Эколого-биологическая характеристика видов рода salix L.

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ВИДОВ РОДА SALIX L. (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 7

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 38

ГЛАВА 3. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ

ХАРАКТЕРИСТИКА ВИДОВ РОДА ИВА (SALIX L.) 48

3.1. Содержание аминокислот 48

3.2. Содержание флавоноидов 52

3.3. Содержание танидов 69

ГЛАВА 4. КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДООХРАННО-

ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ 79

ВЫВОДЫ 90

ЛИТЕРАТУРА 92

Введение

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы создания и комплексного использования лесных насаждений находятся в ряду проблем, имеющих теоретическое и практическое значение.

Известно, что среди древесных растений представители семейства Salicaceae Mirbel представляют интерес как быстрорастущие, успешно произрастающие в условиях резко континентального климата, устойчивые к антропогеным воздействиям растения (Тахтаджян, 1966; Скворцов, 1968; Кулагин, 1998).

Однако представители широко распространенного многовидового рода Salix L. не нашли достаточного отражения в вопросах изучения содержания биологически активных соединений и оценки перспектив комплексного использования ивовых насаждений.

Изучение содержания продуктов вторичного метаболизма у различных видов ив важно для решения научно-практических задач, среди которых выделяется такая, как выявление хозяйственно-ценных видов, сохраняющих жизнестойкость и биопродуктивность в различных условиях существования.

4

Содержание полифенолов, к которым относятся флавоноиды и таниды, в органах древесных и кустарниковых растений исследовано недостаточно. Следует отметить, что имеющиеся литературные данные по этому вопросу получены чаще всего на материале, отобранном с растений из различных мест обитания, или работа проводилась на гербарньтх образцах без учета сроков отбора сырья и фазы развития растений.

Цель работы - проведение сравнительного изучения видов рода Salix L. и обоснование возможности комплексного использования ивовых насаждений водоохранно-защитного и сырьевого назначения. Охарактеризовать содержание аминокислот, флавоноидов и танидов у различных видов рода Salix L в плане перспективности использования в качестве источника биологически активных веществ.

Для достижения поставленной цели были определены и решались следующие задачи:

1. Сравнительная характеристика продуктивности ив при плантационном выращивании.

2. Изучение аминокислотного состава листьев различных видов ив.

3. Изучение содержания флавоноидов в листьях различных видов ив.

4. Изучение содержания танидов в коре ветвей различных видов ив.

5. Определение перспектив комплексного использования ив в качестве источника биологически активных веществ.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Виды рода Salix L. являются неотъемлемым компонентом древесно-кустарниковой растительности пойм рек и должны широко использоваться при создании водоохранно-защитных лесных насаждений.

2. Виды рода являются источником незаменимых аминокислот (аминокислоты не синтезируются в организме животных), флавоноидов и танидов. Ивовые насаждения можно рассматривать как источник и сырьевую базу биологически активных веществ.

3. Комплексное использование ивовых насаждений предусматривает водоохранно-защитное и сырьевое назначение.

Исследование выполнено в рамках плановых научно-исследовательских работ и результаты отражены в научных отчетах по теме «Эколого-биологические особенности лесообразующих видов в связи с ф охраной и оптимизацией окружающей среды» (Гос.рег.№01.9.30009999) и по

грантам РФФИ «Адаптация лесообразующих видов в техногенных условиях и проблемы лесовосстановления» (№96-15-97070), «Адаптация и структурно-функциональные особенности формирования корневых систем древесных растений в техногенных условиях» (№00-04-48688), «Восстановление биологической продуктивности техногенных ландшафтов горнодобывающей промышленности в Республике Башкортостан» (№02-04-97909).

Научная новизна. Впервые в условиях Предуралья проведены исследования аминокислотного состава и содержания флавоноидов и танидов местных и интродуцированных видов ив. Представлена сравнительная характеристика видов ив как источника биологически активных соединений. Установлены различия в уровнях содержания

6

флавоноидных соединений и танидов у растений ив мужского и женского пола.

