ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2013, № 3, с. 309-314
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ =
УДК 581.135.51-292.94
О ВЗАИМОСВЯЗИ ВЫХОДА И СОСТАВА ЭФИРНОГО МАСЛА И УРОВНЯ САЛИЦИЛОВОЙ КИСЛОТЫ У РАСТЕНИЙ МЯТЫ НА РАЗНЫХ ЭТАПАХ ОНТОГЕНЕЗА
© 2013 г. О. В. Шелепова, В. В. Кондратьева, Т. В. Воронкова, Л. С. Олехнович
Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН, 127276Москва, Ботаническая ул., 4 E-mail: @lab-physiol@mail.ru Поступила в редакцию 12.05.2012 г.
Изучали динамику содержания салициловой кислоты, выхода и качественного состава эфирного масла у растений мяты сорта Медичка и вида Mentha spicata L. в процессе онтогенеза растений с учетом изменения погодных условий. Установлено схожее изменение уровня салициловой кислоты в тканях листьев сорта Медичка и M. spicata в процессе онтогенеза. У сорта оно сопряжено с динамикой продуцирования и качественного состава эфирного масла. У M. spicata эта взаимосвязь менее выражена. Обсуждается роль салициловой кислоты и эфирного масла в адаптации растений к условиям внешней среды.
DOI: 10.7868/S0002332913020136
Растения рода Mentha продуцируют эфирное масло, состоящее из летучих органических компонентов (ЛОК) — веществ которые могут легко переходить в газообразное состояние при температуре воздуха выше оптимального для растения уровня и создавать особую атмосферу вокруг растения (Spinelli et al., 2011). В состав этих веществ входят изопрен, монотерпены, сесквитерпены и другие терпеноиды, жирные кислоты, фенилпро-пиноиды, производные салициловой кислоты (Holopainen, Gershenzon, 2010). Эколого-физио-логическая функция ЛОК заключается в аллело-патическом взаимодействии с другими растениями и привлечении или отпугивании насекомых (Ibrahim, Hassinen, 2010). Кроме того, ЛОК играют важную роль в защите растений от абиотических и биотических стрессов (Holopainen, Gershenzon, 2010; Ibrahim, Hassinen, 2010). Интенсивность выделения этих веществ зависит от вида растения, органа, стадии онтогенеза и внешних условий. Абиотические факторы внешней среды (температура, влажность, засоление, наличие тяжелых металлов, интенсивность освещения и др.) имеют особенно большое значение для эмиссии ЛОК из вегетативных частей растений, причем ведущую роль здесь играет температура. Выброс ЛОК в ответ на различные стрессы можно рассматривать как часть программного ответа растений на нейтрализацию негативных последствий стресса. Большинство ЛОК являются продуктами деградации клеточных стенок и мембран и могут быть элиситорами для запуска протекторных механизмов (Stevovich et al., 2011). Изопрен, монотерпены, сесквитерпены потенциально способны
нивелировать абиотические стрессы, в том числе и тепловые. Защитный эффект этих веществ определяется их противодействием окислительному стрессу, к которому приводит нарушение окислительно-восстановительного гомеостаза клетки под действием неблагоприятных факторов среды (Loreto, Schnitzler, 2010; Spinelli et al., 2011; Stevovid et al., 2011). Одним из стимуляторов устойчивости растений к стрессам является регулятор роста фенольной природы салициловая кислота (СК). Изменение температуры окружающей среды играет важную роль в образовании производного СК метилсалицилата, который является ключевым эндогенным сигналом, работающим как медиатор экспрессии генов защитного ответа на стресс (Scott, Dat, 1999). СК способствует антиоксидантной защите, причем включается неспецифический антиоксидантный механизм. Уровень эндогенной СК повышается при стрессе и сопряжен с уровнем активного кислорода (Yang et al., 2004). Экзогенные обработки СК помогают растениям восстановиться от теплового шока, при этом увеличивается их фотосинтетическая активность, снижается перекисное окисление ли-пидов и стабилизируются мембраны клеток (Loreto, Schnitzler, 2010; Joseph et al., 2010). Продуцирование секреторными железами мяты эфирного масла является частью ответной реакции протекторной системы растений на абиотический, в первую очередь температурный, стресс. Около 90% состава эфирного масла мяты представлено монотерпеноидами и монотерпенами, которые по своей роли в метаболизме растения схожи с метилсалицилатом. Испарение летучих
компонентов масла корректирует влажность и температуру воздуха в среде, непосредственно окружающей каждое растение мяты, стабилизируя среду обитания растений, что позволяет нормализовать интенсивность фотохимических и биохимических реакций в тканях. Интенсивность эмиссии ЛОК эфирного масла сорто- и видоспе-цифично и зависит от стадии онтогенеза растения. В ряде работ есть указания на связь уровня эндогенной СК и обработок экзогенной СК с общим выходом и качественным составом эфирного масла (Gharib, 2010; Rowshan et al, 2010).
Цель работы — выявление взаимосвязи уровня СК и образования эфирного масла у сорта и вида мяты, а также определение динамики качественного состава эфирного масла в зависимости от стадии развития растения.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследовали сорт мяты Медичка, полученный при гибридизации Mentha arvensis L. и Mentha piperita L. (ареал распространения исходных видов от южного до северного регионов европейской части России) и природную форму Mentha spicata L. (распространен в основном в Средиземноморском регионе, в России — только на побережье Черного моря). Растения выращены из укорененных черенков на экспериментальном участке ЛФиБР ГБС РАН в 2010 г. Опыт проведен в 2011 г.
Для анализа брали листья с растений мяты второго года вегетации в фазу вегетативного растения, массового цветения и отцветания. На листьях подсчитывали число и размеры секреторных железок на нижней и верхней стороне листа. Подсчет числа и определение размера секреторных железок проводили на двадцати полностью сформировавшихся листьях 12—14 ярусов от верхней части побегов в каждом варианте опыта по ранее опубликованной методике (Воронкова, Шелепова, 2011).
Эфирное масло получали методом гидродистилляции (Гинзберг, 1932). На основании учета соотношения числа и размера секреторных железок листа и объема полученного эфирного масла вычислено процентное содержание газообразной и жидкой фракции эфирного масла в вегетативную фазу и фазу массового цветения мяты. Качественный анализ эфирного масла проводили на базе сервисной лаборатории комплексного анализа химических соединений кафедры физической и органической химии РГАУ—МСХА им. К.А. Тимирязева методом хромато-массспек-трометрии на аналитическом комплексе Clarus 600M фирмы "Perkin Elmer" (США) (ГХ капиллярная колонка Elite Wax (США) — 60 м х х 0.32 мм х 0.5 мк; газ-носитель гелий — 1 мл/мин, объем пробы — 0.5 мкл, деление
потока — 1/50; температурный режим термостата колонки: 60°С — 5 мин, 3 мин до 195°С, изотерма — 15 мин; t инжектора — 230°С; детекторы пламенно-ионизационные (230°С) и масс-спектрометрический детектор (одновременно); режим масс-спектрометрии: энергия ионизации — 70 эВ, температура интерфейса — 210°С, температура источника — 180°С.
Для определения содержания свободной СК навеску свежего растительного материала фиксировали при температуре —60°С. Экстракцию проводили 80-градусным этанолом при 5°С по модифицированной в лаборатории методике (Кондратьева и др., 2006), экстракт чистили методом тонкослойной хроматографии. На заключительном этапе использовали метод жидкостной хроматографии высокого давления (Аквилон, Россия), колонка с обращенной фазой RP—18 Luna (Phenomenex, США) при спектрометрическом детектировании при 280 нм по внешнему стандарту. Математическая обработка полученных результатов выполнена по программе Мультихром.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Основную часть эфирного масла составляют летучие органические соединения, легко переходящие в газообразное состояние при повышении температуры окружающей среды. В связи с этим были учтены изменения подекадной суммы эффективных температур с мая по сентябрь 2011 г. и проведено сравнение этих параметров со сред-немноголетними по данным метеостанции Всероссийского выставочного центра (Москва). Установлено, что в вегетативную фазу развития растений мяты (25 июня) сумма эффективных температур превышала среднемноголетнюю более чем на 50°С, в фазу массового цветения (сорт Медичка — 26 июля, M. spicata — 14 июля) — почти на 150°С, а в фазу отцветания была близка к средней многолетней (рис. 1).
С учетом литературных данных и результатов более ранних исследований, проведенных в лаборатории (Белынская и др., 1994; Кириченко, 2008; Шелепова и др., 2011) установлено, что максимальное содержание эфирного масла у растений мяты всех изученных сортов и видов приходится на фазы бутонизации и цветения. В нашем опыте у сорта Медичка и у M. spicata эта закономерность сохранилась, но при этом отмечен ряд особенностей. У сорта содержание эфирного масла выросло на 20%, а у M. spicata — только на 14%. В фазу отцветания выход эфирного масла у вида почти не изменился, а у сорта снизился, хотя и незначительно, на 3—6%. В фазе цветения у изученных растений отмечено увеличение размеров секреторных желез как на верхней, так и на нижней сторонах листа (табл. 1). Их плотность на 1 см2 у M. spicata возрастает на обеих сторонах листа, а у
О ВЗАИМОСВЯЗИ ВЫХОДА И СОСТАВА ЭФИРНОГО МАСЛА 311
t, °C
I II III I II III I II III I II III I II III
Май Июнь Июль Август Сентябрь
Рис. 1. Сумма подекадных эффективных температур в московском регионе за 2011г. (1) и средняя многолетняя (2).
сорта Медичка только на верхней. Плотность этих структур в фазу вегетации выше у сорта, чем у природной формы на обеих сторонах листа, а при цветении только на верхней. При сравнении вида и сорта по размерам секреторных желез различия были минимальные как в фазу вегетации, так и при цветении (табл. 1). Кроме листьев аналогичные железистые структуры развиваются на венчике и чашечке цветка. Это позволяет аргументировать максимальное продуцирование эфирного масла в наиболее важную для растений фазу жизненного цикла — цветение.
В вегетативную фазу онтогенеза мяты газообразная фракция ЛОК составила у сорта 69%, а у М. зр1еШа — 87% (табл. 2). В эту же фазу развития у растений сорта Медичка содержание мажорных монотерпенов (ментол, ментон, из
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.