Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Вторичный метаболизм растений. Основные продукты вторичного метаболизма (обзор литературы) 27
1.1. Общие представления о вторичном метаболизме растений. Биологическая и экологическая роль
1.2. Основные группы вторичных метаболитов - терпеноиды, фенольные и азотсодержащие соединения
1.3. Связь первичного и вторичного метаболизма. Основные пути биосинтеза продуктов вторичного метаболизма, их локализация в растениях 21
1.4. Родиола розовая (Rhodiola rosea L., Crassulaceae DC.) как продуцент биологически активных соединений
Глава 2. Районы, объекты и методы исследований 40
2.1. Объекты исследований 40
2.2. Районы исследований и условия произрастания растений 44
2.3. Методы исследований 53
Глава 3. Количественное определение салидрозида и розавина методом выскоэффективной жидкостной хроматографии
Глава 4. Накопление биомассы, азотный и углеводный статус растений родиолы розовой в культуре и в природе
4.1. Накопление и распределение биомассы по органам растений 69
4.2. Содержание азота и углерода в надземных и подземных органах растений 4.3. Содержание неструктурных углеводов в органах растений 78
Глава 5. Содержание гликозидов в растениях родиолы розовой 84
5.1. Сравнительный анализ содержания салидрозида и розавина в дикорастущих и культивируемых растениях
5.2. Сезонная динамика содержания салидрозида и розавина в подземных органах культивируемых растений
5.3. Влияние минерального питания и световых условий на накопление гликозидов
Глава 6. Физиолого-биохимические аспекты регуляции специализированного метаболизма в растениях родиолы розовой (обсуждение результатов)
6.1. Связь первичного и специализированного обмена веществ 97
6.2. Цена биосинтезов гликозидов коричного спирта и тирозола 105
6.3. Локализация и возможная биологическая роль гликозидов коричного спирта и тирозола в растениях родиолы розовой
Выводы 115
Литература 117
Приложения 134
- Основные группы вторичных метаболитов - терпеноиды, фенольные и азотсодержащие соединения
- Родиола розовая (Rhodiola rosea L., Crassulaceae DC.) как продуцент биологически активных соединений
- Содержание азота и углерода в надземных и подземных органах растений
- Сезонная динамика содержания салидрозида и розавина в подземных органах культивируемых растений
Введение к работе
Актуальность темы
Способность синтезировать и накапливать разнообразные продукты вторичного метаболизма является уникальным свойством растений, отличающим их от микроорганизмов и животных. Продукты специализированного обмена веществ выполняют ряд важных функций, связанных с защитой растений от различных неблагоприятных факторов окружающей среды, участвуют в размножении растений, вовлекаются во взаимоотношения растений между собой и с окружающей средой. Многие вторичные метаболиты нашли широкое применение в хозяйственной деятельности человека. Изучение влияния различных факторов внешней и внутренней природы на накопление и локализацию веществ вторичного обмена остается одной из актуальных проблем современной фитофизиологии. Важность таких исследований обусловлена необходимостью выявить механизмы регуляции специализированных биосинтезов, роль вторичных метаболитов в растении и их экологическое значение.
Rhodiola rosea L. (родиола розовая) - ценное лекарственное растение, широко используется в медицине. Терапевтический эффект препаратов родиолы розовой обуславливают гликозиды тирозола и коричного спирта (вещества специализированного обмена веществ по шикиматному пути). Значительная часть работ, выполненных на данном растении, носит прикладной характер. Мало исследованы физиолого-биохимические факторы регуляции накопления биологически активных веществ, связь первичных и вторичных биосинтезов, их цена и роль в жизнедеятельности растений.
Цель и задачи исследования
Цель данной работы - изучить физиолого-биохимические основы накопления продуктов вторичного метаболизма в растениях родиолы розовой {Rhodiola rosea L.), выявить связь первичного и специализированного обмена веществ.
В задачи исследования входило: 1. Провести сравнительное изучение содержания гликозидов коричного спирта и тирозола в органах растений для выявления их локализации.
Исследовать динамику накопления салидрозида и розавина в годичном цикле растений.
Выявить влияние минерального питания и световых условий на накопление гликозидов коричного спирта и тирозола.
Проанализировать связь накопления гликозидов с содержанием в растениях неструктурных углеводов и азота.
5. Провести сравнительный анализ содержания розавина и салидрозида в
культивируемых и дикорастущих растениях.
6. Усовершенствовать методику ВЭЖХ анализа гликозидов коричного спирта и
тирозола в биомассе родиолы розовой.
