Preliminary results of spectrophotometric screening of secondary metabolites accumulation in lichen thalloms

Cover Page

Cite item

Abstract

This paper discusses the influence of biotopic conditions on the secondary compounds accumulation in lichen thalloms. Secondary metabolites inherent in the metabolism of various groups of organisms are widely represented in symbiotic organisms – lichens, with a significant number of these compounds being phenolic derivatives. The authors of the paper present the results of spectrophotometric scanning of alcohol extracts from lichen thalloms of three species: Xanthoria parietina (L.) Belt., Parmelia sulcata Tayl., Vulpicida pinastri (Scop.) J.-E. Mattsson & M.J. Lai, sampled in different forest communities of the Krasnosamarsky forest (Samara Region), in 9 plots, where plant communities were fragments of natural forests (birch, aspen, linden, oak) and forest stands. Forest communities differed in their position in the relief, the composition of the arboreal stage, associated with the height and closeness of the plantations to microclimate conditions. The extracts obtained by infusion of 96% ethanol samples were analyzed using the AZURA UV / VIS UVD 2.1 L detector (190–750 nm, Knauer) in the laboratory of Chemistry Department of Samara University to obtain absorption spectra in the UV region using the ClarityChrom program. The study can be considered as an initial stage of bioecological screening, which makes it possible to ascertain the dependence of the secondary metabolites accumulation on habitat parameters in relation to the conditions of forest ecosystems in different parts of the Samara Region. The spectrophotometric study of the extracts demonstrated the presence of species-specific features of the spectra, indicating the differences in the qualitative composition of the extracts. For extracts obtained from samples of lichens were found spectra differences: quantitative – for all the species, and also qualitative – for Xanthoria parietina and Vulpicida pinastri extracts, related to qualitative and quantitative differences in the accumulation of secondary metabolites. These differences are presumably associated with differences in the biotopic conditions of growth of the thalli of the three studied lichen species.

Full Text

Лишайники как специфическая форма симбиотических организмов, сформированная взаимодействием гриба (микобионт) и фотосинтетического партнера (фикобионт, в качестве которого выступают водоросли либо цианобактерии), представлены в различных типах экосистем более чем 20 000 идентифицированных видов [1; 2]. Они являются распространенным компонентом природных и антропогенно трансформированных экосистем, обитают на коре, стволах и листьях деревьев, почве, а также осваивают местообитания, малопригодные для высших растений [3]. Для Самарской области видовое разнообразие лишайников, по настоящим оценкам, определяется показателем свыше 350 [4]. При этом частота встречаемости отдельных видов неодинакова – при наличии исключительно редких таксонов [5] встречаются и повсеместно распространенные в различных типах лесонасаждений. Для последних, характеризующихся значительной экологической пластичностью, интересным моментом представляется способность адаптироваться к условиям местообитания, в том числе изменять метаболическую активность, синтезируя вторичные метаболиты.

Вторичные соединения, которые считаются не участвующими непосредственно в основном обмене веществ, обнаружены у тысяч видов высших растений, различных групп животных, грибов [6]. Только в растениях идентифицировано более 100 тыс. индивидуальных соединений вторичного метаболизма, ежегодно к ним добавляются десятки новых [7]. Вторичные соединения, значение которых обнаруживается на уровне организма, но не клетки, участвуют в осуществлении различных экологических функций в качестве хемоэффекторов.

Вторичные метаболиты лишайников, формируемые микобионтом, относятся к различным классам соединений, в том числе – депсидам, депсидонам, дибензофуранам, ксантонам, производным терпенов и пр. [8; 9]. Как и у высших растений, в талломах лишайников высоким разнообразием характеризуется группа фенольных соединений, специфичных для микобионта многих видов лишайников и не свойственных другим организмам [10]. Наиболее распространенными среди них считаются усниновая кислота, депсиды, депсидоны и антрахиноны. В структуре депсидов и депсидонов обнаружены фрагменты полизамещенных фенолов или фенолкарбоновых кислот, находящихся в различных комбинациях. Большинство лишайниковых веществ нерастворимо или слаборастворимо в воде [11]. Кроме того, лишайники являются источником ферментов, полисахаридов, жирных кислот, обладающих значительным фармакологическим потенциалом [11; 12]. Лишайниковые вещества обнаруживают широкий спектр биологических эффектов, включая антибиотические, антимитотические, противовирусные, противовоспалительные, обездоливающие, жаропонижающие, антипролиферативные и цитотоксические [13–15]. На долю вторичных соединений в талломах лишайников может приходиться до 5% [16], по другим источникам – до 20% сухой массы [17]. Сведения о числе идентифицированных лишайниковых вторичных метаболитов неоднозначны, в силу их продолжающегося изучения.

Вопрос о влиянии биотопических условий на синтез и накопление вторичных метаболитов лишайников активно разрабатывается. Имеются сведения о зависимости накопления органических метаболитов в лишайниках от различных абиотических факторов среды: освещенности, температуры, влажности [18; 19], а также от комплекса биотопических условий. Так, для Центральной Якутии было показано, что содержание лишайниковых кислот в талломах лишайников зависело от типа соснового леса, в котором они были отобраны [20]. Установленные различия, по мнению авторов, могут объясняться как действием абиотических факторов среды (свет, температура, влажность), так и конкуренцией со стороны других видов растений. Для условий лесостепи-степи, в том числе Самарской области, вопрос о влиянии биотопа на накопление вторичных метаболитов лишайниками нельзя считать изученным. Данная работа представляет полученные нами предварительные итоги спектрофотометрического скрининга вторичных метаболитов в талломах лишайников Xanthoria parietina (L.) Belt., Parmelia sulcata Tayl., Vulpicida pinastri (Scop.) J.-E. Mattsson & M.J. Lai., распространенных в лесных экосистемах Самарской области.

Материалы и методы исследований

Пробы талломов лишайников трех видов – Xanthoria parietina (L.) Belt., Parmelia sulcata Tayl., Vulpicida pinastri (Scop.) J.-E. Mattsson & M.J. Lai были отобраны в летний период 2016 г. в Красносамарском лесном массиве (долина р. Самары, Кинельский р-н Самарской области) на 9 пробных площадях, растительные сообщества которых представляли собой фрагменты естественных лесов – березняков (пробные площади 24, 8б), осинников (пробные площади 8, 21), липняков (пробные площади 8а, 6а), дубрав (пробные площади 20, 25) и одного искусственного ельника (пробные площади е1). Названные сообщества различались по биотопическим условиям: положению в рельефе, составу древесного яруса, связанным с высотой и сомкнутостью насаждений микроклиматическим условиям (освещенностью, влажностью воздуха и пр.). Образцы талломов лишайников снимали со стволов с верхним слоем коры и помещали в этикетированные бумажные пакетики. В лабораторных условиях восходящие лопасти таллома отделяли от субстрата и от его фрагментов, высушивали до воздушно-сухого состояния, измельчали вручную до частиц размером 1–3 мм. Навески по 20 мг подготовленного материала экстрагировали 10 мл 96% этанола путем настаивания при комнатной температуре в темноте в течение 2 недель. Полученные экстракты сливали путем декантации и анализировали с использованием детектора AZURA UV/VIS UVD 2.1 L (190–750 нм, Knauer) в лаборатории кафедры химии Самарского университета для получения спектров поглощения в УФ-области с помощью программы ClarityChrom. Пробы объемом 20 мкл вводили непосредственно в ячейку детектора прибора. Полученные результаты анализировали, используя пакет Excel.

Результаты и их обсуждение

В изучении вторичных метаболитов лишайников широко используются современные инструментальные аналитические методы, в том числе хроматография и спектрофотометрия. Физической основой спектрофотометрического определения веществ является избирательное поглощение их растворами монохроматического света, а само поглощение обусловливается электронными переходами с орбиты донорного заместителя на вакантную орбиту бензольного кольца или акцепторного заместителя [21]. Распространенные среди вторичных метаболитов фенольные соединения характеризуются наличием в УФ-области спектра двух интенсивных полос поглощения в длинноволновой области: для флавоноидов 320–380 нм (I полоса) и в коротковолновой 240–270 нм (II полоса), для флавонолов 350–390 нм и 250–270 нм соответственно, дополнительный максимум при 300 нм. Другие источники указывают для флавоноидов в УФ–спектре характерные них максимумы поглощения в областях 250–270 нм и 330–370 нм [22–24]. На данном этапе нашего исследования было принципиально важно получить ответ на вопрос: имеются ли количественные либо качественные различия в накоплении вторичных метаболитов талломами лишайников в зависимости от видовой принадлежности и/или биотопических условий произрастания. Для получения ответа в качестве метода скрининга было избрано спектрофотометрическое сканирование экстрактов без предварительного разделения, которое позволило нам оперативно получить необходимую информацию. Показания прибора, относящиеся к результатам изучения каждого из трех видов лишайников для образцов, собранных в разных лесных биотопах, были использованы для построения спектров, которые мы для удобства разделили на две спектральные области (рис. 1, 2).

Для спектральной области 250–350 нм, в которой предположительно могли быть обнаружены два названных выше максимума поглощения, соответствующие фенольным соединениям, три изучаемых вида лишайников обнаружили разную картину спектров и продемонстрировали заметные особенности для экстрактов из различных лесных биотопов. Так, для спиртовых экстрактов из талломов Xanthoria и Vulpicida мы отметили неодинаковую выраженность пиков в областях 250–290 и 290–330 нм – от максимальной выраженности (Кс20) до практического отсутствия (Кс24), а также в области 290–330 нм.

 

Рисунок 1 – Сравнение спектров поглощения спиртовых экстрактов из талломов лишайников, собранных в различных биотопических условиях Красносамарского леса (спектральная область 250–350 нм)

 

Рисунок 2 – Сравнение спектров поглощения спиртовых экстрактов из талломов лишайников, собранных в различных биотопических условиях Красносамарского леса (спектральная область 350–500 нм)

 

В целом же, анализируя особенности картины спектров для трех изучавшихся видов, мы можем указать, что в области 250–350 нм экстракты Parmelia sulcata обнаруживали исключительно количественные различия по выраженности (высоте) кривых, что можно интерпретировать как различный уровень накопления одних и тех же соединений. Для Xanthoria parietina различия затрагивали и качественный состав, и уровень накопления вторичных метаболитов. У Vulpicida pinastri один из всех проанализированных экстрактов отличался по картине спектра, имея выраженный пик с максимумом 263 нм, все прочие отличались количественно (по высоте кривых). В области 350–500 нм экстракты трех изучавшихся лишайников демонстрировали исключительно количественные различия, которые были максимально выражены у Xanthoria, минимально – у Parmelia.

Таким образом, на данном этапе исследования для произрастающих в лесных сообществах в степной зоне лишайников Xanthoria parietina, Parmelia sulcata и Vulpicida pinastri с помощью спектрофотометрического скрининга спиртовых экстрактов подтверждена способность изменять накопление вторичных метаболитов в зависимости от тонких биотопических различий местообитания. Мы предполагаем, что в первую очередь подобными действующими факторами могут являться флуктуирующие уровни освещенности и влажности, и в дальнейшем проверим данное предположение, сопоставляя данные скрининга с детальной многофакторной оценкой биотопических условий произрастания тестируемых лишайников.

×

About the authors

Maria Vladimirovna Gorina

Samara National Research University

Email: gorina.mariya2011@yandex.ru

postgraduate student of Ecology, Botany and Nature Protection Department

Russian Federation, Samara

Lyudmila Mikhailovna Kavelenova

Samara National Research University

Author for correspondence.
Email: lkavelenova@mail.ru

doctor of biological sciences, professor, head of Ecology, Botany and Nature Protection Department

Russian Federation, Samara

Svetlana Alexandrovna Platonova

Samara National Research University

Email: svetlanrychkov@yandex.ru

assistant of Chemistry Department

Russian Federation, Samara

References

  1. Bates S.T., Cropsey G.W., Caporaso J.G., Knight R., Fierer N. Bacterial communities associated with the lichen symbiosis // Appl. Environ. Microbiol. 2011. Vol. 77. P. 1309-1314.
  2. Kosanic M., Manojlovic N., Jankovic S., Stanojkovic T., Rankovic B. Evernia prunastri and Pseudoevernia furfuraceae lichens and their major metabolites as antioxidant, antimicrobial and anticancer agents // Food and Chemical Toxicology. 2013. Vol. 53. P. 112-118.
  3. Vrablikova H., McEvoy M., Solhaug K.A., Bartak M., Gauslaa Y. Annual variation in photoacclimation and photoprotection of the photobiont in the foliose lichen Xanthoria parietina // J. Photoch. Photobio. 2006. Vol. 83. P. 151-162.
  4. Государственный доклад о состоянии окружающей среды и природных ресурсов Самарской области за 2015 год. Выпуск 26. Самара, 2016. 296 с.
  5. Корчиков Е.С. Лишайники Самарской Луки и Красносамарского лесного массива. Самара: Изд-во «Самарский университет», 2011. 320 с.
  6. Запрометов М.Н. Основы биохимии фенольных соединений. М.: Высшая школа, 1974. 213 с.
  7. Хелдт Г.-В. Биохимия растений. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 471 с.
  8. Kosanic M., Manojlovic N., Jankovic S., Stanojkovic T., Rankovic B. Evernia prunastri and Pseudoevernia furfuraceae lichens and their major metabolites as antioxidant, antimicrobial and anticancer agents // Food and Chemical Toxicology. 2013. Vol. 53. P. 112-118.
  9. Manojlovic N.T., Vasiljevic P.J., Maskovic P.Z., Juskovic M., Bogdanovic-Dusanovic G. Chemical composition, antioxidant and antimicrobial activities of lichen Umbilicaria cylindrica (L.) Delise (Umbilicariaceae) // Evid. Based Complement. Alternat. Med. 2012. P. 1-8.
  10. Shukla V., Joshi G.P., Rawat M.S.M. Lichens as a potential natural source of bioactive compounds: a review // Phytochem. Rev. 2010. Vol. 9. P. 303-314.
  11. Huneck S., Yoshimura I. Identification of lichen substances. Berlin-Heidelberg-New York: Springer Verlag, 1996. 493 p.
  12. Boustie J., Tomasi S., Grube M. Bioactive lichen metabolites: alpine habitats as an untapped source // Phytochemistry Rev. 2011. Vol. 10. P. 287-307.
  13. Luo H., Ren M., Lim K.M., Koh Y.J., Wang L.S., Hur J.S. Antioxidative activity of lichen Thamnolia vermicularis in vitro // Mycobiology. 2006. Vol. 34. P. 124-127.
  14. Kosanic M., Rankovic B., Stanojkovic T. Antioxidant, antimicrobial and anticancer activity of 3 Umbilicaria species // J. Food Sci. 2012. Vol. 77. P. 20-25.
  15. Molnar K., Farkaˇs E. Current results on biological activities of lichen secondary metabolites: a review // Zeitschrift fur Naturforschung. 2010. Vol. 65. P. 157-173.
  16. Щербакова А.И., Коптина А.В., Канарский А.В. Биологически активные вешества лишайников // Известия вузов. Лесной журнал. 2013. № 3. С. 7-16.
  17. Загоскина Н.В., Николаева Т.Н., Лапшин П.В., Заварзин А.А., Заварзина А.Г. Водорастворимые фенольные соединения у лишайников // Микробиология. 2013. Т. 82, № 4. С. 434-441.
  18. Равинская А.П., Вайнштейн Е.А. Влияние некоторых экологических факторов на содержание лишайниковых веществ // Экология. 1975. № 3. С. 82-85.
  19. Rundel P.W. Ecological role of secondary lichen substances // Biochemical Systematics and Ecology. 1978. Vol. 6. P. 157-170.
  20. Прокопьев И.А., Порядина Л.Н., Филиппова Г.В., Шеин А.А. Содержание вторичных метаболитов в лишайников сосновых лесов Центральной Якутии // Химия растительного сырья. 2016. № 3. С. 73-78.
  21. Федосеева Г.М., Мирович В.М., Горячкина Е.Г., Переломова М.В. Фитохимический анализ растительного сырья, содержащего флавоноиды. Методическое пособие по фармакогнозии. Раздел: Химический анализ лекарственных растений. Иркутск, 2009. 67 с.
  22. Andersen Q.M., Markham K.K. Flavonoids: Сhemistry, Biochemistry and Applications. CRC press Taylor & Group, 2006. 1197 p.
  23. Дренин А.А. Флавоноиды и изофлавоноиды трех видов растений родов Trifolium L. и Vicia L.: автореф. дис. … канд. хим. наук. Сургут, 2008. 24 с.
  24. Лобанова И.Ю., Турецкова В.Ф. Выделение и изучение состава флавоноидов листьев осины обыкновенной // Химия растительного сырья. 2011. № 2. С. 117-122.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. Figure 1 - Comparison of absorption spectra of alcoholic extracts from lichen thalli collected in different biotopic conditions of the Krasnosamar forest (spectral region 250-350 nm)

Download (126KB)
2. Figure 2 - Comparison of absorption spectra of alcoholic extracts from lichen thalli collected in different biotopic conditions of the Krasnosamar forest (spectral region 350-500 nm)

Download (125KB)

Copyright (c) 2017 Gorina M.V., Kavelenova L.M., Platonova S.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies