Содержание к диссертации
СТР.
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1 ТАКСОНОМИЧЕСКОЕ ПОЛОЖЕНИЕ ЮЖНО-УРАЛЬСКИХ
ВИДОВ РОДОВ ACONITUML., DELPHINIUML. И СОДЕРЖАНИЕ
В НИХ АЛКАЛОИДОВ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) 12
1.1 ?оц Aconitum L.: распространение и таксономическая структура 12
Южно-уральские виды секции Lycoctonum DC 12
Южно-уральские виды секции Anthora DC 17
1.2 Р'од Delphinium L:. распространение и таксономическая структура 20
КомплексD. aggr.elatumL 21
Комплекс D. aggr. cuneatum Stev. ex DC 28
Комплекс D. aggr. dictyocarpum DC 29
1.3 Закономерности содержания алкалоидов в растениях
южно-уральских видов родов Delphinium L. и Aconitum L 30
1.3.1 Использование алкалоидов растений родов
DelphiniumL. viAconitumL. в медицине 30
1.3.2 Дитерпеновые алкалоиды растений южно-уральских
видов рода Aconitum L 34
1.3.3 Дитерпеновые алкалоиды растений южно-уральских
видов рода Delphinium L 38
ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 45
Объекты исследований 45
Природные условия Южного Урала (района проведения исследований) 45
Методы исследований 48
2.3.1 Анализ распространения видов родов Aconitum L. и
Delphinium L 48
2.3.2 Анализ фенотипической изменчивости и популяционной
структуры 50
2.3.2.1 Анализ фенотипической и популяционной
морфологической изменчивости 50
Популяционно-генетический анализ Aconitum lycoctonum L. и видов комплекса Delphinium aggr. elatum L. с использованием изоферментных генетических маркеров 71
Анализ пространственной структуры популяций комплекса Delphinium aggr. elatum L 73
2.3.3 Анализ содержания алкалоидов в растениях 75
2.3.3.1 Анализ межпопуляционных различий по содержанию
суммы алкалоидов в растениях 75
2.3.3.2 Изучение содержания лаппаконитина в растениях
Aconitum lycoctonumL 76
2.3.3.3 Изучение сезонной динамики содержания алкалоидов 77
Методика изучения зависимости роста надземных побегов Aconitum lycoctonum L. от содержания в них дитерпеновых алкалоидов 78
Изучение влияния на содержание лаппаконитина
повреждения надземной части растений 79
2.3.6 Оценка запасов корневищ Aconitum lycoctonum L. на
территории Республики Башкортостан 80
ГЛАВА 3 ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАСТЕНИЙ
РОДОВ DELPHINIUML.HACONITUML. НА ЮЖНОМ УРАЛЕ 81
3.1 Закономерности распространения видов рода Aconitum L 81
3.1.1 Географический ареал A. lycoctonumL 81
3.1.2ЦеноареалЛ. lycoctonumL 81
3.1.3 Закономерности распространения A. nemorosum
Bieb. exReichenb 90
3.2 Закономерности распространения комплексов
близкородственных видов рода Delphinium L 90
3.2.1 Географические ареалы 90
Комплекс/), aggr. elatum L 90
Комплексі), aggr. dictyocarpum DC 91
Комплексі), aggr. cuneatum Stev. ex DC 93
3.2.2 Ценоареалы 93
3.2.2.1 Комплекс/), aggr. elatumL 93
Комплекс D. aggr. dictyocarpum DC 94
Комплекс Z). aggr. cuneatum Stev. ex DC 97
3.2.3 Экологическая дифференциация видов рода Delphinium L 97
ГЛАВА 4 ФЕНОТИПИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ И ПОПУЛЯЦИОННАЯ
СТРУКТУРА ВИДОВ И КОМПЛЕКСОВ ВИДОВ РОДОВ ACONITUML. И
DELPHINIUML 99
4.1 Род AconitumL 99
4.1.1 A. lycoctonumL 99
Индивидуальная изменчивость 99
Популяционная структура 109
4.1.2 A nemorosum Bieb. ex Reichenb 120
4.2 Род Delphinium L 123
4.2.1 КомплексD. aggr.elatumL 124
4.2.1.1 Фенотипическое разнообразие растений 125
Анализ разнообразия сочетаний различной степени опушенности органов у растений 125
Кластерный анализ морфологического разнообразия растений 128
Закономерности распространения фенотипов 132
4.2.1.2 Популяционная структура комплекса 137
4.2.1.2.1 Классификация популяций по частоте
встречаемости фенотипов 137
4.2.1.2.2 Морфологические особенности растений
выделенных типов популяций 141
Генетическая дифференциация 147
Пространственная структурированность
изменчивости растений в смешанных популяциях 154
Пространственная морфологическая неоднородность растений 155
Пространственная генетическая
неоднородность растений 159
4.2.2 Комплекс D. aggr. dictyocarpum DC 162
4.2.2.1 Фенотипическое разнообразие растений 163
D. uralense Nevski 163
D. dictyocarpum DC 167
4.2.2.2 Популяционная структура 171
D. uralense Nevski 171
D. dictyocarpum DC 175
4.2.2.3 История формирования комплекса D. aggr. dictyocarpum DC.
