Эфирномасличные растения семейств apiaceae, asteraceae и lamiaceae на северо-западе россии (биологические особенности, состав и перспективы использования эфирных масел) 03. 02. 14 Биологические ресурсы

Н
а правах рукописи

03.02.14 – Биологические ресурсы

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора биологических наук

Санкт – Петербург – 2013

Защита состоится « 27 » декабря 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 005.005.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Тихоокеанском институте биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН по адресу: 690022, г. Владивосток, проспект 100 лет Владивостоку, 159, ТИБОХ ДВО РАН. Факс: (423) 231-40-50,

e-mail: al-xv@mail.ru

http://www.piboc.dvo.ru

С диссертацией можно ознакомиться в филиале Центральной научной библиотеки ДВО РАН (г. Владивосток, проспект 100 лет Владивостоку, 159, ТИБОХ ДВО РАН).
Автореферат разослан «__» ______ 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук Салохин А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. С начала 90-х годов ХХ века на всей территории России стали резко сокращаться площади, занимаемые под выращивание лекарственных, пряных и эфирномасличных культур. В настоящее время лишь в южных регионах страны выращивают ограниченный ассортимент видов и сортов родов Anethum, Carum, Coriandrum, Mentha,а также Abies и Pinus.

Комплексное изучение новых, перспективных хозяйственно-ценных видов растений является частью оценки природных ресурсов потенциального богатства растительного покрова России. Поэтому поиск и выявление ресурсных видов для локальных территорий является научной и практической задачей. Соподчинёнными задачами являются разработки методов выращивания, сушки и условий переработки эфирномасличных растений. Расширение ассортимента локальных и выращиваемых эфирномасличных растений для целей создания сырьевой базы актуально в настоящее время.

Эфирномасличные растения занимают важное место среди полезных видов. Выявление новых, перспективных хозяйственно-ценных видов растений является частью оценки природных ресурсов. Целенаправленное использование биологических ресурсов базируется на решении вопросов интродукции и введении в культуру растений ряда видов семейств Apiaceae, Asteraceae, Lamiaceae в условиях Северо-Запада России. Изучение эфирных масел этих растений, установление их состава имеет решающее значение для определения перспектив их применения. Прикладными аспектами рационального использования эфирномасличных растений и продуцируемых ими компонентов эфирных масел являются оценки перспектив применения для медицины и сельского хозяйства (Сацыперова, Рабинович, 1990; Сацыперова, 1991; Дикорастущие ..., 2001; Буданцев, 2005; Демьянова, 2007; Племенков, 2007; Ткаченко, 2011).

Интродукция растений развивается за счёт введения новых видов в культуру, поддержания общего генофонда культивируемых видов, сохранения биоразнообразия (Камелин, 1995, 1997; Алексанян, 2002, 2003, 2004). Исследования особенностей индивидуального роста и развития растений, ритмов цветения, разнокачественности семян и плодов, изучения семенной и сырьевой продуктивности определяют научное и практическое значение результатов интродукции. На основе комплексных данных об особенностях биологии растений возможна разработка новых агротехнических приёмов возделывания перспективных интродуцированных эфирномасличных культур.

Использование биологических ресурсов основных эфирномасличных растений в условиях Северо-Западного экономического района России базируется на решении вопросов интродукции и введении в культуру основных видов семейств Apiaceae, Asteraceae, Lamiaceae. Проблема создания отечественной сырьевой базы производства эфирных масел в России стоит достаточно остро. Научной и практической задачей для целенаправленного использования растительных ресурсов является введение в первичную культуру в условиях Северо-Западного экономического района, который включает Ленинградскую, Новгородскую и Псковскую области, перспективных интродуцированных эфирномасличных растений и оценка качества получаемых эфирных масел. Прикладными проблемами рационального использования эфирных масел являются оценка перспектив применения их в терапии инфекционных заболеваний, санации помещений и ароматерапии. Внутрибольничные инфекции, по данным ВОЗ, остаются проблемой современного здравоохранения. Частота возникновения госпитальных инфекций в лечебно-профилактических учреждениях составляет 6 – 7 %. Из 60 миллионов больных в России, проходящих лечение, до 4.5 миллионов заболевают внутрибольничными инфекциями. Частота возникновения госпитальных инфекций в развитых странах колеблется от 8 до 40 %, в развивающихся странах она в 20 раз больше. По данным ВОЗ ежегодно от госпитальных инфекций погибает от 44 до 98 тысяч пациентов в США, более 5 тысяч в Великобритании.

Разработка научных основ управления ресурсными видами базируется на решении вопросов интродукции растений, поиска эффективных способов выделения эфирных масел из растительного сырья, установления их качественного состава и динамики входящих веществ в зависимости от разных факторов. Компонентный состав и соотношение веществ в эфирном масле имеет решающее значение для определения перспектив их рационального применения в разных отраслях народного хозяйства.

Важными вопросами являются выявление особенностей формирования, хранения и оценки качества семян и плодов эфирномасличных растений, в том числе получаемых от растений, собираемых в условиях интродукции. Решение этих вопросов позволяет оптимизировать размножение и семеноводство эфирномасличных растений в условиях Северо-Запада России.

Практическими вопросами для целенаправленного использования растительных ресурсов эфирномасличных растений являются также:

– разработка ассортимента видов растений и эфирных масел с выраженной антибиотической активностью для санации помещений,

– разработка вопросов оптимизации размножения и семеноводства эфирномасличных растений через выявление особенностей формирования, хранения и оценки качества семян,

– применение эфирных масел в медицине и ветеринарии для лечения и профилактики различных инфекционных заболеваний человека и сельскохозяйственных животных.

Цель работы. На основе сравнительного изучения выделить перспективные виды эфирномасличных растений семейств Apiaceae, Asteraceae и Lamiaceae в условиях Северо-Запада России, дать теоретическое обоснование и практические рекомендации по их выращиванию и использованию.

Задачи исследования:

1) провести анализ интродукционных испытаний растений семейств Apiaceae, Asteraceae и Lamiaceae в коллекциях Ботанического сада Петра Великого Ботанического института им. В.Л. Комарова Российской академии наук (БИН РАН) и научно-опытной опытной станции БИН РАН «Отрадное»;

2) выявить перспективные виды семейств Apiaceae, Asteraceae и Lamiaceae для их выращивания на Северо-Западе России;

3) изучить особенности латентного и виргинильного периодов интродуцентов;

4) выделить и изучить компонентный состав эфирных масел ряда видов семейств Apiaceae, Asteraceae и Lamiaceae;

5) исследовать биологическую (антимикробную, антифунгальную и антивирусную) активность эфирных масел и оценить перспективы их использования в медицине и сельском хозяйстве.

Исследована разнокачественность семян и плодов видов семейств Apiaceae, Asteraceae и Lamiaceae, связанная с местоположением цветков в пределах соцветия, положением соцветия на побеге, возрастом плодоносящего растения. Показано, что качество сформировавшихся семян и плодов определяет их жизнеспособность, длительность хранения, ритм смены возрастных состояний и темпы развития нового поколения.

Впервые для условий Северо-Запада России представлены данные о накоплении эфирного масла в корнях, листьях, соцветиях, семенах и плодах 64 видов (как интродуцированных, так и аборигенных). В это число входит 30 видов рода Heracleum L. Всего было получено 250 образцов эфирного масла, 118 из них получены для видов рода Heracleum.

Изучен компонентный состав эфирных масел видов родов семейств Apiaceae (Heracleum, Levisticum, Myrrhis), Asteraceae (Achillea, Balsamita, Ptarmica) и Lamiaceae (Dracocephalum, Origanum, Mentha).

Впервые изучены и приведены данные о компонентном составе эфирных масел разных органах 20 видов рода Heracleum (для корней 17-ти видов, листьев 10-ти видов, цветков 5 видов и плодов 19-ти видов). Уточнён состав эфирных масел травы Achillea millefolium L., Ptarmica vulgaris Hill, произрастающих в Ленинградской области.

Доказана возможность выращивания и получения эфирных масел в условиях Северо-Запада России Myrrhis odorata L. (с содержанием анетола в эфирном масле листьев до 84 %); Levisticum officinale Koch (с содержанием терпенола в эфирном масле листьев до 70 %); видов рода Heracleum (источников октанола, октилацетата), Balsamita major Desf. (с содержанием пулегона в эфирном масле листьев до 78 %), Origanum vulgare L. и Thymus spp. (источники тимола и карвакрола), видов и сортов рода Mentha L. (источник ментола).

Полученные данные по компонентному составу и количественному соотношению веществ эфирного масла цветков и плодов Heracleum moellendorffii Hance и H. voroschilovii Gorovoi показали, что эти виды значительно отличаются не только друг от друга, но и от H. dissectum, что подтверждает самостоятельность этих видов.

Изучение биологической активности эфирных масел видов семейств Apiaceae, Asteraceae и Lamiaceae выявило перспективность применения эфирного масла Mentha х piperita L. и Origanum vulgare L. для использования в медицине и сельском хозяйстве (ветеринарии). Впервые показано антивирусное действие эфирного масла видов рода Heracleum L.

Использование в помещениях различного назначения эфирномасличных растений, способствует очистке воздуха от патогенной и условно-патогенной микрофлоры.

Практическая значимость работы: Сбор, хранение и дальнейшее использование семян эфирномасличных растений необходимо проводить с учётом их разнокачественности, связанной с их расположением в пределах соцветия и положением соцветия на генеративном побеге. Метод рентгенографии рекомендуется использовать для не деструктивного анализа и оценки качества семян и плодов.

Для сушки эфирномасличного сырья, с целью увеличения выхода эфирного масла, рекомендовано использовать микроволновую установку «Муссон». Для увеличения выхода эфирного масла из сырья рекомендовано его измельчать, и добавлять NaCl.

Эфирные масла Mentha piperita и Origanum vulgare, проявляющие выраженный антибактериальный и антифунгальный эффекты, а также виды рода Heracleum, проявляющие антивирусный эффект, предложены для введения в практику лечения и профилактики ряда инфекционных заболеваний. Эфирные масла Mentha piperita и Origanum vulgare и других видов семейств Apiaceae, Asteraceae, Lamiaceae рекомендуется использовать для решения проблем внутрибольничных инфекций.

Показана возможность использования эфирных масел корней и плодов видов рода Heracleum для лечения и профилактики вирусных инфекций (Авторское свидетельство № 1501339), эфирного масла Mentha piperita для лечения и профилактики туберкулёза (Патент № 2127597), эфирного масла видов рода Origanum для санации воздуха помещений лечебных учреждений от возбудителей внутрибольничных инфекций (Патент № 2102085).

Разработана программа борьбы с внутрибольничными инфекциями при использовании интерьерных растений и предложен перспективный ассортимент видов эфирномасличных растений для использования в озеленении помещений и проведении медицинского фитодизайна закрытых помещений.

Материалы диссертации использованы в лекциях для студентов биологических и сельскохозяйственных факультетов, кафедр фармакогнозии и природных соединений в высших учебных заведениях и для специалистов, работающих в области биологических ресурсов. Они включены в программы лекционных курсов по ботанике и растительным ресурсам. Реализуются при подготовке научных, учебно-методических пособий и рекомендаций по изучению особенностей начальных возрастных состояний, ритмов роста и развития; сбору и хранению, использованию семян и плодов ресурсных видов в интродукции; изучению компонентного состава эфирных масел и их биологической активности.

Дикорастущие эфирномасличные растения и интродуцированные виды на Северо-Западе России, продуцирующие эфирные масла которые обладают биологической активностью, рассматриваются как полезные биологические ресурсы.

В условиях Северо-Запада России успешно выращиваются эфирномасличные растения семейств Apiaceae, Asteraceae и Lamiaceae.

Данные по компонентному составу и количественному содержанию веществ эфирных масел корней, листьев, цветков и плодов могут быть использованы для решения вопросов таксономии растений.

Эфирные масла интродуцированных растений с антимикробными, антифунгальными и антивирусными свойствами рекомендуются к применению в лечебных учреждениях и в сельском хозяйстве как новый метод борьбы с инфекциями.

Апробация работы: Материалы по теме диссертации доложены: на 4 конгрессах, 5 съездах, 7 Всесоюзных, 10 Всероссийских, 29 международных и 14 региональных научных встречах.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой и областями исследований специальности 03.02.14 «Биологические ресурсы», в данном диссертационном исследовании отражены теоретические и прикладные проблемы биологии, а также рационального использования эфирномасличных растений.

Личный вклад автора. Постановка целей и задач, выработка методологии и структуры данного исследования, разработка идей и нахождение путей их воплощений, организация и проведение экспериментальных исследований, сбор первичного материала (во время экспедиций и работ на стационаре), его анализ и теоретические обобщения принадлежат автору.

Публикации результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 160 работ, из них 39 в российских научных журналах, включённых в «Перечень российских рецензируемых журналов», в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание учёной степени доктора и кандидата наук, 8 статей в зарубежных журналах, 10 статей в других научных журналах, 3 монографии (2 в соавторстве); 2 брошюры (в соавторстве); 4 главы – в коллективных монографиях; 91 работа – в материалах отечественных и зарубежных научных симпозиумов и конференций. Получено 2 Патента и одно Авторское свидетельство.

Настоящая работа выполнена в период с 1986 по 2013 год в соответствии с научными планами и темами Отдела Ботанический сад Петра Великого БИН РАН. Ряд разделов работы были поддержаны грантами РФФИ, Отделением Общей биологии РАН и Санкт-Петербургским научным центром РАН.

При изучении биологии цветения были учтены методы проведения наблюдений, опубликованные в работах Б.М. Козо-Полянского (1923, 1926), А.П. Пономарева (1960 а, б), В.Ф. Шамурина (1958), З.Г. Беспаловой и И.В. Борисовой (1963), Э.М. Шумовой (1967, 1970), P. Knuth (1898), J.W. Dawson (1964), C.J. Webb (1979, 1981). При определении пола цветков, смены фаз цветения использована терминология А.М. Негруль (1935).

Работы с семенами и плодами (диаспорами) проведены с использованием разных методов и подходов (Фирсова, 1959, 1969; Бартон, 1964, Левина, 1967, 1974, 1980, 1987; Николаева, 1967, 1982, 1993; Скрипчинский, 1963; Ходачек, 1970, 2003; Вайнагий, 1973, 1974а, б; Тюрина, 1979, 1984; Методические указания …, 1980; Войтенко, 1989б, Артёменко и др., 1991; Сацыперова, 1991; Иштуратова, Ткаченко, 2009). Изучение особенностей прорастания семян были проведены на 43 видах (представителях семейств Apiaceae, Asteraceae и Lamiaceae), для сбора дополнительных данных, в опытах были использованы также семена ряда видов из других семейств.

Выделение возрастных состояний проведено с учётом работ Т.А. Работнова (1950), А.А. Уранова (1967; Уранов, Смирнова, 1969), И.М. Ермаковой (1976), О.В. Смирновой (1977), «Рекомендаций по изучению онтогенеза интродуцированных растений в ботанических садах СССР» (1990), И.Ф. Сацыперовой и А.М. Рабиновича (1990), М.М. Ишмуратовой и И.Ф. Сацыперовой (1998). Наблюдения за сезонным ростом и развитием интродуцированных растений проводили по методике И.Н. Бейдеман (1954а, б), Н.П. Александровой с коллегами (1975), Р.А. Карписоновой (1978), А.Е. Касач (1987). Интродукционная оценка для 46 видов семейства Apiaceae, 36 видов семейства Asteraceae и 77 видов семейства Lamiaceae проведена по шкале Н.В. Трулевич (1991, 2007). Описание результатов интродукционного испытания в работе дано для 80 видов из изученных семейств.

В качестве эфирномасличного сырья основными объектами были виды родов Achillea, Heracleum, Levisticum, Origanum, Mentha, Myrrhis, Ptarmica, представители семейств Apiaceae, Asteraceae, Lamiaceae, у которых используют корни, листья, траву, цветки и плоды. Для сравнения в работе были использованы виды семейств Araceae, Crassulaceae, Ericaceae, Geraniaceae, Rosaceae.

Для оценки влияния условий сушки растительного сырья были использованы инфракрасная, микроволновая сушилки и сушка на воздухе.

Эфирные масла получали из свежесобранного и из воздушно-сухого сырья в лабораторных условиях в аппарате А.С. Гинзберга (Гинзберг, 1932) и методом Мориса (Государственная …, 1987). Выход эфирного масла из сырья определён для 64 видов (30 из них – виды рода Heracleum), что составляет суммарно 250 образцов.

Качественный состав эфирных масел, без предварительного разделения на фракции, изучали с помощью газожидкостной хроматографии и хромато-масс-спектрометрии. Газожидкостный анализ эфирных масел проводили на хроматографе «Биохром-1» с пламенно-ионизационным детектором с использованием стеклянной капиллярной колонки 50 м х 0.25 мм с полидиметилсилоксановой неподвижной фазой OV-101 в режиме программирования температуры от 40 до 200 ⁰С со скоростью 2–3 град/мин. Линейная скорость газа-носителя (гелия) 8–15 см/с. Температура испарителя 220 ⁰С, деление потока 1:110. Площади регистрировали электронным интегратором Такеда Рикен (Япония) TR-2213.

Масс-спектры снимали на хромато-масс-спектрометре LKB-2091 с использованием наполненной стеклянной колонки 1.8 м х 2 мм с 2 % полидиметилсилоксанового эластомера SE-30 на хромосорбе W и на Hewlett Packard 5890/II (США) с квадрупольным масс-спектрометром (НР MSD 5971) в качестве детектора. Спектры регистрировали при энергии ионизации 70 эВ. Анализ проводили в режиме программирования температуры от 40 до 200 ⁰С со скоростью 2–5 град/мин. Идентификацию осуществляли по значениям обобщённых (линейно-логарифмических) индексов удерживания (Зенкевич, 1984). Для этого проводили анализ смесей эфирных масел с реперными н-алканами С₆–С₁₆ (С_nH_2n+2 при n = 9, 11, 13, 15 и 17). Экспериментально полученные масс-спектры сверяли со спектрами, опубликованными в литературе и базах данных Wiley275 (275 тыс. спектров) (Atlas …, 1969; Registry …, 1974; Eight…, 1983; McLafferty, Stauffer, 1989). Анализ каждого образца повторяли 3–6 раз с последующим усреднением данных по относительному содержанию каждого компонента в образце. Воспроизводимость данных количественного анализа 3–6 % по основным веществам (содержание каждого из них более 3% от общей суммы) и 10–30 % по следовым (0.1–1.0 %). Минимально детектируемое относительное содержание компонентов при дозе 0.2–0.4 мкл – 0.1 %.