CC BY
31
УДК 633.88:631.95
DOI 10.24411/0235-2516-2019-10029
СОРТОВАЯ СПЕЦИФИКА НАКОПЛЕНИЯ МАКРО- И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ЦВЕТКАХ CALENDULA OFFICINALIS L. И ИХ ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ
Ф.М. Хазиева, к.б.н., С.И. Цыганок, д.б.н., Т.Е. Саматадзе, к.б.н., А.И. Морозов, д.с.-х.н.
ВНИИ лекарственных и ароматических растений, e-mail: [email protected]
Исследован элементный химический состав сортов календулы лекарственной Золотое море и Райский сад. Установлено, что сырье изучаемых сортов соответствует требованиям нормативной документации по критерию экологической безопасности по таким элементам, как As, Pb, Cd, Hg. Отмечены сортовые различия по элементному химическому составу изучаемых растений. У сорта Золотое море, по сравнению с сортом Райский сад выявлено более высокое содержание макроэлементов в сырье натрия в 1,5 раза, калия - в 1,1 раза, алюминия - в 2,3 раза, бора - 1,9 раза, железа - 1,4 раза. В сырье сорта Райский сад наблюдается более высокое содержание таких элементов, как магний, кремний, стронций. Цитогенетический анализ показал, что процент отклонений в сортах календулы не является критическим и не выходит за рамки видового полиморфизма, а служит следствием спонтанного мутационного процесса и изменения, как правило, исправляются репарационными системами клетки.
Ключевые слова, календула лекарственная, сорт, масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, цитогене-тический анализ.
VARIETAL SPECIFICITY OF MACRO- AND MICROELEMENTS ACCUMULATION IN CALENDULA OFFICINALIS L. FLOWERS AND IT'S CYTOGENETIC VARIABILITY
Ph.D. F.M. Khazieva, Dr.Sci. S.I. Tsyganok, Ph.D. T.E. Samatadze, Dr.Sci. A.I. Morozov
All-Russian Scientific-Research Institute of Medicinal and Aromatic Plants, e-mail: vilar. 6@yandex. ru
The elemental chemical composition of varieties of the Zolotoe more and the Rajskij sad is studied. It is established that the raw materials of the studied varieties meet the requirements of the regulatory documentation for the environmental safety criterion for elements such as As, Pb, Cd, Hg. Variety differences in the elemental chemical composition of the studied plants were noted. The higher content of macronutrients in the raw materials of the Zolotoe more variety was found in such elements as sodium by 1.5 times, potassium - by 1.1 times, by the content of microelements: aluminum is higher in 2.3, boron in 1.9, iron in 1,4, compared with the Rajskij sad. In the raw material of the Rajskij sad, a higher content of such elements as potassium, magnesium, silicon, strontium is observed. Cytogenetic analysis showed that the percentage of deviations in the varieties of Calendula officinalis is not critical.
Keywords. Calendula officinalis, variety, inductively coupled plasma mass spectrometry, inductively coupled plasma atomic emission spectrometry, cytogenetic analysis.
Лекарственные растения (ЛР) имеют исключительное значение в поддержании высокого качества жизни человека и, несмотря на обширный ассортимент синтетических медицинских препаратов, сырье лекарственных растений широко используют в научной и народной медицине. Календула лекарственная (Calendula officinalis L.) - однолетнее травянистое растение, семейства Астровые (Asteraceae), которое является одним из важных видов лекарственных растений, широко возделываемых не только в России, но и во многих странах мира. Наиболее распространенные препараты из календулы лекарственной: настойка календулы
(ТпсШга Calendulае); настой цветков календулы (Infusumflorum Calendulae); мазь «Календула» (Unguentum Calendulae); Калефлон (Caleflonum) и многие другие [1]. Календулу лекарственную широко применяют в косметике, пищевой индустрии и фармакологии [2].
Для организации и интерпретации исследований по агроэкологии, агротехнике, селекции лекарственных и ароматических растений (ЛАР) на территории ботанического сада и экспериментального поля Всероссийского научно-исследовательского института лекарственных и ароматических растений (ВИЛАР, Москва) в условиях мегаполиса, важ-
ное значение имеет изучение элементного химического состава растения (ЭХСР). Это связано, прежде всего, с определением роли техногенного загрязнения при возделывании, селекционном процессе, качестве сырья ЛАР, процессе накопления биологически активных веществ в растении [3, 4].
