Спиреи (Spiraea L.) Дальнего Востока России: изменчивость, хемотаксономия, использование тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.01, кандидат биологических наук Костикова, Вера Андреевна

• Костикова, Вера Андреевна
• кандидат биологических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Костикова, Вера Андреевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СИСТЕМАТИЧЕСКИЙ ОБЗОР РОДА SPIRAEA L.

1.1 .Краткая история таксономического изучения и морфологическая характеристика растений рода Spiraea.

1.2.Морфологическая характеристика дальневосточных видов рода Spiraea.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1.Объекты и материалы исследований.

2.2.Методы биохимических исследований.

2.3.Методика изучения морфологической изменчивости.

2.4.Методы математической обработки результатов.

ГЛАВА 3. СОСТАВ И СОДЕРЖАНИЕ ОСНОВНЫХ ГРУПП

БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ У

ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА SPIRAEA L.

3.1.Вторичные метаболиты представителей рода Spiraea (обзор литературы).

3.2.Содержание основных групп БАВ в органах надземной части растений.

3.3.Исследование фенольных соединений (флавоноидов и фенолкарбоновых кислот) методом ВЭЖХ.

ГЛАВА 4. ИЗМЕНЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ РОДА SPIRAEA L.

ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА РОССИИ.

4.1 .Общее представление об изменчивости и ее формах.

4.2.Изменчивость морфологических и биохимических признаков у спирей секции Calospira С. Koch.

4.2.1 .Эндогенная изменчивость морфологических признаков.

4.2.2.Индивидуальная и эколого-географическая изменчивость морфологических признаков.

4.2.3.Межпопуляционная изменчивость содержания фенольных соединений.

4.3.Изменчивость содержания флавонолов у представителей секций Chamaedryon Ser., Calospira C.Koch и Spiraria Ser. 117 4.3.1.Эндогенная и сезонная динамика накопления флавонолов.

4.3.2.Индивидуальная изменчивость содержания флавонолов.

4.3.3.Географическая (межпопуляционная) изменчивость содержания флавонолов.

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ ДАННЫХ О СОСТАВЕ ФЕНОЛЬНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ В ТАКСОНОМИИ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫХ

ВИДОВ РОДА SPIRAEA L.

5.1.Общие принципы хемосистематики.

5.2.Хемотаксономический анализ состава фенольных соединений дальневосточных таксонов рода Spiraea.

5.3.Содержание фенольных соединений у дальневосточных таксонов рода Spiraea в связи с их систематическим положением.

ГЛАВА 6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА

SPIRAEA L.

6.1.Антиоксидантная активность растений рода Spiraea Дальнего Востока России.

6.2.Возможности использования растений рода Spiraea.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Спиреи (Spiraea L.) Дальнего Востока России: изменчивость, хемотаксономия, использование»

Актуальность исследований. Потенциал биологической активности лекарственных растений определяется содержанием в них комплекса веществ, которые при поступлении в организм животных и человека оказывают целебное действие. Современным подходом к решению проблемы поиска лекарственных растений является изучение представителей отечественной флоры, которые издавна применяются в народной медицине. Исследование биохимического разнообразия растений помогает оценить перспективность растений как носителей биологически активных веществ, а также вносит дополнительные сведения в систематику спорных таксонов (Harborne, 1967; Пименов, Борисова, 1987; Высочина, 2004).

Виды рода Spiraea L. представляют значительный интерес как растения, используемые в народной медицине и имеющие большой ресурсный потенциал. В дальневосточных спиреях обнаружены фенольные соединения с высокой биологической активностью (Растительные., 1987; Растительные., 2009; Mughal et al., 2012). В различных органах видов рода Spiraea найдены сапонины (Шретер, 1975), эфирные масла (Горяев, 1952), стероидные гликозиды (Фруентов, 1987) и другие биологически активные вещества. Наиболее полно изучен химический состав широко распространенных спирей - S. salicifolia L. и S. media Franz Schmidt. В листьях и соцветиях этих видов спирей найдены флавоноиды (Растительные., 1987) и фенолкарбоновые кислоты (Ahn et al., 1996).

Экстракты из растений рода Spiraea проявляют антиоксидантную (Максимов и др., 1990), антимикробную (Киселева и др., 2011), фитонцидную (Делова, 1967) и другие виды биологической активности. Спиреи широко применяются по всему миру как декоративные кустарники для озеленения городов и населенных пунктов, как кормовые, медоносные и почвоукрепляющие растения.

В настоящее время существует проблема в таксономической принадлежности многих видов рода Spiraea, в том числе и дальневосточных. В связи с этим актуальным является проведение хемотаксономических исследований по дальневосточным представителям рода с учетом внутривидовой изменчивости морфологических и биохимических признаков.

Цель и задачи исследований. Цель работы - сравнительное морфологическое и биохимическое исследование 11 таксонов 9 видов рода Spiraea Дальнего Востока России с целью решения спорных таксономических вопросов и выявления перспективных видов.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать содержание вторичных метаболитов в растениях рода Spiraea Дальнего Востока России.

2. Провести хемотаксономическое исследование дальневосточных видов рода Spiraea, используя в качестве признаков - маркеров состав и содержание фенольных соединений.

3. Оценить морфологическую и биохимическую изменчивость спирей секции Calospira С. Koch в дальневосточной части ареала; выявить диагностические признаки в систематике близкородственных видов S. betulifolia Pall, и S. beauverdiana Schneid.

4. Изучить изменчивость содержания флавонолов у дальневосточных представителей рода Spiraea.

5. Определить антиоксидантную активность дальневосточных представителей рода Spiraea.

Защищаемые положения:

1. Фенольные соединения растений рода Spiraea Дальнего Востока России могут быть использованы в качестве хемотаксономических маркеров для решения спорных вопросов систематики на уровне секций и видов и при установлении их родства.

2. На Дальнем Востоке произрастают два морфологически и биохимически различающиеся вида из секции Calospira - S. betulifolia и S. beauverdiana.

3. Растения видов S. beauverdiana, S. betulifolia, S. salicifolia и S. humilis Pojark. перспективны как источник антиоксидантов.

Научная новизна. Впервые проведено хемотаксономическое исследование рода Spiraea Дальнего Востока России на основе изучения фенольных соединений. Исходя из материалов по составу и содержанию фенольных соединений, полученных с помощью хроматографических методов, выявлены сходство и родственные отношения дальневосточных спирей. Впервые исследованы эндогенная, сезонная, индивидуальная и межпопуляционная изменчивость содержания флавонолов в спиреях. Установлена диагностическая значимость качественных и метрических признаков видов секции Calospira - S. betulifolia и S. beauverdiana. Впервые проведен скрининг на содержание вторичных метаболитов у дальневосточных представителей рода Spiraea, позволивший выявить спиреи с наибольшим накоплением веществ: флавоноидов - у S. media Franz Schmidt var. media и S. media var. sericea (Turcz.) Regel; оксикоричных кислот - у S. ussuriensis Pojark. subsp. ussuriensis, S. betulifolia и S. beauverdiana', катехинов - y S. media var. media; сапонинов - y S. betulifolia, разновидностей S. media, S. ussuriensis subsp. ussuriensis и S. salicifolia. Кроме того, обнаружены перспективные носители антиоксидантной активности - S. beauverdiana, S. betulifolia, S. salicifolia и S. humilis.

Теоретическая и практическая значимость. Материалы диссертации могут быть использованы систематиками растений для уточнения спорных вопросов таксономии рода Spiraea, ресурсоведами - при подготовке и дополнении ресурсоведческих сводок. Результаты хемотаксономических исследований по роду Spiraea являются информативным материалом при разработке спецкурса по хемосистематике в высших учебных заведениях. Сравнительное биохимическое изучение растений рода Spiraea показало перспективность некоторых видов как источников вторичных метаболитов. Данные по изменчивости содержания флавонолов могут быть использованы для определения оптимальных сроков заготовки лекарственных сборов. Экспериментальные исследования показали перспективность этанольных и водных экстрактов & ЬеаиуегсИапа, & ЪеШИ/оНа, & БаИЫ/оНа и 5". кишШь как носителей антиоксидантной активности.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на региональной конференции «Молодые ученые - науке» (г. Благовещенск, 2010, 2011); на международной конференции «Экология и разнообразие лесных экосистем Азиатской части России (г. Костелец, Чехия, 2010); на XI региональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века: шаг в будущее» (г. Благовещенск, 2010); на всероссийской научной конференции с международным участием «Проблемы изучения и сохранения растительного мира Евразии» (г. Иркутск, 2010); на 14-ом собрании Амурского отделения Русского ботанического общества (г. Благовещенск, 2011); на всероссийской конференции «Проблемы сохранения растительного мира северной Азии и его генофонда» (г. Новосибирск, 2011); на V всероссийской конференции с международным участием «Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья» (г. Барнаул, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ в отечественных и иностранных изданиях, 3 из которых - в изданиях перечня ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, включающего 284 наименования (в том числе 100 на иностранных языках). Работа изложена на 203 страницах, иллюстрирована 47 рисунками, 20 таблицами.

Заключение диссертации по теме «Ботаника», Костикова, Вера Андреевна

Результаты исследования выявляют сходство и различия изученных видов по составу и содержанию основных биологически активных компонентов, что дает возможность установить взаимосвязь между компонентным составом видов рода Spiraea и биологической активностью. Кроме того, данные о качественном составе будут применены для уточнения систематического положения спорных таксонов рода.

В изученных растениях рода Spiraea были обнаружены фенольные соединения - флавоноиды, оксикоричные кислоты, катехины, антоцианы, дубильные вещества, кумарины, а также сапонины и сахара (табл. 3).

Распределение основных групп биологически активных веществ в листьях и соцветиях изученных видов различно. В соцветиях обнаружено более высокое содержание флавонолов, оксикоричных кислот, катехинов, антоцианов, сапонинов и Сахаров по сравнению с листьями. Дубильных веществ, наоборот, больше в листьях, чем в соцветиях. Известно, что вторичные метаболиты растений играют определенную роль в процессах репродукции растений (Бахтенко, Курапов, 2008). Можно предположить, что у растений рода спирея именно эти вещества оказывают влияние на оплодотворение и последующее образование плодов.

Особым вниманием исследователей пользуются растения, содержащие флавоноиды, вследствие их ценности для медицины как источников лекарственных препаратов широкого спектра действия. Многие противовоспалительные, капилляроукрепляющие, желчегонные, противолучевые, противоопухолевые, иммуномодулирующие и иные лечебные средства относятся к группе флавоноидов (Hollman et al., 1999; Hernandez et al., 2000; Макарова, Макаров, 2010). В последнее время особое внимание обращают на антиоксидантное действие флавоноидов, на их способность локализовать свободные радикалы и выводить их из организма (Rice-Evans, Miller, 1996; Zhu et al., 2001). По литературным данным присутствие флавоноидов отмечают для большинства дальневосточных спирей. Виды S. beauverdiana, S. pubescens, S. dahurica и S. schlothauerae на содержание флавоноидов не изучались. Наиболее распространенной группой флавоноидов являются флавонолы. В дальневосточных спиреях содержание флавонолов достигает 4 %.

Содержание основных групп БАВ в представителях рода Spiraea (% от абсолютно сухой массы)

Таксон (код образца) Орган растения Флавонолы Оксикоричные кислоты 1- Катехины Антоцианы 1- Дубильные Вещества Сапонины Сахара Кумарины

Секция Chamaedryon

S. ussuriensis subsp. ussuriensis (U-АБМ-Ц-Ю) л 2,0 0,5 1,1 нет 9,9 3,1 9,9 ++ с 2,9 0,8 0,9 нет 2,4 5Д 20,7 +++

S. ussuriensis subsp. elegans (1Ш-АЗ-Ц-09) л зд 0,5 0,2 нет 3,83 3,8 4,8 ++ с — — 0,5 нет 5,12 4,4 — +++

S. flexuosa (F-АБи-Ц-Ю) л 1,5 0,3 0,1 нет 4,7 2,7 8,3 нет с 2,3 0,6 0,5 нет 3,0 3,7 14,8 +++

S. media var. media (М-АБМ-Ц-10) л 2,5 0,1 1,5 нет 5,9 1,3 6,0 + с 3,9 0,4 5,7 нет 8,0 5,5 17,8 +++

S. media var. sericea (MS-ABH-L],-07) л 3,5 0,2 0,4 нет 6,0 1,4 4,8 + с — 1,4 нет 6,6 5,2 12,5 ++

S. dahurica (D-АС-Ц-Ю) л 0,9 0.2 0,2 нет 4,4 1,4 8,8 +++ с 1,2 0,2 0,3 нет ЗД 4,8 15,5 +++

S. pubescens (Р-ПХ-Ц-10) л 1,9 0,4 0,6 нет 5,9 2,3 9,9 +++ с — — 0,7 нет 3,4 4,1 15,1 +++

Секция Calospira

S. betulifolia (В-АБи-Ц-10) л 1,8 0,9 1,1 нет 8,6 1,5 9,2 нет с 3,8 1,0 1,7 нет 4,5 5,1 12,7 +++

S1. beauverdiana (Ь-КБ-Ц-07) л 2,3 0,8 0,3 нет 5,5 3,0 11,2 +++ с 3,7 1,2 0,5 нет 4,9 0,7 13,9 +++

Секция Spiraria

S. salicifolia (S-АББах-Ц-Ю) л 1,8 0,3 2,2 нет 11,6 0,5 11,2 ++ с 2Д 0,5 2,9 од 5,9 5,1 11,7 +++

S. humilis (Н-АБи-Ц-10) л 2,2 0,4 2,7 нет 9,3 1,8 12,6 ++ с 2,5 0,5 3,4 ОД 6,4 3,8 12,5 +++

Примечание. 1) л - лист; с - соцветия; 2) «+» - мало; «++» - много; «+++» - очень много; 3) «-» - эксперимент не проводился; 4) расшифровка кодов образцов приведена в табл. 1.

Самыми низкими показателями их содержания характеризуется S. dahurica (0,9 % - в листьях и 1,2 % - в соцветиях), а самыми высокими -разновидности S. media (3,9 % - в соцветиях S. media var. sericea и 3,5 % - в листьях S. media var. media). Более 3 % флавонолов накапливают также спиреи секции Calospira: S. beauverdiana и S. betulifolia - в соцветиях, a S. ussuriensis subsp. elegans — в листьях.

В листьях и соцветиях спирей оксикоричных кислот содержится значительно меньше, чем флавонолов - до 1,2 %. Самое низкое содержание кислот в листьях у разновидностей S. media и S. dahurica (0,1-0,2 %), а высокое -у S. ussuriensis subsp. ussuriensis и спирей секции Calospira (0,8-0,9 %). В соцветиях самое низкое содержание у S. dahurica (0,2 %), самое высокое - у S. beauverdiana (1,2 %). Интерес к природным оксикоричным кислотам связан с их выраженными антиоксидантными, противоспалительными, антивирусными, антибактериальными свойствами и другими типами биологической активности (Медведев, 2010).

Высокой биологической активностью обладают катехины. Они проявляют Р-витаминную активность, укрепляя стенки кровеносных сосудов в организме человека и животных, обладают антибактериальными свойствами. Это уникальные природные антиоксиданты (Бахтенко, Курапов, 2008). По литературным данным катехины обнаружены у растений видов рода Spiraea, произрастающих за пределами Дальнего Востока (Bate-Smith, Metcalfe, 1957; Чумбалов и др., 1974 а, 1976 а, б; Стороженко, 1977). В нашем исследовании самое высокое содержание катехинов обнаружено в соцветиях S. media var. media - 5,7 %, в листьях их значительно меньше - 1,5 %. Достаточно большое содержание катехинов в соцветиях и листьях S. salicifolia и S. humilis (секция Spiraria) - до 3,4 %. В растениях всех остальных видов количество катехинов менее 2,0 %. Возможно, именно катехины, содержащиеся в большом количестве в растениях S. salicifolia и S. media, обусловливают их высокие фармакологические свойства. Им свойственны антибактериальная, антигельминтная, жаропонижающая, противовоспалительная и другие типы активности (Растительные., 2009).

Розовую окраску соцветий имеют спиреи секции Spiraria, соответственно только у представителей этой секции обнаружены антоцианы - ОД %. У всех остальных видов спирей цветки белого цвета, и они не содержат антоцианов. Это подтверждает участие антоцианов в окраске соцветий. Для спиреи иволистной в литературе указывается наличие цианидина (Растительные., 1987).

Многие виды спирей являются хорошими медоносами (Растительные., 2009). Значительное содержание в соцветиях Сахаров, достигающее 20,7 %, доказывает их высокую медоносность. Наибольшим содержанием Сахаров отличаются спиреи секции Chamaedryon.

Содержание сапонинов в соцветиях спирей колеблется в пределах 0,7-5,5 %. Более 5 % сапонинов содержится в соцветиях S. betulifolia, разновидностей S. media, S. ussuriensis subsp. ussuriensis, S. salicifolia. Эти таксоны можно рекомендовать как сапонинсодержащие растения. По литературным данным отмечены следы сапонинов в корнях S. salicifolia и облиственных ветвях S. sericea (= S. media var. sericea) (Шретер, 1975). Сапонинсодержащие растения используются в медицине как отхаркивающие средства при заболеваниях дыхательных путей, а также как мочегонные, общеукрепляющие, стимулирующие и тонизирующие. Многие из них благотворно влияют на сердечно-сосудистую систему, эффективны при склерозе сосудов, а также атеросклерозе в сочетании с гипертонической болезнью и злокачественных новообразованиях (Захаров, Кабанов, 1964; Анисимов, Чирва, 1980).

Не менее ценными природными соединениями являются кумарины. В настоящее время известно более тридцати видов биологической и фармакологической активности кумаринов. Широкий спектр фармакологического действия и сравнительно невысокая токсичность делают эту группу природных соединений перспективной для создания новых лекарственных препаратов специфической направленности (Комисаренко и др., 1993). Содержание кумаринов у большинства видов выше в соцветиях, чем в листьях. В листьях S. betulifolia и S.flexuosa они совсем не обнаружены.

3.3 Исследование фенольных соединений (флавоноидов и фенолкарбоновых кислот) методом ВЭЖХ

Высокоэффективная жидкостная хроматография является одним из наиболее эффективных методов качественного и количественного анализа и разделения сложных смесей природных соединений различных групп (Корулькин и др., 2007).

Первоначальным этапом исследования фенольных соединений было изучение этанольных экстрактов из листьев растений рода Spiraea после гидролиза (см. гл. 2). В результате обнаружено 16 веществ фенольной природы. Из них идентифицированы фенолкарбоновые кислоты - и-кумаровая и коричная и флавонолы - кверцетин и кемпферол. Для этих веществ получены спектральные характеристики (табл. 4, рис. 17).

В дальневосточных спиреях впервые идентифицирована методом ВЭЖХ я-кумаровая кислота (пик № 6). Для других видов она уже была отмечена ранее (Lin et al., 1999). Эта кислота присутствует в гидролизатах всех исследованных нами видов спирей. Коричная кислота была идентифицирована ранее в листьях

S. salicifolia (Horhammer et al, 1956; Bate-Smith, 1962; Ahn et al., 1996) и в надземной части S. betulifolia (Карпова, Полякова, 2009 б). Она обнаружена нами (пик № 13) только у представителей секции Chamaedryon - у S. flexuosa, разновидностей S. media и подвидов S. ussuriensis.