The flavonoids content in the fruits of some woody introduced species grown in the Botanical Garden of Samara University

Full Text

Введение

Известно, что растения используют как конститутивные (присутствующие постоянно), так и индуцируемые (активируемые внешним фактором) структурно-функциональные признаки, для того чтобы выдерживать неблагоприятные биотические или абиотические условия и взаимодействовать с опылителями. При этом конститутивные химические, а также некоторые физические признаки могут быть постоянными или изменять свое проявление в зависимости от стадии развития, возраста растения или других физиологических факторов. Более того, химические вещества, участвующие во взаимодействиях растений, синтезируются ими как в результате первичного, так и вторичного метаболизма, обеспечивающего образование веществ с высокой экологической активностью. Тем не менее важно подчеркнуть, что взаимодействия растений основаны на всех механизмах, физических и химических, вместе взятых; нет реальной границы, четко разделяющей их, и они вместе выступают как единое целое в реакции растения (табл. 1) [1].

Таблица 1 – Структурные и химические механизмы, участвующие в защите растений от абиотических и биотических стрессоров и взаимодействиях организмов (приводится в переводе по [1])

Вторичные метаболиты относятся к группе веществ, имеющих определенное адаптивное значение, при этом по числу индивидуальных соединений лидируют фенольные соединения, алкалоиды и терпены [2; 3]. Флавоноиды представляют собой фенольные соединения, которое содержат в своей структуре фрагмент дифенилпропана (С6-С3-С6) и чаще всего представляют собой производные 2-фенилхромана (флаван) или 2-фенилхромона (флавон). Термин «флавоноиды» был предложен в 1950-х годах английским ученым Т. Гейссманом [4, с. 3]. Эти вещества (их насчитывается более 4500 представителей) присутствуют в высших растениях в качестве вторичных метаболитов. Они синтезируются фенилпропаноидным путем, который начинается с превращения фенилаланина в 4-кумароил-КоА [5, p. 1214–1234].

Флавоноиды могут рассматриваться в качестве маркера для оценки внутри- и межпопуляционных различий, определения адаптивного потенциала и норм реакции видов. Изучение состава флавоноидов, которые синтезируют растения, может дать важную информацию о месте изначального возникновения вида и путях его расселения [6, с. 122]. Во многих литературных источниках не один раз упоминалось о биопротекторных функциях полифенолов, поскольку они участвуют в защите растений от действия стрессовых факторов. Так, к примеру, многие из них выполняют роль фильтров, защищая ткани от неблагоприятного воздействия УФ излучения. Они участвуют в дыхании растений и в энзиматических окислительно-восстановительных процессах совместно с аскорбиновой кислотой [7, с. 81]. Флавоноиды обладают рострегулирующей активностью (имеются данные об их функционировании в растениях в качестве гормоноподобных соединений) [8, с. 53–58]. Они принимают участие во взаимоотношениях растений с бактериями и грибами. Для фенольных соединений характерна так называемая аллелопатическая активность [9, с. 1198].

Синтез фенольных соединений вообще и флавоноидов в частности в первую очередь зависит от оптимальности условий (условия увлажнения, режим освещенности) и от сезонных изменений (сезонная динамика, фазы онтогенеза) [10, с. 44–46].

Растительный организм как источник активных соединений, перспективных для использования в медицине, производстве функциональных продуктов питания и БАД, открывает широкие возможности для решения практических задач [11].

Согласно докладу ВОЗ, во многих государствах наблюдается тенденция роста доли населения с избыточным весом и ожирением. Одной из причин этого является несбалансированное питание, недостаток витаминов и других биологически активных веществ [12].

Известно, что организм человека нуждается в поливитаминных натуральных продуктах. По данным современной нутрициологии, значительное место среди них принадлежит плодово-ягодным культурам. Теория сбалансированного питания позволила дать научно обоснованные нормы потребления питательных веществ, а также преодолеть многие нутритивные дефекты и болезни, связанные с недостатком витаминов, незаменимых аминокислот, жирных кислот, микроэлементов [13, с. 19].

Фенольные соединения называют натуральными биологическими модификаторами реакции из-за способности изменять реакцию организма на аллергены, вирусы и канцерогены. Об этом говорят их противовоспалительные, антиаллергические, антивирусные и антиканцерогенные свойства. По антиоксидантной активности флавоноиды превосходят витамины С, Е и каротиноиды [14, с. 8]. Кроме того, хорошо известно капилляроукрепляющее действие некоторых классов флавоноидов, что отражено в названии – биофлавоноиды [9, с. 1198].

До настоящего времени, насколько можно судить по доступным источникам информации [7, с. 81–84; 8, с. 53–58; 15; с. 46–48; 16, с. 115–122; 17; 18, с. 27–33], присутствует определенный круг растений, плоды которых достаточно подробно рассматривались с точки зрения их флавоноидных спектров. В то же время огромное количество видов, формирующих окрашенные (содержащие флавоноиды) плоды, пока ждет детального рассмотрения своего химического состава, особенно в отношении вторичных метаболитов. В зависимости от их «набора», эти растения могут использоваться либо как пищевое сырье, либо как материал для экстракции различных соединений. Последнее, как мы считаем, может происходить, если в плодах присутствуют одновременно с флавоноидами компоненты, проявляющие негативные свойства по отношению к организму человека (детеррентные свойства). Помимо природных мест произрастания, разнообразие таких растений, как правило, велико в коллекциях ботанических садов. Это соображение привело нас к рассмотрению в качестве объектов плодов ряда видов-интродуцентов, представленных в коллекциях ботанического сада Самарского университета. Плоды представителей родов жимолость, барбарис, ампелопсис, шелковица, магония, бузина, предоставленные нам для выполнения работы, были сформированы в насаждениях дендрария ботанического сада, поэтому особенности их химического состава, вполне возможно, способны несколько отличаться от показателей в природных ареалах, причем химический состав плодов для названных растений нельзя считать полностью изученным как в природных, так и в культигенных ареалах. Это определяет актуальность и новизну выполняемого нами исследования, в рамках которого впервые проведена предварительная оценка качественного состава флавоноидных комплексов некоторых растений-интродуцентов из дендрологической коллекции ботанического сада Самарского университета.

Цель исследования: получение новой информации, относящейся к качественному и количественному составу экологически важных вторичных метаболитов плодов некоторых интродуцентов – их флавоноидных комплексов.

Объекты исследований

Объектами исследования являлись плоды следующих растений: ампелопсис железистый (Ampelopsis glandulosa Elegans), шелковица белая (Morus alba L.), магония падуболистная (Mahonia aquifolium (Pursh) Nutt.), бузина черная (Sambucus nigra L.), выращенные в условиях ботанического сада Самарского университета (государственный памятник природы, расположенный в Октябрьском районе города Самары) [19]. Они представляют собой взрослые, регулярно плодоносящие особи.

Ampelopsis glandulosa из семейства Vitaceae (Виноградовые) представляет собой быстрорастущую лиану. Научное название этого растения широко известно как Ampelopsis brevipedunculata и, по-видимому, является синонимом A. glandulosa. Природный ареал данного вида приурочен к Китаю, Японии, Дальнему Востоку, США [20; 21]. Листья этого растения разнообразны, но часто сильно лопастные [22; 23]. Ампелопсис имеет розово-фиолетово-лазурные ягоды (рис. 1). Выращиваясь в качестве декоративной лианы, может проявлять свойства инвазивного растения и внедряться в природные сообщества на лесных опушках, болотах, берегах рек и озер. В его корнях и плодах найдены: минеральные вещества: К, Fe, P, Mg, полисахариды, флавоноиды [24].

Morus alba из семейства Тутовые (Moraceae) представляет собой высокое дерево (15–20 м) с округлой серой кроной. Природный ареал вида охватывает Японию, Китай, Индию, Малую Азию, распространен в горных лесах. Возделывается за пределами природного ареала с целью получения пищевой продукции и в качестве кормового растения для тутового шелкопряда [25, с. 527]. Листья широкояйцевидные, 4–15 см, заостренные, часто разнородно-лопастные, светло-зеленые, листорасположение очередное. Цветки светло-зеленые с простым 4-раздельным околоцветником, мелкие, раздельнополые, в сережковидных соцветиях. Плоды семянки в сочном околоцветнике (рис. 2), 1–5 см, белые, от розовых до пурпурно-черных, сладкие, съедобные [26; 27].

Шелковица богата витаминами и минералами, в плодах черной и белой шелковицы содержатся рутин, кверцетины, антоцианы и др. [29].

Mahonia aquifolium из семейства Барбарисовые (Berberidaceae) представляет собой вечнозелёный кустарник высотой до 1 м. В природном ареале произрастает в Западных штатах Северной Америки, от Британской Колумбии до Калифорнии, часто выращивается как декоративное растение за пределами природного ареала [30]. Листья сложные, непарноперистые. Цветки собраны в многоцветковые метелки или кисти. Ягоды темно-синие, с сизым налетом, продолговато-эллиптические, длиной до 1 см, кисло-сладкие (рис. 3) [31]. Плоды магонии содержат много витамина С, корни содержат берберин и другие алкалоиды, придающие им горький вкус. В коре содержится много биологически активных веществ – берберин, медь, марганец, цинк, натрий, кремний. В плодах и семенах также содержатся такие флавоноиды, как кверцетин, рутин, изокверцетин [32]. Корень и кора магонии используются для лечения кожных заболеваний [33].

Sambucus nigra из семейства Адоксовые (Adoxaceae) представляет собой кустарник или небольшое дерево высотой 5–6 м. Природный ареал приурочен к Западной Европе, произрастает в Литве, на Кавказе и в Крыму. Выращивается как декоративное растение в других районах [35]. Листья сложные. Цветки мелкие, душистые, беловато-кремовые, собраны в метельчатые соцветия. Плод – сочная костянка, черно-фиолетовая в созревшем состоянии (рис. 4). Бузина черная растет в подлеске широколиственных лесов, по берегам рек. Целебными свойствами обладают практически все части растения. Среди рассмотренных нами объектов бузина оказалась наиболее изученной на предмет вторичных метаболитов. Анализ бузины показал, что она содержит компоненты с высокой биологической активностью, прежде всего полифенолы, в основном антоцианы, флавонолы, фенолокислоты и проантоцианидины, а также терпены и лектины [36]. Цветки бузины содержат рутин, холин, эфирное масло, гликозид самбунигрин, расщепляющийся на синильную кислоту, бензальдегид и глюкозу. В листьях и плодах найдены аминокислоты (тирозин), карбоновые кислоты, дубильные вещества, аскорбиновая кислота и каротин [37].

Материалы и методика исследований

Зрелые плоды Ampelopsis glandulosa, Morus alba, Mahonia aquifolium, Sambucus nigra были собраны сотрудниками в дендрарии ботанического сада Самарского университета осенью 2021 года, переданы для проведения работ и сохранялись в замороженном состоянии. Пробы плодов использовались для получения экстрактов флавоноидов.

Экстракцию флавоноидов выполняли в соответствии с методикой [39]. Точные навески (около 1 г) ягод помещали в колбу вместимостью 250 мл, прибавляли 100 мл 1% раствора соляной кислоты, колбу выдерживали на водяной бане при температуре +40…+45°С в течение 15 мин. Извлечение фильтровали через ватный диск в мерную колбу вместимостью 250 мл. Вату с сырьем снова помещали в колбу, прибавляли 100 мл 1% раствора соляной кислоты, предварительно смывая частицы мякоти плодов с воронки в колбу, и повторяли экстрагирование тем же способом. Затем содержимое колбы снова фильтровали через вату в ту же мерную колбу. Сырье на фильтре промывали 40 мл 1% раствора соляной кислоты, после охлаждения фильтрата доводили объем до метки. Полученное извлечение фильтровали через бумажный фильтр в колбу вместимостью 250 мл, отбрасывая первые 10 мл фильтрата.

Этот экстракт в дальнейшем использовался для снятия спектра и для количественного определения фенольных соединений с помощью реактива Фолина–Чокальтеу по методу Свейна–Хиллиса [40, p. 63–68] в модификации фирмы-изготовителя реактива.

Рисунок 1 – Плоды Ampelopsis glandulosa (Wallich) Momiy. [23]

Рисунок 2 – Плоды Morus alba L. [28]

Рисунок 3 – Плоды Mahonia aquifolium (Pursh) Nutt. [34]

Рисунок 4 – Плоды Sambucus nigra L. [38]

Оптическую плотность полученных экстрактов измеряли на спектрофотометре СФ-46 в диапазоне длин волн от 200 до 640 нм с шагом измерения 5 нм. В качестве раствора сравнения использовали 1% раствор соляной кислоты [39, с. 14–17].

Проведение фенольных соединений по методу Свейна–Хиллиса [40, p. 63–68] выполняли с использованием готового реактива Фолина–Чокальтеу производства фирмы Pancreac (Испания) в капельной модификации определения, предложенной изготовителем реактива. Для этого к пробам экстрактов добавляли по 3 капли реактива Фолина–Чокальтеу, полученные растворы перемешивали, добавляли 3 капли 30% раствора гидроксида натрия. Для получения контрольного образца использовали 1% раствор соляной кислоты, построение калибровочного графика выполняли с использованием стандарта – раствора галловой кислоты. Оптическую плотность растворов измеряли с помощью фотоэлектроколориметра КФК-2 при красном светофильтре (длина волны 725–730 нм) [40, p. 63–68].

Результаты исследований и их обсуждение

УФ-спектры извлечений из проб плодов 0,1% раствором соляной кислоты, построенные с помощью Excel по данным оптической плотности, представлены на рис. 5.

Анализируя спектры, полученные для различных экстрактов, можно отметить определенные различия фракционного состава и количества веществ, предположительно относящихся к группе флавоноидов. Так, оценивая рисунок по двум характеристикам: приуроченность пиков к соответствующему спектральному участку (качественная) и высота пиков (количественная), можно сказать, что определенные области спектров оказываются сходными у ботанически не родственных растений (Mahonia aquifolium и Sambucus nigra). В то же время имеются некоторые различия, не столько в положении пиков, сколько в их выраженности, то есть в высоте пика (оптической плотности растворов в данной спектральной области).

Рисунок 5 – УФ-спектры извлечений 0,1% раствором соляной кислоты образцов ягод Ampelopsis glandulosa, Morus alba, Mahonia aquifolium, Sambucus nigra

Как следует из представленного графика, экстракт из плодов Sambucus nigra, среди изученных нами растений, количественно показывает наиболее высокое содержание компонентов, соответствующих данному пику (230–240 нм). Что касается Mahonia aquifolium, ее спектрограмма демонстрирует наличие двух значительных по площади пиков в диапазоне 210–360 нм. Первый из них, соответствующий 230–240 нм, несколько ниже по высоте (оптической плотности) соответствующего пика на спектрограмме экстракта бузины. Второй пик, в области поглощения 320–340 нм, демонстрирует максимальный среди всех объектов уровень оптической плотности в данной части спектра. Данному объекту свойственна также максимальная по сравнению с другими образцами оптическая плотность в спектральной области 300–350 нм.

У Morus alba и Ampelopsis glandulosa общая высота линии спектра в области максимума ниже, чем у двух других объектов, более чем в 4 раза, и сами пики выражены не так резко. Для данных экстрактов, насколько можно судить по спектрограмме, характерно меньшее содержание флавоноидов, при сохранении сходной картины спектра, что особенно характерно для длинноволнового его участка (от 460 нм).

Таким образом, предварительное сопоставление картин спектров показывает, что более выраженным индивидуальным характером обладают их участки, относящиеся к коротковолновой области (210–340 нм ориентировочно), для которых прослеживаются не только количественные, но и качественные различия. Напротив, спектральный участок 470–630 нм обнаруживает количественные различия при совпадении качественной картины спектров.

Ориентировочная оценка сумма фенольных соединений в исследуемых экстрактах показала, что объекты различаются по количеству извлекаемых фенольных соединений. Наибольшее количество фенольных соединений выявлено у магонии и в свежей и сухой массе (7,41 и 24,62 мг/г соответственно), на втором месте по содержанию исследуемых веществ – ампелопсис и бузина (скорее всего, это указывает на то, что у этих растений плоды разной оводненности). И наименьшее количество фенольных соединений обнаружено в плодах шелковицы (рис. 6).

Рисунок 6 – Концентрация фенольных соединений в плодах Ampelopsis glandulosa, Morus alba, Mahonia aquifolium, Sambucus nigra, выращенных в условиях ботанического сада Самарского университета

Выводы

Таким образом, среди рассмотренных нами четырех объектов, выращенных в условиях дендрария ботанического сада Самарского университета, плоды Sambucus nigra и Mahonia aquifolium характеризуются наибольшим содержанием веществ, имеющих максимумы поглощения в спектральной области 246–260 нм. Отличительной чертой спектра для экстракта плодов Mahonia aquifolium является присутствие широкого пика в области поглощения 320–340 нм и общая область высокой оптической плотности в диапазоне 300–350 нм. Данные объекты предположительно можно рассматривать в качестве более перспективного источника веществ флавоноидной природы.

Отличительной чертой спектра для экстракта плодов Mahonia aquifolium является присутствие широкого пика в области поглощения 320–340 нм и общая область высокой оптической плотности в диапазоне 300–350 нм.

У Morus alba и Ampelopsis glandulosa общая высота линии спектра в области максимума ниже, чем у двух других объектов, более чем в 4 раза, и сами пики выражены не так резко. Для данных экстрактов, насколько можно судить по спектрограмме, характерно меньшее содержание флавоноидов, при сохранении сходной картины спектра, что особенно характерно для длинноволнового его участка (от 460 нм).

В целом сопоставление картин спектров показало, что большей выраженностью индивидуального характера обладали участки, относящиеся к коротковолновой области (210–340 нм ориентировочно), для которых прослеживались не только количественные, но и качественные различия. Спектральные участки 470–630 нм обнаружили количественные различия при совпадении качественной картины спектров.

Ориентировочная оценка суммы фенольных соединений в исследуемых экстрактах показала, что объекты различаются по количеству извлекаемых фенольных соединений. Среди изучавшихся объектов плоды Sambucus nigra и Mahonia aquifolium предположительно можно рассматривать в качестве более перспективного источника веществ флавоноидной природы.

Благодарность

Выражаем признательность сотрудникам отдела дендрологии ботанического сада Самарского университета за возможность выполнения данной работы – предоставление плодов Ampelopsis glandulosa, Morus alba, Mahonia aquifolium, Sambucus nigra, сформированных растениями, произрастающими в дендрологической коллекции.

About the authors

Irina Aleksandrovna Andreeva

Author for correspondence.
Email: irinaandreeva13@mail.ru

postgraduate student of Ecology, Botany and Nature Protection Department

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1 – Fruits of Ampelopsis glandulosa (Wallich) Momiy. [23]

Download (175KB)

Indexing metadata

3. Figure 2 – Fruits of Morus alba L. [28]

Download (484KB)

Indexing metadata

4. Figure 3 – Fruits of Mahonia aquifolium (Pursh) Nutt. [34]

Download (200KB)

Indexing metadata

5. Figure 4 – Fruits of Sambucus nigra L. [38]

Download (134KB)

Indexing metadata

6. Figure 5 – UV spectra of extracts of 0.1% hydrochloric acid solution of Ampelopsis glandulosa, Morus alba, Mahonia aquifolium, Sambucus nigra berry samples

Download (63KB)

Indexing metadata

7. Figure 6 – Concentration of phenolic compounds in fruits of Ampelopsis glandulosa, Morus alba, Mahonia aquifolium, Sambucus nigra grown in the conditions of the botanical garden of Samara University

Download (25KB)

Indexing metadata