Научная новизна
Впервые рассмотрены физиолого-биохимические основы накопления продуктов вторичного метаболизма - гликозидов коричного спирта и тирозола в растениях родиолы розовой (Rhodioia rosea L.). Предложены схемы путей биосинтеза и дана теоретическая оценка минимальных затрат органического субстрата (в эквивалентах глюкозы), необходимого для обеспечения синтеза салидрозида и розавина С-скелетами и энергией.
Доказано, что салидрозид и розавин локализуются в подземной части растений, причем концентрация гликозидов в каудексе в 1.5-2.0 раза выше, чем в корнях. Выявлена связь накопления продуктов вторичного метаболизма с ростом и развитием растений. Впервые показана корреляция накопления салидрозида в корнях и каудексе с содержанием неструктурных углеводов. Выявлено влияние внешних факторов (освещенность, минеральное питание) на накопление салидрозида и розавина. Обоснована идея о полифункциональной роли гликозидов коричного спирта и тирозола в растениях р. розовой.
Теоретическая ценность и практически значимость
Получена физиолого-биохимическая характеристика культивируемых и дикорастущих растений р. розовой из различных частей ареала. Дана количественная оценка накопления биологически активных веществ - салидрозида и розавина. Показана роль донорно-акцепторной системы в регуляции специализированных биосинтезов на уровне целостного растения. Доказана способность культивируемых растений к накоплению высоких концентраций салидрозида и розавина на фоне
усиления ростовых процессов. Показана возможность повышения активности вторичного обмена путем применения микроэлементов. Усовершенствована методика количественного анализа салидрозида и розавина методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.
Полученные результаты могут быть использованы в селекции и интродукции р. розовой, а также при разработке программ по восстановлению и рациональному использованию ресурсов этого ценного лекарственного растения. Результаты исследований использованы при чтении курса «Физиология растений» и спецкурса «Экологическая физиология растений» для студентов-биологов, а также в спецкурсе «Газовая и жидкостная хроматография» для студентов-химиков Сыктывкарского государственного университета.
Работа выполнена в Лаборатории экологической физиологии растений Института биологии Коми НЦ УрО РАН в период прохождения курса аспирантуры (2002-2005 гг.) и является частью плановых тем: «Физиология многолетних травянистых растений на Севере» (№ Гр 01.9.6003715) и «Физиолого-биохимические основы адаптации и репродукции растений в холодном клммате» (№ Гр 01.00107254).
Благодарности. Выражаю глубокую признательность своему научному руководителю д.б.н., профессору Т.К. Головко. Благодарен к.х.н. В.В. Пунегову за консультации, предоставление материально-технической базы и поддержку работы. Признателен коллегам Лаборатории экологической физиологии растений и дирекции Института биологии за помощь в работе. Благодарен Е.И Шубнициной, М.М. Ишмуратовой, Л.В. Бугловой, Г.М.Воскобойникову за помощь в организации экспедиционных выездов. Признателен [Ю.М. Фролову |и И.И. Полетаевой за
предоставленный растительный материал, д.фарм.н. В.А. Куркину за предоставленные стандарты салидрозида и розавина, а также В.В. Володину за консультации и помощь в сборе литературы.
Основные группы вторичных метаболитов - терпеноиды, фенольные и азотсодержащие соединения
В настоящее время из растений выделено и установлено строение множества вторичных метаболитов. Подавляющее большинство этих веществ можно разделить на три группы: изопреноиды, алкалоиды и фенольные соединения. Каждая из этих групп состоит из нескольких тысяч соединений и подразделяется на многочисленные подгруппы. К менее многочисленным по количеству представленных в растениях относятся цианогенные гликозиды, глюкозинолаты, полиацетилены, тиофены, беталаины, алкиламиды, небелковые аминокислоты, растительные амины, витамины. Следует отметить, что данная классификация используется как в России, так и за рубежом. Однако некоторые зарубежные ученые, наряду с тремя основными группами вторичных метаболитов - алкалоиды, изопреноиды и фенольные соединения, выделяют еще одну самостоятельную группу - гликозиды. В эту группу входят сапонины, сердечные гликозиды, цианогенные гликозиды, глюкозинолаты (Hopkins, 1999). Изопреноиды - группа соединений имеющих общую химическую формулу (С5Н8)П. Элементарное звено C5Hg - называют изопреном. Из всевозможных сочетаний таких элементарных звеньев построено все разнообразие веществ, относимых к классу изопренов. Изопреноиды найдены практически во всех, исследованных на их наличие видах растений. Особенно широко (как в качественном, так и в количественном плане) данные вещества представлены в семействах Lamiaceae, Rutaceae, Asteraceae, Pinaceae (Танасиєнко, 1985, Головкин, 2001) К настоящему времени известно свыше 20 000 различных изопреноидов. Классификация изопреноидов основана на количестве изопреновых единиц, входящих в состав молекулы, причем за единицу терпена принят фрагмент из двух изопреновых звеньев. Объясняется это тем, что первые из открытых терпенов имели минимальный углеродный скелет из десяти атомов углерода, и лишь сравнительно недавно ученым удалось выделить и установить структуру веществ с пятью атомами углерода. В итоге в настоящий момент изопреноиды разделяют на гемитерпены, монотерпены, сесквитерпены, дитерпены, тритерпены, тетратерпены, политерпены.
