Томский государственный университет (г. Томск)
Введение
В настоящее время внимание здравоохранения привлечено к селену (Se), который является важным микроэлементом для человека, и его низкое содержание в организме связывают с повышенным риском различных заболеваний. Являясь природным антиоксидантом (в составе антиокислительного фермента глутатионпероксидазы), селен участвует в защите организма от возникновения и развития кардиологических и некоторых онкологических заболеваний, метаболизме тиреоидных гормонов, репродукции, выведению тяжелых металлов из организма, устойчивости к вирусным заболеваниям [Н.А.Голубкина, Т.Т.Папазян, 2006; Л.Н.Скрыпник, Г.Н.Чупахина, 2007]. В связи с этим поднята проблема контроля уровня селена в организме человека, а так как большой процент в рационе человека составляет растительная пища, то особенно актуальным является вопрос о поддержании в растении определенного уровня селена. Необходимость обогащения растений селеном ставит вопрос о роли этого элемента для самого растительного организма. В настоящее время мнения исследователей по проблеме причисления селена к группе микроэлементов разделились. Одни ученые считают, что селен не относится к числу необходимых для растений микроэлементов, так как он не оказывает влияния на их продуктивность [А.А. Дудецкий 1998; С.П. Торшин, 1998]. Другие авторы показывают важную роль в регуляции устойчивости и продуктивности растений [В.В.Кузнецов, 2004; Т.И.Пузина, П.С.Прудников, 2007; И.И.Сергеева, 2007; С.А.Солдатов, В.Н.Хрянин, 2008]. Значение селена в регуляции многих аспектов жизнедеятельности растений остается недостаточно изученным. В связи с этим целью нашей работы явилось исследование роли селена в форме аниона селенита в регуляции роста и метаболизма растений донника лекарственного.
Объект и методы исследований
Для изучения роли селена в растении был выбран донник лекарственный Melilotus officinalis L., одновременно выступающий как растение-концентратор селена и лекарственное растение. Донник лекарственный служит сырьем для фармакологической промышленности, синтезируя такие важные биологически активные вещества как кумарины и флавоноиды. Препараты донника лекарственного обладают мягчительными, отхаркивающими, болеутоляющими, успокаивающими, противосвёртывающими и ветрогонными свойствами. Они усиливают кровообращение, уменьшают отеки, полезны при стенокардии и тромбозе коронарных сосудов. Донник рекомендуют при судорогах, ревматизме, неврастении, бронхите, туберкулезе легких. Используют донник и как пищевое растение и хороший медонос. Путем обогащения растений донника селеном можно расширить спектр его применения.
Исходный семенной материал замачивали в воде (контроль) или растворе селенита натрия (опыт), высевали в почву, плотность посева 180 растений на 1 м2.
В процессе исследований описывали фенологию развития растений, определяли их ростовые параметры, оценивали содержание биологически активных веществ (кумаринов и флавоноидов). Содержание кумаринов в сырье определяли по методике [Е.Я.Ладыгина и др., 1983]. Определение содержание флавоноидов проводили по методике [Государственная фармакопея СССР, 1987].
На графиках приведены средние арифметические и их стандартные ошибки.
Результаты и обсуждение
Основными методами для изучения влияния селенита натрия на морфо-физиологические параметры растений служили методы гидропоники и почвенной культуры. Гидропоника позволила изучить действие отдельного элемента питания, тогда как почвенная культура – суммарное влияние природного комплекса минеральных элементов почвы исследуемого региона в сочетании с исследуемым элементом.
В предварительных исследованиях при выращивании растений на гидропонике с использованием широкого диапазона концентраций селенита натрия отметили изменения ростовых параметров двудольных и однодольных растений [И.Ф.Головацкая и др., 2009]. Оптимальной для растяжения листовой поверхности и накопления сухой биомассы двудольных растений явилась концентрация 1,2 мг/л селенита натрия в среде. Эту концентрацию и использовали для обработки семян донника лекарственного при выращивании в почвенной культуре (поселок Артышта-2 Кемеровской области).
Анализ ростовых параметров 52-дневных растений донника показал, что предпосевная обработка семян селенитом натрия увеличила на 23% сухую биомассу побега относительно контроля без обработки (рис. 1). При этом сухое вещество накапливалось в большей степени в листьях, чем в стеблях (рис. 1). Так биомасса этих элементов структуры побега различались в 3,6 (контроль) и 2,8 раза (опыт), соответственно, т.е. действие селена изменило распределение ростовых процессов в растении за счет увеличения доли стебля. Увеличение сухой биомассы стебля поддерживалось его активным растяжением (рис. 1).
По данным других авторов [А.Ф.Блинохватов, В.А.Вихрева, В.Н.Хрянин, 2001] обогащение селенитом натрия существенно повысило площадь листьев, интенсифицировало ассимиляцию углерода и способствовало сохранению соотношения пигментов. Это происходило на фоне повышенного накопления сырой биомассы всех органов растений, и в особенности – корневой системы.
Изучение вторичного метаболизма, определяющего синтез биологически активных веществ, показало, что содержание флавоноидов в стеблях растений донника лекарственного составило 1/10–1/8 от содержания биологически активных веществ в листьях (рис. 2), что свидетельствовало о транспортной функции стебля для этих веществ. Содержание флавоноидов в листьях увеличивалось под действием селенит-иона, поступающего при обработки семян (рис. 2).
Флавоноиды – наиболее многочисленная группа водорастворимых природных фенольных соединений в растении, биологическая роль которых заключается в их участии в окислительно-восстановительных процессах. Флавоноиды играют важную роль в растительном метаболизме, принимая участие в фотосинтезе, образовании лигнина и суберина, в качестве защитных агентов при формировании устойчивости к факторам окружающей среды. Находятся флавоноиды в различных органах, но чаще в надземных, локализуясь в клеточном соке. Возможно, именно через регуляцию синтеза этой группы веществ и происходит повышение селен-зависимой устойчивости растений.
Кумарины, как и флавоноиды, синтезируются из коричных кислот, имеют с ними структурное сходство и обычно сопутствуют им в растениях в разных соотношениях, оказывая во многом сходный фармакологический эффект, обычно более слабый. Накапливаются кумарины преимущественно в плодах, семенах, цветках, корнях и выполняют, в частности, роль растительных гормонов, тормозящих рост в периоды сезонного покоя [П.А.Власюк, 1969].
Наше исследование содержания кумаринов в растениях донника лекарственного показало присутствие этой группы веществ в листьях (рис. 3). Действие селенит-иона увеличивало содержание кумаринов в растении донника на 30%. Введение селена через семена позволило активнее развиваться растению и одновременно усиливать синтез вторичных метаболитов.
Таким образом, использование селена для выращивания донника лекарственного обосновано рядом преимуществ. Первое преимущество состоит в том, что селен образует в растениях селенометионин, который определяет большую биодоступность микроэлемента по сравнению с неорганическими химическими соединениями. Второе преимущество состоит в том, что лекарственные растения и полученные из них фитопрепараты действуют на человека гораздо мягче, чем синтетические средства, значительно реже вызывают побочные реакции [Н.А.Голубкина, Т.Т.Папазян, 2006]. Кроме того, растения донника содержат биологически активные соединения (флавоноиды, кумарины), уровень которых повышается при обработке селеном. Донник относиться к растениям-концентраторам, которые накапливают больше селена, чем представители других видов. Следует ожидать, что спектр действия этого растения будет шире. Так, если донник используют в качестве противовоспалительного средства, то при обогащении его селеном особенно целесообразно использовать при смешанных патологиях, например, при сердечной недостаточности и хронической болезни легких [А.Ф.Блинохватов, В.А.Вихрева, В.Н. Хрянин, 2001]. И последнее, селен увеличивает продуктивность фотосинтеза и рост растений донника, что немаловажно для выхода биомассы сельскохозяйственной и фармацевтической продукции.
Работа выполнена при финансовой поддержке НИР в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы (Госконтракт №П283 от 23.07.09 г.).
