Fiziologiâ rastenij

Обзор посвящен фуранокумаринам – классу веществ, представляющих собой совмещение пиронового, бензольного и фуранового колец, обладающих системой сопряженных двойных связей (которая в ряде случаев может нарушаться). Эта группа соединений широко изучается в настоящее время благодаря своим фототоксическим и лекарственным свойствам. В работе рассмотрены фуранокумарины естественного происхождения, выявленные в семействе Umbelliferae (Зонтичные), или Apiaceae (Сельдерейные), структурировано их многообразие, описана история исследования, известные к настоящему времени этапы их биосинтеза, а также некоторые примеры их биологической активности в растении, в культуре клеток и при медицинском использовании.

Впервые получена эмбриогенная культура мака скалоломного Papaver rupifragum Boiss. & Reut., которая была инициирована на корнях проростков, выращиваемых из семян на МС-среде с добавлением 1мг/л ИМК. Последующее поддержание эмбриогенной культуры осуществляли на безгормональной MС-среде. Длительное культивирование и сохранение эмбриогенной способности культуры (более 5 лет) поддерживалось благодаря циклам адвентивного эмбриоидогенеза, включающим образование каллуса на предсуществующих эмбриоидах и индукцию из их субповерхностных клеток новых эмбриоидов. В связи с этим полученная культура P. rupifragum может рассматриваться как дифференцированная культура, в которой стадия каллуса является промежуточным этапом развития. Установлено, что поверхность вновь образуемых эмбриоидов покрыта поверхностной сетью экстраклеточного матрикса, сформированной полисахаридами, липидами и терпенами. Гистологический анализ показал, что для эмбриогенной культуры P. rupifragum характерно образование комплексов слитых эмбриоидов (КСЭ), возникающих, предположительно, либо в результате кливажной полиэмбрионии, либо при синхронном развитии близлежащих эмбриоидов. Изучение гистологии и ультраструктуры КСЭ выявило, что слияние эмбриоидов обусловлено нарушениями в формировании эпидермиса и кутикулы. Гистохимические исследования установили, что эмбриогенная культура P. rupifragum синтезирует и накапливает триацилглицериды, полисахариды, фенольные соединения (ФС), терпены и алкалоиды. Показано, что количественный и качественный состав ФС и алкалоидов культуры P. rupifragum зависел от возраста культуры и ее дифференцировки, регулируемой условиями выращивания (свет, темнота). Дифференцированная эмбриогенная культура P. rupifragum сохраняет способность к формированию эмбриоидов на безгормональной МС-среде в течение длительного времени культивирования и может являться основой для дальнейшей разработки биотехнологических методов получения лекарственных соединений для косметологии и фармакологии.

Bidens tripartita L. и Bidens pilosa L. являются потенциальными источниками биологически активных веществ, обладающих противомикробной, антидиабетической, противораковой, противовоспалительной, антиоксидантной и другими активностями. Данные виды череды широко используются в разных странах в фитомедицине. Установлено, что изучаемые виды богаты разнообразными фенольными соединениями, причем растения, произрастающие в условиях умеренно-континентального (Татарстан) и тропического (Бурунди) климата, слабо различаются по содержанию фенольных соединений, что свидетельствует о генетически обусловленной узкой амплитуде изменчивости метаболизма этих видов. Качественный анализ фенольных соединений показал, что изученные виды растений синтезируют определенные группы соединений для адаптации в конкретных условиях обитания. Киримиро в Республике Бурунди и Спасский район в Республике Татарстан можно рассматривать как перспективные районы для выращиваний и сбора изучаемых видов растений. Температура, высота над уровнем моря, количество осадков и состав почвы являются ключевыми факторами, влияющими на содержание фенольных соединений растений B. pilosa и B. tripartita.

Впервые проведен комплексный анализ полифенольных соединений в экстрактах ягод жимолости камчатской (Lonicera caerulea var. kamtschatica Sevast.). В работе использовали 5 образцов дикой жимолости и один сортообразец Елена из коллекции Камчатского научно-исследовательского института сельского хозяйства. Для идентификации целевых аналитов в экстрактах применяли тандемную масс-спектрометрию высокого разрешения. Идентифицировано 58 полифенольных соединений, соответствующих семейству Caprifoliaceae. К идентифицированным аналитам некоторые соединения были определены впервые: флавоны ‒ гидроксигенистеин, диосметин О-гексозид, хризоэриол-О-диглюкозид; флаванолы ‒ гербацетин, мирицетин, астрагаллин, таксифолин-О-гексозид, рамноцитрин; флаван-3-олы ‒ эпиафзелехин, эпикатехин-О-гексозид, димер эпигаллокатехин-эпикатехина; фенольные кислоты ‒ гидроксиферуловая кислота, гидроксиметокси диметилбензойная кислота, неохлорогеновая кислота, эллаговая кислота; стильбены ‒ пиносильвин, ресвератрол и многие другие полифенолы. Наиболее богатым по содержанию полифенольных соединений был сортообразец дикой формы № 5 – 23 полифенольных соединения, далее следует сортообразец Елена – 21 полифенольное соединение.

В условиях контролируемой среды изучали влияние длинных свето-темновых циклов 24/12, 48/24, 96/48, 120/60 ч и непрерывного освещения на содержание и соотношение фотосинтетических и нефотосинтетических пигментов у ряда растений семейства Solanaceae – баклажана (Solanum melongena L.), перца (Capsicum annuum L), табака (Nicotiana tabacum L.), томата (Solanum lycopersicum L.) и семейства Brassicaceae – брокколи (Brassica oleracea var. italica Plenck), мизуны (Brassica rapa ssp. nipposinica (L.H. Bailey) Hanelt), руколы (Eruca vesicaria ssp. sativa (Mill.) Thell.) и цветной капусты (Brassica oleracea L. var. botrytis L.). Растения выращивали в климатических камерах при температуре 23°С и освещенности 270 мкмоль/(м² с) ФАР. Контролем служили растения, выращенные при фотопериоде 16/8 ч. Установлено, что в условиях непрерывного освещения у растений в зависимости от вида в той или иной степени снижается содержание хлорофилла и его доля в светособирающем комплексе, увеличивается отношение хлорофилл а/b и уменьшается отношение хлорофилл/каротиноиды, повышается содержание антоцианов и флавоноидов. При всех других изученных свето-темновых циклах (24/12, 48/24, 96/48 и 120/60 ч), в которых средний интеграл дневного освещения не отличался от такового при обычном фотопериоде (16/8 ч), во многих случаях были отмечены изменения в пигментном комплексе, схожие с фотопротекторными реакциями, наблюдаемыми при избыточном освещении растений (снижение содержания фотосинтетических пигментов, изменение их соотношений и накопление защитных нефотосинтетических пигментов). При этом в реакции растений выявлена выраженная видовая специфичность. В целом результаты исследования показали, что изменения в пигментном комплексе растений могут быть обусловлены не только избыточностью поступающей световой энергии, но и распределением интеграла освещения во времени, как это происходит в ответ на аномальные свето-темновые циклы, которые, по мнению авторов, вызывают циркадную асинхронию.

Методом ВЭЖХ-МС определен состав тритерпеновых гликозидов в разных тканях клеточных линий (PgR ‒ ризогенная и PgG ‒ геммогенная) in vitro и корней интактных растений женьшеня настоящего (Panax ginseng C.A. Meyer), выращиваемых на плантациях в Приморском крае Российской Федерации. Обнаружено и охарактеризовано более 60 тритерпеновых гликозидов. Максимальное содержание гинзенозидов идентифицировано в листьях геммогенной линии. Общее количество гинзенозидов в эмбриональной ткани линии PgG было ниже, по сравнению со всеми другими исследованными образцами, в основном, за счет количества протопанаксадиолов. Во всех частях линии PgR содержание протопанаксатриола Re было в два раза выше, по сравнению с корнем интактного растения. В базальной части каллусов PgR и PgG обнаружено высокое содержание протопанаксатриолов и олеаноловых гинзенозидов. Таким образом, морфогенные клеточные линии повторяют не только паттерн качественного состава гинзенозидов, по сравнению с отдельными частями нативных корней и листьев, но и увеличивают их разнообразие и количество.

