INDUCED SYNTHESIS OF PHYTOSTEROLS IN SOME MEDICINAL PLANTS
INDUCED SYNTHESIS OF PHYTOSTEROLS IN SOME MEDICINAL PLANTS
Abstract
The work presents experimental data on the biosynthesis of phytosterols in seedlings of common balm, sweet basil, and sage. Seeds were treated with a complex electromagnetic field in the ultra-high frequency range as an inducing factor. It was shown that the biosynthesis of phytosterols proceeds differently in the roots and leaves of the tested medicinal crops. The relative content of phytosterols peaked on the 28th day of vegetation: in the leaves of common balm, the content of campesterol and stigmasterol increased by 58.1% and 36%, respectively. In the leaves of sweet basil, the content of campesterol and β-sitosterol increased by 73.6% and 57.3%, respectively. In the leaves of sage, the content of stigmasterol increased by 37.0%.
1. Введение
Лекарственные растения являются природным источником биологически активных веществ (БАВ), которые активно используются в фармацевтической промышленности. Среди БАВ растительные стероидные соединения занимают отдельное место, так как обладают целым спектром фармакологических свойств, наиболее важным из которых считается снижение холестерина в крови. Доказана эффективность фитостеролов при лечении предстательной железы , известны противораковые , ангиогенные , противовоспалительные , анальгетические и иммуномодулирующие свойства .
Фитостеролы являются и сигнальными макромалекулами, играющими ключевую роль в стабилизации клеточных мембран, регуляции роста и защиты от патогенов. В условиях биотического и абиотического стресса растения способны усиливать синтез фитостеролов, что делает этот процесс перспективным объектом для биотехнологических исследований .
В качестве индуцированных источников синтеза БАВ могут использовать такие экзогенные факторы как свет, температура, патогены, фитогормоны, химические индукторы, электромагнитные поля и плазменные излучения . Актуальным являются исследования, направленные на биосинтез фитостеролов, понимание механизмов регуляции индуцированного синтеза этих веществ открывает возможности для повышения устойчивости растений к стрессам, улучшения пищевой ценности продуктов, создания функциональных ингредиентов для медицины и косметологии.
В связи с этим целью данной работы являлось изучение индуцированного биосинтеза фитостеролов в отдельных видах лекарственных растений на разных стадиях вегетации.
2. Методы и принципы исследования
В качестве объектов исследования использовались семена и разновозрастные проростки мелиссы лекарственной (Melissa officinalis L.), базилика душистого (Ocimum basilicum L.) и шалфея лекарственного (Salvia officinalis L.).
В качестве экзогенного индуцирующего фактора использовалась комплексная электромагнитная обработка семян (КЭМИ), разработанная в НИУ «Институт ядерных проблем» БГУ . Особенность данного способа обработки семян заключается в том, что семена получают комплексную экзогенную обработку сразу четырьмя видами излучения:
1) повышенная температура восходящего потока газа;
2) облучение ультрафиолетом от низкотемпературной плазмы;
3) воздействие озоном;
4) интенсивное микроволновое излучение, возникающее в псевдоожиженном слое .
Обработка проводилась в течение 4 секунд, необработанные семена служили контролем.
Эксперименты были заложены в лабораторных условиях в трехкратной повторности для каждого варианта опыта. Семена исследуемых культур проращивали в чашках Петри на увлажненной фильтровальной бумаге и в рулонах при температуре 20–21 0С .
Биохимические исследования проводили с использованием метода ГХ-МС.
Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась в MS Microsoft Excel 2013 и Statistic.
3. Основные результаты
Ранее было показано, что стимуляция ростовых процессов, вызванная обработкой семян электромагнитным полем, в первую очередь, происходит с изменением в содержании биологически активных продуктов трансформации полиеновых С-18-, С-16-жирных кислот в корнях и проростках . Из данных, приведенных в таблице 1, видно, что под действием экзогенной комплексной электромагнитной обработки семян в проростках исследуемых культур, представленных гипокотилем и зародышевым корешком, на 4-й день роста, существенно повышалось содержание скволена и циклоартенола, непосредственных предшественников фитостеролов. В проростках мелиссы лекарственной и базилика душистого относительное содержание скволена повышалось на 28,6% и 25,0% соответственно. Максимально содержание скволена повышалось в проростках шалфея лекарственного на 41,3%. Относительное содержание циклоартенола максимально повышалось на 17,1% в проростках базилика душистого (см. табл. 1).