Устойчивость к высокому уровню элементов питания и изменению ЭХСР контролируется генетически, зависит от биологических, видовых и сортовых особенностей растений, природы химического элемента, факторов окружающей среды и реализуется через физиолого-биохимические механизмы. В ВИЛАР были созданы два новых сорта календулы лекарственной: Золотое море и Райский сад [5, 6]. Основываясь на работу Н.И. Вавилова, можно предположить наличие естественного полиморфизма на всех уровнях организации высших растений: сорт, вид, род, семейство и т.д. по отношению к любым факторам [7]. Кроме того, практически отсутствуют экспериментальные работы, направленные на изучение воздействия мегаполиса на важнейшие цитогенетические показатели лекарственных растений. Выявление лекарственных культур и сортов, минимально накапливающих тяжелые металлы (ТМ) и определение их цитогене-тического статуса является одной из актуальных задач адаптивной (экологической) селекции [8-10].
Цель исследования - изучение сортовой реакции цветков календулы лекарственной на ЭХСР и оценка цитогенетической стабильности сортов в условиях агроэкосистем, подверженных техногенной эмиссии мегаполиса.
Материалы и методы. Объектами исследования было измельченное высушенное лекарственное растительное сырье сортов Золотое море и Райский сад календулы лекарственной, возделываемых на опытных полях ВИЛАР.
Почва опытного участка дерново-подзолистая тяжелосуглинистая, имеет следующие агрохимические показатели: гумус 2,9% (по Тюрину); подвижный фосфор (по Кирсанову) 24 мг/кг и обменный калий 72 мг/кг почвы. Реакция среды слабокислая pHKCl 5,3; Нг 2,9 мг-экв/100 г почвы; V 76,8%.
Для определения содержания ЭХСР использовали масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой (МС-ИСП) и атомно-эмиссионную спектрометрию с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП). Оборудование: квадрупольный масс-спектрометр Nexion 300D (Perkin Elmer, США); атомно-эмиссионный спектрометр Optima 2000 ВМ (Perkin Elmer, США). Статистическая обработка результатов опыта проведена с применением пакета анализа Excel. Повторность четырех кратная.
Хромосомный анализ осуществляли на корневой меристеме ноготков лекарственных. Исследовали временные давленые препараты, окрашенные ацето-кармином. Учитывали митотический индекс (МИ) -
долю клеток, находящихся в стадии митоза, от общего числа клеток в корневой меристеме, а также частоту нарушений митоза и типы хромосомных аберраций [11]. Просмотр препаратов, отбор хромосомных пластинок и их анализ проводили с помощью светового микроскопа ЛОМО Микмед-5, снабженного камерой 14.0 Мп ШВ 2.0 C-Mount.
Результаты и обсуждение. В настоящей статье при оценке загрязнения лекарственного растительного сырья тяжелыми металлами в качестве критериев экологической чистоты ориентировались на предельно допустимые уровни концентрации (ПДК), впервые установленные в Государственной фармакопее РФ XIII издания в общей фармакопейной статье ОФС.1.5.3.0009.15. ПДС для следующих элементов: кадмия - 1,0 мг/кг; свинца - 6,0 мг/кг; ртути - 0,1 мг/кг; мышьяка - 0,5 мг/кг [12].
Данные показывают (табл. 1), что содержание тяжелых металлов в сырье обоих сортов соответствует ПДК, межсортовая разница по содержанию макро- и микроэлементов в соцветиях ноготков характеризуется как положительными, так и отрицательными величинами.
Характеристика накопления макро- и микроэлементов в лекарственном растительном сырье важна при оценке его качества [3]. Присутствие и накопление элементов и минералов зависит от почв мест произрастания. Растения сортов календулы лекарственной были посеяны рядом на одном опытном поле, чтобы исключить разночтение в накоплении элементов. Более высокое содержание макроэлементов наблюдалось в сырье у сорта Золотое море по натрию - в 1,5 раза и калию в 1,1 раза, а по содержанию микроэлементов (алюминий - в 2,3, бор - 1,9, железо в 1,4 раза). В сырье сорта Райский сад наблюдались более высокое содержание калия, магния, кремния, стронция.
Обобщая данные таблицы 1 , можно составить ряды по макро- и микроэлементам. Для каждого сорта в порядке уменьшения по 5 макроэлементам образуются следующие ряды: Райский сад: K > Ca > P > Mg > №а; Золотое море: К > Са > Р > N > Mg.
По микроэлементам в порядке уменьшения убывающие ряды имели следующий вид:
Райский сад: Fe > Si > Мп > Zn > B > Sr > Al > Си > № > I > Cd > Сг > Со > Pb > V > Li > Se > As > Sn > Щ;
Золотое море: Fe > В > Мп > А1 > Zn > Sr > Si > Си > № > Cd > Сг > РЬ > Со > V > I > Ы > Sn > Se > As > Н&
Из приведенных данных видно, что сорта отличаются по накоплению макроэлементов только по расположению магния и натрия. По микроэлементам у сорта Золотое море наблюдается достоверное преобладание над сортом Райский сад А1, Со, №, В, Fe, РЬ, Cd (у сорта Райский сад - Si, Se, Zn).
Поскольку одним из адаптивных механизмов реагирования на условия обитания и/или стресс является увеличение цитогенетической изменчивости и
1. Содержание макро- и микроэлементов в соцветиях сортов ноготков лекарственных, _мг/кг (сухого вещества)_
Элемент Золотое море Райский сад Разница Золотое море - Райский сад
Макроэлементы
К 23310±1412,2 23474±632,4 -164
Na 2321,3±245,6* 1542,6±158,1 +778,7
Ca 10499,3±1013,6 9529,8±1192,6 +969,5
Mg 1881,7±61,4 2229,5±222,7 -347,8
P 2916,5±338,3 3378,5±125,4 -462
Микроэлементы
Al 46,78±7,82* 20,73±3,85 +26,05-
Co 0,2013±0,036* 0,143±0,015 +0,058
I 0,072±0,0067 1,136±0,910 -1,064
Si 23,07±5,269 52,298±12,088* -29,227
As 0,0295±0,002 0,027±0,004 +0,002
Cr 0,254±0,017 0,187±0,0043 +0,067
Ni 2,288±0,329* 1,940±0,182 +0,348
Sn 0,037±0,008 0,024±0,002 +0,013
B 76,77±5,101* 39,71±13,121 +37,055
Cu 7,87±0,725 8,96±0,711 -1,09
Li 0,056±0,014 0,039±0,0099 +0,016
Sr 29,11±2,916 39,52±6,359* -10,41
Fe 213,75±16,245* 155,25±15,607 +58,5
Pb 0,208±0,026* 0,143±0,040 +0,065
V 0,131±0,033 0,109±0,0156 +0,023
Cd 0,719±0,111* 0,457±0,063 +0,263
Hg 0,007±0,00011 0,005±0,00092 +0,002
Mn 54,97±12,490 45,99±4,185 +8,978
Se 0,034±0,0060 0,039±0,0065 -0,006
Zn 37,58±1,890 41,95±2,047* -4,363
Примечание. Разница достоверна при p < 0,05.
2. Цитогенетические показатели C. officinalis L.
Показатель Со рт
Золотое море Райский сад
МИ 9,7±1,5 10,1±1,1
П 24,3±1,9 26,0±1,7
М 12,7±1,2 11,3±1,1
М-А 1,1±0,1 1,4±0,2
А 18,9±2,1 13,0±1,4
Т 13,6±1,2 14,1±1,1
МЯ 0,14±0,01 0,11±0,01
ПМ 1,9±0,2 1,6±0,2
Типы ПМ
ОХМ 44,2±2,1 43,1±2,0
ОХА 5,3±0,4 4,6±0,2
ХМ 45,4±2,1 48,0±2,2
ФХ 5,1±0,2 4,3±0,3
Примечание. МИ - митотический индекс, П - профаза, М - метафаза, М-А - мета-анафаза, А - анафаза, Т -телофаза, МЯ - микроядра, ПМ - патологии митозов,
ОХМ - отставание хромосом в метакинезе, ОХА - от-
ставание хромосом в анафазе, ХМ - хромосомные и хроматидные мосты, ФХ - фрагментация хромосом.
активности молекулярно-генетического аппарата [13, 14], поэтому исследовали митотическую активность апикальной меристемы корешков, а также соотношение фаз митоза и частота встречаемости патологических митозов в клетках корешков проростков семенного потомства сортов C. officinalis.
При сравнении прохождения отдельных фаз митоза у сортов календулы выявлено, что в основном преобладает стадия профазы (табл. 2). Подобные изменения в течение деления клетки обычно наблюдаются при воздействиях, нарушающих синтез ДНК [15]. Возрастание доли клеток, находящихся на стадии профазы и мета-анафазы, служит механизмом адаптации к стрессовых факторам и поддержания гомеостаза клеточной популяции проростков C. officinalis.
При цитологическом исследовании делящихся клеток корневой меристемы проростков C. offici-nalis у сортов были обнаружены клетки со следующими видами нарушений: хромосомные и хрома-тидные мосты, одиночные фрагменты, отстающие хромосомы (рисунок). Частота встречаемости патологий митоза составляла 1,9±0,2 у сорта Золотое море и 1,6±0,2 у сорта Райский сад (табл. 2). Такие нарушения могут быть следствием спонтанного мутационного процесса в результате влияния погод-
ных условий или действия вторичных продуктов обмена, образующихся в результате нормальных метаболических процессов в организме. Как правило, эти изменения исправляются репарационными системами клетки в процессе онтогенеза.
Митоз C. officinalis: а - анафаза; б - отставание хромосом; в - мосты; г - фрагменты хромосом; д - фрагментация хромосом; е - телофаза
Таким образом, в результате изучения элементного химического состава растений Calendula officinalis сортов «Золотое море» и «Райский сад» в условиях агроэкосистем, подверженных техногенной эмиссии мегаполиса, установлено, что сырье данных сортов соответствуют требованиям нормативной документации по критерию экологической безопасности. Отмечено, что сорта различаются по количественному накоплению исследуемых химических элементов. Цитогенетический анализ показал, что процент отклонений в сортах календулы, выращенных в условиях агроэкосистем, не является критическим и не выходит за рамки видового полиморфизма. Полученные результаты могут быть использованы в дальнейшем при адаптивной (экологической) селекции календулы лекарственной.
Литература
1. Соколов С.Я., Замотаев И.П. Справочник по лекарственным растениям. - М.: Медицина, 1984. - 464 с.
2. Dlugosz M., Wiktorowska E., Wisniewska A. and Pqczkowski C. Production of oleanolic acid glycosides by hairy root established cultures of Calendula officinalis L. // Acta Biochimica Polonica, 2013, V. 60 (3). - P. 467-473.
3. Терешкина О.И., Рудакова И.П., Гравель И.В., Самылина И.А. Проблема нормирования тяжелых металлов в лекарственном растительном сырье // Фармация, 2010, № 2. - С. 7-11.
4. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. - М.: Мир, 1989. - 439 с.
5. Патент на селекционное достижение № 7532. Ноготки лекарственные Calendula officinalis L. Сорт «Золотое море». Дата выдачи 16.10.2014 г.
6. Патент на селекционное достижение № 8651. Ноготки лекарственные Calendula officinalis L. Сорт «Райский сад». Дата выдачи 26.10.2016 г.
7. Вавилов Н.И. Научные основы селекции пшеницы. - Л. : Сельхозгиз, 1935. - 248 с.
8. Листов С.А., Петров Н.В., Арзамасцев А.П. О содержании тяжелых металлов в лекарственном растительном сырье // Фармация, 1992, № 2. - С. 19-25.
9. Гравель И.В., Шойхет Я.Н., Яковлев Г.П., Самылина И.А. Фармакогнозия. Экотоксиканты в лекарственном растительном сырье и фитопрепаратах. - М.: ГеотарМедиа, 2012. - 301 с.
10. Черных Н.А., Овчаренко М.М. Тяжелые металлы и радионуклиды в биогеоценозах. - М.: Изд-во «Агрокон-салт», 2002. - 200 с.
11. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. - М. : Агропромиздат, 1988. - 271 с.
12. Государственная фармакопея Российской Федерации, XIII, Том 2, 2015. https://www.rosminzdrav.ru.
13. Буторина А.К., Калаев В.Н. Анализ чувствительности различных критериев цитогенетического мониторинга // Экология, 2000, № 3. - С. 206-210.
14. Буторина А.К., Калаев В.Н., Карпова С.С. Цитогенетические нарушения в соматических клетках человека и березы повислой в районах г. Воронежа с различной интенсивностью антропогенного загрязнения // Экология, 2002, № 6. - С. 438-441.
15. Stevens J.B., Liu G., Bremer S.W., Ye K.J., Xu W., Xu J., Sun Y., Wu G.S., Savasan S., Krawetz S.A., Ye C.J., Heng H.H.Q. Mitotic cell death by chromosome fragmentation // Cancer Res., 2007, V. 67. - P. 7686-7694.