на Южном Урале 178
4.2.3 Комплекс D. aggr. cuneatum Stev. ex DC 181
ГЛАВА 5 ЗАКОНОМЕРНОСТИ СОДЕРЖАНИЯ АЛКАЛОИДОВ В
?АСТЕИИЯХ?0РРВ ACONITUML.HDELPHINIUML 183
5.1 Популяционные закономерности содержания алкалоидов
в генеративных растениях в период цветения 183
Содержание лаппаконитина в корнях A. lycoctonumL 183
Содержание суммы алкалоидов в растениях A. nemorosum
Bieb. ex Reichenb 185
Комплекс/}, aggr. elatumL 185
Комплекс Д aggr. dictyocarpum DC 187
Комплекс D. aggr. cuneatum Stev. ex DC 190
5.2 Сезонная динамика содержания алкалоидов 190
Содержание лаппаконитина в корнях A. lycoctonumL 190
Сезонные закономерности содержания суммы алкалоидов
в растениях южно-уральских видов рода Delphinium L 193
Комплексе, aggr.elatumL 193
Комплекс D. aggr. dictyocarpum DC 196
5.3 Внутривыборочная изменчивость содержания лаппаконитина
в корнях Aconitum lycoctonum L 198
5.4 Разногодичная изменчивость содержания лаппаконитина
в корнях Aconitum lycoctonumL 199
5.5 Возрастные различия содержания лаппаконитина в растениях
Aconitum lycoctonumL 201
5.6 Особенности состава алкалоидов южно-уральских видов
рода Delpinium L 202
ГЛАВА 6 УРОВЕНЬ СОДЕРЖАНИЯ АЛКАЛОИДОВ В РАСТЕНИЯХ
И ТЕМПЫ РОСТА НАДЗЕМНЫХ ПОБЕГОВ 203
Влияние повреждения надземной части растений Aconitum lycoctonum L. на содержание в них лаппаконитина 203
Зависимость роста надземных побегов Aconitum lycoctonum L.
от содержания в них дитерпеновых алкалоидов 208
6.3 Уровень содержания фитогормонов в интактных растениях
Aconitum lycoctonum L., выращивавшихся на питательной среде
с добавлением алкалоидов 214
ГЛАВА 7 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОХРАНЕ И РАЦИОНАЛЬНОМУ
ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ВИДОВ РОДОВ ACONITUML. И DELPHINIUML.
НА ЮЖНОМ УРАЛЕ 217
7.1 Рекомендации по ресурсному использованию A. lycoctonum L.
на территории Республики Башкортостан 217
Запасы корней в растительных сообществах 217
Запасы корней на территории Республики Башкортостан 219
Рекомендации по заготовке корней A. lycoctonum L 225
7.2 О возможности ресурсного использования A. nemorosum
Bieb. ex Reichenb 226
7.3 Рекомендации по охране и рациональному использованию видов
рода Delphinium L 226
ВЫВОДЫ 229
ЛИТЕРАТУРА 232
Введение к работе
Актуальность темы. Виды родов Aconitum L. и Delphinium L. широко распространены на территории России и сопредельных государств [Невский, 1937]. Они являются основными источниками дитерпеновых алкалоидов, обладающих антиаритмическими, местноанестезирующими, противовоспалительными, психостимулирующими, спазмолитическими, ганглиоблокирующими, курареподобными и другими фармакологическими свойствами [Рудич, 1958; Губанов, 1965; Садритдинов, Курмуков, 1980; Benn, Jacyno, 1983; Юнусов, 1997а,б, 2001]. На основе некоторых из дитерпеновых алкалоидов уже получены медицинские препараты, такие как мелликтин, используемый при неврологических заболеваниях и антиаритмический препарат аллапинин и др.
Некоторые из видов этих родов, распространенные на Южном Урале (например, A. lycoctonum L. и D. elatum L.), имеют очень обширные ареалы [Невский, 1937; Зиман, 1985; Ворошилов, 1990; Малютин, 1992; Цвелев, 2001], в пределах которых наблюдаются высокая морфологическая изменчивость растений [Малютин, 1973] и исключительно высокая вариабельность состава (D. elatum) и содержания (A. lycoctonum) в них дитерпеновых алкалоидов [Юнусов, 1981; Самусенко и др., 1992; Цырлина и др., 1998]. Одной из возможных причин наблюдаемой вариабельности состава и содержания дитерпеновых алкалоидов в растениях этих видов могло быть то, что под названием одного вида подразумевалась целая группа близкородственных видов с не всегда четкой экологической и географической дифференциацией, образующих на стыке ареалов переходные формы [Цвелев, 1996]. В последней переобработке родов Aconitum и Delphinium [Цвелев, 1996, 2001] некоторые, ранее признаваемые не всеми систематиками, «мелкие» виды были восстановлены, но объединены в группы близкородственных видов, названных «агрегатами». Имеющиеся сведения о таксономическом разнообразии рода Delphinium на Урале [Куликов, 2000] относятся преимущественно к Среднему Уралу и северной части Южного Урала. Специальных исследований, целью которых было изучение таксономического состава, фенотипической и популяционной структуры комплексов близ-
кородственных видов родов Aconitum и Delphinium на Южном Урале и закономерностей содержания в них алкалоидов, не проводилось.
Цель данной работы - анализ эколого-ценотических закономерностей распространения, внутривидовой изменчивости и содержания алкалоидов в растениях видов родов Aconitum и Delphinium на Южном Урале с целью оптимизации их ресурсного использования и охраны. Для этого необходимо было решить следующие задачи:
Изучить ареалы и ценоареалы видов и комплексов близкородственных видов родов Aconitum и Delphinium на Южном Урале.
Выявить фенотипическое разнообразие и популяционную структуру видов и комплексов близкородственных видов родов Aconitum и Delphinium на Южном Урале.
Исследовать эколого-ценотические, популяционные, сезонные, возрастные закономерности и разногодичную флуктуацию содержания алкалоидов в растениях.
Выявить возможную связь между содержанием дитерпеновых алкалоидов в растениях и темпами роста их надземных побегов.
Разработать методические основы оптимизации ресурсного использования и охраны изученных видов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Решающую роль в формировании современной внутривидовой и внут-риродовой структуры родов Aconitum и Delphinium на Южном Урале сыграло изменение климата в конце плейстоцена - начале голоцена, обусловившее изменение границ ареалов видов, гибридизацию ранее обособленных форм и видов и формирование новых эндемичных форм в изолированных местообитаниях в Предуралье и Зауралье.
2. У видов с широким экологическим ареалом, включающим подгольцо-вые местообитания, основным фактором формирования популяционной структуры является климатически обусловленная продолжительность периода вегетации.
Наибольшее содержание алкалоидов в корнях и надземных органах растений изученных видов отмечается в генеративном возрастном состоянии в период их интенсивного роста на начальном этапе сезонного развития в местообитаниях с коротким периодом вегетации.
Повышенное содержание дитерпеновых алкалоидов в растениях положительно влияет на сумму содержащихся в них цитокининов, темпы роста их надземной части и является одним из механизмов адаптации растений изученных родов к произрастанию в условиях короткого периода вегетации.
Научная новизна работы. Выявлены ценоареалы, эколого-ценотический оптимум, фенотипическая, популяционная и внутривидовая структуры представителей родов Aconitum и Delphinium на Южном Урале. Впервые на территории Республики Башкортостан (РБ) установлено наличие вида D. alpinum Waldst. et Kit. Выделена новая форма D. elatum-D. elatum var. glandulosum.
Установлено, что в корнях генеративных растений наиболее высокое содержание суммы алкалоидов (виды рода Delphinium) и лаппаконитина {A. lycoc-tonum) отмечается у форм, приуроченных к холодным местообитаниям с коротким периодом вегетации. Вариабельность содержания алкалоидов в пределах отдельных таксономических единиц зависит от широты их экологического ареала на градиенте жесткости климата. Содержание суммы алкалоидов в отдельных частях и в растениях в целом выше в период их интенсивного роста. Установлено, что увеличение содержание дитерпеновых алкалоидов в растениях положительно влияет на сумму содержащихся в них цитокининов. Высокое содержание дитерпеновых алкалоидов в растениях родов Aconitum и Delphinium является одним из механизмов их адаптации к условиям среды местообитания.
Научно-практическая значимость работы. На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по заготовке корней A. lycoctonum, содержащих лаппаконитин, из которого производится препарат аллапинин, а также методические основы оптимизации ресурсного использования и охраны видов рода Delphinium.
Связь работы с научными программами. Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 96-04-49909 «Изучение связи содержания дитерпеновых алкалоидов в растениях с адаптацией к условиям среды местообитания и с их внутривидовой дифференциацией на примере Aconitum septentrionale», 1996-1998 гг.), ГНТП АН РБ (гранты "Внутривидовое разнообразие рода Delphinium L. на Южном Урале как источника дитерпеновых алкалоидов" (1999-2001 гг.), «Эколого-ценотические закономерности распространения алкалоидоносных растений на Южном Урале» (2005-2006 гг.)), программы ОБН РАН "Фундаментальные основы управления биологическими ресурсами" (тема «Выявление перспективных растений-алкалоидоносов и их распространение во флоре Южного Урала» (госконтракт № 10002-251/ОБН-2/151 -450/260503-189,2003-2005 гг.)).
Декларация личного участия автора. Автором была определена тема исследований, он был руководителем работ по грантам, при поддержке которых выполнялась работа. Часть результатов, представленных в главах диссертации 4 и 5, получены совместно с к.б.н. К.Ф. Мухаметзяновой, к.б.н. М.Н. Канчури-ным и к.б.н. А.А. Исангуловой, которые защитили диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности «ботаника» под руководством автора. Автору принадлежит замысел и окончательный текст диссертации. В диссертации использованы работы, опубликованные в соавторстве.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на Международной научно-практической конференции «Экология и охрана окружающей среды» (Пермь, 1995), V научной конференции памяти проф. А.А. Уранова (Кострома, 1996), I Всероссийской конференции по ботаническому ре-сурсоведению (Санкт-Петербург, 1996), конференции «Проблемы ботаники на рубеже ХХ-ХХІ веков» (Санкт-Петербург, 1998), конференции «Современные направления изучения флоры и растительности» (Бирск, 2000), Всероссийской конференции «Проблемы региональной экологии» (Томск, 2000), III конференции «Иммуноанализ регуляторов роста в решении проблем физиологии расте-
11 ний, растениеводства и биотехнологии» (Уфа, 2000), Международной конференции «Актуальные вопросы экологической физиологии растений в 21 веке» (Сыктывкар, 2001), II Всероссийской научной Internet-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области органической и биоорганической химии и механики многофазных систем» (Уфа, 2003), на XI съезде Русского ботанического общества (Новосибирск, 2003), конференции «Проблемы сохранения биоразнообразия на Южном Урале» (Уфа, 2004), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук» (Уфа, 2005), Всероссийской научно-практической конференции «Растительные ресурсы: опыт, проблемы и перспективы» (Бирск, 2005), а также на заседании Президиума УНЦ РАН (25 апреля 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 34 работы, в том числе 2 монографии, из них одна - коллективная, 10 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 272 страницах машинописного текста (включая иллюстрации и список литературы) и состоит из введения, 7 глав и выводов. В работе представлено 55 таблиц и 29 рисунков. Список литературы включает 410 наименований, из них 99 иностранных.
Благодарности. Автор благодарен за помощь в сборе и обработке материала к.б.н. Н.А. Мартьянову , к.б.н. К.Ф. Мухаметзяновой, к.б.н. М.Н. Канчу-рину, к.б.н. Л.М. Ишбирдиной, к.б.н. А.А. Исангуловой, к.х.н. B.C. Никитиной, к.б.н. Л.В. Сидоровой, а также многим другим сотрудникам Института биологии УНЦ РАН, принимавшим в разные годы участие в экспедициях по сбору материала для исследования. Особая признательность за методическую помощь в организации исследований и интерпретации результатов академику РАН М.С. Юнусову, чл.-корр. АН РБ Б.М. Миркину, к.х.н., доценту О.И. Михайленко, д.б.н., профессору Ю.А. Янбаеву, д.б.н., профессору Г.Р. Кудояровой, д.б.н., профессору Н.И. Кругловой, д.б.н., профессору А.Р. Ишбирдину, к.б.н. А.А. Мулдашеву.