Таблица 1 - Содержание скволена и циклоартенола в проростках мелиссы лекарственной, базилика душистого и шалфея лекарственного на 4-й день роста после обработки семян КЭМП
Наименование вещества | Скволен CAS: 7683-64-9 | Циклоартенол CAS: 469-38-5 | ||||
Контроль, мг/мл | КЭМП, мг/мл | Отклонение от контроля, % | Контроль, мг/мл | КЭМП, мг/мл | Отклонение от контроля, % | |
Мелисса лекарственная (Melissa officinalis L.) | 1,4±0,04 | 1,8±0,005** | +28,6 | 0,81±0,01 | 0,86±0,01 | +6,2 |
Базилик душистый (Ocimum basilicum L.) | 2,8±0,005 | 3,5±0,015* | +25,0 | 0,45±0,01 | 0,53±0,005 | +17,1 |
Шалфей лекарственный (Salvia officinalis L.) | 2,9±0,01 | 4,1±0,015* | +41,3 | 0,4±0,01 | 0,43±0,01 | +7,5 |
Примечание: * - различия статистически достоверны, Р<0,05; ** - различия статистически достоверны, Р<0,001
В корнях шалфея лекарственного к 28-му дню вегетации росло содержание глицерина и стероидных соединений. Суммарное содержание этих компонентов после обработки семян КЭМП к 28-му день роста на 39% превышало контроль (см. табл. 2.). У мелиссы лекарственной и базилика душистого в корнях к 28-му дня роста достоверных отличий в накоплении стероидных соединений не установлено (см. табл. 2).
Таблица 2 - Содержание стероидных соединений в корнях мелиссы лекарственной, базилика душистого и шалфея лекарственного на 28-ой день роста после обработки семян КЭМП
Наименование вещества | Мелисса лекарственная | Базилик душистый | Шалфей лекарственный | ||||||
Контроль, мг/мл | КЭМП, мг/мл | Отклонение от контроля, % | Контроль, мг/мл | КЭМП, мг/мл | Отклонение от контроля, % | Контроль мг/мл | КЭМП, мг/мл | Отклонение от контроля, % | |
Кампестерол CAS 474-62-4 | 2,4±0,03 | 2,4±0,008 | - | 2,4±0,02 | 2,35±0,02 | - | 2,63±0,03 | 2,89±0,03* | +9,8 |
Стигмастерол CAS 83-48-7 | 2,2±0,015 | 2,2±0,06 | - | 4,5±0,03 | 4,4±0,02 | - | 3,57±0,03 | 4,03±0,01* | +12,9 |
β-Ситостерол CAS 83-46-5 | 5,2±0,03 | 5,1±0,03 | - | 7,5±0,02 | 7,3±0,06 | - | 7,65±0,01 | 8,9±0,01* | +16,3 |
Примечание: * - различия статистически достоверны, Р<0,05;
К 28 дню вегетации в листьях исследуемых культур существенно повышалось накопление стероидных соединений (см. табл. 3).
Таблица 3 - Содержание стероидных соединений в листьях мелиссы лекарственной, базилика душистого и шалфея лекарственного на 28-ой день роста после обработки семян КЭМП
Наименование вещества | Мелисса лекарственная | Базилик душистый | Шалфей лекарственный | ||||||
Контроль, мг/мл | КЭМП, мг/мл | Отклонение от контроля, % | Контроль, мг/мл | КЭМП, мг/мл | Отклонение от контроля, % | Контроль, мг/мл | КЭМП, мг/мл | Отклонение от контроля, % | |
Кампестерол CAS 474-62-4 | 4,3±0,03 | 6,8±0,01* | +58,1 | 5,3±0,01 | 9,2±0,01* | +73,6 | 8,5±0,02 | 9,8±0,02* | +15,3 |
Стигмастерол CAS 83-48-7 | 7,5±0,01 | 10,2±0,01* | +36,0 | 6,8±0,01 | 8,3±0,03* | +22,0 | 9,2±0,02 | 12,6±0,02* | +37,0 |
β-Ситостерол CAS 83-46-5 | 8,1±0,008 | 9,6±0,05* | +18,5 | 7,5±0,01 | 11,8±0,03* | +57,3 | 6,8±0,03 | 7,9±0,01* | +16,2 |
Примечание: * - различия статистически достоверны, Р<0,05
Анализируя данные, приведенные в таблице 3, видно, что в листьях мелиссы лекарственной максимально повышалось содержание кампеслерола и стигматерола на 58,1% и 36% соответственно. В листьях базилика душистого существенно взрастало содержание кампестерола и β-ситостерола на 73,6% и 57,3% соответственно. В листьях шалфея лекарственного максимально возрастало содержание стигмастерола на 37,0%.
Биосинтез фитостеролов в растительном организме идет по мевалонатному пути, который начинается с ацетил-КоА и приводит к образованию сквалена и циклоартенола. Из циклоартенола под действием комплекса ферментов последовательно формируются: β-ситостерол, кампестерол, стигмастерол и другие фитостеролы .
4. Заключение
Анализ изменений биосинтеза фитостеролов в проростках каких лекарственных растений как мелисса лекарственная, базилик душистый и шалфей лекарственный, показал, что, метаболизм стероидных соединений в листьях и корнях идет разными путями. В листьях всех исследуемых культур отмечено повышенное содержание таких фитостеролов как кампестерол, стигмастерол и β-ситостерола максимально к 28-му дню вегетации. Это может свидетельствовать о том, что стимулирующее влияние обработки семян комплексным электромагнитным полем происходит посредством накопления стероидных соединений и образования сигнальных молекул как ответ растения на экзогенное воздействие.
Индуцированный синтез фитостеролов открывает путь к масштабированному получению ценных стеринов в биореакторах, разработке гиполипидемических препаратов растительного происхождения, а также интеграции с системной биологией и метаболомным моделированием для дальнейшего поднятия выхода целевых соединений.