Гемитерпены - вещества, состоящие из одного звена С5Н8. К ним относятся изопрен и его эфиры с фосфорной кислотой, а также связанные гемитерпены. Примером связанных гемитерпенов могут служить найденные в листьях Heracleum antasiaticum остол (пирановый гетероцикл) (Комисаренко и др., 1974.) и выделенные из некоторых видов алкалоиды, пурины, пирановые гетероциклы (Племенков, 2001). В недавно опубликованном обзоре (Санадзе, 2004) приводятся данные о биосинтезе индивидуального изопрена во многих видах растений.
Монотерпены - вещества, имеющие в своем составе два элементарных изопреновых звена с общей формулой СюНі6. Классификация монотерпенов основана на строении углеродного скелета молекул - в зависимости от степени циклизации и структуры цикла. Ациклические монотерпены, представленные ненасыщенными соединениями, различаются количеством и положением двойной углерод-углеродной связи, а также присутствием функциональных групп (спиртовой, карбонильной, карбоксильной). Монотерпены являются лидером по распространенности среди всего класса терпенов. Данные соединения широко представлены у высших растений. Наиболее богаты монотерпенами растения из семейств Labitae, Pinaceae, Umbelliferae. Как следует из названия, моноциклические терпены содержат в своей молекуле один цикл, состоящий из шести (ментаны), пяти (приданы) или трех (хризантематы) атомов углерода. Наиболее яркими представителями веществ данного класса являются выделенный из эфирного масла множества растений лимонен и мажорный терпеноид Menta piperita - ментол. Бициклические монотерпены встречаются в основном в живице хвойных растений, однако в малых количествах обнаружены в составе эфирных масел многих других растений - эфироносов: Artemisia absinthium, Ledum palustre, Chamaecyparis nootkatensis и др. Содержание некоторых бициклических монотерпенов в растениях может достигать очень большого уровня (Фуксман, 2002) Так, летучая фракция живицы ратений рода Pinus содержит более 90% а-пинена.
Сесквитерпены (общая формула С15Н24) представляют собой самую обширную группу среди всех терпенов как по количеству соединений (несколько тысяч), так и по разнообразию типов углеродного скелета. В наибольшем количестве и разнообразии данные соединения представлены в живице и эфирных маслах растений из семейств Magnoliaceae, Rutaceae, Cornaceae и Asteraceae. Классификация сесквитерпенов основана на наличии или отсутствии кольцевой структуры в молекуле, типе кольца, количестве и расположении двойных связей. Выделяют ациклические, моно- и бициклические сесквитерпены. Следует отметить, что к классу сесквитерпенов относится абсцизовая кислота (АБК), имеющая исключительное физиологическое значение для роста и развития растений (Деева и др., 1988; Кефели, 1994; Роньжина, 2004; Черкозьянова и др., 2005).
Дитерпены (общая формула С20Н32) представлены значительно в меньшей степени в растительном мире, чем сесквитерпены, однако данные соединения являются обычным компонентом смол у голосеменных растений. Один из представителей дитерпенов - фитол присутствует во всех растениях как структурный компонент молекул хлорофилла а и Ь.
Тритерпеноиды и стероиды - группа широко распространенных веществ терпеноидной природы. В растениях накапливаются в виде эфиров различных кислот и гликозидов. Наибольшее внимание привлекают к себе растительные стероиды. Отличительной особенностью стероидов является то, что по сравнению с тритерпеноидами данные терпены претерпевают деградацию углеродного скелета, причем иногда весьма существенную - от Сзо до Qg. Предшественником всех тритерпеноидов-стероидов является холестерол (С27). Интересно отметить, что одни растительные производные холестерола, такие как фитоэкдистероиды, не оказывают значительного физиологического эффекта на рост и развитие растения (Slama, 1993; Machackova et. al., 1995), другие вещества подобной природы - брассиностероиды обладают ярко выраженным физиологическим эффектом даже в концентрациях 10"10 М (Лахвич, 1993; Khripach et. al., 2000). В то же время фитоэкдистероиды, накапливаемые некоторыми растениями в значительных количествах (до 3-4% от сухой массы), уже в концентрациях 10 М проявляют сильный гормональный эффект в отношении некоторых растительноядных беспозвоночных (Bergamasco, Horn, 1983; Володин, 2003), а брассиностероиды в данной концентрации являются, по всей видимости, относительно безобидными веществами для насекомых.
Тетратерпеноиды - вещества, имеющие в своем составе восемь элементарных изопреновых звеньев (общая формула С Ь О- Тетратерпеноиды включают одну структурную группу - каротиноиды. Каротиноиды представляют собой полиизопреноидную цепь, состоящую из 40 атомов углерода, которая у большинства каротиноидов замыкается по концам в 2 иононовых кольца. В зависимости от содержания кислорода в молекуле каротиноида различают каротины (не содержат кислород) и ксантофиллы (содержат кислород в виде гидрокси- или эпокси- группы). Каротиноиды присутствуют в мембранах у всех фотосинтезирующих организмов, где выполняют функции, связанные с защитой фотосинтетического аппарата растений. Защитная функция каротиноидов в антенном комплексе и реакционном центре фотосистемы связана с тушением возбужденных триплетных состояний хлорофилла и синглетного кислорода. Механизм защитного действия р-каротина в реакционном центре включает перенос энергии от 3Хл или 02 к бета-каротину и диссипацию энергии образующегося триплетного каротина через процесс нерадиационной релаксации в тепло с переходом Р-каротина в состояние S0 (Тихонов, 1999; Рубин, 2000). Фотопротекторная функция каротиноидов состоит в защите фотосинтетического аппарата от излишка энергии возбуждения при высокой интенсивности света. Эта функция связана с каротиноидами (виолаксантин, антераксантин, зеаксантин), образующими «ксантофиловый цикл» (Сапожников и др., 1957; Yamamoto, 1979; Hager, Holocher, 1994).
Родиола розовая (Rhodiola rosea L., Crassulaceae DC.) как продуцент биологически активных соединений
Известно, что в среднем от 30 до 50% всех углеводов, продуцируемых в результате фотосинтеза, используется на процессы дыхания (Головко, 1999). Данная величина существенно варьирует в зависимости от возраста, фазы развития и вида растения. Столь большая, на первый взгляд величина окисления углерода органических соединений в углекислый газ в процессе дыхания является вполне оправданной, так как обеспечивает субстратный и энергетический запрос процессов роста, развития, размножения и защиты растения. Два ключевых этапа дыхания -цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) и окислительный пентозофосфатный путь (ОПФП) являются основными поставщиками субстрата (С - скелетов) для биосинтеза вторичных метаболитов (Кретович, 1971; Лункер, 1979; Herrmann, Weaver, 1999).
Благодаря интенсивному обмену метаболитами между матриксом и цитозолем часть синтезированного в реакциях ЦТК ацетил-СоА становится доступной для протекания биосинтеза изопреноидных соединений. Синтез огромного числа изопреноидов начинается с образования мевалоновой кислоты - продукта конденсации трех молекул ацетил-СоА (через стадии образования димера ацето-ацетил-СоА и триммера - мевальдиновая кислота). При каталитическом действии ферментов с участием АТФ и Mg2+ фосфорилированная мевалоновая кислота отщепляет С02 и Н20, образуя 3-изопентенилпирофосфат (ИПДФ). Таким образом, формируется изопреновый фрагмент из пяти атомов углерода. Под воздействием изопентенилдифосфатизомеразы, которая сдвигает двойную связь, ИПДФ превращается в диметилаллилдифосфат (ДМАДФ). Далее ДМАДФ присоединяется к ИПДФ по двойной связи и образуется Сю соединение - геранилдифосфат (прил. 1). Он служит источником всех монотерпенов. Присоединение различных заместителей, миграция двойной связи и циклизация геранилдифосфата дают весь известный набор монотерпенов. Последовательное присоединение ИПДФ к геранилдифосфату приводит к образованию фарнезилдифосфата - исходное вещество при синезе сесквитерпенов (Ci5) и геранилгеранилдифосфата - источник дитерпеноидов (С2о). При димеризации фарнезилдифосфата образуется сквален, а при димеризации геранилгеранилдифосфата фитоин - исходное соединение для всех тритерпеноидов и тетратерпенов. Полиизопреноиды образуются путем последовательной конденсации геранилгеранилдифосфата с молекулами ИПДФ. Синтез базовых изопреноидных структур осуществляют два типа ферментов - пренилтрансферазы (ответственны за наращивание углеродной цепи) и циклазы (ответственны за формирование углеродного цикла).
Образование ИПДФ возможно не только из мевалоновой кислоты, но и из 1-дезоксиксилулозо-5-фосфата - продукта взаимодействия пирувата и глицеральдегид-3-фосфата. Синтез ИПДФ из дезоксиксилулозо-5-фосфата получил название альтернативного. Функционирует он главным образом в пластидах, в цитозоле синтез ИПДФ идет по классическому пути из мевалоновой кислоты. По альтернотивному пути протекает синтез ди- и тетратерпеноидов, синтез тритерпеноидов протекает по классической схеме. Моно- и сесквитерпены в зависимости от локализации и структуры могут синтезироваться по обоим путям.
Биосинтез алкалоидов тесно связан с общим обменом азота в растительной клетке (Лункер, 1979; Buchanan е. а., 2000). Пути синтеза алкалоидов тесно переплетены с путями метаболизма аминокислот. Производимые клеткой аминокислоты являются исходным материалом в биосинтетических процессах производства белков, алкалоидов, фенольных соединений. Предшественником всего многообразия известных алкалоидов является довольно небольшой набор аминокислот - орнитин, лизин, триптофан, тирозин, фенилаланин и антраниловая кислота. В процессе биосинтеза молекула аминокислоты практически полностью включается в структуру алкалоида. Исходными процессами при образовании алкалоида из той или иной аминокислоты, индивидуальной для каждой группы алкалоидов, являются декарбоксилирование и следующие за ним окислительное дезаминирование, и альдольная конденсация (прил. 2). Данные химические реакции контролируются, как правило, индивидуальным для каждой аминокислоты набором ферментов. В результате таких превращений из аминокислот формируются гетероциклические соединения, последующая модификация которых ведет к образованию всего многообразия алкалоидов. К основным реакциям при модификации базовой структуры алкалоидов относятся гидроксилирование, метилирование, внутримолекулярная циклизация. В формировании окончательной структуры алкалоида могут вовлекаться ацетил-СоА или изопентенилдифосфат, как дополнительные углеродные фрагменты при наращивании углеродного скелета. Фенольные соединения - вещества, содержащие в своей молекуле бензольное ядро с одной или более гидроксильными группами. Образования бензольного ядра в растительном организме происходит двумя различными механизмами: по шикиматному пути и ацетатно-малонатному пути (Кретович, 1971; Лункер, 1979; Запрометов, 1993; Herrmann, Weaver, 1999). Данные пути биосинтеза ароматического кольца различаются по природе начального субстрата, набору задействованных ферментных комплексов и локализации в растительной клетке.
Согласно данным Дж. Сузич (Suzich е. а., 1985), у высших растений до 25% всего потока углерода проходит по шикиматному пути. Согласно Г. Шлегелю (1972), до 30%, а по оценке Р. Иенсена (Jensen, 1968) до 60% всей образующейся на Земле биомассы приходится на долю соединений ароматической природы. Столь высокий поток углерода по данному пути можно объяснить тем, что значительная часть одного из конечных продуктов данного метаболического пути расходуется на накопление фенольных соединений.
Исходными веществами при синтезе шестиуглеродной ароматической структуры служат эритрозо-4-фосфат и фосфоенолпируват. Источником данных соединений являются гликолиз и пентозофосфатный путь дыхания. Именно в этом месте в первый раз пересекаются процессы первичного и вторичного метаболизма при синтезе бензольного кольца. Конденсация эритрозо-4-фосфата и фосфоенолпирувата, катализируемая ДАГФ-синтазой, приводит к образованию семиуглеродного соединения 3-дезокси-0-арабиногептулозонат-7-фосфата (ДАГФ). Исходя из имеющихся в литературе данных (Запрометов, 1993) о локализации изозимов ДАГФ синтазы, можно предполагать, что этот процесс протекает как пластидах, так и в цитозоле.
Содержание азота и углерода в надземных и подземных органах растений
Род Rhodiola включает на территории России и сопредельных государств 21 вид, распространен, главным образом, в горных областях северного полушария (Черепанов, 1995). Центром происхождения родового комплекса является Средняя Азия, где встречается более половины видов рода (Борисова, 1939).
Объектами нашего исследования служили 3 вида родиол. Основная часть работы выполнена на Rhodiola rosea L. (родиола розовая). Это полиморфный аркто-бореальный вид с почти циркумполярным распространением. Дизъюнктивный ареал р. розовой на территории России представлен следующими фрагментами: южносибирским, дальневосточным, северо-восточно-сибирским, восточно-сибирско-арктическим, арктическим, таймырским и уральским (Фролов, Полетаева, 1998). В Архангельской и Мурманской областях р. розовая распространена по побережью и на островах Белого и Баренцева морей (Андреева, 1979).
На европейском Северо-Востоке р. розовая представлена популяциями, локализованными в уральской и арктической (приморской) частях ареала вдоль побережья Ледовитого океана (Филиппова, 1981). Считается, что на территории Урала р. розовая является перигляциальным реликтом горного происхождения, проникшим на Урал из высокогорий Алтая, а в Арктике проходит граница ареала вида (Соболевская, 1991). С другой стороны, существует мнение, что она является перигляциальным реликтом арктической флоры (Горчаковский, 1975). В горах Урала особи произрастают в нижней части высокогорного пояса - субальпийском, лесотундровом, альпийском, тундровом (Фролов, Полетаева, 1998). В горах Сибири р. розовая растет в нижних частях высокогорного пояса (субальпийский, лесотундровый, альпийский и тундровые подпоясы), по долинам рек спускается в лесной пояс. Высотный предел распространения на Алтае 1100-2800 м над уровнем моря. В горных районах и на плакорных территориях р. розовая занимает различные экологические ниши. Чаще всего особи встречают на сырых каменистых берегах и в долинах горных ручьев и рек, на осыпях, скалах, вдоль морских побережий. На прибрежных участках и островах Ледовитого океана р. розовая растет в щебнистых или пятнистых суглинистых тундрах. Наибольшего развития достигает на скалах в орнитогенных ценозах - местах гнездований колоний морских птиц (Бреслина, 1979). В высокогорьях входит в состав различных ассоциаций родиолово-разнотравных высокогорных лугов. Нередко является эдификатором альпийско-луговых фитоценозов. Иногда в качестве субдоминантов встречается в разнотравных кедровых и лиственично-кедровых субальпийских редколесьях (Краснов и др., 1979). По жизненной форме р. розовая многолетнее, травянистое, растение. Размеры и масса всех органов сильно варьируют в зависимости от происхождения и произрастания растений (Фролов, Полетаева, 1998). По расположению почек возобновления - гемикриптофит или хамефит. Особь представляет собой систему монокарпических полурозеточных побегов. Часто за вегетационный период при благоприятном температурном режиме формируются две генерации побегов: весенне-летняя и летне-осенняя. Система подземных органов (рис.2), состоит из мощного разветвленного деревянистого вертикального корневища (каудекса) и массы боковых и придаточных корней (Нухимовский 1976).
Морфологическое строение растения родиолы розовой Специализированный монопоидальный каудекс служит местом отложения запасных веществ, несет на себе остатки чешуевидных листьев, почки возобновления, придаточные корни (Hart t, 1994). Вследствие отмирания паренхимы каудекса к концу жизни может происходить его партикуляция. Сырая масса подземной части особи может достигать 3.5 кг (Степанов, Крылов, 1973). Почки возобновления покрыты плотными чешуевидными листьями, успешно переходят в состояние покоя и зимуют. Дополнительной защитой является способность втягивать почки в землю за счет контрактильности корневой системы. Рано весной образуются стебли количеством от 1-2 до многочисленных и высотой до 50-70 см. Снизу стебель покрыт чешуевидными листьями - остатками почечных чешуи, а выше настоящими зелеными. Листья очередные, мясистые, сидячие, косовверхнаправленные длиной до 3.5, шириной до 1.5 см. Листья почти цельнокрайние или зубчатые. Цветки однополые, желтые или зеленоватые, четырехчленные реже пятичленные. Количество цветков в соцветии сильно варьирует, может достигать 130 шт. Соцветие густое, цимоидное, многоцветковое, щитовидное. Выделяют разные типы цветков, различающиеся по количественному соотношению частей цветка (Нухимовский и др., 1987). Плод -многолистовка, состоит из трех-пяти или одной-шести листовок. Длина листовки - до 11 мм. Семена растений от светло-коричневых до темных, длиной до 3 мм и шириной 1 мм.
Растения отрастают рано весной еще под покровом снега. Стадии вегетации, бутонизации, цветения проходят очень быстро. Цветет в июне-августе. Длительное плодоношение продолжается до июля - сентября. Плоды - красноватые, желто -зеленые листовки с коротким носиком и длиной 6-8 мм. Размножается в основном семенами. Вегетативное размножение в природе происходит вследствие механических воздействий - лавин, камнепадов или в результате сенильной партикуляции. По данным литературы число хромосом в клетках соматической ткани п=22 (Лихонос, Калашник, 1999).
Родиола иремельская {Rhodiola iremelica Borris.) - сем. Crassulaseae DC, подсем. Sedoideae Berger., род Rhodiola, секция Rhodiola Schrenk, ряд Roseae Borris. Выделен из Rhodiola rosea L. Борисовой А.Г. в 1939 (Борисова, 1939) году и долгое время считался «критическим» видом в таксономии. К настоящему времени не сложилось единого мнения относительно самостоятельности данного вида. Родиола иремельская в работе (Тюлина, 1931) в списке флоры Урала приводится как Sedum elongatum Maxim. Другой автор (Говорухин, 1937) приводит ее как S. roseum (DC.) Scop. (S. Rhodiola DC.) или Sedum elongatum Maxim. Ряд исследователей (Игошина, 1966; Краснов и др., 1979; Шарафутдинов, 1983; Куркин и др., 1986; Ишмуратова 1996; Ишмуратова, Сацыперова, 1998) придерживаются системы рода Rhodiola А.Г. Борисовой (1939) и считают р. иремельскую самостоятельным видом. Другие авторы рассматривают р. иремельскую в рамках широко понимаемого вида р. розовая (Webb, 1964; Горчаковский 1966; Ohba, 1981; Кожевников, 1988).
Р. иремельская - эндемик Среднего и Южного Урала. Растение встречается на хребтах Машак, Крыкты, горах Ямантау (хр. Зигальга), Большой Шелом, Поперечная, Малый и Большой Иремель, Большой Шатак, на хребтах Куркак, Уралтау, Крыкты. Вид приурочен к гольцам, к скалистым обнажениям и россыпям камней в подгольцовом и верхнем лесном поясах.
Родиола четырехнадрезная - (Rhodiola quadrifida (Pall.) Fisch. et C.A. Mey.) Многолетнее двудомное травянистое растение. Корень толстый, длинный, поперечно-морщинистый, красноватый (рис. 3). Каудекс густо покрыт тонкими игловидными остатками отмерших листьев. Стебли 3-7 (до 10) см высотой, многочисленные, прямостоячие, густо облиственные. Листья сидячие, линейные, 3-8 мм дл, около 1 мм шириной, слегка суккулентные, легко опадающие. Соцветие верхушечное, немногоцветковое (3-5 цветков), щитковидное, около 1 см диаметром. Цветки 4-, редко 5-раздельные, мелкие, раздельнополые. Чашелистики 3 мм длиной, линейно-ланцетные, тупые, зеленоватые. Лепестки около 4 мм длиной, продолговато-обратно-яйцевидные, желтые, реже на верхушке и снаружи красноватые. Тычинки пыльниковых цветков в числе 8, обычно слегка превышают лепестки, реже равны им. Листовки в числе 4 (реже 5) около 5 мм дл., зрелые бурые, иногда красноватые, с тонким длинным (1-1,5 мм дл.) отогнутым носиком. Семена до 2 мм дл., крылатые, продолговатые, бурые (Борисова, 1939).
Сезонная динамика содержания салидрозида и розавина в подземных органах культивируемых растений
На территории Южного Урала в пределах Республики Башкортостан нами были отобраны образцы р. иремельской. Растительный материал собирали в июне 2004 г. в фазу цветения-плодоношения на горах Иремель и Арвякрязь. На горе Иремель растения произрастали в условиях высокогорной тундры на высоте около 1400 м над уровнем моря. На горе Арвякрязь растения были приурочены к террасированным скалам (850 м над уровнем моря) и произрастали на примитивной органно-щебнистой почве.
Климат района исследований отличается резко выраженной континентальностью и характеризуется продолжительной суровой зимой, теплым, иногда жарким летом, большой амплитудой колебания температуры воздуха в годовом ходе (Тайчинов, Бульчук, 1975). Среднегодовая температура воздуха составляет 2.5-2.8 С, в горных районах до 0.6 С. Сумма средних суточных положительных температур выше 10 С в горах составляет 1500 - 1600 С. Средняя температура июля 14 С. Средняя продолжительность безморозного периода в горных районах 50-80 дней. Среднегодовое количество осадков 750-800 мм (Справочник..., 1975).
Для детального изучения биохимического состава растений, сезонной динамики накопления продуктов специализированного метаболизма использовали растения, культивируемые в коллекционном питомнике Института биологии Коми НЦ УрО РАН. Исходный материал был собран в 1992-1995 гг. в уральской части ареала европейского Северо-Востока России во время экспедиционных поездок. Генеративные особи семенного происхождения из уральской части ареала были собраны Ю.М. Фроловым и И.И. Полетаевой на Северном и Приполярном Урале в бассейнах рек Торговая и Кожим. Растения произрастали в различных экотопах -альпийском, субальпийском, притеррасном, подкурумном, островном, прирусловом, бечевниковом на высоте 600-1100 м над уровнем моря. Растения были высажены в коллекционный питомник, расположенный в подзоне средней тайги Республики Коми в окрестностях г. Сыктывкара (6115 с.ш. 5550 в.д.). Посадку осуществляли по схеме 30x40 см с площадью питания 0.12 м . Общее количество особей превышало 200 шт. Почвы экспериментального участка подзолистые, среднеокультуренные, пахотные.
Для выяснения сезонной динамики накопления гликозидов растительные пробы отбирали в соответствии со сроком перехода культивируемых растений в ту или иную фенологическую фазу: отрастание побегов (май), цветение - начало плодоношения (июнь), отмирание побегов (август), переход растений в состояние покоя (ноябрь).
Для выяснения возможности управления накоплением гликозидов коричного спирта и тирозола нами было проведено исследование влияния минеральных удобрений, микроэлементов и затенения на содержание этих соединений в подземных органах р. розовой. Опыты были поставлены на четырехлетних, вегетативно размноженных растениях уральского происхождения. На момент постановки экспериментов (25. 05. 04) растения находились в фазе отрастания побегов первой генерации.
На участок с опытными растениями вносили смесь минеральных удобрений (нитроаммофоска и аммиачная селитра) из расчета 90 кг/га азота, 45 кг/га фосфора и 45 кг/га калия. Перед подкормкой растений почву опытного участка рыхлили, минеральные удобрения вносили непосредственно под растение. На каждое растение приходилось по 1.1 г азота и по 0.55 г фосфора и калия (в пересчете на действующее вещество).
Для выяснения влияния микроэлементов на накопление гликозидов коричного спирта и тирозола осуществляли корневую подкормку водным раствором солей. В работе использовали следующие соли: ZnSC 4 7Н20; MgCl2 6Н20; СиС12 2Н20; МпС12 4Н20; Ca(N03)2 5 Н20. Концентрация ионов цинка, магния, меди и марганца в растворе составляла 2-Ю"3 моль/дм3, концентрация ионов кальция - 4-Ю 3 моль/дм3. Перед подкормкой растений почву опытного участка рыхлили, раствор, вносили непосредственно под растение из расчета 0.2 л/растение.
Для затенения растений использовали марлевый полог. Делянку с опытными растениями накрывали деревянным каркасом, обтянутым белым марлевым полотном. Затенение составляло 40 % от естественного освещения.
Образцы подземных органов для проведения биохимических анализов отбирали после завершения растениями вегетации (28.10.05). Согласно системе районирования (Атлас Коми АССР, 1964) опытные посадки расположены в юго-западном равнинном климатическом районе Республики Коми. Для климата Сыктывкара характерны длинная зима и короткое лето (Климат Сыктывкара, 1986). Преобладание холодного арктического воздуха зимой и теплого континентального летом создает значительный контраст температуры в годовом ходе. Средняя годовая температура воздуха составляет 0.4 С. Самым теплым месяцем года является июль (16.6 С), самым холодным - январь (- 15.1 С). В суровые зимы в отдельные дни средняя суточная температура воздуха может понижаться до - 45 С. В самые жаркие дни лета средняя суточная температура может повышаться до + 30 С. Продолжительность периода со средней суточной температурой воздуха выше 10 С составляет 102 дня. Влажность воздуха довольно высокая, в среднем за год составляет 79 %. В годовом ходе она достигает максимальных значений в сентябре-январе (86-88 %), а минамальных - в мае-июне (65-66 %). Годовая сумма осадков -550 мм, существенно превышает испарение - 240 мм/год. Основная часть осадков -до 75%, приходится на теплое время года (апрель-октябрь). Устойчивый снежный покров удерживается 165-175 дней. Максимальная высота снежного покрова за зиму редко превышает 70 см.
Погодные условия в период исследований отличались от среднемноголетних значений (табл.1). Для вегетационного периода 2004 г. были характерны повышенные температуры воздуха и количества осадков. В мае-июле средняя температура была на 1.5-3.5 С выше, чем среднемноголетние величины. Сумма осадков с мая по октябрь составила 411 мм, что на треть выше нормы. Особо дождливыми были май и июнь (79 и 75 мм, соответственно), при нормах осадков для этих месяцев в 50 и 57 мм. Вегетационный период 2005 г. оказался напротив засушливым. Всего с мая по октябрь выпало 235 мм осадков, что на треть меньше среднегодовой нормы для этого периода. Наиболее засушливыми оказались май и июль. Средняя месячная температура с мая по октябрь составила 13.7 С, что на 2 "С выше, чем среднемноголетний показатель. Особенно жарким был май, когда средняя температура превысила норму почти на 5 С.