Получены каллусные культуры и микроклоны in vitro базилика душистого (Oсimum basilicum L.) и исследованы их ростовые и биохимические особенности в зависимости от гормонального состава МС-среды, а также от добавления в питательную среду наночастиц (НЧ) феррата цинка. При клональном микроразмножении образцов отмечалось преимущество различных вариантов состава питательных сред: добавление в МС-среду НУК – для сортов Любимчик и Василиск; ИМК – для сорта Фиолетовый бархат и видового образца из Германии; ИУК – для видовых образцов из Польши и Италии. Необходимо отметить, что растения фиолетоволистного сорта Фиолетовый бархат предпочитали МС-среду, содержащую минеральные соли в концентрации ½ нормы. Результаты исследования подтвердили выдвинутую разными авторами гипотезу о способности микрорастений и каллусных клеток базилика накапливать вторичные метаболиты, а также возможность управления этим процессом с помощью биологических (минеральный и гормональный состав питательной среды) и физических (НЧ) элиситоров. Показано, что присутствие в составе МС-среды НЧ феррата цинка способствовало формированию каллусной ткани разного типа плотности и цвета. Добавление в МС-среду 25 мкг/л НЧ существенно увеличивало сырую биомассу каллусной ткани по сравнению с другими вариантами опыта. В этом варианте индекс роста каллусной ткани был наибольшим и составил 3.55. При увеличении концентрации НЧ до 50 мкг/л отмечено снижение индекса роста, что свидетельствует об ингибирующем их действии на пролиферативную активность дедифференцированных клеток. В полученных клеточных культурах проведен комплексный анализ фенольных соединений. Выявлено отсутствие зависимости накопления суммарного содержания фенольных соединений и флавоноидов от концентрации НЧ в МС-среде.

Исследование посвящено сравнительной характеристике флавоноидов и фенилэтаноидов корня дикого растения шлемника байкальского (Scutellaria baicalensis) и культуры корневых волосков. Культура корневых волосков, полученная из семян дикого растения, демонстрирует практически идентичный с корнем набор метаболитов, при этом показывая различия в обильности метилированных и гликозилированных производных обоих классов соединений. Отмечено существенное накопление сахарозы корнями интактного растения. Метилированные флавоны, ответственные за защиту растения от биотических и абиотических стресс-факторов, более обильны в культуре корневых волосков. В обоих образцах впервые идентифицирован 7-сульфат 6-ОМе вогонин. Визуализация масс-спектрометрических данных метаболома посредством селективного ионного мониторинга показала себя как удобный инструмент обнаружения изменения метаболизма, вызванного факторами внешней среды или повреждением растения.

В настоящее время особое внимание уделяется исследованию механизмов стрессовой устойчивости организмов-экстремофилов, способных выживать в экстремальных условиях. К таким организмам относятся лишайники, представляющие собой симбиотические ассоциации грибов и водорослей и/или цианобактерий. Высокая стрессовая устойчивость лишайников обусловлена наличием у них широкого спектра биологически активных метаболитов, в том числе стеринов. Известно, что лишайники обладают разнообразным и уникальным стериновым составом, отличающимся от такового у грибов и водорослей. Стерин-опосредованные биохимические механизмы стрессовой устойчивости лишайников изучены недостаточно полно и не систематизированы. Температурный стресс является достаточно привычным для лишайников, часто произрастающих в неблагоприятных условиях. Известно, что сухие талломы лишайников способны выдерживать изменения температур в больших диапазонах, тогда как гидратированные талломы гораздо более чувствительны к действию неблагоприятных температур. В настоящей работе были исследованы стресс-индуцированные изменения дыхательной активности и индекса мембранной стабильности (ИМС), а также стеринового профиля гидратированных талломов лишайника Peltigera canina (L.) Willd. при действии повышенной (+40°С) и пониженной (– 20°С) температур. Было показано, что неблагоприятные температуры вызывали подавление интенсивности дыхания и снижение ИМС талломов лишайника. Хроматомасс-спектрометрический анализ показал наличие у лишайника P. canina эргостерина, дегидроэргостерина, эпистерина, лихестерина и фунгистерина. При действии обоих стрессовых факторов происходило снижение уровня эргостерина и увеличение доли эпистерина. В условиях холодового стресса также увеличивалась доля дегидроэргостерина, доля лихестерина снижалась, а относительное содержание более насыщенного стерина фунгистерина оставалось на контрольном уровне. Можно полагать, что стресс-индуцированные изменения стеринового профиля лишайника при низкотемпературном воздействии создают оптимальный баланс стеринов в мембранах, который обеспечивает условия для разворачивания успешной стратегии, ведущей к адаптации лишайника к действию стрессора.

Работа посвящена изучению эколого-физиологических свойств, продукционных и биохимических характеристик диатомовой водоросли Nitzschia amabilis. Определен оптимум по солености (35‒36‰), освещенности (2.95 клк) и фотопериоду (14 ч), при котором достигается наибольшая удельная скорость роста клеток. Установлен коэффициент светового насыщения (I_k), который оказался меньше единицы, что говорит о высокой энергоэффективности фотосинтеза. Результаты экспериментов по солености показали способность водоросли расти в диапазоне 4–68‰, свидетельствуя о ее относительно широкой эвригалинности. Изучен биохимический состав N. amabilis при накопительном культивировании. В целом у исследуемого штамма преобладали полиненасыщенные жирные кислоты, доминирующими были эйкозопентаеновая, арахидоновая и докозагексаеновая. Основная доля насыщенных жирных кислот приходилась на пальмитиновую кислоту. Установлены показатели продуктивности N. аmabilis в отношении липидов, фукоксантина и ПНЖК, которые в 2.5–3 раза выше в проточном режиме культивирования, чем в накопительном.

В работе предложен и апробирован новый подход оптимизации биотехнологических процессов, в том числе процесса микроклонального размножения. Предлагаемый метод основан на построении карты подобия структур молекул вторичных метаболитов растительных экстрактов и молекул – регуляторов процессов морфогенеза растений (прежде всего фитогормонов) с последующим прогнозированием действия экстракта. В качестве примера был использован экстракт лишайника Cetraria islandica (L.) Ach. (Parmeliacea), для которого хорошо известен спектр содержащихся вторичных метаболитов. Выявлено структурное сходство алифатических вторичных соединений лишайника (протолихестериновая и лихестериновая кислоты) со стриголактонами (в большей степени), а также с гиббереллинами и брассиностероидами. На основе анализа полученных результатов был сделан прогноз о дозозависимом воздействии экстракта лишайника C. islandica на ростовые процессы и ризогенез микропобегов in vitro. Эта гипотеза была экспериментально проверена в экспериментах при микроклональном размножении высших растений Lonicera caerulea L. и Populus tremula L. В результате проведенных работ установлено, что добавление экстракта из C. islandica в концентрации 10–50 мг/л в состав питательной среды увеличивало коэффициент размножения L. caerulea (на 31%) и P. tremula (на 8%).Экспериментально доказана ризогенная активность экстракта лишайника в тех же концентрациях (10–50 мг/л среды), схожая с активностью стриголактонов и гиббереллинов. Также показано положительное влияние экстракта C. islandica (50 мг/л) на элонгацию микропобегов обеих культур и геммогенез P. tremula. Предложенный подход позволяет оптимизировать исследования, направленные на выявление эффекта различных экстрактов на морфогенез растений in vitro путем предварительного построения карты подобия содержащихся в экстрактах вторичных метаболитов (в том числе по данным литературы) и известных регуляторов роста (в том числе фитогормонов) с последующим прогнозированием действия экстракта.