В работе приведены экспериментальные данные биосинтеза фитостеролов в проростках мелиссы лекарственной, базилика душистого и шалфея лекарственного. В качестве индуцирующего фактора использовалась обработка семян комплексным электромагнитным полем сверхвысокочастотного диапазона. Показано, что в корнях и листьях исследуемых лекарственных культур биосинтез фитостеролов идет по-разному. Относительное содержание фитостеролов максимально повышалось к 28 дню вегетации: в листьях мелиссы лекарственной возрастало содержание кампестерола и стигматерола на 58,1% и 36% соответственно. В листьях базилика душистого повышалось содержание кампестерола и β-ситостерола на 73,6% и 57,3% соответственно. В листьях шалфея лекарственного максимально возрастало содержание стигмастерола на 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 [1], известны противораковые [2], ангиогенные [3], противовоспалительные [4], анальгетические [5] и иммуномодулирующие свойства [6].
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 [7].
В качестве индуцированных источников синтеза БАВ могут использовать такие экзогенные факторы как свет, температура, патогены, фитогормоны, химические индукторы, электромагнитные поля и плазменные излучения [8]. 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 [9]. 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 [10].
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 [11].
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 [8]. 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).
Содержание скволена и циклоартенола в проростках мелиссы лекарственной, базилика душистого и шалфея лекарственного на 4-й день роста после обработки семян КЭМП
| Наименование вещества | CAS: 7683-64-9 | 469-38-5 | ||||
| Контроль, мг/мл | мг/мл | Отклонение от контроля, % | мг/мл | мг/мл | Отклонение от контроля, % | |
| L.) | 1,4±0,04 | 1,8±0,005** | +28,6 | 0,81±0,01 | 0,86±0,01 | +6,2 |
| L.) | 2,8±0,005 | 3,5±0,015* | +25,0 | 0,45±0,01 | 0,53±0,005 | +17,1 |
| L.) | 2,9±0,01 | 4,1±0,015* | +41,3 | 0,4±0,01 | 0,43±0,01 | +7,5 |
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).
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, | КЭМП, | Отклонение от контроля, % | мг/мл | КЭМП, | Отклонение от контроля, % | Контроль | КЭМП, | Отклонение от контроля, % | |
| 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 |
| 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 |
| 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 |
К 28 дню вегетации в листьях исследуемых культур существенно повышалось накопление стероидных соединений (см. табл. 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, | Отклонение от контроля, % | Контроль, | Отклонение от контроля, % | Контроль, | Отклонение от контроля, % | ||||
| 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 |
| 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 |
| 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 |
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 [7].
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.
The additional file for this article can be found as follows:
Further description of analytic pipeline and patient demographic information. DOI: