пластидах тканей происходят закономерные, физиологически обусловленные повышения концентрации β-каротина. Во-вторых, на фоне повышения инсоляции в данный период времени, снижения влажности воздуха и почвы, среднесуточных температур, и как, следствие, повышения запылённости; как показано в исследованиях Рыбаковой Е.А. (2014), Аганиной Ю.Е. (2016) – происходит перестройка в пластидном аппарате растений и в ответ на действие стрессовых факторов. Растёт концентрация красного пигмента β-каротина как фактора защиты клеток растений от активных форм кислорода, образующихся при выше упомянутых процессах в большом количестве. Динамика содержания ликопина, предшественника β-каротина, объясняется, по-видимому, особенностями его преобразования в β-каротин в плодах рябины обыкновенной (Sorbus aucuparia L.). Ликопин обладает выраженной антиоксидатной активностью, превышающей таковую у β-каротина в 2,5 раза [11]. Причина заключается в особенности химической структуры ликопина: в молекуле содержится 11 сопряжённых электрононенасыщенных π-связей, которые и определяют его выраженные биологически активные свойства. В молекуле β-каротина таковых π-связей девять [12]. При наличие в клетках растений достаточной активности необходимых ферментов, преобразующих ликопин в β-каротин, данный процесс происходит достаточно быстро и концентрация ликопина снижается, содержание β-каротина закономерно повышается. Если же растительный организм испытывает воздействие стрессовых факторов различной природы и интенсивности, преобразование ликопина может как усиливаться, так и снижаться при вероятном ингибировании ферментов, участвующих в синтезе β-каротина. Следовательно, для более четкого понимания динамики процесса преобразования ликопина в β-каротин в условиях созревания плодов и опадания листьев следует далее проводить более детальные дополнительные сезонные исследования. Для садовой формы рябины обыкновенной, сорта «Невеженская» содержание ликопина выше в листьях, что, возможно, является биологической особенностью данной садовой формы рябины и связано с более поздним сроком созревания ее плодов и опаданием листьев.

Выводы. Таким образом, на основании полученных результатов, следует сформулировать выводы:

Во всех образцах исследованных тканей растений, определено некоторое содержание пигментов; наибольшей вариабельностью по содержанию β-каротина и ликопина характеризовались плоды растений;

Дальнейшие исследования особенностей динамики содержания пигментов в тканях растений в летне-осенний период позволят определить степень воздействия негативных факторов среды их обитания на растительные организмы и использовать полученные данные для биомониторинговых исследований;

Данные, полученные при анализе содержания каротиноидов в различных видах растений, могут быть использованы для выявления дополнительных источников биологически активных веществ.

Литература

Lee D.W. Phylogenetic and ontogenetic influences on the distribution of anthocyanins and betacyanins in leaves of tropical plants / D.W. Lee, T.M. Collins. - Text : unmediated // Int. J. Plant Sci. – 2001. – Vol. 162. – N5.- P. 1141-1153.

Активность каталазы как показатель жизненного состояния древесных растений в городских условиях / В.Н. Карасев, М.А. Карасева, Н.Е. Серебрякова, Д.А. Абрамова // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. научных трудов. – Брянск: БГИТУ. – 2015. – вып. 43. – С. 88–90.

Anthocyanic vacuolar inclusions, their nature and significance in flower colouration / Markham K.R., Gould K.S., Winefield C.S., Mitchell K.A., Bloor S.J., Boase M.R. - Text : unmediated // Phytochemistry. – 2000. – Vol.55. – N4. – P. 327-336.

Определение пигментов в сырье ивы трехтычинковой (Salix Triandra L.) методами тонкослойной хроматографии и спектрофотометрии / Е. Г. Санникова, Е. В. Компанцева, О. И. Попова, А. Ю. Айрапетова. – Текст: непосредственный // Химия растительного сырья. – 2019. - №2. – С. 119–127.

Кароматов И.Д. Перспективы применения в кардиологической и общеврачебной практике лекарственного растения боярышник (обзор литературы) / И.Д. Кароматов, М.С. Давлатова, М.К. Амонов. – Текст: непосредственный // Биология и интегративная медицина. – 2017. - №1. – С. 251–276.

Аганина Ю.Е. Изменчивость содержания фотосинтетических пигментов хвои у сосны с разной формой апофиза семенных чешуй в условиях постоянного избыточного увлажнения / Ю.Е. Аганина, С.Н. Тарханов, Н.А. Прожерина // Известия Самарского научного центра РАН. – 2018. – т. 20. - №5. – С. 118–126.

Фотосинтетические пигменты сосны сибирской (Pinus sibrina Du Tour) в биоиндикации в условиях окружающей среды / С.Н. Русак, И.И. Варлам, И.В. Кравченко, К.В. Казарцева // Проблемы региональной экологии. – 2018. - №3. – С. 6–11.

Markovic J.M. A spectrophotometric study of the copigmentation of malvin with caffeic and ferulic acids / J.M. Markovic, N.A. Petranovic, J.M. Baranac. - Text : unmediated // J. Agric Food Chem. – 2000. – Vol. 48. – P. 5530-5536.

Sucrose export defectivel encodes a novel protein implicated in chloroplast-to-nucleus signaling / Provencher L.M., Miao L., Sinha N., Lucas W.J. - Text: unmediated // Plant Cell. – 2001. –Vol. 13. – N5. – P. 1127-1141.

Сравнительный анализ активности компонентов антиоксидантной системы древесных растений в условиях техногенного стресса / А.Р. Гарифзянов, С.В. Горелова, В.В. Иванищев, Е.Н. Музафаров. – Текст: непосредственный // Известия ТГУ. – Естественные науки. – 2009. – вып. 1. – С. 166–178.

Природные антиоксиданты (экологический аспект)/под ред. Г.Н. Чупахина. – Калининград: Изд-во БФУ им. И. Канта. – 2011. – 111с.

Маслова Т.Г. Функции каротиноидов в листьях высших растений (обзор) / Т.Г. Маслова, Е.Ф. Марковская, И.И. Слемнев // Журнал Общая биология: серия «Ботаника, физиология». – том 81. - №4. – 2020. – С. 297–310.

*За помощь в написании и проведении экспериментальной части данной работы выражаем благодарность к.б.н., преподавателю кафедры биологии Оренбургского государственного медицинского университета Т.В. Осинкиной

Код для цитирования: Скопировать