И. Чадин Научные интересы: вторичный метаболизм и систематика растений Изучение распространения отдельных веществ и их групп по системе растений представляет интерес с нескольких сторон. Во-первых, данные о химическом составе растений используются в систематике растений наряду с морфологическими, анатомическими, палинологическими и другими данными. Во-вторых, результаты таких исследований являются необходимой предпосылкой для понимания функции, которую выполняют изучаемые соединения у растений. В-третьих, это имеет важное практическое значение для поиска перспективных продуцентов биологически активных соединений. Явление изменчивости – неотъемлемое свойство всех живых организмов – определяет основные требования к сбору образцов и интерпретации данных о любых аспектах биологического разнообразия и, в частности, разнообразия химического состава растений. При проведении скрининга растений на содержание продуктов вторичного метаболизма наблюдаемая изменчивость химического состава растений может быть обусловлена следующими причинами: возрастные различия между изученными органами и организмами; условия окружающей среды, преобладающие в районе, в котором были отобраны образцы; генетические различия между изучаемыми особями и популяциями; несогласованность методик сбора образцов и методов их экстракции и анализа. Многочисленные исследования показывают, что разные группы вторичных метаболитов находятся внутри растения в динамическом состоянии. Содержание их меняется от органа к органу в ходе онтогенеза и поэтому, с одной стороны, при проведении скрининга желательно собрать как можно больше образцов разных частей растений на разных фазах развития, а с другой, – при интерпретации полученных данных необходимо сравнивать данные о содержании изучаемого соединения в сходных частях растений, отобранных на одной и той же фазе развития. Таким образом, данные о динамике содержания вторичных метаболитов представляют непосредственный интерес при проведении хемотаксономических исследований. Изучение влияния условий произрастания на накопление растениями флавоноидов, терпеноидов и алкалоидов показывают, что факторы внешней среды могут обуславливать значительные изменения в количественном содержании вторичных метаболитов. Так, изменения в составе флавоноидов в контролируемых условиях внешней среды были изучены на примере водного растения Spirodela oligoriza [4]. Растения выращивали в 52 вариантах сочетания внешних условий, таких как: интенсивность освещения, температура, состав и содержание питательных веществ и т.д., в 4-кратной повторности. Во всех изученных случаях наблюдали количественные изменения в содержании флавоноидов, однако качественный состав 15 флавоноидов, обнаруженных в данном растении, оставался неизменным. В связи с тем, что на накопление флавоноидов оказывают влияние факторы внешней среды, можно ожидать проявление эколого-географической изменчивости у видов, обладающих широким ареалом. Так, при изучении географической изменчивости состава флавоноидов Polygonum aviculare, насчитывающего более 30 компонентов, было показано, что восточно-азиатская популяция четко отличается от популяций, занимающих другие части ареала этого вида [1]. На основании анализа результатов большого числа подобных исследований [4] выявлено, что, без сомнения, экогеографический фактор оказывает заметное влияние на распространение вторичных метаболитов. На примере растений рода Mentha [4] показано влияние внешних условий на накопление терпеноидов. Периодический анализ суммарного содержания монотерпенов в сходных частях растений, находящихся в сходных фазах развития, но произрастающих в разных условиях (таких, как разное соотношение продолжительности теплого дня и холодной ночи), показал значительные различия в количественном содержании этих соединений. Авторы пришли к выводу, что монотерпены и сесквитерпены активно участвуют в метаболизме растения и не являются, как это однажды было предложено, инертными конечными продуктами биосинтеза. Генотипическая изменчивость, обусловленная различиями в генотипе между отдельными особями или разными популяциями одного вида, также характерна для состава и содержания вторичных метаболитов, как и для любых других признаков, используемых в систематике растений. Так, при изучении наследственной изменчивости накопления антоцинанов у девяти линий вида Mathiola incana, отличающихся качественным составом этих соединений, было показано, что внутри линий обнаруживаются значительные различия в количественном содержании антоцианов [4]. Поскольку все изученные растения выращивались в идентичных условиях, такое различие может быть только следствием небольших различий в генотипе между особями одной линии. На примере растений рода Mentha было показано, что биосинтез терпеноидов находится под контролем относительно простой генетической системы [4]: доминантная аллель гена Lm блокирует модификацию лимонена в дальнейшие продукты биосинтеза, такие как: ментон, ментол и метилацетат – соединения, обычно накапливаемые растениями рода Mentha, у которых данный ген находится в рецессивном состоянии. Кроме того, в M. citrata был обнаружен ген I, доминантная аллель которого блокирует биосинтез терпеноидов на еще более ранних стадиях, чем ген Lm, что приводит к накоплению предшественника лимонена – линалина и его ацетатов. Таким образом, один ген может препятствовать накоплению целого спектра соединений одного класса. Относительно методов анализа растительного материала следует отметить важность унифицированния методик экстракции и анализа, что необходимо для предупреждения искусственного привнесения разнообразия в наблюдаемую картину. Так, например, при исследовании клинальной изменчивости Juniperus virginiana было обнаружено значительное различие в количественном содержании терпеноидов между образцами, отобранными в течение первого и второго года исследования. Поскольку анализ терпеноидов выполнялся в одной и той же лаборатории на одном и том же хроматографе и при использовании одной колонки, исследователи первоначально пришли к выводу, что такое различие в содержании было обусловлено разницей в климатических условиях между двумя годами. Однако тщательное изучение всех возможных причин наблюдаемого явления показало, что различия были обусловлены небольшим изменением скорости движения газа через колонку на втором году исследования [4]! Таким образом, при