Автор благодарен за поддержку и практическую помощь научному руководителю д.б.н. С.В.Саксонову, научному консультанту д.б.н. А.Ю.Кулагину. Особая благодарность и признательность к.б.н. О.Э.Оразову, к.х.н. В.С.Никитиной, д.х.н. Р.В. Кунаковой, к.б.н. Н.С.Сахнову, к.б.н. Н.А.Мартьянову, к.с.-х.н. Ю.Ф.Косоурову, к.б.н. Р.Р.Хисамову, Г.В.Шендель, С.М.Сираевой, Н.Ф.Морозову, А.В.Асадуллину, И.С.Юлашеву,

Л.Н.Идиятуллиной за советы, практическую помощь и поддержку на различных этапах работы.

7

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВИДОВ РОДА SALIXL. (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Ивы существовали по крайней мере в среднем мелу (Graham, 1964, цит. по Скворцову, 1968), то есть возраст их равен возрасту цветковых растений. Семейство ивовых характеризуется рядом прогрессивных признаков, а именно: небольшое число плодолистиков и семяпочек, обращенная тенуинуцеллярная семяпочка с одним интегументом, слаборазвитый нуцеллус, одноклеточный женский археспорий, семена без эндосперма (Барна, 1975). Показано (Тахтаджян, 1954), что основные признаки систематических единиц являются приспособительными, а порядки, семейства, роды и виды представляют собой различные ступени

8 приспособительной эволюции.

Ивы распространены на большей части земного шара. Наибольшее число видов приурочено к умеренному поясу северного полушария и, особенно, к его горным и субтропическим районам (Тихменев, 1973; Минеева, 1980; Walker, 1987; Douglas, 1989, 1991; Collinson, 1992; Huntley, Huntley, 1992). Нет ив в Австралии, Океании, восточной половине Индонезии, западной части тропической Африки и тропической Бразилии. Из работ Г.В.Крылова (1961), С.Я.Соколова и О.А.Связевой (1965) и А.К.Скворцова (1968) следует, что ивы белая, трехтычинковая, корзиночная, шерстистопобеговая, козья, серая, остролистная имеют наиболее обширные ареалы и являются самыми распространенными. Ареалы этих видов относятся к европейскому и евроазиатскому бореальному типу ареалов (Скворцов, 1968).

Ивы являются характерными видами пойменных местообитаний (Barratt, 1840; Крылов, 1961; Goodrich, 1983; Шаталов и др., 1984; Douglas, 1987; Кулагин, 1998), при этом в роде Salix на пути эволюционного развития обособились экологические две ветви: одна ведет в внепоймемные условия, вторая - в условия длительно затопляемых пойм (Правдив, 1952). Следует отметить, что при характеристике жизненных форм ив северо-востока выявлен диморфизм популяций, что свидетельстует о динамичности жизненных форм ив (Дервиз-Соколова, 1982).

Ивы - основной компонент древесно-кустарниковой растительности пойм рек, а такие ивы, как белую, трехтычинковую, остролистную, шерстистопобеговую называют аллювиофилами (Ишбулатова, 1966), указывая тем самым на их приуроченность к активной пойме.

Длительность жизни ив по сравнению с хвойными породами невелика. Ива белая, вероятно, наиболее долгоживущая ива, ее предельный возраст около 300 лет; ива шерстистопобеговая доживает до 50-60 лет; предельный возраст ивы трехтычинковой - 30-50 лет ( Lattke, 1966, цит. по

9

Бокку, 1968; Кулагин, 1998). Возраст ивы остролистной не превышает 60-80 лет (Корчагин, 1960).

Отмечается нетребовательность ив к почвенным условиям, особенно к плодородию почв (Альбенский и др., 1956; Неверова, 1970). Показано, что разные виды ив отличаются по требованиям к температуре почвы (Томкус, 1980; Koncalova, Jicinska, 1982). Подавляющее большинство видов ив предпочитают достаточно влажные почвы (Таран, Агапова, 1981; Marshall, Pattullo, 1981;Niiyama, 1990).

В.И.Шабуров (1963) указывает, что в условиях г.Свердловска ивы в возрасте 2-3 лет, выращенные из черенков, достигают 1-3 м, достаточно зимостойки. У ивы остролистной, белой, серой, ломкой подмерзаний нет или подмерзают лишь иногда верхушки побегов. Ива каспийская и ива корзиночная (последняя была привезена из центральной черноземной области) страдают от морозов в большей степени - вымерзают до уровня снега.

Ряд авторов (Сукачев, 1953; Левицкий, 1965; Смалюкае, Лапинскене, 1976; Кашапов и др., 1977) отмечают значительную роль ивняков в стабилизации условий местообитания. В степных ландшафтах появление в понижениях и лощинах степи зарослей кустарников, главным образом ивы розмаринолистной, способствует образованию колков (Глумов, 1960). При осушении болот наблюдается активное внедрение в растительный покров ивы серой и ивы розмаринолистной, при этом отмечается "значительная экологическая пластичность" ив (Андриенко, 1980).

Следует отметить, что ивняки проявляют барьерную роль по

10

отношению к аллювиальному материалу, накопление которого ведет к заилению и постепенному обмелению рек, прудов, водохранилищ. Прибрежные ивняки задерживают гумусированный мелкозем, удобрения и гербициды, сносимые с сельскохозяйственных угодий (Косоуров, 1996).

Большую известность как биологически активные соединения получили флавоноиды. Флавоноиды относятся к обширной группе растительных фенольных веществ вторичного синтеза (Harbome, 1964). Все природные флавоноиды являются О-гетероциклами, структурную основу которых составляет трициклическая молекула флавона (2-фснилхромона или 2-фенилбензо-у-пирона) либо флавана (2-фенилбензопирана). Основная флавоноидная структура, следовательно, состоит из двух бензольных колец, обозначаемых А и В, соединенных С3-фрагментом, образующим вместе с кислородным атомом у- пироновое кольцо (Бриттон, 1986).

Ввиду того, что молекулярную группировку атомов углеродного скелета можно представить как структуру типа Сб - С3 - С6, то по одной из классификаций флавоноиды относят к веществам дифенилпропанового ряда, подчеркивая их особенность и отличие от других фенольных растительных метаболитов (Барабой, 1976; Георгиевский и др., 1990; Кузнецова, 1987). По структуре пропанового фрагмента (-С3-) флавоноиды разделяются на 14 классов. Связующий Сз у различных классов флавоноидов имеет различную степень окисления. Самый "окисленный" класс - флавонолы и ближайшие к ним флавоны - наиболее обширные и распространенные из флавоноидов (Wollenweber, 1982; Киселева и др., 1991). Во многих растениях также

11

обнаружены представители класса антоцианидины - антоцианы, которые привлекают внимание как важнейшие красящие вещества в растениях (Harborne, 1967; Swain, 1976; Timberlake, 1980).

Внутри каждого класса флавоноидные соединения характеризуются числом и положением заместителей в ароматических кольцах. Обычно такие заместители являются ОН- группами, которых бывает от 1 до 6, вследствие чего многие мономерные флавоноиды относятся к полиоксифенолам (Блажей, Шутый, 1977). Встречаются среди флавоноидов также предшественники полимерных соединений - полифенолов, большинство из которых относится к классу катехины (Запрометов, 1974; 1993а; Ribereau-Gayon, 1972). Катехины в виде эфиров галловой кислоты являются мономерами дубильных веществ.

Из содержащихся в растениях флавоноидных соединений во многих гидроксигруппы нередко бывают метилированы либо гликозилированы, что определяет огромное разнообразие природных форм флавоноидов. По последним данным, обнаружены и доказаны структуры около 5000 таких соединений (Запрометов, 1993а). Однако при всем многообразии флавоноидных структур, характер и локализация заместителей в ароматических кольцах подчиняется некоторым закономерностям, которые указывают на общность биосинтетического пути (Запрометов, 1972; Harborne, 1972; Маргна, 1990).

Чаще всего метоксилированными в растениях бывают флавоны, флавонолы и антоцианы, значительно реже - представители других классов флавоноидов (Ebel et al., 1970; Бандюкова, Аванесов, 1970). При этом С-метилированные флавоны и флавонолы встречаются реже, чем О-

12

метилированные. Для большинства классов флавоноидов характерно гликозилирование, так как при этом флавоноиды становятся гидрофильными и легче растворяются в клеточном соке растений (Harborne, 1967; Минаева, 1978). Разнообразие флавоноидных гликозидов определяется особенностями сахаристой части их молекулы; видом, конформацией, количеством Сахаров и местом их присоединения (Geissman, 1962; Харборн, 1968; Mabry et al., 1970; Запесочная, 1983). В состав сахаристой части флавоноидов могут входить моно-, ди- и олигосахариды. Чаще в составе их молекул встречаются такие моносахара, как: D-глюкоза, D-галактоза, L-рамноза, D-манноза, D-ксилоза, L-арабиноза, иногда - D-глюкуроновая кислота, фруктоза и некоторые другие (Harborne et al., 1975; Imperato, 1976; Swain, 1976).

Более сложные формы соединений на основе флавоноидов могут быть образованы присоединением изопреноидных остатков, которые обнаружены у различных участков молекулы. Пренилированные флавоноиды в настоящее время интенсивно изучаются зарубежными исследователями в связи с перспективой создания лекарственных форм (Chen et al., 1993; Ferrary, Messara, 1995; Tahara, Ibrahim, 1995). Когда заместители образуют циклические структуры, в некоторых растениях продуцируются недавно обнаруженные соединения - изофлавоноиды (Dewick, 1982; Kinoshita et al., 1996). Они образуют сложные фурано- и пирановые производные исходных флавоноидных структур, содержащие до шести гетероциклов.

Флавоноиды также могут присоединяться друг к другу через различные гидроксильные группы, образуя димерные бифлавоноидные структуры (Ferreira et al., 1995; Masaoud et al., 1995; Baba et al., 1995); некоторые группы,

13

такие как лейкоцианидины и катехины, могут вступать в реакции полимеризации, при этом образуются соединения дубильной природы -конденсированные дубители (Запрометов, 1973; 1993 а).

В растениях флавоноидные соединения накапливаются в различных органах, чаще в виде гликозидов, что придает им. помимо лучшей растворимости в клеточном соке, устойчивость к воздействию ультрафиолетового излучения (Harborne et al., 1975). Флавоноиды имеют как ряд общих физико-химических свойств, так и индивидуально-групповые различия, которые принимаются во внимание при исследовании этих разнообразных полиоксифенольных растительных метаболитов.

Пироновый цикл обусловливает типично флавоновые реакции основного кольца и может подвергаться восстановлению или окислению, при этом возможны ограниченные превращения флавоноидов одного класса во флавоноиды другого (Блажей, Шутый, 1977). Благодаря таким реакциям в растениях часто присутствуют одновременно представители различных классов. К важным химическим свойствам флавоноидов относится их способность ингибировать процессы окисления и улавливать свободные радикалы, образующиеся при воздействии солнечной радиации и различных поллютантов (Acker et al., 1995; Solah et al., 1995), низкая токсичность для содержащих эти соединения клеток растительных организмов (Кузнецова, 1987).

Флавоноиды, как большинство фенольных соединений, синтезируются в растениях по двум общим механизмам: шикиматному и ацетатно-малонатному (поликетидному) путям (Запрометов, 1973; Swain, 1976). Шикиматный путь объединяет в себе биосинтез ароматических аминокислот, включая L-фенилаланин, и начальные этапы биосинтеза фенольных

14

соединений (Запрометов, 1993 a; Haslam, 1974). Многие этапы шикиматного пути и участвующие в них растительные ферменты подробно изучены при помощи радиоактивно меченых соединений (Harborne et al, 1975; Ebel, Hahlbrock, 1982). Производные фенилаланина участвуют в образовании кольца В флавоноидов. Кольцо А образуется из ацетата по ацегатно-малонатному пути. Из L-фенилаланина дезаминированием образуется транскоричная кислота, с которой начинается синтез большинства полифенолов в растениях (Запрометов, 1973; Ebel, Hahlbrock, 1982). 7/?<шокоричпая кислота превращается через промежуточные реакции в активную форму - п-кумарил-КоА. Последний с тремя молекулами малонил-КоА образует первую флавоноидную форму - тетраоксихалкон. Таким образом, с помощью модельных реакций на высокоочищенных препаратах, было установлено, что вначале в растениях образуются флавоноиды из класса халконов, дающие начало образованию остальных известных структур. Несмотря на успехи в изучении общего биогенеза флавоноидов, в настоящее время продолжаются исследования частных вопросов и уточнение путей формирования некоторых интересующих классов и вновь открываемых структур (Holton, Cornish, 1995; Schmid, Amrhein, 1995).

15

(Yamamoto et al., 1992; Mayr et al., 1995), вследствие чего следует изучать отдельно различные части и органы флавоноидсодержащих растений.

Соединения типа танидов в смесях с белками и другими макромолекулами могут быть разделены на четыре класса согласно химической структуре, молекулярному весу, растворимости в воде и дубящему действию: проантоцианидины (конденсированные таниды), гидролизуемые таниды, окситаниды и смешанная группа р-танидов (Swain, 1979). В дополнение можно выделить класс соединений, которые могут быть названы прототанидами, поскольку они, главным образом, являются предшественниками первых трех групп.

1. Проантоцианидиновые таниды. Проантоцианидины являются наиболее широко распространенными танидами в сосудистых растениях (Swain, 1976). Структурно они могут быть производными конденсированных флаван-3-олов катехина, эпикатехина или соответствующих галлокатехинов, образующих димеры и олигомеры. Механизм образования олигомеров и

16

полимеров неизвестен. Предполагается, что флаван-3,4-диолы, образующиеся через нормальный флавоноидный биосинтетический путь, формируют базовую единицу, для которой используются соответствующие флаван-3,4-диолы (или их эквиваленты). Тем не менее, не найдены флаван-3,4-диолы, соответствующие катехину или галлокатехину. Проантоцианидины названы так потому, что при обработке горячей минеральной кислотой образуют небольшие количества (5-15%) соответствующих антоцианидинов, а остатки при этом полимеризуются с образованием нерастворимых флобафенов. Это первая сторона реакции, которую можно использовать для количественной оценки проантоцианидинов и определения ориентации гидроксильных групп в мономерах.

распространением до двудольных покрытосеменных, но даже в них три из семи подклассов содержат значительные количества этих соединений. Этот класс танидов включает эфиры глюкозы или, реже, других полиолов с галловой кислотой, л*-дигалловой кислотой, гексагидроксидифеновой кислотой или их аналогами (Haslam, 1985). Типичные структуры включают танновую кислоту, корилагин и хебулагиновую кислоту. Все эти соединения могут быть легко гидролизованы горячей минеральной кислотой или эстеразами (например, танназой) с получением сахарной основы и входивших в состав кислот. В зависимости от кислот, полученных в результате гидролиза, гидролизуемые таниды делят на галлотаниды и эллаготаниды. В настоящее время считается, что галловая кислота образуется в высших растениях напрямую из шикимовой кислоты, хотя может также происходить синтез через {i-окисление посредников коричной кислоты. Способ образования различных эфиров глюкозы, однако, не известен. Гексагидроксидифеновая кислота предположительно образуется посредством in suti внутримолекулярного сцепления двух близлежащих галлоильных групп на глюкозной основе.

17

3. Окситаниды. Окситаниды не представлены в интактных растениях, но могут быть образованы при повреждении. Принимая во внимание тот факт, что флаван-3-олы (например, катехин) легче автоокисляются, чем другие природные фенолы, растения, содержащие такие предшественники проаноцианидина, могут с большей вероятностью продуцировать окситаниды, чем другие растения. Окисление катехинов приводит к структурам, отличным от структур проантоцианидиновых полимеров. Обычно в них центральное пирановое кольцо открыто, и полимеризация включает образование С-С и С-О связей (Haslam, 1985).

5. Прототаниды. Прототаниды, в основном, содержат флаван-3-олы и устойчивые флаван-3,4-диолы, совместно с соответствующими предшественниками гидролизуемых танидов, простой галловой кислоты и гексагидроксидифеновых эфиров глюкозы. Некоторые могут включать большое количество широко распространенных фенолов (которые