К итогам спектрофотометрического скрининга накопления вторичных метаболитов в талломах лишайников
- Авторы: Горина М.В.1, Кавеленова Л.М.1, Платонова С.А.1
-
Учреждения:
- Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
- Выпуск: Том 6, № 3 (2017)
- Страницы: 10-15
- Раздел: 03.02.00 – общая биология
- URL: https://snv63.ru/2309-4370/article/view/21987
- DOI: https://doi.org/10.17816/snv201763101
- ID: 21987
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В данной статье рассматривается вопрос о влиянии биотопических условий на накопление вторичных соединений в талломах лишайников. Вторичные метаболиты, свойственные обмену веществ различных групп организмов, широко представлены у симбиотических организмов – лишайников, причем значительное число данных соединений является фенольными производными. Авторами статьи представлены результаты спектрофотометрического сканирования спиртовых экстрактов из талломов лишайников трех видов – Xanthoria parietina (L.) Belt., Parmelia sulcata Tayl., Vulpicida pinastri (Scop.) J.-E. Mattsson & M.J. Lai, отобранных в различных лесных сообществах Красносамарского леса (Самарская область) на 9 пробных площадях, растительные сообщества которых представляли собой фрагменты естественных лесов (березняков, осинников, липняков, дубрав) и лесонасаждения – ельника. Лесные сообщества различались по положению в рельефе, составу древесного яруса, связанным с высотой и сомкнутостью насаждений микроклиматическим условиям. Полученные путем настаивания проб с 96% этанолом экстракты 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. Проведенное исследование может рассматриваться как первоначальный этап биоэкологического скрининга, позволяющего выяснить наличие зависимости накопления вторичных метаболитов от условий местообитания применительно к условиям лесных экосистем в различных районах Самарской области. При спектрофотометрическом исследовании экстрактов продемонстрировано наличие видоспецифичных особенностей спектров, свидетельствующее о различиях качественного состава экстрактов. Для экстрактов, полученных из образцов одного и того же вида лишайников, были выявлены количественные, а для экстрактов Xanthoria parietina (L.) Belt. и Vulpicida pinastri – также и качественные различия, связанные с качественными и количественными различиями в накоплении вторичных метаболитов. Данные различия предположительно связаны с различиями биотопических условий произрастания талломов трех изучавшихся видов лишайников.
Ключевые слова
Полный текст
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.
Об авторах
Мария Владимировна Горина
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Email: gorina.mariya2011@yandex.ru
аспирант кафедры экологии, ботаники и охраны природы
Россия, СамараЛюдмила Михайловна Кавеленова
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Автор, ответственный за переписку.
Email: lkavelenova@mail.ru
доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой экологии, ботаники и охраны природы
Россия, СамараСветлана Александровна Платонова
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва
Email: svetlanrychkov@yandex.ru
ассистент кафедры химии
Россия, СамараСписок литературы
- 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.
- 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.
- 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.
- Государственный доклад о состоянии окружающей среды и природных ресурсов Самарской области за 2015 год. Выпуск 26. Самара, 2016. 296 с.
- Корчиков Е.С. Лишайники Самарской Луки и Красносамарского лесного массива. Самара: Изд-во «Самарский университет», 2011. 320 с.
- Запрометов М.Н. Основы биохимии фенольных соединений. М.: Высшая школа, 1974. 213 с.
- Хелдт Г.-В. Биохимия растений. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 471 с.
- 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.
- 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.
- 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.
- Huneck S., Yoshimura I. Identification of lichen substances. Berlin-Heidelberg-New York: Springer Verlag, 1996. 493 p.
- Boustie J., Tomasi S., Grube M. Bioactive lichen metabolites: alpine habitats as an untapped source // Phytochemistry Rev. 2011. Vol. 10. P. 287-307.
- 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.
- Kosanic M., Rankovic B., Stanojkovic T. Antioxidant, antimicrobial and anticancer activity of 3 Umbilicaria species // J. Food Sci. 2012. Vol. 77. P. 20-25.
- Molnar K., Farkaˇs E. Current results on biological activities of lichen secondary metabolites: a review // Zeitschrift fur Naturforschung. 2010. Vol. 65. P. 157-173.
- Щербакова А.И., Коптина А.В., Канарский А.В. Биологически активные вешества лишайников // Известия вузов. Лесной журнал. 2013. № 3. С. 7-16.
- 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.
- Равинская А.П., Вайнштейн Е.А. Влияние некоторых экологических факторов на содержание лишайниковых веществ // Экология. 1975. № 3. С. 82-85.
- Rundel P.W. Ecological role of secondary lichen substances // Biochemical Systematics and Ecology. 1978. Vol. 6. P. 157-170.
- 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.
- 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.
- Andersen Q.M., Markham K.K. Flavonoids: Сhemistry, Biochemistry and Applications. CRC press Taylor & Group, 2006. 1197 p.
- Дренин А.А. Флавоноиды и изофлавоноиды трех видов растений родов Trifolium L. и Vicia L.: автореф. дис. … канд. хим. наук. Сургут, 2008. 24 с.
- Лобанова И.Ю., Турецкова В.Ф. Выделение и изучение состава флавоноидов листьев осины обыкновенной // Химия растительного сырья. 2011. № 2. С. 117-122.