сборе растительного материала, с одной стороны, необходимо учитывать многообразные проявления изменчивости, характерные для растений, и с другой стороны, обращать особое внимание на унификацию используемых методов анализа и экстракции растительного материала. Кроме знания внутривидовой изменчивости большое значение при объяснении закономерностей распространения вторичных метаболитов имеют данные об их качественном и количественном составе, знание путей биосинтеза этих соединений и биологической активности. В процессе эволюции может происходить различная модификация ферментов, отвечающих за биосинтез вторичных метаболитов, что приводит к появлению большого разнообразия структур одного класса соединений. Так, в настоящее время известно более 6000 различных алкалоидов, около 1400 секвитерпеноидов, не менее 300 небелковых аминокислот [4]. Разнообразие структур соединений одного класса, накапливаемых в изучаемой группе растений, отражает разнообразие существующих путей биосинтеза, знание которого необходимо при построении таксономической гипотезы. Во многих фитохимических работах приводятся данные о наличии и отсутствии какого-либо соединения в изученной выборке видов. Однако этого зачастую недостаточно, так как таксономическим маркером может являться уровень накопления этого соединения. Так, способность к синтезу никотина считалась присущей только видам рода Nicotiana, которые накапливают это соединение в значительных концентрациях. Применение высокочувствительных методов позволило обнаружить следовые количества никотина в филогенетически удаленных родах, таких как Equsetum, Licopodium, Asclepias, Acacia и Mucuna. Очевидно, что способность к биосинтезу этих соединений появилась независимо в нескольких группах растений, но это не уменьшает значение никотина как таксономического маркера рода Nicotiana, который по этому признаку четко отделяется от других родов семейства Solanaceae. На основании данных о распространении небелковых аминокислот высказано [3] предположение, что многие или даже все растения способны синтезировать эти соединения в предельно низких концентрациях, ниже порога чувствительности используемых методов. Анализ экстрактов сахарной свеклы (Beta vulgaris), доступных в неограниченных количествах благодаря промышленной переработке для получения сахара, позволил показать, что генетическая способность накапливать определенные вторичные метаболиты (от следовых до необычно высоких концентраций) может быть гораздо более широко распространена, чем это предполагается на основании стандартных методов анализа. По крайней мере, резонно предположить, что среди филогенетически близких видов "отсутствие" или "наличие" данного соединения отражает уровень экспрессии определенных генов, ответственных за синтез ферментов, участвующих в биосинтезе этого соединения. Накопление вторичных метаболитов в следовых количествах было показано также на примере распространения цианогенных соединений, которые в концентрациях ниже 0.2 мг/кг сырой массы были обнаружены у многих "нецианогенных" видов и, возможно, все растения способны к накоплению этих соединений [4]. Это точка зрения поддерживается и данными об участии цианогенных соединений в физиологических процессах регуляции окисления нитратов. Хроматограммы, получаемые при анализе сходных частей растений в сходных фазах развития, служат своеобразными "отпечатками пальцев", характеризующими качественный и количественный состав вторичных метаболитов изучаемой группы растений. Так, применение газовой хроматографии позволяет различить очень сходные по морфологии в ювенильном возрасте виды Chamaecyparis obtusa и Thuja orientalis (сем. Cupressaceae) [4]. Более точный метод сравнения качественного и количественного состава вторичных метаболитов растений был продемонстрирован в работе, посвященной хемотаксономии рода Genista семейства Fabaceae [5]. Применение линейных графиков рассеяния позволило авторам выявить группы близких видов на основании количественного состава шести различных изофлавоноидов у 11 изученных видов этого рода. Отмечено [4], что при анализе информации о наличии и отсутствии вторичных метаболитов в изучаемой группе растений, необходимо учитывать, что эти соединения образуются в результате сложного пути биосинтеза, в который вовлечено большое число различных ферментов. Ход биосинтеза одних и тех же соединений может оказаться разным у разных групп растений, что является результатом конвергентной эволюции. На примере анализа данных о распространении производных фенилаланина в роде Ciprepedium (Orchidaceae) была показано, что кладограмма, полученная с учетом модификаций пути биосинтеза этих соединений, практически полностью соответствует результатам кладистического анализа последовательности ДНК [2]. При анализе распространения вторичных метаболитов в царстве растений необходимо учитывать функцию, которую они выполняют у растений. Так, спорадическая встречаемость вторичных метаболитов, обладающих антифидантной активностью может объяснятся тем, что такой активностью обладает большое количество разнообразных по структуре соединений, которые могут замещать друг друга у видов, относящихся к разным таксономическим группам [4]. Более универсальное распространение могут иметь соединения, выполняющие физиологические функции у самих растений. Таким образом, при изучении биохимического разнообразия растений следует учитывать явления фенотипической и генотипической изменчивости, характерные для любых признаков живых организмов, а также такие специфические особенности химических признаков, как качественный и количественный состав, путь биосинтеза. ЛИТЕРАТУРА 1. Высочина Г.И. Биохимические подходы к познанию биоразнообразия растительного мира // Сиб. экол. журн., 1999. Т. 3. С. 207-211. 2. Barkman T. Character coding of secondary chemical variation for use in phylogenetic analysis // Biochem.l Systematics and Ecology, 2001. Vol. 29. P.1-20. 3. Fowden L. Amino acid complement of plants // Phytochemistry, 1972. Vol. 11. P. 2271-2276. 4. Harborne J.B., Turner B.L. Plant chemosystematics. London: Academic press, 1984. 562 p. 5. Line-scatter plots in chemotaxonomy of Genista L. Section Spartioides SPACH in Western Europe / Rensen I.V.M., van, et al. // Biochem. Systematics and Ecology, 1999. Vol. 27. P. 687-708.
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 3579 посещений с 21.09.2001 |