Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВИДОВ РОДА SALIX L. (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 7
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 38
ГЛАВА 3. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВИДОВ РОДА ИВА (SALIX L.) 48
3.1. Содержание аминокислот 48
3.2. Содержание флавоноидов 52
3.3. Содержание танидов 69
ГЛАВА 4. КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БОДООХРАННО-ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ 79
ВЫВОДЫ 90
Введение к работе
Рациональное использование природных ресурсов предполагает реализацию системного подхода, с сохранением потенциала восстановления как природных, так и искусственных экосистем (Сукачев, 1966; Шварц, 1975; Риклефс, 1979; Одум, 1986; и др.), учет наиболее значимых для экосистемы связей (Шварц, 1975; Миркин, Наумова, 1998; Розенберг и др., 1998; Розенберг и др., 1999; и др.), оценку уязвимости и природоохранной значимости флороценотических комплексов (Горчаковский, 1975; Парфенов, Мазан, 1986; Саксонов, Розенберг, 2000; и др.), устойчивость к экстремальным природным и техногенным факторам (Тарчевский, 1970; Тарабрин и др., 1986; Кулагин, 1998; и др.)
Вопросы создания и комплексного использования лесных насаждений находятся в ряду проблем, имеющих теоретическое и практическое значение.
Известно, что среди древесных растений представители семейства Salicaceae Mirbel представляют интерес как быстрорастущие, успешно произрастающие в условиях резко континентального климата, устойчивые к антропогеным воздействиям растения (Тахтаджян, 1966; Скворцов, 1968; Кулагин, 1998).
Однако представители широко распространенного многовидового рода Salix L. не нашли достаточного отражения в вопросах изучения содержания биологически активных соединений и оценки перспектив комплексного использования ивовых насаждений.
Изучение содержания продуктов вторичного метаболизма у различных видов ив важно для решения научно-практических задач, среди которых выделяется такая, как выявление хозяйственно-ценных видов, сохраняющих жизнестойкость и биопродуктивность в различных условиях существования. Содержание полифенолов, к которым относятся флавоноиды и таниды, в органах древесных и кустарниковых растений исследовано недостаточно. Следует отметить, что имеющиеся литературные данные по этому вопросу получены чаще всего на материале, отобранном с растений из различных мест обитания, или работа проводилась на гербарных образцах без учета сроков отбора сырья и фазы развития растений.
Наряду с разнообразным прикладным значением видов рода Salix L. в качестве технических культур привлекает внимание химический состав их надземных органов. Изучение химического состава листовой массы ивовых на присутствие биологически активных флавоноидов интересно и значимо в связи с возможностью комплексного использования ивового сырья при промышленном использовании ивовых насаждений.
Цель работы - проведение сравнительного изучения видов рода Salix L. и обоснование возможности комплексного использования ивовых насаждений водоохранно-защитного и сырьевого назначения. Охарактеризовать содержание аминокислот, флавоноидов и танидов у различных видов рода Salix L. в плане перспективности использования в качестве источника биологически активных веществ.
Для достижения поставленной цели были определены и решались следующие задачи:
1. Сравнительная характеристика продуктивности ив при плантационном выращивании.
2. Изучение аминокислотного состава листьев различных видов ив.
3. Изучение содержания флавоноидов в листьях различных видов ив.
4. Изучение содержания танидов в коре ветвей различных видов ив.
5. Определение перспектив комплексного использования ив в качестве источника биологически активных веществ.
Основные положения выносимые на защиту:
1. Виды рода Salix L. являются неотъемлемым компонентом древесно-кустарниковой растительности пойм рек и должны широко использоваться при создании водоохранно-защитных лесных насаждений.
2. Виды рода являются источником незаменимых аминокислот (аминокислоты не синтезируются в организме животных), флавоноидов и танидов. Ивовые насаждения можно рассматривать как источник и сырьевую базу биологически активных веществ.
3. Комплексное использование ивовых насаждений предусматривает водоохранно-защитное и сырьевое назначение.
Исследование выполнено в рамках плановых научно исследовательских работ и результаты отражены в научных отчетах по теме «Эколого-биологические особенности лесообразующих видов в связи с охраной и оптимизацией окружающей среды» (Гос.рег.№01.9.30009999) и по грантам РФФИ «Адаптация лесообразующих видов в техногенных условиях и проблемы лесовосстановления» (№96-15-97070), «Адаптация и структурно-функциональные особенности формирования корневых систем древесных растений в техногенных условиях» (№00-04-48688), «Восстановление биологической продуктивности техногенных ландшафтов горнодобывающей промышленности в Республике Башкортостан» (№02-04-97909).
Научная новизна. Впервые в условиях Предуралья проведены исследования аминокислотного состава и содержания флавоноидов и танидов местных и интродуцированных видов ив. Представлена сравнительная характеристика видов ив как источника биологически активных соединений. Установлены различия в уровнях содержания флавоноидных соединений и танидов у растений ив мужского и женского пола.
Практическое значение. Результаты работы имеют практическое применение в области экологической физиологии древесных растений; при создании целевых насаждений комплексного назначения - водоохранно-защитные лесные насаждения, база пчеловодства, сырьевая база для мебельного, утилитарного и сувенирного производства, сырьевая база для получения биологически активных соединений (листовая масса Salix triandra L. и Salix acutifolia Willd. может быть рекомендована для выделения флавоноидных биопрепаратов); при характеристике адаптивных реакций растений при произрастании в экстремальных условиях.
Автор благодарен за поддержку и практическую помощь научному руководителю д.б.н. С.В.Саксонову, научному консультанту д.б.н. А.Ю.Кулагину. Особая благодарность и признательность к.б.н. О.Э.Оразову, к.х.н. В.С.Никитиной, д.х.н. Р.В. Кунаковой, к.б.н. Н.С.Сахнову, к.б.н. Н.А.Мартьянову, к.с.-х.н. Ю.Ф.Косоурову, к.б.н. Р.Р.Хисамову, Г.В.Шендель, С.М.Сираевой, Н.Ф.Морозову, А.В.Асадуллину, И.С.Юлашеву, Л.Н.Идиятуллиной за советы, практическую помощь и поддержку на различных этапах работы.
Содержание аминокислот
Растения в целом и ивы являются источниками различных веществ: аминокислот (в том числе и незаменимых), витаминов, других биологически активных веществ (Hoffman et al, 1967; Barton, 1984; Palo, 1984; Barros, Neill, 1987; Liu Ping, Liu Xueqin, 1989; Храмов, 1990).
Известно, что ивы поедаются дикими животными, а также используются на корм скоту в виде веточного корма (Ларин и др., 1951; Palo, 1984; Храмов, 1990). Отсюда следует, что ивы могут быть использованы в качестве компонентов питания животных.
Анализ материалов по изучению аминокислотного состава листьев ив показывает, что данные носят разрозненный характер.
Изучение содержания аминокислот в листьях ив показало, что различия между видами и формами весьма значительны (табл.1). Следует указать, что ни у одного из видов не было обнаружено всех (21) определяемых аминокислот. Наибольшее число аминокислот (20) выявлено у S.viminalis, а наименьшее (16)- у S.triandraf.discolor.
Информативным является суммарное содержание аминокислот в листьях. Здесь различия между видами ив выражены в большей степени. Так, аминокислот в листьях S.triandra f.concolor 41,06 мг/100 г возд.-сухих листьев, в то время как в листьях S.pentandra лишь 14,51 мг/100 г. В целом, по содержанию аминокислот ивы можно разделить на 3 группы: 1) в листьях аминокислот содержится не более 20 мг/100 г {S.pentandra, S.acutifolia, S.dasyclados, S.alba) , 2) в листьях аминокислот содержится 20-30 мг/100 г {S.cinerea, S.triandra f.discolor, S.caprea, S.viminalis, S.rorida); 3) в листьях аминокислот содержится более 30 мг/100 г (S.triandra f.concolor).
Говоря о содержании отдельных аминокислот, следует отметить безусловное "лидерство" S.triandra f.concolor. Именно в листьях S.triandra f.concolor отмечается наибольшее содержание таких аминокислот, как аспарагиновая кислота, треонин, серии, аспарагин, пролин, глицин, аланин, метионин, изолейцин, лейцин, тирозин, фенилаланин, у-аминомасляная кислота, лизин, аргинин (табл.1). В то же время в листьях S.triandra f discolor обнаружено наибольшее содержание глутаминовой кислоты и валина, в листьях S.rorida - глутамина и цистина.50
Вопрос о расширении кормовой базы животноводства предполагает широкое использование веточного корма. Однако об исключительной кормовой ценности говорить не приходится в силу высокого содержания клетчатки и низких кормовых качеств (Ларин и др., 1951). Тем не менее, в критический период использование древесных растений в качестве корма становится необходимостью. В этом случае практическая деятельность должна строиться с расчетом наибольшей пользы животноводству и минимального ущерба для лесных насаждений.
Использование для этих целей различных видов ив целесообразно в связи с высокими темпами роста надземной массы (Косоуров и др., 1986), выраженными регенерационными способностями (Кулагин, 1991).
Согласно сводке для животного организма незаменимыми аминокислотами являются триптофан, фенилаланин, метионин, лизин, валин, треонин, изолейцин, лейцин, аргинин и гистидин (Ленинджер, 1976).
Характеризуя в плане содержания незаменимых аминокислот некоторые виды ив, следует отметить, что между видами и формами существуют различия (табл.2).
По массе аминокислот (суммарное содержание) ивы располагаются в следующий ряд по степени снижения: S.triandra f.concolor - S.vimmalis -S.caprea - S.triandra/.discolor - S.alba - S.dasyclados - S.acutifolia.
Однако ряд ив, составленный по данным содержания незаменимых аминокислот, имеет иной вид: S.triandra f.concolor - S.triandra /.discolor -S.viminalis - S.alba - S.dasyclados — S.caprea - S.acutifolia.
Следует отметить, среди ив есть виды и формы, содержащие повышенное количество отдельных незаменимых аминокислот, а именно: валин - S.triandra /discolor, изолейцин, лейцин, фенилаланин, лизин, аргинин, метионин - S.triandra /concolor. При этом содержание незаменимых аминокислот в процентах от общего количества аминокислот относительно выровненное и ивы разделяются на две группы: 1) содержание незаменимых аминокислот составляет 1/3 часть (S.alba, S.triandra /concolor S.triandra /discolor, S.dasyclados); 2) содержание незаменимых аминокислот составляет 1/5 часть (S.viminalis, S.acuti/olia, S.capred).
Содержание флавоноидов
Род Salix L. является наиболее многочисленным и распространенным среди древесно-кустарниковой флоры, включает различные по жизненной форме и условиям обитания виды. Эти различия обусловливают специфику обменных процессов, которые у данного рода изучены недостаточно. Сравнительное изучение состава вторичных метаболитов, к которым относятся флавоноиды, в растениях различных семейств имеет важное научно-практическое значение. Как следует из данных литературы, результаты аналитических исследований состава и превращений вторичных метаболитов могут быть использованы, помимо систематики сложных таксонов, для выявления особенностей физиологических процессов у растений, в которых эти соединения принимают участие. К таким процессам могут быть отнесены, например, развитие половой дифференциации в период цветения и плодоношения в генеративном состоянии, некоторые адаптивные реакции на изменение условий обитания и некоторые другие.
Фитохимически исследовано лишь небольшое число видов рода Salix L. В связи с изложенным, наметили изучение флавоноидного состава перспективных видов ив из различных секций в равных условиях произрастания.
Согласно схеме химического изучения, в водно-спиртовых экстрактах из листьев 5 видов ивы, сконцентрированных и очищенных от липофильных веществ, проводили предварительную оценку содержания определенных групп флавоноидов с использованием метода ТСХ и качественных аналитических реакций. Результаты разделения флавоноидсодержащих смесей приведены в таблице 3.
В общей сложности в системе растворителей хлороформ-метанол-вода (65:35:10) для пяти видов рода Salix L. выявили семь хроматографических зон, предположительно относящихся к флавоноидным соединениям (по окрашиванию и флуоресценции в УФ-свете и после обработки парами аммиака). У всех видов наблюдалась зона с Rf = 0,78-0,80, характерная для агликона кверцетина. Менее интенсивно она проявлялась у S. acutifolia, а наиболее яркая окраска в УФ- свете этого соединения отмечена у S. cinerea.
Еще одно соединение с Rf = 0.40 - 0.44, согласно результатам хроматографических опытов, было также широко представлено. Оно соответствовало по хроматографическим характеристикам изокверцитрину и не проявлялось лишь в экстрактах S.cinerea. Зона, соответствующая рутину (Rf =0.24) максимально ярко была выражена у вида S.triandra f.concolor. По размерам зоны и яркости окраски можно было предположить, что данный вид содержит значительное количество рутина при сравнительно малом уровне сопутствующих флавоноидов. Вид S.acutifolia тоже резко выделялся по размеру и яркости окрасок двух зон с Rt= 0.50 и 0.68. После обработки парами аммиака оба пятна окрашивались в ярко-коричневый цвет, устойчивый в течение нескольких часов после проявления хроматограмм. Кроме названных зон для продукта из S.acutifolia обнаружены еще три менее заметные, одна из которых по Rf соответствует изокверцитрину, другая -кверцетину. Наибольшее количество пятен веществ фенол ьной группы обнаружили в очищенном экстракте из листьев S.triandrafconcolor.
По физико-химическим свойствам в сравнении со стандартными препаратами флавоноидов и по данным литературы удалось идентифицировать названные компоненты соответственно как кверцетин, изорамнетин, рамнетин, лютеолин, апигенин, диосметин и кемпферол. Во всех изученных видах представлены кверцетин и лютеолин, которые отличаются один от другого наличием гидроксила в положении Сз вследствие этого принадлежностью к классам флавонолов (кверцетин) и флавонов (лютеолин). Именно два этих представителя обширных классов соединений, по данным Харборна (Harborne, 1972), наиболее часто встречаются в сосудистых растениях. Позднее установлено присутствие в листьях изучаемых видов в качестве минорного соединения компонента G, идентифицированного как агликон кемпферол. Агликон рамнетин обнаружен лишь у S.triandra fconcolor, а апигенин - в образце из S.acutifolia. Из данных таблицы 4 видно, что для двух видов из секции Amygdalinae Koch, характерно наличие метоксилированных производных (изорамнетин, рамнетин, диосметин), а у представителя секции Daphnella Seringe ex Duby наблюдалось присутствие агликонов с базовыми структурами и незамещенными гидроксилами.
Содержание танидов
Исследовали содержание и сезонную динамику водорастворимых танидов в образцах коры 17 видов рода Salix L. с экспериментального участка лаборатории лесоведения Института биологии Уфимского научного центра РАН (г. Уфа). Следует отметить, что из представленных видов ива хвостатая (S.caudata Heller), ива ломкая (S.fragilis L.), ива цельнолистная (S.integra Thunb.), ива кангинская (S.kangensis Nakai), ива Мийабе (S.miyabeana Seemen.), ива Пьеро (S.pierotii Miq.), ива пурпурная (S.purpurea L.), ива удская (S.udensis Trautv. et Меу.), ива мирзинолистная (S. myrsinifolia Salisb.), ива ушастая (S.aurita L.), ива Шверина (S.schwerinii E.Wolf.), ива остролистная (S.acutifolia Willd.) являются интродуцентами, завезенными из различных регионов страны. Сроки отбора коры для анализов - вторая декада апреля, первая декада июля, третья декада августа, вторая декада октября.
Полученные данные по сезонной динамике содержания танидов в коре исследованных видов представлены в таблице 11, а для пяти перспективных видов показаны на рисунке 5.
Максимальное содержание танидов у части видов отмечено весной и поздней осенью, у других - только осенью. У большинства видов наблюдалось снижение уровня танидности коры ветвей в летний период. Рис. 5. Сезонная изменчивость содержания танидов в листьях пяти изучаемых видов рода Salix L.
Наиболее выражено это у видов S.alba, S.aurita, S.caudata, S.Integra, S.kangensis Nakai, S. miyabeana, S.purpurea, S.schwerinii, S.triandraf. concolor, S.triandra f.discolor, S.udensis. Вероятно, в период активной вегетации предшественники танидов, такие, как флавоноиды из классов катехины и проантоцианидины, расходуются растениями либо участвуют в метаболических процессах. Содержание танидов начинает возрастать, судя по полученным данным, в фазу вегетация после плодоношения, в период одревеснения побегов, когда на них сформировываются внешние слои клеток камбия (в которых возможно отложение дубильных веществ).
В динамике накопления танидов были выявлены и межвидовые отличия. Для части видов ивы, как это отмечали Д.Ю.Смалюкас (1963, 1967) и Л.М.Неверова (1970), в фазу набухания и раскрытия почек в коре ветвей отмечался высокий уровень содержания танидов, однако для остальных видов этого явления не наблюдали. Наши результаты соответствуют данным В.И.Шабурова и И.В.Беляевой (1981) для некоторых видов ивы, но не согласуются с данными других авторов (Парфенов, Мазан, 1986; Мазан, Булат, 1986), которые максимум накопления танидов в коре средней части стебля видов ивы установили в период активного роста побегов. Эти противоречия, видимо, объясняются различием подходов к изучению процессов накопления танидов в ходе вегетации растений и способов отбора материала для исследований. Очевидно, что изучение танидопродуктивности именно растущих побегов может более существенно отражать изменения состава и уровня накопления полифенольных соединений, происходящие в растениях во время развития и роста.
Среди исследованных видов наиболее высоким содержанием танидов в коре ветвей в начале и в конце вегетации выделялись ивы S.triandra f.discolor (15.2 - 15.4 %), S.aurita (15.2 - 12.5 %), S.triandra f.concolor (12.3 - 15.7 %), S.viminalis (11.9 - 13.6%), S.caudata (11.4 - 12.9%), S.udensis (10.3 - 10.6%). Пониженное по сравнению с литературными данными содержание танидов в коре S.cinerea, очевидно, связано с произрастанием исследуемых растений в условиях водораздела с соответствующими почвами, не являющимися оптимальными для данного вида.
Исследована динамика накопления танидов в коре ветвей мужских и женских клонов для каждого вида ивы с сохранением межвидовых различий как по общему содержанию, так и по изменению данных в зависимости от сроков отбора сырья. Эти результаты отражены в табл.12 и на рис.6. Согласно полученным данным, существенных межполовых отличий по содержанию танидов в начале вегетационного сезона у видов и форм ивы не было, однако к концу вегетации и в период массового листопада выявлено определенное расхождение по изучаемому признаку. Следует отметить, что для растений как женского, так и мужского пола S. triandra f.concolor в период вегетации - активного роста побегов характерно резкое снижение уровня содержания танидов (примерно на 50 %) по сравнению с началом вегетации. В этом проявились отличия между формами S.triandra, так как содержание танидов в коре S. triandra /.discolor в процессе роста и развития растений снижалось в летний период незначительно. Не были установлены общие закономерности межполовых различий: у части видов в конце вегетации более высокое содержание танидов проявилось при анализе образцов коры ветвей растений женского пола, у остальных либо различия были недостоверны, либо показатели накопления танидов оказались несколько выше в образцах коры, отобранных с мужских растений.
