= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ =
УДК 581.1
ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ФЕНОЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ У ЛИШАЙНИКОВ
© 2013 г. Н. В. Загоскина*, Т. Н. Николаева*, П. В. Лапшин*, А. А. Заварзин**, А. Г. Заварзина***, 1
*Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва **Санкт-Петербургский государственный университет, биолого-почвенный факультет ***Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет почвоведения
Поступила в редакцию 04.06.2012 г.
В работе исследованы количество и, у отдельных видов, качественный состав фенольных соединений (ФС), вымываемых водой из ненарушенных талломов лишайников порядков Peltigerales (роды Peltigera, Solorina и Nephroma) и Lecanorales (роды Cladonia, Aleatoria, Cetraria). Установлено, что количество экстрагируемых водой ФС в пельтигеровых лишайниках было в среднем в 2—3 раза больше, чем в лекано-ровых. При этом, извлекаемость ФС из целых талломов водой была выше в леканоровых лишайниках, чем в пельтигеровых и составляла, соответственно, 48—88% и 34—70% от содержания ФС в этанольных экстрактах из измельченных талломов (т.е. общего содержания растворимых ФС). Установлено, что водорастворимые ФС лишайников Peltigera aphthosa, Solorina crocea, Cetraria islandica, Flavocetraria nivalis, Cladonia uncialis и Cladonia arbuscula представлены 7—12 соединениями фенольной природы, качественный состав которых близок у видов, относящихся к одному порядку. Большая часть водорастворимых ФС относится к фенилпропаноидам. У всех исследованных видов установлено наличие производных п-оксибензойной кислоты, у цетрарий обнаружены производные ванилиновой кислоты, а у кладоний — протокатеховой.
Ключевые слова: лишайники, фенольные соединения, фенольные метаболиты, фенолкарбоновые кислоты, почвообразование.
DOI: 10.7868/S0026365613030166
Лишайники представляют собой симбиотиче-ские ассоциации гриба (обычно аскомицета) и фотобионта, которым может быть водоросль (например, Trebouxia) и/или цианобактерия (обычно Nostoc). Благодаря ряду морфологических и биохимических приспособлений, лишайники способны переносить высушивание, повышенную солнечную радиацию, резкие перепады температур, быстро восстанавливая метаболическую активность [1, 2]. Наряду с цианобактериями, водорослями и микроскопическими грибами лишайники относятся к пионерной напочвенной и литофильной микрофлоре, в ксерофитных местообитаниях они являются предшественниками мохообразных и высших растений. В современной биосфере лишайники доминируют примерно на 6—8% суши, в местообитаниях, характеризующихся суровыми климатическими условиями (например, тундрах, высокогорьях), т.е. там, где высшие растения не образуют значительной биомассы. Однако в прошлом покров лихенизиро-ванных грибов мог распространяться значительно шире. Считается, что альго-мико-бактериаль-
1 Автор для корреспонденции (e-mail: zavarzina@mail.ru).
ные сообщества, в том числе и симбиотические, господствовали в растительном покрове суши в течение около 1 млрд. лет до появления высших растений в раннем девоне [3—5], что предполагает ведущую роль этих организмов в формировании первичного растительного и почвенного покрова и становлении наземных экосистем.
Одной из важнейших функций лишайников, связанных с процессами первичного почвообразования, считается трансформация (выветривание) минерального субстрата с образованием мелкозема и вторичных минералов [6]. Лишайники разрушают минеральный субстрат за счет физического воздействия (проникновения гиф мико-бионта), а также в результате выделения простых органических кислот (щавелевой, лимонной) и специфических лишайниковых веществ (депсидов, депсидонов и др.), растворяющих породообразующие минералы посредством кислотной атаки и образования растворимых комплексов. Не менее важной может быть роль лишайников в формировании органической части почв, т.е. в образовании гумуса и его специфических соединений — гумино-вых и фульвокислот, во многом обусловливающих плодородие почв и их функции в биосфере. Гумусо-
вые кислоты — это темноокрашенные азотсодержащие соединения, образующиеся в процессе окислительной трансформации органических остатков микроорганизмами. Они устойчивы к биодеградации, накапливаются в почвах и представляют собой долговременный сток атмосферной СО2 со средним временем пребывания до п х 103 лет. Ключевыми предшественниками гумусовых кислот являются высокомолекулярные (лигнин, меланины) и низкомолекулярные (простые фенолы, фенольные кислоты, фенил-пропаноиды, антрахиноны, флавоноиды) фенольные соединения (ФС). Они окисляются до фенокси-радикалов и хинонов внеклеточными грибными оксидоредуктазами (лакказами, тиро-зиназами, пероксидазами) и вступают далее в спонтанные реакции конденсации с азотсодержащими соединениями, углеводами, липидами и др. с образованием гетерогенных и полидисперсных макромолекул [7]. Однако роль лишайников как гумусообразователей практически не изучена, и работы в этой области единичны [8, 9].
