Введение к работе
Актуальность темы.
Комплексное воздействие суровых природно-климатических факторов, сложных социально-бытовых условий и техногенное загрязнение окружающей среды оказывают негативное влияние на здоровье населения, проживающего в условиях Крайнего Севера. При разработке концепции здорового образа жизни в условиях Севера в настоящее время большое внимание уделяется использованию пищевых и лекарственных растений, которые издавна использовались коренным населением для профилактики и лечения многих заболеваний. Терапевтическая ценность большого числа лекарственных растений признана научной медициной, они тщательно изучаются в медицинских и фармацевтических учреждениях, научных институтах и до сих пор составляют около половины всех лекарственных препаратов.
Россия располагает большим разнообразием природных ресурсов. Среди них важное место занимают биологические ресурсы, которые служат базой для широкого развития различных отраслей промышленности, сельского хозяйства и медицины. Изучение биологических ресурсов – одно из ключевых направлений академических исследований в России. К одной из важнейших категорий относятся ресурсы, вовлекаемые в хозяйственную деятельность и представляющие важную часть сырьевого потенциала страны (продукты питания, лекарственные препараты, сырье для промышленности и др.). Современная трактовка понятия «биологические ресурсы» ставит задачи расширения биоресурсной базы и развития различных наук, оптимизирующих управление ресурсами природных и искусственно созданных биосистем.
Представители рода Allium L. – лук, широко используемые как пищевые и лекарственные растения, привлекают в последнее время все большее внимание ученых, как источник целого ряда важных для человека биологически активных веществ (БАВ) и микронутриентов. На территории России и сопредельных государств насчитывается 332 вида лука (Черепанов, 1995). В Республике Коми растения рода Allium представлены тремя видами, из которых лишь один – A. schoenoprasum L., встречается на всей территории республики и заходит в Арктику до 75 с.ш. Произрастает он наряду с двумя другими видами, занесенными в Красную книгу РК – A. angulosum L. и A. strictum Schrad. (Флора..., 1976). Известно, что на пределе распространения виды представлены небольшими по численности популяциями, в которых ярче выражены демографические колебания и флуктуации численности (Грант, 1984). У травянистых растений в краевых популяциях наблюдается увеличение путей развития в онтоморфогенезе, уменьшение структурных единиц побеговой системы, изменение продолжительности онтогенеза, способов размножения, изменения химического состава и др. (Носова, 1984). С этой точки зрения изучение зависимости содержания БАВ от эколого-географических условий произрастания в краевых популяциях рода Allium на Севере представляет большой интерес.
Цель работы:
Изучение зависимости содержания и компонентного состава разных групп БАВ и микронутриентов в культивируемых и дикорастущих видах рода Allium, произрастающих на территории Республики Коми, от эколого-географических условий произрастания, мониторинг их накопления в растении, характеристика антиоксидантных свойств.
Задачи исследования:
1. Эколого-ценотическая характеристика местообитаний представителей рода Allium – A. angulosum, A. schoenoprasum, A. strictum, произрастающих на территории Республики Коми.
2. Определение содержания и компонентного состава важнейших групп БАВ и микронутриентов в культурных и дикорастущих видах рода Allium и мониторинг их накопления в растении.
3. Выявление зависимости межвидовой и внутривидовой изменчивости содержания и компонентного состава различных групп БАВ и микронутриентов от видовой и сортовой принадлежности, места происхождения, фазы развития, эдафических и эколого-географических условий произрастания.
4. Изучение антиоксидантных свойств экстрактов луков для характеристики их пищевой и фармакологической ценности.
Научная новизна.
1. Впервые проведено исследование содержания и компонентного состава широкого спектра БАВ и микронутриентов в культивируемых и природных образцах трех видов многолетнего лука (A. angulosum, A. schoenoprasum, A. strictum), произрастающего на территории Республики Коми, и мониторинг их накопления в растении.
2. Выявлена зависимость межвидовой, внутривидовой изменчивости содержания и компонентного состава различных групп БАВ, микронутриентов от места происхождения, фазы развития, эдафических и эколого-географических условий произрастания.
3. Сравнение содержания, компонентного и жирнокислотного состава нейтральных липидов семян и других частей растения показало, что липидные характеристики являются специфическими не только для индивидуального организма, но и для разных частей этого организма. Установлена зависимость липидных характеристик от происхождения семян, сроков их созревания, времени сбора, изменения факторов окружающей среды, отражающихся на липидном метаболизме.
4. Установлено, что для исследованных видов лука характерно высокое содержание полиненасыщенных линолевой и линоленовой кислот, соотношение которых зависит от части растения. Обнаружена взаимосвязь содержания линолевой кислоты с величиной всхожести семян A. angulosum.
5. Показано, что все части исследуемых видов лука являются источником незаменимых и ряда ценных заменимых аминокислот. Отличительным признаком семян является высокое содержание аминокислот аргинина и цистеина, которые не были обнаружены в других частях растения.
6. Высокие значения коэффициентов биологического накопления позволяют отнести все исследуемые виды лука к аккумуляторам таких микроэлементов, как Se, Cr, Cu, Zn, которые относят к компонентам антиоксидантной и антиканцерогенной защиты организма.
7. Изучение содержания аскорбиновой кислоты и антиоксидантных свойств экстрактов луков может служить одним из факторов для характеристики их пищевой и фармакологической ценности.
Теоретическая и практическая значимость работы:
Полученные результаты значительно расширяют представления о разнообразии содержания биологически активных веществ и микронутриентов в представителях рода Allium, произрастающих на территории Республики Коми. Впервые проведено сравнительное исследование содержания и компонентного состава широкого спектра БАВ и микронутриентов в культивируемых и природных образцах трех видов многолетнего лука (A. strictum, A. angulosum, A. schoenoprasum) из родового комплекса Республики Коми, мониторинг их накопления разными частями растения, выявлены особенности межвидовой и внутривидовой изменчивости под влиянием различных факторов. Показано, что липидные характеристики являются специфическими не только для индивидуального организма, но и для разных частей этого организма. Установлена зависимость липидных характеристик от происхождения семян, сроков их созревания, времени сбора, изменения факторов окружающей среды, отражающихся на липидном метаболизме. На примере семян A. angulosum показано, что линолевая кислота, высокое содержание которой характерно для созревших семян, может служить биохимическим маркером их жизнеспособности.
Показано, что виды лука из региональной флоры являются источником незаменимых и ряда ценных заменимых аминокислот, аскорбиновой кислоты, аккумуляторами таких микроэлементов, как Se, Cr, Cu, Zn, которые входят в состав компонентов антиоксидантной и антиканцерогенной защиты организма.
Впервые полученные нами данные о содержании широкого спектра биологически активных веществ и микронутриентов в луках A. angulosum и A. strictum, занесенных в Красную книгу Республики Коми, значительно обогащают сведения о пищевой и фармакологической ценности этих редко встречающихся в региональной флоре видов и требуют более широкого внедрения этих полезных растений в культуру.
Положения, выносимые на защиту
1. Впервые проведено комплексное химическое исследование культивируемых и природных образцов трех видов многолетнего лука – Allium angulosum, A. schoenoprasum, A. strictum, произрастающих на территории Республики Коми, на содержание биологически активных веществ (нейтральных липидов, высших жирных кислот, протеиногенных аминокислот, аскорбиновой кислоты) и других микронутриентов, выявлена зависимость межвидовой и внутривидовой изменчивости их содержания и компонентного состава от места происхождения, фазы развития, эколого-географических и эдафических факторов. Дана эколого-ценотическая характеристика местообитаний.
2. Установлено, что максимальное количество нейтральные липиды (НЛ) накапливается в семенах и генеративных органах (бутоны, соцветия) исследуемых луков, минимальные – в луковицах. Более низким содержанием нейтральных липидов отличаются листья A. strictum. Дикорастущие образцы содержат меньшие количества НЛ, чем культивируемые.
3. Установлено, что доминирующими во всех образцах лука являются линолевая и линоленовая кислота. Компонентный и жирнокислотный состав нейтральных липидов семян растений рода Allium является биохимическим признаком их зрелости и жизнеспособности.
4. Показана избирательная способность многолетних луков к накоплению селена и других ценных микроэлементов, являющихся компонентами антиоксидантной и антиканцерогенной защиты организма.
5. Обнаружено высокое содержание аскорбиновой кислоты в листьях лука, максимум которой найден в A. strictum в фазе отрастания. Показана тенденция уменьшения ее содержания в дикорастущих образцах A. schoenoprasum при перемещении от зон средней тайги (35 мг%) до южных гипоарктических тундр (18 мг%).
6. Установлено, что этанольный экстракт листьев A. strictum проявляет в условиях in vitro более выраженную антиоксидантную активность по сравнению с A. angulosum и A. schoenoprasum.
7. Содержание широкого спектра биологически активных веществ и микроэлементов, высокая антиоксидантная активности их экстрактов позволяют рекомендовать эти виды многолетнего лука в качестве продуктов функционального питания и объектов фармаконутриентологии.
Апробация работы:
Основные положения диссертации представлены на научных конференциях «Актуальные проблемы биологии и экологии» Института Биологии Коми НЦ УрО РАН (Сыктывкар, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012); Международном симпозиуме «Липиды и оксилипины растений» (Казань, 2008); IV Всероссийской конференции «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (Барнаул, 2009); 2-ой Российско-Корейской конференции «Современные проблемы химии природных соединений и биотехнологии» (Новосибирск, 2010); Международной научной конференции «Актуальные проблемы ботанического ресурсоведения» (Алматы, 2010); Международном симпозиуме «Экология арктических и приарктических территорий» (Архангельск, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Научные проблемы использования и охраны природных ресурсов России» (Самара, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития особо охраняемых природных территорий европейского севера и Урала» (Сыктывкар, 2010); Февральских чтениях Сыктывкарского Государственного Университета (Сыктывкар 2011); Всероссийской молодежной научной конференции «Химия и технология новых веществ и материалов», Институт химии республики Коми НЦ УрО РАН (Сыктывкар 2011).
Публикации:
По материалам диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 7 в журналах из « Перечня» ВАК.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из списка сокращений, введения, двух глав, обсуждения результатов, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 179 страницах (включая 37 страниц приложения), содержит 42 таблицы (включая 27 таблиц приложения), 26 рисунков. Список литературы состоит из 196 источников, в том числе 33 иностранных.