Как следует из вышеизложенного, для процессов первичного почвообразования большое значение могут иметь фенольные метаболиты лишайников, поскольку для этих соединений характерны реакции комплексообразования, адсорбционное взаимодействие с почвенными минералами и окисление с образованием гуминовых веществ. Наиболее изученными ФС лишайников являются так называемые "лишайниковые вещества" в связи с их возможной физиологической ролью в лишайниках и биологической активностью [10]. Это сборная группа фе-нольных соединений, продукция которых специфична для микобионта многих видов лишайников и не встречается у других организмов [11, 12]. "Лишайниковые вещества" составляют 1—5%, редко до 20% сухой массы лишайников, наиболее распространенными среди них являются усниновая кислота, депсиды, депсидоны и антрахиноны. В структуре депсидов и депсидонов обнаружены фрагменты полизамещенных фенолов или фе-нолкарбоновых кислот, находящихся в различных комбинациях. Большинство лишайниковых веществ нерастворимо или слаборастворимо в воде [13], что должно ограничивать их участие в процессах почвообразования. Данных же по накоплению и качественному составу водорастворимых ФС, в том числе фенилпропаноидов, в лишайниках крайне мало.
Одним из классических методов оценки общего содержания растворимых полифенолов в растительных тканях является их экстракция из измельченного материала этанолом [14, 15]. Нами показано, что в измельченных лишайниках содержится значительное количество этанолрас-творимых ФС, причем накопление этих соединений у лишайников порядка Peltigerales (роды РеШ-
gera, Solorina, Nephroma) было в большинстве случаев в 3—4 раза выше по сравнению с представителями порядка Lecanorales (роды Cladonia, Cetraria, Flavocetraria) [16]. Интересен тот факт, что пельтигеровые лишайники, в отличие от лекано-ровых, содержат крайне мало специфических "лишайниковых веществ", но обладают высокой лакказной и тирозиназной активностями [17— 19]. Таким образом, содержание этанолраствори-мых ФС в изученных видах лишайников обратно коррелирует с наличием "лишайниковых веществ" [13] и находится в прямой зависимости от наличия лакказ [16].
Среди растворимых ФС лишайников большой интерес представляют соединения, способные вымываться из живых талломов атмосферными осадками или талыми водами, поскольку они в первую очередь вовлекаются во внеклеточные процессы.
Целью работы было изучение общего содержания и качественного состава ФС, вымываемых водой из целых талломов лишайников, распространенных или доминирующих в растительном покрове тундр.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования служили 24 вида лишайников, относящихся к порядкам Peltigerales (роды Peltigera, Solorina, Nephroma, Lobaria) и Lecanorales (роды Cladonia, Cetraria, Flavocetraria, Alectoria). Они были собраны на Кольском полуострове (Мурманская обл., Хибины) и воздушно высушены. Для проведения исследований использовали целые фрагменты талломов лишайников размером 1—3 см.
Экстракция водорастворимых ФС из лишайников и их количественный анализ. ФС извлекали из целых талломов лишайников, используя дистиллированную воду в качестве экстрагента. Соотношение вода : таллом (о/в) составляло 10 : 1 или 5 : 1, экстракцию проводили при 30°С в течение часа при периодическом перемешивании. После охлаждения смесь центрифугировали (7000 об/мин, 5 мин) и надосадочную жидкость использовали для определения суммарного содержания водорастворимых ФС с реактивом Фолина-Дениса [20, 21]. Количество ФС выражали в мг п-окси-бензойной кислоты/г сухой массы. Эксперименты проводили в 3—5 биологических и 2—3 аналитических повторностях. В таблицах представлены средние арифметические значения определений и их стандартные отклонения.
Качественный состав водорастворимых ФС в лишайниках. Исследование качественного состава ФС водных экстрактов, полученных из целых талломов лишайников, проводили методом хроматографии в тонком слое (0.25 мм) порошкооб-
Rf 1.0-
0.5 -
1 2 3 4 5 6
■«мня < ГС'ГОЩРГГ"—Щ/рИТт" I
1 н
t %
• ft
ft Ф Ш А
1 ft • ft •
• • • f ft •
# f ft |
ф ft
4P
в * Л &
Рис. 1. Хроматограмма водных экстрактов из целых талломов лишайников P. aphthosa (1), S. crocea (2), C. islandica (3), F. nivalis (4), Cl. arbuscula (5), C. un-cialis (6).
разной микрокристаллической целлюлозы ("Fe-rak", Германия) в системе растворителей н-бута-нол/уксусная кислота/вода в соотношении 4 : 1 : 5 (верхняя фаза) [22, 23].
Предварительную идентификацию ФС по специфической ярко-голубой или синей флуоресценции в УФ-свете (длины волн 254 и 366 нм) проводили на ультрахемископе DESAGA UVIS ("DESAGA", Голландия). Использовали также качественные реакции на ФС, опрыскивая хрома-тограммы смесью 1%-ных водных растворов FeCl3 и K3[Fe(CN)6] (на все классы ФС); диазоти-рованным п-нитроанилином и 20% раствором Na2CO3 (на фенолкарбоновые кислоты) [14]. В качестве стандартов-метчиков использовали фенолкарбоновые кислоты — я-оксибензойную, ванилиновую, протокатеховую, галловую и сиреневую ("Sigma", USA), а также лишайниковые кислоты — антранорин, усниновую и гирофоровую.
Для изучени
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.